小籽粒精密播種機參數優化試驗研究

趙 健，呂秀婷，韓 冰，李東陽，程朝暉，王賓剛，劉建軍

(1.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，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

播種是種植業重要的作業環節之一，播種適當與否直接影響作物的生長發育和產量。在傳統的農作物中，谷子、油菜、胡麻、糜黍、煙草、胡蘿卜及莜麥等均稱為小籽粒農作物。隨著社會的發展，小籽粒農作物在國民經濟中的比重越來越大，日趨成為人們日常生活中的重要部分，擴大其種植面積，提高農業現代化水平是近幾年農業發展的新趨勢。目前，用人工撒播或條播是傳統小籽粒農作物主要播種方式[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，導致種子浪費[18]；三是播種作業效率低下，限制了小籽粒農作物的現代化發展。因此，提高播種性能、減少種子破損是現階段小籽粒農作物播種的重點研究方向。

國外對播種機的研究較早，已經研制出多種形式播種機，有的播種機不僅能完成精密播種，而且還能在播種的同時完成施加肥料、平整土地、噴灑農藥和播后鎮壓等一系列田間作業；但此類播種機只能播種大粒距的種子，通用性較差[19]。我國從20世紀80年代末開始研發適合我國的精密播種機械[20]。王峰霞等人設計了圓盤型孔式小型精密排種器，但其體積、質量都較大，不易應用于實際生產中[8]。本次設計的自走式小籽粒精密播種機，可有效節約種子，提高播種效率，增加作物產量，旨在為小籽粒農作物提供一種新的播種方式，以實現小籽粒農作物的精密播種。

1 播種機結構設計及工作原理

1.1 播種機結構組成

播種機的結構，如圖1所示。

1.調速器 2.蓄電池 3.軸承座 4.機架 5.行走輪 6.排種軸 7.排種器 8.單向軸承 9.同步帶 10.電機 11.行走輪傳動軸

1.2 播種機結構設計

本次設計的播種機機架采用40系列和60系列的鋁方管型材，整機質量約50kg，電機由驅動功率P決定，驅動功率P的計算公式為

P=F阻·v

(1)

式中F阻—工作阻力(N)；

v—行走速度(m/s)。

本次設計的播種機前進阻力F阻為200N，前進速度為0.5m/s，代入公式得P=F阻·v=100W。

由此，選取電機功率為500W，考慮到整機結構和工作穩定性，采用了直流差速電機，變速箱的速比為10∶1，額定轉速為3 000r/min，功率為500W，電壓為48V。

本次設計的播種機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.滾動軸承 4.凸輪 5.螺釘 6.伸縮彈簧 7.推桿 8.毛刷

播種機地輪直徑為108mm，地輪半徑為0.054m。則地輪轉速為

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，本次設計的播種機排種輪上有6個型孔，排種間隔為△t=d距/v，排種器每播1粒種子轉動角度為θ=π/3，排種器角速度為w=θ/△t。

排種器轉速為

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。

本次設計的播種機導種管通過螺釘與排種器排種口連接，下方接導種橡膠管；導種管使用3D打印機進行打印，打印采用PLA材料。

1.3 播種機工作原理

電機由蓄電池供電，調節調速器可以控制電機的轉速和方向，電機的輸出軸通過同步帶分別與排種軸和行走輪傳動軸連接，電機的轉動帶動排種器的排種和播種機的行走，從而完成播種機的播種過程。除此之外，排種軸上裝有超越離合器—單向軸承，播種機前進時排種軸轉動完成播種，播種機后退時，排種軸保持不轉動，不排種，此設計有效避免了播種機后退時排種器重播的現象。

2 播種機性能試驗

2.1 試驗指標

本次試驗以種子漏播率、種子重播率、種子破損率、粒距合格率為評價指標，計算方法如下：

試驗時測量各相鄰種子粒距的不同X值，將所測粒距樣本劃分為：(0～0.5Xr]、(0.5Xr～1.5Xr]、(1.5Xr～2.5Xr]、(2.5Xr～3.5Xr]、(3.5Xr～+∞]，Xr為試驗前設定的理論要求粒距。取其結果做以下代換：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～+∞]}。

則試驗測量總粒距數為

N=N1′+N2′+N3′+N4′+N5′

種子漏播數為N1=N3′+2N4′+ 3N5′

種子重播數為N2=N1′

種子破損數為N3=Na(Na為破損種子的個數)

粒距合格數為N4=N-2N2

區段數為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，中國共產黨領導全國在長期的革命和建設奮斗過程中，繼承了中國優秀傳統文化，有選擇性地吸收世界先進文化。它的意義在于把馬克思主義理論體系與中國特色的社會主義紅色文化主動地有機結合，運用馬克思主義的價值功能，創造濃厚的紅色文化氛圍，激發群眾接受理論知識的積極性，使抽象的理論通俗化，讓紅色文化體現在各種形式中，滲透到人民群眾的日常生活中，在潛移默化中實現馬克思主義理論大眾化，實現人們對馬克思主義理論和紅色文化的自覺接受，促進馬克思主義的大眾化傳播，推動中國特色社會主義的快速發展，完成“兩個一百年”的奮斗目標，把我國建設成為富強民主文明和諧美麗的社會主義現代化強國。

種子破損率C=N3/Nb×100%(Nb為種子總數)

粒距合格率D=N4/N′×100%

2.2 試驗設計

試驗時間為2017年4月22日，試驗地點為西北農林科技大學農業機械實驗室(34°16'56.24"N 108°4'7.95"E)。由前期單因素試驗所得數據并通過查閱相關的國內外參考文獻，確定取值范圍為：排種輪轉速9～13r/min，導種管橡膠管長度50～100mm。排種輪轉速通過調節調速器控制，導種管橡膠管長度通過安裝不同長度導種橡膠管控制。同時，在相同條件下完成導種管有無的對照試驗。試驗材料是陜西省煙草研究所研制的包芽秦煙96煙草種子，包芽煙草種子近似為球體，隨機取200粒煙草種子，每一顆種子重復3次測量其直徑。種子的直徑分布情況，如圖3所示。

試驗采用二因素五水平二次正交旋轉組合試驗，試驗因素的水平編碼表如表1所示。試驗方案及結果如表2所示。共進行13組試驗，以排種輪轉10轉為一組，每組試驗進行5次，取5次試驗結果的平均值作為該組試驗結果。試驗方案設計及結果分析應用Design-Expert Version 8.0.6軟件完成。

圖3 包衣煙草種子的直徑分布圖

水平排種輪轉速x1/r·min-1導種管橡膠管長度x2/mm-1.4148.1745.86-195001160+11370+1.41413.8374.14

表2 試驗方案及結果

續表2

3 結果與分析

3.1 試驗結果回歸分析

3.1.1 種子漏播率回歸分析

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以種子漏播率A為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

其中，x1、x2為各影響因素水平編碼值。

對種子漏播率進行方差分析，如表3所示。結果顯示：種子漏播率回歸模型p<0.0001<0.05，說明該模型具有統計學意義；因子x1、x12在p<0.05時顯著，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

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以種子重播率B為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

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。

對種子漏播率進行方差分析，如表4所示。結果顯示：種子漏播率回歸模型p=0.0014<0.05，說明該模型具有統計學意義；因子x1、x12在p<0.05時顯著，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

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以種子破損率C為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

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。

對種子破損率進行方差分析，如表5所示。結果顯示：種子破損率回歸模型p=0.0029<0.05，說明該模型具有統計學意義；因子x1、x12在p<0.05時顯著，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

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以粒距合格率D為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

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。

對粒距合格率進行方差分析，如表6所示。結果顯示：粒距合格率回歸模型p=0.0014<0.05，說明該模型具有統計學意義；因子x1、x12在p<0.05時顯著，其它因子不顯著。

表6 粒距合格率分析

續表6

3.2 試驗結果響應曲面分析

應用響應曲面法分析各因素對種子漏播率、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曲面如圖4～圖7所示。

圖4 各因素對種子漏播率的影響

圖5 各因素對種子重播率的影響

圖6 各因素對種子破損率的影響

圖7 各因素對粒距合格率的影響

4 驗證試驗

在相同條件下導種管有無的對照試驗發現：有導種管的排種機，種子在土壤中基本成一條直線，種子排布位置很準確，粒距差異小；而無導種管的排種機，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 播種機試驗圖

經試驗結果回歸分析和響應曲面分析可知：最優排種輪轉速為10 r/min，有導種管可以對播種性能優化和導種橡膠管長度對播種性能影響微弱。驗證試驗在2017年8月13日完成，依然采用上述材料與設備，如圖9所示。

圖9 播種機田間試驗圖

為消除驗證試驗中的隨機誤差，重復進行15次試驗。試驗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 試驗結果圖

5 結論

介紹了一種自走式小籽粒精密播種機的結構及工作原理。采用二因素五水平二次正交旋轉組合試驗設計方法在播種機性能檢測試驗臺進行試驗，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速、導種管橡膠管長度二因素之間的數學模型，確定了最優排種輪轉速為10 r/min，揭示了有導種管可以對播種性能優化和導種橡膠管長度對播種性能影響微弱。