扎壓式玉米精播機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)研究與試驗(yàn)

周福君,張春雷,李沐桐,李天宇,吳 昊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,哈爾濱 150030)

0 引言

扎穴播種工藝的是利用成穴器在投種點(diǎn)土壤上形成穴孔來(lái)代替開溝作業(yè),利用投種裝置將所播的谷物種子投入到形成的穴中,對(duì)土壤的擾動(dòng)較小,有利于土壤的保墑和抗旱播種[1-6]。在殘茬及秸稈還田的土壤,成穴部件可撥開殘茬和秸稈完成作業(yè)。

根據(jù)黑龍江省的種植特點(diǎn),針對(duì)舵輪式穴播機(jī)存在的空穴、鴨嘴易堵塞、種子播深不均及外漏等問(wèn)題,研制了一種全新的垂直插入式穴播機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)成穴器垂直入土、出土,減少了土壤擾動(dòng)量,保證了播種深度一致[7-12]。

為此,闡述了扎壓式玉米精播機(jī)的機(jī)構(gòu)及工作原理,對(duì)影響成穴質(zhì)量的關(guān)鍵部件扎穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和參數(shù)優(yōu)化。單因素試驗(yàn)表明:開合銷安裝角度、扎穴深度、成穴器錐角3個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著[13-15]。同時(shí),在已有的研究基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,尋求扎穴式玉米精密穴播機(jī)成穴機(jī)構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)組合[16]。

1 扎壓式玉米精播機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

扎穴式玉米精播機(jī)主要由機(jī)架體和扎穴機(jī)構(gòu)單體組成,主要工作部件對(duì)稱布置,保證了播種機(jī)作業(yè)時(shí)機(jī)體受力均衡,解決了單行作業(yè)效率低下的問(wèn)題,如圖1所示。扎穴機(jī)構(gòu)單體是播種機(jī)的核心機(jī)構(gòu),主要由扎穴機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)組成。扎穴機(jī)構(gòu)由機(jī)架、主軸、同心圓盤、偏心圓盤、軌道盤焊合件、開合桿、開合銷、6組鴨嘴串及軌道輪等組成。成穴器一側(cè)鴨嘴瓣與接種筒焊接,另一側(cè)與接種筒鉸接,既可接種,又可實(shí)現(xiàn)開穴播種。扎穴機(jī)構(gòu)采用平行四桿機(jī)構(gòu),使鴨嘴與地面保持垂直狀態(tài)。

1.扎穴機(jī)構(gòu) 2.扎穴機(jī)構(gòu)支撐架 3.肥箱支撐架 4.種肥暫存室 5.種肥暫存室支撐架 6.輸送軟管 7.外槽輪排種器 8.肥箱 9.主機(jī)架 10.牽引架 11.斜梁 12.地輪圖1 穴播機(jī)機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of corn Punch Planter

1.鴨嘴串 2.主軸 3.滑輪 4.偏心盤 5.軌道盤焊合件 6.UC206 7.同心圓盤 8.法蘭盤 9.鏈輪 10.大軸圖2 扎穴機(jī)構(gòu)Fig 2 Institutions of the punch

工作時(shí),地輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng),排種排肥機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),將種子定時(shí)定量地排入對(duì)應(yīng)的種肥暫存裝置,鴨嘴隨同心圓盤運(yùn)動(dòng)到最上端時(shí)觸碰種肥暫存裝置開關(guān),種子與肥進(jìn)入鴨嘴;當(dāng)鴨嘴隨同心圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),土壤受到鴨嘴的剪切與擠壓扎到疏松的土壟中,在開合桿與同心圓盤上固定的開合銷的相互作用下,鴨嘴張開,種子脫離鴨嘴,之后鴨嘴離開土壤,土壤回流;當(dāng)開合桿與開合銷分離時(shí),鴨嘴在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)閉合狀態(tài),播種作業(yè)完成。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)時(shí)間為 2015年11月-2016年2月。試驗(yàn)臺(tái)由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制,包括土槽(土壤堅(jiān)實(shí)度為14.3N/cm)、電控柜、臺(tái)車及電機(jī),如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。玉米種子為先玉335,使用復(fù)合肥。

1.土槽 2.配重 3.電機(jī) 4.牽引架 5.播種機(jī) 6.控制臺(tái)圖3 試驗(yàn)臺(tái)Fig 3 Structure of Fertilization monomer test-bed

2.2 試驗(yàn)方法

參考相關(guān)文獻(xiàn)[17-20]以及理論分析,建立如圖4所示坐標(biāo)系。其中,X軸正方向?yàn)樵C(jī)構(gòu)前進(jìn)方向,成穴器沿余擺線軌跡成穴。隨機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穴孔可分為:成穴器沿軌跡下降時(shí),活動(dòng)鴨嘴瓣對(duì)土壤的擠壓;成穴器上升階段,固定鴨嘴串對(duì)土壤的擠壓兩個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)db段在X的軸投影與ce段在X軸的投影,d與e距離便是穴孔長(zhǎng)度,則

圖4 穴器參數(shù)與穴孔關(guān)系Fig.4 Relationship among parameters of punching opener and soil hole

led=|xe-xd|=|xb-xc|+2h1tgα

式中l(wèi)ed—穴孔長(zhǎng)度(mm);

α—成穴器錐角(rad);

h1—成穴器入土深度(mm)。

當(dāng)活動(dòng)鴨嘴瓣在土壤中開合時(shí),同樣對(duì)成穴質(zhì)量造成影響,開合銷安裝角度決定其開始時(shí)間?，F(xiàn)選擇開合銷安裝角度、成穴器入土深度、成穴器錐角為影響因子,以穴口長(zhǎng)度、穴孔寬度、穴距為平價(jià)指標(biāo)[21]。開合銷安裝角度如圖5所示。

圖5 開合銷安裝角度Fig.5 Opening and closing pin installation Angle

采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次取平均值,水平編碼如表2所示。

表2 各變量水平編碼表Table 2 Actual value and code of variable

3 結(jié)果與分析

利用Design Expert8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行回歸分析和響應(yīng)面分析,并對(duì)三因素兩兩間的交互作用進(jìn)行分析,如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Experiment design and result

3.1 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

3.1.1 穴孔長(zhǎng)度回歸方程

方差分析結(jié)果如表4所示。由表4可知:在此模型中,X1、X2、X3、X12、X1X2、X1X3對(duì)方程影響極顯著,F值為39.07,p=0.0001<0.01,說(shuō)明該模型極顯著;失擬項(xiàng)的F檢驗(yàn)結(jié)果不顯著(p=0.5903>0.05),說(shuō)明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi),擬合程度較好。將不顯著項(xiàng)剔除后,得到回歸方程為

表4 穴孔長(zhǎng)度回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation for The lengt of soil hole

Y1=69.2+4.75X1+2.38X2+2.63X3-

3.1.2 穴孔寬度回歸方程

方差分析結(jié)果如表5所示。由表5可知:在此模型中,X3、X22、X1X2方程影響極顯著。X2影響顯著,經(jīng)過(guò)顯著性檢驗(yàn),F值為15.6,p=0.0001<0.05,說(shuō)明該模型顯著;失擬項(xiàng)的F檢驗(yàn)結(jié)果不顯著(p=0.5233>0.05),說(shuō)明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi),擬合程度較好。將不顯著項(xiàng)剔除后得到回歸方程為

表5 穴孔寬度回歸模型方差分析表Table 5 Variance analysis of regression equation for coefficients of the width of soil hole

Y2=57.67+0.75X1+1.63X2+2.38X3+

3.1.3 穴距回歸方程

穴距回歸模型方差分析如表6所示。由表6可知:在此模型中,X1、X12、X1X2對(duì)方程影響極顯著,X3、X22影響顯著。經(jīng)過(guò)顯著性檢驗(yàn),F值為17.11,p=0.0006<0.01,說(shuō)該模型極顯著;失擬項(xiàng)的F檢驗(yàn)結(jié)果不顯著(p=0.3554>0.05),說(shuō)明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi),擬合程度較好。不顯著項(xiàng)剔除后得到回歸方程為

表6 穴距回歸模型方差分析表Table 6 Variance analysis of regression equation for coefficients of soil hole spacing

Y3=254.42+9.25X1-0.37X2+3.38X3+

11.25X1X2+13.30X12+6.05X22

3.2 各單因素對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)影響主次分析

各因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表7所示。由表7可知:各因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度影響顯著依次為開合銷安裝角度、成穴器錐角、成穴器入土深度;對(duì)成穴寬度影響顯著依次為成穴器錐角、成穴器入土深度、合銷安裝角度;對(duì)穴距影響顯著依次為合銷安裝角度、成穴器入土深度、成穴器錐角。

表7 各因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Table 7 Importance of the effects of factors on response functions

3.3 各因素對(duì)性能指標(biāo)影響規(guī)律分析

3.3.1 交互因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響

兩因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響如圖6所示。

圖6 兩因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響Fig.6 Effects of two factors on the length of soil hole

由圖6(a)可知成穴器錐角為20°時(shí)前進(jìn)速度和成穴器入土深度交互作用對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響規(guī)律:隨著開合銷安裝角度增大;穴孔長(zhǎng)度先減小后增大,隨著成穴器入土深度的增加,穴孔長(zhǎng)度增大。當(dāng)合銷安裝角度為9°、成穴器入土深度為110mm時(shí),穴孔長(zhǎng)度達(dá)到最小值69mm。這主要是由于當(dāng)成穴器入土深度增大時(shí),成穴器入土點(diǎn)與出土點(diǎn)距離變大,進(jìn)而造成穴孔長(zhǎng)度變大[22]。由表4可知:開合銷安裝角度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為93.25,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為23.31,因此開合銷安裝角度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響大于入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響。

由如圖6(b)可知入土深度為110mm時(shí)開合銷安裝角度和成穴器錐角的交互作用對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響規(guī)律:隨著開合銷安裝角度的增大,穴孔長(zhǎng)度先減小后增大。當(dāng)前開合銷安裝角度為9°、成穴器錐角為21°時(shí),穴孔長(zhǎng)度達(dá)到最小值。由表4可知:開合銷安裝角度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為93.25,成穴器錐角對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為34.16,因此開合銷安裝角度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響大于入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度影響。

由圖6(c)可知開合銷安裝角度為9°時(shí)交互作用對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響規(guī)律:隨著入土深度的增大,穴孔長(zhǎng)度逐漸增大;隨著成穴器錐角的減小,穴孔長(zhǎng)度隨之減小;當(dāng)成穴器入土深度為110mm、成穴器錐角為21°時(shí),穴孔長(zhǎng)度達(dá)到最小值。由表4可知:成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為23.31,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為34.16,因此成穴器錐角對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響大于成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響。

3.3.2 交互因素對(duì)穴孔寬度的影響

兩因素對(duì)穴孔寬度的影響如圖7所示。

圖7 兩因素對(duì)穴孔寬度的影響Fig.7 Effects of two factors on coefficients of the width of soil hole

由圖7(a)可知成穴器錐角為20°時(shí)開合銷安裝角度和成穴器入土深度的交互作用對(duì)穴孔寬度的影響規(guī)律:隨著開合銷安裝角度增大,穴孔寬度逐漸減小直到穴孔寬度達(dá)到最小值53mm;當(dāng)開合銷安裝角度為9°、成穴器入土深度為110mm時(shí),穴孔寬度達(dá)到最小值。這主要是由于隨著開合銷安裝角度增加,成穴器在土壤中開合時(shí)間變短,兩側(cè)迅速回土使成穴寬度變小[23-24]。由表5可知:開合銷安裝角度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為67.82,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為0.81,因此開合銷安裝角度對(duì)穴孔寬度的影響大于入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響。

由圖7(b)可知入土深度為110mm時(shí)開合銷安裝角度和成穴器錐角的交互作用對(duì)穴孔寬度的影響規(guī)律:隨著成穴器錐角的減小,穴孔寬度逐漸減小,隨著開合銷安裝角度增加,穴孔寬度變化不大。主要原因:穴孔是由于成穴器的剪切力形成的,隨著錐角的增加,成穴器對(duì)兩側(cè)土壤的擠壓角變大,使穴孔寬度加大[25]。由表5可知:前進(jìn)速度對(duì)穴孔寬度作用的F值為0.41,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為2.23,因此前進(jìn)速度對(duì)穴孔寬度的影響小于成穴器錐角對(duì)穴孔寬度的影響。

由圖7(c)可知開合銷安裝角度為9°時(shí)成穴器入土深度和成穴器錐角的交互作用對(duì)穴孔寬度的影響規(guī)律:隨著入土深度的增大,穴孔寬度逐漸增大;隨著成穴器錐角的減小,穴孔長(zhǎng)度隨之較小。當(dāng)成穴器入土深度為110mm、成穴器錐角為21°時(shí),穴孔長(zhǎng)度達(dá)到最小值。主要原因:由于前進(jìn)速度不變,特征常量為定值(即扎穴軌跡不變),成穴器錐角變小對(duì)兩側(cè)土壤擠壓角度變小,進(jìn)而使穴孔寬度減小。由表5可知:成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為23.31,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為34.16,因此成穴器錐角對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響大于成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響。

3.3.3 交互因素對(duì)穴距的影響

兩因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響如圖8所示。

圖8 兩因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響Fig..8 Effects of two factors on soil hole spacing

由圖8(a)可知成穴器錐角為20°時(shí)開合銷安裝角度和成穴器入土深度的交互作用對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響規(guī)律:隨著前進(jìn)速度的增大,穴距逐漸減小直到穴距達(dá)到最小值246mm,之后穴孔長(zhǎng)度隨著前進(jìn)速度的增加而增大;當(dāng)開合銷安裝角度為9°、成穴器入土深度為110mm時(shí),穴孔長(zhǎng)度達(dá)到最小值。由表6可知:開合銷安裝角度對(duì)穴距作用的F值為67.82,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為0.81,因此開合銷安裝角度對(duì)穴距的影響大于入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響。

由圖8(b)可知入土深度為110mm時(shí)開合銷安裝角度和成穴器錐角的交互作用對(duì)穴距的影響規(guī)律:隨著隨著成穴器錐角的減小,穴距逐漸減小,但變化程度不大;隨著開合銷安裝角度的增加,穴距先減小后增大。由表6可知:開合銷安裝角度對(duì)穴距作用的F值為68.72,成穴器入土深度對(duì)穴距作用的F值為12.23,因此開合銷安裝角度對(duì)穴孔寬度的影響小于入土深度對(duì)穴孔寬度的影響。

由圖8(c)可知開合銷安裝角度為9°時(shí)成穴器入土深度和成穴器錐角的交互作用對(duì)穴孔寬度的影響規(guī)律:隨著入土深度的增大,穴孔寬度逐漸增大;隨著成穴器錐角的減小,穴孔長(zhǎng)度隨之較小。當(dāng)成穴器入土深度為110mm、成穴器錐角為21°時(shí),穴孔長(zhǎng)度達(dá)到最小值。由表6可知:成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為23.31,成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度作用的F值為34.16,因此成穴器錐角對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響大于成穴器入土深度對(duì)穴孔長(zhǎng)度的影響。

3.4 優(yōu)化分析

按照穴孔長(zhǎng)度和寬度最小、穴距在250～300mm范圍內(nèi)的農(nóng)藝要求,在開合銷安裝角度5°～13°、成穴器入土深度100～120mm、成穴器錐角15°～25°的約束條件下[26],優(yōu)化分析結(jié)果如圖9所示。參數(shù)優(yōu)化組合區(qū)間為:開合銷安裝角度5°～13°,成穴器入土深度100～118mm,成穴器錐角15°。

圖9 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.9 Optimum analysis plot

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,在最佳參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)開合銷安裝角度為9°、成穴器入土深度為110mm、成穴器錐角為15°時(shí),測(cè)得穴孔長(zhǎng)度67mm、穴孔寬度56mm、穴距251mm。結(jié)果表明:在優(yōu)化參數(shù)指標(biāo)區(qū)間內(nèi),優(yōu)化結(jié)果是可信的,進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的適合性。

5 結(jié)論

1)扎穴式玉米精播機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)各因素對(duì)穴孔長(zhǎng)度影響顯著依次為開合銷安裝角度、成穴器錐角、成穴器入土深度;對(duì)成穴寬度影響顯著依次為成穴器錐角、成穴器入土深度、開合銷安裝角度;對(duì)穴距影響顯著依次為開合銷安裝角度、成穴器入土深度、成穴器錐角。

2)扎穴式玉米精穴播機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)存在最優(yōu)值,工作部件的的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)成穴作業(yè)質(zhì)量存在顯著影響。參數(shù)優(yōu)化組合區(qū)間為:開合銷安裝角度5°～13°,成穴器入土深度100～118mm,成穴器錐角15°。