石林榕 趙武云 孫 偉 李榮斌 孫步功

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉鑄隴農(nóng)機(jī)有限責(zé)任公司， 酒泉 735000)

電驅(qū)式玉米膜上直插穴播機(jī)前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

石林榕1趙武云1孫 偉1李榮斌2孫步功1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉鑄隴農(nóng)機(jī)有限責(zé)任公司， 酒泉 735000)

為提高電驅(qū)式玉米膜上直插穴播機(jī)膜孔合格率和播種深度合格率，對(duì)前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和限深機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，應(yīng)用Matlab仿真前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)各參數(shù)對(duì)穴播軌跡的影響，篩選出主曲柄角速度、中心距和副曲柄長(zhǎng)度對(duì)膜下播種深度合格率和膜孔合格率影響較大；采用三因素三水平響應(yīng)面法進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果表明：影響播種深度合格率的因素主次順序?yàn)椋褐行木?、副曲柄長(zhǎng)度和主曲柄角速度；影響播種深度合格率的因素主次順序?yàn)椋焊鼻L(zhǎng)度、主曲柄角速度和中心距；以播種深度合格率為主，兼顧膜孔合格率最大為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)主曲柄角速度為89.10 rad/s、中心距為58.55 mm、副曲柄長(zhǎng)為95.1 mm時(shí)，播種深度合格率和膜孔合格率的5次均值分別為94.89%、93.61%。試驗(yàn)表明前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，試驗(yàn)效果滿足玉米播種機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求及甘肅省玉米播種農(nóng)藝要求。

玉米； 穴播機(jī)； 前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)； 參數(shù)優(yōu)化

引言

甘肅地理環(huán)境惡劣，十年九旱，地膜覆蓋技術(shù)能最大效應(yīng)增溫保墑[1]。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)覆膜播種機(jī)采用先播種后鋪膜模式，出苗前需人工或者機(jī)械破膜放苗，增加作業(yè)工序和勞動(dòng)強(qiáng)度。膜上打孔播種技術(shù)在膜上打孔播種，省去了放苗工序[2]。西北地區(qū)的“秋覆膜”和“頂凌覆膜”較傳統(tǒng)覆膜優(yōu)勢(shì)明顯[3-4]，“秋覆膜”是秋季覆膜保住7—9月份的降雨，為來(lái)年4月種玉米發(fā)芽生根之用；“頂凌覆膜”是避免地表在“晝消夜凍”過(guò)程中損失墑情，然而播種難度較大。針對(duì)兩種覆膜方式甘肅省普遍采用人工或簡(jiǎn)易機(jī)械，勞動(dòng)強(qiáng)度高、播種合格率低。國(guó)內(nèi)研發(fā)成熟的膜上播種機(jī)以滾輪式播種機(jī)為主[5-6]，播種較淺作物時(shí)，成穴器運(yùn)動(dòng)軌跡余擺線對(duì)地膜影響不大，較深作物時(shí)，易產(chǎn)生挑膜、刮膜等問(wèn)題，西北多風(fēng)會(huì)加劇膜孔開裂；同時(shí)，種子周圍土壤擾動(dòng)大，造成種子發(fā)芽周期較長(zhǎng)。直插播種技術(shù)采用打孔器對(duì)地膜覆蓋的土壤進(jìn)行打孔，僅在穴孔位置開膜切開，利于保墑和抗旱。

1993年陳曉光等[7]首次提出并直插播種原理。此后國(guó)內(nèi)對(duì)直插播種進(jìn)行大量研究。2001年劉軍干等[8-9]將平行四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于小麥直插式覆膜穴播機(jī)中。2010年趙建托等[10]設(shè)計(jì)了旱地玉米全膜覆蓋雙壟溝播機(jī)直插式播種機(jī)，采用凸輪和曲柄組合機(jī)構(gòu)控制成穴器，實(shí)現(xiàn)播種時(shí)間段成穴器水平絕對(duì)速度為零，解決了玉米播種機(jī)空穴率高、鴨嘴開啟不可靠、撕膜等問(wèn)題。趙武云等[11]針對(duì)西北地區(qū)旱地玉米全膜雙壟溝播作業(yè)需求，采用凸輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了成穴器的“零速”投種，解決了傳統(tǒng)播種機(jī)作業(yè)時(shí)挑膜、撕膜、種穴與幼苗錯(cuò)位等問(wèn)題。戴飛等[12]通過(guò)應(yīng)用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，結(jié)合強(qiáng)排播種機(jī)構(gòu)，有效緩解采用穴播作業(yè)方式易出現(xiàn)的多粒、空穴與成穴器堵塞問(wèn)題。石林榕等[13]針對(duì)西北地區(qū)制種玉米機(jī)械化播種問(wèn)題，結(jié)合制種玉米播種條件和農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，由轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)具前進(jìn)速度補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)成穴器入土播種和出土期間水平位移差接近零，該直插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

基于以上研究，在電驅(qū)式小區(qū)玉米膜上直插穴播機(jī)的基礎(chǔ)上[14-16]，針對(duì)“秋覆膜”和“頂凌覆膜”2種“先覆膜后播種”方式，為提高玉米播種機(jī)播深合格率和膜孔合格率，對(duì)前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和限深機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，在篩選影響前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)作業(yè)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于響應(yīng)曲面法進(jìn)行田間試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化和驗(yàn)證。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

電驅(qū)式小區(qū)玉米電驅(qū)膜上直插穴播機(jī)主要由前輪、電動(dòng)機(jī)、機(jī)架、排種器、前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等組成，圖1為結(jié)構(gòu)示意圖。為簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量，同時(shí)考慮壟溝播種時(shí)溝內(nèi)已覆土，平鋪膜播種時(shí)膜孔較小，未增加膜上覆土裝置。

圖1 電驅(qū)式小區(qū)玉米膜上直插穴播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Electric driving plotmaize insert hill-drop planter on film1.前輪 2牙嵌式電磁離合器 3.漏播報(bào)警器 4、12.后輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸 5.后輪連桿 6.后輪 7.直線推桿 8.蓄電瓶 9.把手 10.前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 11.鏈輪Ⅱ 12.鏈輪Ⅲ 13.鏈輪Ⅰ 14.電動(dòng)機(jī) 15.機(jī)架 16.排種器組件 17.鏈輪Ⅴ 18.鏈輪Ⅳ 19.差速器 20.前輪軸

1.2 工作原理

如圖1所示，電驅(qū)式小區(qū)玉米膜上直插穴播機(jī)作業(yè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)差速器，使整機(jī)以一定速率前進(jìn)；與此同時(shí)，接通電磁離合器電源后，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞至前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和平行四桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將主曲柄的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿的非勻速，接著導(dǎo)桿驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)的副曲柄，使穴播桿在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水平方向線速度與整機(jī)前進(jìn)速度近似相等。排種器組件通過(guò)限深機(jī)構(gòu)頂桿的上下運(yùn)動(dòng)撥動(dòng)種輪板手來(lái)驅(qū)動(dòng)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)取種，當(dāng)遇到堅(jiān)硬地面或石塊時(shí)前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈簧阻尼器被壓縮，鴨嘴得到保護(hù)；漏播時(shí)，安裝在排種器組件上的漏播報(bào)警器報(bào)警，人工補(bǔ)種即可。

2 前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和限深機(jī)構(gòu)理論分析

2.1 前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)分析

電驅(qū)式玉米膜上直插穴播機(jī)的核心部件為前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，主要由曲柄桿、滑槽、導(dǎo)桿、主動(dòng)桿、從動(dòng)桿和穴播桿等組成，圖2為前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。

圖2 前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)Fig.2 Forward speed compensation device1.鏈輪Ⅰ 2.UCP軸承 3.曲柄軸 4、12.鏈輪Ⅱ 5.導(dǎo)桿軸6.副曲柄 7.穴播桿 8.彈簧阻尼器 9.上滑塊 10.下滑塊 11.從動(dòng)曲柄 13.從動(dòng)曲柄軸 14.鏈條 15.導(dǎo)桿 16.主曲柄

以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，由圖2a可得△AOB內(nèi)角關(guān)系為

(1)

式中l(wèi)1——主曲柄長(zhǎng)度l2——AB點(diǎn)的距離α1——主曲柄與x軸的夾角α2——導(dǎo)桿與x軸的夾角

根據(jù)余弦定理，△AOB中AB的長(zhǎng)度為

(2)

式中l(wèi)——中心距

將式(2)代入式(1)得

(3)

其中

ε=l/l1

C點(diǎn)在穴播桿入土期間播種深度h和水平方向速度v1分別為

h=l3(1-cos(π-α2))

(4)

(5)

(6)

式中l(wèi)3——副曲柄長(zhǎng)度θ——導(dǎo)桿與副曲柄的夾角ω——主曲柄角速度h——播種深度v1——C點(diǎn)在x軸方向的分速度v——整機(jī)前進(jìn)速度

圖3 副曲柄角速度變化曲線Fig.3 Angular velocity curve of side crank

圖4 導(dǎo)桿角位移余弦值變化曲線Fig.4 Variation curve of cosine of angular displacement of guide bar

圖5 穴播桿水平方向速度變化曲線Fig.5 Variation curve of horizontal velocity of hill-drop bar

2.2 限深機(jī)構(gòu)分析

由于穴播機(jī)前輪輪距較小，受地面不平度影響較大，進(jìn)而使排種器播種性能和播深合格率受到較大影響。播深一致使苗齊苗壯，為此設(shè)計(jì)了限深機(jī)構(gòu)，限深機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 限深機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch map of limited depth mechanism1.頂板 2.頂桿 3.限位塊 4.連接桿Ⅰ 5.拉簧 6.穴播桿7.滑槽 8.滑桿 9.壓簧 10.滑道 11.卡塊 12.直桿 13.連接桿Ⅱ 14.滑塊 15.鴨嘴

對(duì)圖6分析得

(7)

式中L——拉簧變形最大工作行程，mmHmax——拉簧受最大載荷時(shí)的長(zhǎng)度，mmH0——拉簧未受載時(shí)的長(zhǎng)度，mmk——彈簧剛度，N/mmδmax——拉簧最大變形量，mmFmax——拉簧最大變形力，N

如圖6所示，v為穴播桿垂直速度。限深機(jī)構(gòu)拉簧主要作用是克服鴨嘴開口力、排種輪周期轉(zhuǎn)動(dòng)力及接觸零部件摩擦力后將豎直方向錯(cuò)位的頂桿和穴播桿拉回原位，但拉簧變形最大工作行程L后的最大拉力較穴播桿的入土阻力小很多。播種深度一般為30～40 mm，取穴播深度h為35 mm，始終使限深機(jī)構(gòu)低于理論高度Δh為20 mm，保證鴨嘴入土后始終位于h深，即當(dāng)頂板小范圍接觸低于田面時(shí)，拉簧僅發(fā)生變形完成播種；當(dāng)頂板小范圍接觸高于田面時(shí)，拉簧被拉伸到L后，限位塊限制了頂桿和穴播桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，頂桿和穴播桿同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)壓簧被壓縮，而鴨嘴入土深度h未改變。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

電驅(qū)式玉米膜上直插穴播機(jī)田間播種性能試驗(yàn)于2016年4月19日在酒泉鑄隴農(nóng)機(jī)有限責(zé)任公司試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，南北走向、呈矩形，土壤為沙壤土，含水率為9.5%～15.4%，40 mm深處土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為12.16 MPa，地溫平均值為14.5℃，玉米種植品種為隴單339號(hào)。按照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》測(cè)定計(jì)算膜下播種深度合格率、膜孔合格率[17]。以500 mm長(zhǎng)單膜為1個(gè)作業(yè)小區(qū)，測(cè)定點(diǎn)為小區(qū)內(nèi)所有的穴孔，用長(zhǎng)100 mm板尺測(cè)量種子深度，記錄穴孔內(nèi)的種數(shù)；利用卷尺量取膜孔與孔穴錯(cuò)開1/2 膜孔直徑及以上的膜孔個(gè)數(shù)。直插穴播機(jī)的膜下播種深度合格率和膜孔合格率計(jì)算式為

(8)

(9)

式中f——膜孔總數(shù)bh——膜下播種深度合格穴數(shù)Hb——膜下播種深度合格率，%Y——膜孔合格率，%A——作業(yè)小區(qū)內(nèi)膜孔與孔穴錯(cuò)開1/2膜孔直徑的膜孔數(shù)

3.2 參數(shù)優(yōu)化

3.2.1ω對(duì)穴播軌跡的影響

如圖7所示，固定其他參數(shù)，改變主曲柄角速度ω。主曲柄角速度ω影響穴距、穴播桿入土和出土期間絕對(duì)位移。以田面為參考面，當(dāng)ω增大時(shí)，穴距變大，穴播桿入土和出土2個(gè)動(dòng)作點(diǎn)絕對(duì)水平位移變大；以田面為參考面，當(dāng)ω減小時(shí)，穴距變小，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變大。

表1 因素水平Tab.1 Levels of factors

圖7 ω對(duì)穴播軌跡的影響Fig.7 Effect of ω on trajectory of hole sowing

3.2.2l1對(duì)穴播軌跡的影響

同理，由圖8可知，以田面為參考面，當(dāng)l1增大時(shí)，穴距未變，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變大，限深變大；以田面為參考面，當(dāng)l1減小時(shí)，穴距未變，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變小。

圖8 l1對(duì)穴播軌跡的影響Fig.8 Effect of l1 value on trajectory of hole sowing

3.2.3l對(duì)穴播軌跡的影響

同理，由圖9可知，以田面為參考面，當(dāng)l增大時(shí)，穴距變小，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變大；以田面為參考面，當(dāng)l減小時(shí)，穴距變大，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變小。

圖9 l對(duì)穴播軌跡的影響Fig.9 Effect of l value on trajectory of hole sowing

3.2.4l3對(duì)穴播軌跡的影響

圖10 l3對(duì)穴播軌跡的影響Fig.10 Effect of l3 value on trajectory of hole sowing

同理，由圖10可知，以田面為參考面，當(dāng)l3增大時(shí)，穴距變大，對(duì)稱線左移，穴孔變深，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變大；以田面為參考面，當(dāng)l3減小時(shí)，穴距變小，對(duì)稱線右移，穴孔變淺，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變大。

3.2.5θ對(duì)穴播軌跡的影響

同理，如圖11所示，以田面為參考面，當(dāng)θ增大或減小時(shí)，穴距和穴孔深均未變，穴播桿入土和出土期間絕對(duì)水平位移變化均較小，無(wú)對(duì)稱線。

圖11 θ對(duì)穴播軌跡的影響Fig.11 Effect of θ value on trajectory of hole sowing

由于膜孔合格率影響出苗的難易程度，膜下播種深度合格率影響苗齊苗壯，在滿足播種性能農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以期達(dá)到更佳的播種效果。由圖7～11可直觀篩選出主曲柄角速度ω、中心距l(xiāng)和副曲柄長(zhǎng)度l33個(gè)因素對(duì)穴播軌跡影響較大。

3.3 回歸試驗(yàn)

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)模型能用較少的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行較全面的試驗(yàn)分析[18-19]。以主曲柄角速度ω、中心距l(xiāng)、副曲柄長(zhǎng)度l3作為試驗(yàn)因素，以膜下播種深度合格率Y1和膜孔合格率Y2為響應(yīng)值。各試驗(yàn)因素水平編碼見表2，試驗(yàn)安排及結(jié)果見表3。X1、X2、X3為因素編碼值。Y1為膜下播種深度合格率，Y2為膜孔合格率。

表2 優(yōu)化后的因素編碼Tab.2 Optimized coding of factors

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

3.3.1 結(jié)果分析

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)Y1和Y2進(jìn)行回歸模型方差分析，如表4所示，分別得到Y(jié)1和Y2二次回歸模型分別為

Y1=91.64-1.87X1-2.36X2+1.91X3+

0.35X1X2+0.20X1X3-0.23X2X3+

(10)

Y2=95.28-1.98X1-1.38X2+2.17X3+

0.30X1X2+1.00X1X3-0.50X2X3-

(11)

由表4分析可知，回歸模型(10)的P<0.000 1，表明極顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，失擬不顯著，說(shuō)明模型(10)能正確反映Y1與X1、X2、X3之間的關(guān)系。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到影響播種深度合格率Y1的主次順序?yàn)椋篨2、X3、X1。

同理，回歸模型(11)的P<0.000 1，表明極顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，失擬不顯著，說(shuō)明模型(11)能正確反映Y2與X1、X2、X3之間的關(guān)系。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到影響播種深度合格率Y2的主次順序?yàn)椋篨3、X1、X2。

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression models

注：*表示顯著；** 表示極顯著。

3.3.2 各因素對(duì)指標(biāo)的影響

由圖12可知，當(dāng)X3=0時(shí)，X1由-1變化到1時(shí)，即主動(dòng)曲柄角速度由87 rad/s增大到97 rad/s，播種深度合格率Y1先增大后減小(圖12a)。當(dāng)X1固定在某一水平時(shí)，隨X2增加，播種深度合格率呈逐漸減小趨勢(shì)。由偏回歸分析與等高線密度可知X2對(duì)播種深度合格率Y1的影響大于X1。當(dāng)X2=0時(shí)，X1由-1變化到1時(shí)，即主動(dòng)曲柄角速度由87 rad/s增大到97 rad/s，播種深度合格率Y1呈逐漸減小趨勢(shì)(圖12b)，當(dāng)X1固定在某一水平時(shí)，X3增加，播種深度合格率Y1先增大后減小。由偏回歸分析與等高線密度可知X1對(duì)播種深度合格率Y1的影響大于X3。當(dāng)X1=0時(shí)，X2由-1變化到1時(shí)，即中心距由56.5 mm增大到66.5 mm，播種深度合格率Y1先增大后減小(圖12c)。X3固定在某一水平時(shí)，隨X2增加，播種深度合格率Y1先增大后減小。由偏回歸分析與等高線密度可知X3對(duì)播種深度合格率Y1的影響大于X2。

由圖13可知，當(dāng)X3=0時(shí)，X1由-1變化到1時(shí)，即主動(dòng)曲柄角速度由87 rad/s增大到97 rad/s，膜孔合格率Y2先增大后減小(圖13a)。當(dāng)X1固定在某一水平時(shí)，隨X2由-1變化到1，播種深度合格率Y2先增大后減小。由偏回歸分析與等高線密度可知X1對(duì)播種深度合格率Y2的影響大于X2。當(dāng)X2=0時(shí)，X1由-1變化到1時(shí)，即主動(dòng)曲柄角速度由87 rad/s增大到97 rad/s，膜孔合格率Y2先增大后減小(圖13b)。X1固定在某一水平時(shí)，隨X3由-1變化到1，播種深度合格率Y2先增大后減小。由偏回歸分析與等高線密度可知X1對(duì)播種深度合格率Y2的影響大于X3。當(dāng)X1=0時(shí)，X2由-1變化到1時(shí)，即中心距由56.5 mm增大到66.5 mm，膜孔合格率Y2先增大后減小(圖13c)，當(dāng)X2固定在某一水平時(shí)，隨X3由-1變化到1，膜孔合格率Y2先增大后減小。由偏回歸分析與等高線密度可知X2對(duì)播種深度合格率Y2的影響大于X3。

圖12 交互因素對(duì)播種深度合格率Y1的影響曲面Fig.12 Impact surface of interactive factors on seed depth of film under the qualified rate Y1

圖13 交互因素對(duì)膜孔合格率Y2的影響曲面Fig.13 Impact surface of interactive factors on pass rate of film hole Y2

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

借助Design-Expert軟件優(yōu)化工具箱對(duì)回歸模型式(10)、(11)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)為：ω=89.10 rad/s、l=58.55 mm、l3=95.1 mm。為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果下速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)工作時(shí)膜下播種深度合格率和膜孔合格率，依據(jù)上述試驗(yàn)方法進(jìn)行了5次田間試驗(yàn)，得到Y(jié)1和Y2均值分別為94.89%和93.61%。同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程表明前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠；排種器鴨嘴插膜口小，穴孔和膜孔無(wú)錯(cuò)位，試驗(yàn)效果滿足相關(guān)播種機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。田間作業(yè)效果如圖14所示。

圖14 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.14 Field test of prototype

4 結(jié)論

(1)采用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)的水平速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)曲柄的角速度為89.10 rad/s、中心距為58.55 mm、副曲柄長(zhǎng)度為95.1 mm時(shí)，大田試驗(yàn)表明穴播桿在穴播時(shí)穴孔小、穴孔和膜孔無(wú)錯(cuò)位。

(2)應(yīng)用Matlab軟件仿真前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)各參數(shù)對(duì)穴播軌跡的影響，并篩選出主曲柄角速度、中心距和副曲柄長(zhǎng)度對(duì)膜下播種深度合格率和膜孔合格率影響顯著，主曲柄長(zhǎng)度和初始角影響不顯著。在主動(dòng)曲柄的角速度為89.10 rad/s、中心距為58.55 mm、副曲柄長(zhǎng)度為95.1 mm條件下，田間試驗(yàn)中播種深度合格率和膜孔合格率的平均值分別為94.89%和93.61%。試驗(yàn)效果滿足相關(guān)播種機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 楊祁峰，劉廣才，熊春蓉，等.旱地玉米全膜雙壟溝播技術(shù)的水分高效利用機(jī)理研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2010，31(1)：113-116. YANG Qifeng, LIU Guangcai, XIONG Chunrong, et al. Study on highly efficient water utilizing mechanisms on techniques of whole plastic-film mulching on double ridges and planting in catchment furrows of dry-land maize[J]. Research of Agricultural Modernization, 2010, 31(1): 113-116. (in Chinese)

2 陳學(xué)庚，盧勇濤. 氣吸滾筒式棉花精量穴播器排種性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(1)：35-38. CHEN Xuegeng, LU Yongtao. Sowing-performance of air-suction cylindrical cotton precision dibble[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(1): 35-38. (in Chinese)

3 劉曉偉，何寶林，郭天文，等. 秋覆膜對(duì)旱地玉米土壤水分和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2011，1(8)：9-15. LIU Xiaowei, HE Baolin, GUO Tianwen, et al. Effects of full mulching on double ridges in autumn on soil water content and yield of dryland maize[J]. Journal of Agriculture, 2011, 1(8): 9-15. (in Chinese)

4 劉淑梅，于宏，柳芳. 早春頂凌覆膜土壤水分變化規(guī)律初探[C]∥全國(guó)農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)環(huán)境學(xué)術(shù)年會(huì)，2006.

5 王吉奎，郭康權(quán)，呂新民，等.改進(jìn)型夾持式棉花穴播輪排種過(guò)程高速攝像分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(10)：74-78. WANG Jikui, GUO Kangquan,Lü Xinmin, et al. High-speed photography analysis on operating process of improved clamping dibbler for cotton[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(10): 74-78. (in Chinese)

6 王吉奎，郭康權(quán)，呂新民. 夾持式穴播輪種子室內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(11)：35-39. WANG Jikui, GUO Kangquan, Lü Xinmin. Analysis on seed movement in seed chamber of clamping dibber wheel[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(11): 35-39. (in Chinese)

7 陳曉光，左春檉，高峰. 直插式播種機(jī)的研究-Ⅰ. 直插式成穴器[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1993，9(3)：66-77. CHEN Xiaoguang, ZUO Chuncheng, GAO Feng. Study on the direct insert planter(Ⅰ) the research and the principal study of the direct insert hole former of planter[J]. Transactions of the CSAE, 1993, 9(3): 66-77. (in Chinese)

8 劉軍干，王天辰，閻發(fā)旭，等. 直插式覆膜小麥穴播機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(5)：55-58. LIU Jungan, WANG Tianchen, YAN Faxu, et al.Design of film-mulching wheat hill seeder with vertical dropping mechanism[J]. Transactions of the CSAE, 2001, 17(5): 55-58. (in Chinese)

9 魏宏安，邵世祿. 垂直插入式小麥覆膜穴播機(jī)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2001，32(6)：34-37. WEI Hongan, SHAO Shilu. Study on wheat hill-drop planter used for perpendicularly inserting film mulching field[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2001, 32(6): 34-37. (in Chinese)

10 趙建托，趙武云，任顏華，等. 玉米全膜覆蓋雙壟溝播機(jī)直插式播種裝置設(shè)計(jì)與仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10)：40-43. ZHAO Jiantuo, ZHAO Wuyun, REN Yanhua, et al.Design and simulation of direct insert corn planting device of furrow seeder with whole plastic-film mulching on double ridges[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(10): 40-43. (in Chinese)

11 趙武云，戴飛，楊杰，等.玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(11)：91-97. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20131117&journal_id=jcsam.DOI: 10.6041/j. issn.1000-1298.2013.11.017. ZHAO Wuyun, DAI Fei, YANG Jie, et al. Design and experiment of direct insert precision hill-seeder with corn whole plastic-film mulching on double ridges[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(11): 91-97. (in Chinese)

12 戴飛，趙武云，石林榕，等. 基于近等速機(jī)構(gòu)的玉米全膜雙壟溝穴播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(11)：74-81. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161110&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.11.010. DAI Fei, ZHAO Wuyun, SHI Linrong, et al. Design and experiment of hill-seeder with whole plastic-film mulching on double ridges for corn based on mechanism with approximate constant speed[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 74-81. (in Chinese)

13 石林榕，趙武云，孫偉，等. 電驅(qū)式小區(qū)玉米膜上直插穴播機(jī)的研制與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：32-38. http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20170405&flag=1&journal_id=nygcxb&year_id=2017.DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.005. SHI Linrong, ZHAO Wuyun, SUN Wei, et al. Development and experiment of electric driving insert hill-drop planter on film for plot corn[J/OL]. Transactions of the CSAE, 2017, 33(4): 32-38. (in Chinese)

14 趙武云，吳建民，王芬娥，等. 旱地玉米全膜覆蓋雙壟溝播精密播種機(jī)：中國(guó)，200910022858.7[P]. 2011-07-20.

15 趙武云，戴飛，張鋒偉，等. 全膜雙壟溝玉米種植全程機(jī)械化作業(yè)方法：中國(guó)，201310492318.1[P]. 2015-04-01.

16 石林榕，吳建民，趙武云，等. 一種直插式成穴機(jī)構(gòu)：中國(guó)，201420489531.7[P]. 2014-12-10.

17 NY/T 987—2006 鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S]. 2006.

18 徐向宏，何明珠. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

19 袁雪，祁力鈞，王虎，等. 溫室搖擺式變量彌霧機(jī)噴霧參數(shù)響應(yīng)面法優(yōu)化[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(4)：45-50, 54. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20120410&journal_id=jcsam.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2012.04.010. YUAN Xue, QI Lijun, WANG Hu, et al. Spraying parameters optimization of swing, automatic variables and greenhouse mist sprayer with response surface method[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(4): 45-50, 54. (in Chinese)

Parameters Optimization of Speed Compensation Mechanism of Electric Driving Maize Planter with Dibbling on Membrane

SHI Linrong1ZHAO Wuyun1SUN Wei1LI Rongbin2SUN Bugong1

(1.MechanicalandElectricalEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2.JiuquanZhulongMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Jiuquan735000,China)

To increase the qualified rate of sowing depth and the qualified rate of film hole for electric driving maize planter with dibbling on membrane, forward speed compensation device and limited depth mechanism were calculated. With Matlab impact of parameters of speed compensation mechanism on dibbling trajectory were simulated. Screening out that crank angular velocity, center distance and assistant crank length have significant impact on qualified rate of sowing depth and the qualified rate of film hole. According to response surface method with 3 factors and 3 levels, multi-factor variance analysis was conducted. Results showed that influence on the qualified rate of sowing depth was order, center distance, assistant crank length and crank angular velocity, and influence on qualified rate of film hole was order, assistant crank length, crank angular velocity and center distance. To get maximizing the qualified rate of sowing depth and the qualified rate of film hole, optimal parameters was that crank angular velocity was 89.10 rad/s, center distance was 58.55 mm, and assistant crank length was 95.1 mm. Under that condition, the qualified rate of sowing depth and the qualified rate of film hole respectively was 94.89%, 93.61%. Test process showed that speed compensation mechanism run smoothly and reliably, and results met standard requirements related to seeder and agricultural requirements for maize planting in Gansu.

maize; hill planter; speed compensation mechanism; parameter optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.009

2017-03-18

2017-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405086、51665001)、公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503105)、甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1610RJZA088)、甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2016B-039)和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(GSAU-SLS-1623)

石林榕(1983—)，男，助教，主要從事西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究，E-mail: getmao@qq.com

趙武云(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究，E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn

S223.2

A

1000-1298(2017)08-0087-08