小籽粒精密播種機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

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(zhǎng)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(huì)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(shì)。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(duì)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(dòng)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(dòng)功率P決定，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)型孔，排種間隔為△t=d距/v，排種器每播1粒種子轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)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(dòng)完成播種，播種機(jī)后退時(shí)，排種軸保持不轉(zhuǎn)動(dòng)，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(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

試驗(yàn)時(shí)測(cè)量各相鄰種子粒距的不同X值，將所測(cè)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(cè)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(gè)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(zhǎng)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(huì)主義紅色文化主動(dòng)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(shí)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(duì)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(dòng)中國特色社會(huì)主義的快速發(fā)展，完成“兩個(gè)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(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)度通過安裝不同長(zhǎng)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)種子漏播率的影響

圖5 各因素對(duì)種子重播率的影響

圖6 各因素對(duì)種子破損率的影響

圖7 各因素對(duì)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(duì)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??；而無導(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(duì)播種性能優(yōu)化和導(dǎo)種橡膠管長(zhǎng)度對(duì)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(cè)試驗(yàn)臺(tái)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(zhǎng)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(duì)播種性能優(yōu)化和導(dǎo)種橡膠管長(zhǎng)度對(duì)播種性能影響微弱。