玉米小区育种精量排种器的试验研究与分析

杨　薇，李建东，王　飞，王延耀，王　琛，刘金锁

(1.中机美诺科技股份有限公司，北京　100083；2.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



玉米小区育种精量排种器的试验研究与分析

杨薇1，李建东1，王飞1，王延耀2，王琛1，刘金锁1

(1.中机美诺科技股份有限公司，北京100083；2.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：玉米小区育种精量播种机的核心部件是组合式精量排种器。为分析玉米小区育种精量排种器的性能，选取真空度、排种盘转速和排种盘径向槽宽度作为影响排种器排种性能的主要因素，采用二次回归正交旋转组合设计进行试验设计，并利用JPS-12排种器性能检测试验台进行试验研究。根据试验结果建立了各因素的数学模型，并用MatLab绘制三维响应曲面图，分析得出各因素对作业性能指标的影响趋势。同时，利用综合加权平均法找出了能满足排种器性能要求的影响因素数值的最优组合，当真空度为7.4kPa、径向槽宽度为3.9mm、排种轴转速为32r/min时，粒距合格指数为80.73%，漏播指数为6.64%，重播指数为5.70%，为排种器的进一步研究提供了可靠依据。

关键词：排种器；二次正交旋转回归试验；小区精量播种机；优化

0引言

区域试验是国家审定新品种的依据，播种是区域试验中最重要的环节，播种的质量直接关系到试验方案的实施。小区试验的播种特点是“份多量少”，相对于大田播种作业来说，对播种机的要求更加严格，具体要求包括定量送种、清种彻底、小区间隔整齐一致、株距均匀及播深一致等等。为了提高播种作业的精度，精密播种机越来越受到育种工作者的青睐，而精密排种器是精密播种机的核心部件，其性能的好坏直接决定了整个播种机的作业性能。国内众多学者对几种常用的精量排种器包括气吸式排种器、可调窝眼式排种器及垂直勺轮排种器等进行了研究[1]，多数采用正交试验方案，研究各主要因素与排种性能指标之间的关系，分析影响排种质量的主要因素，确定最佳工作参数范围与最优参数组合。目前，常用的这几种精量排种器多应用于从事大田作业的精量播种机，应用于小区播种作业时，存在不便于清种及种量较少情况下漏播严重等缺点。

本文选用玉米小区育种精量播种机上采用的组合式气吸精量排种器，通过二次回归正交旋转组合试验设计在JPS-12排种器性能检测试验台上进行试验，以便得到真空度、径向槽宽度及排种器转速对粒距合格率、重播率及漏播率的影响，找出能满足排种器性能要求的影响因素数值的最优组合。

1组合式气吸精密排种器工作原理

组合式气吸精密排种器，主要由吸种腔外壳、窝眼环、径向槽排种盘、螺旋槽盘和吸种腔底座等部件组成，如图1所示。吸种腔底座与风机相连提供真空，种子从吸种腔外壳上的落种口落入种腔，使用真空将种子吸到槽内并吸附在径向槽排种盘的槽上；通过径向槽排种盘的旋转，种子沿着螺旋槽排种盘的螺旋槽滑转到外部，原本用来固定种子的真空力失效，种子落入到窝眼环的一个窝眼中；然后，从窝眼环继续输送到播种口，种子由此通过开沟器落到地面。

1.吸种腔外壳　2. 窝眼环　3.径向槽排种盘　4. 螺旋槽盘

2试验用排种器试验台

试验是在黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的JPS-12排种器性能检测试验台上进行的，排种器试验台如图2所示。

图2　排种器试验台

排种器试验台由台架、种床带装置、排种器安装架、黏种油液压系统、摄像装置、刮油板、油水分离装置及气吸式排种器驱动风机装置等组成。种床带周长为19.23m，宽0.7m，厚3mm，有效长度为10m。种床带的前进运动模拟播种机的工作速度。排种器轴和种床带分别由调速电机带动并控制其速度。种床带前进的调速范围为1.5～12km/h，排种盘转速的调速范围为10～150r/min。试验时，排种器固定在排种器安装架上，由黏种油液压系统将黏种油从油箱压给刮油板，在中央涂成一条厚为3mm的黏油带，以便播下的种子粘在种床带上用来测量记数。排种轴转速、种床带转速、黏种油油量及风机的正负压通过操作台操作面板上的相应旋钮来调节；面板上显示的是相应变频器的频率，各指标的值可在计算机操作软件中看到。

3试验依据

试验根据单粒(精密)播种机试验方法《GB/T 6973-2005》[2]，对组合式气吸精密排种器进行性能测试，通过测试落在种带上的种子粒距来反映排种性能。若测得的粒距小于或等于0.5Xr(Xr为理论粒距)为重播，在(0.5～1.5)Xr之间为合格，大于1.5Xr为漏播。衡量排种器性能的指标主要有粒距合格指数、重播指数和漏播指数。

4试验与分析

4.1试验因素和方法

影响气吸式精密排种器排种性能的因素很多[3]，如排种盘的直径、吸孔的孔径、吸孔的数量、真空度及排种盘转速等。针对本文选用的组合式气吸精密排种器，选择真空度、径向槽宽度及转速3个因素进行试验。根据实际作业的情况及前期单因素试验的结论，确定试验因素水平变化范围如表1所示。

表1　试验因素及其水平变化范围

试验采用二次回归正交旋转组合设计[4]。试验因素用Zj(j=1, 2,3)表示；取值最高的那个水平称为上水平，以Z2j表示；取值最低的那个水平称为下水平，以Z1j表示；二者之算术平均数称为零水平，以Z0j表示。则

(1)

上水平和零水平之差称为因素Zj的变化间距，以Δj表示，即

(2)

其中，r为星号臂，根据试验的设计方法，确定r=1.682。

为了回归设计，应对各因素的水平进行编码,即对Zj进行如下线性变换，有

xij=(Zij-Z0j)/Δj

(3)

其中，i=1,2,3；j=1,2,3。

采用式(4)对每个因素Zj(j=1, 2,3)的取值做线性变换，得到的因素水平编码表如表2所示。

(4)

4.2试验结果与分析

4.2.1粒距合格指数结果与分析

根据试验设计条件，对组合式气吸精密排种器的排种粒距合格指数进行试验，试验的三元二次正交旋转组合设计结构矩阵及试验结果如表3所示，y1为粒距合格指数。

表3　粒距合格指数试验设计及结果

根据表3初步得到的回归方程为

0.34x1x2+0.2x1x3-0.66x2x3-

(5)

对试验的三元二次回归方程(5)进行方差分析，结果如表4所示。进一步作回归系数显著性检验、失拟性检验和回归方程的显著性检验。

表4　粒距合格率试验结果方差分析

续表4

由方差分析看出，总的回归关系达到显著，证明试验有效。回归系数检验结果表明，在整个研究区域内部，由于F拟=3.335 5F0.05(9,13)=2.72，检验结果表明：回归方程和回归系数在α=0.05水平上是显著的，二次回归方程拟合较好。

去掉偏回归平方和较小的因子x1x2、x1x3及x2x3后，得到回归方程为

(6)

(7)

将式(4)代入式(7)，将方程用实际变量Zj表示为

69.56z2+1.92z3-237.85

(8)

为了更直观地得到粒距合格率与各个试验因素之间的关系，利用MatLab软件，绘制形象的三维响应曲面图[5]，如图3～图5所示。

图3　粒距合格率的转速-槽盘宽度响应曲面图

图4　粒距合格率的转速-真空压力响应曲面图

图5　粒距合格率的槽盘宽度-真空压力响应曲面图

由回归方程和等值线图可以看出，对粒距合格率影响程度的大小分别为Z2、Z1、Z3，即径向槽宽度>真空压力>转速。

4.2.2漏播指数结果与分析

根据设定的试验设计条件，对组合式气吸精密排种器的排种粒距合格指数进行试验，试验的三元二次正交旋转组合设计结构矩阵及试验结果如表3所示，y2为漏播指数。

根据表5，初步得到的回归方程为

1.11x1x2+0.28x1x3+2.06x2x3+

(9)

对式(9)进行方差分析，结果如表6所示。进一步做回归系数显著性检验、失拟性检验和回归方程的显著性检验。

由方差分析看出：总的回归关系达到显著，证明试验有效。回归系数检验结果表明：在整个研究区域的内部，由于F拟=3.1579F0.05(9,13)=2.72，检验结果表明，回归方程和回归系数在α=0.05水平上是显著的，二次回归方程拟合较好。去掉偏回归平方和较小的因子x1x3后，得到回归方程为

(10)

(11)

将式(4)代入式(11)，将方程用实际变量Zj表示为

1.8z3-2.54z1z2+0.25z2z3+202.35

(12)

为了更直观地得到漏播率与各个试验因素之间的关系，利用MatLab软件，绘制形象的三维响应曲面图，如图6～图8所示。

表5　漏播指数试验设计及结果

表6　漏播指数试验结果方程分析表

图6　漏播率的槽盘宽度-真空压力响应曲面图

图7　漏播率的转速-真空压力响应曲面图

图8　漏播率的转速-槽盘宽度响应曲面图

由回归方程和等值线图可以看出，对漏播率影响程度的大小分别为Z2、Z3、Z1，即径向槽宽度>转速>真空压力。

4.2.3重播指数结果与分析

根据设定的试验设计条件，对组合式气吸精密排种器的排种粒距合格指数进行试验，试验的三元二次正交旋转组合设计结构矩阵及试验结果如表3所示，y3为重播指数。

根据表7，初步得到的回归方程为

0.95x1x2-0.42x1x3+0.29x2x3+

(13)

对方程(12)进行方差分析，结果如表8所示。进一步做回归系数显著性检验、失拟性检验和回归方程的显著性检验。

由方差分析看出：总的回归关系达到显著，证明试验有效。回归系数检验结果表明：在整个研究区域的内部，由于F拟=2.579 5F0.05(9,13)=2.72，检验结果表明，回归方程和回归系数在α=0.05水平上是显著的，二次回归方程拟合较好。去掉偏回归平方和较小的因子x3、x1x3及x2x3后，得到回归方程为

(14)

(15)

将式(4)代入式(14)，将方程用实际变量Zj表示为

29.03z2-0.55z3+2.18z1z2+264.13

(16)

为了更直观地得到重播率与各个试验因素之间的关系，利用MatLab软件，绘制形象的三维响应曲面图，如图9～图11所示。

表7　重播指数试验设计及结果

表8　重播指数试验结果方程分析表

续表8

图9　漏播率的槽盘宽度-真空压力响应曲面图

图10　漏播率的转速-真空压力响应曲面图

图11　漏播率的转速-槽盘宽度响应曲面图

由回归方程和等值线图可以看出：对漏播率影响程度的大小分别为Z1、Z2、Z3，即真空压力>径向槽宽度>转速。

4.3试验结果与分析

为了得到最佳的试验因素水平，应用综合加权评分法对试验因素进行优化设计。y1、y2、y3分别表示粒距合格指数和漏播指数和重播指数。

由回归方程(8)、(12)、(16)，对其进行加权平均，得

f(y1,y2,y3)=1.2y1-0.1y2-0.1y3

(17)

整理得

0.036x1x2-0.083x2x3+56.05x1+

86.567x2+17.828x3-479.867

(18)

对方程中x1、x2、x3分别求偏导，并使之等于零，得

(19)

(20)

(21)

解方程得

x1=7.4,x2=3.9,x3=32

优化结果如表9所示，各指数符合JB/T 10293-2001单粒(精密)播种机技术条件[6](见表10)的规定。

表9　优化结果

表10　精密播种机作业性能指标

5结论

运用MatLab绘制粒距合格率、漏播率及重播率的响应曲面图，可以直观地看到试验因素对指标的影响趋势。对试验结果进行分析，得到符合单粒(精密)播种机技术条件规定的结论。试验表明：在真空度为7.4kPa、径向槽盘宽度为3.9mm、排种盘转速为32r/min时，粒距合格指数为80.73%，漏播指数为6.64%，重播指数5.70%。本研究可为组合式气吸精量排种器乃至气吸式玉米小区播种机的进一步研究提供可靠的依据。

参考文献：

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The Experimental Research and Analysis of the Seed- meter Device of the Precision Spaced Planter for Corn

Yang Wei1， Li Jiandong1， Wang Fei1， Wang Yanyao2， Wang Chen1， Liu Jinsuo1

(1.Menoble CO.LTD, Beijing 100083,China; 2.College of Electromechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：Seed-meter device with combine suckers is the core component of the precision spaced planter for corn. In order to analyze the seeding performance of the seed-meter device of the precision spaced planter for corn, the vacuum, the revolving speed of the seeding disk and the width of the slot on the radial slotted disk were chose as the main factors influencing the seeding performance. The quadratic orthogonal rotatory regression experiment was designed to test the performance of air-suction precision seed- meter device on the JPS-12 seed metering performance testing bench. The mathematical model was set up to analyze the influence of all factors on the operation performance indicators. And the three dimensional figures were drawn with MATLAB. Using the weighted average method, the optimal combination of the factors which are met requirements of the seeding performance is found out. When the vacuum is 7.4kpa, the revolving speed of the seeding disk is 32.11r/min and the width of the slot on the radial slotted disk is 3.93mm, the spacing qualified index is 80.73%, the miss index is 6.64%, the multiples index is 5.70%.That will provide reliable basis for further research.

Key words：seed-meter device； quadratic orthogonal rotatory regression experiment； precision spaced planter； optimize

文章编号：1003-188X(2016)01-0163-09

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：杨薇(1984-)，女，天津人，工程师，硕士，(E-mail)yangw@maen.com.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203028.1)

收稿日期：2014-12-24