夾持式玉米膜上精密穴播輪的參數優化及試驗

蔣 蓓,史增錄,陳 宏,胡顯威,毛 偉,日孜完古麗,王吉奎

(1.新疆職業大學 機械電子工程學院,烏魯木齊 830013;2.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;3.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

0 引言

玉米(Zea mays L.)因其獨特的耐旱性、耐寒性、較好的環境適應能力以及極高的營養價值,在我國被大量種植。截至2020年底,種植面積達到4126萬hm2[1-3]。玉米用途最廣,開發產品最多,利用玉米加工處理得到的淀粉成分極佳、成本低廉,初加工后的經濟價值遠超玉米本身,再加工還可以廣泛用于造紙、食品、紡織、醫藥等行業,產生的經濟效益較高。為了更加高效地種植收獲玉米,筆者設計優化了玉米膜上精密穴播輪,以促進玉米播種機械的發展[4]。

玉米在播種時主要有條播和穴播兩種方式:條播是在一條種行內按既定距離播種;穴播則是在種行內點播成穴[5-7],且穴播相對節約種粒,播種和株距更加精準。近年來,國內針對新型精密播種機械在理論研究上有了較多原創性的突破,但對于已有精密播種機械進行優化設計的工作較少,缺乏原創性精密播種機械的可靠性保障和優化分析[8-10]。為保證參數優化后的玉米播種質量,本試驗選擇夾持式玉米膜上精密穴播輪作為研究對象,獲取最優的試驗數據,進而得出最佳的穴播輪工作參數。這項工作對于提高玉米播種機械的質量和效率具有重要意義,且試驗結果還可以為后續夾持式玉米膜上精密穴播輪優化設計提供理論依據和數據支持。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

夾持式玉米膜上精密穴播輪由鴨嘴圈、取種器、投種器、清種器、接種杯、成穴器以及擋種圈等組成,如圖1所示。

1.鴨嘴圈 2.取種器 3.投種器 4.清種器 5.接種杯 6.成穴器 7.擋種圈圖1 夾持式玉米膜上精密穴播輪工作結構示意圖Fig.1 The diagram of Precision hole seeding wheel on clamped corn film

取種器作為夾持式玉米膜上精密穴播輪的關鍵部件,直接影響排種性能,主要由接種杯、底板、夾種板、支座、銷軸以及重塊組成,如圖2所示。其中,重塊被安裝在支座上,可以繞銷軸轉動,其較輕一端與夾種板固定連接。重塊安裝在支座上是為了防止種子等顆粒物進入重塊下端,妨礙重塊的正常轉動,影響取種器取種。底板安裝在支座的下端,在工作過程中因外力使得重塊擁有一定擺動量,可防止夾種板在夾取時破壞種子。

1.接種杯 2.底板 3.夾種板 4.支座 5.銷軸 6.重塊圖2 取種器結構圖Fig.2 Seed picker structure diagram

1.2 工作原理

穴播輪在工作時依靠牽引提供動力,并不斷在地膜上滾動,成穴器不斷點播成穴;與此同時,穴播輪內部種子室內的種群隨整輪滾動而滾動;種群在流過取種器時,取種器內部的夾種板與地板自然形成空間,流經的種子群在重力、種子與種子間作用力以及沖刷的摩擦力作用下,部分種子會被滯留在空間內,完成取種;取種器取種結束后,隨穴播輪轉動離開種子群,安裝在支座上的重塊在重力和銷軸的杠桿作用下,使得夾種板向下夾緊夾種口內的種子,完成夾種;穴播輪在繼續滾動過程中,夾種口內未被夾緊的種子會在重力和清種器的物理作用下不斷掉落,完成清種;隨著穴播輪繼續滾動,取種器出現在轉至穴播輪的另一側,取種器中的重塊接觸到固定在此的投種器,重塊開始向反方向轉動,夾種板漸漸松開,夾種口的種子群剛好掉落在接種杯內,完成接種;穴播輪繼續在地膜上滾動,成穴器不斷在地膜上破土成穴,接種杯內的種子如數掉落在挖好的種穴內,完成排種。

2 夾持式玉米膜上精密穴播輪參數優化

2.1 試驗條件

2020年9-10月,在石河子大學機電工程學院的農機性能實驗室進行試驗。實驗室可提供PSD-8多功能排種試驗臺,由模擬地膜種子傳送帶、鴨嘴圈打開裝置、電氣控制柜、各類機械傳動系統以及驅動穴播輪轉動的動力系統等組成。

通過分析夾持式玉米膜上精密穴播輪的工作原理和傳動結構,初步確定取種器的結構尺寸是影響排種性能的重要因素。因此,選取主要試驗因素為取種器中的夾種板板長X1、夾種板偏角X2、夾種板與接種杯間距X3,并且選取單粒率Y1和空穴率Y2作為試驗的指標。試驗因素水平如表1所示,試驗現場如圖3所示。

表1 試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of test

圖3 試驗現場Fig.3 Test site

2.2 試驗步驟

1)準備工作:由于不同的糧食作物種子的尺寸和質量各不相同,選擇玉米種子、油葵和棉花種子。為控制試驗變量,使得每次試驗都可以無差別反映穴播輪的各項播種性能。試驗前,將用來模擬的地膜種子傳送帶表面均勻涂抹適量黃油,使得從穴播輪排出的種子能夠很好地黏在傳輸帶上,方便后續試驗分析。

2)固定穴播輪:穴播輪傳動軸的高度和角度可以隨意設置,試驗前需要根據試驗穴播輪的尺寸以及鴨嘴圈打開裝置的高度來固定穴播輪。

3)裝置試運行:將未加種子的穴播輪空轉進行試運行,檢驗搭建好的試驗裝置是否存在卡滯現象,并根據傳送帶的傳輸速度來調控穴播輪的轉速,進而控制其播種速度。本次以播種速度0.8 m/s進行試驗。

4)加種試驗:正式試驗開始前,在穴播輪內添加足夠適量的種子,試驗時務必先打開傳送帶,再打開穴播輪傳動軸,避免有種子提前排出導致試驗數據誤差加大;試驗結束后,應先關閉種子傳輸帶,后關閉穴播輪傳動軸的動力,以充分利用穴播輪內已接種的接種杯,在傳送帶上留下更多的有效數據。

5)重復試驗:每組試驗選取傳送帶上40穴數據,為增加試驗可靠性,重復10組試驗,取平均值作為最終的試驗數據。

6)處理數據:獲取數據時,務必在傳送帶停穩后讀取數據,并將最終的試驗數據處理成能夠直接反映排種性能的單粒率和空穴率。

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 試驗結果

運用Design軟件進行試驗設計[11],以取種器中夾種板板長X1、夾種板偏角X2及夾種板與接種杯間距X3為試驗因素,以單粒率Y1和空穴率Y2作為目標值,進行正交試驗,結果如表2所示。由表2可知:該裝置的單粒率為80.37%～92.12%,空穴率為3.01%～7.92%。

表2 試驗設計及結果Table 2 Test design and results

2.3.2 回歸模型的建立與顯著性分析

選擇表2中的數據進行回歸模型和方差分析[12],結果如表3所示。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

該試驗建立單粒率Y1和空穴率Y2對夾種板板長X1、夾種板偏角X2及夾種板與接種杯間距X3等3個自變量的二次響應面回歸模型,其回歸方程公式為

Y1=91.51+1.55X1+0.915X2+1.81X3+

0.055X1X2-0.6275X1X3-1.43X2X3-

(1)

Y2=5.99-0.3837X1-0.94X2-1.30X3+

1.03X1X2+0.4025X1X3-0.205X2X3-

(2)

Y1=91.59+1.55X1+0.915X2+1.81X3-

(3)

Y2=6.03-0.3837X1-0.94X2-1.30X3+

(4)

2.3.3 參數優化與試驗驗證

根據方差分析可知:試驗因素影響單粒率Y1的顯著順序為夾種板與接種杯間距X3>夾種板板長X1>夾種板偏角X2,影響空穴率Y2的顯著順序為夾種板與接種杯間距X3>夾種板偏角X2>夾種板板長X1。在此,利用軟件中的Optimization優化模塊,分析建立參數優化數學模型。

由優化結果可知:當取種器中夾種板板長X1為16.515mm、夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32.178 mm時,單粒率Y1達到90.67%,空穴率Y2為3.48%。為了驗證模型預測的準確性,再次借用石河子大學機電工程學院農機性能實驗室的多功能排種試驗臺,利用優化后的排種器進行3次試驗。考慮到機具實際的工作情況,設置取種器中夾種板板長X1為17 mm,夾種板偏角X2為40°,夾種板與接種杯間距X3為32mm,如式(5)所示。在此方案下進行驗證試驗,結果如表4所示。

表4 驗證試驗Table 4 Verification test %

(5)

由表4可知:單粒率Y1與空穴率Y2試驗驗證的平均值分別為92.09%、3.35%,與優化結果的相對誤差均小于5%,故參數優化的模型可靠;當取種器中夾種板板長X1為17 mm、夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32 mm時,單粒率Y1為92.09%,空穴率Y2為3.35%。

3 結論

1)運用Box-Benhnken中心組合試驗方法,利用取種器中夾種板板長X1、夾種板偏角X2、夾種板與接種杯間距X3等3個試驗因素對單粒率Y1與空穴率Y2的影響,建立了以單粒率Y1與空穴率Y2為響應指標的回歸方程。各試驗因素影響單粒率Y1的顯著順序為夾種板與接種杯間距X3>夾種板板長X1>夾種板偏角X2,影響空穴率Y2的顯著順序為夾種板與接種杯間距X3>夾種板偏角X2>夾種板板長X1。

2)通過優化分析獲取最佳參數組合,即取種器中夾種板板長X1為16.515mm,夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32.178mm時,單粒率Y1達到90.67%,空穴率Y2為3.48%。結合裝置實際工作條件,并通過試驗再次驗證表明:當取種器中夾種板板長X1為17mm、夾種板偏角X2為40°、夾種板與接種杯間距X3為32mm時,單粒率Y1為92.09%,空穴率Y2為3.35%,試驗值與優化結果的相對誤差分別為1.57%、3.74%均小于5%,滿足玉米精密排種作業要求。