毛　欣，衣淑娟，楊　立，劉海燕，馬永財，李衣菲

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院；b.信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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玉米植質(zhì)缽育秧盤芽播裝置囊種過程的試驗研究

毛欣a，衣淑娟b，楊立b，劉海燕a，馬永財a，李衣菲a

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院；b.信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：為滿足穴盤芽播育苗的機(jī)械化要求，設(shè)計了一種玉米芽種植質(zhì)缽育秧盤精量囊種裝置，并對主要工作部件的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹。同時，對主要參數(shù)進(jìn)行了單因素、多因素試驗研究和優(yōu)化，并進(jìn)行了驗證試驗。結(jié)果表明：當(dāng)其他參數(shù)固定，型孔直徑為14.5mm、種箱速度為0.095m/s時，性能指標(biāo)單粒率為93.12%，空穴率為2.01%，多粒率為4.87%，損傷率為0%，破碎率為0%，滿足技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：玉米；芽播；囊種；育秧盤

0引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，玉米是僅次于小麥的主要糧食作物，其種植面積和產(chǎn)量居秋糧作物之首，不僅是“飼料之王”，還是重要的工業(yè)原料[1]。黑龍江無霜期短，溫度年變化率大，采用直接播種方式時，春播時由于低溫，影響出苗并對幼苗造成冷害，而在玉米生長的后期，又常常受到早霜的危害[2]。我國旱地主要作物的栽培還是以播種方式為主，但是采用育苗栽植的面積也相當(dāng)大[3]。

我國在20世紀(jì)70年代中期就研制了第1臺用于玉米栽植的機(jī)械[4]，之后又陸續(xù)研制、開發(fā)和引進(jìn)了多種適合于蔬菜、煙葉、甜菜等經(jīng)濟(jì)作物的栽植機(jī)械，但均因育苗技術(shù)落后、配套性能差、綜合效益低等原因，未得到推廣應(yīng)用。

國內(nèi)外對玉米播種裝置進(jìn)行了大量的試驗研究，并取得了一定成果，如玉米水平圓盤精密排種器[5-6]、傾斜圓盤勺式排種器[7]、組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器[8-9]、強(qiáng)制夾持式玉米精量排種器[10]、丸?；衩追N子精密排種器[11]及氣吸式播種機(jī)[12-13]等，但這些排種器是否適合穴盤播種玉米芽種未做系統(tǒng)研究。穴盤育苗時采用芽播技術(shù)對減少種子浪費、保證出苗率及提高玉米產(chǎn)量更為有利，而目前這種針對玉米芽種的播種機(jī)研究較為少見。

由于囊種的好壞直接影響播種質(zhì)量，本研究針對玉米植質(zhì)缽育秧盤精量播種裝置進(jìn)行囊種試驗研究，以實現(xiàn)玉米單粒芽播及減少損傷、破碎為目標(biāo)，確定囊種裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1試驗臺及試驗方法

1.1　囊種裝置結(jié)構(gòu)及囊種工作原理

玉米缽盤精量囊種裝置主要由種箱、刷種輪、型孔板、翻板、輥輪、連接板及拉桿等組成，如圖1所示。

1.秧土　2.翻板　3.刷種輪　4.型孔板

囊種工作原理：在囊種過程中，種箱在電機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等的帶動下做直線往復(fù)運(yùn)動；當(dāng)種箱移動到型孔板上方時，打開種箱內(nèi)擋板，種箱內(nèi)玉米芽種落入種箱下部及型孔板表面；在刷種輪的作用下，芽種被囊入型孔，多余芽種被刷種輪清走，囊種過程結(jié)束。

1.2　試驗材料和方法

由于不同品種玉米種子形狀及尺寸差異較大，為保證試驗結(jié)果有意義，將種子初篩后使用。試驗選用黑龍江省農(nóng)科院培育的玉米品種龍單47，千粒質(zhì)量為415.495 3g。用自制直徑為6mm和8mm圓孔篩，隨機(jī)篩出6～8mm之間的玉米種子，經(jīng)浸泡催芽后芽長為1mm左右時備用，芽種含水率經(jīng)測量在40%左右。經(jīng)測量，玉米干種的平均尺寸長約9.82mm，寬約7.32mm，厚約5.24mm。玉米芽種的平均尺寸長約11.15mm，寬約8.70mm，厚約6.27mm。選用圓柱形型孔板，直徑范圍13～17mm，型孔板厚度范圍5～9mm，刷種輪直徑78mm、刷種高度3mm。

試驗在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院自行研制的玉米植質(zhì)缽育秧盤精量播種試驗臺上進(jìn)行，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》進(jìn)行試驗，并根據(jù)本囊種試驗的特點，設(shè)計和統(tǒng)計試驗性能指標(biāo)如下。

1)單粒率：囊種過程結(jié)束后，含完整單粒(斷芽或破碎的芽種不計算在內(nèi))芽種的型孔數(shù)量占型孔總數(shù)的百分比。每組試驗重復(fù)5次，取平均值。其計算公式為

A=n1/N×100%

式中A—單粒率(%)

n1—含單粒芽種的型孔數(shù)量；

N—型孔總數(shù)。

2)空穴率：囊種過程結(jié)束后，不含(型孔內(nèi)僅有斷芽或破碎的芽種，則計算在內(nèi))芽種的型孔數(shù)量占型孔總數(shù)的百分比。每組試驗重復(fù)5次，取平均值。其計算公式為

B=n2/N×100%

式中B—空穴率(%)；

n2—不含芽種的型孔數(shù)量。

3)多粒率：囊種過程結(jié)束后，含兩?；蛞陨涎糠N(斷芽或破碎的芽種不計算在內(nèi))的型孔數(shù)量占型孔總數(shù)的百分比。每組試驗重復(fù)5次，取平均值。其計算公式為

C=n3/N×100%

式中C—多粒率(%)；

n3—不含芽種的型孔數(shù)量。

4)損傷率：囊種過程結(jié)束后，包含受損傷(斷芽或裂紋)種子的型孔數(shù)量占型孔總數(shù)的百分比。每組試驗重復(fù)5次，取平均值。其計算公式為

D=n4/N×100%

式中D—損傷率(%)。

n4—含受損傷芽種的型孔數(shù)量。

5)破碎率：囊種過程結(jié)束后，包含破碎種子的型孔數(shù)量占型孔總數(shù)的百分比。每組試驗重復(fù)5次，取平均值。其計算公式為

E=n5/N×100%

式中E—破碎率(%)；

n5—含破碎種子的型孔數(shù)量。

2試驗結(jié)果與分析

2.1　單因素試驗及結(jié)果分析

2.1.1種箱速度

在型孔板厚度為6mm、型孔直徑為15mm的條件下，種箱速度為0.095～0.135m/s區(qū)間內(nèi)5個水平，各水平試驗重復(fù)5次，計算平均值。獲得種箱速度與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　種箱速度與性能指標(biāo)之間的關(guān)系

由圖2可見：當(dāng)種箱速度增大時，單粒率先減小后增大然后又略有減??；多粒率總體來看先增大后減小，損傷率和破碎率幾乎為0，空穴率波動較大，呈先增大后減小又增大的趨勢；當(dāng)種箱速度為0.125m/s時，單粒率達(dá)到最高為92.19%，多粒率達(dá)到最低為6.86%，損傷率和破碎率為0，空穴率較高為0.95%。

2.1.2型孔直徑

在型孔板厚度為6mm、種箱速度為0.125m/s的條件下，型孔直徑[14]在13～18m/s區(qū)間內(nèi)6個水平，各水平試驗重復(fù)5次，計算平均值。獲得型孔直徑與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3　型孔直徑與性能指標(biāo)之間的關(guān)系

由圖3可見：當(dāng)型孔直徑增大時，單粒率先增大后減小，多粒率呈增加趨勢，空穴率急速下降后有一定波動；當(dāng)型孔直徑為15mm時，單粒率達(dá)到最高為92.19%，多粒率較低為6.86%，損傷率和破碎率為0，空穴率較小為0.95%。

2.1.3型孔板厚度

在型孔直徑為15mm、種箱速度為0.125m/s條件下，型孔板厚度在5～9mm區(qū)間內(nèi)5個水平，各水平試驗重復(fù)5次，計算平均值。獲得型孔板厚度與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4　型孔板厚度與性能指標(biāo)之間的關(guān)系

由圖4可知：當(dāng)型孔板厚度較小時，單粒率較高，多粒率很低，空穴率較高；當(dāng)型孔板厚度增大時，單粒率先增高后降低，多粒率增高，破碎率和損傷率降低，空穴率波動較大；當(dāng)型孔板厚度為6mm時，單粒率達(dá)到最高值92.19%，多粒率較低為6.86%，損傷率和破碎率為0，空穴率最低為0.95%。

2.2　多因素試驗及結(jié)果分析

2.2.1試驗方案及數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗研究結(jié)果，在刷種輪直徑φ78mm、刷種高度3mm、型孔板厚度6mm時，進(jìn)一步研究型孔直徑和種箱速度兩因素組合情況下對播種裝置囊種性能的影響。選取型孔直徑x1和種箱速度x2共兩個因素，以單粒率、空穴率、多粒率、損傷率和破碎率為囊種性能指標(biāo)進(jìn)行多因素試驗。采用兩因素五水平的正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的試驗方案。因素編碼表如表1所示，試驗方案及數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表1　因素水平編碼表

γ=1.41421Z0j=(Z1j+Z2j)/2；Δj=(Z2j-Z-0j)/γ。

表2　二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗方案及數(shù)據(jù)結(jié)果

由于試驗中損傷和破碎極少出現(xiàn)，表2中損傷率和破碎率都幾乎為零，為節(jié)省空間未列其中。

2.2.2回歸模型及顯著性檢驗

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)試驗所得的結(jié)果，采用DPS(Data Processing System)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計分析[15-16]，獲得各試驗因素與性能指標(biāo)之間關(guān)系的回歸方程如下：

y1=76.98592-10.04701x1-0.01900x2-

(1)

y2=0.34019-3.44251x1+0.04011x2+

(2)

y3=22.67388+12.82086x1-0.68976x2-

(3)

式中y1—單粒率(%)；

x1—型孔直徑(mm)；

x2—種箱速度(m/s)；

y2—空穴率(%)；

y3—多粒率(%)。

回歸方程顯著性檢驗如表3所示。

表3　F檢驗表

經(jīng)t檢驗，剔除不顯著項，其它回歸系數(shù)都在不同程度上顯著，回歸方程簡化為

y1=76.98592-10.04701x1+7.69401x2

(4)

(5)

(6)

2.2.3兩因素交互作用對性能指標(biāo)的影響

1)對單粒率的影響分析。圖5為型孔直徑與種箱速度的交互作用對性能指標(biāo)單粒率的影響。由圖5可見：當(dāng)型孔直徑固定，隨著種箱速度水平的增加，單粒率呈先下降后升高的趨勢；當(dāng)種箱速度固定，隨著型孔直徑水平的增大，單粒率呈緩慢下降的趨勢。由圖5可知，有效的單粒率最大值出現(xiàn)在型孔直徑為-1.414水平、種箱速度為1水平或型孔直徑為-1.414水平及種箱速度為-1水平時。由各因素的貢獻(xiàn)率和交互作用可知，對單粒率影響的大小順序為型孔直徑>種箱速度。

圖5　型孔直徑與種箱速度的交互影響圖

2)對空穴率的影響分析。圖6為型孔直徑與種箱速度的交互作用對性能指標(biāo)空穴率的影響。由圖6可見：當(dāng)型孔直徑處于較低水平時，隨著種箱速度水平的增加，空穴率呈緩慢上升的趨勢；當(dāng)型孔直徑處于較高水平時，隨著種箱速度水平的增加，空穴率呈先降低后升高的趨勢；當(dāng)種箱速度固定時，隨著型孔直徑的增大，空穴率呈先下降后上升趨勢。由圖6可見：有效的空穴率最小值出現(xiàn)在型孔直徑和種箱速度均為0水平時。由各因素的貢獻(xiàn)率和交互作用可知，對空穴率影響的大小順序為型孔直徑>種箱速度。

圖6　型孔直徑與種箱速度的交互影響圖

3)對多粒率的影響分析。圖7為型孔直徑與種箱速度的交互作用對性能指標(biāo)多粒率的影響。由圖7可見：當(dāng)型孔直徑固定，隨著種箱速度水平的增加，多粒率呈先上升后下降的趨勢，但型孔直徑水平不同時多粒率值差異很大；當(dāng)種箱速度固定，隨著型孔直徑水平的增大，多粒率呈上升趨勢，且先緩后急。由圖7可知：有效的多粒率最小值出現(xiàn)在型孔直徑為-1水平、種箱速度為-1或1水平時，影響多粒率的主要因素為型孔直徑。由各因素的貢獻(xiàn)率和交互作用可知，對多粒率影響的大小順序為型孔直徑>種箱速度，但影響程度相差不大。

由于試驗中損傷率和破碎率很小，幾乎為0，因此型孔直徑和種箱速度對其的影響忽略不計。

3性能指標(biāo)優(yōu)化

根據(jù)囊種性能要求，分別以單粒率、空穴率和多粒率3個囊種性能指標(biāo)的回歸方程作為目標(biāo)函數(shù)，其它剩余的回歸方程作為約束條件，設(shè)計主目標(biāo)函數(shù)法的優(yōu)化模型，并通過MatLab軟件進(jìn)行求解，獲得不同目標(biāo)函數(shù)下的最佳參數(shù)組合方案如表4所示。

表4　不同目標(biāo)函數(shù)下的參數(shù)優(yōu)化組合方案

綜合單因素和多因素試驗中因素對囊種性能指標(biāo)的影響及優(yōu)化組合方案，按照以單粒率最高為先、兼顧空穴率和多粒率較低為原則，綜合考慮后得出試驗因素的較優(yōu)組合為型孔直徑15mm，種箱速度0.095m/s。

4驗證試驗

根據(jù)以上試驗結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行驗證試驗。當(dāng)型孔板厚度為6mm、型孔直徑為15mm、種箱速度為0.095m/s且其它試驗參數(shù)不變時進(jìn)行試驗，重復(fù)5次取平均值。試驗結(jié)果為單粒率為93.12%，空穴率為2.01%，多粒率為4.87%，損傷率為0，破碎率為0，滿足技術(shù)要求。

5結(jié)論

1)通過單因素試驗研究確定多因素試驗方案，在對多因素試驗結(jié)果的分析中建立了試驗因素與性能指標(biāo)之間的回歸模型。

2)確定了影響單粒率和多粒率的因素主次順序均為型孔直徑、種箱速度，影響空穴率的因素主次順序均為種箱速度、型孔直徑，綜合來看型孔直徑是保證囊種性能的重要因素。

3)通過主目標(biāo)函數(shù)法的優(yōu)化方法，綜合考慮后得出試驗因素的較優(yōu)組合為型孔直徑為15mm，種箱速度為0.095m/s。

4)對于確定的較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗證試驗，結(jié)果為：單粒率93.12%，空穴率2.01%，多粒率4.87%，損傷率0，破碎率0，滿足技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜彥朝,趙偉,陳鋼.我國玉米單粒精播的發(fā)展趨勢[J].種子世界，2010(1)：1-5.

[2]封俊，顧世康，曾愛軍. 導(dǎo)苗管式栽植機(jī)的試驗研究(I)中國玉米育苗栽植機(jī)械化的現(xiàn)狀與問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1998(3)：103-107.

[3]方憲法.我國旱作移栽機(jī)械技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2010(1)：35-36.

[4]北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所.懸掛4行玉米移栽機(jī)[J].農(nóng)機(jī)情報資料，1974(1)：1-5.

[5]廖慶喜，高煥文. 玉米水平圓盤精密排種器排種性能試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(1)：99-103.

[6]廖慶喜，高煥文，臧英. 玉米水平圓盤精密排種器型孔的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(2)：109-113.

[7]李成華，馬成林，于海業(yè)，等. 傾斜圓盤勺式玉米精密排種器的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1999，30(2)：38-42.

[8]于建群，馬成林，左春檉. 組合內(nèi)窩孔玉米精密排中器清種過程分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2000，31(5)：35-37.

[9]于建群，馬成林，左春檉，等. 組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997，13(4)：94-97.

[10]付威，李樹峰，孫嘉憶,等. 強(qiáng)制夾持式玉米精量排種器的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(12)：38-42.

[11]夏連明，王相友，耿端陽,等.丸粒化玉米種子精密排種器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(6)：53-57.

[12]Yazgi A,Degirmencioglu A.Optimisation of the seed spacing uniformity performance of a vacuum-type precision seeder using response surface methodology[J].Biosystems Engineering,2007,97(3):347-356.

[13]Gaikwad B B,Sirohi N P S.Design of a low-cost pneumatic seeder for nursery plug trays[J].Biosystems Engineering, 2008,99(3):322-329.

[14]趙鎮(zhèn)宏.刷輪式苗盤精播裝置型孔板型孔尺寸的確定[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36(3)：44-47.

[15]Mao Xin, Yi Shujuan, Tao Guixiang. Experimental study on seed-filling performance of maize bowl-tray precision seeder[J].IJABE, 2015，8(2):31-38.

[16]陶桂香，衣淑娟，汪春,等.水稻缽盤精量播種機(jī)充種性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(8)：44-50.

Abstract ID:1003-188X(2016)12-0168-EA

Study on the Seed-filling Performance of Maize Bowl-tray Precision Seeder

Mao Xina, Yi Shujuanb, Yang Lib, Liu Haiyana, Ma Yongcaia, Li Yifeia

(Heilongjiang Bayi Agricultural University a. College of Engineering; b.College of Information and Technology, Daqing 163319, China)

Abstract：According to the requirement of factory seedling agronomics,a maize bud-seed precise filling device was presented for use in cold areas. The structure and working principle of the main working parts are introduced. Single-factor test and multi-factor test were performed to optimise the parameters of a maize bud-seeds bowl-tray precise device and to improve the filling performance. The test of optimization parameters was verified. The results show that when the other parameters are fixed, the shaped hole diameter is 15mm, the velocity of the seed box is 0.095m/s, the single-seed rate is 93.12%, the empty-seed rate is 2.01%, the multi-seed rate of is 4.87%, the damage rate is 0%, the broken rate is 0%. The performance index by testing verification can meet the technical requirements.

Key words：maize; bud-sowing; filling; bowl-tray

中圖分類號：S223.2；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0168-05

作者簡介：毛欣(1978-)，女，浙江寧波人， 副教授，博士，(E-mail) mx1631@163.com。通訊作者：衣淑娟(1965-)，女，山東棲霞人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

基金項目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12531458)；黑龍江省自然基金項目(E201331)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20132305110003)

收稿日期：2015-11-10