王旭東，陳冠禮 ，凌 軒，羅琴芳

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510230；2.廣州文殊科技有限公司，廣東 廣州 510250；3.惠州市博羅縣羅陽(yáng)街道農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，廣東 惠州 516000）

隨著農(nóng)業(yè)部《關(guān)于加快馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》《馬鈴薯優(yōu)勢(shì)區(qū)域布局規(guī)劃（2008—2015年》《關(guān)于推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)意見(jiàn)》的先后發(fā)布，確立了馬鈴薯作為我國(guó)第四大主糧作物的戰(zhàn)略地位，近幾年馬鈴薯種植面積和單產(chǎn)都持續(xù)上升。但與其他主糧作物相比，馬鈴薯田間生產(chǎn)機(jī)械化水平還比較低，制約了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步提升［1-3］。

播種作業(yè)是馬鈴薯田間生產(chǎn)耗費(fèi)人力物力最多的環(huán)節(jié)之一，作為播種機(jī)核心部件的排種器，其性能直接影響播種機(jī)的作業(yè)水平。由于鏈傳動(dòng)具有相對(duì)準(zhǔn)確的傳動(dòng)比、價(jià)格低廉和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，故在中小型機(jī)械式馬鈴薯播種機(jī)上普遍采用勺鏈?zhǔn)脚欧N器，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和使用成本低、不傷種，缺點(diǎn)是漏播率和重播率高。漏播會(huì)導(dǎo)致農(nóng)戶收益減少，重播則使生產(chǎn)的投入成本增加，對(duì)作物生長(zhǎng)也有不利影響。勺鏈?zhǔn)脚欧N器漏播率高跟鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)有直接關(guān)系，鏈速越快（播種機(jī)作業(yè)速度越快），多邊形效應(yīng)越明顯，傳動(dòng)平穩(wěn)性越差，鏈傳動(dòng)垂直方向的振動(dòng)越劇烈，排種器在清 種區(qū)就越容易形成空勺，漏播率就越大；鏈速下降，則重播率增大。同一規(guī)格的種勺在生產(chǎn)中難以適應(yīng)大小不一的切塊薯種，也是造成漏播和重播的原因。盡管國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員提出了各種漏播檢測(cè)系統(tǒng)和補(bǔ)種裝置［4-5］，但這些裝置對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適應(yīng)性較差，基本都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。目前沒(méi)有解決勺鏈?zhǔn)脚欧N器漏播率和重播率高的有效措施，在實(shí)際生產(chǎn)中，彌補(bǔ)漏播的辦法只有人工補(bǔ)種。因此，馬鈴薯播種人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決［6-10］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究基于尋求播種機(jī)作業(yè)速度和薯種大小的最佳作業(yè)參數(shù)，以降低排種器的漏播率和重播率，在實(shí)驗(yàn)室搭建了排種器試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)改變播種機(jī)地輪轉(zhuǎn)速（播種機(jī)作業(yè)速度）和采用不同大小的薯種，測(cè)定排種器漏播率和重播率，驗(yàn)證鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)對(duì)排種器性能的影響，分析試驗(yàn)結(jié)果，建立回歸模型并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最佳的播種機(jī)作業(yè)參數(shù)，為馬鈴薯播種作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的洪珠2CM-2A型馬鈴薯播種機(jī)，種勺呈倒錐形，口徑60 mm，底徑50 mm。將地輪抬高懸空，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)地輪軸，經(jīng)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速獲得不同的播種機(jī)作業(yè)速度。為了便于觀察種勺舀種情況，將原機(jī)種箱更換為透明有機(jī)玻璃種箱（圖1）。切塊消毒薯種購(gòu)自惠州市博羅縣。

圖1 舀種試驗(yàn)裝置

1.2 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

該排種器主要由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、種勺和排種管等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。種勺通過(guò)勺柄固定在傳動(dòng)鏈上。排種器主動(dòng)鏈輪由播種機(jī)地輪驅(qū)動(dòng)并同向轉(zhuǎn)動(dòng)，播種作業(yè)時(shí)機(jī)具的前進(jìn)方向如圖2中所示向右，地輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)鏈的松邊（左側(cè)）及固定在其上的種勺一起由下向上運(yùn)動(dòng)，伸出傳動(dòng)鏈一定距離的種勺攪動(dòng)并舀取1～2粒種箱內(nèi)的薯種；種勺到達(dá)最高點(diǎn)翻越從動(dòng)鏈輪后，薯種下落至前一種勺的勺背上，當(dāng)種勺通過(guò)排種管出口時(shí)，薯種失去支撐，便下落到開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi)，完成播種作業(yè)。種勺繞著主動(dòng)鏈輪向上翻轉(zhuǎn)進(jìn)入下一個(gè)播種循環(huán)。

圖2 勺鏈?zhǔn)脚欧N器工作原理［10］

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 機(jī)具作業(yè)速度 根據(jù)廣東產(chǎn)區(qū)地塊面積不大，動(dòng)力機(jī)一般以中小型拖拉機(jī)為主以及地頭轉(zhuǎn)彎多的生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)機(jī)具作業(yè)速度范圍為2～5 km/h，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使地輪軸轉(zhuǎn)速與機(jī)具作業(yè)速度對(duì)應(yīng)。

1.3.2 薯種分級(jí) 經(jīng)測(cè)定，薯種長(zhǎng)徑尺寸范圍在20～45 mm，根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行大小分級(jí)。

1.3.3 二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì) 以機(jī)具作業(yè)速度和薯種大小為試驗(yàn)因素、漏播率和重播率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)［11-12］，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)影響漏播率和重播率的因素進(jìn)行顯著性分析，提出機(jī)具的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

試驗(yàn)因素水平編碼表見(jiàn)表1，參照《GB/T 6242-2006 種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法》［13］規(guī)定的每行試驗(yàn)種箱中至少裝入50 kg試驗(yàn)樣本的要求，每個(gè)試驗(yàn)號(hào)舀種100次，3次重復(fù)，對(duì)漏播率和重播率進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)并求平均值。試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)因素水平及其編碼表

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型建立

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（表2）進(jìn)行二次回歸分析及多元回歸擬合，得到重播率和漏播率的回歸方程，并檢驗(yàn)回歸方程的顯著性。

2.1.1 漏播率Y1的顯著性分析 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，漏播率Y1的方差分析見(jiàn)表3。由表3可知，試驗(yàn)整體模型極顯著（P＜0.01），主效應(yīng)中機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)漏播率的影響大于薯種大小的影響，交互作用的影響較顯著。各因素對(duì)漏播率影響的回歸方程為Y1=-27.80724+5.49707x1+1.06129x2-0.089067x1x2-0.017778x12-0.009856x22。對(duì)回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)結(jié)果不顯著（P＞0.1），但回歸模型的檢驗(yàn)極顯著（P＜0.01），說(shuō)明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在極顯著的二次關(guān)系。

表3 漏播率及重播率的方差分析結(jié)果

2.1.2 重播率Y2的顯著性分析 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，重播率Y2的方差分析見(jiàn)表3。由表3 可知，試驗(yàn)整體模型顯著，主效應(yīng)中機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)于重播率大于薯種大小的影響。各因素對(duì)重播率影響的回歸方程為Y2=+3.57942+3.45385x1+0.14679x2+0.084267x1x2-1.04667x12-0.008672x22。對(duì)回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)結(jié)果較顯著（0.05≤P＜0.1），對(duì)回歸模型的檢驗(yàn)顯著（0.01≤P＜0.05），說(shuō)明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素間存在顯著的二次關(guān)系。

2.2 響應(yīng)曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出機(jī)具前進(jìn)速度和薯種大小對(duì)漏播率和重播率影響的響應(yīng)曲面（圖3、圖4）。由圖4可知，對(duì)于漏播率，機(jī)具前進(jìn)速度和薯種大小的交互作用，機(jī)具前進(jìn)速度和薯種大小都與漏播率呈正相關(guān)，機(jī)具前進(jìn)速度的影響更顯著，說(shuō)明鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)對(duì)漏播率的影響是顯著的。由圖4可知，對(duì)于重播率，機(jī)具前進(jìn)速度和薯種大小的交互作用，機(jī)具前進(jìn)速度和薯種大小都與漏播率呈負(fù)相關(guān)。

圖3 漏播率的雙因素響應(yīng)曲面

圖4 重播率的雙因素響應(yīng)曲面

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(duì)以上兩個(gè)回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解。

設(shè)計(jì)變量：x1，機(jī)具前進(jìn)速度；x2，薯種大小。

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，漏播率比重播率對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響更大，將漏播率定為重要指標(biāo)，重播率定為次要指標(biāo)，權(quán)重系數(shù)分別為5和3。求解得到機(jī)具前進(jìn)速度為2.44～3.60 km/h、薯種大小為23.66～41.34 mm時(shí)，漏播率和重播率的優(yōu)化解分別為3.46%～3.76%和5.52%～8.24%；機(jī)具前進(jìn)速度2.44 km/h、薯種大小41.34 mm時(shí)，漏播率和重播率有最優(yōu)解，其值分別為3.54%和5.52%。上述指標(biāo)都滿足《GB/T 25417—2010馬鈴薯種植機(jī) 技術(shù)條件》［14］規(guī)定的漏種指數(shù)≤10%和重種指數(shù)≤20%的要求。

3 結(jié)論與討論

鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)和大小不一的切塊薯種對(duì)勺鏈?zhǔn)脚欧N器的漏播和重播有直接影響。本研究在實(shí)驗(yàn)室對(duì)勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)與影響因素間的回歸模型。通過(guò)對(duì)回歸模型的優(yōu)化求解，機(jī)具前進(jìn)速度2.44 km/h、薯種大小41.34 mm時(shí)，漏播率和重播率的最優(yōu)解分別為3.54%和5.52%。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件比田間作業(yè)條件更平穩(wěn)，沒(méi)有機(jī)車移動(dòng)和翻越壟溝的振動(dòng)和慣性力等影響，因此，試驗(yàn)結(jié)果有一定的局限性，2.44 km/h的機(jī)具前進(jìn)速度顯然偏低，不能充分發(fā)揮機(jī)械化提高生產(chǎn)效率的作用。減小鏈節(jié)距或開(kāi)發(fā)齒形帶式排種器，既能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，也能減弱或消除鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)，對(duì)提高機(jī)具作業(yè)效率、降低漏播率和重播率是有利的。

可見(jiàn)，研發(fā)適應(yīng)性好、可靠性高的自動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)種系統(tǒng)，對(duì)切塊薯種進(jìn)行大小分級(jí)或使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的整薯播種，使農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合，將為馬鈴薯田間生產(chǎn)機(jī)械化水平進(jìn)一步提高奠定基礎(chǔ)。