带勺式马铃薯排种装置的工作参数优化试验设计

2018-08-10赵晓雪戚江涛李景彬解振威

农机化研究 2018年12期

黄勇，赵晓雪，戚江涛，李景彬，付威，解振威

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

0 引言

马铃薯是一种既可作主食、蔬菜，又可做饲料、工业原料的作物，具有营养丰富、产量高、适应性广的特点。2015年，农业部将马铃薯列为继小麦、水稻、玉米的第四大粮食作物，成为解决人类粮食问题的重要作物[1-2]。由于马铃薯种植工序繁杂，传统种植方式人力消耗大，无法保证种植精度，直接影响马铃薯产量商品薯率及总产量。要实现马铃薯产业的快速发展，需解决马铃薯机械化种植问题。

近年来，国内外开展了有关马铃薯勺式排种技术的研究，包括柔性播种带勺式及链勺式两种形式。实践证明：带勺式排种技术相较于链勺式排种技术具有生产效率高、种薯损伤小的优势[3-5]。国内外学者针对带勺式排种器，分析了排种器倾角、工作转速、振动幅度对排种性能的影响。研究发现：排种器向播种机前进方向倾斜10°最利于排种均匀性，随排种装置工作转速、振动幅度的增大，漏播率逐渐增大，重播率逐渐减小[6-12]。这些研究为马铃薯排种装置的设计提供了重要依据，但并未考虑到种薯形状系数及投种高度对排种性能的影响，同时有关马铃薯排种装置的参数试验多为单因素试验或正交试验。正交试验虽然能筛选出影响马铃薯排种装置排种效果的主要影响因素，但在排种装置参数与排种效果模型建立方面仍存在不足，不能预测出最优参数组合下的响应函数数值。现有排种装置仍存在漏播率较高及作业效率低等实际问题[13-14]。

针对上述问题，本文采用自制带勺式马铃薯排种试验台，利用Design-Expert软件设计了四因素三水平Box-Behnken试验，求解马铃薯排种装置工作参数的最优组合，为马铃薯播种机的研制和设计提供参考。

1 结构与工作原理

1.1 带勺式马铃薯排种装置结构

带勺式马铃薯排种试验台由排种装置、种床皮带及机架等组成，结构如图1所示。

1.排种装置 2.电动机 3.机架 4.种床皮带

1.2 工作原理

播种机在田间工作时，由拖拉机牵引前进，将种薯均匀播种于地面。试验时，排种装置由机架架起，处于静止状态，种床皮带相对排种器转动。试验台工作原理与播种机工作原理相反，利用种床皮带运动模拟播种机田间播种前进。排种装置工作原理为：播种带为上带轮驱动，动力由链传动输入，种勺随播种带转至种箱底部，舀取种薯进入种勺；种勺携带种薯翻越上驱动带轮，种薯下落，由种勺背部托住，在种勺背部及种带通道保护下输送种薯；当种勺与的开口达到一定角度时，种薯释放在种床皮带上，完成排种过程。

2 试验设计

2.1 试验材料

整薯按照下列方法进行处理：质量较小100g左右的马铃薯，可纵切为2块；质量较大150g左右的马铃薯可切成2～3块，先从基部切下一块，剩余部分纵切为2块[15]。种薯切块处理完成后，测量种薯三维尺寸，根据《GB/T6242-2006 种植机械马铃薯种植机试验方法》[16]计算种薯形状系数并进行分类。试验地点为石河子大学机电院排种器试验室。

2.2 试验方法

2.2.1 影响因素的确定

根据马铃薯排种装置的结构参数和工作参数，试验选取影响马铃薯排种效果4个关键参数：播种带线速度x1、清种手柄位置x2、投种高度x3、种薯形状x4。

1)播种带线速度。播种带线速度较高时，种勺与种薯接触时间较短，可能出现充种率较低的现象，最终造成漏播；播种带速度较低时，种勺与种薯接触时间较长，可能造成1个种勺中超过1粒种薯的情况，最终造成重播。此外，播种带线速度影响投种区种薯释放角时间差，因此排种装置性能必须考虑播种带线速度。

2)清种手柄位置。清种装置作用是将种勺中多余的种薯通过振动清除出种勺，清种力大小可以调节：若清种力度较大，可能将种勺中只有1粒的种薯也清除出种勺，造成漏种；若清种力度较小，可能无法将种勺中多余种薯清除出种勺。因此，排种装置性能必须考虑播清种清种手柄位置。

3)投种高度。投种高度是排种器本身结构以外的因素，种薯接触土壤时会出现跳动、滚动等现象，使种薯偏离原来的轨迹，造成株距不均。投种高度越大，对种薯的偏离现象越严重。马铃薯播种本身需要较大的深度，可以通过减小开沟深度、增大覆土层厚度的方法减小投种高度，获得较好的排种均匀性。投种高度对排种器性能影响较大，种薯与种床之间的碰撞造成种薯滚动，改变原有株距。因此，需要对投种高度做相应研究。

4)种薯形状。种薯形状关系到马铃薯在种勺中的释放角，若释放角统一，在播种带速度一定的情况下，种薯的释放时间也一致，种薯将获得较为统一的粒距。因此，必须对种薯形状做相应研究。由于马铃薯实际播种过程中特长条形种薯占比不足1%，因此种薯形状只考虑圆形、椭圆形、长条形。种薯形状系数计算公式为

其中，f=100～160为圆形；f≥161～240为椭圆形；f≥241～340为长条形；f>340为特长条形。

式中L—最大长度(mm)；

W—最大宽度(mm)；

T—最大厚度(mm)。

2.2.2 响应函数

按照《GB/T 6242-2006, 种植机械马铃薯种植机试验方法》中的要求，选取重播率y1、漏播率y2、粒距变异系数y3为其效果评价指标。

2.2.3 试验设计

利用Design-Expert设计了四因素三水平Box-Behnken试验，共29组。其中，24组为析因试验，5组为误差试验[17]。试验因素水平编码如表1所示，试验方案如表2所示，每组试验重复3次，结果取3次试验平均值。

表1 试验因素水平编码Table 1 Factor level coding

3 结果与分析

3.1 试验结果

以播种带线速度x1、清种手柄位置x2、投种高度x3、种薯形状x4为因素，对重播率y1、漏播率y2、株距变异系数y3等指标进行了试验，试验方案及结果如表2所示。

利用Design-Expert软件得到各响应函数的回归方程，剔除不显著项后的回归方程为

y1=40.49-42.74x1+1.46x2+0.03x3-5.63x1x2+

2.01199x42

(2)

y2=40.16+45.81x1-3.55x2+4.91x1x2-

13.66x12-1.28x22-1.108x42

(3)

y3=17.23-9.56x1+0.5x3-1.22x1x3+12.27x12

(4)

表2 试验方案及结果Table 2 Program and result of the test

对试验结果进行方差分析，结果如表3所示。由表3可以看出：重播率、漏播率和株距变异系数的回归方程模型P≤0.001。这说明，3个回归方程模型极其显著。

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

3.2 试验因素对重播率的影响分析

试验因素对重播率的影响如图2所示。图2中，当投种高度在0水平(x3=12cm)、种薯形状系数在0水平时(种薯选取椭圆形)，交互作用对重播率的影响规律如下：重播率y1的范围为6%～12%。将播种带速度固定在某一定值时，随清种手柄位置的增加，重播率逐渐降低；将清种手柄位置固定在某一定值时，随播种带速度的增加，重播率逐渐降低。

图2 试验因素对重播率的影响Fig.2 Effect of test factors on replay rate

3.3 试验因素对漏播率的影响分析

试验因素对漏播率的影响如图3所示。当投种高度在0水平(x3=12cm)、种薯形状系数在0水平时(种薯选取椭圆形)，交互作用对重播率的影响规律如下：漏播率y2的范围为2%～12%。将播种带速度固定在某一定值时，随清种手柄位置的增加，漏播率逐渐增大；将清种手柄位置固定在某一定值时，随播种带速度的增加，漏播率逐渐增大。

图3 试验因素对漏播率的影响Fig.3 Effect of test factors on leakage rate

3.4 试验因素对株距变异系数的影响分析

试验因素对株距变异系数的影响如图4所示。

图4 试验因素对株距变异系数的影响Fig.4 Effect of test factors on plant spacing coefficient of variation

当清种手柄位置在0水平(清种滚轮与皮带半接触)、种薯形状系数在0水平时(种薯选取椭圆形)，交互作用对重播率的影响规律如下：株距变异系数y3的范围为20%～25%。将播种带速度固定在某一定值时，随投种高度的增加，株距变异系数逐渐增大；将投种高度固定在某一定值时，随播种带速度的增加，株距变异系数逐渐增大。