指夾式玉米免耕精密播種機(jī)振動特性及對排種性能的影響

王 奇，朱龍圖，李名偉，黃東巖，賈洪雷，莊 健

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022； 2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022）

0 引 言

機(jī)械化保護(hù)性耕作是實施以秸稈覆蓋還田、少耕免耕為核心的先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[1-3]，近年來保護(hù)性耕作配套裝備在北方玉米主產(chǎn)區(qū)得到了大面積推廣和應(yīng)用[4]。在秸稈覆蓋還田地進(jìn)行免耕播種具有改良土壤、增溫保墑、防止風(fēng)蝕水蝕、保護(hù)環(huán)境、提高土地長久經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點[5-8]。然而，少免耕播種技術(shù)的推廣，使播種機(jī)組在土壤堅實度和地表不平度都增大的情況下作業(yè)，播種過程中的機(jī)具所受振動載荷顯著增大[9-10]，直接影響播種作業(yè)的穩(wěn)定性，降低播種合格率和植株分布均勻性[11]，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[12-16]。

指夾式免耕精密播種機(jī)是實現(xiàn)玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，已得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[17]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對指夾式免耕精密播種機(jī)的研究主要集中于各工作部件的優(yōu)化，特別是對指夾式排種器作業(yè)機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)設(shè)計[18-22]，以提高其夾持單粒率，從而提高播種機(jī)的播種合格率，對田間外界激勵引起的機(jī)械振動對播種機(jī)和排種器作業(yè)性能的影響研究相對較少。相關(guān)學(xué)者建立了鏟式玉米精密播種機(jī)和 2BM-5型氣吸式免耕播種機(jī)振動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了播種機(jī)田間振動特性及其對種子室種群的影響[23-26]，由于各類免耕播種機(jī)工作原理以及掛接方式不同，上述播種機(jī)振動系統(tǒng)的振動模型不適用于指夾式免耕精密播種機(jī)，獲得的振動信息無法反映指夾式精密播種機(jī)及其配套排種器的振動特性。

本文以 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)為研究對象，根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理建立了其振動特性模型；對整機(jī)進(jìn)行了田間試驗，分析了采集到的振動信號；以上述得到的振動主要頻率和振動加速度為排種器振動參數(shù)，進(jìn)行臺架試驗，分析振動載荷對排種器工作性能和玉米籽粒落種軌跡的影響規(guī)律，以期為指夾式免耕播種機(jī)及其配套排種器排種性能的提高和減振系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精量播種機(jī)振動特性理論分析

1.1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)主要由三點懸掛架、傳動地輪總成和播種單體總成組成，如圖 1所示，其中播種單體總成包括單體架、仿形四連桿架、切茬犁刀、撥茬輪、種箱及排種器總成、導(dǎo)種管、播種開溝器、播種限深輪和覆土鎮(zhèn)壓器組成。播種單體通過安裝有拉伸彈簧的平行四連桿架固接在三點懸掛架上，2個傳動地輪總成分別固裝在三點懸掛架的左右兩側(cè)，通過鏈傳動系統(tǒng)將動力傳遞給排種器。

圖1 指夾式玉米免耕精密播種機(jī)的主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of corn no-tillage finger-type precision planter

播種機(jī)作業(yè)時，撥茬輪和切茬犁刀清理播種行內(nèi)殘留秸稈并切斷根茬，開溝器在清理的播種行內(nèi)形成種溝，排種器有規(guī)律地將種子經(jīng)由導(dǎo)種管播入種溝內(nèi)，覆土鎮(zhèn)壓器回填、壓實種溝內(nèi)的土壤，播種單體通過仿形四連桿架進(jìn)行地表仿形作業(yè)，各部件協(xié)同作業(yè)在秸稈覆蓋地進(jìn)行免耕精密播種作業(yè)。

1.2 播種機(jī)振動特性理論模型

播種機(jī)的播種單體通過帶有拉伸彈簧的仿形四連桿架與三點懸掛架可轉(zhuǎn)動的連接，機(jī)具作業(yè)時地表不平使免耕播種機(jī)在豎直方向上產(chǎn)生位移變化。當(dāng)播種機(jī)在田間作業(yè)時，其振動特性的自相關(guān)函數(shù)呈正、余弦函數(shù)分布[23,26]，假設(shè)播種機(jī)工作地面的縱斷面的起伏按余弦規(guī)律變化，每個沿播種行方向的波長為 Tg、地面相對于基準(zhǔn)平面的幅值為Xg，如圖2所示。

圖2 指夾式玉米免耕精密播種機(jī)田間作業(yè)的工作狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of working state of corn no-tillage finger-type precision planter in field operation

為了對播種機(jī)振動系統(tǒng)模型進(jìn)行合理的簡化，忽略部分次要影響因素，需在建立振動數(shù)學(xué)模型前進(jìn)行如下假設(shè)：①免耕播種單體的各個部件均為剛體。②切茬圓盤的剛度、播種開溝器的剛度、播種限深輪的剛度和覆土鎮(zhèn)壓輪的剛度為位移的線性函數(shù)；③切茬圓盤、播種開溝器、播種限深輪和覆土鎮(zhèn)壓輪與土壤和秸稈的相互作用所產(chǎn)生的阻尼為速度的線性函數(shù)，且與地面始終保持接觸、無彈跳。④研究播種機(jī)的垂直振動，忽略橫向振動。于是，播種機(jī)在田間作業(yè)的振動系統(tǒng)模型可簡化為圖3。

由圖3可知，播種機(jī)所受到的簡諧激勵為

其中

令播種機(jī)的絕對位移為x(t)，其動力平衡方程為

將式（1）代入式（3），整理可得

將等式右側(cè)三角函數(shù)進(jìn)行合并，整理得免耕播種機(jī)在田間作業(yè)條件下的振動系統(tǒng)絕對運動方程為

令式（5）中

則式（5）可整理為將等式兩邊分別除以播種機(jī)質(zhì)量 m，同時引入下列符號

則免耕播種機(jī)的振動方程簡化為

式中Fd為系統(tǒng)激勵力的幅值，N；α為系統(tǒng)激勵相位差，rad；ωn為系統(tǒng)無阻尼狀態(tài)的固有頻率，Hz；ζ為系統(tǒng)的黏性阻尼系數(shù)；Δst,d為系統(tǒng)的凈位移，m。

1.3 播種機(jī)田間作業(yè)穩(wěn)態(tài)振動響應(yīng)

由于免耕播種機(jī)工作過程的振動系統(tǒng)中有阻尼的作用，使系統(tǒng)中的瞬態(tài)振動很快被衰減為零，最終只保留穩(wěn)態(tài)振動[27]。為求解播種機(jī)田間作業(yè)的穩(wěn)態(tài)振動響應(yīng)，設(shè)免耕播種機(jī)的振動方程式（8）的特解為

式中X為振幅，m；φ為初相位，rad。

將式（9）帶入免耕播種機(jī)的振動方程（8）中，可得

對式（10）中三角函數(shù)進(jìn)行合并，解得

式中λ為激勵力的頻率ω與系統(tǒng)無阻尼狀態(tài)的固有頻率ωn的比值。

于是，播種機(jī)振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解為

因此，由穩(wěn)態(tài)振動響應(yīng)可以得出，免耕播種機(jī)振動系統(tǒng)的振動特性主要決定于機(jī)組作業(yè)速度、地表及土壤情況和播種機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。

2 播種機(jī)田間作業(yè)振動特性測試與分析

為獲得 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)在玉米秸稈全量粉碎還田地況工作時的振動特性，對其進(jìn)行田間測試，為振動排種試驗臺的搭建提供參考。

2.1 試驗條件

試驗于2018年5月在吉林大學(xué)示范試驗田進(jìn)行，試驗田土壤類型為東北典型黑鈣土，前茬作物為玉米，秋季收獲后秸稈被全量粉碎還田處理，試驗時播種機(jī)由John Deer-554 拖拉機(jī)提供動力。圖4為田間試驗情況，表1為試驗時作業(yè)機(jī)具及田間地況的主要參數(shù)。

圖4 2BMZ-2 型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)田間試驗Fig.4 Field test of 2BMZ-2 corn no-tillage finger-type precision planter

表1 田間試驗相關(guān)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of field trials

振動特性信息采集系統(tǒng)由PC計算機(jī)、動態(tài)信號采集儀（東華測試技術(shù)股份有限公司，DH5981，精度＜5%）和加速度傳感器（東華測試技術(shù)股份有限公司，1A208E，分辨率為0.000 001 g）組成，如圖5a所示。試驗時，將單向加速度傳感器固定于排種器正前方用以采集排種器豎直方向的振動信號，如圖5b所示，振動特性數(shù)據(jù)經(jīng)由動態(tài)信號采集儀傳送至計算機(jī)，利用DEMO動態(tài)信號采集分析軟件（東華測試技術(shù)股份有限公司）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，得到播種機(jī)在田間作業(yè)時的振動特性。

圖5 播種機(jī)田間振動特性信息采集Fig.5 Information collection of vibration characteristics of planter in field

2.2 試驗方案

采用單因素試驗方法安排試驗，播種機(jī)最佳工作速度范圍為6～8 km/h，測試播種機(jī)在前進(jìn)速度分別為5、6、7、8、9 km/h作業(yè)時的振動特性。試驗前，將播種機(jī)調(diào)整至正常工作狀態(tài)，播種深度設(shè)置為50 mm。試驗時，選擇留茬高度均勻、地表耕作層未被破壞的地塊進(jìn)行測試，采集播種機(jī)平穩(wěn)運行后15 s內(nèi)的振動數(shù)據(jù)。在每個速度水平下進(jìn)行5 次重復(fù)試驗。

2.3 試驗結(jié)果分析

由圖6a振動時域分析可知，免耕播種機(jī)垂直方向的振動加速度隨著前進(jìn)速度的升高而增加，當(dāng)前進(jìn)速度由5增大至9 km/h時，正向最大振動加速度由0.22g增至0.84g（g=9.8 m/s2），負(fù)向最大振動加速度由-0.62g增至-1.15g（播種機(jī)受地況影響，向上運動時振動加速度為正向，向下運動時振動加速度為負(fù)向）。通過SPSS軟件進(jìn)行二次多項式擬合，并對兩者的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，其伴隨概率P皆小于0.01，擬合方程見圖6b。

圖6 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)振動加速度分析Fig.6 Vibration acceleration analysis of 2BMZ-2 corn no-tillage finger-type precision planter

由圖7振動頻域圖可知，前進(jìn)速度在5～9 km/h范圍內(nèi)，播種機(jī)振動能量的頻率分布主要集中在低頻段的3～11 Hz。前進(jìn)速度越大，振動越劇烈，但不影響振動能量的頻率分布。

圖7 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)振動頻率分析Fig.7 Vibration frequency analysis of 2BMZ-2 corn no-tillage finger-type precision planter

3 振動排種試驗臺搭建及排種性能影響試驗

3.1 振動排種試驗臺搭建

振動排種試驗臺主要由JPS-12型排種器性能檢測試驗臺（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院）、指夾式排種器、排種器安裝架、連軸器、排種軸轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)、激振系統(tǒng)、振動信號采集系統(tǒng)和落種軌跡測試系統(tǒng)組成，其中排種軸轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)包括調(diào)速電機(jī)（普菲德，86BYG250D步進(jìn)電機(jī)，輸出力矩為8.5 N?m）、行星減速器（普菲德，PX86N003S0，減速比為1∶3）、電機(jī)驅(qū)動器（普菲德，DM860H）、開關(guān)電源和轉(zhuǎn)速控制器；激振系統(tǒng)包括激振器（東華測試技術(shù)股份有限公司，DH40200）、函數(shù)信號發(fā)生器（優(yōu)利德公司，UTG1010A，正弦波幅度設(shè)置精度為1%±2 mV）、功率放大器（東華測試技術(shù)股份有限公司，DH-5873，最大輸出功率為500 VA），該系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為：額定峰值出力為200 N、頻率范圍為2～2 000 Hz、輸出誤差為≤3%；落種軌跡測試系統(tǒng)包括高速攝像儀（美國 Vision Research公司，Phantom v711；圖像處理程序為 Phantom 控制軟件）、PC計算機(jī)、空間網(wǎng)格面板和反射鏡面板組成；振動特性信號采集系統(tǒng)與田間試驗相同，振動排種試驗臺總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 振動排種試驗臺Fig.8 Test bench for vibration seeding

在試驗中，通過調(diào)節(jié)JPS-12 型排種試驗臺傳送帶電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和排種軸轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制排種器在設(shè)定的轉(zhuǎn)速和粒距要求下平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；振動信號采集系統(tǒng)用來監(jiān)測排種器的振動特性，排種器激振系統(tǒng)用來調(diào)控排種器的振動載荷，使排種器在目標(biāo)振動頻率和振動加速度下運行，能夠模擬田間振動載荷；種床帶相對于排種器反向運動，模擬播種機(jī)前進(jìn)運動狀態(tài)，玉米籽粒從排種口落至涂有油層的種床帶上，通過攝像處理裝置進(jìn)行實時檢測并采集數(shù)據(jù)。

3.2 試驗條件

試驗地點為吉林大學(xué)排種性能試驗室。試驗材料為吉林省廣泛種植的“宏信808”玉米品種，經(jīng)人工分級清選處理，保證供試籽粒飽滿、無損傷及蟲害，測定千粒質(zhì)量為282.53 g，密度值為1.183 g/cm3，平均何尺寸為：長度9.95 mm、寬度7.51 mm、厚度4.43 mm（對100粒籽粒進(jìn)行測量取平均值）。

3.3 試驗方法

由上述振動特性模型理論分析和田間試驗結(jié)果可知，排種器作業(yè)性能與工作速度、振動頻率和振動加速度有關(guān)。因此，本研究通過對以上因素進(jìn)行調(diào)控，分別進(jìn)行不同速度條件下振動載荷對排種器充種性能和排種性能影響的對比試驗、多因素影響排種穩(wěn)定性測試試驗和單因素高速攝像落種軌跡測定試驗。

為確定機(jī)械振動對排種器工作性能具有顯著性影響的作業(yè)指標(biāo)，進(jìn)行不同速度條件下的振動對比試驗。根據(jù)田間測試結(jié)果，確定各速度水平下的振動特性如表 2所示。參考GB/T 6973－2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗方法》，對播種合格率、重播率、漏播率、縱向粒距變異系數(shù)和橫向粒距變異系數(shù)進(jìn)行考核，并運用高速攝像技術(shù)分析振動特性對排種器充種性能的影響規(guī)律，充種性能的評價指標(biāo)為充種合格率、重充率和漏充率[28]。試驗時，將播種機(jī)前進(jìn)速度換算為排種器的排種軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗，通過排種器性能檢測試驗臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各工況下的試驗指標(biāo)進(jìn)行測定，保證各組試驗測定籽粒數(shù)量超過300粒，每組試驗重復(fù)3次。

表2 各速度水平對應(yīng)的振動特性Table 2 Vibration characteristics corresponding to each velocity level

為研究振動條件下排種器排種性能的穩(wěn)定性與均勻性，采用三因素三水平Box-Benhnken進(jìn)行多因素影響排種穩(wěn)定性測試試驗。根據(jù)播種機(jī)在田間作業(yè)的振動特性，設(shè)定試驗因素水平如表3所示。根據(jù)臺架對比試驗結(jié)果，以播種合格率、粒距縱向變異系數(shù)和粒距橫向變異系數(shù)為試驗考核指標(biāo)。

表3 排種穩(wěn)定性試驗因素與水平Table 3 Factors and levels of seeding stability test

在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)進(jìn)行落種軌跡測定試驗。采用單因素試驗方法研究振動頻率f、振動加速度a及排種軸轉(zhuǎn)速n對落種軌跡和落種范圍的影響。試驗時，高速攝像儀正對空間網(wǎng)格面板擺放，測定空間網(wǎng)格面板和反射鏡面板內(nèi)玉米籽粒位移，觀察并分析各因素對玉米籽粒的落種軌跡特征，每組試驗重復(fù) 3 次，對 100 粒玉米籽粒下落位移進(jìn)行統(tǒng)計。

3.4 籽粒追蹤后處理

3.4.1 充種性能評價

利用 Phantom高速攝像處理軟件對充種性能進(jìn)行統(tǒng)計分析，記錄離開導(dǎo)種帶瞬時的籽粒數(shù)量。定義離開導(dǎo)種帶瞬時的種子數(shù)為1粒則為充種合格、2粒及以上則為重充、0粒則為漏充，計算各類數(shù)量與總充種次數(shù)的比值作為相應(yīng)考察結(jié)果[28]，即充種合格率、重充率和漏充率。

3.4.2 籽粒落種軌跡測定

利用 Phantom高速攝像處理軟件對視頻文件進(jìn)行圖像目標(biāo)追蹤，提取不同幀圖像中玉米籽粒質(zhì)心點坐標(biāo)，繪制出各工作條件下玉米籽粒落種軌跡。為準(zhǔn)確記錄籽粒三維空間位移變化，以排種器平衡位置理論投種初始點 O(O')作為坐標(biāo)原點，建立正面直角坐標(biāo)系 XOZ和側(cè)面直角坐標(biāo)系 YO'Z，于是玉米籽粒下落任意時刻在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值分別為（x，z）和（y，z）。利用 Collect points命令對下落的籽粒進(jìn)行落種軌跡追蹤，由于玉米籽粒具有一定幾何尺寸，追蹤時始終測定籽粒的質(zhì)心坐標(biāo)點，最后保存籽粒質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)并通過 Excel 軟件進(jìn)行后續(xù)處理，得出不同工作狀態(tài)下落種規(guī)律與趨勢。本文對玉米籽粒追蹤的垂直距離為80 mm，此為籽粒與導(dǎo)種管的理論接觸位置[22]。具體測定方式如圖9所示。

圖9 玉米籽粒坐標(biāo)點測定Fig.9 Coordinate measurement of corn grains

3.5 試驗結(jié)果分析

3.5.1 振動載荷對排種器工作性能的分析

運用 SPSS軟件對臺架對比試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，各變量的方差統(tǒng)計分析結(jié)果及其各水平的均值、F檢驗結(jié)果如表4所示。

由表 4可知，振動載荷對指夾式排種器充種性能的各項考核指標(biāo)影響均不顯著（P＜0.05），說明田間振動載荷不會影響指夾式排種器取種、運種、清種、一次投種過程的工作性能；前進(jìn)速度對充種合格率具有顯著影響（P＜0.05），當(dāng)前進(jìn)速度增加至9 km/h時，充種合格率顯著降低。

振動載荷對指夾式排種器播種性能中的播種合格率、粒距縱向變異系數(shù)和粒距橫向變異系數(shù)均具有顯著影響（P＜0.05），振動載荷對重播率和漏播率影響不顯著，說明田間振動載荷影響排種器排出玉米籽粒的下落軌跡及落點。前進(jìn)速度只對播種性能中的漏播率無顯著影響（P＜0.05），當(dāng)前進(jìn)速度增加至9 km/h時，各項考核指標(biāo)均顯著降低。在相同前進(jìn)速度條件下，振動載荷使排種器播種合格率降低、粒距縱向變異系數(shù)和粒距橫向變異系數(shù)升高，且變化趨勢隨著速度的增大而升高，如圖 10所示。

表4 臺架對比試驗統(tǒng)計分析結(jié)果Table 4 Statistical analysis results of bench comparative test

圖10 振動載荷對排種器播種性能的影響Fig.10 Effect of vibration load on seeding performance of metering device

綜上，由于振動載荷對排種器充種性能影響不顯著，對播種性能中的播種合格率、粒距縱向變異系數(shù)和粒距橫向變異系數(shù)影響顯著（P＜0.05），因此，將其作為多因素試驗的考核指標(biāo)，研究因素與指標(biāo)間的影響規(guī)律。

3.5.2 多因素試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表5所示，x1、x2、x3為因素編碼值。

表5中的試驗結(jié)果經(jīng)過Design-Expert軟件處理后得出整理后的方差分析結(jié)果見表6。

由表 6可知，播種合格率、縱向粒距變異系數(shù)、橫向粒距變異系數(shù)的模型顯著性P值均小于0.01，表明回歸模型高度顯著。失擬項P值均大于0.05，說明無失擬因素存在，表明回歸方程擬合度高，可用該回歸模型替代真實試驗結(jié)果進(jìn)行分析。各因素對播種合格率顯著性的影響順序依次為：排種軸轉(zhuǎn)速、振動加速度、振動頻率；對縱向粒距變異系數(shù)顯著性的影響順序依次為：排種軸轉(zhuǎn)速、振動加速度、振動頻率；對橫向粒距變異系數(shù)顯著性的影響順序依次為：排種軸轉(zhuǎn)速、振動加速度、振動頻率。播種合格率、縱向粒距變異系數(shù)、橫向粒距變異系數(shù)的模型決定系數(shù) R2分別為0.988 9、0.989 2、0.987 4，說明模型擬合程度好，可用來進(jìn)行試驗預(yù)測。

表5 試驗方案與結(jié)果Table 5 Test plan and results

表6 正交試驗的方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal test

對表 6數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到播種合格率Y1、縱向粒距變異系數(shù)Y2和橫向粒距變異系數(shù)Y3對編碼自變量的二元二次回歸方程分別為

為直觀地分析試驗指標(biāo)與因素間關(guān)系，固定 3因素中的1個因素為0水平，應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析其他2個因素對試驗指標(biāo)的影響和交互作用，通過 Design-Expert軟件得到響應(yīng)曲面，如圖12所示。

如圖11a～11b和式（13）所示，振動加速度分別與振動頻率和排種軸轉(zhuǎn)速有交互作用。播種合格率隨著振動頻率的增加先下降后上升；隨著振動加速度的增大而下降，且下降趨勢逐漸增加；隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增加而下降，且下降趨勢逐步增加。如圖11c～11d和式（14）所示，排種軸轉(zhuǎn)速分別與振動頻率和振動加速度有交互作用。縱向粒距變異系數(shù)隨著振動頻率的增加逐漸升高，且升高趨勢逐漸減緩；隨著振動加速度的的增大而升高，且升高趨勢逐漸增加；隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增大而升高，且升高趨勢逐漸增加。如圖11e～11f和式（15）所示，排種軸轉(zhuǎn)速分別與振動頻率和振動加速度有交互作用。橫向粒距變異系數(shù)隨著振動頻率的增加逐漸升高，且升高趨勢逐漸減緩；隨著振動加速度的的增大而升高，且升高趨勢較平穩(wěn)；隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增大而升高，且升高趨勢逐漸增加。

圖11 各因素對指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of each factor on index

由上述分析可知，振動頻率、振動加速度和排種軸轉(zhuǎn)速的增加對排種器排種質(zhì)量均有消極影響，且影響的主次為排種軸轉(zhuǎn)速、振動加速度和振動頻率。在實際作業(yè)過程時，保證播種機(jī)的工作效率的同時應(yīng)提高其播種作業(yè)質(zhì)量，因此，降低機(jī)具所受振動加速度是比改變振動頻率更有效的減振措施，對排種器或播種機(jī)進(jìn)行相應(yīng)減振設(shè)計來提高作業(yè)質(zhì)量是可行的。本試驗主要通過多因素試驗，研究外界振動激勵對排種器工作穩(wěn)定性及均勻性的影響規(guī)律，為單因素試驗測定籽粒落種軌跡奠定基礎(chǔ)。

3.5.3 籽粒軌跡測定試驗結(jié)果分析

圖12為振動頻率單因素變化條件下玉米籽粒落種軌跡坐標(biāo)的概率分布，當(dāng)振動頻率為3～11 Hz、振動加速度為0.7 g、排種軸轉(zhuǎn)速為44 r/min時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在-23～-3 mm內(nèi)，側(cè)面軌跡水平位移整體穩(wěn)定在-17～8 mm內(nèi)，振動頻率對落種軌跡具有顯著性影響，隨著振動頻率增加籽粒落種軌跡和落種點位置逐漸離散，落種范圍增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為，隨著振動頻率的增加，籽粒在理論投種點豎直行程內(nèi)的任意位置被投出的概率更具有隨機(jī)性，導(dǎo)致落種軌跡與落種點逐漸離散。

圖12 不同振動頻率條件下玉米籽粒落種軌跡的坐標(biāo)概率分布（X2=0.9 g，X3=44.0 r?min-1）Fig.12 The probability distribution of the falling track coordinate of corn grains under different vibration frequencies (X2=0.9 g,X3=44.0 r?min-1)

采用相同的方法對振動加速度和排種軸轉(zhuǎn)速單因素變化條件下玉米籽粒落種軌跡坐標(biāo)的概率分布進(jìn)行處理和分析，得到結(jié)論如下：當(dāng)振動頻率為7 Hz、振動加速度為0.3 g～1.5 g、排種軸轉(zhuǎn)速為44 r/min時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在-21～-2 mm內(nèi)，側(cè)面軌跡水平位移整體穩(wěn)定在-15～6 mm內(nèi)，振動加速度對落種軌跡具有顯著性影響，隨著振動加速度的增加，籽粒落種軌跡和落種點位置逐漸離散，落種點范圍逐漸增加；當(dāng)振動頻率為7 Hz、振動加速度為0.7 g、排種軸轉(zhuǎn)速為31.5～57 r/min時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在-27～0 mm內(nèi)，側(cè)面軌跡水平位移整體穩(wěn)定在-18～16 mm內(nèi)，排種軸轉(zhuǎn)速對籽粒落種軌跡及落點具有顯著性影響，隨前進(jìn)速度增加，籽粒落種軌跡和落種點位置逐漸離散，落種點位置逐漸遠(yuǎn)離投種初始位置，且落種范圍增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為，隨著振動加速度的增加，投種點與坐標(biāo)原點的豎直變化范圍由4增加至11 mm，同時籽粒受到振動加速度影響而使拋擲初速度的極值差距變大，即籽粒的投種點位置和投擲初速度均發(fā)生變化，最終導(dǎo)致落種軌跡逐漸離散而落種點范圍逐漸增加；隨著轉(zhuǎn)速的升高，玉米籽粒在脫離排種器時的線速度逐漸增加，導(dǎo)致其水平移動距離增大，同時籽粒與排種器的排種帶和殼體產(chǎn)生碰撞和摩擦更多，導(dǎo)致其投種軌跡離散而落種范圍增大。

4 結(jié) 論

1）以2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)為研究對象，通過理論分析建立了其在田間激勵下的振動數(shù)學(xué)模型，求得了穩(wěn)態(tài)振動響應(yīng)，得出影響播種機(jī)播種性能的主要因素為機(jī)具結(jié)構(gòu)特征、工作速度和土壤不平度。

2）2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)在玉米秸稈覆蓋地況作業(yè)，工作速度為5～9 km/h時，播種機(jī)受到振動激勵產(chǎn)生的振動加速度隨著工作速度增大而增加，振動加速度變化范圍為0.3 g～1.5 g；振動能量的頻率分布密度主要集中在低頻段3～11 Hz；前進(jìn)速度越大，振動越劇烈，但不影響振動能量的頻率分布。

3）通過搭建的振動排種試驗臺測得，田間振動激勵對指夾式排種器的充種性能無顯著影響，對播種合格率、粒距縱向變異數(shù)和粒距橫向變異系數(shù)具有顯著影響（P＜0.05）；試驗因素對排種器播種性能影響的主次順序為排種軸轉(zhuǎn)速、振動加速度、振動頻率。保證播種機(jī)的工作效率的同時應(yīng)提高其播種作業(yè)質(zhì)量，降低機(jī)具所受振動加速度比改變振動頻率更有效的減振措施。

4）通過搭建的落種軌跡測定試驗臺測得，振動頻率、振動加速度和排種軸轉(zhuǎn)速的增加均使籽粒落點更加離散、落種范圍增大，且排種軸轉(zhuǎn)速的增加使落種點位置逐漸遠(yuǎn)離投種初始位置。籽粒正面和側(cè)面位移量可為導(dǎo)種管管口的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。