木薯種植機(jī)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

郭帶貴， 廖宇蘭， 張惜輝， 袁成宇， 吳中野

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228）

木薯是三大薯類(lèi)作物之一，由于具有強(qiáng)耐旱性、耐貧瘠、易管理、產(chǎn)量高、不與其他糧食作物爭(zhēng)地等諸多特點(diǎn)而受到人們的喜愛(ài)。木薯不僅是許多熱帶、亞熱帶地區(qū)日常食物的主要能量來(lái)源，也是重要的生物能源物質(zhì)[1-3]。木薯生產(chǎn)技術(shù)包括起壟、種植、中耕、收獲等工序，其中種植是重要的工序[4-7]，消耗的勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前，大部分木薯種植戶依然采用人工種植的方式，適合種植戶需求的單行木薯種植機(jī)的研究還在起步階段，所采用的單行木薯種植機(jī)多為其他蔬菜類(lèi)移栽機(jī)改裝而成，不能充分適應(yīng)木薯株距的種植，存在種植效果不理想、種植效率低等問(wèn)題[8]，亟需加快專(zhuān)用木薯種植機(jī)的研發(fā)。泰國(guó)、墨西哥、尼日利亞和馬來(lái)西亞等國(guó)家先后研制了不同型號(hào)的單行、雙行或多行種植機(jī)，作業(yè)時(shí)需有多名工人協(xié)同操作[9]。根據(jù)前期研究考察，作業(yè)參數(shù)是影響木薯種植效果的主要因素之一，因此，優(yōu)化木薯種植機(jī)作業(yè)參數(shù)，有利于提高種植效果和作業(yè)效率，對(duì)專(zhuān)用木薯種植機(jī)的研究具有重要參考價(jià)值。

關(guān)于降低木薯種植成本、提高作業(yè)效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Lungkapin 等[10]研究的雙行木薯種植機(jī)適合中小型地塊，無(wú)需提前進(jìn)行切種，1 次可裝載木薯莖稈1.5 m3，可以在種植的同時(shí)對(duì)木薯進(jìn)行施肥，很大程度上提高了木薯種植效率。Ospina 等[11]改進(jìn)的雙行木薯種植機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)種間距和行間距的多級(jí)調(diào)節(jié)，不需要人工對(duì)木薯莖稈進(jìn)行切割，可直接在種植機(jī)上進(jìn)行切種并種植，降低了成本，提高了效率。廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位研制的2CMS-2 型木薯聯(lián)合種植機(jī)和2BMSU/2X 型旋切開(kāi)溝式木薯播種機(jī)，由人工輔助輸送莖稈，切斷的種莖自由落入種溝完成擺放[12-13]。崔振德等[14]設(shè)計(jì)了寬窄雙行起壟式種植機(jī)，寬行行間距1 200 mm，窄行行間距600 mm，可避免拖拉機(jī)在種植過(guò)程中碾壓木薯壟，減少了壓斷木薯莖稈的概率，可保證木薯種植效果，提高作業(yè)效率。已有研究大多是從整機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能等方面對(duì)木薯種植質(zhì)量和效率進(jìn)行研究，而對(duì)木薯種植機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化方面鮮有報(bào)道。

為降低成本、提高作業(yè)質(zhì)量和效率，本研究利用課題組自制的單行木薯種植機(jī)，開(kāi)展作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，以前進(jìn)速度、曲柄轉(zhuǎn)速和機(jī)具高度為試驗(yàn)因素，以合格率和漏種率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定三因素正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)邊界條件，通過(guò)響應(yīng)曲面法進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立各因素對(duì)合格率和漏種率回歸響應(yīng)模型并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，尋求最佳作業(yè)參數(shù)組合，以期為木薯種植機(jī)的參數(shù)選擇和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

木薯種植機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、播種裝置、機(jī)架、分種裝置、座椅、覆土裝置、機(jī)架高度調(diào)節(jié)裝置、搖桿、減速器、行走輪等部件組成，具體如圖1所示。

圖1 木薯種植機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structural of cassava planter

1.2 試驗(yàn)材料與方法

以泰山304型拖拉機(jī)（泰安泰山國(guó)泰拖拉機(jī)制造有限公司）作為木薯種植機(jī)的動(dòng)力，于2022 年3 月在海南大學(xué)儋州校區(qū)試驗(yàn)基地進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)臼砥贩N為‘華南9 號(hào)’，試驗(yàn)基地土壤類(lèi)型為磚紅壤。用VMS-3001-TRREC型便攜式土壤測(cè)量?jī)x（山東威盟士科技有限公司）測(cè)量土壤含水率，測(cè)點(diǎn)數(shù)目為30 個(gè)，平均含水率為7.6%。其他試驗(yàn)儀器和設(shè)備包括1BQX-1.5 型圓盤(pán)耙（禹城益佳機(jī)械有限公司）、3ZBX型起壟機(jī)（山東天盛機(jī)械制造有限公司）、卷尺、UT373 型數(shù)字式非接觸轉(zhuǎn)速計(jì)[優(yōu)利德科技（中國(guó)）股份有限公司]、秒表、小型塑料桶等。

試驗(yàn)開(kāi)始前，用圓盤(pán)耙和起壟機(jī)對(duì)試驗(yàn)基地的土壤分別進(jìn)行耙碎、起壟，起壟完成后，用卷尺測(cè)得平均壟高300 mm，平均壟底寬900 mm，平均壟頂寬600 mm；調(diào)整木薯種植機(jī)輪距和播種裝置位置，沿成壟方向進(jìn)行播種。選取壟長(zhǎng)30 m 進(jìn)行木薯種植試驗(yàn)，取每壟所種植的木薯種莖數(shù)，通過(guò)以下公式計(jì)算每組試驗(yàn)合格率（Y1）和漏種率（Y2）。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

式中，NH為木薯合格數(shù)；NL為木薯漏種數(shù)；N為測(cè)定的木薯總數(shù)。

1.3 單因素試驗(yàn)

為探究前進(jìn)速度（A）、曲柄轉(zhuǎn)速（B）、機(jī)具高度（C）對(duì)合格率和漏種率的影響規(guī)律并確定各因素水平范圍，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。依據(jù)木薯種植機(jī)的作業(yè)原理并參考相關(guān)研究數(shù)據(jù)[15-18]，結(jié)合實(shí)際田間作業(yè)的參數(shù)，選取前進(jìn)速度范圍為0.4～1.2 m·s-1，曲柄轉(zhuǎn)速范圍為26～58 r·min-1，機(jī)具高度范圍為340～420 mm。試驗(yàn)時(shí)選用以下作業(yè)參數(shù)組合：前進(jìn)速度0.8 m·s-1，曲柄轉(zhuǎn)速42 r·min-1，機(jī)具高度380 mm，每組試驗(yàn)固定其中2個(gè)因素水平，探究單因素對(duì)合格率和漏種率的影響規(guī)律。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，取平均值。單因素試驗(yàn)水平[19]如表1所示。

表1 單因素試驗(yàn)水平Table 1 Single-factor test levels

1.4 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步探究作業(yè)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的交互影響規(guī)律，以前進(jìn)速度、曲柄轉(zhuǎn)速、機(jī)具高度作為試驗(yàn)因素，合格率和漏種率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[20]。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選定前進(jìn)速度為0.8～1.2 m·s-1，曲柄轉(zhuǎn)速為34～50 r·min-1，機(jī)具高度為360～400 mm。依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)理論進(jìn)行三因素三水平正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Table 2 Test factor code

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

2.1.1 前進(jìn)速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響 試驗(yàn)設(shè)定曲柄轉(zhuǎn)速42 r·min-1，機(jī)具高度380 mm，根據(jù)不同擋位測(cè)得對(duì)應(yīng)的前進(jìn)速度平均值分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m·s-1，進(jìn)行前進(jìn)速度的單因素試驗(yàn)。由圖2 可知，隨著前進(jìn)速度的逐漸增加，合格率整體呈下降趨勢(shì)，漏種率整體呈上升趨勢(shì)。前進(jìn)速度在0.4～1.2 m·s-1區(qū)間，隨著前進(jìn)速度的逐漸增加，木薯種植機(jī)播種裝置合格率下降逐漸變快且降幅小于10 個(gè)百分點(diǎn)；就漏種率而言，前進(jìn)速度在0.4～1.2 m·s-1區(qū)間，隨著前進(jìn)速度的逐漸增加，漏種率呈先勻速后加速上升趨勢(shì)，上升幅度小于4個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 不同前進(jìn)速度下的試驗(yàn)指標(biāo)Fig. 2 Test indexes under different forward speed

2.1.2 曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響 試驗(yàn)設(shè)定前進(jìn)速度為0.8 m·s-1，機(jī)具高度為380 mm，曲柄轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為26、34、42、50、58 r·min-1，進(jìn)行曲柄轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)。曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)合格率和漏種率的影響如圖3 所示，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的逐漸增加，合格率整體呈上升趨勢(shì)，漏種率整體呈下降趨勢(shì)。曲柄轉(zhuǎn)速在26～58 r·min-1區(qū)間，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的逐漸增加，合格率呈先勻速后減速上升趨勢(shì)，上升幅度大于10 個(gè)百分點(diǎn)；對(duì)于漏種率，曲柄轉(zhuǎn)速在26～58 r·min-1區(qū)間，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的逐漸增加，漏種率下降幅度逐漸平緩，下降幅度小于4個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 不同曲柄轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)指標(biāo)Fig. 3 Test indexes under different crank speed

2.1.3 機(jī)具高度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響 設(shè)定前進(jìn)速度為0.8 m·s-1，曲柄轉(zhuǎn)速為42 r·min-1，機(jī)具高度分別設(shè)置為340、360、380、400、420 mm，進(jìn)行機(jī)具高度的單因素試驗(yàn)。機(jī)具高度對(duì)合格率和漏種率的影響如圖4 所示，隨著機(jī)具高度的逐漸增加，合格率整體呈下降的趨勢(shì)，漏種率整體呈上升的趨勢(shì)。對(duì)于合格率，機(jī)具高度在340～420 mm區(qū)間，隨著機(jī)具高度的逐漸增加，合格率呈勻速下降趨勢(shì)，下降幅度小于8 個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)于漏種率，機(jī)具高度在340～420 mm區(qū)間，隨著機(jī)具高度的逐漸增加，漏種率上升幅度逐漸加大，升幅大于4.5個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 不同機(jī)具高度下的試驗(yàn)指標(biāo)Fig. 4 Test indexes under different implement height

2.2 三因素三水平試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析 試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3 所示，在不同試驗(yàn)因素水平條件下，試驗(yàn)指標(biāo)中的合格率變化范圍為80.31%～93.34%，漏種率的變化范圍為2.17%～8.16%。

表3 多因素組合試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Multi-factor combination test plan and results

2.2.2 回歸模型建立與顯著性分析 根據(jù)表3 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Design Exper 軟件進(jìn)行二次回歸響應(yīng)分析，建立合格率（Y1）和漏種率（Y2）對(duì)前進(jìn)速度（A）、曲柄轉(zhuǎn)速（B）、機(jī)具高度（C）的響應(yīng)面回歸模型，如式(3)和式(4)所示。

對(duì)合格率和漏種率的響應(yīng)回歸模型進(jìn)行方差分析，由表4可知，合格率模型中的P值為0.000 8，表明合格率回歸模型的顯著水平極其顯著；模型的決定系數(shù)R2為0.952 2，表明線性回歸方程擬合效果較好。由表5 可知，漏種率模型中的P值為0.002 4，表明漏種率回歸模型的顯著水平極其顯著；模型的決定系數(shù)R2為0.933 4，表明線性回歸方程擬合效果較好。

表4 合格率方差分析Table 4 Variance analysis of qualification rate

表5 漏種率方差分析Table 5 Variance analysis of seed leakage rate

在合格率的模型中（表4），A、A2和C2項(xiàng)的P值均小于0.01，表明響應(yīng)回歸模型作用極其顯著；B和B2項(xiàng)的P值小于0.05，表明響應(yīng)回歸模型作用顯著；其他項(xiàng)的影響作用不顯著。在漏種率的模型中（表5），A、A2和C2的P值均小于0.01，表明響應(yīng)回歸模型極其顯著；B和B2項(xiàng)的P值小于0.05，表明響應(yīng)回歸模型作用顯著；其他項(xiàng)響應(yīng)回歸模型作用不顯著。在保證P值的基礎(chǔ)上，將表4 和表5 中不顯著項(xiàng)篩選去除后，重新得到的合格率和漏種率的回歸模型方程如式(5)和式(6)所示。

2.2.3 交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)面分析 由圖5 可知，當(dāng)處于曲柄轉(zhuǎn)速的各個(gè)水平時(shí)，合格率隨著前進(jìn)速度的增加均呈先上升后下降加快趨勢(shì)，當(dāng)處于前進(jìn)速度的各個(gè)水平時(shí)，合格率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加均呈先上升后下降趨勢(shì)；當(dāng)處于機(jī)具高度的各個(gè)水平時(shí)，合格率隨著前進(jìn)速度的增加均呈先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)處于前進(jìn)速度的各個(gè)水平時(shí)，合格率隨著機(jī)具高度的增加均呈先上升后下降趨勢(shì)；當(dāng)處于機(jī)具高度的各個(gè)水平時(shí)，合格率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加均呈上升趨勢(shì)，當(dāng)處于曲柄轉(zhuǎn)速的各個(gè)水平時(shí)，合格率隨著機(jī)具高度的增加均呈先上升后下降趨勢(shì)。

圖5 交互作用對(duì)合格率的響應(yīng)曲面Fig. 5 Response surface of interaction to qualification rate

由圖6 可知，當(dāng)處于曲柄轉(zhuǎn)速的各個(gè)水平時(shí)，漏種率隨著前進(jìn)速度的增加均呈先下降后上升加快趨勢(shì)，當(dāng)處于前進(jìn)速度的各個(gè)水平時(shí)，漏種率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加均呈先下降后上升趨勢(shì)；當(dāng)處于機(jī)具高度的各個(gè)水平時(shí)，漏種率隨著前進(jìn)速度的增加均呈先下降后上升趨勢(shì)，當(dāng)處于前進(jìn)速度的各個(gè)水平時(shí)，漏種率隨著機(jī)具高度的增加均呈先下降后上升趨勢(shì)；當(dāng)處于機(jī)具高度的各個(gè)水平時(shí)，漏種率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)處于曲柄轉(zhuǎn)速的各個(gè)水平時(shí)，漏種率隨著機(jī)具高度的增加均呈先下降后上升趨勢(shì)。

2.3 種植參數(shù)優(yōu)化與組合參數(shù)合理性試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 種植參數(shù)優(yōu)化 由于木薯種植機(jī)作業(yè)參數(shù)組合的試驗(yàn)指標(biāo)是合格率與漏種率，為了使木薯種植機(jī)的作業(yè)效果最佳，要求合格率越大越好、漏種率越小越好。通過(guò)單因素試驗(yàn),確定各因素的取值范圍，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)，利用Design Expert 軟件優(yōu)化求解功能，得出最佳作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.92 m·s-1、曲柄轉(zhuǎn)速43 r·min-1、機(jī)具高度383 mm，木薯的合格率為93.85%，漏種率為1.96%。

2.3.2 組合合理性驗(yàn)證 為了驗(yàn)證最佳作業(yè)參數(shù)組合的合理性，根據(jù)上述作業(yè)參數(shù)在海南省海南大學(xué)儋州校區(qū)試驗(yàn)基地進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。合格率和漏種率試驗(yàn)平均值分別為95.47%和2.05%，試驗(yàn)值與模型優(yōu)化值相對(duì)誤差分別為1.73%和4.60%，誤差均小于5%，表明模型可靠。因土壤堅(jiān)實(shí)度、水分等時(shí)刻在變化，所造成的摩擦力也在變化，前進(jìn)速度是個(gè)變化值，因此在木薯種植機(jī)作業(yè)時(shí)，選用作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.89～0.94 m·s-1、曲柄轉(zhuǎn)速43 r·min-1、機(jī)具高度383 mm，種植效果最佳，滿足木薯機(jī)械化種植技術(shù)要求。

表6 驗(yàn)證結(jié)果Table 6 Verification result

3 討論

根據(jù)已有的研究，木薯種植機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和作業(yè)性能分別作為單方面進(jìn)行優(yōu)化研究，提高木薯種植效率和質(zhì)量，而在實(shí)際應(yīng)用中，整體結(jié)構(gòu)與作業(yè)性能二者之間相互獨(dú)立又彼此制約、相互影響。因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，以前進(jìn)速度、曲柄轉(zhuǎn)速、機(jī)具高度為試驗(yàn)因素，以合格率和漏種率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化研究。采用響應(yīng)曲面法建立回歸方程，確定各因素對(duì)合格率和漏種率的影響規(guī)律。以合格率最高和漏種率最低為優(yōu)化目標(biāo)，得出最佳作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.89～0.94 m·s-1、曲柄轉(zhuǎn)速43 r·min-1、機(jī)具高度383 mm，在此條件下，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明合格率為95.47%，漏種率為2.05%。

在已有的優(yōu)化研究中，針對(duì)優(yōu)化需求建立了種植機(jī)的整機(jī)或關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，利用ADAMS軟件、EDEM 軟件等優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[21-22]，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)種植機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、種植性能優(yōu)化方面提供了理論指導(dǎo)，但已有的研究中缺乏理論優(yōu)化與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，本研究通過(guò)響應(yīng)曲面法與種植機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)已建立的種植試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，驗(yàn)證了理論分析的可靠性，確定了各因素的取值范圍以及最佳參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)了理論優(yōu)化與實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)一。本研究選取‘華南9 號(hào)’為研究對(duì)象，通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木薯種植質(zhì)量仍有較大提升空間，在今后的研究中，也可通過(guò)其他優(yōu)化方法或結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升木薯種植機(jī)作業(yè)性能。