蔣 蓓,史增錄,陳 宏,胡顯威,毛 偉,日孜完古麗,王吉奎

(1.新疆職業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,烏魯木齊 830013;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;3.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

玉米(Zea mays L.)因其獨(dú)特的耐旱性、耐寒性、較好的環(huán)境適應(yīng)能力以及極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,在我國(guó)被大量種植。截至2020年底,種植面積達(dá)到4126萬hm2[1-3]。玉米用途最廣,開發(fā)產(chǎn)品最多,利用玉米加工處理得到的淀粉成分極佳、成本低廉,初加工后的經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)超玉米本身,再加工還可以廣泛用于造紙、食品、紡織、醫(yī)藥等行業(yè),產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較高。為了更加高效地種植收獲玉米,筆者設(shè)計(jì)優(yōu)化了玉米膜上精密穴播輪,以促進(jìn)玉米播種機(jī)械的發(fā)展[4]。

玉米在播種時(shí)主要有條播和穴播兩種方式:條播是在一條種行內(nèi)按既定距離播種;穴播則是在種行內(nèi)點(diǎn)播成穴[5-7],且穴播相對(duì)節(jié)約種粒,播種和株距更加精準(zhǔn)。近年來,國(guó)內(nèi)針對(duì)新型精密播種機(jī)械在理論研究上有了較多原創(chuàng)性的突破,但對(duì)于已有精密播種機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作較少,缺乏原創(chuàng)性精密播種機(jī)械的可靠性保障和優(yōu)化分析[8-10]。為保證參數(shù)優(yōu)化后的玉米播種質(zhì)量,本試驗(yàn)選擇夾持式玉米膜上精密穴播輪作為研究對(duì)象,獲取最優(yōu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)而得出最佳的穴播輪工作參數(shù)。這項(xiàng)工作對(duì)于提高玉米播種機(jī)械的質(zhì)量和效率具有重要意義,且試驗(yàn)結(jié)果還可以為后續(xù)夾持式玉米膜上精密穴播輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

夾持式玉米膜上精密穴播輪由鴨嘴圈、取種器、投種器、清種器、接種杯、成穴器以及擋種圈等組成,如圖1所示。

1.鴨嘴圈 2.取種器 3.投種器 4.清種器 5.接種杯 6.成穴器 7.擋種圈圖1 夾持式玉米膜上精密穴播輪工作結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The diagram of Precision hole seeding wheel on clamped corn film

取種器作為夾持式玉米膜上精密穴播輪的關(guān)鍵部件,直接影響排種性能,主要由接種杯、底板、夾種板、支座、銷軸以及重塊組成,如圖2所示。其中,重塊被安裝在支座上,可以繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng),其較輕一端與夾種板固定連接。重塊安裝在支座上是為了防止種子等顆粒物進(jìn)入重塊下端,妨礙重塊的正常轉(zhuǎn)動(dòng),影響取種器取種。底板安裝在支座的下端,在工作過程中因外力使得重塊擁有一定擺動(dòng)量,可防止夾種板在夾取時(shí)破壞種子。

1.接種杯 2.底板 3.夾種板 4.支座 5.銷軸 6.重塊圖2 取種器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Seed picker structure diagram

1.2 工作原理

穴播輪在工作時(shí)依靠牽引提供動(dòng)力,并不斷在地膜上滾動(dòng),成穴器不斷點(diǎn)播成穴;與此同時(shí),穴播輪內(nèi)部種子室內(nèi)的種群隨整輪滾動(dòng)而滾動(dòng);種群在流過取種器時(shí),取種器內(nèi)部的夾種板與地板自然形成空間,流經(jīng)的種子群在重力、種子與種子間作用力以及沖刷的摩擦力作用下,部分種子會(huì)被滯留在空間內(nèi),完成取種;取種器取種結(jié)束后,隨穴播輪轉(zhuǎn)動(dòng)離開種子群,安裝在支座上的重塊在重力和銷軸的杠桿作用下,使得夾種板向下夾緊夾種口內(nèi)的種子,完成夾種;穴播輪在繼續(xù)滾動(dòng)過程中,夾種口內(nèi)未被夾緊的種子會(huì)在重力和清種器的物理作用下不斷掉落,完成清種;隨著穴播輪繼續(xù)滾動(dòng),取種器出現(xiàn)在轉(zhuǎn)至穴播輪的另一側(cè),取種器中的重塊接觸到固定在此的投種器,重塊開始向反方向轉(zhuǎn)動(dòng),夾種板漸漸松開,夾種口的種子群剛好掉落在接種杯內(nèi),完成接種;穴播輪繼續(xù)在地膜上滾動(dòng),成穴器不斷在地膜上破土成穴,接種杯內(nèi)的種子如數(shù)掉落在挖好的種穴內(nèi),完成排種。

2 夾持式玉米膜上精密穴播輪參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)條件

2020年9-10月,在石河子大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的農(nóng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室可提供PSD-8多功能排種試驗(yàn)臺(tái),由模擬地膜種子傳送帶、鴨嘴圈打開裝置、電氣控制柜、各類機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)穴播輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)等組成。

通過分析夾持式玉米膜上精密穴播輪的工作原理和傳動(dòng)結(jié)構(gòu),初步確定取種器的結(jié)構(gòu)尺寸是影響排種性能的重要因素。因此,選取主要試驗(yàn)因素為取種器中的夾種板板長(zhǎng)X1、夾種板偏角X2、夾種板與接種杯間距X3,并且選取單粒率Y1和空穴率Y2作為試驗(yàn)的指標(biāo)。試驗(yàn)因素水平如表1所示,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

表1 試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of test

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Test site

2.2 試驗(yàn)步驟

1)準(zhǔn)備工作:由于不同的糧食作物種子的尺寸和質(zhì)量各不相同,選擇玉米種子、油葵和棉花種子。為控制試驗(yàn)變量,使得每次試驗(yàn)都可以無差別反映穴播輪的各項(xiàng)播種性能。試驗(yàn)前,將用來模擬的地膜種子傳送帶表面均勻涂抹適量黃油,使得從穴播輪排出的種子能夠很好地黏在傳輸帶上,方便后續(xù)試驗(yàn)分析。

2)固定穴播輪:穴播輪傳動(dòng)軸的高度和角度可以隨意設(shè)置,試驗(yàn)前需要根據(jù)試驗(yàn)穴播輪的尺寸以及鴨嘴圈打開裝置的高度來固定穴播輪。

3)裝置試運(yùn)行:將未加種子的穴播輪空轉(zhuǎn)進(jìn)行試運(yùn)行,檢驗(yàn)搭建好的試驗(yàn)裝置是否存在卡滯現(xiàn)象,并根據(jù)傳送帶的傳輸速度來調(diào)控穴播輪的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制其播種速度。本次以播種速度0.8 m/s進(jìn)行試驗(yàn)。

4)加種試驗(yàn):正式試驗(yàn)開始前,在穴播輪內(nèi)添加足夠適量的種子,試驗(yàn)時(shí)務(wù)必先打開傳送帶,再打開穴播輪傳動(dòng)軸,避免有種子提前排出導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差加大;試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)先關(guān)閉種子傳輸帶,后關(guān)閉穴播輪傳動(dòng)軸的動(dòng)力,以充分利用穴播輪內(nèi)已接種的接種杯,在傳送帶上留下更多的有效數(shù)據(jù)。

5)重復(fù)試驗(yàn):每組試驗(yàn)選取傳送帶上40穴數(shù)據(jù),為增加試驗(yàn)可靠性,重復(fù)10組試驗(yàn),取平均值作為最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6)處理數(shù)據(jù):獲取數(shù)據(jù)時(shí),務(wù)必在傳送帶停穩(wěn)后讀取數(shù)據(jù),并將最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理成能夠直接反映排種性能的單粒率和空穴率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用Design軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[11],以取種器中夾種板板長(zhǎng)X1、夾種板偏角X2及夾種板與接種杯間距X3為試驗(yàn)因素,以單粒率Y1和空穴率Y2作為目標(biāo)值,進(jìn)行正交試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知:該裝置的單粒率為80.37%～92.12%,空穴率為3.01%～7.92%。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Test design and results

2.3.2 回歸模型的建立與顯著性分析

選擇表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸模型和方差分析[12],結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

該試驗(yàn)建立單粒率Y1和空穴率Y2對(duì)夾種板板長(zhǎng)X1、夾種板偏角X2及夾種板與接種杯間距X3等3個(gè)自變量的二次響應(yīng)面回歸模型,其回歸方程公式為

Y1=91.51+1.55X1+0.915X2+1.81X3+

0.055X1X2-0.6275X1X3-1.43X2X3-

(1)

Y2=5.99-0.3837X1-0.94X2-1.30X3+

1.03X1X2+0.4025X1X3-0.205X2X3-

(2)

Y1=91.59+1.55X1+0.915X2+1.81X3-

(3)

Y2=6.03-0.3837X1-0.94X2-1.30X3+

(4)

2.3.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方差分析可知:試驗(yàn)因素影響單粒率Y1的顯著順序?yàn)閵A種板與接種杯間距X3>夾種板板長(zhǎng)X1>夾種板偏角X2,影響空穴率Y2的顯著順序?yàn)閵A種板與接種杯間距X3>夾種板偏角X2>夾種板板長(zhǎng)X1。在此,利用軟件中的Optimization優(yōu)化模塊,分析建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

由優(yōu)化結(jié)果可知:當(dāng)取種器中夾種板板長(zhǎng)X1為16.515mm、夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32.178 mm時(shí),單粒率Y1達(dá)到90.67%,空穴率Y2為3.48%。為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,再次借用石河子大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室的多功能排種試驗(yàn)臺(tái),利用優(yōu)化后的排種器進(jìn)行3次試驗(yàn)?？紤]到機(jī)具實(shí)際的工作情況,設(shè)置取種器中夾種板板長(zhǎng)X1為17 mm,夾種板偏角X2為40°,夾種板與接種杯間距X3為32mm,如式(5)所示。在此方案下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)Table 4 Verification test %

(5)

由表4可知:單粒率Y1與空穴率Y2試驗(yàn)驗(yàn)證的平均值分別為92.09%、3.35%,與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差均小于5%,故參數(shù)優(yōu)化的模型可靠;當(dāng)取種器中夾種板板長(zhǎng)X1為17 mm、夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32 mm時(shí),單粒率Y1為92.09%,空穴率Y2為3.35%。

3 結(jié)論

1)運(yùn)用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法,利用取種器中夾種板板長(zhǎng)X1、夾種板偏角X2、夾種板與接種杯間距X3等3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)單粒率Y1與空穴率Y2的影響,建立了以單粒率Y1與空穴率Y2為響應(yīng)指標(biāo)的回歸方程。各試驗(yàn)因素影響單粒率Y1的顯著順序?yàn)閵A種板與接種杯間距X3>夾種板板長(zhǎng)X1>夾種板偏角X2,影響空穴率Y2的顯著順序?yàn)閵A種板與接種杯間距X3>夾種板偏角X2>夾種板板長(zhǎng)X1。

2)通過優(yōu)化分析獲取最佳參數(shù)組合,即取種器中夾種板板長(zhǎng)X1為16.515mm,夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32.178mm時(shí),單粒率Y1達(dá)到90.67%,空穴率Y2為3.48%。結(jié)合裝置實(shí)際工作條件,并通過試驗(yàn)再次驗(yàn)證表明:當(dāng)取種器中夾種板板長(zhǎng)X1為17mm、夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32mm時(shí),單粒率Y1為92.09%,空穴率Y2為3.35%,試驗(yàn)值與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為1.57%、3.74%均小于5%,滿足玉米精密排種作業(yè)要求。