賴慶輝 曹秀龍 于慶旭 孫 凱 秦 偉

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

0 引言

三七是我國(guó)名貴中藥材，在云南省廣泛種植。三七播種的株距和行距均為50 mm左右，屬于密集型精密播種[1]。開溝和精密排種是播種機(jī)兩個(gè)重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，開溝器和精密排種器的作業(yè)性能直接關(guān)系到播種質(zhì)量。由于三七種植株距較小，采用開溝方式極易堵塞，因此，壓穴播種方式適合三七等密集型精密播種作物。

國(guó)外在壓穴精密播種方面研究較早，尤其在關(guān)鍵成穴部件的研發(fā)上有很大的突破[2-5]。國(guó)內(nèi)目前已研發(fā)的壓穴播種機(jī)采用帶有鴨嘴、柱塞、鏟斗等成穴部件的滾輪作為成穴器[6]。學(xué)者們對(duì)玉米、小麥、水稻、蔬菜等作物穴播的研究已趨成熟，并得到廣泛推廣[7-10]。文獻(xiàn)[11-17]研制的穴播機(jī)大多采用鴨嘴式成穴部件，播種株距和行距均大于150 mm，不適用于三七密集播種，故現(xiàn)有的穴播機(jī)不能滿足三七的種植農(nóng)藝要求。

與傳統(tǒng)開溝播種作業(yè)相比，壓穴播種對(duì)土壤的擾動(dòng)較小，有利于土壤保墑和抗旱播種[18-21]。投種時(shí)種子在土壤中的滾動(dòng)受到穴孔范圍的限定，因而可以獲得較滿意的播種行距[22]。為了解決三七播種密度大、播種深度為20～30 mm、開溝土壤擁堵嚴(yán)重等問題，本文設(shè)計(jì)一種三七壓穴精密排種裝置，以改善排種精度，滿足三七種植農(nóng)藝要求。

1 排種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

三七壓穴精密排種裝置主要由排種器、壓穴輥和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。排種器由排種輪、毛刷輪、護(hù)種板、清種刀和殼體組成。

圖1 壓穴排種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of hole seed-metering device1.殼體 2.二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.連接架 4.清種刀 5.排種輪 6.一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 7.壓穴輥 8.護(hù)種板 9.毛刷輪

壓穴輥通過軸承和軸承座固定在連接架前端，排種器通過螺栓固定在連接架后端，可通過螺栓調(diào)整投種點(diǎn)到壓穴輥的水平距離和投種高度；隨著壓穴輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使毛刷輪轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)；壓穴排種裝置工作時(shí)，壓穴輥向前滾動(dòng)在土壤上壓出穴孔；通過一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)，排種輪和毛刷輪轉(zhuǎn)動(dòng)；排種輪型孔中充入的多余種子通過毛刷輪轉(zhuǎn)動(dòng)刷出，保證每個(gè)型孔中只保留一粒種子；種子隨著排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入護(hù)種區(qū)，到達(dá)投種點(diǎn)時(shí)種子靠自身重力脫離型孔開始投種，清種刀將型孔中未脫落的種子清出；排種器投出的種子落入壓穴輥壓出的穴孔中，即完成整個(gè)壓穴排種過程。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 精密排種器設(shè)計(jì)

垂直圓盤排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投種高度較小，無需輸種管即可直接將種子投入種溝[23]。

2.1.1排種輪參數(shù)確定

2.1.1.1排種輪直徑

排種輪作為排種器的核心部件，其直徑?jīng)Q定排種器的整體結(jié)構(gòu)、型孔數(shù)量及其他部件的尺寸[24-26]。圖2所示為排種輪結(jié)構(gòu)示意圖，圖中Dkl為型孔分布圓直徑，Dk為型孔直徑。

圖2 排種輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structural parameters of seeding wheel

一般情況下，型孔在充種區(qū)的時(shí)間越長(zhǎng)，充種性能越好。排種輪直徑對(duì)充種時(shí)間的影響為

(1)

式中t——充種時(shí)間，s

θ——型孔充種區(qū)弧度，rad

D——排種輪直徑，mm

np——排種輪轉(zhuǎn)速，r/min

整理式(1)得出

(2)

由式(2)可知，型孔在充種區(qū)停留時(shí)間t只與排種輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與排種輪直徑無關(guān)。所以排種輪直徑的確定需考慮播種作業(yè)速度以及排種器整體結(jié)構(gòu)等因素，我國(guó)目前一般采用的排種輪直徑為140 mm左右[23]，本文選取排種輪直徑D為155 mm。

2.1.1.2型孔直徑與型孔深度

排種輪型孔形狀和尺寸需根據(jù)種子的形狀和尺寸來確定。三七種子的平均直徑為5.6 mm，種子長(zhǎng)度為5.2～7.2 mm，寬度為4.8～6.8 mm，高度為4.0～6.0 mm，球度為90.86%，可近似為球體[24]。所以設(shè)計(jì)型孔形狀為圓柱球底型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

Dk=Lmax+k

(3)

式中Lmax——種子最大尺寸，mm

k——間隙余量，取0.5～1 mm

可得出型孔直徑為7.7～8.2 mm，取型孔直徑為8.0 mm。型孔深度應(yīng)滿足最大尺寸的種子充入，取型孔深度h為8.0 mm。

2.1.1.3排種輪型孔數(shù)

型孔之間的壁厚為4.0 mm，型孔直徑Dk為8.0 mm，在直徑155 mm的排種輪上最多可布置型孔數(shù)量Z為

(4)

由式(4)可得型孔數(shù)量為40。

2.1.2充種過程力學(xué)分析

在排種輪充種區(qū)域內(nèi)，選取型孔邊緣的種子進(jìn)行受力分析。種子的受力情況如圖3所示。

圖3 充種過程力學(xué)分析示意圖Fig.3 Structure sketch of force analysis of filling process

通過分析可知，在x軸正方向上種子的合力Fc即為充填力，當(dāng)充填力Fc大于零時(shí)，種子才有可能充入型孔內(nèi)。由圖3可知，種子受到的充填力為

Fc=N2cos(α1+α2)+mgsinα2-f1-
f2sin(α1+α2)-J

(5)

其中

(6)

式中Fc——充填力，N

f1——種子與型孔的滾動(dòng)摩擦力，N

f2——種子受到的種群摩擦力，N

N1——種子受到的型孔支撐力，N

N2——種群對(duì)種子的支撐力，N

m——種子質(zhì)量，kg

J——種子受到的離心力，N

α1——N2與水平方向的夾角，其大小與種層高度有關(guān)，(°)

α2——充種角，(°)

μ1——種子與排種輪的滾動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2——種間摩擦因數(shù)

ωp——排種輪角速度，rad/s

R——排種輪半徑，m

g——重力加速度，m/s2

由式(5)、(6)得出，種子受到的充填力與充種角、排種輪角速度、種子質(zhì)量及內(nèi)摩擦角等因素有關(guān)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得μ1=0.132、μ2=0.05、千粒質(zhì)量為69.77 g、α1=15°、α2為25°～35°?？紤]到排種器實(shí)際作業(yè)情況復(fù)雜，排種輪角速度取值范圍為0.16～0.5 rad/s。

2.1.3清種過程力學(xué)分析

圖4為清種過程力學(xué)分析示意圖，此時(shí)為清種瞬間，被清種子O1尚未接觸到型孔倒角邊緣，同時(shí)受到毛刷輪O3和種子O2的作用力；以O(shè)1O2連線為y軸，垂直于該連線方向?yàn)閤軸，建立坐標(biāo)系，當(dāng)被清種子處于平衡狀態(tài)時(shí)，建立關(guān)系式

(7)

式中N3——毛刷輪對(duì)被清種子的作用力，N

N4——型孔內(nèi)種子對(duì)被清種子的支撐力，N

f3——毛刷輪與被清種子之間的摩擦力，N

f4——型孔內(nèi)種子與被清種子之間的摩擦力，N

α——毛刷輪與排種輪之間的清種夾角，(°)

種子O1被清除需滿足條件

N4+f3sinα≥N3cosα

(8)

進(jìn)一步整理可得

非液化土層16層，液化砂土層安全系數(shù)為1～1.73；液化土層3層，地下水位埋深2～3 m，液化砂土層安全系數(shù)分別為0.85、0.96、0.93。尾礦庫(kù)排巖5、10 m后，砂土層均為非液化土層，安全系數(shù)最大達(dá)到1.99。

(9)

式中β3——毛刷輪與被清種子之間的滑動(dòng)摩擦角，取5.7°～8°

β4——種子之間的滑動(dòng)摩擦角，取26.5°～27.9°

由式(9)可得α的取值范圍為

α≥β4-β3

(10)

綜合上述關(guān)系，取α為35°。結(jié)合排種輪結(jié)構(gòu)布置及工作參數(shù)，毛刷輪直徑設(shè)計(jì)為70 mm。

圖4 清種過程力學(xué)分析示意圖Fig.4 Schematic of analysis of force about seed cleaning process

2.2 壓穴輥設(shè)計(jì)

2.2.1壓穴輥直徑

壓穴輥由滾筒、壓穴柱、軸Ⅰ、軸Ⅱ和端蓋組成，如圖5所示。壓穴輥通過鏈條帶動(dòng)排種器工作，壓穴輥還起到地輪的作用，有經(jīng)驗(yàn)公式

(11)

式中D1——壓穴輥直徑，mm

s——株距，mm

δ1——滑移系數(shù)

三七播種株距s為50 mm，選取壓穴輥與排種器之間的傳動(dòng)比i=2，地輪的滑移系數(shù)δ1一般在0.05～0.12之間，選取0.1，由式(11)得出壓穴輥直徑D1=280 mm。

圖5 壓穴輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of hole pressure roller1.滾筒 2.壓穴柱 3.軸Ⅰ 4.軸Ⅱ 5.端蓋

2.2.2壓穴柱數(shù)量及尺寸

設(shè)計(jì)壓穴輥周向壓穴柱數(shù)量時(shí)，既要考慮播種株距，保證兩個(gè)相鄰壓穴柱最頂端的弧長(zhǎng)為播種株距，又要考慮壓穴柱直徑，直徑太大不利于壓出穴孔，直徑太小壓出的穴孔不明顯。由于三七播種的行距和株距均需控制在50 mm×50 mm左右，播種深度為20～30 mm，綜上兩點(diǎn)考慮，壓穴柱設(shè)計(jì)為圓臺(tái)形，高度為25 mm，上底直徑為16 mm，下底直徑為27 mm。壓穴輥周向壓穴柱數(shù)量為20個(gè)，兩個(gè)相鄰壓穴柱最頂端的弧長(zhǎng)為51.81 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 播種機(jī)前進(jìn)速度

壓穴輥與排種器通過鏈條傳動(dòng)，播種機(jī)前進(jìn)速度由排種輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，可得

(12)

式中ω1——壓穴輥角速度，rad/s

由式(12)可得到播種機(jī)前進(jìn)速度與排種輪轉(zhuǎn)速關(guān)系式為

(13)

排種輪轉(zhuǎn)速np在10～30 r/min時(shí)充種效果最好，此時(shí)前進(jìn)速度為0.25～0.8 m/s。

2.4 投種分析和投種點(diǎn)位置確定

投種點(diǎn)位置是排種器重要參數(shù)之一，投種點(diǎn)位置決定護(hù)種板包角大小和清種刀清種點(diǎn)位置；圖6為護(hù)種板和清種刀安裝示意圖。

圖6 護(hù)種板和清種刀安裝示意圖Fig.6 Schematic of seed-guarding plate and seed-clearing plate1.毛刷 2.護(hù)種板 3.排種輪 4.清種刀

投種點(diǎn)處種子的水平初始速度越小，投種精度通常越高，投種點(diǎn)處種子水平初始速度Δv為

Δv=v-vxocosγ

(14)

(15)

式中vxo——排種輪切線速度，m/s

γ——投種角，(°)

由式(14)、(15)可知，當(dāng)排種輪直徑和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，投種角γ=0°，投種點(diǎn)處種子水平初始速度Δv最小，因此最佳排種點(diǎn)位于排種輪最下端。清種刀將型孔中未脫落的種子清出，清種角μ=5°。

2.5 壓穴投種過程分析

圖7 壓穴投種示意圖Fig.7 Schematic of planting by pressing hole

投種點(diǎn)位于排種輪最下端，在投種點(diǎn)處建立直角坐標(biāo)系，如圖7所示，投種點(diǎn)到地面高度為投種高度H1，投種點(diǎn)處三七種子水平移動(dòng)距離為x1。

建立投種點(diǎn)處三七種子的運(yùn)動(dòng)方程

(16)

由式(13)～(16)可求出種子水平移動(dòng)距離為

(17)

投種高度H1為15～40 mm，排種輪轉(zhuǎn)速np為10～30 r/min，可得投種點(diǎn)處三七種子水平移動(dòng)距離x1為10～50 mm。

投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)的水平距離為x3，根據(jù)排種器整體的結(jié)構(gòu)布置，每個(gè)種子能恰好落入穴孔中，投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)的水平距離為

x3=x1+Ns

(18)

式中N——間隔穴孔的數(shù)量

為了避免壓穴輥與排種器運(yùn)動(dòng)干涉和裝配方便，本文選取間隔穴孔的數(shù)量N=6，最終確定投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)的水平距離x3為310～350 mm。

3 壓穴排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)選用云南文山三七種子，試驗(yàn)時(shí)所用種子含水率為57%，千粒質(zhì)量為69.77 g。在土槽上搭建臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，土槽長(zhǎng)15 m，試驗(yàn)所需的動(dòng)力由MS-130ST-M10015型電機(jī)提供，功率為1.5 kW。壓穴排種試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。臺(tái)架前進(jìn)速度由變頻器調(diào)節(jié)，在行走穩(wěn)定的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。

圖8 壓穴排種試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Platform of hole precision seed-metering device1.壓穴輥 2.一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.排種器 4.臺(tái)架 5.連接架

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，取壓穴柱直徑(下底直徑)為19～35 mm，前進(jìn)速度為0.25～0.8 m/s，投種點(diǎn)至壓穴點(diǎn)水平距離為310～350 mm。為尋求三因素最佳參數(shù)組合，采用三因素二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)的方法，按照文獻(xiàn)[25]進(jìn)行試驗(yàn)，選取壓穴柱直徑、前進(jìn)速度、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為試驗(yàn)因素，以入穴合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2、重播指數(shù)Y3及各行排量一致性變異系數(shù)Y4為排種器工作性能指標(biāo)，試驗(yàn)因素編碼如表1所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為試驗(yàn)結(jié)果，每組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)兩行連續(xù)200個(gè)穴孔中每穴的粒數(shù)及穴孔深度。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，X1、X2、X3為壓穴柱直徑、前進(jìn)速度、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離編碼值。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment results

3.3.2回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合[26-29]，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2、重播指數(shù)Y3和各行排量一致性變異系數(shù)Y4的回歸方程。

3.3.2.1合格指數(shù)Y1

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響合格指數(shù)Y1的回歸模型為

(19)

根據(jù)方差分析(表3)可知，該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。但壓穴柱直徑和前進(jìn)速度的交互項(xiàng)(X1X2)、壓穴柱直徑和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互項(xiàng)(X1X3)以及前進(jìn)速度和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互項(xiàng)(X2X3)的P值均大于0.05，說明以上各項(xiàng)對(duì)合格指數(shù)的影響不顯著，得出相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值存在二次關(guān)系。失擬項(xiàng)不顯著(P=0.126 7)，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(20)

通過對(duì)回歸方程系數(shù)的檢驗(yàn)，得到影響合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋簤貉ㄖ睆健⑼斗N點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離和前進(jìn)速度。

3.3.2.2漏播指數(shù)Y2

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響漏播指數(shù)Y2的回歸模型為

(21)

根據(jù)方差分析(表3)可知，該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。壓穴柱直徑和前進(jìn)速度的交互項(xiàng)(X1X2)、壓穴柱直徑和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互項(xiàng)(X1X3)以及前進(jìn)速度和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互項(xiàng)(X2X3)的P值均大于0.05，說明以上各項(xiàng)對(duì)排種漏播指數(shù)的影響不顯著，得出相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值存在二次關(guān)系。失擬項(xiàng)不顯著(P=0.051 9)，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(22)

通過對(duì)回歸方程系數(shù)的檢驗(yàn)，得到影響漏播指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋呵斑M(jìn)速度、壓穴柱直徑和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離。

3.3.2.3重播指數(shù)Y3

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響重播指數(shù)Y3的回歸模型為

(23)

根據(jù)方差分析(表3)可知，該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。但前進(jìn)速度(X2)、前進(jìn)速度和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互項(xiàng)(X2X3)的P值大于0.05，說明以上各項(xiàng)對(duì)排種重播指數(shù)的影響不顯著，得出相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值存在二次關(guān)系。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：*表示影響顯著(P<0.05)，** 表示影響極顯著(P<0.01)。

失擬項(xiàng)不顯著(P=0.075 1)，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(24)

通過對(duì)回歸方程系數(shù)的檢驗(yàn)，得到影響重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋簤貉ㄖ睆健⑼斗N點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離和前進(jìn)速度。

3.3.2.4各行排量一致性變異系數(shù)Y4

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響各行排量一致性變異系數(shù)Y4的回歸模型為

(25)

(26)

通過對(duì)回歸方程系數(shù)的檢驗(yàn)，得到影響各行排量一致性變異系數(shù)因素的主次順序?yàn)椋呵斑M(jìn)速度、壓穴柱直徑和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離。

3.4 各因素對(duì)合格指數(shù)的影響

通過Design-Expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到壓穴柱直徑X1、前進(jìn)速度X2和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離X3對(duì)合格指數(shù)的影響，其響應(yīng)曲面如圖9所示。固定其中某個(gè)因素水平，根據(jù)響應(yīng)曲面，分析另外2個(gè)因素的相互作用對(duì)合格指數(shù)的影響。

3.4.1壓穴柱直徑和前進(jìn)速度的交互作用

圖9a為投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離在330 mm時(shí)，壓穴柱直徑和前進(jìn)速度的交互作用的響應(yīng)曲面。可知，壓穴柱直徑為24.5～29.5 mm、前進(jìn)速度在0.44～0.61 m/s時(shí)，排種器合格指數(shù)較高。壓穴柱直徑一定時(shí)，隨著前進(jìn)速度的增大，合格指數(shù)先上升后下降。前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著壓穴柱直徑的增大，合格指數(shù)先上升后下降。壓穴柱直徑為27 mm、前進(jìn)速度為0.53 m/s時(shí)，合格指數(shù)最高。

3.4.2壓穴柱直徑和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互作用

圖9b為前進(jìn)速度為0.53 m/s時(shí)，壓穴柱直徑和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離交互作用對(duì)合格指數(shù)的響應(yīng)曲面。可知，壓穴柱直徑為24.5～29.5 mm、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為324～336 mm時(shí)，合格指數(shù)較高。壓穴柱直徑一定時(shí)，隨著投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離增大，合格指數(shù)先上升后下降。投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離一定時(shí)，隨著壓穴柱直徑增大，合格指數(shù)先上升后下降。壓穴柱直徑為27 mm、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為330 mm時(shí)，合格指數(shù)最高。

3.4.3前進(jìn)速度和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互作用

圖9c為壓穴柱直徑為27 mm時(shí)，前進(jìn)速度和投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離的交互作用對(duì)合格指數(shù)的響應(yīng)曲面?？芍斑M(jìn)速度為0.44～0.61 m/s、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為324～336 mm時(shí)，合格指數(shù)較高。前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離增大，合格指數(shù)先上升后下降。投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離一定時(shí)，隨著前進(jìn)速度增大，合格指數(shù)先上升后下降。前進(jìn)速度為0.53 m/s、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為330 mm時(shí)，合格指數(shù)最高。

圖9 交互因素對(duì)合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface of interaction factors affecting qualified index

3.5 最佳參數(shù)優(yōu)化

設(shè)定合格指數(shù)大于90%，重播指數(shù)小于5%，漏播指數(shù)小于5%，優(yōu)化得到最佳參數(shù)范圍如圖10所示。在投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為330 mm時(shí)，黃色區(qū)域?yàn)閰?shù)優(yōu)化區(qū)域，即前進(jìn)速度為0.44～0.61 m/s、壓穴柱直徑為24.5～29.5 mm時(shí)，合格指數(shù)大于90%，漏播指數(shù)小于5%，重播指數(shù)小于5%。

圖10 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.10 Parameters optimum analysis

對(duì)于優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在相同的試驗(yàn)條件下選取壓穴柱直徑為27 mm，前進(jìn)速度為0.53 m/s，投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為330 mm，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，得到合格指數(shù)平均值為93.25%(大于90%)，漏播指數(shù)平均值為3.18%(小于5%)，漏播指數(shù)平均值為3.57%(小于5%)，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相符。

3.6 播種深度一致性試驗(yàn)

在二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)播種深度一致性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，選取壓穴柱直徑為27 mm，前進(jìn)速度為0.53 m/s，投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為330 mm，進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)兩行連續(xù)200個(gè)穴孔深度，測(cè)量3次，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，播深合格指數(shù)均值均大于90%，且均值差異為6.1%，差異較小，壓穴一致性較好。

表4 播種深度一致性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test result of consistency of seeding depth

4 田間試驗(yàn)

在三七壓穴精密排種裝置基礎(chǔ)上，研制了2BQ-15型三七精密播種機(jī)，圖11為整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該播種機(jī)由汽油機(jī)提供動(dòng)力，依靠離心式摩擦離合器和皮帶張緊機(jī)構(gòu)等完成整機(jī)前進(jìn)和停止；播種機(jī)工作時(shí)，閉合膠帶張緊機(jī)構(gòu)，汽油機(jī)動(dòng)力由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，播種機(jī)向前行駛，壓穴輥轉(zhuǎn)動(dòng)壓出穴孔，排種器排出的種子落入穴孔，即完成整機(jī)播種。

圖11 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.11 Structure diagrams of whole machine1.把手 2.汽油機(jī) 3.汽油機(jī)支架 4.地輪 5.離心式摩擦離合器 6.連接架 7.膠帶張緊機(jī)構(gòu) 8.帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9.機(jī)架 10.壓穴輥 11.一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 12.二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 13.種箱

該播種機(jī)播種行數(shù)為15行，壓穴柱直徑為27 mm，投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離為330 mm，為驗(yàn)證壓穴精密排種裝置性能，分析排種器各行排種性能一致性和總排種量穩(wěn)定性，進(jìn)行整機(jī)田間試驗(yàn)，如圖12所示。表5為不同作業(yè)速度下播種機(jī)播種性能參數(shù)，該機(jī)型通過了云南省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢測(cè)。

由表5可知，在不同的作業(yè)速度下，播種機(jī)合格指數(shù)先升高后降低，在作業(yè)速度為0.35 m/s時(shí)，合格指數(shù)最高為93.5%；總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)總體呈增大趨勢(shì)，且波動(dòng)范圍較?。浑S著作業(yè)速度增加各行排種一致性變異系數(shù)呈增大趨勢(shì)，且波動(dòng)范圍較大。

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)的三七壓穴精密排種器，集成了壓穴和播種兩大功能，結(jié)構(gòu)緊湊，避免了傳統(tǒng)開溝方式，減小了土壤的擾動(dòng)，降低了排種阻力，針對(duì)不同尺寸的種子，可更換不同型孔尺寸的排種輪來滿足播種要求。

(2) 采用二次旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得出影響合格指數(shù)的主次順序?yàn)閴貉ㄖ睆?、投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離和前進(jìn)速度。

圖12 2BQ-15型三七精密播種機(jī)田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment of 2BQ-15 type precision planter for Panax notoginseng

作業(yè)速度/(m·s-1)合格指數(shù)/%總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)/%各行排種一致性變異系數(shù)/%0.2592.30.601.840.3593.50.662.690.4592.50.682.400.5589.60.573.020.6588.40.758.36

利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出最佳參數(shù)為：投種點(diǎn)到壓穴點(diǎn)水平距離330 mm，前進(jìn)速度0.44～0.61 m/s，壓穴柱直徑24.5～29.5 mm，此時(shí)合格指數(shù)大于90%，漏播指數(shù)小于5%，重播指數(shù)小于5%，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

(3)為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過整機(jī)田間試驗(yàn)，得到2BQ-15型三七精密播種機(jī)在作業(yè)速度為0.35 m/s時(shí)，播種機(jī)合格指數(shù)最高，為93.5%，滿足三七播種農(nóng)藝要求。