帶勺式馬鈴薯排種裝置的工作參數優化試驗設計

黃 勇，趙曉雪，戚江濤，李景彬，付 威，解振威

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

馬鈴薯是一種既可作主食、蔬菜，又可做飼料、工業原料的作物，具有營養豐富、產量高、適應性廣的特點。2015年，農業部將馬鈴薯列為繼小麥、水稻、玉米的第四大糧食作物，成為解決人類糧食問題的重要作物[1-2]。由于馬鈴薯種植工序繁雜，傳統種植方式人力消耗大，無法保證種植精度，直接影響馬鈴薯產量商品薯率及總產量。要實現馬鈴薯產業的快速發展，需解決馬鈴薯機械化種植問題。

近年來，國內外開展了有關馬鈴薯勺式排種技術的研究，包括柔性播種帶勺式及鏈勺式兩種形式。實踐證明：帶勺式排種技術相較于鏈勺式排種技術具有生產效率高、種薯損傷小的優勢[3-5]。國內外學者針對帶勺式排種器，分析了排種器傾角、工作轉速、振動幅度對排種性能的影響。研究發現：排種器向播種機前進方向傾斜10°最利于排種均勻性，隨排種裝置工作轉速、振動幅度的增大，漏播率逐漸增大，重播率逐漸減小[6-12]。這些研究為馬鈴薯排種裝置的設計提供了重要依據，但并未考慮到種薯形狀系數及投種高度對排種性能的影響，同時有關馬鈴薯排種裝置的參數試驗多為單因素試驗或正交試驗。正交試驗雖然能篩選出影響馬鈴薯排種裝置排種效果的主要影響因素，但在排種裝置參數與排種效果模型建立方面仍存在不足，不能預測出最優參數組合下的響應函數數值。現有排種裝置仍存在漏播率較高及作業效率低等實際問題[13-14]。

針對上述問題，本文采用自制帶勺式馬鈴薯排種試驗臺，利用Design-Expert軟件設計了四因素三水平Box-Behnken試驗，求解馬鈴薯排種裝置工作參數的最優組合，為馬鈴薯播種機的研制和設計提供參考。

1 結構與工作原理

1.1 帶勺式馬鈴薯排種裝置結構

帶勺式馬鈴薯排種試驗臺由排種裝置、種床皮帶及機架等組成，結構如圖1所示。

1.排種裝置 2.電動機 3.機架 4.種床皮帶

1.2 工作原理

播種機在田間工作時，由拖拉機牽引前進，將種薯均勻播種于地面。試驗時，排種裝置由機架架起，處于靜止狀態，種床皮帶相對排種器轉動。試驗臺工作原理與播種機工作原理相反，利用種床皮帶運動模擬播種機田間播種前進。排種裝置工作原理為：播種帶為上帶輪驅動，動力由鏈傳動輸入，種勺隨播種帶轉至種箱底部，舀取種薯進入種勺；種勺攜帶種薯翻越上驅動帶輪，種薯下落，由種勺背部托住，在種勺背部及種帶通道保護下輸送種薯；當種勺與的開口達到一定角度時，種薯釋放在種床皮帶上，完成排種過程。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

整薯按照下列方法進行處理：質量較小100g左右的馬鈴薯，可縱切為2塊；質量較大150g左右的馬鈴薯可切成2～3塊，先從基部切下一塊，剩余部分縱切為2塊[15]。種薯切塊處理完成后，測量種薯三維尺寸，根據《GB/T6242-2006 種植機械 馬鈴薯種植機 試驗方法》[16]計算種薯形狀系數并進行分類。試驗地點為石河子大學機電院排種器試驗室。

2.2 試驗方法

2.2.1 影響因素的確定

根據馬鈴薯排種裝置的結構參數和工作參數，試驗選取影響馬鈴薯排種效果4個關鍵參數：播種帶線速度x1、清種手柄位置x2、投種高度x3、種薯形狀x4。

1)播種帶線速度。播種帶線速度較高時，種勺與種薯接觸時間較短，可能出現充種率較低的現象，最終造成漏播；播種帶速度較低時，種勺與種薯接觸時間較長，可能造成1個種勺中超過1粒種薯的情況，最終造成重播。此外，播種帶線速度影響投種區種薯釋放角時間差，因此排種裝置性能必須考慮播種帶線速度。

2)清種手柄位置。清種裝置作用是將種勺中多余的種薯通過振動清除出種勺，清種力大小可以調節：若清種力度較大，可能將種勺中只有1粒的種薯也清除出種勺，造成漏種；若清種力度較小，可能無法將種勺中多余種薯清除出種勺。因此，排種裝置性能必須考慮播清種清種手柄位置。

3)投種高度。投種高度是排種器本身結構以外的因素，種薯接觸土壤時會出現跳動、滾動等現象，使種薯偏離原來的軌跡，造成株距不均。投種高度越大，對種薯的偏離現象越嚴重。馬鈴薯播種本身需要較大的深度，可以通過減小開溝深度、增大覆土層厚度的方法減小投種高度，獲得較好的排種均勻性。投種高度對排種器性能影響較大，種薯與種床之間的碰撞造成種薯滾動，改變原有株距。因此，需要對投種高度做相應研究。

4)種薯形狀。種薯形狀關系到馬鈴薯在種勺中的釋放角，若釋放角統一，在播種帶速度一定的情況下，種薯的釋放時間也一致，種薯將獲得較為統一的粒距。因此，必須對種薯形狀做相應研究。由于馬鈴薯實際播種過程中特長條形種薯占比不足1%，因此種薯形狀只考慮圓形、橢圓形、長條形。種薯形狀系數計算公式為

其中，f=100～160為圓形；f≥161～240為橢圓形；f≥241～340為長條形；f>340為特長條形。

式中L—最大長度(mm)；

W—最大寬度(mm)；

T—最大厚度(mm)。

2.2.2 響應函數

按照《GB/T 6242-2006, 種植機械 馬鈴薯種植機 試驗方法》中的要求，選取重播率y1、漏播率y2、粒距變異系數y3為其效果評價指標。

2.2.3 試驗設計

利用Design-Expert設計了四因素三水平Box-Behnken試驗，共29組。其中，24組為析因試驗，5組為誤差試驗[17]。試驗因素水平編碼如表1所示，試驗方案如表2所示，每組試驗重復3次，結果取3次試驗平均值。

表1 試驗因素水平編碼Table 1 Factor level coding

3 結果與分析

3.1 試驗結果

以播種帶線速度x1、清種手柄位置x2、投種高度x3、種薯形狀x4為因素，對重播率y1、漏播率y2、株距變異系數y3等指標進行了試驗，試驗方案及結果如表2所示。

利用Design-Expert軟件得到各響應函數的回歸方程，剔除不顯著項后的回歸方程為

y1=40.49-42.74x1+1.46x2+0.03x3-5.63x1x2+

2.01199x42

(2)

y2=40.16+45.81x1-3.55x2+4.91x1x2-

13.66x12-1.28x22-1.108x42

(3)

y3=17.23-9.56x1+0.5x3-1.22x1x3+12.27x12

(4)

表2 試驗方案及結果Table 2 Program and result of the test

對試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。由表3可以看出：重播率、漏播率和株距變異系數的回歸方程模型P≤0.001。這說明，3個回歸方程模型極其顯著。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

3.2 試驗因素對重播率的影響分析

試驗因素對重播率的影響如圖2所示。圖2中，當投種高度在0水平(x3=12cm)、種薯形狀系數在0水平時(種薯選取橢圓形)，交互作用對重播率的影響規律如下：重播率y1的范圍為6%～12%。將播種帶速度固定在某一定值時，隨清種手柄位置的增加，重播率逐漸降低；將清種手柄位置固定在某一定值時，隨播種帶速度的增加，重播率逐漸降低。

圖2 試驗因素對重播率的影響Fig.2 Effect of test factors on replay rate

3.3 試驗因素對漏播率的影響分析

試驗因素對漏播率的影響如圖3所示。當投種高度在0水平(x3=12cm)、種薯形狀系數在0水平時(種薯選取橢圓形)，交互作用對重播率的影響規律如下：漏播率y2的范圍為2%～12%。將播種帶速度固定在某一定值時，隨清種手柄位置的增加，漏播率逐漸增大；將清種手柄位置固定在某一定值時，隨播種帶速度的增加，漏播率逐漸增大。

圖3 試驗因素對漏播率的影響Fig.3 Effect of test factors on leakage rate

3.4 試驗因素對株距變異系數的影響分析

試驗因素對株距變異系數的影響如圖4所示。

圖4 試驗因素對株距變異系數的影響Fig.4 Effect of test factors on plant spacing coefficient of variation

當清種手柄位置在0水平(清種滾輪與皮帶半接觸)、種薯形狀系數在0水平時(種薯選取橢圓形)，交互作用對重播率的影響規律如下：株距變異系數y3的范圍為20%～25%。將播種帶速度固定在某一定值時，隨投種高度的增加，株距變異系數逐漸增大；將投種高度固定在某一定值時，隨播種帶速度的增加，株距變異系數逐漸增大。

3.5 參數優化與驗證

為了獲得較好的馬鈴薯排種裝置排種性能，本文根據重播率、漏播率、株距變異系數的種植要求為優化目標，進行馬鈴薯排種器的工作參數和結構參數優化分析。

應用Design-Expert數據分析軟件對建立的3個指標的全因子二次回歸模型優化分析，約束條件為：①目標函數；②影響因素約束。獲得最優工作參數組合如表4所示。

表4 最優參數組合Table 4 The optimal parameter combination

4 結論

1)建立了重播率、漏播率、株距變異系數與播種帶線速度、清種手柄位置、投種高度、種薯形狀的回歸模型。利用Design-Expert軟件對回歸模型進行可靠性診斷，得知重播率、漏播率、株距變異系數的回歸模型可靠度較高。

2)影響重播率、漏播率的主要因素為播種帶線速度、清種手柄位置及其交互作用，影響株距變異系數的主要因素為播種帶線速度、投種高度及其交互作用。

3)帶勺式馬鈴薯排種器的最優工作參數組合為：播種帶線速度在0.23m/s，清種手柄位置在中間位置，投種高度為9cm，種薯選用橢圓形種薯時，可獲得重播率為10.11%、漏播率為6.48%、株距變異系數為19.61%的最優工況，為帶勺式馬鈴薯排種裝置參數的選擇提供了現實依據。