趙 健，呂秀婷，韓 冰，李東陽，程朝暉，王賓剛，劉建軍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西煙草公司寶雞市公司，陜西 寶雞 721000)

0 引言

播種是種植業(yè)重要的作業(yè)環(huán)節(jié)之一，播種適當(dāng)與否直接影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量。在傳統(tǒng)的農(nóng)作物中，谷子、油菜、胡麻、糜黍、煙草、胡蘿卜及莜麥等均稱為小籽粒農(nóng)作物。隨著社會的發(fā)展，小籽粒農(nóng)作物在國民經(jīng)濟(jì)中的比重越來越大，日趨成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾糠?，擴(kuò)大其種植面積，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平是近幾年農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢。目前，用人工撒播或條播是傳統(tǒng)小籽粒農(nóng)作物主要播種方式[17]，這種方式有以下弊病：一是播種量難以精確控制，播撒的種子分布不均勻；二是播撒的種子里摻雜了些許炒熟的種子，導(dǎo)致種子浪費(fèi)[18]；三是播種作業(yè)效率低下，限制了小籽粒農(nóng)作物的現(xiàn)代化發(fā)展。因此，提高播種性能、減少種子破損是現(xiàn)階段小籽粒農(nóng)作物播種的重點(diǎn)研究方向。

國外對播種機(jī)的研究較早，已經(jīng)研制出多種形式播種機(jī)，有的播種機(jī)不僅能完成精密播種，而且還能在播種的同時(shí)完成施加肥料、平整土地、噴灑農(nóng)藥和播后鎮(zhèn)壓等一系列田間作業(yè)；但此類播種機(jī)只能播種大粒距的種子，通用性較差[19]。我國從20世紀(jì)80年代末開始研發(fā)適合我國的精密播種機(jī)械[20]。王峰霞等人設(shè)計(jì)了圓盤型孔式小型精密排種器，但其體積、質(zhì)量都較大，不易應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[8]。本次設(shè)計(jì)的自走式小籽粒精密播種機(jī)，可有效節(jié)約種子，提高播種效率，增加作物產(chǎn)量，旨在為小籽粒農(nóng)作物提供一種新的播種方式，以實(shí)現(xiàn)小籽粒農(nóng)作物的精密播種。

1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)組成

播種機(jī)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.調(diào)速器 2.蓄電池 3.軸承座 4.機(jī)架 5.行走輪 6.排種軸 7.排種器 8.單向軸承 9.同步帶 10.電機(jī) 11.行走輪傳動軸

1.2 播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)機(jī)架采用40系列和60系列的鋁方管型材，整機(jī)質(zhì)量約50kg，電機(jī)由驅(qū)動功率P決定，驅(qū)動功率P的計(jì)算公式為

P=F阻·v

(1)

式中F阻—工作阻力(N)；

v—行走速度(m/s)。

本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)前進(jìn)阻力F阻為200N，前進(jìn)速度為0.5m/s，代入公式得P=F阻·v=100W。

由此，選取電機(jī)功率為500W，考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作穩(wěn)定性，采用了直流差速電機(jī)，變速箱的速比為10∶1，額定轉(zhuǎn)速為3 000r/min，功率為500W，電壓為48V。

本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)采用一種凸輪推桿式小籽粒精密排種器，如圖2所示。

1.排種器外殼 2.排種輪 3.滾動軸承 4.凸輪 5.螺釘 6.伸縮彈簧 7.推桿 8.毛刷

播種機(jī)地輪直徑為108mm，地輪半徑為0.054m。則地輪轉(zhuǎn)速為

n=v/2πr地

(2)

式中v—行走速度(m/s)；

r地—地輪半徑(mm)。

由于種子種植間距的要求為d距=30mm=0.03m，本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)排種輪上有6個型孔，排種間隔為△t=d距/v，排種器每播1粒種子轉(zhuǎn)動角度為θ=π/3，排種器角速度為w=θ/△t。

排種器轉(zhuǎn)速為

n排=w/2π=θ/2π△t=v/6d距

(3)

因此，地輪與排種器之間的傳動比為

i地排=n地/n排=3d距/πr地

(4)

將d距=0.03m，r地=0.054m代入上述公式得i地排=0.53。

本次設(shè)計(jì)的播種機(jī)導(dǎo)種管通過螺釘與排種器排種口連接，下方接導(dǎo)種橡膠管；導(dǎo)種管使用3D打印機(jī)進(jìn)行打印，打印采用PLA材料。

1.3 播種機(jī)工作原理

電機(jī)由蓄電池供電，調(diào)節(jié)調(diào)速器可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，電機(jī)的輸出軸通過同步帶分別與排種軸和行走輪傳動軸連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動排種器的排種和播種機(jī)的行走，從而完成播種機(jī)的播種過程。除此之外，排種軸上裝有超越離合器—單向軸承，播種機(jī)前進(jìn)時(shí)排種軸轉(zhuǎn)動完成播種，播種機(jī)后退時(shí)，排種軸保持不轉(zhuǎn)動，不排種，此設(shè)計(jì)有效避免了播種機(jī)后退時(shí)排種器重播的現(xiàn)象。

2 播種機(jī)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

本次試驗(yàn)以種子漏播率、種子重播率、種子破損率、粒距合格率為評價(jià)指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

試驗(yàn)時(shí)測量各相鄰種子粒距的不同X值，將所測粒距樣本劃分為：(0～0.5Xr]、(0.5Xr～1.5Xr]、(1.5Xr～2.5Xr]、(2.5Xr～3.5Xr]、(3.5Xr～+∞]，Xr為試驗(yàn)前設(shè)定的理論要求粒距。取其結(jié)果做以下代換：N1′=∑Ni{Xi∈(0～0.5Xr]}；N2′=∑Ni{Xi∈(0.5Xr～1.5Xr]}；N3′=∑Ni{Xi∈(1.5Xr～2.5Xr]}；N4′=∑Ni{Xi∈(2.5Xr～3.5Xr]}；N5′=∑Ni{Xi∈(3.5Xr～+∞]}。

則試驗(yàn)測量總粒距數(shù)為

N=N1′+N2′+N3′+N4′+N5′

種子漏播數(shù)為N1=N3′+2N4′+ 3N5′

種子重播數(shù)為N2=N1′

種子破損數(shù)為N3=Na(Na為破損種子的個數(shù))

粒距合格數(shù)為N4=N-2N2

區(qū)段數(shù)為N′=N2′+2N3′+3N4′+4N5′

因此，可以得出種子漏播率、種子重播率、種子破損率、粒距合格率計(jì)算公式為

種子漏播率A=N1/N′×100%

種子重播率B=N2/N′×100%

總的來說，中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)全國在長期的革命和建設(shè)奮斗過程中，繼承了中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，有選擇性地吸收世界先進(jìn)文化。它的意義在于把馬克思主義理論體系與中國特色的社會主義紅色文化主動地有機(jī)結(jié)合，運(yùn)用馬克思主義的價(jià)值功能，創(chuàng)造濃厚的紅色文化氛圍，激發(fā)群眾接受理論知識的積極性，使抽象的理論通俗化，讓紅色文化體現(xiàn)在各種形式中，滲透到人民群眾的日常生活中，在潛移默化中實(shí)現(xiàn)馬克思主義理論大眾化，實(shí)現(xiàn)人們對馬克思主義理論和紅色文化的自覺接受，促進(jìn)馬克思主義的大眾化傳播，推動中國特色社會主義的快速發(fā)展，完成“兩個一百年”的奮斗目標(biāo)，把我國建設(shè)成為富強(qiáng)民主文明和諧美麗的社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國。

種子破損率C=N3/Nb×100%(Nb為種子總數(shù))

粒距合格率D=N4/N′×100%

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2017年4月22日，試驗(yàn)地點(diǎn)為西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室(34°16'56.24"N 108°4'7.95"E)。由前期單因素試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)并通過查閱相關(guān)的國內(nèi)外參考文獻(xiàn)，確定取值范圍為：排種輪轉(zhuǎn)速9～13r/min，導(dǎo)種管橡膠管長度50～100mm。排種輪轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)調(diào)速器控制，導(dǎo)種管橡膠管長度通過安裝不同長度導(dǎo)種橡膠管控制。同時(shí)，在相同條件下完成導(dǎo)種管有無的對照試驗(yàn)。試驗(yàn)材料是陜西省煙草研究所研制的包芽秦?zé)?6煙草種子，包芽煙草種子近似為球體，隨機(jī)取200粒煙草種子，每一顆種子重復(fù)3次測量其直徑。種子的直徑分布情況，如圖3所示。

試驗(yàn)采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素的水平編碼表如表1所示。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。共進(jìn)行13組試驗(yàn)，以排種輪轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)為一組，每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析應(yīng)用Design-Expert Version 8.0.6軟件完成。

圖3 包衣煙草種子的直徑分布圖

水平排種輪轉(zhuǎn)速x1/r·min-1導(dǎo)種管橡膠管長度x2/mm-1.4148.1745.86-195001160+11370+1.41413.8374.14

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

3.1.1 種子漏播率回歸分析

經(jīng)過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以種子漏播率A為響應(yīng)函數(shù)、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

其中，x1、x2為各影響因素水平編碼值。

對種子漏播率進(jìn)行方差分析，如表3所示。結(jié)果顯示：種子漏播率回歸模型p<0.0001<0.05，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；因子x1、x12在p<0.05時(shí)顯著，其它因子不顯著。

表3 種子漏播率方差分析

3.1.2 種子重播率回歸分析

經(jīng)過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以種子重播率B為響應(yīng)函數(shù)、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

B=2.04+1.25x1+0.13x2-0.018x1x2+1.41x12+0.13x22

其中，x1、x2為各影響因素水平編碼值。

對種子漏播率進(jìn)行方差分析，如表4所示。結(jié)果顯示：種子漏播率回歸模型p=0.0014<0.05，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；因子x1、x12在p<0.05時(shí)顯著，其它因子不顯著。

表4 種子重播率方差分析

3.1.3 種子破損率回歸分析

經(jīng)過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以種子破損率C為響應(yīng)函數(shù)、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

C=1.68+1.19x1+0.059x2-0.04x1x2+1.26x12+0.31x22

其中，x1、x2為各影響因素水平編碼值。

對種子破損率進(jìn)行方差分析，如表5所示。結(jié)果顯示：種子破損率回歸模型p=0.0029<0.05，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；因子x1、x12在p<0.05時(shí)顯著，其它因子不顯著。

表5 種子破損率方差分析

3.1.4 粒距合格率回歸分析

經(jīng)過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以粒距合格率D為響應(yīng)函數(shù)、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

D=95.92-2.5x1-0.26x2+0.035x1x2-2.82x12-0.25x22

其中，x1、x2為各影響因素水平編碼值。

對粒距合格率進(jìn)行方差分析，如表6所示。結(jié)果顯示：粒距合格率回歸模型p=0.0014<0.05，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；因子x1、x12在p<0.05時(shí)顯著，其它因子不顯著。

表6 粒距合格率分析

續(xù)表6

3.2 試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)曲面分析

應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析各因素對種子漏播率、種子重播率、種子破損率及粒距合格率的影響，做出種子漏播率、種子重播率、種子破損率、粒距合格率回歸方程的響應(yīng)曲面如圖4～圖7所示。

圖4 各因素對種子漏播率的影響

圖5 各因素對種子重播率的影響

圖6 各因素對種子破損率的影響

圖7 各因素對粒距合格率的影響

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在相同條件下導(dǎo)種管有無的對照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有導(dǎo)種管的排種機(jī)，種子在土壤中基本成一條直線，種子排布位置很準(zhǔn)確，粒距差異?。欢鵁o導(dǎo)種管的排種機(jī)，種子分布散亂，與理論種子排布位置相差較大，粒距差異較大，如圖8所示。

圖8 播種機(jī)試驗(yàn)圖

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果回歸分析和響應(yīng)曲面分析可知：最優(yōu)排種輪轉(zhuǎn)速為10 r/min，有導(dǎo)種管可以對播種性能優(yōu)化和導(dǎo)種橡膠管長度對播種性能影響微弱。驗(yàn)證試驗(yàn)在2017年8月13日完成，依然采用上述材料與設(shè)備，如圖9所示。

圖9 播種機(jī)田間試驗(yàn)圖

為消除驗(yàn)證試驗(yàn)中的隨機(jī)誤差，重復(fù)進(jìn)行15次試驗(yàn)。試驗(yàn)中種子漏播率最大值為2.25%，最小值為1.34%，平均值為1.79%；種子重播率最大值為2.85%，最小值為1.38%，平均值為1.87%；種子破損率最大值為2.09%，最小值為1.42%，平均值為1.81%；粒距合格率最大值為97.24%，最小值為94.3%，平均值為95.88%，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)論

介紹了一種自走式小籽粒精密播種機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在播種機(jī)性能檢測試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)，建立了種子漏播率、種子重播率、種子破損率、粒距合格率與排種輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)種管橡膠管長度二因素之間的數(shù)學(xué)模型，確定了最優(yōu)排種輪轉(zhuǎn)速為10 r/min，揭示了有導(dǎo)種管可以對播種性能優(yōu)化和導(dǎo)種橡膠管長度對播種性能影響微弱。