旋耕條播機(jī)適用性評價方法及實證研究

孫 超，林 立，楊 麗

(1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定總站，北京 100122；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

旋耕條播機(jī)適用性評價方法及實證研究

孫 超1，林 立1，楊 麗2

(1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定總站，北京 100122；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為提高旋耕條播機(jī)產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量，更好推廣旋耕條播作業(yè)技術(shù)，建立了旋耕條播機(jī)適用性評價方法，并進(jìn)行了實證研究。首先，基于農(nóng)機(jī)適用性評價理論，構(gòu)建了旋耕條播機(jī)適用性評價指標(biāo)體系，明確了評價指標(biāo)權(quán)重值和評價結(jié)果的計算方法，通過問卷調(diào)查明確了各層評價指標(biāo)的權(quán)重值；其次，對某型號旋耕條播機(jī)在江蘇、浙江和安徽3個省的適用性進(jìn)行了實證研究，采用調(diào)查測評法對評價項目打分，計算得出該旋耕條播機(jī)的適用度為3.745，適用性評價結(jié)論為基本適用；最后，對評價結(jié)果進(jìn)行分析，從提高作業(yè)能力、作業(yè)質(zhì)量和通過性等角度為加強(qiáng)旋耕條播機(jī)產(chǎn)品適用性、強(qiáng)化產(chǎn)品的設(shè)計水平和制造質(zhì)量提出建議。

旋耕條播機(jī)；適用性評價；實證研究

0 引言

旋耕條播是較為成熟的機(jī)械化種植技術(shù)，能夠一次性完成旋耕、施肥和播種作業(yè)。相對于免耕撒播等傳統(tǒng)播種技術(shù)，采用旋耕條播方式播種的小麥能夠提高播種作業(yè)效率，有效縮短播種期，作物根系生長量、旗葉光合性能、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等增產(chǎn)指標(biāo)均有顯著增長[1]，每公頃能夠增產(chǎn)450kg、節(jié)種75kg[2]，具有很強(qiáng)的實用性。

旋耕條播機(jī)是實現(xiàn)旋耕條播技術(shù)的關(guān)鍵農(nóng)機(jī)具，其主要由機(jī)架和懸掛裝置等結(jié)構(gòu)部件，萬向節(jié)傳動軸總成、變速箱總成和傳動裝置等傳動部件，刀軸總成、種肥箱總成、限深輪和鎮(zhèn)壓輥等工作部件組成，能夠完成旋耕滅茬、碎土、開溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等復(fù)合作業(yè)[3]。

旋耕條播機(jī)的適用性是制約旋耕、施肥和播種復(fù)合作業(yè)質(zhì)量的決定性因素。通過旋耕條播機(jī)作業(yè)質(zhì)量跟蹤調(diào)查，當(dāng)土壤條件、地表植被或種子肥料等農(nóng)藝條件超出產(chǎn)品的適用范圍時，機(jī)具可能出現(xiàn)難以入土、播種深度淺、播量異常、前部壅土和耕后地表不平整等問題，發(fā)生適用性問題，嚴(yán)重時會造成產(chǎn)品故障，影響旋耕條播作業(yè)正常進(jìn)行。因此，利用農(nóng)機(jī)適用性評價理論，建立旋耕條播機(jī)適用性評價方法，對產(chǎn)品適用性進(jìn)行實證評價，并分析了影響產(chǎn)品適用性的因素，不僅能夠科學(xué)評價旋耕條播機(jī)的適用性，推動用戶合理選用產(chǎn)品，還能不斷提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造水平，強(qiáng)化旋耕條播技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 旋耕條播機(jī)適用性評價方法

1.1 農(nóng)機(jī)適用性評價理論基礎(chǔ)

基于不同的評價角度，目前學(xué)者對農(nóng)機(jī)適用性的定義主要有3類：①指在一定的作業(yè)條件下農(nóng)業(yè)機(jī)械性能滿足農(nóng)藝要求的能力[4]，其評價角度基于技術(shù)指標(biāo)中的農(nóng)藝要求；②指農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在當(dāng)?shù)刈匀粭l件、作物品種和農(nóng)作制度條件下，具有保持規(guī)定特性和滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的能力[5]，其評價角度基于技術(shù)指標(biāo)中的作業(yè)能力和作業(yè)質(zhì)量等方面；③指對某種農(nóng)機(jī)產(chǎn)品及其作業(yè)模式適應(yīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等指標(biāo)的水平[6]，其評價角度已經(jīng)從技術(shù)層面擴(kuò)展到宏觀層面。從引導(dǎo)農(nóng)民選用先進(jìn)適用的產(chǎn)品、推廣先進(jìn)適用的作業(yè)技術(shù)角度出發(fā)，農(nóng)機(jī)適用性不僅應(yīng)當(dāng)考慮農(nóng)機(jī)產(chǎn)品適應(yīng)農(nóng)藝條件的能力，還應(yīng)重點(diǎn)考慮產(chǎn)品滿足規(guī)定特性和當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的能力，對旋耕條播機(jī)而言，主要指其在作業(yè)能力、作業(yè)質(zhì)量和通過性3方面的適應(yīng)能力。

常用的農(nóng)機(jī)適用性評價方法主要有以下幾類[7-8]：①模糊綜合評判法，利用專家經(jīng)驗和隸屬度函數(shù)確定權(quán)重和判斷矩陣，通過加權(quán)運(yùn)算確定最終結(jié)果，過程簡單、易于操作，但主觀性強(qiáng)、精度不高。②層次分析法(AHP)。通過構(gòu)造對比矩陣確定準(zhǔn)則層和方案層權(quán)重，對結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗，客觀性較強(qiáng)。③等級評定法。將不同等級的效果表述用等級性量化，從而將定性評價法和定量評價法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。④計算機(jī)模擬法?；跇?gòu)建農(nóng)機(jī)選型模型，輸入作業(yè)參數(shù)，最終得出系統(tǒng)所需的農(nóng)機(jī)具型號和數(shù)量等信息，其系統(tǒng)開發(fā)較為復(fù)雜。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策專家分析法[9-10]，已應(yīng)用于構(gòu)建用戶調(diào)查評價模型和分析適用性影響因素等農(nóng)機(jī)適用性評價過程[11-13]，有助于構(gòu)建科學(xué)規(guī)范的農(nóng)機(jī)適用性評價方法。

1.2 建立評價體系

評價旋耕條播機(jī)適用性首先要確定系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的關(guān)系，劃分系統(tǒng)要素的層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建立評價體系。根據(jù)農(nóng)機(jī)適用性的定義，以適用性(A)為一級指標(biāo)，以顯著影響適用性的作業(yè)能力、作業(yè)質(zhì)量和通過性3個主要評價項目[14-15]為二級指標(biāo)(B)，以影響主要評價項目的子項目(C)為三級指標(biāo)，建立旋耕條播機(jī)適用性評價體系，如表1所示。

表1 旋耕條播機(jī)適用性評價體系

1.3 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

采用層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重，其方法主要分為3個步驟：

1) 構(gòu)造判斷矩陣。以上層相應(yīng)指標(biāo)為評價準(zhǔn)則，對同層指標(biāo)之間進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)而確定指標(biāo)之間的相對重要性。設(shè)Ps為評價準(zhǔn)則，S1，S2，S3，…，Sn為評價指標(biāo)，根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度定義對評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較判斷，構(gòu)成判斷矩陣E=(eij)n·n，即

判斷矩陣E中的元素eij具有這樣的性質(zhì)：eij>0，eji=1/eij，eii=1。

2) 層次單排序。確定同層各指標(biāo)對上一層次某指標(biāo)的影響程度，并依次排出順序。實質(zhì)就是根據(jù)判斷矩陣計算出各指標(biāo)的相對權(quán)重向量，計算方法主要有求和法、方根法和特征根法，本文選擇特征根法。

AW=λmaxW

式中λmax—E的最大特征根；

W—λmax的正規(guī)化特征向量，W的分量Wi就是相應(yīng)指標(biāo)單排序的權(quán)重值。

3) 一致性檢驗。對層次單排序進(jìn)行一致性檢驗，計算一致性結(jié)果為CI，則

顯然，λmax-n越小，CI越小，矩陣的一致性越好，CI=0時矩陣具有完全一致性。為了檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性，要將一致性結(jié)果CI和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較，比值稱為判斷矩陣的一致性比例，記作CR，則

當(dāng)CR<0.1時，判斷矩陣通過一致性檢驗；當(dāng)CR≥0.1時，判斷矩陣沒有通過一致性檢驗，調(diào)整矩陣重新檢驗。

根據(jù)層次分析法建立的評價指標(biāo)體系和評價指標(biāo)權(quán)重的確定方法，按照合理性、邏輯性、明確性、非誘導(dǎo)性和結(jié)果便于整理分析的原則，設(shè)計了《旋耕播種機(jī)適用性評價指標(biāo)專家咨詢表》，旨在對同層指標(biāo)之間的重要性進(jìn)行兩兩比較，確定各指標(biāo)權(quán)重值。在旋耕條播機(jī)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，在不同地區(qū)選擇產(chǎn)品鑒定、設(shè)計和質(zhì)量控制等方面的15名專家進(jìn)行問卷調(diào)查，在調(diào)查前詳細(xì)介紹權(quán)重確定方法，盡可能獲得各指標(biāo)真實的權(quán)重值。根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，使用Yaahp分析軟件，采用加權(quán)幾何平均進(jìn)行判斷矩陣集結(jié)，對處理結(jié)果進(jìn)行檢驗和匯總，得出各級評價指標(biāo)的權(quán)重值，如表2所示。

表2 旋耕條播機(jī)適用性評價指標(biāo)權(quán)重值

1.4 評價結(jié)果的計算

在農(nóng)機(jī)適用性評價過程中，可以采用試驗測評法、跟蹤測評法或調(diào)查測評法得出各評價項目(Cij)的評價分值，計算各評價指標(biāo)(Bi)的評價分值，并以適用度作為最終評價結(jié)果，實現(xiàn)對適用性的量化評價[16]。評價指標(biāo)(Bi)的評價分值計算公式為

式中Ei—評價指標(biāo)(Bi)的評價分值；

m—評價指標(biāo)Bi的項目Cij的個數(shù)；

Eij—評價項目(Cij)的評價分值；

Sij——評價項目(Cij)的權(quán)重系數(shù)。

單一區(qū)域內(nèi)適用度的計算公式為

式中Ep—某一區(qū)域內(nèi)樣機(jī)的適用性評價分值，即適用度；

n—評價指標(biāo)Bi的個數(shù)；

Ei—評價指標(biāo)(Bi)的評價分值；

Si—評價指標(biāo)(Bi)的權(quán)重系數(shù)。

多個區(qū)域內(nèi)適用度的計算公式為

式中Ez—多個區(qū)域內(nèi)樣機(jī)的適用性評價分值，即適用度；

Ep—區(qū)域p內(nèi)樣機(jī)的適用性評價分值；

N—區(qū)域數(shù)量。

2 實證研究

2.1 評價機(jī)具及區(qū)域

選擇市面上應(yīng)用較廣的某型號旋耕條播機(jī)進(jìn)行適用性評價實證研究，該產(chǎn)品配套功率為55.2～62.5kW，旋耕部分為中間齒輪傳動，播種施肥部分為鎮(zhèn)壓輥鏈傳動，排種和排肥器型式均為外槽輪式，播種和施肥開溝器均采用圓盤式，采用種下施肥方式，播種和施肥工作行數(shù)均為14行，工作幅寬為200cm。

為全面系統(tǒng)地評價該產(chǎn)品的適用性，在產(chǎn)品的主要使用區(qū)域內(nèi)選擇江蘇省、浙江省和安徽省作為評價區(qū)域進(jìn)行適用性評價。

2.2 評價方法

采用調(diào)查測評法對旋耕條播機(jī)適用性進(jìn)行實證評價，具體發(fā)方法為：根據(jù)評價指標(biāo)體系設(shè)計調(diào)查問卷，在3個省各選5名使用該產(chǎn)品一個作業(yè)季節(jié)以上的用戶進(jìn)行問卷調(diào)查，評價項目(Cij)的得分按照用戶評價為“好、較好、一般、較差、差”的5級分檔結(jié)果，依次賦值“5分、4分、3分、2分、1分”。根據(jù)評價指標(biāo)體系和有關(guān)計算方法得出各評價指標(biāo)(Bi)的評價分值，最終得到產(chǎn)品在3個省的適用度(E)。不同適用度對應(yīng)的評價結(jié)果如表3所示。

表3 適用度與評價結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系

Table 3 The relationship between applicability index and the result of applicability assessment

適用度E評價結(jié)果適用度E評價結(jié)果E<3不適用3≤E≤4基本適用E>4適用

根據(jù)用戶打分結(jié)果得出各省區(qū)域內(nèi)適用性評價結(jié)果，再將3個省的結(jié)果進(jìn)行匯總計算，得出該型號旋耕條播機(jī)適用性評價指標(biāo)的具體分值，如表4所示。最終計算得出適用度為3.745，則該型號旋耕條播機(jī)適用性評價結(jié)果為“基本適用”。

3 結(jié)果分析

3.1 作業(yè)能力

作業(yè)能力對旋耕條播機(jī)適用性的影響大。在作業(yè)能力包含的因素中，旋耕條播機(jī)對土壤質(zhì)地、土壤含水率和前茬作物根茬的適用情況是制約其適用性的最關(guān)鍵因素，這些因素直接影響旋耕作業(yè)，同時間接制約施肥和播種作業(yè)的進(jìn)行。旋耕條播機(jī)刀軸在拖拉機(jī)動力輸出軸的驅(qū)動下對土壤進(jìn)行旋耕作業(yè)，若土壤質(zhì)地為黏土且含水率較高，則土壤黏性大、易發(fā)生板結(jié)；如果根植于土壤表層的前茬作物根茬粗壯且分布密集，將極大影響旋耕作業(yè)的進(jìn)行，出現(xiàn)機(jī)器難以下地的情況，影響后續(xù)施肥和播種作業(yè)的進(jìn)行。此外，旋耕條播機(jī)受作物品種、種子含水率和植被覆蓋量影響較大，而肥料類型對旋耕條播機(jī)適用性影響弱，這反映了目前旋耕條播機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)能夠適應(yīng)常見物料特性的肥料，而地表植被覆蓋量在不大的情況下，對旋耕條播作業(yè)效果影響小。

3.2 作業(yè)質(zhì)量

作業(yè)質(zhì)量對旋耕條播機(jī)適用性的影響最大。在作業(yè)質(zhì)量包含的因素中，耕深、耕深穩(wěn)定性和田間播種均勻性情況是制約旋耕條播機(jī)適用性的最關(guān)鍵因素。耕深及其穩(wěn)定性情況體現(xiàn)了旋耕條播機(jī)克服土壤、前茬作物根茬和地表植被的阻力達(dá)到旋耕作業(yè)農(nóng)藝要求的能力，當(dāng)耕深及其穩(wěn)定性滿足農(nóng)藝要求時，施肥和播種作業(yè)的進(jìn)行有了良好的先決條件。田間播種均勻性在所有播種相關(guān)的質(zhì)量指標(biāo)中重要性最高，反映了條播作業(yè)的本質(zhì)要求，即實現(xiàn)小麥種子的連續(xù)流動下播，實現(xiàn)分布均勻的種子條帶，也間接表明當(dāng)前旋耕條播機(jī)對種子破損、覆土深度和種肥間距的技術(shù)要求已基本滿足，施肥和排種單體對各行及總排量一致性的技術(shù)要求能夠基本實現(xiàn)。值得注意的是，作業(yè)小時生產(chǎn)率對作業(yè)質(zhì)量存在一定影響，反映經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)受到重視，作為一種節(jié)本增效的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，旋耕條播對縮短播種期至關(guān)重要，更高的作業(yè)小時生產(chǎn)率是旋耕條播機(jī)適用性強(qiáng)的重要表現(xiàn)。

表4 旋耕條播機(jī)適用性評價指標(biāo)分值

3.3 通過性

通過性對旋耕條播機(jī)適用性存在一定影響。通過性包含滑移率和堵塞情況，二者對旋耕條播機(jī)適用性的影響相當(dāng)。當(dāng)?shù)乇頋駶?、植被覆蓋量大、拖拉機(jī)動力輸出不足或作業(yè)速度過快時，旋耕條播機(jī)易出現(xiàn)滑移率高的現(xiàn)象；而當(dāng)土壤松軟或植被覆蓋量大時，旋耕條播機(jī)的旋耕部分容易發(fā)生堵塞，這些都直接影響施肥和播種作業(yè)正常進(jìn)行，限制旋耕條播機(jī)適用性的發(fā)揮。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)農(nóng)機(jī)適用性評價理論，利用層次分析法建立了旋耕條播機(jī)適用性評價體系，明確了評價指標(biāo)權(quán)重和評價結(jié)果的計算方法。通過問卷調(diào)查確定了各層評價指標(biāo)的權(quán)重值，構(gòu)建了農(nóng)機(jī)適用性評價的一般方法。

2) 通過實證研究，對某型號旋耕條播機(jī)適用性進(jìn)行評價，利用調(diào)查測評法對各評價指標(biāo)進(jìn)行打分，計算適用度并得出評價結(jié)果，證明提出的方法能夠科學(xué)規(guī)范地進(jìn)行農(nóng)機(jī)適用性評價。

3) 對評價結(jié)果的分析表明：旋耕條播機(jī)在作業(yè)能力上應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)保證對不同土壤質(zhì)地、土壤含水率和前茬作物根茬的適應(yīng)能力，在作業(yè)質(zhì)量上重點(diǎn)滿足耕深、耕深穩(wěn)定性和田間播種均勻性等關(guān)鍵指標(biāo)，在通過性上要盡量降低滑移率并確保不發(fā)生堵塞。

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The Evaluation Method and Empirical Research of the Applicability of Rotary Tillage Drill

Sun Chao1, Lin Li1, Yang Li2

(1.China Agricultural Machinery Testing Centre, Beijing 100122, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to improve the technical quality of rotary tillage drill and develop the role of gytrolilling and row seeding technique, the study established the method of evaluating the applicability of rotary tillage drill and conducted empirical research. Firstly, based on the theory of agricultural machinery applicability, the evaluation index system of applicability assessment was built, the method of calculating the weight of different evaluation indexes and evaluation result was established, the weight of different evaluation indexes were calculated by questionnaire. Secondly, empirical research on a certain type rotary tillage drill was studied among Jiangsu, Zhejiang and Anhui province, the value of evaluation items were obtained by survey, the applicability index of rotary tillage drill was 3.745, and the result of applicability assessment of the rotary tillage drill was basic applicable. At last, suggestions of improving the work capacity and quality as well as the passing ability of rotary tillage drill were put forward in order to strengthen the level of design capability and manufacturing quality of rotary tillage drill.

rotary tillage drill; applicability; empirical research

2016-12-02

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(200903038)

孫 超(1988-),男，山東青島人，碩士研究生，(E-mail) tukao@163.com。

S223.2

A

1003-188X(2018)02-0040-06