圓臺(tái)格盤(pán)式馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊然兵 王 婕 尚書(shū)旗 查顯濤 潘志國(guó) 王志超

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 海口 570228； 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109)

0 引言

我國(guó)是馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家，而單產(chǎn)卻不及世界馬鈴薯單產(chǎn)的平均水平[1]，影響馬鈴薯品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵在于種薯，因此要進(jìn)一步加快馬鈴薯優(yōu)良品種的培育[2]。播種作為馬鈴薯育種試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)及育種試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)馬鈴薯大田播種機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究已逐漸成熟，但用于馬鈴薯育種試驗(yàn)的播種機(jī)相關(guān)研究還處于起步階段[3-5]。大田馬鈴薯播種機(jī)最常見(jiàn)的排種方式為舀勺式，此外，還有氣力式、指夾式等[6]。楊然兵團(tuán)隊(duì)[7]設(shè)計(jì)的2CM-4型馬鈴薯播種機(jī)，由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)舀勺從種箱中舀取種薯后進(jìn)行排種；呂金慶等[8]研究的馬鈴薯氣力精量播種機(jī)，采用負(fù)壓吸種、正壓投種的方式進(jìn)行馬鈴薯的排種；王業(yè)成等[9]研究的指夾式馬鈴薯播種機(jī)，通過(guò)控制夾板的開(kāi)合與擺動(dòng)，從種箱中夾取一粒種薯進(jìn)行排種。馬鈴薯育種試驗(yàn)播種時(shí)，需要同一品種的種薯數(shù)量小，且作業(yè)時(shí)需及時(shí)更換種薯品種，不能混種。而上述排種方式都需要種箱中含有大量馬鈴薯種薯，采用上述排種方式極易造成漏種，且不易更換種薯品種。同時(shí)，上述排種方式由于受機(jī)器前進(jìn)速度、排種速度等因素影響，株距均勻性變異系數(shù)較大，不能滿足馬鈴薯育種試驗(yàn)的要求[10]。

因此，本文設(shè)計(jì)一種采用人工供種，圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置排種，導(dǎo)種管進(jìn)行導(dǎo)種的馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)。主要對(duì)圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)種薯排種、導(dǎo)種等過(guò)程的分析，確定以拖拉機(jī)前進(jìn)速度、格盤(pán)投種高度、落種口初始位置與機(jī)器前進(jìn)速度方向的夾角為試驗(yàn)因素，以株距合格率和株距均勻性變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交回歸試驗(yàn)，優(yōu)選圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置的最佳工作參數(shù)。以期達(dá)到在馬鈴薯育種試驗(yàn)播種過(guò)程中提高種薯品種更換速度及株距均勻性的目的，為馬鈴薯及其他大粒徑種子育種試驗(yàn)高質(zhì)量播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 馬鈴薯育種試驗(yàn)流程及種植農(nóng)藝要求

傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)作為馬鈴薯育種的主要手段[11-12]，育種環(huán)節(jié)較為復(fù)雜[13]。在各個(gè)環(huán)節(jié)順利的前提下，育成一個(gè)馬鈴薯新品種通常需要10年左右的時(shí)間，如果育種過(guò)程中出現(xiàn)突發(fā)情況導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，甚至需要更長(zhǎng)的時(shí)間，播種質(zhì)量對(duì)育種試驗(yàn)的后續(xù)工作有決定性影響[14]，機(jī)械化高精度播種可減少人為因素造成的試驗(yàn)誤差，對(duì)提高試驗(yàn)精度具有重要意義[15]。

以北方一季作地區(qū)無(wú)性三代選擇馬鈴薯育種播種為例，其播種農(nóng)藝如圖1所示。每個(gè)品種播種10株，株距200 mm，間隔1 000 mm播種下一個(gè)品種，行距900 mm，同時(shí)需保證每個(gè)小區(qū)的起點(diǎn)與終點(diǎn)對(duì)齊，以方便后續(xù)中間管理與收獲作業(yè)[14]。為滿足上述農(nóng)藝要求，目前我國(guó)馬鈴薯品種選育單位的育種試驗(yàn)播種環(huán)節(jié)主要依靠人工作業(yè)。通常先用開(kāi)溝器開(kāi)溝，人工撒肥，再用開(kāi)溝器交錯(cuò)將肥料覆土并形成新壟溝，然后利用人工將種薯播入新壟溝內(nèi)，最后再用開(kāi)溝器覆土；馬鈴薯播種一次需拖拉機(jī)牽引開(kāi)溝器下地3次，易導(dǎo)致土壤板結(jié)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響種薯生長(zhǎng)發(fā)育[16]；同時(shí)人工撒肥、播種勞動(dòng)強(qiáng)度高，且撒肥均勻性差。此外，也有少量育種單位采用小型馬鈴薯播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，工作時(shí)，需頻繁人工更換種薯品種，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，機(jī)具啟停次數(shù)多，造成重種、漏種現(xiàn)象嚴(yán)重[17]。

圖1 育種試驗(yàn)馬鈴薯種植農(nóng)藝示意圖Fig.1 Breeding experiment schematic of potato planting agronomy

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)主要包括主機(jī)架、地輪、施肥裝置、種薯存放裝置、格盤(pán)排種裝置、導(dǎo)種裝置、覆土裝置、種薯托盤(pán)、座椅、劃線器等部件，如圖2所示；其中，格盤(pán)排種裝置由格盤(pán)底座、軸承、格盤(pán)外圈、格盤(pán)內(nèi)圈等部件組成；機(jī)器前方設(shè)有施肥裝置，下方設(shè)有下肥鏟、下種鏟及覆土裝置。

圖2 馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structure of potato breeding experiment seeder1.施肥裝置 2.種薯存放裝置 3.排種裝置 4.地輪 5.開(kāi)溝裝置 6.覆土裝置 7.劃線器 8.座椅 9.種薯托盤(pán)

2.2 工作原理及過(guò)程

作業(yè)前，將馬鈴薯種薯按試驗(yàn)所需要的種類(lèi)與數(shù)量裝袋，將裝有種薯的袋子依次放入種筐后，將種筐置于種薯存放裝置中。作業(yè)時(shí)，操作人員坐在播種機(jī)后方的座椅上，先將所需的種薯袋中種薯倒入種薯托盤(pán)內(nèi)，然后將種薯依次置于排種格盤(pán)的柵格內(nèi)。種薯隨格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)落種口、導(dǎo)種管，落入開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi)，隨后覆土圓盤(pán)進(jìn)行覆土；完成一袋種薯的播種后，重復(fù)上述操作，進(jìn)行下一品種的播種。

2.3 主要工作參數(shù)

馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)采用兩壟兩行種植方式，其主要工作參數(shù)如表1所示。

表1 主要工作參數(shù)Tab.1 Basic operating parameters

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

種薯從格盤(pán)式排種裝置運(yùn)動(dòng)至地面的過(guò)程可分為3步：種薯在格盤(pán)上跟隨格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)并從落種口排出的排種過(guò)程；種薯進(jìn)入導(dǎo)種管直至到達(dá)地面的導(dǎo)種過(guò)程；種薯到達(dá)地面后彈跳至最終靜止的過(guò)程。因此，下面將結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)上述3個(gè)過(guò)程及其臨界狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

播種機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)相連，采用地輪驅(qū)動(dòng)，地輪軸由鏈輪帶動(dòng)格盤(pán)橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)，格盤(pán)橫梁通過(guò)錐齒輪帶動(dòng)格盤(pán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，格盤(pán)軸進(jìn)而帶動(dòng)格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，其傳動(dòng)路線如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)路線示意圖Fig.3 Transmission route diagram1.地輪 2.格盤(pán)橫梁 3.格盤(pán)軸 4.肥箱軸 5.地輪軸

地輪軸與格盤(pán)橫梁間鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比i為

(1)

式中z1——地輪軸上鏈輪齒數(shù)

z2——格盤(pán)橫梁上鏈輪齒數(shù)

由拖拉機(jī)前進(jìn)速度v1、地輪半徑R1=325 mm可得格盤(pán)的轉(zhuǎn)速n2及角速度ω2為

(2)

(3)

格盤(pán)式排種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需時(shí)間t0為

(4)

若排種格盤(pán)有12個(gè)柵格，則株距D為

(5)

育種農(nóng)藝學(xué)家常用的株距為100、200、400 mm[18]，根據(jù)株距及鏈輪齒數(shù)取整要求，設(shè)計(jì)了表2所示3組鏈輪傳動(dòng)比及其相應(yīng)實(shí)際株距。

表2 株距與傳動(dòng)比對(duì)照Tab.2 Comparison of spacing and transmission ratio

3.2 圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

育種試驗(yàn)播種時(shí)首要條件是播種的精確性，每個(gè)穴中要有規(guī)定的馬鈴薯品種，不能混種；其次，為減小試驗(yàn)誤差，要保證播種質(zhì)量。為滿足上述要求，本文設(shè)計(jì)一種傾斜格盤(pán)式馬鈴薯種薯排種裝置；通過(guò)該排種裝置可快速更換種薯品種，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單株、四株等少量播種，且具有良好的株距均勻性。如圖4所示，圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置主要由底板、格盤(pán)外圈、格盤(pán)內(nèi)圈、格盤(pán)隔板、中心軸、軸承等部分構(gòu)成，選取圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置的外圈直徑為500 mm，內(nèi)圈直徑為300 mm，將格盤(pán)分為12個(gè)小格。

圖4 格盤(pán)式排種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Disk seeding mechanism1.中心軸 2.格盤(pán)底板 3.落種口 4.格盤(pán)隔板 5.格盤(pán)內(nèi)圈 6.格盤(pán)外圈

通過(guò)自制摩擦因數(shù)測(cè)量?jī)x對(duì)種薯的摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)定(圖5)，選取3顆種薯，每顆測(cè)試3次取平均值。測(cè)量?jī)x的測(cè)試斜面由3D打印制作，材質(zhì)為光敏樹(shù)脂，與格盤(pán)的材質(zhì)相同；同時(shí)在測(cè)試斜面上放置45號(hào)鋼板，與格盤(pán)底板的材質(zhì)相同，最終測(cè)得種薯與鋼板及光敏樹(shù)脂間的靜摩擦因數(shù)為0.44、0.65，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.30、0.57。

圖5 種薯摩擦因數(shù)測(cè)定Fig.5 Determination of friction coefficient of seed potatoes

圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置的底板固定于機(jī)架上，全程不運(yùn)動(dòng)，中心軸、格盤(pán)外圈、格盤(pán)內(nèi)圈、格盤(pán)隔板為一體式，采用3D打印的方式制作，材料為樹(shù)脂。作業(yè)時(shí)，操作人員將種薯放置于格盤(pán)的每一小格內(nèi)，種薯隨格盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)種薯所在的小格與底板上的落種口對(duì)齊時(shí)，種薯在自身重力作用下掉落。由于此排種裝置為人工供種，為防止出現(xiàn)格盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)快，人工擺放種薯速度過(guò)慢而造成漏播，需選擇合適的格盤(pán)轉(zhuǎn)速，經(jīng)前期試驗(yàn)可知人工放置種薯頻率最快為1個(gè)/s，因此，初步確定格盤(pán)角速度ω2不大于0.52 rad/s。為防止種薯在跟隨格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中從柵格中脫離，格盤(pán)高度應(yīng)大于種薯質(zhì)心到格盤(pán)底板的距離，同時(shí)為節(jié)省材料，方便操作人員往柵格中放置種薯，考慮到種薯的三軸尺寸，此處設(shè)置格盤(pán)外圈高度為80 mm。

如圖6a所示，理想狀況下，種薯在隨格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，由于離心力的作用，到達(dá)落種口時(shí)應(yīng)與格盤(pán)外圈相接觸；然而經(jīng)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)會(huì)有如圖6b情況出現(xiàn)，即種薯與圓心的距離不變或者位移很小，導(dǎo)致每個(gè)種薯在到達(dá)落種口即將進(jìn)行排種時(shí)所處的位置不同，分析其原因?yàn)椋悍N薯在播種前經(jīng)歷了浸泡農(nóng)藥、拌農(nóng)藥等過(guò)程，導(dǎo)致種薯與格盤(pán)底板間的摩擦因數(shù)較大，同時(shí)由于格盤(pán)轉(zhuǎn)速低，種薯的離心力很小。若種薯離開(kāi)格盤(pán)底板時(shí)位置不同，則會(huì)造成種薯的運(yùn)動(dòng)軌跡差異較大，影響株距均勻性，因此為避免上述情況發(fā)生，使得種薯在到達(dá)落種口時(shí)的位置一致，將格盤(pán)改進(jìn)為中間高、四周低的圓臺(tái)狀，形狀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 理想情況下與實(shí)際情況下種薯在水平格盤(pán)上的軌跡圖Fig.6 Trajectories of seed potatoes on horizontal grid under ideal and actual conditions

圖7 圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置剖視圖Fig.7 Section view of tilting disc type seeding device1.格盤(pán)內(nèi)圈 2.格盤(pán)外圈 3.格盤(pán)底板 4.落種口

對(duì)種薯在圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置上的受力分析如圖8所示，以種薯質(zhì)心為原點(diǎn)O，以平行于格盤(pán)底板與種薯相切的平面為Oxy平面，以垂直于地面方向的平面為Oyz平面，建立空間直角坐標(biāo)系，對(duì)種薯進(jìn)行空間上的受力分析。

圖8 種薯在圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置上的受力分析Fig.8 Force analysis diagram of seed potato on round table grid type seed metering device

種薯相對(duì)于與之接觸的格盤(pán)隔板的運(yùn)動(dòng)方程為

FLcosα+mgsinα-Ff2=ma

(6)

(7)

Ff2=μ1μ2mgcosα

(8)

式中FL——種薯的離心力，N

m——種薯質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

Ff2——格盤(pán)隔板與種薯間的摩擦力，N

α——格盤(pán)底板與水平面之間的夾角，(°)

a——種薯在排種過(guò)程中的加速度，m/s2

μ1——種薯與格盤(pán)底板間動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2——種薯與格盤(pán)隔板間動(dòng)摩擦因數(shù)

rn——格盤(pán)內(nèi)圈半徑，m

s1——種薯在排種過(guò)程中與格盤(pán)隔板的相對(duì)位移，m

由此可以推出

(9)

因此可以得出種薯在時(shí)間t內(nèi)的位移s1為

(10)

種薯從被放置到格盤(pán)中到到達(dá)落種口的這段時(shí)間t1可近似為格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)180°所需要的時(shí)間，即

(11)

于是，得

(12)

由上述條件可知，為保證種薯在到達(dá)落種口時(shí)與格盤(pán)外圈相接觸，即與之接觸的格盤(pán)隔板的相對(duì)位移不小于格盤(pán)隔板的長(zhǎng)度d(由格盤(pán)尺寸知d為100 mm)，即s1≥d，從而保證掉落的位置相同，于是有

(13)

代入各個(gè)系數(shù)，得出保證種薯在到達(dá)落種口之前能夠與格盤(pán)外圈相接觸的格盤(pán)傾角的取值為α>8.37°，考慮到不同株距的選擇以及拖拉機(jī)前進(jìn)速度，同時(shí)結(jié)合格盤(pán)尺寸，此處選取格盤(pán)底板與水平面間的夾角α為15°。

3.3 導(dǎo)種裝置設(shè)計(jì)

種薯到達(dá)落種口后進(jìn)入導(dǎo)種裝置，經(jīng)歷導(dǎo)種過(guò)程后掉落至地面，圖9為種薯在落種口處即將掉落的速度示意圖。

圖9 種薯在落種口處的速度示意圖Fig.9 Speed diagram of seed potato at seed opening

種薯在落種口處即將下落時(shí)的速度大小及方向如圖9所示，則

(14)

式中v2x——v2在垂直于機(jī)器前進(jìn)方向的分速度，m/s

v2y——v2在平行于機(jī)器前進(jìn)方向的分速度，m/s

β——種薯開(kāi)始掉落的位置與機(jī)器前進(jìn)速度方向的夾角，(°)

rw——格盤(pán)外圈半徑，m

rp——種薯與格盤(pán)外圈相接觸點(diǎn)半徑，m

種薯從到達(dá)落種口開(kāi)始，直到掉落至地面，此過(guò)程為自由落體運(yùn)動(dòng)，從開(kāi)始排種到掉落至導(dǎo)種裝置出口處的時(shí)間t2為

(15)

式中Lg——導(dǎo)種管長(zhǎng)度，m

如圖10所示，種薯從導(dǎo)種管開(kāi)始掉落至到達(dá)導(dǎo)種管出口這段時(shí)間內(nèi)，種薯沿垂直于機(jī)器前進(jìn)方向所經(jīng)過(guò)橫向位移dx1與機(jī)器前進(jìn)速度平行的方向所經(jīng)過(guò)的縱向位移dy1分別為

圖10 種薯下落的運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.10 Plot of falling motion of seed potato

(16)

為防止種薯與導(dǎo)種管碰撞影響株距，設(shè)落種管的直徑應(yīng)大于s1，同時(shí)為減小落種管與土壤接觸時(shí)的阻力，考慮落種口與地面之間的距離，最終確定導(dǎo)種管半徑為100 mm，Lg為500 mm，從而避免種薯下落過(guò)程中與導(dǎo)種管的碰撞，防止株距均勻性變異系數(shù)增大。

3.4 種薯落地后的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

種薯從高處下落到種溝內(nèi)時(shí)，受投種高度和初速度等影響，種薯在落到種溝之后會(huì)在種溝內(nèi)出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象[19-20]。由于種薯的彈跳是在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，其彈跳角度與彈跳位移量都存在不確定性，導(dǎo)致種薯間距離出現(xiàn)差異，增大株距均勻性變異系數(shù)，導(dǎo)致種薯株距合格率降低，甚至造成重播、漏播現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)種薯落地后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，種薯到達(dá)地面時(shí)的速度v3為

(17)

式中h1——格盤(pán)與地面的距離，m

v3與地面的夾角可表示為

(18)

式中δ1——入射角，(°)

圖11所示平面為v2與豎直向下的速度所構(gòu)成的平面，假設(shè)種薯落地反彈后的速度與下落時(shí)的速度處于同一平面內(nèi)，與之碰撞的種溝溝底視為水平面，且入射角δ1與碰撞后的彈跳角δ2相同[21-22]，則

圖11 種薯落地后碰撞彈跳示意圖Fig.11 Schematic of impact and bounce of seed potato after landing

(19)

式中v4——種薯與地面接觸反彈瞬間速度，m/s

e——薯塊與土壤間碰撞恢復(fù)系數(shù)，取0.53

則種薯這個(gè)狀態(tài)下在v2方向的位移st為

(20)

顯然，對(duì)株距均勻性影響因素最大的為種薯落地后在平行于機(jī)器前進(jìn)方向的位移sty，sty可表示為

(21)

由式(21)可知，影響種薯落地后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素主要為投種高度h1、落種口的初始位置與機(jī)器前進(jìn)速度方向的夾角β以及機(jī)器前進(jìn)速度v1。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2021年5月23日在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州馬鈴薯種植基地進(jìn)行，土壤類(lèi)型為壤土，含水率為15.6%。試驗(yàn)地播種前先用旋耕機(jī)進(jìn)行碎土整平，清除雜草和石塊。配套動(dòng)力為92 kW的東方紅LX1304型拖拉機(jī)，育種試驗(yàn)種薯分為整薯、切塊種薯以及微型薯，其中切塊種薯為最常用的種薯，因此本試驗(yàn)選取切塊種薯作為試驗(yàn)材料，選用荷蘭15號(hào)種薯，切塊種薯平均三軸尺寸為43 mm×34 mm×24 mm，形狀指數(shù)為227.56，平均質(zhì)量為36.23 g，含水率為76.4%，田間試驗(yàn)過(guò)程如圖12所示。

圖12 田間作業(yè)及播種情況Fig.12 Field operation and sowing

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》、GB/T 25417—2010《馬鈴薯種植機(jī)技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，要求株距合格率大于等于67%，株距均勻性變異系數(shù)小于等于33%，以此來(lái)考察馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)的播種性能。種薯落地后的運(yùn)動(dòng)情況直接決定了種薯的株距合格率及株距均勻性變異系數(shù)，因此，本試驗(yàn)以該播種機(jī)的株距合格率和株距均勻性變異系數(shù)作為作業(yè)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

育種試驗(yàn)中最常用的株距為200 mm，故本試驗(yàn)針對(duì)種植模式為每播20株間隔1 000 mm、實(shí)際株距203 mm進(jìn)行測(cè)定，合格株距為(203±30) mm，則株距合格率為

(22)

式中ZH——株距合格率，%

n1——株距合格的株數(shù)

n——測(cè)量株距的株數(shù)

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.3.1二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由上述分析知，影響種薯落地后運(yùn)動(dòng)情況的因素主要有拖拉機(jī)前進(jìn)速度、投種高度、落種口初始位置與機(jī)具前進(jìn)方向間的夾角(簡(jiǎn)稱(chēng)夾角)。由于該機(jī)器格盤(pán)的轉(zhuǎn)速由拖拉機(jī)前進(jìn)速度決定，為保證人工放種時(shí)不出現(xiàn)重播、漏播等現(xiàn)象，拖拉機(jī)前進(jìn)速度設(shè)置為0.10～0.20 m/s；格盤(pán)投種高度、夾角均可通過(guò)格盤(pán)支架調(diào)整。根據(jù)前期對(duì)種薯的跌落試驗(yàn)可知，由于開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝土壤較為松軟，當(dāng)?shù)涓叨葹? m時(shí)，種薯落入種溝中不會(huì)出現(xiàn)損傷，同時(shí)根據(jù)機(jī)具整體尺寸、地輪半徑、操作人員座椅高度綜合考慮，投種高度設(shè)置為0.60～0.80 m；為使種薯離開(kāi)落種口時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)具前進(jìn)方向一致，夾角β應(yīng)設(shè)置為0°～90°。

綜上所述，以拖拉機(jī)前進(jìn)速度v1、格盤(pán)的投種高度h1以及夾角β為試驗(yàn)因素，以株距合格率ZH和株距均勻性變異系數(shù)Cv為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每10株進(jìn)行一次測(cè)量，通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)影響株距合格率與株距均勻性變異系數(shù)的因素分別進(jìn)行顯著性分析，試驗(yàn)因素編碼如表3所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示[23-25]。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Test factors and coding

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Test scheme and results

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Design-Expert 11.0軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析和多元回歸擬合，分別得到株距合格率和株距均勻性變異系數(shù)的回歸方程，最后檢驗(yàn)各試驗(yàn)因素的顯著性[26-27]。

株距合格率方差分析如表5所示，各試驗(yàn)因素對(duì)株距合格率的影響為：試驗(yàn)整體模型極顯著，A、C、A2對(duì)株距合格率的影響極顯著(P<0.01)；B、C2對(duì)株距合格率的影響顯著(0.010.1)，其中不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方及自由度并入殘差項(xiàng),再次進(jìn)行方差分析,由此得到各試驗(yàn)因素對(duì)株距合格率的回歸方程為

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis

ZH=124.639 84-306.822 96A-20.702 49B-
0.189 187C+0.691 393AC+687.893 31A2+
0.000 627C2(23)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn),失擬項(xiàng)P=0.242(P>0.1),不顯著,證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系,分析結(jié)果合理。

株距均勻性變異系數(shù)方差分析如表5所示，各試驗(yàn)因素對(duì)株距均勻性變異系數(shù)的影響為：試驗(yàn)整體模型極顯著，A、B、C、A2、AB對(duì)株距均勻性變異系數(shù)的影響極顯著 (P<0.01)；BC對(duì)株距均勻性變異系數(shù)的影響較顯著(0.050.1)，其中不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方及自由度并入殘差項(xiàng),再次進(jìn)行方差分析,由此得到各試驗(yàn)因素對(duì)株距均勻性變異系數(shù)的回歸方程為

Cv=37.180 45-266.125 33A-19.399 32B+
0.094 425C+205.060 97AB-
0.117 851BC+359.238 50A2

(24)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn),失擬項(xiàng)P=0.128(P>0.1),不顯著,證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系,分析結(jié)果合理。

4.3.3響應(yīng)曲面分析

拖拉機(jī)前進(jìn)速度、格盤(pán)的投種高度、夾角之間顯著交互作用對(duì)株距合格率、株距均勻性變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面如圖13所示[28]。

如圖13a所示，對(duì)于株距合格率ZH,當(dāng)投種高度為0.7 m、拖拉機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，夾角與株距合格率呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的夾角范圍為18.24°～25.89°，此時(shí)株距合格率為80%～88%；當(dāng)夾角保持一定時(shí)，前進(jìn)速度與株距合格率呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的前進(jìn)速度范圍為0.12～0.15 m/s，此時(shí)株距合格率為85%～88%；在機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為影響株距合格率的主要因素。

圖13 雙因素交互作用響應(yīng)曲面Fig.13 Two-factor response surfaces

如圖13b所示，對(duì)于株距均勻性變異系數(shù)Cv，當(dāng)夾角為45°、拖拉機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，格盤(pán)的投種高度與株距均勻性變異系數(shù)呈正相關(guān)，其最優(yōu)的高度范圍為0.64～0.70 m，此時(shí)株距均勻性變異系數(shù)為12.5%～14.5%；當(dāng)格盤(pán)的投種高度保持一定時(shí)，前進(jìn)速度與株距均勻性變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的前進(jìn)速度范圍為0.15～0.18 m/s，此時(shí)株距均勻性變異系數(shù)為12.5%～14.5%; 在機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為影響株距均勻性變異系數(shù)的主要因素。

如圖13c所示，當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.15 m/s、格盤(pán)的投種高度保持一定時(shí)，夾角與株距均勻性變異系數(shù)呈正相關(guān)，其最優(yōu)的夾角范圍為18.24°～33.53°，此時(shí)株距均勻性變異系數(shù)為12.9%～14.0%；當(dāng)夾角保持一定時(shí)，與株距均勻性變異系數(shù)呈正相關(guān)，其最優(yōu)的高度范圍為0.64～0.70 m，此時(shí)株距均勻性變異系數(shù)為12.9%～14.2%；在機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，格盤(pán)的投種高度為影響株距均勻性變異系數(shù)的主要因素。

為獲得排種裝置最佳排種性能作業(yè)參數(shù)，利用Design-Expert 11.0 軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)上述3個(gè)回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解，根據(jù)播種機(jī)的實(shí)際工作條件、作業(yè)要求及相關(guān)理論的分析，選擇優(yōu)化的約束條件、目標(biāo)及約束函數(shù)為

(25)

對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，能夠得到多個(gè)參數(shù)組合，得到優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為0.12～0.15 m/s，格盤(pán)的投種高度為0.64～0.70 m，夾角為18.24°～19.55°時(shí)，理論株距合格率為85.09%～88.82%，理論株距均勻性變異系數(shù)為13.07%～13.96%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化的馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)播種性能指標(biāo)如表6所示。 播種機(jī)的參數(shù)選擇為拖拉機(jī)前進(jìn)速度0.14 m/s、格盤(pán)的投種高度0.64 m、夾角18.24°。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化的馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)株距合格率為87.1%，株距均勻性變異系數(shù)平均值為13.4%，與所得的優(yōu)化結(jié)果基本一致，且滿足相應(yīng)育種學(xué)家的要求。

表6 田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Field validation test results %

5 結(jié)論

(1)針對(duì)我國(guó)馬鈴薯育種試驗(yàn)的播種作業(yè)缺少專(zhuān)用機(jī)具，人工播種勞動(dòng)量大、效率低、播種質(zhì)量差等問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)馬鈴薯育種試驗(yàn)種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)，達(dá)到可更換種薯品種、播種效率高、播種質(zhì)量好的目的。

(2)對(duì)馬鈴薯育種試驗(yàn)播種機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析：為保證種薯進(jìn)行排種時(shí)掉落位置相同從而提高株距均勻性，設(shè)計(jì)了圓臺(tái)格盤(pán)式排種裝置并對(duì)其進(jìn)行了分析，選取了最佳的傾斜角度；為防止種薯在導(dǎo)種過(guò)程與導(dǎo)種管發(fā)生碰撞，對(duì)種薯在導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，確定了合適的導(dǎo)種管長(zhǎng)度；對(duì)種薯落地后運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了分析，得出了影響種薯落地后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素主要為投種高度、落種口的初始位置與機(jī)器前進(jìn)速度方向夾角以及機(jī)器前進(jìn)速度。

(3)以拖拉機(jī)前進(jìn)速度、格盤(pán)投種高度、落種口初始位置與機(jī)器前進(jìn)速度方向夾角為試驗(yàn)因素，以株距合格率和株距均勻性變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)回歸正交試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)與影響因素間的回歸模型，得出能夠獲得最佳試驗(yàn)指標(biāo)的因素范圍，并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)得出當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度0.14 m/s、格盤(pán)投種高度0.64 m、落種口初始位置與機(jī)器前進(jìn)速度方向的夾角18.24°時(shí)，株距合格率為87.1%，株距均勻性變異系數(shù)為13.4%，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。