黃 勇，趙曉雪，戚江濤，李景彬，付 威，解振威

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

馬鈴薯是一種既可作主食、蔬菜，又可做飼料、工業(yè)原料的作物，具有營(yíng)養(yǎng)豐富、產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)。2015年，農(nóng)業(yè)部將馬鈴薯列為繼小麥、水稻、玉米的第四大糧食作物，成為解決人類糧食問題的重要作物[1-2]。由于馬鈴薯種植工序繁雜，傳統(tǒng)種植方式人力消耗大，無法保證種植精度，直接影響馬鈴薯產(chǎn)量商品薯率及總產(chǎn)量。要實(shí)現(xiàn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需解決馬鈴薯機(jī)械化種植問題。

近年來，國(guó)內(nèi)外開展了有關(guān)馬鈴薯勺式排種技術(shù)的研究，包括柔性播種帶勺式及鏈勺式兩種形式。實(shí)踐證明：帶勺式排種技術(shù)相較于鏈勺式排種技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、種薯?yè)p傷小的優(yōu)勢(shì)[3-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)帶勺式排種器，分析了排種器傾角、工作轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅度對(duì)排種性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：排種器向播種機(jī)前進(jìn)方向傾斜10°最利于排種均勻性，隨排種裝置工作轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅度的增大，漏播率逐漸增大，重播率逐漸減小[6-12]。這些研究為馬鈴薯排種裝置的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，但并未考慮到種薯形狀系數(shù)及投種高度對(duì)排種性能的影響，同時(shí)有關(guān)馬鈴薯排種裝置的參數(shù)試驗(yàn)多為單因素試驗(yàn)或正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)雖然能篩選出影響馬鈴薯排種裝置排種效果的主要影響因素，但在排種裝置參數(shù)與排種效果模型建立方面仍存在不足，不能預(yù)測(cè)出最優(yōu)參數(shù)組合下的響應(yīng)函數(shù)數(shù)值。現(xiàn)有排種裝置仍存在漏播率較高及作業(yè)效率低等實(shí)際問題[13-14]。

針對(duì)上述問題，本文采用自制帶勺式馬鈴薯排種試驗(yàn)臺(tái)，利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)了四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)，求解馬鈴薯排種裝置工作參數(shù)的最優(yōu)組合，為馬鈴薯播種機(jī)的研制和設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 帶勺式馬鈴薯排種裝置結(jié)構(gòu)

帶勺式馬鈴薯排種試驗(yàn)臺(tái)由排種裝置、種床皮帶及機(jī)架等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.排種裝置 2.電動(dòng)機(jī) 3.機(jī)架 4.種床皮帶

1.2 工作原理

播種機(jī)在田間工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，將種薯均勻播種于地面。試驗(yàn)時(shí)，排種裝置由機(jī)架架起，處于靜止?fàn)顟B(tài)，種床皮帶相對(duì)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)工作原理與播種機(jī)工作原理相反，利用種床皮帶運(yùn)動(dòng)模擬播種機(jī)田間播種前進(jìn)。排種裝置工作原理為：播種帶為上帶輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力由鏈傳動(dòng)輸入，種勺隨播種帶轉(zhuǎn)至種箱底部，舀取種薯進(jìn)入種勺；種勺攜帶種薯翻越上驅(qū)動(dòng)帶輪，種薯下落，由種勺背部托住，在種勺背部及種帶通道保護(hù)下輸送種薯；當(dāng)種勺與的開口達(dá)到一定角度時(shí)，種薯釋放在種床皮帶上，完成排種過程。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

整薯按照下列方法進(jìn)行處理：質(zhì)量較小100g左右的馬鈴薯，可縱切為2塊；質(zhì)量較大150g左右的馬鈴薯可切成2～3塊，先從基部切下一塊，剩余部分縱切為2塊[15]。種薯切塊處理完成后，測(cè)量種薯三維尺寸，根據(jù)《GB/T6242-2006 種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法》[16]計(jì)算種薯形狀系數(shù)并進(jìn)行分類。試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子大學(xué)機(jī)電院排種器試驗(yàn)室。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 影響因素的確定

根據(jù)馬鈴薯排種裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，試驗(yàn)選取影響馬鈴薯排種效果4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：播種帶線速度x1、清種手柄位置x2、投種高度x3、種薯形狀x4。

1)播種帶線速度。播種帶線速度較高時(shí)，種勺與種薯接觸時(shí)間較短，可能出現(xiàn)充種率較低的現(xiàn)象，最終造成漏播；播種帶速度較低時(shí)，種勺與種薯接觸時(shí)間較長(zhǎng)，可能造成1個(gè)種勺中超過1粒種薯的情況，最終造成重播。此外，播種帶線速度影響投種區(qū)種薯釋放角時(shí)間差，因此排種裝置性能必須考慮播種帶線速度。

2)清種手柄位置。清種裝置作用是將種勺中多余的種薯通過振動(dòng)清除出種勺，清種力大小可以調(diào)節(jié)：若清種力度較大，可能將種勺中只有1粒的種薯也清除出種勺，造成漏種；若清種力度較小，可能無法將種勺中多余種薯清除出種勺。因此，排種裝置性能必須考慮播清種清種手柄位置。

3)投種高度。投種高度是排種器本身結(jié)構(gòu)以外的因素，種薯接觸土壤時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)、滾動(dòng)等現(xiàn)象，使種薯偏離原來的軌跡，造成株距不均。投種高度越大，對(duì)種薯的偏離現(xiàn)象越嚴(yán)重。馬鈴薯播種本身需要較大的深度，可以通過減小開溝深度、增大覆土層厚度的方法減小投種高度，獲得較好的排種均勻性。投種高度對(duì)排種器性能影響較大，種薯與種床之間的碰撞造成種薯滾動(dòng)，改變?cè)兄昃?。因此，需要?duì)投種高度做相應(yīng)研究。

4)種薯形狀。種薯形狀關(guān)系到馬鈴薯在種勺中的釋放角，若釋放角統(tǒng)一，在播種帶速度一定的情況下，種薯的釋放時(shí)間也一致，種薯將獲得較為統(tǒng)一的粒距。因此，必須對(duì)種薯形狀做相應(yīng)研究。由于馬鈴薯實(shí)際播種過程中特長(zhǎng)條形種薯占比不足1%，因此種薯形狀只考慮圓形、橢圓形、長(zhǎng)條形。種薯形狀系數(shù)計(jì)算公式為

其中，f=100～160為圓形；f≥161～240為橢圓形；f≥241～340為長(zhǎng)條形；f>340為特長(zhǎng)條形。

式中L—最大長(zhǎng)度(mm)；

W—最大寬度(mm)；

T—最大厚度(mm)。

2.2.2 響應(yīng)函數(shù)

按照《GB/T 6242-2006, 種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法》中的要求，選取重播率y1、漏播率y2、粒距變異系數(shù)y3為其效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用Design-Expert設(shè)計(jì)了四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)，共29組。其中，24組為析因試驗(yàn)，5組為誤差試驗(yàn)[17]。試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取3次試驗(yàn)平均值。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼Table 1 Factor level coding

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

以播種帶線速度x1、清種手柄位置x2、投種高度x3、種薯形狀x4為因素，對(duì)重播率y1、漏播率y2、株距變異系數(shù)y3等指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

利用Design-Expert軟件得到各響應(yīng)函數(shù)的回歸方程，剔除不顯著項(xiàng)后的回歸方程為

y1=40.49-42.74x1+1.46x2+0.03x3-5.63x1x2+

2.01199x42

(2)

y2=40.16+45.81x1-3.55x2+4.91x1x2-

13.66x12-1.28x22-1.108x42

(3)

y3=17.23-9.56x1+0.5x3-1.22x1x3+12.27x12

(4)

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Program and result of the test

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出：重播率、漏播率和株距變異系數(shù)的回歸方程模型P≤0.001。這說明，3個(gè)回歸方程模型極其顯著。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

3.2 試驗(yàn)因素對(duì)重播率的影響分析

試驗(yàn)因素對(duì)重播率的影響如圖2所示。圖2中，當(dāng)投種高度在0水平(x3=12cm)、種薯形狀系數(shù)在0水平時(shí)(種薯選取橢圓形)，交互作用對(duì)重播率的影響規(guī)律如下：重播率y1的范圍為6%～12%。將播種帶速度固定在某一定值時(shí)，隨清種手柄位置的增加，重播率逐漸降低；將清種手柄位置固定在某一定值時(shí)，隨播種帶速度的增加，重播率逐漸降低。

圖2 試驗(yàn)因素對(duì)重播率的影響Fig.2 Effect of test factors on replay rate

3.3 試驗(yàn)因素對(duì)漏播率的影響分析

試驗(yàn)因素對(duì)漏播率的影響如圖3所示。當(dāng)投種高度在0水平(x3=12cm)、種薯形狀系數(shù)在0水平時(shí)(種薯選取橢圓形)，交互作用對(duì)重播率的影響規(guī)律如下：漏播率y2的范圍為2%～12%。將播種帶速度固定在某一定值時(shí)，隨清種手柄位置的增加，漏播率逐漸增大；將清種手柄位置固定在某一定值時(shí)，隨播種帶速度的增加，漏播率逐漸增大。

圖3 試驗(yàn)因素對(duì)漏播率的影響Fig.3 Effect of test factors on leakage rate

3.4 試驗(yàn)因素對(duì)株距變異系數(shù)的影響分析

試驗(yàn)因素對(duì)株距變異系數(shù)的影響如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)因素對(duì)株距變異系數(shù)的影響Fig.4 Effect of test factors on plant spacing coefficient of variation

當(dāng)清種手柄位置在0水平(清種滾輪與皮帶半接觸)、種薯形狀系數(shù)在0水平時(shí)(種薯選取橢圓形)，交互作用對(duì)重播率的影響規(guī)律如下：株距變異系數(shù)y3的范圍為20%～25%。將播種帶速度固定在某一定值時(shí)，隨投種高度的增加，株距變異系數(shù)逐漸增大；將投種高度固定在某一定值時(shí)，隨播種帶速度的增加，株距變異系數(shù)逐漸增大。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了獲得較好的馬鈴薯排種裝置排種性能，本文根據(jù)重播率、漏播率、株距變異系數(shù)的種植要求為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行馬鈴薯排種器的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析。

應(yīng)用Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)建立的3個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：①目標(biāo)函數(shù)；②影響因素約束。獲得最優(yōu)工作參數(shù)組合如表4所示。

表4 最優(yōu)參數(shù)組合Table 4 The optimal parameter combination

4 結(jié)論

1)建立了重播率、漏播率、株距變異系數(shù)與播種帶線速度、清種手柄位置、投種高度、種薯形狀的回歸模型。利用Design-Expert軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行可靠性診斷，得知重播率、漏播率、株距變異系數(shù)的回歸模型可靠度較高。

2)影響重播率、漏播率的主要因素為播種帶線速度、清種手柄位置及其交互作用，影響株距變異系數(shù)的主要因素為播種帶線速度、投種高度及其交互作用。

3)帶勺式馬鈴薯排種器的最優(yōu)工作參數(shù)組合為：播種帶線速度在0.23m/s，清種手柄位置在中間位置，投種高度為9cm，種薯選用橢圓形種薯時(shí)，可獲得重播率為10.11%、漏播率為6.48%、株距變異系數(shù)為19.61%的最優(yōu)工況，為帶勺式馬鈴薯排種裝置參數(shù)的選擇提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。