基于苗钵—根系综合分析的取苗末端执行器设计及育苗工艺优化

随着工厂化育苗和穴盘育苗的推广,我国加强了对移栽机械的关注,但是目前国内还没有投用于生产的全自动蔬菜移栽机,限制其发展的主要问题是已有的移栽机械缺少与穴盘苗的适应性、取苗爪与苗钵作用机理不清,机构设计与育苗工艺不相符合。对于这个问题,本文对穴盘苗苗钵的根系结构、力学特性、生长特性、取苗质量等方面进行研究,优化了取苗末端执行器和育苗工艺。主要研究内容概括如下:(1)以番茄穴盘苗为研究对象,探索苗钵和根系三维重建的方法、测量并验证番茄穴盘苗结构参数。试验得到适合番茄穴盘苗的Micro-CT扫描参数为扫描电压、扫描电流、扫描体素分别为55 kVp,72μA,45μm;根系模型空间位置最大、最小相对误差分别为12.105%、4.419%,根长度和根角度的平均相对误差分别为3.68%、5.56%;根系主要参数根体积、主根长度、根基部直径的相对误差分别为3.85%、3.34%、3.05%,对两独立样本进行t检验(α=0.05),根体积、主根长度、根基部直径的p值均大于显著性水平0.05,即CT模型根体积、主根长度、根基部直径和实测苗钵根体积、主根长度、根基部直径平均值无显著差异;因此,Micro-CT重建的穴盘苗钵体模型和根系模型在空间位置、参数测量方面均可靠。(2)基于CT根系模型,探索穴盘苗根系空间分布规律,分析不同育苗参数下苗钵的根系分布特点。试验结果显示:根体积、根分层密度在垂直方向上的分布呈现二次抛物线规律;在水平方向上,根系体积呈现二次抛物线的趋势,而根系分层密度是四次多项式分布规律;运用正交试验分析基质配比(草炭、蛭石和珍珠岩的体积比)、压实度(基质填充体积:穴盘体积)、施肥次数对穴盘苗根系垂直方向分布特点、水平方向分布特点、苗钵力学特性等的影响,综合考虑穴盘苗根系垂直方向分布特点、水平方向分布特点、苗钵力学特性等指标,发现适合夹取的穴盘苗培育方案是:基质配比为草炭:蛭石:珍珠岩为3:1:1,施肥次数为3次,压实度为1。(3)基于番茄穴盘苗根系空间分布、力学特性等因素进行取苗末端执行器设计和优化。根据取苗机构的工作原理、根系分布对夹取参数的影响,确定了边入边夹的取苗方式;综合考虑取苗末端执行器的结构特点、番茄穴盘苗的根系空间分布特点、苗钵拉拔力F与钵体夹持变形量的关系,对取苗末端执行器的结构参数进行优化。(4)基于穴盘苗根系空间分布、力学特性、生长质量和取苗质量的育苗工艺优化。分别在不同有效积温下,按照以基质配比、压实度、施肥次数为因素的正交试验培育穴盘苗,对苗钵生长质量和取苗质量进行统计分析,结果显示:在有效积温为707.82℃时,穴盘苗壮苗指数最大、取苗质量最好;针对有效积温为707.82℃时的穴盘苗,对不同育苗参数下的穴盘苗进行多指标(根系空间分布、力学特性、壮苗指数和取苗成功率)综合评分,确定了兼顾移栽性能和苗钵质量的最佳育苗参数为A3 C3 B1(草炭:蛭石:珍珠岩=3:1:1,施肥次数3次,压实度为1)。