扎壓式玉米精播機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)研究與試驗

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土壤上形成穴孔來代替開溝作業(yè),利用投種裝置將所播的谷物種子投入到形成的穴中,對土壤的擾動較小,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,針對舵輪式穴播機(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)行了試驗研究和參數(shù)優(yōu)化。單因素試驗表明:開合銷安裝角度、扎穴深度、成穴器錐角3個因素對試驗結(jié)果影響顯著[13-15]。同時,在已有的研究基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計方法,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,主要工作部件對稱布置,保證了播種機(jī)作業(yè)時機(jī)體受力均衡,解決了單行作業(yè)效率低下的問題,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,地輪驅(qū)動傳動系統(tǒng),排種排肥機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn),將種子定時定量地排入對應(yīng)的種肥暫存裝置,鴨嘴隨同心圓盤運動到最上端時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)動到最低點時,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,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 試驗材料

試驗時間為 2015年11月-2016年2月。試驗臺由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制,包括土槽(土壤堅實度為14.3N/cm)、電控柜、臺車及電機(jī),如圖3所示。試驗臺主要技術(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.控制臺圖3 試驗臺Fig 3 Structure of Fertilization monomer test-bed

2.2 試驗方法

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軸正方向為扎穴機(jī)構(gòu)前進(jìn)方向,成穴器沿余擺線軌跡成穴。隨機(jī)器運轉(zhuǎn)穴孔可分為:成穴器沿軌跡下降時,活動鴨嘴瓣對土壤的擠壓;成穴器上升階段,固定鴨嘴串對土壤的擠壓兩個階段分別對應(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—穴孔長度(mm);

α—成穴器錐角(rad);

h1—成穴器入土深度(mm)。

當(dāng)活動鴨嘴瓣在土壤中開合時,同樣對成穴質(zhì)量造成影響,開合銷安裝角度決定其開始時間。現(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,以穴口長度、穴孔寬度、穴距為平價指標(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中心組合試驗設(shè)計方法,每組試驗重復(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 試驗方案及結(jié)果Table 3 Experiment design and result

3.1 回歸模型的建立與檢驗

3.1.1 穴孔長度回歸方程

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對方程影響極顯著,F值為39.07,p=0.0001<0.01,說明該模型極顯著;失擬項的F檢驗結(jié)果不顯著(p=0.5903>0.05),說明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi),擬合程度較好。將不顯著項剔除后,得到回歸方程為

表4 穴孔長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)過顯著性檢驗,F值為15.6,p=0.0001<0.05,說明該模型顯著;失擬項的F檢驗結(jié)果不顯著(p=0.5233>0.05),說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對方程影響極顯著,X3、X22影響顯著。經(jīng)過顯著性檢驗,F值為17.11,p=0.0006<0.01,說該模型極顯著;失擬項的F檢驗結(jié)果不顯著(p=0.3554>0.05),說明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi),擬合程度較好。不顯著項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 各單因素對各項性能指標(biāo)影響主次分析

各因素對各項指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表7所示。由表7可知:各因素對穴孔長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 各因素對各項指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Table 7 Importance of the effects of factors on response functions

3.3 各因素對性能指標(biāo)影響規(guī)律分析

3.3.1 交互因素對穴孔長度的影響

兩因素對穴孔長度的影響如圖6所示。

圖6 兩因素對穴孔長度的影響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°時前進(jìn)速度和成穴器入土深度交互作用對穴孔長度的影響規(guī)律:隨著開合銷安裝角度增大;穴孔長度先減小后增大,隨著成穴器入土深度的增加,穴孔長度增大。當(dāng)合銷安裝角度為9°、成穴器入土深度為110mm時,穴孔長度達(dá)到最小值69mm。這主要是由于當(dāng)成穴器入土深度增大時,成穴器入土點與出土點距離變大,進(jìn)而造成穴孔長度變大[22]。由表4可知:開合銷安裝角度對穴孔長度作用的F值為93.25,成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為23.31,因此開合銷安裝角度對穴孔長度的影響大于入土深度對穴孔長度的影響。

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

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

3.3.2 交互因素對穴孔寬度的影響

兩因素對穴孔寬度的影響如圖7所示。

圖7 兩因素對穴孔寬度的影響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°時開合銷安裝角度和成穴器入土深度的交互作用對穴孔寬度的影響規(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,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:開合銷安裝角度對穴孔長度作用的F值為67.82,成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為0.81,因此開合銷安裝角度對穴孔寬度的影響大于入土深度對穴孔長度的影響。

由圖7(b)可知入土深度為110mm時開合銷安裝角度和成穴器錐角的交互作用對穴孔寬度的影響規(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)速度對穴孔寬度作用的F值為0.41,成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為2.23,因此前進(jìn)速度對穴孔寬度的影響小于成穴器錐角對穴孔寬度的影響。

由圖7(c)可知開合銷安裝角度為9°時成穴器入土深度和成穴器錐角的交互作用對穴孔寬度的影響規(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,穴孔長度隨之較小。當(dāng)成穴器入土深度為110mm、成穴器錐角為21°時,穴孔長度達(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:成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為23.31,成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為34.16,因此成穴器錐角對穴孔長度的影響大于成穴器入土深度對穴孔長度的影響。

3.3.3 交互因素對穴距的影響

兩因素對穴孔長度的影響如圖8所示。

圖8 兩因素對穴孔長度的影響Fig..8 Effects of two factors on soil hole spacing

由圖8(a)可知成穴器錐角為20°時開合銷安裝角度和成穴器入土深度的交互作用對穴孔長度的影響規(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,穴孔長度達(dá)到最小值。由表6可知:開合銷安裝角度對穴距作用的F值為67.82,成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為0.81,因此開合銷安裝角度對穴距的影響大于入土深度對穴孔長度的影響。

由圖8(b)可知入土深度為110mm時開合銷安裝角度和成穴器錐角的交互作用對穴距的影響規(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:開合銷安裝角度對穴距作用的F值為68.72,成穴器入土深度對穴距作用的F值為12.23,因此開合銷安裝角度對穴孔寬度的影響小于入土深度對穴孔寬度的影響。

由圖8(c)可知開合銷安裝角度為9°時成穴器入土深度和成穴器錐角的交互作用對穴孔寬度的影響規(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,穴孔長度隨之較小。當(dāng)成穴器入土深度為110mm、成穴器錐角為21°時,穴孔長度達(dá)到最小值。由表6可知:成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為23.31,成穴器入土深度對穴孔長度作用的F值為34.16,因此成穴器錐角對穴孔長度的影響大于成穴器入土深度對穴孔長度的影響。

3.4 優(yōu)化分析

按照穴孔長度和寬度最小、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 驗證試驗

為了檢驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測的準(zhǔn)確性,在最佳參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行試驗驗證。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,測得穴孔長度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)各因素對穴孔長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°。