全 文 ：茄科秧苗真叶去除装置的试验研究
李元强，范红伟，艾青牧，程大鹏，陆强强
(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)
摘 要:夹持是茄科秧苗贴接嫁接时的关键操作，夹持秧苗时夹持口处的真叶妨碍夹持作业。为此，研制了茄科
接穗秧苗真叶去除装置，采用 PLC 来控制，为茄科接穗秧苗真叶去除装置作业性能和其生产应用提供技术指导。
同时，对茄科接穗秧苗真叶去除装置作业效率进行了测试与分析，并以滚刷旋转速度、电机正反转和滚刷旋转时
间为因素做了正交试验。试验结果表明:电机正反转对茄科接穗秧苗真叶去除装置影响最显著，滚刷旋转速度
次之，滚刷旋转时间影响不显著。优化得到合理的作业参数组合是滚刷旋转速度为 175 r / min，电机 1 正转、电机
2 反转，滚刷旋转时间为 6 s。该装置的去叶率达到 90%。
关键词:茄科秧苗;真叶;滚刷;装置;去叶率
中图分类号:S224． 1 +44 文献标识码:A 文章编号:1003 －188X(2015)01 －0213 －04
0 引言
目前，国内外蔬菜栽培广泛采用嫁接培育，嫁接
技术已经成为高质量蔬菜规模生产的技术手段。当
前嫁接育苗作业仍主要以人工为主，存在嫁接育苗效
率低、质量不稳定等问题。近年来，设施农业机械迅
速进展，人工劳动力成本增加，人工嫁接育苗很难适
应现在的蔬菜嫁接规模生产，需要开发高质量、高效
率的全自动嫁接装置。
1993 年，日本井关公司研制出第一个半自动嫁接
机(GＲ800 型) ，后续研制出全自动、半自动和人力茄
类嫁接切削器［1 － 3］。1993 年，日本 TGＲ 研究所研发
出茄科用 KGM0128 型嫁接机［4 － 5］。1994 年，日本井
关农机会社同日本研究机构协作开发出 GＲ800T 型半
自动茄科嫁接机，该机采用贴接法。韩国从 20 世纪
90 年代开发出全自动茄类嫁接机［6］。国内，2007 年
张铁中等对营养钵茄苗嫁接机器人进行了试验研
究［7］，2009 年对双臂蔬菜嫁接机进行了试验研究［8］;
2010 年，辜松等对茄科嫁接机进行了设计与研究［9］，
2010 年对嫁接机进行了试验研究［10］，2011 年研制出
2JT － M型茄类嫁接切削器［11］
国内外已对茄科嫁接机以及切削器的装置和技术
进行了大量研究，但对于茄科嫁接机真叶去除装置的
研究均未见报道。茄科蔬菜嫁接方法主要有劈接法、
收稿日期:2014 － 03 － 08
基金项目:省级重点实验室开放课题项目(548008)
作者简介:李元强(1969 －) ，男，黑龙江佳木斯人，副教授，硕士生导
师，(E － mail)lyts@ neau． edu． cn。
贴接法和平接法。在茄科嫁接机的嫁接作业中，采用
贴接法嫁接时，夹持是嫁接过程的关键操作，在秧苗
夹持的过程中，植物茎秆上生长的真叶会进入夹持
口，妨碍夹持作业，影响夹持秧苗位置的准确度及夹
持、嫁接作业质量，现有的嫁接机上还没有高性能的
装置可以去除茎秆上真叶。采用人工去除茄科秧苗
真叶存在作业量较大、作业繁琐及作业质量差等问
题，因此研究茄科嫁接机真叶去除装置及其作业参数
优化，已成为现阶段亟待解决的问题。
本文以茄科嫁接机真叶去除装置为研究对象，在
不同作业参数条件下对秧苗进行除叶，研究诸参数对
去叶率的影响，为开发茄科嫁接机真叶去除装置提供
设计依据。
1 去叶装置的基本结构
茄科秧苗去叶装置结构如图 1 所示。该秧苗去叶
装置主要包括机械本体和控制箱，主要由支撑架、滚
刷、直流电机、针型气缸、丝杠、滑块及步进电机等构
成。直流电机为 24V，转速 166r /min，由于该转速未能
实现预期的速度，因此加载电压到 29V。
1． 1 去叶装置工作原理
工作时，先将秧苗放入指定的苗钵中，为去除秧
苗真叶做好准备。秧苗去叶装置工作时，由步进电机
带动丝杠运动从而使滚刷到达指定的位置，在加载电
压 29V的直流电机的运转下，带动滚刷转动;随后针
型气缸工作，推动两滚刷并拢，从而去除秧苗真叶达
到预期效果;针型气缸、直流电机以及步进电机复位，
进入下一个循环去叶工作。
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2015 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.01.050
1．秧苗 2．苗钵 3．支撑板 4．滚刷 5．针型气缸
6．直流电机 7．滑块 8．丝杠 9．步进电机
图 1 秧苗去叶装置工作部位
Fig． 1 A working place of the seeding leaves － removing device
1． 2 关键部件的设计
滚刷排布的设计是秧苗去叶装置的核心部位，对
滚刷的设计要满足:既可以去除秧苗真叶又不损坏秧
苗茎秆，图 2 所示为滚刷排布的设计。采用螺旋的方
式设计滚刷，以便滚刷在转动的过程中，可以在任意
范围内去除秧苗真叶。
图 2 滚刷排布的设计
Fig． 2 Brush arrangement design
1． 3 控制部分的设计
基于 PLC 可编程序控制器，搭建去叶装置的控制
系统。根据 I /O 口的分配，选择三菱 FX1s － 40MT 型
号的 PLC 作为该去叶装置的主控制器。
2 试验材料与方案
2． 1 试验材料
试验样品为东北农业大学园艺试验站人工培育的
茄科秧苗(品种威十)。茄科秧苗由茎秆与茎叶组成。
待茄科秧苗生长到 4 ～ 6 片真叶时，进行试验。试验
样板的相关数据如表 1 所示，茄科秧苗示意图如图 3
所示。
表 1 茄科秧苗几何参数
Table 1 Geometry parameters of solanaceous seedings
项目
均值
/mm
标准差
直径 Φ 2． 35 0． 21
株高 L 156． 60 9． 22
要去除真叶距底端距离 H 91． 87 7． 39
2． 2 仪器与设备
秧苗真叶去除装置:试验采用自行研制的秧苗真
叶去除装置(见图 1) ，可将秧苗真叶去除，达到理想状
态;运用滚刷排布方式，采用螺旋的结构设计滚刷，以
便滚刷在转动的过程中，可在圆周内去除秧苗真叶。
图 3 茄科秧苗
Fig． 3 Solanaceous seedling
2． 3 试验方案
在调试装置时发现滚刷的打击速度和打击次数
(即滚刷旋转时间)将影响茄科秧苗真叶去除装置的
去叶率，故选择滚刷转速和滚刷旋转时间为影响因
素。考虑到去叶方式不但影响去叶效果，而且影响装
置的结构，故选择去叶方式成为影响因素。该试验中
去叶方式即电机带动滚刷转动的方向，可以分为以下
3 种:电机 1 正 2 反、1 反 2 正、1 和 2 正或者 1 和 2 反。
影响去叶效果的因素还有滚刷的尺寸形状与材质、秧
苗生长状态与特性等，由于本次研究要测试研制装置
的去除真叶可行性，现将这些因素选择为固定水平，
在后续实验中要详细研究。
采用三因素三水平正交试验设计方案，根据大量
预试验结果，选取滚刷转速的范围是 135 ～ 175r /min。
由于电机是 24V 的直流电机，该电机最大转速是
166r /min，通过加载电压的方式改变电机转速，加载后
的电压最大值是 29V，转速最大值是 200r /min。试验
因素水平如表 2 所示。其中，A、B、C 分别为滚刷的转
速、电机正反转以及滚刷旋转时间，试验指标为去叶
率。
表 2 试验因素水平表
Table 2 Levels of test factors
水平
因素
A
速度 / r·min －1
B
正反转
C
时间 / s
1 135 1 正 2 反 2
2 155 1 反 2 正 4
3 175 1 反 2 反 6
根据试验安排对每组参数组合选择 5 株秧苗进行
试验，每次摆放 1 株秧苗，记录每组去除秧苗真叶的次
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2015 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期
数为 a，每组要去除秧苗真叶的个数为 b，则去叶率 w =
a /b。
若采用全因子试验要处理 27 组数据，但由经验
知，该试验几乎不存在交互作用，且为了综合分析试验
结果的优劣性，故采用 9 组数据处理的 L9(3^4)正交设
计表［12］。其中，第 4 列为空列(误差列) ，去叶率通过
观察和计算得到。分别采用极差和方差分析判断各因
素对指标影响的先后顺序，并确定最优的因素水平进
而选出最优的组合。
3 试验结果与分析
3． 1 试验结果
正交试验方案及去叶装置试验结果如表 3 所示。
表 3 正交试验结果
Table 3 Orthogonal test results
试验号
因素
A B C
空列
试验结果
(去叶率 w /%)
1 1 1 1 1 90
2 1 2 2 2 50
3 1 3 3 3 60
4 2 1 2 3 80
5 2 2 3 1 50
6 2 3 1 2 40
7 3 1 3 2 88
8 3 2 1 3 40
9 3 3 2 1 45
3． 2 试验结果分析
秧苗真叶去除装置作业时，以去叶率为试验指
标，以滚刷旋转速度、电机正反转和滚刷旋转时间为
试验因素的正交试验极差分析表如表 4 所示，方差分
析表如表 5 所示。
对试验的结果进行极差分析计算，计算的参数包
括各因素对应的各水平总和 Ki为
Ki = ∑wi ，i = 1 ～ 3
各因素的各水平平均去叶率 Kj为
kj =
Ki
3 ，j = 1 ～ 3
各因素的各水平极差 Ｒ 为
Ｒ = kmax － kmin
从表 4 可见，第二列因素即因素 B(电机正反转)
的极差 Ｒ 为 43 最大，这表明因素 B 的水平变化对去
叶率的影响最重要，因此因素 B 是 3 个因素中最主要
的因素。它的 3 个水平所对应的去叶率分别为 250、
135、120。它的第一个水平所对应的去叶率最高，因
素第一个水平最好，即电机 1 正转、电机 2 反转时秧苗
真叶去除装置作业效果最好。
因素 A(滚刷转速)和因素 C(滚刷旋转时间)的
极差 Ｒ 分别为 5 和 3，因此滚刷旋转速度对去叶率的
影响是次重要，而滚刷旋转时间对去叶率的影响是最
不重要的，它们的优水平分别是 A3和 C3。
以上分析可知，各因素对试验指标去叶率的影响
主次顺序为:电机正反转 B ＞滚刷转速 A ＞滚刷旋转
时间 C。
最优的因素水平搭配组合为:A3 B1 C3，即滚刷转
速为 175r /min，电机 1 正转、电机 2 反转，滚刷旋转时
间为 6s时秧苗真叶去除装置的去叶效果最好。
方差分析结果表明，P = 0． 045 5 ＜ 0． 05，滚刷旋转
速度对去叶率的影响显著;P = 0． 002 9 ＜ 0． 01，电机正
反转对去叶率的影响最显著;P = 0． 055 1 ＞ 0． 05 滚刷
旋转时间对去叶率影响不显著。各因素对去叶率的
影响程度大小顺序为:电机正反转 ＞滚刷转速 ＞滚刷
旋转时间。
表 4 去叶率的极差分析
Table 4 Extreme analysis of defoliation rate
试验号
因素
A B C
空列
K1 160 250 165 175
K2 170 135 170 175
K3 175 120 175 155
k1 53 83 55 58
k2 57 45 57 58
k3 58 40 58 51
Ｒ 5 43 3 7
主次顺序 B ＞ A ＞ C
优水平 A3 B1 C3
优组合 A3B1C3
表 5 去叶率的方差分析
Table 5 Variance analysis of defoliation rate
变异源 自由度 平方和 均方 F值 概率 P 显著性
A 2 182． 00 91． 00 342． 54 *
B 2 2 968． 67 1 484． 33 17． 15 ＊＊
C 2 148． 67 74． 33 0． 045 5
误差 4 8． 67 4． 33 0． 002 9
总变异 8 3 308． 00 21． 00 0． 055 1
* 表示 Pr ＞ F 值小于 0． 05 表明模型或考察因素有显著影响;＊＊
表示 Pr ＞ F值小于 0． 01 表明影响极显著。
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2015 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期
4 结论
1 ﹚试验结果为茄科秧苗真叶去除装置的研制提
供理论计算依据。试验结果表明:电机正反转对茄科
接穗秧苗真叶去除装置影响最显著，滚刷旋转速度次
之，滚刷旋转时间影响不显著。
2 ﹚通过极差分析、方差分析进行了优化设计，最
优作业参数组合是滚刷旋转速度为 175r /min，电机 1
正转，电机 2 反转，滚刷旋转时间为 6s，在作业参数最
优的情况下去叶率达到 90%。
3 ﹚影响去叶效果的其他参数，以及对主要参数
的优化，还有待进一步研究。
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Development of a Leaves － removing Device for Solanaceous Seedings
Li Yuanqiang，Fan Hongwei，Ai Qingmu，Cheng Dapeng，Lu Qiangqiang
(College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)
Abstract:The clamp is a key operation for grafting of solanaceous seedlings that choose amplexiform，gripping the seed-
ling，the leaves of the clamp mouth interfere clamping operation，in reaction to the phenomenon，developing a leaves －
removing device for solanaceous seedlings that uses PLC to control． To provide technical guidance for operating perform-
ance of leaves － removing device for solanaceous cion seedlings and its production applications，the operating efficiency of
leaves － removing device for solanaceous cion seedlings was tested with analysis． Orthogonal experiment was the three fac-
tors of the brush rotation speed，motor’s rotary and brush rotation time，the results showed that:motor’s rotary was the
most significant effect on the leaves － removing device for solanaceous cion seedlings，roller rotation speed was followed
by it，roller rotation time had no significant effect． The optimal operating parameters combination was developed as the
speed of brush rotation of 175r /min，the motor 1 of forward，motor 2 of reverse，time of brush rotation of 6s，Under
these conditions，the defoliation rate of this device was 90% ．
Key words:solanaceous seedlings;leaf;brush;device;defoliation rate
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2015 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期