玉米小區(qū)育種精量排種器的試驗研究與分析

楊　薇，李建東，王　飛，王延耀，王　琛，劉金鎖

(1.中機美諾科技股份有限公司，北京　100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島　266109)

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玉米小區(qū)育種精量排種器的試驗研究與分析

楊薇1，李建東1，王飛1，王延耀2，王琛1，劉金鎖1

(1.中機美諾科技股份有限公司，北京100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島266109)

摘要：玉米小區(qū)育種精量播種機的核心部件是組合式精量排種器。為分析玉米小區(qū)育種精量排種器的性能，選取真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和排種盤徑向槽寬度作為影響排種器排種性能的主要因素，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計進行試驗設計，并利用JPS-12排種器性能檢測試驗臺進行試驗研究。根據(jù)試驗結(jié)果建立了各因素的數(shù)學模型，并用MatLab繪制三維響應曲面圖，分析得出各因素對作業(yè)性能指標的影響趨勢。同時，利用綜合加權平均法找出了能滿足排種器性能要求的影響因素數(shù)值的最優(yōu)組合，當真空度為7.4kPa、徑向槽寬度為3.9mm、排種軸轉(zhuǎn)速為32r/min時，粒距合格指數(shù)為80.73%，漏播指數(shù)為6.64%，重播指數(shù)為5.70%，為排種器的進一步研究提供了可靠依據(jù)。

關鍵詞：排種器；二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗；小區(qū)精量播種機；優(yōu)化

0引言

區(qū)域試驗是國家審定新品種的依據(jù)，播種是區(qū)域試驗中最重要的環(huán)節(jié)，播種的質(zhì)量直接關系到試驗方案的實施。小區(qū)試驗的播種特點是“份多量少”，相對于大田播種作業(yè)來說，對播種機的要求更加嚴格，具體要求包括定量送種、清種徹底、小區(qū)間隔整齊一致、株距均勻及播深一致等等。為了提高播種作業(yè)的精度，精密播種機越來越受到育種工作者的青睞，而精密排種器是精密播種機的核心部件，其性能的好壞直接決定了整個播種機的作業(yè)性能。國內(nèi)眾多學者對幾種常用的精量排種器包括氣吸式排種器、可調(diào)窩眼式排種器及垂直勺輪排種器等進行了研究[1]，多數(shù)采用正交試驗方案，研究各主要因素與排種性能指標之間的關系，分析影響排種質(zhì)量的主要因素，確定最佳工作參數(shù)范圍與最優(yōu)參數(shù)組合。目前，常用的這幾種精量排種器多應用于從事大田作業(yè)的精量播種機，應用于小區(qū)播種作業(yè)時，存在不便于清種及種量較少情況下漏播嚴重等缺點。

本文選用玉米小區(qū)育種精量播種機上采用的組合式氣吸精量排種器，通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設計在JPS-12排種器性能檢測試驗臺上進行試驗，以便得到真空度、徑向槽寬度及排種器轉(zhuǎn)速對粒距合格率、重播率及漏播率的影響，找出能滿足排種器性能要求的影響因素數(shù)值的最優(yōu)組合。

1組合式氣吸精密排種器工作原理

組合式氣吸精密排種器，主要由吸種腔外殼、窩眼環(huán)、徑向槽排種盤、螺旋槽盤和吸種腔底座等部件組成，如圖1所示。吸種腔底座與風機相連提供真空，種子從吸種腔外殼上的落種口落入種腔，使用真空將種子吸到槽內(nèi)并吸附在徑向槽排種盤的槽上；通過徑向槽排種盤的旋轉(zhuǎn)，種子沿著螺旋槽排種盤的螺旋槽滑轉(zhuǎn)到外部，原本用來固定種子的真空力失效，種子落入到窩眼環(huán)的一個窩眼中；然后，從窩眼環(huán)繼續(xù)輸送到播種口，種子由此通過開溝器落到地面。

1.吸種腔外殼　2. 窩眼環(huán)　3.徑向槽排種盤　4. 螺旋槽盤

2試驗用排種器試驗臺

試驗是在黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制的JPS-12排種器性能檢測試驗臺上進行的，排種器試驗臺如圖2所示。

圖2　排種器試驗臺

排種器試驗臺由臺架、種床帶裝置、排種器安裝架、黏種油液壓系統(tǒng)、攝像裝置、刮油板、油水分離裝置及氣吸式排種器驅(qū)動風機裝置等組成。種床帶周長為19.23m，寬0.7m，厚3mm，有效長度為10m。種床帶的前進運動模擬播種機的工作速度。排種器軸和種床帶分別由調(diào)速電機帶動并控制其速度。種床帶前進的調(diào)速范圍為1.5～12km/h，排種盤轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍為10～150r/min。試驗時，排種器固定在排種器安裝架上，由黏種油液壓系統(tǒng)將黏種油從油箱壓給刮油板，在中央涂成一條厚為3mm的黏油帶，以便播下的種子粘在種床帶上用來測量記數(shù)。排種軸轉(zhuǎn)速、種床帶轉(zhuǎn)速、黏種油油量及風機的正負壓通過操作臺操作面板上的相應旋鈕來調(diào)節(jié)；面板上顯示的是相應變頻器的頻率，各指標的值可在計算機操作軟件中看到。

3試驗依據(jù)

試驗根據(jù)單粒(精密)播種機試驗方法《GB/T 6973-2005》[2]，對組合式氣吸精密排種器進行性能測試，通過測試落在種帶上的種子粒距來反映排種性能。若測得的粒距小于或等于0.5Xr(Xr為理論粒距)為重播，在(0.5～1.5)Xr之間為合格，大于1.5Xr為漏播。衡量排種器性能的指標主要有粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。

4試驗與分析

4.1試驗因素和方法

影響氣吸式精密排種器排種性能的因素很多[3]，如排種盤的直徑、吸孔的孔徑、吸孔的數(shù)量、真空度及排種盤轉(zhuǎn)速等。針對本文選用的組合式氣吸精密排種器，選擇真空度、徑向槽寬度及轉(zhuǎn)速3個因素進行試驗。根據(jù)實際作業(yè)的情況及前期單因素試驗的結(jié)論，確定試驗因素水平變化范圍如表1所示。

表1　試驗因素及其水平變化范圍

試驗采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計[4]。試驗因素用Zj(j=1, 2,3)表示；取值最高的那個水平稱為上水平，以Z2j表示；取值最低的那個水平稱為下水平，以Z1j表示；二者之算術平均數(shù)稱為零水平，以Z0j表示。則

(1)

上水平和零水平之差稱為因素Zj的變化間距，以Δj表示，即

(2)

其中，r為星號臂，根據(jù)試驗的設計方法，確定r=1.682。

為了回歸設計，應對各因素的水平進行編碼,即對Zj進行如下線性變換，有

xij=(Zij-Z0j)/Δj

(3)

其中，i=1,2,3；j=1,2,3。

采用式(4)對每個因素Zj(j=1, 2,3)的取值做線性變換，得到的因素水平編碼表如表2所示。

(4)

4.2試驗結(jié)果與分析

4.2.1粒距合格指數(shù)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗設計條件，對組合式氣吸精密排種器的排種粒距合格指數(shù)進行試驗，試驗的三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計結(jié)構矩陣及試驗結(jié)果如表3所示，y1為粒距合格指數(shù)。

表3　粒距合格指數(shù)試驗設計及結(jié)果

根據(jù)表3初步得到的回歸方程為

0.34x1x2+0.2x1x3-0.66x2x3-

(5)

對試驗的三元二次回歸方程(5)進行方差分析，結(jié)果如表4所示。進一步作回歸系數(shù)顯著性檢驗、失擬性檢驗和回歸方程的顯著性檢驗。

表4　粒距合格率試驗結(jié)果方差分析

續(xù)表4

由方差分析看出，總的回歸關系達到顯著，證明試驗有效。回歸系數(shù)檢驗結(jié)果表明，在整個研究區(qū)域內(nèi)部，由于F擬=3.335 5F0.05(9,13)=2.72，檢驗結(jié)果表明：回歸方程和回歸系數(shù)在α=0.05水平上是顯著的，二次回歸方程擬合較好。

去掉偏回歸平方和較小的因子x1x2、x1x3及x2x3后，得到回歸方程為

(6)

(7)

將式(4)代入式(7)，將方程用實際變量Zj表示為

69.56z2+1.92z3-237.85

(8)

為了更直觀地得到粒距合格率與各個試驗因素之間的關系，利用MatLab軟件，繪制形象的三維響應曲面圖[5]，如圖3～圖5所示。

圖3　粒距合格率的轉(zhuǎn)速-槽盤寬度響應曲面圖

圖4　粒距合格率的轉(zhuǎn)速-真空壓力響應曲面圖

圖5　粒距合格率的槽盤寬度-真空壓力響應曲面圖

由回歸方程和等值線圖可以看出，對粒距合格率影響程度的大小分別為Z2、Z1、Z3，即徑向槽寬度>真空壓力>轉(zhuǎn)速。

4.2.2漏播指數(shù)結(jié)果與分析

根據(jù)設定的試驗設計條件，對組合式氣吸精密排種器的排種粒距合格指數(shù)進行試驗，試驗的三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計結(jié)構矩陣及試驗結(jié)果如表3所示，y2為漏播指數(shù)。

根據(jù)表5，初步得到的回歸方程為

1.11x1x2+0.28x1x3+2.06x2x3+

(9)

對式(9)進行方差分析，結(jié)果如表6所示。進一步做回歸系數(shù)顯著性檢驗、失擬性檢驗和回歸方程的顯著性檢驗。

由方差分析看出：總的回歸關系達到顯著，證明試驗有效。回歸系數(shù)檢驗結(jié)果表明：在整個研究區(qū)域的內(nèi)部，由于F擬=3.1579F0.05(9,13)=2.72，檢驗結(jié)果表明，回歸方程和回歸系數(shù)在α=0.05水平上是顯著的，二次回歸方程擬合較好。去掉偏回歸平方和較小的因子x1x3后，得到回歸方程為

(10)

(11)

將式(4)代入式(11)，將方程用實際變量Zj表示為

1.8z3-2.54z1z2+0.25z2z3+202.35

(12)

為了更直觀地得到漏播率與各個試驗因素之間的關系，利用MatLab軟件，繪制形象的三維響應曲面圖，如圖6～圖8所示。

表5　漏播指數(shù)試驗設計及結(jié)果

表6　漏播指數(shù)試驗結(jié)果方程分析表

圖6　漏播率的槽盤寬度-真空壓力響應曲面圖

圖7　漏播率的轉(zhuǎn)速-真空壓力響應曲面圖

圖8　漏播率的轉(zhuǎn)速-槽盤寬度響應曲面圖

由回歸方程和等值線圖可以看出，對漏播率影響程度的大小分別為Z2、Z3、Z1，即徑向槽寬度>轉(zhuǎn)速>真空壓力。

4.2.3重播指數(shù)結(jié)果與分析

根據(jù)設定的試驗設計條件，對組合式氣吸精密排種器的排種粒距合格指數(shù)進行試驗，試驗的三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設計結(jié)構矩陣及試驗結(jié)果如表3所示，y3為重播指數(shù)。

根據(jù)表7，初步得到的回歸方程為

0.95x1x2-0.42x1x3+0.29x2x3+

(13)

對方程(12)進行方差分析，結(jié)果如表8所示。進一步做回歸系數(shù)顯著性檢驗、失擬性檢驗和回歸方程的顯著性檢驗。

由方差分析看出：總的回歸關系達到顯著，證明試驗有效。回歸系數(shù)檢驗結(jié)果表明：在整個研究區(qū)域的內(nèi)部，由于F擬=2.579 5F0.05(9,13)=2.72，檢驗結(jié)果表明，回歸方程和回歸系數(shù)在α=0.05水平上是顯著的，二次回歸方程擬合較好。去掉偏回歸平方和較小的因子x3、x1x3及x2x3后，得到回歸方程為

(14)

(15)

將式(4)代入式(14)，將方程用實際變量Zj表示為

29.03z2-0.55z3+2.18z1z2+264.13

(16)

為了更直觀地得到重播率與各個試驗因素之間的關系，利用MatLab軟件，繪制形象的三維響應曲面圖，如圖9～圖11所示。

表7　重播指數(shù)試驗設計及結(jié)果

表8　重播指數(shù)試驗結(jié)果方程分析表

續(xù)表8

圖9　漏播率的槽盤寬度-真空壓力響應曲面圖

圖10　漏播率的轉(zhuǎn)速-真空壓力響應曲面圖

圖11　漏播率的轉(zhuǎn)速-槽盤寬度響應曲面圖

由回歸方程和等值線圖可以看出：對漏播率影響程度的大小分別為Z1、Z2、Z3，即真空壓力>徑向槽寬度>轉(zhuǎn)速。

4.3試驗結(jié)果與分析

為了得到最佳的試驗因素水平，應用綜合加權評分法對試驗因素進行優(yōu)化設計。y1、y2、y3分別表示粒距合格指數(shù)和漏播指數(shù)和重播指數(shù)。

由回歸方程(8)、(12)、(16)，對其進行加權平均，得

f(y1,y2,y3)=1.2y1-0.1y2-0.1y3

(17)

整理得

0.036x1x2-0.083x2x3+56.05x1+

86.567x2+17.828x3-479.867

(18)

對方程中x1、x2、x3分別求偏導，并使之等于零，得

(19)

(20)

(21)

解方程得

x1=7.4,x2=3.9,x3=32

優(yōu)化結(jié)果如表9所示，各指數(shù)符合JB/T 10293-2001單粒(精密)播種機技術條件[6](見表10)的規(guī)定。

表9　優(yōu)化結(jié)果

表10　精密播種機作業(yè)性能指標

5結(jié)論

運用MatLab繪制粒距合格率、漏播率及重播率的響應曲面圖，可以直觀地看到試驗因素對指標的影響趨勢。對試驗結(jié)果進行分析，得到符合單粒(精密)播種機技術條件規(guī)定的結(jié)論。試驗表明：在真空度為7.4kPa、徑向槽盤寬度為3.9mm、排種盤轉(zhuǎn)速為32r/min時，粒距合格指數(shù)為80.73%，漏播指數(shù)為6.64%，重播指數(shù)5.70%。本研究可為組合式氣吸精量排種器乃至氣吸式玉米小區(qū)播種機的進一步研究提供可靠的依據(jù)。

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The Experimental Research and Analysis of the Seed- meter Device of the Precision Spaced Planter for Corn

Yang Wei1， Li Jiandong1， Wang Fei1， Wang Yanyao2， Wang Chen1， Liu Jinsuo1

(1.Menoble CO.LTD, Beijing 100083,China; 2.College of Electromechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：Seed-meter device with combine suckers is the core component of the precision spaced planter for corn. In order to analyze the seeding performance of the seed-meter device of the precision spaced planter for corn, the vacuum, the revolving speed of the seeding disk and the width of the slot on the radial slotted disk were chose as the main factors influencing the seeding performance. The quadratic orthogonal rotatory regression experiment was designed to test the performance of air-suction precision seed- meter device on the JPS-12 seed metering performance testing bench. The mathematical model was set up to analyze the influence of all factors on the operation performance indicators. And the three dimensional figures were drawn with MATLAB. Using the weighted average method, the optimal combination of the factors which are met requirements of the seeding performance is found out. When the vacuum is 7.4kpa, the revolving speed of the seeding disk is 32.11r/min and the width of the slot on the radial slotted disk is 3.93mm, the spacing qualified index is 80.73%, the miss index is 6.64%, the multiples index is 5.70%.That will provide reliable basis for further research.

Key words：seed-meter device； quadratic orthogonal rotatory regression experiment； precision spaced planter； optimize

文章編號：1003-188X(2016)01-0163-09

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

作者簡介：楊薇(1984-)，女，天津人，工程師，碩士，(E-mail)yangw@maen.com.cn。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203028.1)

收稿日期：2014-12-24