木薯种植机参数优化与试验

郭带贵， 廖宇兰， 张惜辉， 袁成宇， 吴中野

（海南大学机电工程学院，海口 570228）

木薯是三大薯类作物之一，由于具有强耐旱性、耐贫瘠、易管理、产量高、不与其他粮食作物争地等诸多特点而受到人们的喜爱。木薯不仅是许多热带、亚热带地区日常食物的主要能量来源，也是重要的生物能源物质[1-3]。木薯生产技术包括起垄、种植、中耕、收获等工序，其中种植是重要的工序[4-7]，消耗的劳动强度大。目前，大部分木薯种植户依然采用人工种植的方式，适合种植户需求的单行木薯种植机的研究还在起步阶段，所采用的单行木薯种植机多为其他蔬菜类移栽机改装而成，不能充分适应木薯株距的种植，存在种植效果不理想、种植效率低等问题[8]，亟需加快专用木薯种植机的研发。泰国、墨西哥、尼日利亚和马来西亚等国家先后研制了不同型号的单行、双行或多行种植机，作业时需有多名工人协同操作[9]。根据前期研究考察，作业参数是影响木薯种植效果的主要因素之一，因此，优化木薯种植机作业参数，有利于提高种植效果和作业效率，对专用木薯种植机的研究具有重要参考价值。

关于降低木薯种植成本、提高作业效率，国内外学者进行了相关研究。Lungkapin 等[10]研究的双行木薯种植机适合中小型地块，无需提前进行切种，1 次可装载木薯茎秆1.5 m3，可以在种植的同时对木薯进行施肥，很大程度上提高了木薯种植效率。Ospina 等[11]改进的双行木薯种植机，可以实现种间距和行间距的多级调节，不需要人工对木薯茎秆进行切割，可直接在种植机上进行切种并种植，降低了成本，提高了效率。广西壮族自治区农业科学院等单位研制的2CMS-2 型木薯联合种植机和2BMSU/2X 型旋切开沟式木薯播种机，由人工辅助输送茎秆，切断的种茎自由落入种沟完成摆放[12-13]。崔振德等[14]设计了宽窄双行起垄式种植机，宽行行间距1 200 mm，窄行行间距600 mm，可避免拖拉机在种植过程中碾压木薯垄，减少了压断木薯茎秆的概率，可保证木薯种植效果，提高作业效率。已有研究大多是从整机的结构、性能等方面对木薯种植质量和效率进行研究，而对木薯种植机作业参数优化方面鲜有报道。

为降低成本、提高作业质量和效率，本研究利用课题组自制的单行木薯种植机，开展作业参数优化试验，以前进速度、曲柄转速和机具高度为试验因素，以合格率和漏种率为试验指标，进行单因素试验，根据单因素试验结果，确定三因素正交旋转组合试验边界条件，通过响应曲面法进行响应面分析，建立各因素对合格率和漏种率回归响应模型并对其进行优化，寻求最佳作业参数组合，以期为木薯种植机的参数选择和优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 整机结构

木薯种植机主要由三点悬挂装置、播种装置、机架、分种装置、座椅、覆土装置、机架高度调节装置、摇杆、减速器、行走轮等部件组成，具体如图1所示。

图1 木薯种植机结构Fig. 1 Structural of cassava planter

1.2 试验材料与方法

以泰山304型拖拉机（泰安泰山国泰拖拉机制造有限公司）作为木薯种植机的动力，于2022 年3 月在海南大学儋州校区试验基地进行作业性能试验。试验木薯品种为‘华南9 号’，试验基地土壤类型为砖红壤。用VMS-3001-TRREC型便携式土壤测量仪（山东威盟士科技有限公司）测量土壤含水率，测点数目为30 个，平均含水率为7.6%。其他试验仪器和设备包括1BQX-1.5 型圆盘耙（禹城益佳机械有限公司）、3ZBX型起垄机（山东天盛机械制造有限公司）、卷尺、UT373 型数字式非接触转速计[优利德科技（中国）股份有限公司]、秒表、小型塑料桶等。

试验开始前，用圆盘耙和起垄机对试验基地的土壤分别进行耙碎、起垄，起垄完成后，用卷尺测得平均垄高300 mm，平均垄底宽900 mm，平均垄顶宽600 mm；调整木薯种植机轮距和播种装置位置，沿成垄方向进行播种。选取垄长30 m 进行木薯种植试验，取每垄所种植的木薯种茎数，通过以下公式计算每组试验合格率（Y1）和漏种率（Y2）。每组试验重复3 次，对试验结果取平均值。

式中，NH为木薯合格数；NL为木薯漏种数；N为测定的木薯总数。

1.3 单因素试验

为探究前进速度（A）、曲柄转速（B）、机具高度（C）对合格率和漏种率的影响规律并确定各因素水平范围，进行单因素试验。依据木薯种植机的作业原理并参考相关研究数据[15-18]，结合实际田间作业的参数，选取前进速度范围为0.4～1.2 m·s-1，曲柄转速范围为26～58 r·min-1，机具高度范围为340～420 mm。试验时选用以下作业参数组合：前进速度0.8 m·s-1，曲柄转速42 r·min-1，机具高度380 mm，每组试验固定其中2个因素水平，探究单因素对合格率和漏种率的影响规律。为保证试验结果的准确性，每组试验重复3 次，取平均值。单因素试验水平[19]如表1所示。

表1 单因素试验水平Table 1 Single-factor test levels

1.4 参数优化试验设计

为进一步探究作业参数对试验指标的交互影响规律，以前进速度、曲柄转速、机具高度作为试验因素，合格率和漏种率为试验指标，进行参数优化[20]。根据单因素试验结果，选定前进速度为0.8～1.2 m·s-1，曲柄转速为34～50 r·min-1，机具高度为360～400 mm。依据Box-Behnken中心组合设计理论进行三因素三水平正交组合试验，试验因素编码如表2所示。

表2 试验因素编码Table 2 Test factor code

2 结果与分析

2.1 单因素试验对试验指标的影响

2.1.1 前进速度对试验指标的影响 试验设定曲柄转速42 r·min-1，机具高度380 mm，根据不同挡位测得对应的前进速度平均值分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m·s-1，进行前进速度的单因素试验。由图2 可知，随着前进速度的逐渐增加，合格率整体呈下降趋势，漏种率整体呈上升趋势。前进速度在0.4～1.2 m·s-1区间，随着前进速度的逐渐增加，木薯种植机播种装置合格率下降逐渐变快且降幅小于10 个百分点；就漏种率而言，前进速度在0.4～1.2 m·s-1区间，随着前进速度的逐渐增加，漏种率呈先匀速后加速上升趋势，上升幅度小于4个百分点。

图2 不同前进速度下的试验指标Fig. 2 Test indexes under different forward speed

2.1.2 曲柄转速对试验指标的影响 试验设定前进速度为0.8 m·s-1，机具高度为380 mm，曲柄转速分别设置为26、34、42、50、58 r·min-1，进行曲柄转速的单因素试验。曲柄转速对合格率和漏种率的影响如图3 所示，随着曲柄转速的逐渐增加，合格率整体呈上升趋势，漏种率整体呈下降趋势。曲柄转速在26～58 r·min-1区间，随着曲柄转速的逐渐增加，合格率呈先匀速后减速上升趋势，上升幅度大于10 个百分点；对于漏种率，曲柄转速在26～58 r·min-1区间，随着曲柄转速的逐渐增加，漏种率下降幅度逐渐平缓，下降幅度小于4个百分点。

图3 不同曲柄转速下的试验指标Fig. 3 Test indexes under different crank speed

2.1.3 机具高度对试验指标的影响 设定前进速度为0.8 m·s-1，曲柄转速为42 r·min-1，机具高度分别设置为340、360、380、400、420 mm，进行机具高度的单因素试验。机具高度对合格率和漏种率的影响如图4 所示，随着机具高度的逐渐增加，合格率整体呈下降的趋势，漏种率整体呈上升的趋势。对于合格率，机具高度在340～420 mm区间，随着机具高度的逐渐增加，合格率呈匀速下降趋势，下降幅度小于8 个百分点，对于漏种率，机具高度在340～420 mm区间，随着机具高度的逐渐增加，漏种率上升幅度逐渐加大，升幅大于4.5个百分点。

图4 不同机具高度下的试验指标Fig. 4 Test indexes under different implement height

2.2 三因素三水平试验结果分析

2.2.1 试验方案与结果分析 试验方案及结果如表3 所示，在不同试验因素水平条件下，试验指标中的合格率变化范围为80.31%～93.34%，漏种率的变化范围为2.17%～8.16%。

表3 多因素组合试验方案及结果Table 3 Multi-factor combination test plan and results

2.2.2 回归模型建立与显著性分析 根据表3 中的试验数据，通过Design Exper 软件进行二次回归响应分析，建立合格率（Y1）和漏种率（Y2）对前进速度（A）、曲柄转速（B）、机具高度（C）的响应面回归模型，如式(3)和式(4)所示。

对合格率和漏种率的响应回归模型进行方差分析，由表4可知，合格率模型中的P值为0.000 8，表明合格率回归模型的显著水平极其显著；模型的决定系数R²为0.952 2，表明线性回归方程拟合效果较好。由表5 可知，漏种率模型中的P值为0.002 4，表明漏种率回归模型的显著水平极其显著；模型的决定系数R²为0.933 4，表明线性回归方程拟合效果较好。

表4 合格率方差分析Table 4 Variance analysis of qualification rate

表5 漏种率方差分析Table 5 Variance analysis of seed leakage rate

在合格率的模型中（表4），A、A²和C²项的P值均小于0.01，表明响应回归模型作用极其显著；B和B²项的P值小于0.05，表明响应回归模型作用显著；其他项的影响作用不显著。在漏种率的模型中（表5），A、A²和C²的P值均小于0.01，表明响应回归模型极其显著；B和B²项的P值小于0.05，表明响应回归模型作用显著；其他项响应回归模型作用不显著。在保证P值的基础上，将表4 和表5 中不显著项筛选去除后，重新得到的合格率和漏种率的回归模型方程如式(5)和式(6)所示。

2.2.3 交互作用对试验指标的响应面分析 由图5 可知，当处于曲柄转速的各个水平时，合格率随着前进速度的增加均呈先上升后下降加快趋势，当处于前进速度的各个水平时，合格率随着曲柄转速的增加均呈先上升后下降趋势；当处于机具高度的各个水平时，合格率随着前进速度的增加均呈先上升后下降趋势，当处于前进速度的各个水平时，合格率随着机具高度的增加均呈先上升后下降趋势；当处于机具高度的各个水平时，合格率随着曲柄转速的增加均呈上升趋势，当处于曲柄转速的各个水平时，合格率随着机具高度的增加均呈先上升后下降趋势。

图5 交互作用对合格率的响应曲面Fig. 5 Response surface of interaction to qualification rate

由图6 可知，当处于曲柄转速的各个水平时，漏种率随着前进速度的增加均呈先下降后上升加快趋势，当处于前进速度的各个水平时，漏种率随着曲柄转速的增加均呈先下降后上升趋势；当处于机具高度的各个水平时，漏种率随着前进速度的增加均呈先下降后上升趋势，当处于前进速度的各个水平时，漏种率随着机具高度的增加均呈先下降后上升趋势；当处于机具高度的各个水平时，漏种率随着曲柄转速的增加均呈下降趋势，当处于曲柄转速的各个水平时，漏种率随着机具高度的增加均呈先下降后上升趋势。

2.3 种植参数优化与组合参数合理性试验验证

2.3.1 种植参数优化 由于木薯种植机作业参数组合的试验指标是合格率与漏种率，为了使木薯种植机的作业效果最佳，要求合格率越大越好、漏种率越小越好。通过单因素试验,确定各因素的取值范围，结合目标函数，利用Design Expert 软件优化求解功能，得出最佳作业参数组合为前进速度0.92 m·s-1、曲柄转速43 r·min-1、机具高度383 mm，木薯的合格率为93.85%，漏种率为1.96%。

2.3.2 组合合理性验证 为了验证最佳作业参数组合的合理性，根据上述作业参数在海南省海南大学儋州校区试验基地进行3 次重复试验，试验结果如表6 所示。合格率和漏种率试验平均值分别为95.47%和2.05%，试验值与模型优化值相对误差分别为1.73%和4.60%，误差均小于5%，表明模型可靠。因土壤坚实度、水分等时刻在变化，所造成的摩擦力也在变化，前进速度是个变化值，因此在木薯种植机作业时，选用作业参数组合为前进速度0.89～0.94 m·s-1、曲柄转速43 r·min-1、机具高度383 mm，种植效果最佳，满足木薯机械化种植技术要求。

表6 验证结果Table 6 Verification result

3 讨论

根据已有的研究，木薯种植机的整体结构和作业性能分别作为单方面进行优化研究，提高木薯种植效率和质量，而在实际应用中，整体结构与作业性能二者之间相互独立又彼此制约、相互影响。因此，本文在已有研究的基础上，以前进速度、曲柄转速、机具高度为试验因素，以合格率和漏种率为试验指标，进行参数优化研究。采用响应曲面法建立回归方程，确定各因素对合格率和漏种率的影响规律。以合格率最高和漏种率最低为优化目标，得出最佳作业参数组合为前进速度0.89～0.94 m·s-1、曲柄转速43 r·min-1、机具高度383 mm，在此条件下，试验验证结果表明合格率为95.47%，漏种率为2.05%。

在已有的优化研究中，针对优化需求建立了种植机的整机或关键部件的结构，利用ADAMS软件、EDEM 软件等优化方法对其进行优化[21-22]，获得最优设计参数，对种植机的结构改进、种植性能优化方面提供了理论指导，但已有的研究中缺乏理论优化与实际应用的结合，本研究通过响应曲面法与种植机作业性能试验相结合的方式，对已建立的种植试验指标参数进行优化研究，验证了理论分析的可靠性，确定了各因素的取值范围以及最佳参数组合，实现了理论优化与实际应用的统一。本研究选取‘华南9 号’为研究对象，通过田间试验发现，木薯种植质量仍有较大提升空间，在今后的研究中，也可通过其他优化方法或结构优化提升木薯种植机作业性能。