小籽粒精密播种机参数优化试验研究

赵 健，吕秀婷，韩 冰，李东阳，程朝晖，王宾刚，刘建军

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西烟草公司宝鸡市公司，陕西 宝鸡 721000)

0 引言

播种是种植业重要的作业环节之一，播种适当与否直接影响作物的生长发育和产量。在传统的农作物中，谷子、油菜、胡麻、糜黍、烟草、胡萝卜及莜麦等均称为小籽粒农作物。随着社会的发展，小籽粒农作物在国民经济中的比重越来越大，日趋成为人们日常生活中的重要部分，扩大其种植面积，提高农业现代化水平是近几年农业发展的新趋势。目前，用人工撒播或条播是传统小籽粒农作物主要播种方式[17]，这种方式有以下弊病：一是播种量难以精确控制，播撒的种子分布不均匀；二是播撒的种子里掺杂了些许炒熟的种子，导致种子浪费[18]；三是播种作业效率低下，限制了小籽粒农作物的现代化发展。因此，提高播种性能、减少种子破损是现阶段小籽粒农作物播种的重点研究方向。

国外对播种机的研究较早，已经研制出多种形式播种机，有的播种机不仅能完成精密播种，而且还能在播种的同时完成施加肥料、平整土地、喷洒农药和播后镇压等一系列田间作业；但此类播种机只能播种大粒距的种子，通用性较差[19]。我国从20世纪80年代末开始研发适合我国的精密播种机械[20]。王峰霞等人设计了圆盘型孔式小型精密排种器，但其体积、质量都较大，不易应用于实际生产中[8]。本次设计的自走式小籽粒精密播种机，可有效节约种子，提高播种效率，增加作物产量，旨在为小籽粒农作物提供一种新的播种方式，以实现小籽粒农作物的精密播种。

1 播种机结构设计及工作原理

1.1 播种机结构组成

播种机的结构，如图1所示。

1.调速器 2.蓄电池 3.轴承座 4.机架 5.行走轮 6.排种轴 7.排种器 8.单向轴承 9.同步带 10.电机 11.行走轮传动轴

1.2 播种机结构设计

本次设计的播种机机架采用40系列和60系列的铝方管型材，整机质量约50kg，电机由驱动功率P决定，驱动功率P的计算公式为

P=F阻·v

(1)

式中F阻—工作阻力(N)；

v—行走速度(m/s)。

本次设计的播种机前进阻力F阻为200N，前进速度为0.5m/s，代入公式得P=F阻·v=100W。

由此，选取电机功率为500W，考虑到整机结构和工作稳定性，采用了直流差速电机，变速箱的速比为10∶1，额定转速为3 000r/min，功率为500W，电压为48V。

本次设计的播种机采用一种凸轮推杆式小籽粒精密排种器，如图2所示。

1.排种器外壳 2.排种轮 3.滚动轴承 4.凸轮 5.螺钉 6.伸缩弹簧 7.推杆 8.毛刷

播种机地轮直径为108mm，地轮半径为0.054m。则地轮转速为

n=v/2πr地

(2)

式中v—行走速度(m/s)；

r地—地轮半径(mm)。

由于种子种植间距的要求为d距=30mm=0.03m，本次设计的播种机排种轮上有6个型孔，排种间隔为△t=d距/v，排种器每播1粒种子转动角度为θ=π/3，排种器角速度为w=θ/△t。

排种器转速为

n排=w/2π=θ/2π△t=v/6d距

(3)

因此，地轮与排种器之间的传动比为

i地排=n地/n排=3d距/πr地

(4)

将d距=0.03m，r地=0.054m代入上述公式得i地排=0.53。

本次设计的播种机导种管通过螺钉与排种器排种口连接，下方接导种橡胶管；导种管使用3D打印机进行打印，打印采用PLA材料。

1.3 播种机工作原理

电机由蓄电池供电，调节调速器可以控制电机的转速和方向，电机的输出轴通过同步带分别与排种轴和行走轮传动轴连接，电机的转动带动排种器的排种和播种机的行走，从而完成播种机的播种过程。除此之外，排种轴上装有超越离合器—单向轴承，播种机前进时排种轴转动完成播种，播种机后退时，排种轴保持不转动，不排种，此设计有效避免了播种机后退时排种器重播的现象。

2 播种机性能试验

2.1 试验指标

本次试验以种子漏播率、种子重播率、种子破损率、粒距合格率为评价指标，计算方法如下：

试验时测量各相邻种子粒距的不同X值，将所测粒距样本划分为：(0～0.5Xr]、(0.5Xr～1.5Xr]、(1.5Xr～2.5Xr]、(2.5Xr～3.5Xr]、(3.5Xr～+∞]，Xr为试验前设定的理论要求粒距。取其结果做以下代换：N1′=∑Ni{Xi∈(0～0.5Xr]}；N2′=∑Ni{Xi∈(0.5Xr～1.5Xr]}；N3′=∑Ni{Xi∈(1.5Xr～2.5Xr]}；N4′=∑Ni{Xi∈(2.5Xr～3.5Xr]}；N5′=∑Ni{Xi∈(3.5Xr～+∞]}。

则试验测量总粒距数为

N=N1′+N2′+N3′+N4′+N5′

种子漏播数为N1=N3′+2N4′+ 3N5′

种子重播数为N2=N1′

种子破损数为N3=Na(Na为破损种子的个数)

粒距合格数为N4=N-2N2

区段数为N′=N2′+2N3′+3N4′+4N5′

因此，可以得出种子漏播率、种子重播率、种子破损率、粒距合格率计算公式为

种子漏播率A=N1/N′×100%

种子重播率B=N2/N′×100%

总的来说，中国共产党领导全国在长期的革命和建设奋斗过程中，继承了中国优秀传统文化，有选择性地吸收世界先进文化。它的意义在于把马克思主义理论体系与中国特色的社会主义红色文化主动地有机结合，运用马克思主义的价值功能，创造浓厚的红色文化氛围，激发群众接受理论知识的积极性，使抽象的理论通俗化，让红色文化体现在各种形式中，渗透到人民群众的日常生活中，在潜移默化中实现马克思主义理论大众化，实现人们对马克思主义理论和红色文化的自觉接受，促进马克思主义的大众化传播，推动中国特色社会主义的快速发展，完成“两个一百年”的奋斗目标，把我国建设成为富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国。

种子破损率C=N3/Nb×100%(Nb为种子总数)

粒距合格率D=N4/N′×100%

2.2 试验设计

试验时间为2017年4月22日，试验地点为西北农林科技大学农业机械实验室(34°16'56.24"N 108°4'7.95"E)。由前期单因素试验所得数据并通过查阅相关的国内外参考文献，确定取值范围为：排种轮转速9～13r/min，导种管橡胶管长度50～100mm。排种轮转速通过调节调速器控制，导种管橡胶管长度通过安装不同长度导种橡胶管控制。同时，在相同条件下完成导种管有无的对照试验。试验材料是陕西省烟草研究所研制的包芽秦烟96烟草种子，包芽烟草种子近似为球体，随机取200粒烟草种子，每一颗种子重复3次测量其直径。种子的直径分布情况，如图3所示。

试验采用二因素五水平二次正交旋转组合试验，试验因素的水平编码表如表1所示。试验方案及结果如表2所示。共进行13组试验，以排种轮转10转为一组，每组试验进行5次，取5次试验结果的平均值作为该组试验结果。试验方案设计及结果分析应用Design-Expert Version 8.0.6软件完成。

图3 包衣烟草种子的直径分布图

水平排种轮转速x1/r·min-1导种管橡胶管长度x2/mm-1.4148.1745.86-195001160+11370+1.41413.8374.14

表2 试验方案及结果

续表2

3 结果与分析

3.1 试验结果回归分析

3.1.1 种子漏播率回归分析

经过Design-Expert Version 8.0.6软件分析，得到以种子漏播率A为响应函数、以各影响因素水平编码值为自变量的回归数学模型为

其中，x1、x2为各影响因素水平编码值。

对种子漏播率进行方差分析，如表3所示。结果显示：种子漏播率回归模型p<0.0001<0.05，说明该模型具有统计学意义；因子x1、x12在p<0.05时显著，其它因子不显著。

表3 种子漏播率方差分析

3.1.2 种子重播率回归分析

经过Design-Expert Version 8.0.6软件分析，得到以种子重播率B为响应函数、以各影响因素水平编码值为自变量的回归数学模型为

B=2.04+1.25x1+0.13x2-0.018x1x2+1.41x12+0.13x22

其中，x1、x2为各影响因素水平编码值。

对种子漏播率进行方差分析，如表4所示。结果显示：种子漏播率回归模型p=0.0014<0.05，说明该模型具有统计学意义；因子x1、x12在p<0.05时显著，其它因子不显著。

表4 种子重播率方差分析

3.1.3 种子破损率回归分析

经过Design-Expert Version 8.0.6软件分析，得到以种子破损率C为响应函数、以各影响因素水平编码值为自变量的回归数学模型为

C=1.68+1.19x1+0.059x2-0.04x1x2+1.26x12+0.31x22

其中，x1、x2为各影响因素水平编码值。

对种子破损率进行方差分析，如表5所示。结果显示：种子破损率回归模型p=0.0029<0.05，说明该模型具有统计学意义；因子x1、x12在p<0.05时显著，其它因子不显著。

表5 种子破损率方差分析

3.1.4 粒距合格率回归分析

经过Design-Expert Version 8.0.6软件分析，得到以粒距合格率D为响应函数、以各影响因素水平编码值为自变量的回归数学模型为

D=95.92-2.5x1-0.26x2+0.035x1x2-2.82x12-0.25x22

其中，x1、x2为各影响因素水平编码值。

对粒距合格率进行方差分析，如表6所示。结果显示：粒距合格率回归模型p=0.0014<0.05，说明该模型具有统计学意义；因子x1、x12在p<0.05时显著，其它因子不显著。

表6 粒距合格率分析

续表6

3.2 试验结果响应曲面分析

应用响应曲面法分析各因素对种子漏播率、种子重播率、种子破损率及粒距合格率的影响，做出种子漏播率、种子重播率、种子破损率、粒距合格率回归方程的响应曲面如图4～图7所示。

图4 各因素对种子漏播率的影响

图5 各因素对种子重播率的影响

图6 各因素对种子破损率的影响

图7 各因素对粒距合格率的影响

4 验证试验

在相同条件下导种管有无的对照试验发现：有导种管的排种机，种子在土壤中基本成一条直线，种子排布位置很准确，粒距差异小；而无导种管的排种机，种子分布散乱，与理论种子排布位置相差较大，粒距差异较大，如图8所示。

图8 播种机试验图

经试验结果回归分析和响应曲面分析可知：最优排种轮转速为10 r/min，有导种管可以对播种性能优化和导种橡胶管长度对播种性能影响微弱。验证试验在2017年8月13日完成，依然采用上述材料与设备，如图9所示。

图9 播种机田间试验图

为消除验证试验中的随机误差，重复进行15次试验。试验中种子漏播率最大值为2.25%，最小值为1.34%，平均值为1.79%；种子重播率最大值为2.85%，最小值为1.38%，平均值为1.87%；种子破损率最大值为2.09%，最小值为1.42%，平均值为1.81%；粒距合格率最大值为97.24%，最小值为94.3%，平均值为95.88%，如图10所示。

图10 试验结果图

5 结论

介绍了一种自走式小籽粒精密播种机的结构及工作原理。采用二因素五水平二次正交旋转组合试验设计方法在播种机性能检测试验台进行试验，建立了种子漏播率、种子重播率、种子破损率、粒距合格率与排种轮转速、导种管橡胶管长度二因素之间的数学模型，确定了最优排种轮转速为10 r/min，揭示了有导种管可以对播种性能优化和导种橡胶管长度对播种性能影响微弱。