呂金慶，王英博，李紫輝，兌 瀚，劉中原，李季成，孫 賀，彭曼曼

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加裝導(dǎo)流板的舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器性能分析與試驗(yàn)

呂金慶，王英博，李紫輝，兌 瀚，劉中原，李季成，孫 賀，彭曼曼

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

馬鈴薯播種機(jī)排種器的投種角度、速度、高度以及種薯與土壤接觸后的彈跳等對馬鈴薯排種器播種質(zhì)量影響較大，針對上述問題，該文研制了舀勺式馬鈴薯排種器的投種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加裝了導(dǎo)流板。通過對導(dǎo)流板的性能分析、種薯投種過程及種薯與溝底碰撞過程的運(yùn)動學(xué)分析，確定了影響播種效果的因素；以主動輪轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度、投種高度為主要因素，株距變異系數(shù)、漏播率、重播率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)，并進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)回歸分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后的馬鈴薯排種器具有較好的播種質(zhì)量，當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速為42 r/min、前進(jìn)速度為1.2 m/s、投種高度為640 mm時，其株距變異系數(shù)平均值為12.5%、漏播率平均值為2.21%、重播率平均值為3.56%，其標(biāo)準(zhǔn)均高于傳統(tǒng)的舀勺式排種器，播種效果提升顯著（<0.01）。該研究為馬鈴薯排種器技術(shù)進(jìn)步提供了參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；農(nóng)作物；試驗(yàn)；馬鈴薯；排種器；導(dǎo)流板；彈跳；株距變異系數(shù)

0 引 言

隨著馬鈴薯主食化進(jìn)程的推進(jìn)，馬鈴薯作為中國第四大糧食作物，其種植面積還將進(jìn)一步擴(kuò)大[1-3]。馬鈴薯單產(chǎn)量較低，除了馬鈴薯品種的因素外，機(jī)械化作業(yè)水平也是影響馬鈴薯產(chǎn)量的重要原因之一，其中較低的播種機(jī)械化水平嚴(yán)重制約了馬鈴薯產(chǎn)量的提高[4-7]。

在馬鈴薯機(jī)械化播種過程中，排種器的供種、取種、清種和投種過程均對播種質(zhì)量有著不同程度的影響[8-9]。其中在投種過程中的投種角度、投種速度和投種高度，對播種后種薯落地位置和彈跳距離有著較大的影響，這也直接影響了馬鈴薯的播種效果[10-12]。國外的馬鈴薯排種器發(fā)展較迅速、種類較多，針刺式和勺帶式排種器由于其較高的工作效率得到了廣泛應(yīng)用，但種薯落地后彈跳較遠(yuǎn)，導(dǎo)致株距不均的現(xiàn)象[13-15]。國內(nèi)的馬鈴薯排種器應(yīng)用較多的為舀勺式排種器[16]，但是在投種時，由于機(jī)具自身的前進(jìn)速度，對種薯的投種角度和投種速度影響較大，導(dǎo)致種薯落地后速度較大、彈跳距離較遠(yuǎn)、降低了播種的株距穩(wěn)定性和播種質(zhì)量[17]。為解決上述問題，本文在舀勺式馬鈴薯排種器的基礎(chǔ)上，加裝導(dǎo)流板，以平衡播種過程中的前進(jìn)速度，提升播種效果。

通過對導(dǎo)流板的性能分析，以及整個種薯下落過程與落地后碰撞彈跳過程的運(yùn)動學(xué)分析，采用對比試驗(yàn)的方法，分析不同因素對播種效果的影響，以獲取影響馬鈴薯播種機(jī)排種器重播率、漏播率及株距變異系數(shù)等參數(shù)的定性規(guī)律，驗(yàn)證加裝導(dǎo)流板能顯著提升馬鈴薯播種機(jī)排種器的播種性能。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該排種器主要由導(dǎo)種部件1、排種架2、主動輪3、清種部件4、排種導(dǎo)板5、排種帶6、充種箱7、從動輪8、擋種部件9、導(dǎo)流板10組成。整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

排種帶由傳動系統(tǒng)驅(qū)動主動輪進(jìn)行動力傳遞，排種帶上固定有交錯排列的兩列舀勺，舀勺舀取充種箱中的種薯，隨著排種帶一起運(yùn)動；擋種部件將舀勺間多余的種薯撥落，當(dāng)舀勺中有多余一個種薯時，安裝在主動輪下部的清種裝置將多余種薯振落；種薯越過主動輪后，在重力的作用下，落到前一個舀勺的背面，沿著排種導(dǎo)板運(yùn)動，防止種薯自由掉落，當(dāng)運(yùn)動到排種點(diǎn)后，種薯脫離舀勺，掉落的種薯與導(dǎo)流板接觸，沿著導(dǎo)流板的曲面進(jìn)行運(yùn)動，而后落入田間，舀勺轉(zhuǎn)過從動帶輪，繼續(xù)準(zhǔn)備下一次的播種。

2 導(dǎo)流板的性能分析

2個導(dǎo)流板對稱安裝在排種器的出口位置，導(dǎo)流板與下落的種薯接觸，改變種薯的速度方向和大小，從而改變種薯在排種過程中的運(yùn)動過程。導(dǎo)流板用尼龍材料注塑形成，能有效的減小與種薯接觸的滾動摩擦力；為了減小種子落入土壤后彈跳距離較大，以及投種時由于正碰對種薯造成損傷，導(dǎo)流板厚度由上到下逐漸增加，其側(cè)面為曲面的形式，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)文獻(xiàn)所述，最小位移發(fā)生在碰撞角度為75°～80°[18]。因此，將導(dǎo)流板工作曲面的傾斜角度為15°。為了配合排種架的安裝，將導(dǎo)流板的整體彎折角度設(shè)置為116°，彎折半徑為48 mm。

本文選取整薯為研究對象，將整個種薯理想化為質(zhì)地均勻的球體；種薯與舀勺脫離后，與導(dǎo)流板接觸，沿著導(dǎo)流板曲面下落，其運(yùn)動為空間形式，以左側(cè)導(dǎo)流板為例，分別建立以種薯質(zhì)心為原點(diǎn)的2個坐標(biāo)系，如圖3所示。

注：m為種薯的質(zhì)量，kg；α0為導(dǎo)流板曲面傾角，(°)；F1為種薯受到的支持力，N；Ff為種薯所受的滾動摩擦力，N；g為重力加速度，m·s-2。Note: m is quality of potato, kg; α0 is camber dip angle of flow deflector, (°); F1 is support force for potato, N; Ff is friction force of potato; g is acceleration of gravity, m·s-2.a. 種薯受力示意圖a. Schematic diagram of force on potato注：vxα為種薯在Oxy內(nèi)投影的Ox方向分速度，m·s-1；vyα為種薯在Oxy內(nèi)投影的Oy方向分速度，m·s-1。Note: vxα is the velocity of Ox direction for potato velocity projection in plane Oxy, m·s-1; vyα is the velocity of Oy direction for potato velocity projection in plane Oxy, m·s-1.b. 種薯在導(dǎo)流板運(yùn)動水平面速度投影示意圖b. Schematic diagram of projection of velocity in horizontal plane of potato flowing on flow deflector

在平面內(nèi)，種薯的受力如圖3a所示。

（2）

（3）

式中為種薯的質(zhì)量，kg；0為導(dǎo)流板曲面傾角，(°)；1為曲面對種薯的支持力，N；F為種薯所受的滾動摩擦力，N；為滾動摩擦系數(shù)；為重力加速度，m/s2。

由式（1）可知，種薯在導(dǎo)流板上的運(yùn)動為沿著曲面的直線加速運(yùn)動，其速度方向沿著曲面傾斜的方向，與豎直方向呈15°。

將種薯的運(yùn)動速度在水平面內(nèi)投影，如圖3b所示，方向正向?yàn)榕c機(jī)具方向相反的方向，速度可以分解為沿著方向的速度v和方向的速度v。種薯方向的速度v，可使種薯向靠近排種器中間的方向運(yùn)動，即兩列排種帶舀取的種薯交替落在對稱的導(dǎo)流板后，可減小落入溝底的種薯縱向距離，落入壟溝內(nèi)的種薯表現(xiàn)形式近似為一列；種薯方向的速度v，與在播種時排種器運(yùn)動的方向相反，能夠抵消部分速度，從而減小種薯落入田間的水平分速度，減小種薯落入溝底后的運(yùn)動距離。導(dǎo)流板的設(shè)置還影響了種薯脫離排種器的速度，繼而對種薯后續(xù)的下落和彈跳過程的軌跡也產(chǎn)生了影響。

3 種薯下落過程與種薯溝底碰撞過程的運(yùn)動學(xué)分析

3.1 種薯下落過程的運(yùn)動學(xué)分析

在種子下落的過程中，與土壤接觸后會產(chǎn)生彈跳，根據(jù)文獻(xiàn)[18]中所敘述，種子與土壤接觸發(fā)生彈跳后，其彈跳具有空間性質(zhì)，且種薯向每個方向彈跳的可能性大小相等；彈跳后的位移量不一致，方向不同，即會導(dǎo)致播種株距變異系數(shù)大、種薯間距合格指數(shù)低，同時不規(guī)則的彈跳過程也會增加重播率和漏播率[19-23]，種薯彈跳不可避免，可以通過對運(yùn)動參數(shù)的分析，盡量減少彈跳的距離，保證播種效果。

種薯與導(dǎo)流板接觸，在重力的作用下，沿著曲面運(yùn)動脫離導(dǎo)流板，之后的運(yùn)動軌跡與種薯在導(dǎo)流板的運(yùn)動處于同一平面內(nèi)，為了便于研究空氣阻力存在時的種子運(yùn)動規(guī)律，建立如圖4所示的000定坐標(biāo)系，分析種薯脫離排種器后的運(yùn)動情況，初始時刻為0=0，原點(diǎn)0為種薯脫離排種器的初始位置重合。

式中為空氣阻力，N；()為阻力方向下與速度有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。

（5）

且初始時刻：

建立以種薯質(zhì)心為原點(diǎn)的11y1二維動坐標(biāo)系，種子質(zhì)心所在點(diǎn)的軌跡的切線和法向?yàn)閯幼鴺?biāo)系的坐標(biāo)軸，如圖4所示。

（7）

式中1為投種位移軌跡，m；1為投種過程速度，m/s；為時間，s。

分別將作用在薯塊上的重力、空氣阻力在動坐標(biāo)系下進(jìn)行投影，如式（9）所示。

式中=()為軌跡曲率半徑，m；為動坐標(biāo)系11軸與豎直向下方向的夾角，(°)，=()。

求得質(zhì)心在動坐標(biāo)系中的運(yùn)動微分方程式（10）

初始條件

（11）

式中v1為在投種點(diǎn)的速度，m/s；1為在投種點(diǎn)速度方向與水平軸00的夾角，(°)；v0為種薯在投種點(diǎn)在00方向的速度，m/s；v0為投種點(diǎn)在00方向的速度大小，m/s。

由式（9）—（12）得出下落過程薯塊質(zhì)心（1,1）在定坐標(biāo)系中的運(yùn)動坐標(biāo)的運(yùn)動軌跡方程為

（13）

式中1表示種薯投種運(yùn)動過程在00方向的位移，m；1表示種薯投種運(yùn)動過程在00方向的位移，m。為時間參數(shù)。

由式（13）可知，種子下落后落地點(diǎn)的位置、落地時刻的速度與初始投種速度、機(jī)具的前進(jìn)速度和投種的高度有關(guān)，上述因素均能影響到種薯反彈后的初始速度大小與方向，進(jìn)而影響種薯彈跳后的偏移程度。

3.2 種薯與溝底碰撞過程的運(yùn)動學(xué)分析

種薯由排種器投種落到地表時，與地表發(fā)生碰撞，從而改變運(yùn)動速度和方向發(fā)生彈跳，圖5為種薯與溝底碰撞過程運(yùn)動學(xué)分析。本文做如下假設(shè)：發(fā)生彈跳后的種薯運(yùn)動軌跡仍與下落軌跡處于同一豎直平面，發(fā)生碰撞的平面為水平面，且忽略掉種薯自身旋轉(zhuǎn)作用，種薯發(fā)生碰撞彈跳后的彈跳角2與入射角4大小相同[24-27]。

以碰撞點(diǎn)2為圓心建立如圖5所示的定坐標(biāo)系222；彈跳后，建立以種薯的質(zhì)心為原點(diǎn)，運(yùn)動軌跡的切線和法線為橫縱坐標(biāo)軸的動坐標(biāo)系333。

（15）

（16）

式中2為彈跳過程位移軌跡，m；2為彈跳過程速度，m/s；3表示動坐標(biāo)系33軸與豎直向下方向的夾角，(°)，33()。

求得種薯質(zhì)心在動坐標(biāo)系中的運(yùn)動微分方程

初始條件

（18）

式中v2為種薯反彈后的初速度，m/s；為碰撞恢復(fù)系數(shù)。3為入射速度，m/s。

由式（17）、式（18）得出碰撞彈跳過程薯塊質(zhì)心（2,2）在定坐標(biāo)系中運(yùn)動的軌跡方程為

式中2表示種薯碰撞彈跳過程在00方向的位移，m；2表示種薯碰撞彈跳過程在00方向的位移，m。

從式（19）可知，在導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)確定后，影響彈跳距離的因素包括種薯發(fā)生碰撞彈跳后的彈跳角2、動坐標(biāo)系33軸與豎直向下方向的夾角3彈跳過程速度2；而2、3與種薯發(fā)生碰撞彈跳前的入射角4和投種速度v1有關(guān)，2與入射速度3有關(guān)；影響投種初始速度v1、入射速度3的因素為機(jī)具的主動輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度與投種高度。

因此，主動輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度與投種高度直接影響著投種過程種薯的位置與種薯落地彈跳后的位置，進(jìn)而直接影響排種器播種質(zhì)量，其具體的表現(xiàn)形式為重播率、漏播率及株距變異系數(shù)的大小。下文采用旋轉(zhuǎn)回歸正交試驗(yàn)、對比試驗(yàn)的方法，對影響馬鈴薯播種機(jī)排種器重播率、漏播率和株距均勻性的因素，及各因素顯著性進(jìn)行分析，研究各個因素對指標(biāo)的影響規(guī)律。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2015年9月和2016年5月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地，進(jìn)行加裝導(dǎo)流板的舀勺式馬鈴薯播種機(jī)種器的田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前耕整地平整，土壤為普通黑土，土壤堅(jiān)實(shí)度為63.2 kPa，土壤含水率為17.0%；播種機(jī)的配套動力為59.6 kW的拖拉機(jī)；試驗(yàn)種薯選用東農(nóng)303品種，單個種薯的平均三軸尺寸大小為45.1 mm×36.2 mm×25.1 mm，形狀指數(shù)為205.8，平均質(zhì)量為24.38 g，平均含水率為76.2%，凈度>99%，田間作業(yè)及測量過程如圖6所示。

a. 試驗(yàn)過程a. Experimental processb. 結(jié)果測量b. Results measure

4.2 評價(jià)指標(biāo)

參照《GB/T 6242-2006 種植機(jī)械馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法，考察加裝導(dǎo)流板的舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器的播種性能。種薯落地后的彈跳將直接影響排種器排種質(zhì)量，其排種質(zhì)量的具體表現(xiàn)形式為排種器的重播率、漏播率及株距變異系數(shù)的大小。以主動輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度和投種高度為試驗(yàn)因素，株距變異系數(shù)、漏播率和重播率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算測量結(jié)果的平均值[28]；播種后，選取每次播種過程中，一行的5個測量段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每段測量20個種薯的間距，每兩個測量段相距30 m，共選取100個種薯進(jìn)行株距測量，計(jì)算出株距變異系數(shù)、重播率和漏播率。

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.3.1 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行（三因素）二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，以株距變異系數(shù)、漏播率和重播率為試驗(yàn)指標(biāo)，各因素的水平范圍為：主動輪轉(zhuǎn)速32～52 r/min，前進(jìn)速度0.60～1.40 m/s，投種高度600～800 mm。地輪將動力通過傳動裝置傳遞給主動輪，在進(jìn)行試驗(yàn)時，可以通過調(diào)整中間傳動裝置改變不同的主動輪轉(zhuǎn)速，選取試驗(yàn)所需水平值，進(jìn)行田間試驗(yàn)的過程中，可根據(jù)不同的實(shí)際情況對清種裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過試驗(yàn)，對影響株距變異系數(shù)、漏播率和重播率的因素進(jìn)行顯著性的分析，根據(jù)實(shí)際需要對各個參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平及其編碼表

注：選取中心點(diǎn)的試驗(yàn)次數(shù)為9次。

Note: Number of tests for the center point is 9 times.

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與回歸模型建立

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到株距變異系數(shù)1、漏播率2、和重播率3,3個試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

1）株距變異系數(shù)1的顯著性分析

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，株距變異系數(shù)1方差分析如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)整體模型極顯著（<0.01），主效應(yīng)中前進(jìn)速度2對于試驗(yàn)指標(biāo)株距變異系數(shù)1影響最大，交互項(xiàng)中前進(jìn)速度與主動輪轉(zhuǎn)速的交互項(xiàng)12對指標(biāo)影響最大，主動輪轉(zhuǎn)速1、投種高度3、主動輪轉(zhuǎn)速與投種高度的交互項(xiàng)23均有顯著或較顯著影響，其他各項(xiàng)不顯著。各因素對株距變異系數(shù)影響的主次順序是2>1>3。將其中不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和、自由度并入殘差項(xiàng)，再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。得到各因素對株距變異系數(shù)1影響的回歸方程如式（20）所示。

式中1為主動輪轉(zhuǎn)速r/min；2為前進(jìn)速度m/s；3為投種高度，mm。

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中>0.1，不顯著。證明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

2）漏播率2的顯著性分析

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，漏播率2方差分析如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)整體模型極顯著，主效應(yīng)中主動輪轉(zhuǎn)速1對于試驗(yàn)指標(biāo)漏播率2影響最大，交互項(xiàng)中主動輪轉(zhuǎn)速與投種高度的交互項(xiàng)13對指標(biāo)影響最大，前進(jìn)速度2、投種高度3及3個因素的二次項(xiàng)均有顯著和較顯著影響，其他各項(xiàng)不顯著。各因素對漏播率影響的主次順序是1>2>3。將其中不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和、自由度并入殘差項(xiàng)，進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。得到各因素對漏播率2影響的回歸方程如式（21）所示。

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中>0.1，不顯著。證明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

3）重播率3的顯著性分析

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，重播率3方差分析如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)整體模型極顯著，主效應(yīng)中主動輪轉(zhuǎn)速1對于試驗(yàn)指標(biāo)重播率3影響最大，交互項(xiàng)中前進(jìn)速度與主動輪轉(zhuǎn)速的交互項(xiàng)12對指標(biāo)影響最大，前進(jìn)速度2、投種高度3、主動輪轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)均有顯著和較顯著影響，其他各項(xiàng)不顯著。各因素對重播率影響的主次順序是1>3>2。將其中不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和、自由度并入殘差項(xiàng)，進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。得到各因素對重播率3影響的回歸方程如式（22）所示。

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中>0.1，不顯著。證明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

4.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6 軟件對數(shù)據(jù)的處理，得出主動輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、投種高度之間的顯著和較顯著交互作用對株距變異系數(shù)、漏播率、重播率3個試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖（7）－圖（9）所示。

對于株距變異系數(shù)1，當(dāng)投種高度為700 mm時，主動輪轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度的交互作用影響如圖7a所示。當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速一定時，前進(jìn)速度與株距變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的前進(jìn)速度范圍為0.95～1.24 m/s；當(dāng)前進(jìn)速度保持一定時，主動輪轉(zhuǎn)速與株距變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的主動輪轉(zhuǎn)速范圍為44.5～47.9 r/min；在機(jī)具作業(yè)過程中，前進(jìn)速度為影響株距變異系數(shù)的主要因素。前進(jìn)速度與投種高度的交互作用影響如圖7b所示。對于機(jī)具主動輪轉(zhuǎn)速為42 r/min時，當(dāng)投種高度保持不變時，前進(jìn)速度與株距變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的速度范圍為0.95～1.24 m/s；當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速保持一定時，投種高度與株距變異系數(shù)呈正相關(guān)，其最優(yōu)的投種高度為640.5～700.0 mm，其中投種高度是影響指標(biāo)的主要因素。

表3 株距變異系數(shù)、漏播率及重播率的方差分析表

注： “***”表示極顯著（<0.01）；“**”表示顯著（0.01≤<0.05）；“*”表示較顯著（0.05≤<0.1），下同。

Note: “***” means highly significant (<0.01); “**” means very significant (0.01≤<0.05); “*” means significant (0.05≤<0.1), the same below.

對于漏播率2，當(dāng)前進(jìn)速度為1 m/s時，主動輪轉(zhuǎn)速和投種高度的交互作用影響如圖8所示，當(dāng)投種高度一定時，漏播率隨著主動輪轉(zhuǎn)速的增加，先減小后增加，其最優(yōu)的主動輪轉(zhuǎn)速范圍為36.1～44.5 r/min；當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速一定時，漏種率隨著投種高度的增加，先減小后增加，其最優(yōu)的投種高度為640.5～759.5 mm。2個交互作用項(xiàng)中主動輪轉(zhuǎn)速為影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。

對于重播率3，當(dāng)投種高度為700 mm時，主動輪轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度的交互作用影響如9所示，當(dāng)前進(jìn)速度一定時，主動輪轉(zhuǎn)速與重播率呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的主動輪轉(zhuǎn)速范圍為43.0～47.9 r/min；當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速保持一定時，前進(jìn)速度與重播率呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的前進(jìn)速度為0.97～1.24 m/s；2個交互作用項(xiàng)中前進(jìn)速度為影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。

為獲得排種器最佳排種性能作業(yè)參數(shù)，利用Design Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對上述3個回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解，根據(jù)播種機(jī)的實(shí)際工作條件、作業(yè)要求及相關(guān)理論的分析選擇優(yōu)化的約束條件[29]。目標(biāo)及約束函數(shù)：

對目標(biāo)函數(shù)中的3個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，能夠得到多種參數(shù)組合?？紤]到實(shí)際的工作要求，為滿足馬鈴薯種植的農(nóng)藝要求，得到優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速為41.29～43.33 r/min，前進(jìn)速度為1.2～1.3 m/s，投種高度為640.0～667.5 mm時，理論的株距變異系數(shù)范圍為12.1%～12.6%，漏播率范圍為2.01%～2.25%，重播率范圍為3.5%～3.9%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地。土壤為平整地表，含水率為18.2%。以文獻(xiàn)[30]中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值，試驗(yàn)方法與田間試驗(yàn)相同。

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的馬鈴薯播種機(jī)排種器性能指標(biāo)與文獻(xiàn)[31]中規(guī)定的指標(biāo)值對比，以及與傳統(tǒng)的舀勺式排種器結(jié)果性能對比、方差結(jié)果如表4所示[30-31]。播種機(jī)的參數(shù)選擇為主動輪轉(zhuǎn)速42 r/min、前進(jìn)速度1.2 m/s、投種高度640 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的馬鈴薯排種器株距變異系數(shù)平均值為12.5%、漏播率平均值為2.21%、重播率平均值為3.56%，與所得的優(yōu)化結(jié)果基本一致，且優(yōu)于相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)；相較于傳統(tǒng)的舀勺式馬鈴薯排種器，裝有導(dǎo)流板的排種器的株距變異系數(shù)降低了4.8%，漏播率降低了1.19%，重播率降低了0.22%；加裝導(dǎo)流板對于排種器的各個作業(yè)指標(biāo)的影響均為極顯著（<0.01）。這是由于導(dǎo)流板的安裝抵消了部分機(jī)具的前進(jìn)速度，減小了水平速度，減小種薯落入溝底后的水平距離。投種高度的設(shè)置較低，主動輪轉(zhuǎn)速較小，減少了種薯在與土壤平面發(fā)生接觸時的入射角度和速度，從而減小了種薯的彈跳距離，驗(yàn)證了公式的合理性。試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化參數(shù)的合理性，按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行作業(yè)能夠滿足要求。

表4 優(yōu)化后機(jī)具作業(yè)性能比對

5 結(jié)論與討論

舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器下部加裝導(dǎo)流板，減少了種薯落入溝底的縱向距離，使落入壟溝內(nèi)的種薯表現(xiàn)形式近似為一列；導(dǎo)流板能有效減小種薯落入田間的水平分速度，減小種薯落入溝底后彈跳距離。通過對排種器投種彈跳過程的運(yùn)動學(xué)分析，得出了影響種薯落地后彈跳距離的因素為投種角度、投種速度、投種高度。

對安裝有導(dǎo)流板的舀勺式馬鈴薯排種器進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合的田間試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)與影響因素間的回歸模型。通過對比試驗(yàn)驗(yàn)證了安裝有導(dǎo)流板的排種器的播種性能，當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速為42 r/min、前進(jìn)速度為1.2 m/s、投種高度為640 mm時，排種器株距變異系數(shù)平均值為12.5%、漏播率平均值為2.21%、重播率平均值為3.56%，優(yōu)于相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)；相較于傳統(tǒng)的排種器，株距變異系數(shù)降低了4.8%，漏播率降低了1.19%，重播率降低了0.22%，驗(yàn)證了加裝導(dǎo)流板能顯著提高排種器的播種精度及理論公式的合理性。在種薯播種過程中，種薯與土壤接觸后彈跳過程的分析將在后續(xù)研究中分不同品種、不同土壤類型進(jìn)行具體計(jì)算和分析。

本文通過導(dǎo)流板的性能分析、對種薯排種過程的運(yùn)動學(xué)分析，為馬鈴薯播種機(jī)排種器技術(shù)進(jìn)步提供了參考。

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Performance analysis and experiment of cup-belt type patato seed-metering device with flow deflector

Lü Jinqing, Wang Yingbo, Li Zihui, Dui Han, Liu Zhongyuan, Li Jicheng, Sun He, Peng Manman

(150030,)

In order to enhance seeding accuracy and seeding quality of potato, this paper analyses and tests the bouncing and casting process of the cup-belt type potato seed-metering device and the performance of flow deflector. The cup-belt type potato seed-metering devices have the problems such as the nonuniformity of plant spacing, and the higher replay rate and missing rate due to different casting angle, casting speed, casting height and potato bouncing when contacting with furrow. This paper contains the main structure and working principle of cup-belt type potato seed-metering device, and the working principle of the flow deflector is that potato drops out from seed-metering device to the deflector, and then flows along the surface. The flow deflector can reduce longitudinal distance that potato drops into furrow to make the form of potato seed in approximately one column. Flow deflector can also reduce the horizontal velocity of potato seed to decrease the distance of potato dropping into furrow. During the sowing process of seed-metering device, in addition to the contact with the flow deflector, bouncing after contact with soil will also have an influence on seeding results. In the event of seed bounce, the images of bounce process have spatial properties, a circular point uniform density of position of potato in furrow after bounce was formed, each bounce direction has the same possibility after jumping, and the displacement of potato after bounce is inconsistent. The above phenomenon will lead to a higher coefficient of variation for sowing spacing, and a lower qualified rate of seeding. The process of irregular bounce will also increase the replay rate and missing rate. This paper also obtains the main factors that influence bounce distance through the kinematic analysis of casting and bouncing process during potato seeding. The field experiment was carried out; the rotational speed of the driving pulley, the forward speed of the device, and the seed casting height were taken as the experiment factors, and the coefficient of variation of row spacing, the missing rate and the replay rate as the test indices. The test was implemented in Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences in September, 2015 and May, 2016. Potato in this test was prepared by Northeast Agricultural University, the shape index of potato was 205.8, and the average mass of potato was 24.38 g. The experimental data were processed and optimized by software Design-Expert 8.0.6. The test result showed the primary and secondary order of influencing factors for each test index. For the coefficient of variation of row spacing, the order was the forward speed of the device, the rotational speed of driving pulley and the casting height of potato seed. For the missing rate, the order was the rotational speed of the driving pulley, the forward speed of the device and the casting height of potato seed. The order for the replay rate was as follows: The rotational speed of the driving pulley, the forward speed of the device and the casting height of potato seed. And results also showed that the coefficient of variation of row spacing was 12.5%, the missing rate was 2.21% and the replay rate was 3.56%, when the rotational speed of driving pulley was 42 r/min, the forward speed of the device was 1.2 m/s and the potato casting height was 640 mm. This device had a good seeding effect compared with the national standards. Through the performance analysis of flow deflector, the theoretical analysis of the casting progress and bouncing process of potato, and the field experiment, it has been verified that the cup-belt type potato seed-metering device which has been optimized can enhance the potato seeding accuracy and sowing effect. This research not only provides the theoretical and technical reference for improvement and optimization of potato seed-metering devices, but also other precision sowing seed-metering devices.

agriculture machinery; crops; experiments; potato; seed-metering device; flow deflector; bounce; coefficient of variation of row spacing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.003

S233.2

A

1002-6819(2017)-09-0019-10

2016-11-16

2017-04-05

十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能農(nóng)機(jī)裝備專項(xiàng)“薯類高效收獲技術(shù)與裝備研發(fā)”(2016YFD0701600)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-10-P22）；黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“馬鈴薯規(guī)?；N植關(guān)鍵技術(shù)裝備研究”(GA15B401)

呂金慶，男，黑龍江哈爾濱人，研究員，國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，主要從事馬鈴薯新型技術(shù)及裝備方面研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：ljq8888866666@163.com

呂金慶，王英博，李紫輝，兌 瀚，劉中原，李季成，孫 賀，彭曼曼. 加裝導(dǎo)流板的舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：19－28. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.003 http://www.tcsae.org

Lü Jinqing, Wang Yingbo, Li Zihui, Dui Han, Liu Zhongyuan, Li Jicheng, Sun He, Peng Manman. Performance analysis and experiment of cup-belt type patato seed-metering device with flow deflector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 19－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.003 http://www.tcsae.org