楊　薇，李建東，王　飛，王延耀，王　琛，劉金鎖

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京　100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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玉米小區(qū)育種精量排種器的試驗(yàn)研究與分析

楊薇1，李建東1，王飛1，王延耀2，王琛1，劉金鎖1

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：玉米小區(qū)育種精量播種機(jī)的核心部件是組合式精量排種器。為分析玉米小區(qū)育種精量排種器的性能，選取真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和排種盤徑向槽寬度作為影響排種器排種性能的主要因素，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并利用JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了各因素的數(shù)學(xué)模型，并用MatLab繪制三維響應(yīng)曲面圖，分析得出各因素對作業(yè)性能指標(biāo)的影響趨勢。同時(shí)，利用綜合加權(quán)平均法找出了能滿足排種器性能要求的影響因素?cái)?shù)值的最優(yōu)組合，當(dāng)真空度為7.4kPa、徑向槽寬度為3.9mm、排種軸轉(zhuǎn)速為32r/min時(shí)，粒距合格指數(shù)為80.73%，漏播指數(shù)為6.64%，重播指數(shù)為5.70%，為排種器的進(jìn)一步研究提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：排種器；二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)；小區(qū)精量播種機(jī)；優(yōu)化

0引言

區(qū)域試驗(yàn)是國家審定新品種的依據(jù)，播種是區(qū)域試驗(yàn)中最重要的環(huán)節(jié)，播種的質(zhì)量直接關(guān)系到試驗(yàn)方案的實(shí)施。小區(qū)試驗(yàn)的播種特點(diǎn)是“份多量少”，相對于大田播種作業(yè)來說，對播種機(jī)的要求更加嚴(yán)格，具體要求包括定量送種、清種徹底、小區(qū)間隔整齊一致、株距均勻及播深一致等等。為了提高播種作業(yè)的精度，精密播種機(jī)越來越受到育種工作者的青睞，而精密排種器是精密播種機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接決定了整個播種機(jī)的作業(yè)性能。國內(nèi)眾多學(xué)者對幾種常用的精量排種器包括氣吸式排種器、可調(diào)窩眼式排種器及垂直勺輪排種器等進(jìn)行了研究[1]，多數(shù)采用正交試驗(yàn)方案，研究各主要因素與排種性能指標(biāo)之間的關(guān)系，分析影響排種質(zhì)量的主要因素，確定最佳工作參數(shù)范圍與最優(yōu)參數(shù)組合。目前，常用的這幾種精量排種器多應(yīng)用于從事大田作業(yè)的精量播種機(jī)，應(yīng)用于小區(qū)播種作業(yè)時(shí)，存在不便于清種及種量較少情況下漏播嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

本文選用玉米小區(qū)育種精量播種機(jī)上采用的組合式氣吸精量排種器，通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)在JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，以便得到真空度、徑向槽寬度及排種器轉(zhuǎn)速對粒距合格率、重播率及漏播率的影響，找出能滿足排種器性能要求的影響因素?cái)?shù)值的最優(yōu)組合。

1組合式氣吸精密排種器工作原理

組合式氣吸精密排種器，主要由吸種腔外殼、窩眼環(huán)、徑向槽排種盤、螺旋槽盤和吸種腔底座等部件組成，如圖1所示。吸種腔底座與風(fēng)機(jī)相連提供真空，種子從吸種腔外殼上的落種口落入種腔，使用真空將種子吸到槽內(nèi)并吸附在徑向槽排種盤的槽上；通過徑向槽排種盤的旋轉(zhuǎn)，種子沿著螺旋槽排種盤的螺旋槽滑轉(zhuǎn)到外部，原本用來固定種子的真空力失效，種子落入到窩眼環(huán)的一個窩眼中；然后，從窩眼環(huán)繼續(xù)輸送到播種口，種子由此通過開溝器落到地面。

1.吸種腔外殼　2. 窩眼環(huán)　3.徑向槽排種盤　4. 螺旋槽盤

2試驗(yàn)用排種器試驗(yàn)臺

試驗(yàn)是在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺上進(jìn)行的，排種器試驗(yàn)臺如圖2所示。

圖2　排種器試驗(yàn)臺

排種器試驗(yàn)臺由臺架、種床帶裝置、排種器安裝架、黏種油液壓系統(tǒng)、攝像裝置、刮油板、油水分離裝置及氣吸式排種器驅(qū)動風(fēng)機(jī)裝置等組成。種床帶周長為19.23m，寬0.7m，厚3mm，有效長度為10m。種床帶的前進(jìn)運(yùn)動模擬播種機(jī)的工作速度。排種器軸和種床帶分別由調(diào)速電機(jī)帶動并控制其速度。種床帶前進(jìn)的調(diào)速范圍為1.5～12km/h，排種盤轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍為10～150r/min。試驗(yàn)時(shí)，排種器固定在排種器安裝架上，由黏種油液壓系統(tǒng)將黏種油從油箱壓給刮油板，在中央涂成一條厚為3mm的黏油帶，以便播下的種子粘在種床帶上用來測量記數(shù)。排種軸轉(zhuǎn)速、種床帶轉(zhuǎn)速、黏種油油量及風(fēng)機(jī)的正負(fù)壓通過操作臺操作面板上的相應(yīng)旋鈕來調(diào)節(jié)；面板上顯示的是相應(yīng)變頻器的頻率，各指標(biāo)的值可在計(jì)算機(jī)操作軟件中看到。

3試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)根據(jù)單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法《GB/T 6973-2005》[2]，對組合式氣吸精密排種器進(jìn)行性能測試，通過測試落在種帶上的種子粒距來反映排種性能。若測得的粒距小于或等于0.5Xr(Xr為理論粒距)為重播，在(0.5～1.5)Xr之間為合格，大于1.5Xr為漏播。衡量排種器性能的指標(biāo)主要有粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。

4試驗(yàn)與分析

4.1試驗(yàn)因素和方法

影響氣吸式精密排種器排種性能的因素很多[3]，如排種盤的直徑、吸孔的孔徑、吸孔的數(shù)量、真空度及排種盤轉(zhuǎn)速等。針對本文選用的組合式氣吸精密排種器，選擇真空度、徑向槽寬度及轉(zhuǎn)速3個因素進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際作業(yè)的情況及前期單因素試驗(yàn)的結(jié)論，確定試驗(yàn)因素水平變化范圍如表1所示。

表1　試驗(yàn)因素及其水平變化范圍

試驗(yàn)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)[4]。試驗(yàn)因素用Zj(j=1, 2,3)表示；取值最高的那個水平稱為上水平，以Z2j表示；取值最低的那個水平稱為下水平，以Z1j表示；二者之算術(shù)平均數(shù)稱為零水平，以Z0j表示。則

(1)

上水平和零水平之差稱為因素Zj的變化間距，以Δj表示，即

(2)

其中，r為星號臂，根據(jù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，確定r=1.682。

為了回歸設(shè)計(jì)，應(yīng)對各因素的水平進(jìn)行編碼,即對Zj進(jìn)行如下線性變換，有

xij=(Zij-Z0j)/Δj

(3)

其中，i=1,2,3；j=1,2,3。

采用式(4)對每個因素Zj(j=1, 2,3)的取值做線性變換，得到的因素水平編碼表如表2所示。

(4)

4.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1粒距合格指數(shù)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件，對組合式氣吸精密排種器的排種粒距合格指數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，y1為粒距合格指數(shù)。

表3　粒距合格指數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)表3初步得到的回歸方程為

0.34x1x2+0.2x1x3-0.66x2x3-

(5)

對試驗(yàn)的三元二次回歸方程(5)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。進(jìn)一步作回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)、失擬性檢驗(yàn)和回歸方程的顯著性檢驗(yàn)。

表4　粒距合格率試驗(yàn)結(jié)果方差分析

續(xù)表4

由方差分析看出，總的回歸關(guān)系達(dá)到顯著，證明試驗(yàn)有效?；貧w系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，在整個研究區(qū)域內(nèi)部，由于F擬=3.335 5F0.05(9,13)=2.72，檢驗(yàn)結(jié)果表明：回歸方程和回歸系數(shù)在α=0.05水平上是顯著的，二次回歸方程擬合較好。

去掉偏回歸平方和較小的因子x1x2、x1x3及x2x3后，得到回歸方程為

(6)

(7)

將式(4)代入式(7)，將方程用實(shí)際變量Zj表示為

69.56z2+1.92z3-237.85

(8)

為了更直觀地得到粒距合格率與各個試驗(yàn)因素之間的關(guān)系，利用MatLab軟件，繪制形象的三維響應(yīng)曲面圖[5]，如圖3～圖5所示。

圖3　粒距合格率的轉(zhuǎn)速-槽盤寬度響應(yīng)曲面圖

圖4　粒距合格率的轉(zhuǎn)速-真空壓力響應(yīng)曲面圖

圖5　粒距合格率的槽盤寬度-真空壓力響應(yīng)曲面圖

由回歸方程和等值線圖可以看出，對粒距合格率影響程度的大小分別為Z2、Z1、Z3，即徑向槽寬度>真空壓力>轉(zhuǎn)速。

4.2.2漏播指數(shù)結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件，對組合式氣吸精密排種器的排種粒距合格指數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，y2為漏播指數(shù)。

根據(jù)表5，初步得到的回歸方程為

1.11x1x2+0.28x1x3+2.06x2x3+

(9)

對式(9)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示。進(jìn)一步做回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)、失擬性檢驗(yàn)和回歸方程的顯著性檢驗(yàn)。

由方差分析看出：總的回歸關(guān)系達(dá)到顯著，證明試驗(yàn)有效?；貧w系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明：在整個研究區(qū)域的內(nèi)部，由于F擬=3.1579F0.05(9,13)=2.72，檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸方程和回歸系數(shù)在α=0.05水平上是顯著的，二次回歸方程擬合較好。去掉偏回歸平方和較小的因子x1x3后，得到回歸方程為

(10)

(11)

將式(4)代入式(11)，將方程用實(shí)際變量Zj表示為

1.8z3-2.54z1z2+0.25z2z3+202.35

(12)

為了更直觀地得到漏播率與各個試驗(yàn)因素之間的關(guān)系，利用MatLab軟件，繪制形象的三維響應(yīng)曲面圖，如圖6～圖8所示。

表5　漏播指數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表6　漏播指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果方程分析表

圖6　漏播率的槽盤寬度-真空壓力響應(yīng)曲面圖

圖7　漏播率的轉(zhuǎn)速-真空壓力響應(yīng)曲面圖

圖8　漏播率的轉(zhuǎn)速-槽盤寬度響應(yīng)曲面圖

由回歸方程和等值線圖可以看出，對漏播率影響程度的大小分別為Z2、Z3、Z1，即徑向槽寬度>轉(zhuǎn)速>真空壓力。

4.2.3重播指數(shù)結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件，對組合式氣吸精密排種器的排種粒距合格指數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，y3為重播指數(shù)。

根據(jù)表7，初步得到的回歸方程為

0.95x1x2-0.42x1x3+0.29x2x3+

(13)

對方程(12)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表8所示。進(jìn)一步做回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)、失擬性檢驗(yàn)和回歸方程的顯著性檢驗(yàn)。

由方差分析看出：總的回歸關(guān)系達(dá)到顯著，證明試驗(yàn)有效?；貧w系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明：在整個研究區(qū)域的內(nèi)部，由于F擬=2.579 5F0.05(9,13)=2.72，檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸方程和回歸系數(shù)在α=0.05水平上是顯著的，二次回歸方程擬合較好。去掉偏回歸平方和較小的因子x3、x1x3及x2x3后，得到回歸方程為

(14)

(15)

將式(4)代入式(14)，將方程用實(shí)際變量Zj表示為

29.03z2-0.55z3+2.18z1z2+264.13

(16)

為了更直觀地得到重播率與各個試驗(yàn)因素之間的關(guān)系，利用MatLab軟件，繪制形象的三維響應(yīng)曲面圖，如圖9～圖11所示。

表7　重播指數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表8　重播指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果方程分析表

續(xù)表8

圖9　漏播率的槽盤寬度-真空壓力響應(yīng)曲面圖

圖10　漏播率的轉(zhuǎn)速-真空壓力響應(yīng)曲面圖

圖11　漏播率的轉(zhuǎn)速-槽盤寬度響應(yīng)曲面圖

由回歸方程和等值線圖可以看出：對漏播率影響程度的大小分別為Z1、Z2、Z3，即真空壓力>徑向槽寬度>轉(zhuǎn)速。

4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了得到最佳的試驗(yàn)因素水平，應(yīng)用綜合加權(quán)評分法對試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。y1、y2、y3分別表示粒距合格指數(shù)和漏播指數(shù)和重播指數(shù)。

由回歸方程(8)、(12)、(16)，對其進(jìn)行加權(quán)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)

對方程中x1、x2、x3分別求偏導(dǎo)，并使之等于零，得

(19)

(20)

(21)

解方程得

x1=7.4,x2=3.9,x3=32

優(yōu)化結(jié)果如表9所示，各指數(shù)符合JB/T 10293-2001單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件[6](見表10)的規(guī)定。

表9　優(yōu)化結(jié)果

表10　精密播種機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)

5結(jié)論

運(yùn)用MatLab繪制粒距合格率、漏播率及重播率的響應(yīng)曲面圖，可以直觀地看到試驗(yàn)因素對指標(biāo)的影響趨勢。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到符合單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件規(guī)定的結(jié)論。試驗(yàn)表明：在真空度為7.4kPa、徑向槽盤寬度為3.9mm、排種盤轉(zhuǎn)速為32r/min時(shí)，粒距合格指數(shù)為80.73%，漏播指數(shù)為6.64%，重播指數(shù)5.70%。本研究可為組合式氣吸精量排種器乃至氣吸式玉米小區(qū)播種機(jī)的進(jìn)一步研究提供可靠的依據(jù)。

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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

文章編號：1003-188X(2016)01-0163-09

中圖分類號：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：楊薇(1984-)，女，天津人，工程師，碩士，(E-mail)yangw@maen.com.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203028.1)

收稿日期：2014-12-24