勺鏈式馬鈴薯播種機排種器性能試驗

王旭東，陳冠禮 ，凌 軒，羅琴芳

（1.仲愷農業工程學院機電工程學院，廣東 廣州 510230；2.廣州文殊科技有限公司，廣東 廣州 510250；3.惠州市博羅縣羅陽街道農業技術推廣站，廣東 惠州 516000）

隨著農業部《關于加快馬鈴薯產業發展的意見》《馬鈴薯優勢區域布局規劃（2008—2015年》《關于推進馬鈴薯產業開發的指導意見》的先后發布，確立了馬鈴薯作為我國第四大主糧作物的戰略地位，近幾年馬鈴薯種植面積和單產都持續上升。但與其他主糧作物相比，馬鈴薯田間生產機械化水平還比較低，制約了馬鈴薯產業的進一步提升［1-3］。

播種作業是馬鈴薯田間生產耗費人力物力最多的環節之一，作為播種機核心部件的排種器，其性能直接影響播種機的作業水平。由于鏈傳動具有相對準確的傳動比、價格低廉和使用壽命長的特點，故在中小型機械式馬鈴薯播種機上普遍采用勺鏈式排種器，其優點是結構簡單、制造和使用成本低、不傷種，缺點是漏播率和重播率高。漏播會導致農戶收益減少，重播則使生產的投入成本增加，對作物生長也有不利影響。勺鏈式排種器漏播率高跟鏈傳動的多邊形效應有直接關系，鏈速越快（播種機作業速度越快），多邊形效應越明顯，傳動平穩性越差，鏈傳動垂直方向的振動越劇烈，排種器在清 種區就越容易形成空勺，漏播率就越大；鏈速下降，則重播率增大。同一規格的種勺在生產中難以適應大小不一的切塊薯種，也是造成漏播和重播的原因。盡管國內相關科研人員提出了各種漏播檢測系統和補種裝置［4-5］，但這些裝置對農業生產的適應性較差，基本都處于實驗室研究階段。目前沒有解決勺鏈式排種器漏播率和重播率高的有效措施，在實際生產中，彌補漏播的辦法只有人工補種。因此，馬鈴薯播種人工勞動強度大的問題沒有得到根本解決［6-10］。

針對上述問題，本研究基于尋求播種機作業速度和薯種大小的最佳作業參數，以降低排種器的漏播率和重播率，在實驗室搭建了排種器試驗臺，通過改變播種機地輪轉速（播種機作業速度）和采用不同大小的薯種，測定排種器漏播率和重播率，驗證鏈傳動的多邊形效應對排種器性能的影響，分析試驗結果，建立回歸模型并對其進行優化求解，得到最佳的播種機作業參數，為馬鈴薯播種作業提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用青島洪珠農業機械有限公司生產的洪珠2CM-2A型馬鈴薯播種機，種勺呈倒錐形，口徑60 mm，底徑50 mm。將地輪抬高懸空，用電動機驅動地輪軸，經變頻器調節電動機轉速獲得不同的播種機作業速度。為了便于觀察種勺舀種情況，將原機種箱更換為透明有機玻璃種箱（圖1）。切塊消毒薯種購自惠州市博羅縣。

圖1 舀種試驗裝置

1.2 排種器結構及工作原理

該排種器主要由鏈傳動機構、種勺和排種管等組成，其結構如圖1所示。種勺通過勺柄固定在傳動鏈上。排種器主動鏈輪由播種機地輪驅動并同向轉動，播種作業時機具的前進方向如圖2中所示向右，地輪順時針轉動，驅動主動鏈輪同向轉動，傳動鏈的松邊（左側）及固定在其上的種勺一起由下向上運動，伸出傳動鏈一定距離的種勺攪動并舀取1～2粒種箱內的薯種；種勺到達最高點翻越從動鏈輪后，薯種下落至前一種勺的勺背上，當種勺通過排種管出口時，薯種失去支撐，便下落到開溝器開出的種溝內，完成播種作業。種勺繞著主動鏈輪向上翻轉進入下一個播種循環。

圖2 勺鏈式排種器工作原理［10］

1.3 試驗方法

1.3.1 機具作業速度 根據廣東產區地塊面積不大，動力機一般以中小型拖拉機為主以及地頭轉彎多的生產實際，設機具作業速度范圍為2～5 km/h，通過變頻器調節電動機轉速，使地輪軸轉速與機具作業速度對應。

1.3.2 薯種分級 經測定，薯種長徑尺寸范圍在20～45 mm，根據試驗需要進行大小分級。

1.3.3 二次旋轉正交組合設計 以機具作業速度和薯種大小為試驗因素、漏播率和重播率為試驗指標，進行二次旋轉正交組合試驗［11-12］，通過試驗對影響漏播率和重播率的因素進行顯著性分析，提出機具的最優作業參數。

試驗因素水平編碼表見表1，參照《GB/T 6242-2006 種植機械 馬鈴薯種植機 試驗方法》［13］規定的每行試驗種箱中至少裝入50 kg試驗樣本的要求，每個試驗號舀種100次，3次重復，對漏播率和重播率進行觀察統計并求平均值。試驗方案和試驗結果見表2。

表1 試驗因素水平及其編碼表

表2 試驗方案及結果

2 結果與分析

2.1 回歸模型建立

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對試驗結果（表2）進行二次回歸分析及多元回歸擬合，得到重播率和漏播率的回歸方程，并檢驗回歸方程的顯著性。

2.1.1 漏播率Y1的顯著性分析 通過對試驗數據的分析和擬合，漏播率Y1的方差分析見表3。由表3可知，試驗整體模型極顯著（P＜0.01），主效應中機具前進速度對漏播率的影響大于薯種大小的影響，交互作用的影響較顯著。各因素對漏播率影響的回歸方程為Y1=-27.80724+5.49707x1+1.06129x2-0.089067x1x2-0.017778x12-0.009856x22。對回歸方程進行失擬性檢驗結果不顯著（P＞0.1），但回歸模型的檢驗極顯著（P＜0.01），說明試驗指標和試驗因素存在極顯著的二次關系。

表3 漏播率及重播率的方差分析結果

2.1.2 重播率Y2的顯著性分析 通過對試驗數據的分析和擬合，重播率Y2的方差分析見表3。由表3 可知，試驗整體模型顯著，主效應中機具前進速度對于重播率大于薯種大小的影響。各因素對重播率影響的回歸方程為Y2=+3.57942+3.45385x1+0.14679x2+0.084267x1x2-1.04667x12-0.008672x22。對回歸方程進行失擬性檢驗結果較顯著（0.05≤P＜0.1），對回歸模型的檢驗顯著（0.01≤P＜0.05），說明試驗指標和試驗因素間存在顯著的二次關系。

2.2 響應曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6 軟件對試驗數據進行處理，得出機具前進速度和薯種大小對漏播率和重播率影響的響應曲面（圖3、圖4）。由圖4可知，對于漏播率，機具前進速度和薯種大小的交互作用，機具前進速度和薯種大小都與漏播率呈正相關，機具前進速度的影響更顯著，說明鏈傳動的多邊形效應對漏播率的影響是顯著的。由圖4可知，對于重播率，機具前進速度和薯種大小的交互作用，機具前進速度和薯種大小都與漏播率呈負相關。

圖3 漏播率的雙因素響應曲面

圖4 重播率的雙因素響應曲面

為獲得排種器最佳排種性能作業參數，利用Design-Expert 8.0.6 軟件中的優化模塊對以上兩個回歸模型進行約束目標優化求解。

設計變量：x1，機具前進速度；x2，薯種大小。

目標函數：

約束條件：

考慮到實際生產中，漏播率比重播率對經濟效益的影響更大，將漏播率定為重要指標，重播率定為次要指標，權重系數分別為5和3。求解得到機具前進速度為2.44～3.60 km/h、薯種大小為23.66～41.34 mm時，漏播率和重播率的優化解分別為3.46%～3.76%和5.52%～8.24%；機具前進速度2.44 km/h、薯種大小41.34 mm時，漏播率和重播率有最優解，其值分別為3.54%和5.52%。上述指標都滿足《GB/T 25417—2010馬鈴薯種植機 技術條件》［14］規定的漏種指數≤10%和重種指數≤20%的要求。

3 結論與討論

鏈傳動的多邊形效應和大小不一的切塊薯種對勺鏈式排種器的漏播和重播有直接影響。本研究在實驗室對勺鏈式馬鈴薯排種器進行二次正交旋轉組合試驗，建立了試驗指標與影響因素間的回歸模型。通過對回歸模型的優化求解，機具前進速度2.44 km/h、薯種大小41.34 mm時，漏播率和重播率的最優解分別為3.54%和5.52%。

實驗室試驗條件比田間作業條件更平穩，沒有機車移動和翻越壟溝的振動和慣性力等影響，因此，試驗結果有一定的局限性，2.44 km/h的機具前進速度顯然偏低，不能充分發揮機械化提高生產效率的作用。減小鏈節距或開發齒形帶式排種器，既能保證準確的傳動比，也能減弱或消除鏈傳動的多邊形效應，對提高機具作業效率、降低漏播率和重播率是有利的。

可見，研發適應性好、可靠性高的自動檢測和補種系統，對切塊薯種進行大小分級或使用標準規格的整薯播種，使農機農藝深度融合，將為馬鈴薯田間生產機械化水平進一步提高奠定基礎。