黃小珊，王增輝,2，姜鑫銘,，朱龍圖，王 奇，黃東巖

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，長春 130118；2.東北師范大學(xué)人文學(xué)院 理工學(xué)院，長春 130117；3.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

0 引言

保護(hù)性耕作是以秸稈覆蓋地表、少免耕播種、深松及病蟲草害綜合控制為主要內(nèi)容的現(xiàn)代耕作技術(shù)體系，具有防治農(nóng)田揚(yáng)塵和水土流失、蓄水保墑、培肥地力、節(jié)本增效、減少秸稈焚燒和溫室氣體排放等作用[1-3]。

免耕播種機(jī)在工作過程中會(huì)受到田間地表不平度或秸稈、殘茬的影響，引起播種機(jī)振動(dòng)，進(jìn)而影響精密排種器的播種性能[4-8]。在高速免耕播種條件下，播種機(jī)受到的振動(dòng)更加明顯，無論是氣力式還是機(jī)械式精密排種器，都會(huì)受到不同程度的影響；尤其是我國農(nóng)機(jī)具多采用懸掛機(jī)組，受振動(dòng)影響比牽引機(jī)組更加顯著。為此，研究免耕播種機(jī)在上述地區(qū)作業(yè)時(shí)的振動(dòng)特性，進(jìn)而改進(jìn)機(jī)具結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，使之具有較高的播種作業(yè)質(zhì)量，對(duì)免耕播種機(jī)在上述地區(qū)的推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 排種振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)

為了模擬免耕播種機(jī)的田間作業(yè)工況，設(shè)計(jì)了排種器模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，安裝在JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上使用，如圖1所示。振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)源采用東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH40200激振器，工作頻率范圍為5～2 000Hz，最大額定行程為14mm，額定出力為200N。功率放大器采用東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH-5873。信號(hào)源采用優(yōu)利德公司生產(chǎn)的UTG9020B函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，如圖2所示。

圖1 JPS-12計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Computer vision seed metering test-bed

圖2 振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Vibration simulation test-bed

排種器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)、減速器和排種器固定在平板上，振動(dòng)源帶動(dòng)整個(gè)平板振動(dòng)。工作時(shí)，排種器排出的種子直接落在檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的皮帶上，檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的視覺檢測(cè)裝置直接檢測(cè)排種器的播種合格率。

2 排種器田間振動(dòng)特性測(cè)試

田間測(cè)試于2017年秋季在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。對(duì)2BM-2免耕播種機(jī)在秸稈覆蓋條件下作業(yè)時(shí)排種器的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試，播種機(jī)前進(jìn)速度8km/h，試驗(yàn)地為黑鈣土，壟距65cm，前茬為玉米保護(hù)性耕作。測(cè)定0～5cm深度土壤含水率為 18.7%，土壤容重1.8g/cm3，種床平均堅(jiān)實(shí)度2.7kg/cm2，茬高15～25cm，秸稈、根茬全量還田。測(cè)試系統(tǒng)采用東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的低頻壓電式加速度傳感器，型號(hào)為1A204E，靈敏度為500mV/m·s-2，量程為10 m·s-2，響應(yīng)頻率為0.2～1 500Hz。使用東華測(cè)試生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集傳感器信號(hào)，系統(tǒng)包含型號(hào)為DH-5923的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器和系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。傳感器在排種器上的安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器安裝位置Fig.3 Sensor installation location

排種器前進(jìn)方向、水平方向、垂直方向的振動(dòng)信號(hào)如圖4所示。

圖4 田間振動(dòng)信號(hào)Fig.4 Field vibration signal

播種機(jī)在免耕地表作業(yè)時(shí)的振動(dòng)屬于隨機(jī)振動(dòng)，垂直方向的振動(dòng)要明顯強(qiáng)于前進(jìn)方向與水平方向的振動(dòng)。由于免耕地表附著秸稈、根茬與土壤形成的根土復(fù)合體，地表不平度和種床土壤的空間差異對(duì)免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)的垂直作用力最大，播種機(jī)前進(jìn)時(shí)的垂直振動(dòng)更加顯著，所以試驗(yàn)分析主要針對(duì)垂直方向的振動(dòng)特性。垂直方向頻率特性如圖5所示，振動(dòng)主頻集中在0～20Hz。

圖5 垂直方向頻率特性Fig.5 Vertical frequency characteristics

3 排種振動(dòng)模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

使用排種振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試振動(dòng)幅值與振動(dòng)頻率對(duì)指夾式排種器排種性能的影響，選擇振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值為試驗(yàn)因子，播種合格指數(shù)為試驗(yàn)考核指標(biāo)。排種軸轉(zhuǎn)速為55 rad/s(相當(dāng)于播種粒距為20cm，傳送帶運(yùn)行速度為8 km/h)，激振器振動(dòng)頻率范圍4～12Hz，振動(dòng)幅值范圍為6～12mm。進(jìn)行2因素5水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)的因素水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level coding table

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of the quadrature rotation combination

續(xù)表2

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到排種器振動(dòng)頻率與排種器振動(dòng)幅值對(duì)播種合格指數(shù)影響的方差，如表3所示。

表3 各因素對(duì)播種合格指數(shù)影響的方差分析表Table 3 Variance analysis table of the influence of various factors on sowing qualified index

(1)

將振動(dòng)頻率x2固定在0水平，考察振動(dòng)幅值對(duì)播種合格指數(shù)的影響，得到擬合的回歸方程曲線，如圖6所示。排種器振動(dòng)幅值x1對(duì)播種合格指數(shù)的編碼回歸方程為

(2)

圖6 振動(dòng)幅值與播種合格指數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between vibration amplitude and seeding qualification index

由圖6可知：振動(dòng)頻率x2在0水平時(shí)，隨著振動(dòng)幅值的增加，播種合格指數(shù)的切線斜率逐漸增大，播種合格指數(shù)曲線的變化幅度增加，振動(dòng)幅值對(duì)播種合格指數(shù)的影響極顯著。當(dāng)振動(dòng)頻率固定時(shí)，隨著排種器振動(dòng)幅值的增加，種箱內(nèi)種子波動(dòng)逐漸增大，影響充種階段夾持效果，排種器振動(dòng)幅值增大播種合格指數(shù)降低。

將排種器振動(dòng)幅值x1固定在0水平，考察排種器振動(dòng)頻率對(duì)播種合格指數(shù)的影響，得到擬合的回歸方程曲線，如圖7所示。排種器振動(dòng)頻率x2對(duì)播種合格指數(shù)y1的編碼回歸方程為

(3)

圖7 排種器振動(dòng)頻率與播種合格指數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between vibration frequency and seeding qualification index

由圖7可知：當(dāng)排種器振動(dòng)幅值x1固定在0水平時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，播種合格指數(shù)的切線斜率逐漸增大，功率曲線的變化幅度變大，排種器振動(dòng)頻率對(duì)播種合格指數(shù)的影響極顯著。排種器振動(dòng)幅值固定，隨著排種器振動(dòng)頻率的升高，播種合格率下降。

由擬合得到的回歸方程(1)可知，排種器振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值對(duì)播種合格指數(shù)影響有一定的交互作用。兩因素對(duì)播種合格指數(shù)影響的等高線圖及響應(yīng)曲面圖如圖8所示。

圖8 排種器振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值對(duì)播種合格指數(shù)的等高線圖和響應(yīng)曲圖Fig.8 The contour map and response graph of vibration frequency and vibration amplitude to sowing qualification index

由圖8可知：當(dāng)排種器振動(dòng)頻率在同一水平時(shí)，增加排種器振動(dòng)幅值使播種合格指數(shù)降低；當(dāng)排種器振動(dòng)幅值在同一水平時(shí)，提高排種器振動(dòng)頻率使播種合格指數(shù)降低。當(dāng)排種器振動(dòng)頻率處于較高水平時(shí)，增加排種器振動(dòng)幅值使播種合格指數(shù)降低，且幅度較大；當(dāng)排種器振動(dòng)頻率處于較低水平時(shí)，增加排種器振動(dòng)幅值使播種合格指數(shù)下降，變化幅度較緩。當(dāng)排種器振動(dòng)幅值處于較高水平時(shí)，提高排種器振動(dòng)頻率使播種合格指數(shù)降低，且變化幅度較大；當(dāng)排種器振動(dòng)幅值處于較低水平時(shí)，提高排種器振動(dòng)頻率使播種合格指數(shù)降低，但變化幅度較緩。響應(yīng)曲面沿排種器振動(dòng)頻率較振動(dòng)幅值方向變化快，表明排種器振動(dòng)頻率對(duì)播種合格指數(shù)的影響較排種器振動(dòng)幅值對(duì)播種合格指數(shù)的影響顯著。

4 結(jié)論

1) 對(duì)2BM-2免耕播種機(jī)在田間秸稈覆蓋條件下作業(yè)時(shí)排種器的振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：排種器垂直方向的振動(dòng)要明顯強(qiáng)于前進(jìn)方向與水平方向的振動(dòng)，排種器的振動(dòng)主要是由免耕地表不平度和種床土壤的空間差異引起的垂直方向的振動(dòng)，振動(dòng)主頻集中在0～20Hz。

2) 以排種器振動(dòng)幅值及振動(dòng)頻率作為試驗(yàn)因素，將播種合格指數(shù)作為考核指標(biāo)進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。結(jié)果表明：排種器振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值均對(duì)播種合格指數(shù)有顯著影響，排種器振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值增加，播種合格指數(shù)降低，且兩者有交互作用，排種器振動(dòng)頻率對(duì)播種合格指數(shù)的影響較振動(dòng)幅值影響顯著。