玉米缽盤精量播種性能試驗研究

毛欣，衣淑娟，陶桂香，姜楠，汪春

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319）

玉米缽盤精量播種性能試驗研究

毛欣，衣淑娟，陶桂香，姜楠，汪春

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319）

根據(jù)玉米缽育機械化的需求，針對自行研制的玉米芽種機械式精量播種裝置，對播種性能進行試驗研究。選取秧盤偏移量和凸輪轉(zhuǎn)速兩因素，以單粒率、空穴率、多粒率、損傷率、破碎率和落點偏移量為播種性能指標，進行兩因素五水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。結(jié)果表明：對單粒率、空穴率和多粒率影響的因素主次順序均為凸輪轉(zhuǎn)速＞秧盤偏移量，對落點偏移量影響的因素主次順序為秧盤偏移量＞凸輪轉(zhuǎn)速。對優(yōu)化后的參數(shù)：秧盤偏移量26.5 mm，凸輪轉(zhuǎn)速13 r·min-1進行驗證試驗，試驗結(jié)果為：單粒率93.08%，空穴率3.41%，多粒率3.51%，落點偏移量9.03 mm，損傷率0%，破碎率0%。試驗結(jié)果滿足精量播種技術要求。

玉米；缽盤；精量播種；試驗

黑龍江地區(qū)無霜期短，溫度年變化率大，采用直播方式種植玉米時，春播時由于低溫，影響出苗并對幼苗造成冷害，而在玉米生長的后期，易受早霜的危害[1]。采用玉米育苗移栽技術，可以充分保證出苗質(zhì)量，解決苗期干旱影響問題，并可延長生育期一個月以上，育苗移栽這種種植技術近幾年推廣效果較好。我國旱地主要作物的栽培雖然還是以直播[2-4]方式為主，但是采用育苗栽植的面積也相當大[5]。我國玉米育苗方式主要有：營養(yǎng)缽育苗、營養(yǎng)塊育苗、穴盤育苗等。目前與機械化栽植配套較好的是穴盤育苗技術，而且可以實現(xiàn)工廠化作業(yè)。但穴盤育苗需要良好的設備以及較高的管理技術水平，目前我國對穴盤播種[6-8]研究較少，技術還不夠完善。未見對植質(zhì)缽育秧盤進行玉米芽種精量播種技術的相關研究，而這是玉米育苗栽植技術有待解決的急迫問題，也是加速我國玉米全程機械化的關鍵問題。

1 試驗裝置和方法

1.1 玉米植質(zhì)缽育秧盤

玉米植質(zhì)缽育秧盤采用秸稈、土和膠等為主要原料，通過高溫飽和蒸汽熏蒸滅菌固化技術制備而成。玉米植質(zhì)缽育秧盤主要尺寸長寬高為：276.5×42× 35，其結(jié)構如圖1所示。

圖1 玉米植質(zhì)缽育秧盤Fig.1 Diagram of bow-tray made of paddy-straw for maize bud-seed

1.2 玉米缽盤精量播種裝置

根據(jù)玉米植質(zhì)缽育秧盤設計了玉米芽種精量播種裝置[9]，其排種器類型為機械轉(zhuǎn)板式。結(jié)構主要電機、傳動機構、控制柜、推盤器、播種總成、轉(zhuǎn)板總成等組成，如圖2所示。

圖2 玉米植質(zhì)缽育秧盤播種裝置示意圖Fig.2 Sketch map of maize bud-seed bowl-tray precision seeder

1.3 試驗方法

試驗開始前，通過變頻控制柜設置好凸輪轉(zhuǎn)速等相關參數(shù)。通過推盤調(diào)節(jié)控制調(diào)好秧盤偏移量，將一定數(shù)量玉米植質(zhì)缽育秧盤擺好放到裝置輥輪上，其余缽盤在臺架上放置好。將土箱和種箱裝好適量的土和玉米芽種。打開開關控制，通過控制柜開啟電機，在電機的帶動下，連桿總成控制推盤裝置將秧盤推到型孔板的下方，在此過程中底土已裝好并壓實。同時，連桿總成通過拉桿控制轉(zhuǎn)板將型孔下部封閉，種箱在連桿的帶動下開始第一次囊種過程，當種箱開始往回進行往復運動時，第二次囊種開始，推盤器逐步回到原位。當?shù)诙文曳N結(jié)束時，轉(zhuǎn)板立即開啟，型孔內(nèi)的芽種落入下方秧盤的穴孔內(nèi)，一次播種過程結(jié)束。

1.4 試驗材料

試驗材料選取的玉米品種為黑龍江墾豐種業(yè)有限公司生產(chǎn)德美亞1號，其籽粒為硬粒型，形狀偏圓，主要適合種植于黑龍江省第四積溫帶上限。

試驗前先制備芽種，方法如下：將玉米隨機抽取一定量（種子未做分級處理），將包衣種子放入冷水（10℃～15℃）中浸種6～8 h，瀝盡明水。將浸泡的種子放入催芽機內(nèi)，保濕70%～80%，溫度保持在20℃～25℃。經(jīng)過36～48 h左右種子胚根伸出露白，俗稱“露白”。露白1 mm左右時將芽種低溫攤平晾干4～6 h，此時芽種含水率經(jīng)測量在38%～41%左右。

2 試驗方案和試驗數(shù)值

2.1 因素水平編碼表

在前期囊種試驗[9]研究基礎上，其他參數(shù)固定時，主要研究秧盤偏移量和凸輪轉(zhuǎn)速兩因素組合情況下對播種裝置播種性能的影響。因素編碼表如表1所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding table of lever of parameters

2.2 試驗方案及結(jié)果

選取秧盤偏移量x1和凸輪轉(zhuǎn)速x2共兩個因素，以單粒率、空穴率、多粒率、損傷率、破碎率和落點偏移量為播種性能指標，采用兩因素五水平的正交旋轉(zhuǎn)組合設計的試驗方案。兩因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗安排如表2所示。

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計試驗方案及數(shù)據(jù)結(jié)果Table 2 Quadratic rotation combination design and results

3 試驗結(jié)果分析

3.1 回歸方程及顯著性檢驗

3.1.1 回歸方程

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)試驗結(jié)果，采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[10]，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸，求得各個試驗因素與性能指標之間關系的回歸方程如下：

試驗中性能指標中的損傷率和破碎率很小幾乎為零，因素與損傷率和破碎率之間沒有顯著影響規(guī)律。

3.1.2 回歸方程顯著性檢驗

回歸方程顯著性檢驗如表3、表4所示，F(xiàn)1＜F0.05不顯著，方程擬合很好。F2＞F0.01顯著，方程有意義。

表3 F1檢驗表Table 3 F1verification table

表4 F2檢驗表Table 4 F2verification table

經(jīng)t檢驗，α=0.5顯著水平剔除不顯著項，其他回歸系數(shù)都在不同程度上顯著，因此，回歸方程可簡化為：

3.2 兩因素交互作用對性能指標的影響分析

3.2.1 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速的交互作用對單粒率的影響分析

圖3為秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速交互作用時對單粒率影響的等高線圖和曲面圖。由圖可見，秧盤偏移量相對于凸輪轉(zhuǎn)速來說對單粒率的影響很小。當種箱速度固定時，隨著秧盤偏移量水平的增加，單粒率先略有上升后緩慢下降，總體變化不大。當秧盤偏移量固定時，隨著種箱速度的增加，單粒率仍呈先上升后下降的趨勢，但變化幅度相對大了一些。由圖可見單粒率最大值出現(xiàn)在秧盤偏移量-0.5水平，凸輪轉(zhuǎn)速0水平時。由各因素的貢獻率和交互作用可知，對單粒率影響的大小順序為凸輪轉(zhuǎn)速＞秧盤偏移量。

圖3 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速對單粒率的影響Fig.3 Curve of the bowl-tray offset and the cam rotation rate on single-seed rate

3.2.2 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速的交互作用對空穴率的影響分析

圖4為秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速交互作用時對空穴率影響的等高線圖和曲面圖。由圖可見，當秧盤偏移量固定時，隨著凸輪轉(zhuǎn)速的增加，空穴率呈先下后上升降的趨勢。當凸輪轉(zhuǎn)速固定時，隨著秧盤偏移量的增加，空穴率呈先緩慢下降的趨勢。由圖可見空穴率最小值出現(xiàn)在秧盤偏移量-1水平，凸輪轉(zhuǎn)速0水平時。由各因素的貢獻率和交互作用可知，對空穴率影響的大小順序為凸輪轉(zhuǎn)速＞秧盤偏移量。

3.2.3 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速的交互作用對多粒率的影響分析

圖5為秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速交互作用時對多粒率影響的等高線圖和曲面圖。由圖可見，當秧盤偏移量固定時，隨著凸輪轉(zhuǎn)速水平的增加，多粒率呈先下降再上升的趨勢。當凸輪轉(zhuǎn)速固定時，隨著秧盤偏移量水平的增加，多粒率呈先緩慢下降后緩慢上升的趨勢，變化幅度很小。由圖可知，多粒率最小值出現(xiàn)在秧盤偏移量為0水平，凸輪轉(zhuǎn)速為0水平時。由各因素的貢獻率和交互作用可知，對多粒率影響的大小順序為凸輪轉(zhuǎn)速＞秧盤偏移量。

圖5 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速對多粒率的影響Fig.5 Curve of the bowl-tray offset and the cam rotation rate on multi-seed rate

3.2.4 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速的交互作用對落點偏移量的影響分析

圖6為秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速交互作用時對落點偏移量影響的等高線圖和曲面圖。由圖可見，當秧盤偏移量固定時，隨著凸輪轉(zhuǎn)速水平的增加，落點偏移量呈先下降再上升的趨勢，但變化幅度非常小。當凸輪轉(zhuǎn)速固定時，隨著秧盤偏移量水平的增加，落點偏移量呈先下降后上升趨勢，變化幅度也不大。由圖可知，有效落點偏移量最小值出現(xiàn)在秧盤偏移量為-0.5水平，凸輪轉(zhuǎn)速為0水平時。由各因素的貢獻率和交互作用可知，對落點偏移量影響的大小順序為秧盤偏移量＞凸輪轉(zhuǎn)速。

圖6 秧盤偏移量與凸輪轉(zhuǎn)速對落點偏移量的影響Fig.6 Curve of the bowl-tray offset and the cam rotation rate on placement offset

由于試驗中損傷率和破碎率很小幾乎為零，因此秧盤偏移量和凸輪轉(zhuǎn)速對其的影響忽略不計。

4 性能指標優(yōu)化及驗證試驗

4.1 性能指標優(yōu)化

根據(jù)播種裝置的播種性能要求，分別以單粒率、空穴率、多粒率和落點偏移量為播種性能指標的回歸方程作為目標函數(shù)，其它回歸方程作為約束條件，設計優(yōu)化模型。

以單粒率作為目標函數(shù)，得到優(yōu)化模型為：

空穴率、多粒率、落點偏移量的優(yōu)化模型建立方法相同，略。

優(yōu)化求解后，得到不同目標函數(shù)下的最佳參數(shù)組合方案如表5所示：

表5 不同目標函數(shù)的最佳參數(shù)組合方案Table 5 The best parameters combination plan of different goal function

表5表明不同性能指標作為目標函數(shù)時的最佳參數(shù)組合方案。由于性能指標中單粒率和空穴率尤為重要，因此綜合考慮秧盤偏移量多數(shù)接近-0.5水平，凸輪轉(zhuǎn)速多數(shù)接近0水平。綜合考慮后得出裝置的優(yōu)化參數(shù)組合方案為：秧盤偏移量取-0.5水平，即26.5 mm，凸輪轉(zhuǎn)速取0水平，即13 r·min-1。

4.2 驗證試驗

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化組合方案結(jié)果進行驗證試驗。當型孔板厚度為6 mm、型孔直徑為14 mm、秧盤偏移量為26.5 mm，凸輪轉(zhuǎn)速為13 r·min-1，而其他試驗參數(shù)不變時進行試驗，重復5次取平均值。試驗結(jié)果為單粒率為93.08%，空穴率為 3.41%，多粒率為3.51%，落點偏移量9.03 mm，損傷率為0，破碎率為0，滿足精量播種技術要求。

5 結(jié)論

（1）選取秧盤偏移量和凸輪轉(zhuǎn)速兩因素，以單粒率、空穴率、多粒率、損傷率、破碎率和落點偏移量為播種性能指標，進行兩因素五水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。主要結(jié)果如下：對單粒率、空穴率和多粒率影響的因素主次順序均為凸輪轉(zhuǎn)速＞秧盤偏移量。對落點偏移量影響的因素主次順序為秧盤偏移量＞凸輪轉(zhuǎn)速。在試驗中玉米芽種的損傷率和破碎率均很小，幾乎為零。經(jīng)回歸分析不顯著，因此秧盤偏移量和凸輪轉(zhuǎn)速對損傷率和破碎率的影響忽略不計。

（2）根據(jù)精量播種裝置的性能要求，利用主目標函數(shù)法分別以單粒率、空穴率、多粒率和芽種落點偏移量為性能指標的回歸方程作為目標函數(shù)，其他剩余的回歸方程作為約束條件，設計優(yōu)化模型，借助MATLAB軟件求解。綜合考慮后得出優(yōu)化參數(shù)組合為：秧盤偏移量26.5 mm，凸輪轉(zhuǎn)速13 r·min-1。根據(jù)優(yōu)化參數(shù)進行驗證試驗，試驗結(jié)果為：單粒率93.08%，空穴率3.41%，多粒率3.51%，落點偏移量9.03 mm，損傷率0，破碎率0。試驗結(jié)果滿足精量播種技術要求，但如何能讓落點偏移量的指標數(shù)值更小還有待進一步研究。

（3）當品種不同時玉米芽種形狀、尺寸均差異很大。研究內(nèi)容只針對于德美亞1號和與其性狀近似的品種，結(jié)果對于其他品種并不完全適用。研究對精量播種裝置機構的尺寸設計和參數(shù)優(yōu)化提供了一定基礎數(shù)據(jù)，對機械化插秧作業(yè)中對秧苗的位置要求提供了一定的保障，對促進玉米種植機械化的發(fā)展有重要意義。

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Experimental Research on the Seeding of Maize Bud-seed Precision Seeder

Mao Xin，Yi Shujuan，Tao Guixiang，Jiang Nan，Wang Chun
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

According to the requirement of mechanization of maize bowl-tray seeding，seeding performance of self-developing maize bud-seed precise seeding device was studied.Two factors，bow-tray offset and cam rotation rate were selected and tested by quadratic orthogonal rotary experimental design to analyze the influence of single-seed rate，empty-seed rate，multi-seed rate，placement offset，damage rate and broken rate.In the course of the interaction of the bow-tray offset and the cam rotation rate，the cam rotation rate was the main factor influencing the single-seed rate，empty-seed rate，multi-seed rate and the bow-tray offset was the main factor influencing the placement offset.The test of optimization parameters was verified.The performance indices were a single-seed rate of 93.08%，an empty-seed rate of 3.41%，a multi-seed rate of 3.51%，a placement offset of 9.03 mm，a damage rate of 0%，a broken rate of 0%under the optimized condition of bow-tray offset was 26.5 mm and the cam rotation rate was 13 r·min-1. The performance index could meet the technical requirements.

maize；bow-tray；precision seeding；test

S223.2

A

1002-2090（2017）02-0086-07

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.02.017

2016-03-22

黑龍江省自然基金（E201331）；黑龍江省教育廳科學技術研究（12531458）；省教育廳植質(zhì)缽育全程機械化栽培技術創(chuàng)新團隊。

毛欣（1978-），女，副教授，黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)機械化工程方面的研究工作。

衣淑娟，女，教授，博士研究生導師，E-mail：yishujuan_2005@126.com。