播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率與地塊條件的匹配模型與試驗

喬金友，邵光輝，李 榮，陳海濤，王文富，李文華，朱勝杰，劉 騰

播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率與地塊條件的匹配模型與試驗

喬金友1，邵光輝1，李 榮1，陳海濤1，王文富2，李文華3※，朱勝杰1，劉 騰1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 黑龍江龍門農(nóng)場，北安 164000；3. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086）

機(jī)械化播種作業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，純作業(yè)時間利用率是衡量播種機(jī)組作業(yè)效率的重要指標(biāo)。該研究依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)組運行機(jī)理，在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，提出季節(jié)時間利用率概念，確定了播種機(jī)組的作業(yè)時間構(gòu)成，建立了播種機(jī)組純作業(yè)時間、轉(zhuǎn)彎時間、加種肥時間的計算模型和3種加肥方式下的播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率計算模型，明確各參數(shù)隨地塊面積、地塊長度等條件變化的一般規(guī)律；以此為基礎(chǔ)，在機(jī)組正常作業(yè)狀態(tài)下，采用定距離多點多設(shè)備同步跟蹤測的試驗方法獲取4種典型播種機(jī)組各類作業(yè)時間數(shù)據(jù)，并運用3原理剔除無效數(shù)據(jù)；依據(jù)所建模型及有效試驗數(shù)據(jù)，采用Matlab 2012b對4種播種機(jī)組的純作業(yè)時間利用率隨地塊條件變化規(guī)律進(jìn)行模擬仿真，并采用Sigmaplot 12.5軟件直觀表達(dá)試驗結(jié)果；進(jìn)而探索了播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊條件化的原因，確定了目標(biāo)時間利用率條件下不同播種機(jī)組與其所適宜的作業(yè)地塊面積和地塊長度的定量關(guān)系：播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率大于0.6時，約翰迪爾7830機(jī)組適合作業(yè)地塊面積大于等于6 hm2、地塊長度為1 200～1 400 m；維美德171機(jī)組適宜作業(yè)地塊面積大于等于6 hm2、地塊長度為1 000～1 200 m；常發(fā)504機(jī)組適合作業(yè)的地塊面積大于等于1 hm2、地塊長度為500～1 500 m；黃海254機(jī)組適合作業(yè)的地塊面積大于等于0.3 hm2、地塊長度200～1 500 m。研究成果可為不同地塊條件的播種機(jī)組選型提供定量依據(jù)。

機(jī)械化；模型；播種機(jī)組；純作業(yè)時間利用率；地塊條件；加種肥方式

0 引 言

農(nóng)村實行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以后，以戶為單位經(jīng)營土地使作業(yè)單元地塊變得細(xì)碎化[1-2]。后來由于婚嫁等原因土地頻繁調(diào)整，使土地細(xì)碎化狀況日漸嚴(yán)重。隨著土地流轉(zhuǎn)政策的實施及流轉(zhuǎn)效果的提升，使部分細(xì)碎化土地得到一定程度整合[3]，尤其是隨著農(nóng)村合作組織的發(fā)展，土地連片經(jīng)營程度逐漸提高。這種發(fā)展?fàn)顟B(tài)造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多種作業(yè)單元地塊規(guī)模并存且差距較大。

地塊面積和地塊長度等參數(shù)是影響田間作業(yè)機(jī)組時間利用率的重要地塊條件因素[4-5]，且同種農(nóng)業(yè)機(jī)組在不同地塊條件下作業(yè)，其技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)效果也不同。一般規(guī)律是：在地塊面積和長度較小情況下，運用中型或小型拖拉機(jī)機(jī)組工作有利；地塊面積和長度較大的條件下，選用功率較大的拖拉機(jī)機(jī)組是合理的[6]。但這僅是定性的結(jié)論，在作業(yè)單元地塊規(guī)模不等且差距較大形勢下，研究不同機(jī)組時間利用率隨地塊條件變化規(guī)律，為科學(xué)選擇不同經(jīng)營規(guī)模條件下適用農(nóng)業(yè)機(jī)組提供定量理論依據(jù)，具有重要理論及現(xiàn)實意義。

國外專家對農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)技術(shù)參數(shù)與地塊條件的關(guān)系進(jìn)行了研究。Hunt[7]依據(jù)機(jī)組最低年度費用提出確定農(nóng)機(jī)具最佳幅寬的數(shù)學(xué)模型。Henning等[8]以地塊規(guī)模和作物種植計劃作為變量，以最小成本、機(jī)組工作效率、時間利用率作為目標(biāo)建立模型確定動力機(jī)功率、作業(yè)機(jī)幅寬、機(jī)組數(shù)量。Olaoye等[9]發(fā)現(xiàn)隨著作業(yè)幅寬的增加，農(nóng)業(yè)機(jī)組轉(zhuǎn)彎軌跡復(fù)雜，地頭轉(zhuǎn)彎時間增加，機(jī)組時間利用率降低。Hameed等[10]依據(jù)農(nóng)地幾何形狀、作業(yè)機(jī)具參數(shù)、地頭轉(zhuǎn)彎模式等信息，將作業(yè)地塊劃分為不同的區(qū)域，以作業(yè)消耗最小和總作業(yè)路徑最短等為目標(biāo)計算最優(yōu)作業(yè)方向，生成最優(yōu)作業(yè)路徑，進(jìn)而提高機(jī)組作業(yè)效率。

國內(nèi)研究機(jī)組技術(shù)參數(shù)與地塊條件關(guān)系的文獻(xiàn)相對較多。杜兵[11]對農(nóng)業(yè)機(jī)器作業(yè)班內(nèi)時間項目進(jìn)行分類，提出研究播種機(jī)組時間利用率時應(yīng)納入加種肥時間等項目。黃肇先[12]研究機(jī)組功率和地塊大小對農(nóng)業(yè)機(jī)組生產(chǎn)率的影響，但是沒有給出定量規(guī)律和模型。盧林瑞等[13]提出，做好各輔助環(huán)節(jié)銜接工作和增大種肥箱容積，可減少播種機(jī)組異常停歇時間。陳濟(jì)勤[14]提出：將小地塊合并和規(guī)劃成較大地塊，有利于減少轉(zhuǎn)彎次數(shù)和地塊轉(zhuǎn)移空行時間。黃小毛等[15]利用計算機(jī)技術(shù)尋求最優(yōu)農(nóng)機(jī)作業(yè)調(diào)度策略，以減少農(nóng)業(yè)機(jī)組地頭轉(zhuǎn)彎距離和時間消耗。余友泰等[6,16]給出拖拉機(jī)功率、機(jī)組生產(chǎn)率以及農(nóng)具工作幅寬與農(nóng)場經(jīng)營規(guī)模的關(guān)系曲線，得出大地塊、長壟應(yīng)選擇大型機(jī)組，反之選擇小型拖拉機(jī)有利的結(jié)論。陳麗能等[17]指出地塊長度和機(jī)組功率是影響機(jī)組生產(chǎn)率的主要因素，并給出對生產(chǎn)率影響程度的評價指標(biāo)及其計算模型。魏延富等[18]提出根據(jù)不同地區(qū)地表覆蓋狀況、地塊大小、經(jīng)濟(jì)狀況等選擇合適的免耕播種機(jī)?？椎聞偟萚19-21]分析測試機(jī)組的時間利用率和作業(yè)效率，并提出大功率農(nóng)業(yè)機(jī)組合理的運用模式。喬金友等[22-24]建立了收獲機(jī)組時間利用率及技術(shù)生產(chǎn)率隨地塊條件變化模型，并比較研究不同收獲機(jī)組技術(shù)生產(chǎn)率隨地塊條件變化的規(guī)律。張凱等[25]建立了不同作業(yè)路線下收割機(jī)生產(chǎn)率計算模型，分析了不同型號收割機(jī)、作業(yè)路線和田塊面積下收割機(jī)生產(chǎn)率的變化規(guī)律。

國內(nèi)外文獻(xiàn)研究涉及機(jī)組幅寬、功率等參數(shù)與地塊大小的關(guān)系，并取得了重要成果，但是，大多文獻(xiàn)僅進(jìn)行定性分析，關(guān)于機(jī)組的純時間利用率隨地塊條件的定量變化關(guān)系研究很少報道。結(jié)合播種機(jī)組實際作業(yè)過程，建立播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊條件變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并通過試驗探討不同加種加肥方式下，典型播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律，進(jìn)而確定不同播種機(jī)組的適宜作業(yè)地塊條件，不但可以有針對性地完善農(nóng)業(yè)機(jī)組運用機(jī)制，而且可為目前作業(yè)單元地塊規(guī)模大小不一條件下合理選用播種機(jī)機(jī)組提供理論支撐。

1 機(jī)組純作業(yè)時間利用率概念及模型

1.1 機(jī)組純作業(yè)時間利用率一般概念及模型

農(nóng)業(yè)機(jī)組班次純作業(yè)時間利用率是機(jī)組在作業(yè)班次內(nèi)純作業(yè)時間與班次總時間的比值。計算模型如式（1）所示。

式中為機(jī)組的班次純作業(yè)時間利用率，%；T為機(jī)組班次純作業(yè)時間，s；為班次總時間，s。

機(jī)組純作業(yè)時間利用率與許多因素有關(guān)，如機(jī)器的結(jié)構(gòu)形式、工作可靠性等因素，作業(yè)速度、行走方式等運行因素，還有作業(yè)單元的地塊面積和長度、坡度、地表狀態(tài)等客觀條件因素。分析機(jī)組純作業(yè)時間利用率的目的在于盡可能地減少非工作時間，提高作業(yè)效率，并為改進(jìn)機(jī)器的設(shè)計、提高制造質(zhì)量、合理規(guī)劃地塊等工作提供科學(xué)依據(jù)[26-28]。

1.2 作業(yè)季內(nèi)純作業(yè)時間利用率模型

由于班次時間較短，且不同地區(qū)、不同生產(chǎn)單位的地塊規(guī)模不同，播種機(jī)組作業(yè)過程中一些出現(xiàn)頻率較低的時間項目（例如：地塊轉(zhuǎn)移、故障停歇等）在班次時間內(nèi)可能觀測不到，研究班次純作業(yè)時間利用率不能客觀反映機(jī)組實際作業(yè)狀態(tài)，因此本文提出機(jī)組作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間利用率的概念，充分考慮播種機(jī)組在整個作業(yè)季節(jié)的作業(yè)過程中所發(fā)生的各類時間項目，計算結(jié)果更客觀、全面，更貼近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際。

播種機(jī)組作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間利用率是播種機(jī)組在整個作業(yè)季節(jié)中，純作業(yè)時間與作業(yè)季節(jié)總時間的比值，如式（2）所示。

式中τ為播種機(jī)組的作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間利用率；T為作業(yè)季節(jié)內(nèi)播種機(jī)組純作業(yè)時間，s；T為作業(yè)季節(jié)內(nèi)播種機(jī)組消耗的總時間，s；T為作業(yè)季內(nèi)播種機(jī)組完成第個地塊總的純作業(yè)時間，s；T為作業(yè)季內(nèi)播種機(jī)組完成第個地塊的總作業(yè)時間，s；為作業(yè)季內(nèi)播種機(jī)組完成作業(yè)的地塊數(shù)量。

農(nóng)業(yè)機(jī)組作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間利用率的概念及計算模型中，各時間參數(shù)與作業(yè)機(jī)組的類別、地塊條件以及田間作業(yè)行走方法和轉(zhuǎn)彎形式無關(guān)，所定義的農(nóng)業(yè)機(jī)組季節(jié)純作業(yè)時間利用率及其計算模型具有普遍意義，研究播種機(jī)組作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間利用率與地塊條件的匹配關(guān)系更具實際指導(dǎo)意義。

2 播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率相關(guān)計算模型建立

2.1 播種機(jī)組作業(yè)時間構(gòu)成

播種機(jī)組純作業(yè)時間和地頭轉(zhuǎn)彎時間是作業(yè)過程中發(fā)生頻率最高的時間項目。機(jī)組作業(yè)季節(jié)總的地塊轉(zhuǎn)移頻率隨作業(yè)單元地塊面積的減小而增大。當(dāng)作業(yè)單元地塊面積較小時，播種機(jī)組需頻繁轉(zhuǎn)移地塊，機(jī)組的地塊轉(zhuǎn)移頻率高，地塊轉(zhuǎn)移時間可能較長；當(dāng)作業(yè)單元地塊面積較大時，機(jī)組地塊轉(zhuǎn)移的次數(shù)會減少，地塊轉(zhuǎn)移時間會縮短。

播種機(jī)組在完成作業(yè)任務(wù)過程中發(fā)生的停歇時間除加種加肥停歇時間外，還包括維修保養(yǎng)停歇時間、組織不當(dāng)停歇時間等。由于播種機(jī)的種箱和肥箱容量有限，播種作業(yè)過程中需頻繁停車加種或加肥，加種加肥時間是播種機(jī)組作業(yè)過程中必需的工藝性停歇時間[11]。其他停歇時間為非工藝性停歇時間，應(yīng)加強(qiáng)管理和控制使其最小化，以提高機(jī)組的純作業(yè)時間利用率。

2.2 播種機(jī)組純作業(yè)時間計算模型的建立

播種機(jī)組作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間為季節(jié)內(nèi)完成各作業(yè)單元地塊作業(yè)任務(wù)發(fā)生的純作業(yè)時間之和。

若播種機(jī)組進(jìn)入行程和駛離行程的加速度相等，則2個過程消耗的時間亦相等，即1i=3i。播種機(jī)組完成第個作業(yè)單元地塊的純作業(yè)時間t如式（6）所示。

由式（6）和式（7）可知，播種機(jī)組完成第個單元地塊作業(yè)的純作業(yè)時間為

2.3 播種機(jī)組加肥時間計算模型的建立

2.3.1 加種肥時間的一般模型

一般播種機(jī)組肥料消耗量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于種子消耗量，因此播種作業(yè)的加肥頻率比加種頻率大，單次加肥時間比單次加種時間長，可以在加肥的同時一并加種，則加肥時間計算模型即包含加種時間。

結(jié)合地塊條件及機(jī)組結(jié)構(gòu)特點，播種機(jī)組在作業(yè)過程中可采取空箱加肥、地塊單側(cè)加肥、地塊雙側(cè)加肥3種方式?？障浼臃史绞绞侵府?dāng)播種機(jī)組肥箱內(nèi)的肥料耗盡后停車加肥，加肥點可在地塊內(nèi)任意位置；地塊單側(cè)加肥方式指當(dāng)肥箱內(nèi)剩余肥量不足以往返2個作業(yè)行程時，播種機(jī)組停車加肥，每次加肥都在地塊的同一側(cè)地頭；地塊雙側(cè)加肥方式指當(dāng)肥箱剩余肥量不足以繼續(xù)作業(yè)1個行程時，播種機(jī)組即停車加肥，機(jī)組加肥點可在地塊任一側(cè)地頭。

機(jī)組以某種加肥方式完成第個作業(yè)單元地塊作業(yè)的總加肥時間T等于單次加肥時間t與該加肥方式下加肥次數(shù)之積m，其計算模型如（9）式所示。

式中下標(biāo)=0,1,2，分別代表空箱加肥、地塊單側(cè)加肥和雙側(cè)加肥。

2.3.2 不同加肥方式的加肥次數(shù)

1）空箱加肥

播種機(jī)組以空箱加肥方式作業(yè)時的加肥次數(shù)0i等于整個地塊的總施肥量Q（kg）與播種機(jī)肥箱最大容納量Q（kg）的比值，結(jié)果向上取整，計算如式（10）所示。

第個地塊的總施肥量Q等于地塊面積S（hm2）與單位面積施肥量q（kg/hm2）的乘積，如式（11）所示。

肥箱所能容納的最大肥量等于肥料堆積密度ρ（kg/m3）與肥箱容積V（m3）的乘積，如式（12）所示。

將式（11）、（12）代入式（10）可得：

由式（13）可知，當(dāng)播種機(jī)組以空箱加肥方式作業(yè)時，整個地塊的加肥次數(shù)與地塊的面積、單位面積施肥量、肥料堆積密度以及肥箱容積有關(guān)，與地塊長度無關(guān)。

2）地塊單側(cè)加肥

播種機(jī)組采用單側(cè)加肥方式作業(yè)時，整個地塊的加肥次數(shù)等于該塊地所需肥量Q與相鄰2次加肥時間間隔內(nèi)機(jī)組施肥量的比值，結(jié)果向上取整。因為第塊地的總施肥量Q等于播種機(jī)組完成整塊地作業(yè)總的行程數(shù)與單行程施肥量q的乘積；相鄰2次加肥間隔內(nèi)的施肥量等于此時間內(nèi)的作業(yè)行程數(shù)1i與單行程的施肥量q之積。所以，播種機(jī)組采用單側(cè)加肥作業(yè)時，完成整個地塊作業(yè)任務(wù)的加肥次數(shù)為

式中1i為播種機(jī)組采用單側(cè)加肥方式完成第個地塊作業(yè)的加肥次數(shù)；q為第個地塊1個行程的施肥量，kg；1i為播種機(jī)組滿箱肥所能作業(yè)的行程數(shù)。

地塊單側(cè)加肥方式作業(yè)時，播種機(jī)組加滿肥箱后所能作業(yè)的行程數(shù)為播種機(jī)組肥箱所能容納的最大肥量Q與往返2個行程所需肥量2q的比值，如式（15）所示。當(dāng)肥箱內(nèi)剩余肥量不足往返2個作業(yè)行程時需停車加肥，所以比值需向下取整。

播種機(jī)組一個作業(yè)行程的施肥量q等于單行程作業(yè)面積與單位面積施肥量的乘積，如式（16）所示。

由式（17）可以看出，地塊單側(cè)加肥方式下播種機(jī)組的加肥次數(shù)與機(jī)組作業(yè)幅寬、播種機(jī)肥箱容積等機(jī)器基本參數(shù)有關(guān)，同時與地塊寬度、地塊長度等地塊參數(shù)有關(guān)。地塊條件直接影響單側(cè)加肥方式下播種機(jī)組的加肥次數(shù)，進(jìn)而影響其純作業(yè)時間利用率。

3）地塊雙側(cè)加肥

播種機(jī)組以地塊雙側(cè)加肥方式作業(yè)時，肥箱剩余肥量不足以完成1個作業(yè)行程時需停車加肥。這種作業(yè)方式下，播種機(jī)組完成第個地塊作業(yè)的總加肥次數(shù)2i等于整個地塊的施肥量Q與播種機(jī)組2次加肥間隔內(nèi)的施肥量之比，計算結(jié)果向上取整。

治理必須堅持“全面規(guī)劃、先急后緩，統(tǒng)籌兼顧、突出重點，集中治理、整體推進(jìn)，建管并重、長效管護(hù)”的原則。根據(jù)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，充分考慮河道現(xiàn)狀，兼顧經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益以及工程實施的需要，全面科學(xué)規(guī)劃項目，做到經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行。

地塊雙側(cè)加肥時播種機(jī)組一次加滿肥箱后所能作業(yè)的行程數(shù)2i是肥箱的最大容納量與播種機(jī)組作業(yè)1個行程所需肥量的比值，當(dāng)肥箱肥料余量不足以作業(yè)1個行程時，播種機(jī)組要提前停車加肥，計算結(jié)果向下取整，如式（19）所示。

將式（6）、（19）代入式（18），整理可得地塊雙側(cè)加肥時播種機(jī)組完成整塊地作業(yè)的加肥次數(shù)，如式（20）所示。

由式（20）可以看出，地塊雙側(cè)加肥條件下，地塊客觀條件是播種機(jī)組加肥次數(shù)的影響因素之一。

2.4 播種機(jī)組其他作業(yè)時間的計算模型

2.4.1 地頭轉(zhuǎn)彎時間

式中n為播種機(jī)組完成第個地塊作業(yè)時的地頭轉(zhuǎn)彎次數(shù)；t為播種機(jī)組完成第個地塊作業(yè)時的單次地頭轉(zhuǎn)彎時間，s。

機(jī)組每完成一個作業(yè)單元地塊的作業(yè)任務(wù)就會發(fā)生一次地塊轉(zhuǎn)移，機(jī)組從第個地塊轉(zhuǎn)移到第+1個地塊所需時間如式（22）所示，作業(yè)季內(nèi)地塊轉(zhuǎn)移時間如式（23）所示。

由式（22）和（23）可知，機(jī)組的地塊轉(zhuǎn)移時間與地塊間距離有關(guān)，作業(yè)季內(nèi)地塊轉(zhuǎn)移總時間與地塊轉(zhuǎn)移次數(shù)有關(guān)，而轉(zhuǎn)移次數(shù)與地塊大小有關(guān)。

2.4.3 停車時間

由于機(jī)組設(shè)備故障、技術(shù)維護(hù)、駕駛員換班等原因，播種機(jī)組在作業(yè)過程中會出現(xiàn)除加種加肥外的停車，其所占用時間為非工藝性停歇時間。播種機(jī)組在完成第個地塊作業(yè)中的總非工藝停歇時間為每次非加種加肥停歇時間之和，如式（24）所示。

2.5 播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率與地塊條件的匹配模型

設(shè)整個作業(yè)季內(nèi)播種機(jī)組可作業(yè)個地塊，已知第個地塊長度L，寬度W，播種機(jī)組的作業(yè)幅寬B，根據(jù)式（2）及前述分析，可得播種機(jī)組作業(yè)季內(nèi)的純作業(yè)時間利用率為

將前述各加肥方式的對應(yīng)參數(shù)分別代入式（25），可得不同加肥方式下播種機(jī)組作用季節(jié)的純作業(yè)時間利用率計算模型：

1）空箱加肥

2）地塊單側(cè)加肥

3）地塊雙側(cè)加肥

式中0、1、2分別為地塊空箱加肥、單側(cè)加肥和雙側(cè)加肥的時間利用率。

由式（26）～（28）可知，播種機(jī)組作業(yè)季節(jié)的純作業(yè)時間利用率與機(jī)組加種加肥方式、地塊條件有關(guān)，同時也與機(jī)組作業(yè)幅寬、肥箱容積等機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，與播種機(jī)組作業(yè)的行走方法及地頭轉(zhuǎn)彎形式無關(guān)。

3 模型應(yīng)用試驗

依據(jù)實際生產(chǎn)狀況，通過設(shè)計合理試驗方案，在不影響機(jī)組正常作業(yè)情況下測試并獲取各作業(yè)時間數(shù)據(jù)，并將測取的各時間數(shù)據(jù)代入所建立的模型，探索典型播種機(jī)組時間利用率隨地塊條件變化規(guī)律。

3.1 試驗對象及儀器設(shè)備

綜合考慮單元地塊規(guī)模及測試機(jī)組的普適性，分別選擇大型、中型和小型共4種典型大豆播種機(jī)組為測試對象，所選的2種大型機(jī)組結(jié)構(gòu)相同，但功率不同。測試機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。采用UG801手持終端（BD+GPS）、秒表、CANAN POWERSHOT SX60數(shù)碼像機(jī)（4 608× 3 456 DPI）、100 m皮尺等設(shè)備測量播種機(jī)組正常播種作業(yè)時的各項時間消耗、作業(yè)軌跡，并拍攝作業(yè)視頻。

表1 測試機(jī)組基本參數(shù)

為保證試驗效率和效果，測試地點選擇在黑龍江墾區(qū)紅星農(nóng)場，于2017年4月28日至5月15日完成測試試驗。紅星農(nóng)場位于黑龍江省北安市境內(nèi)，耕地面積3×104hm2，自然地塊規(guī)模30～50 hm2，地塊長度700～1 200 m，地頭運輸?shù)缆穼? m。播種機(jī)組采用常用梭行法作業(yè)，以減少空行距離；由于大型播種機(jī)組縱向較長，采用魚尾型地頭轉(zhuǎn)彎方式，而中小型機(jī)組可依據(jù)其縱向長度采用平坦型或半圓型轉(zhuǎn)彎方式，以消除地頭漏播，提高機(jī)組時間利用率，保證試驗具有普遍意義。

對于地頭需作業(yè)的小地塊及非矩形地塊，可以根據(jù)具體地塊條件選擇適宜的作業(yè)方法，亦可按此試驗方法分別測試機(jī)組實際作業(yè)過程中的各項時間。

3.2 試驗方案

在不影響播種機(jī)組正常作業(yè)情況下，采用定距離多點多設(shè)備同步跟蹤測量大豆播種機(jī)組作業(yè)過程的各類時間消耗。試驗劃定2個作業(yè)測試區(qū)，地頭0～10 m為第一作業(yè)測區(qū)，測取機(jī)組進(jìn)出作業(yè)區(qū)時的加、減速作業(yè)時間；地頭向里10～110 m為第二測區(qū)，測試機(jī)組正常作業(yè)過程各項時間消耗。在同側(cè)地頭測量機(jī)組轉(zhuǎn)彎、加種加肥等時間消耗。試驗區(qū)劃如圖1所示。

注：L為地塊長度，m；W為地塊幅寬，m。

試驗過程中，采用秒表、UG801手持終端、數(shù)碼像機(jī)等同步記錄大豆播種機(jī)組通過試驗測區(qū)時的各項時間消耗，獲取同一試驗點的多組記錄，結(jié)果取平均值。試驗重復(fù)次數(shù)為機(jī)組單地塊測試的作業(yè)行程數(shù)與作業(yè)季內(nèi)該機(jī)組作業(yè)的地塊數(shù)量之積。多設(shè)備多點同步跟蹤測試可以消除單一設(shè)備測試的人為誤差，分析錄制的作業(yè)過程視頻，區(qū)分機(jī)組各測試狀態(tài)、提取相關(guān)信息，可以更準(zhǔn)確劃定各時間項目的起止點及具體數(shù)值。

3.3 試驗結(jié)果與分析

為了提高測試數(shù)據(jù)的可靠性，采用3σ原則判斷并剔除異常試驗數(shù)據(jù)[29-30]，剔除處理后的大豆播種機(jī)組作業(yè)過程中消耗的各類時間平均值如表2所示。

表2 各類時間項目測試數(shù)據(jù)均值

3.3.1 不同加肥方式下機(jī)組純作業(yè)時間利用率

依據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際地塊面積及長度，設(shè)定地塊面積從0.1～10 hm2、地塊長度從100～3 000 m等步長變化。采用Matlab 2012b對各播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析。依據(jù)分析結(jié)果，利用Sigmaplot 12.5繪制不同播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨塊條件變化的等值線圖，如圖2所示。

分析圖2可知，當(dāng)?shù)貕K長度一定時，播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊面積增大而增大；當(dāng)?shù)貕K面積一定，純時間利用率隨地塊長度增大而增加?？障浼臃蕰r純作業(yè)時間利用率隨地塊條件變化的趨勢較為平緩，而地塊單側(cè)和雙側(cè)加肥方式下的播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊長度增加在一定范圍內(nèi)波動，地塊越長波動幅度越大，當(dāng)?shù)貕K長度增加到一定數(shù)值后純作業(yè)時間利用率開始平穩(wěn)上升。

當(dāng)?shù)貕K寬度小于機(jī)組作業(yè)幅寬時，該類型機(jī)組不適合在這種地塊條件下作業(yè)。如圖2c所示，當(dāng)?shù)貕K面積為0.1 hm2，當(dāng)?shù)貕K長度增加到800 m時，地塊寬度為1.25 m，而黃海254播種機(jī)組的作業(yè)幅寬為1.3 m，此時該機(jī)組無法作業(yè)，純作業(yè)時間利用率為0。因此，判定黃海254播種機(jī)組不適合在面積低于0.1 hm2、且長度大于800 m的地塊條件下作業(yè)。其他機(jī)型亦有類似規(guī)律。

對于某一機(jī)組來說，當(dāng)?shù)貕K長度增加至某一數(shù)值時，由于肥箱（種箱）容積的限制，肥箱（種箱）加滿后不能完成一個作業(yè)行程（地塊雙側(cè)加肥）或往返2個作業(yè)行程（地塊單側(cè)加肥），這時該機(jī)組無法在此地塊條件下作業(yè)，其純作業(yè)時間利用率為0。如圖2b，播種機(jī)組地塊單側(cè)加肥方式作業(yè)時，當(dāng)?shù)貕K長度達(dá)到1 300 m時，維美德171機(jī)組的純作業(yè)時間利用率驟降為0；圖2c中，地塊雙側(cè)加肥方式下，當(dāng)?shù)貕K長度達(dá)到2 600 m時，維美德171播種機(jī)組時間利用率亦為0。

3.3.2 不同地塊條件的加肥次數(shù)

播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率隨地塊條件出現(xiàn)波動變化的原因可能是由于加肥時間等指標(biāo)變化造成的，而加肥時間與加肥次數(shù)有關(guān)。

地塊單側(cè)或雙側(cè)加肥方式下，播種機(jī)組停車加肥時肥箱可能有剩余肥料。剩余肥量Q計算模型如為式（29）所示。

為研究方便，設(shè)約翰迪爾7830和維美德171機(jī)組作業(yè)地塊面積為10 hm2，常發(fā)504和黃海254機(jī)組作業(yè)地塊面積為5 hm2，以加肥時剩余肥量的可作業(yè)距離間接表示剩余肥量。采用Matlab 2012b對各機(jī)組加肥次數(shù)隨地塊長度的變化情況進(jìn)行模擬仿真，利用Sigmaplot 12.5繪制不同播種機(jī)組加肥次數(shù)、加肥時剩余作業(yè)距離隨塊條件的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，各機(jī)組剩余肥量的作業(yè)距離和加肥次數(shù)都具有相同的變化規(guī)律。播種機(jī)組以空箱加肥方式作業(yè)，加肥時肥箱內(nèi)無剩余肥量，當(dāng)?shù)貕K面積一定時，加肥次數(shù)與地塊長度無關(guān)；而地塊單側(cè)和雙側(cè)加肥方式作業(yè)時，播種機(jī)組的加肥次數(shù)和加肥時的剩余作業(yè)距離都隨地塊長度增加呈波動變化，且波峰值隨著地塊長度的增加而逐漸增加，相同加肥方式下，加肥次數(shù)與剩余作業(yè)距離的波動頻率相同。在一次加肥量為固定值時，加肥時剩余肥量越多，說明一次加肥后實際施用肥量越少，即相應(yīng)完成的作業(yè)面積越小，則完成相同作業(yè)面積的加肥次數(shù)越多，這也證明播種機(jī)組的加肥次數(shù)和剩余肥量的作業(yè)距離隨地塊長度變化具有相同的變化規(guī)律。

圖2 播種機(jī)組時間利用率隨地塊條件變化規(guī)律

圖3 不同播種機(jī)組加肥次數(shù)、剩余肥量隨地塊長度的變化規(guī)律

由圖3可知，當(dāng)?shù)貕K長度較大時，播種機(jī)組的加肥次數(shù)波動變化周期變長，波動頻率降低，在一定地塊長度范圍內(nèi)使純作業(yè)時間利用率處于較平穩(wěn)的變化狀態(tài)，這一結(jié)論也證明圖2所呈現(xiàn)的播種機(jī)組純時間利用率隨地塊長度呈波動變化是由加肥次數(shù)的變化引起的。

由此可得出，依據(jù)地塊條件設(shè)計合適的播種機(jī)肥箱容積，使實際作業(yè)時的加肥次數(shù)避開波峰而趨近波谷，可有效降低加肥等輔助作業(yè)時間，提高播種機(jī)組的純作業(yè)時間利用率和作業(yè)效率。

3.3.3 典型播種機(jī)組的適宜作業(yè)地塊面積和長度

不同機(jī)組的純作業(yè)時間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律不同。地塊條件不變時，小型播種機(jī)組由于機(jī)動性較好，轉(zhuǎn)彎靈活方便，作業(yè)時間利用率較高；而大型播種機(jī)組的輔助作業(yè)時間長，純作業(yè)時間利用率相對較低?；趫D2、圖3，以確定的時間利用率截取不同播種機(jī)組以不同加肥方式作業(yè)的純作業(yè)時間利用率曲面，可得到各機(jī)組以不同加肥方式作業(yè)時的適宜地塊面積和地塊長度。以機(jī)組純作業(yè)時間利用率最小值為0.6時，4種典型機(jī)組的適宜地塊條件如表3所示。

由表3可知，在時間利用率相等或相近條件下，小型播種機(jī)組的適宜作業(yè)地塊長度或地塊面積相對較小，而大型播種機(jī)組對應(yīng)的地塊長度和地塊面積相對較大，此規(guī)律與一般認(rèn)知相同[11,14,16-17]，本文針對具體機(jī)組給出了定量的地塊條件，依據(jù)表3，在確定的目標(biāo)純作業(yè)時間利用率下，已知地塊長度和地塊面積可以選擇與之配套的機(jī)器型號或機(jī)組功率范圍。

表3 不同加肥方式下典型播種機(jī)組的適宜作業(yè)地塊面積和長度

由表3還可看出，播種機(jī)組以地塊單側(cè)加肥和雙側(cè)加肥方式作業(yè)時，適宜作業(yè)的地塊長度有上限。這是因為受機(jī)組肥箱（種箱）容積限制，一次加肥機(jī)組最大作業(yè)距離是確定的，地塊雙側(cè)加肥時，只有當(dāng)單行程作業(yè)距離小于等于一次加肥機(jī)組可作業(yè)的最大距離時，機(jī)組才能正常作業(yè)，而地塊單側(cè)加肥時，只有當(dāng)雙行程作業(yè)距離小于等一次加肥機(jī)組可作業(yè)的最大距離時，機(jī)組才可作業(yè)。

由表3還可以看出，一些播種機(jī)組以某種加肥方式作業(yè)時，其適宜的地塊長度存在多個范圍。由圖2、圖3可知，這是因為當(dāng)播種機(jī)組以地塊雙側(cè)加肥方式作業(yè)時，受加肥次數(shù)隨地塊長度波動變化的影響，在地塊面積不變時，在固定純作業(yè)時間利用率下可能會出現(xiàn)2段或多段不同的適宜地塊長度范圍。

4 結(jié) 論

1）提出播種機(jī)組作業(yè)季節(jié)純作業(yè)時間利用率的概念，明確各時間構(gòu)成并建立相應(yīng)的計算模型；建立了3種加種肥方式下播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率與地塊條件的匹配模型，完善了不同地塊規(guī)模下播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率的計算方法。

2）明確了空箱加種加肥、地塊單側(cè)和雙側(cè)加種肥3種方式下4種典型播種機(jī)組的純作業(yè)時間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律：地塊面積不變時，純作業(yè)時間利用率隨地塊長度增加而增加，其增加速度漸緩且有微小波動，地塊長度不變時，純作業(yè)時間利用率隨地塊面積呈相同規(guī)律變化；地塊長度變化導(dǎo)致加肥次數(shù)及加肥時剩余肥量不同是導(dǎo)致純作業(yè)時間利用率波動變化的原因。

3）確定了目標(biāo)純作業(yè)時間利用率條件下4種典型播種機(jī)組在地塊單側(cè)加肥和雙側(cè)加肥2種方式下的適宜作業(yè)地塊長度和面積范圍：約翰迪爾7830機(jī)組適合在面積大于等于6 hm2、長度1 200～1400 m的地塊上作業(yè)，維美德171機(jī)組的適宜作業(yè)地塊面積應(yīng)大于等于6 hm2、地塊長度為1 000～1 200 m，常發(fā)504機(jī)組的適宜作業(yè)地塊面積應(yīng)大于等于1 hm2、地塊長度約500～1 500 m，黃海254機(jī)組的適宜作業(yè)地塊面積應(yīng)大于等于0.3 hm2、地塊長度為200～1 500 m。明確不同播種機(jī)組與其適宜作業(yè)地塊條件的定量關(guān)系，填補(bǔ)了相關(guān)理論空白，可為不同地塊條件的播種機(jī)組選型提供理論依據(jù)。

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[30] 盛驟. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計：第四版[M]. 北京：高等教育出版社，2014.

Matching model and experiment of net working time utilization rate of seeder unit with plot length and area

Qiao Jinyou1, Shao Guanghui1, Li Rong1, Chen Haitao1, Wang Wenfu2, Li Wenhua3※, Zhu Shengjie1, Liu teng1

(1.,150030,;2.164000; 3150086,)

mechanization; models; seeder unit; net operating time utilization rate; plot conditions; adding ways of fertilizer and seed

2019-11-11

2020-02-10

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0300505-6）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303011）；國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家“十三五”任務(wù)（CARS-04-PS24）

喬金友，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)與管理方向教學(xué)與科研工作。Email：qiaojinyou@163.com

李文華，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物栽培學(xué)與耕作學(xué)方向的科研工作。Email：nkylwh@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.003

S233.4

A

1002-6819(2020)-05-0019-10

喬金友，邵光輝，李 榮，陳海濤，王文富，李文華，朱勝杰，劉 騰. 播種機(jī)組純作業(yè)時間利用率與地塊條件的匹配模型與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：19－28. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.003 http://www.tcsae.org

Qiao Jinyou, Shao Guanghui, Li Rong, Chen Haitao, Wang Wenfu, Li Wenhua, Zhu Shengjie, Liu teng. Matching model and experiment of net working time utilization rate of seeder unit with plot length and area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 19－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.003 http://www.tcsae.org