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(zhǎng)春 130022； 2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

機(jī)械化保護(hù)性耕作是實(shí)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(lái)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(zhǎng)久經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)[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(jiān)實(shí)度和地表不平度都增大的情況下作業(yè)，播種過(guò)程中的機(jī)具所受振動(dòng)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(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)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(jì)[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(duì)田間外界激勵(lì)引起的機(jī)械振動(dòng)對(duì)播種機(jī)和排種器作業(yè)性能的影響研究相對(duì)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(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了播種機(jī)田間振動(dòng)特性及其對(duì)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(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)模型不適用于指夾式免耕精密播種機(jī)，獲得的振動(dòng)信息無(wú)法反映指夾式精密播種機(jī)及其配套排種器的振動(dòng)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(duì)象，根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理建立了其振動(dòng)特性模型；對(duì)整機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，分析了采集到的振動(dòng)信號(hào)；以上述得到的振動(dòng)主要頻率和振動(dòng)加速度為排種器振動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分析振動(dòng)載荷對(duì)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(jì)提供參考。

1 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精量播種機(jī)振動(dòng)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(diǎn)懸掛架、傳動(dòng)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(kāi)溝器、播種限深輪和覆土鎮(zhèn)壓器組成。播種單體通過(guò)安裝有拉伸彈簧的平行四連桿架固接在三點(diǎn)懸掛架上，2個(gè)傳動(dòng)地輪總成分別固裝在三點(diǎn)懸掛架的左右兩側(cè)，通過(guò)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)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(shí)，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(kāi)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(shí)種溝內(nèi)的土壤，播種單體通過(guò)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(dòng)特性理論模型

播種機(jī)的播種單體通過(guò)帶有拉伸彈簧的仿形四連桿架與三點(diǎn)懸掛架可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接，機(jī)具作業(yè)時(shí)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(shí)，其振動(dòng)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(gè)沿播種行方向的波長(zhǎng)為 Tg、地面相對(duì)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(duì)播種機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，忽略部分次要影響因素，需在建立振動(dòng)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(gè)部件均為剛體。②切茬圓盤的剛度、播種開(kāi)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(kāi)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(wú)彈跳。④研究播種機(jī)的垂直振動(dòng)，忽略橫向振動(dòng)。于是，播種機(jī)在田間作業(yè)的振動(dòng)系統(tǒng)模型可簡(jiǎn)化為圖3。

由圖3可知，播種機(jī)所受到的簡(jiǎn)諧激勵(lì)為

其中

令播種機(jī)的絕對(duì)位移為x(t)，其動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)引入下列符號(hào)

則免耕播種機(jī)的振動(dòng)方程簡(jiǎn)化為

式中Fd為系統(tǒng)激勵(lì)力的幅值，N；α為系統(tǒng)激勵(lì)相位差，rad；ωn為系統(tǒng)無(wú)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(dòng)響應(yīng)

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

對(duì)式（10）中三角函數(shù)進(jìn)行合并，解得

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

于是，播種機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解為

因此，由穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)可以得出，免耕播種機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)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(dòng)特性測(cè)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(shí)的振動(dòng)特性，對(duì)其進(jìn)行田間測(cè)試，為振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)的搭建提供參考。

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2018年5月在吉林大學(xué)示范試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)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(yàn)時(shí)播種機(jī)由John Deer-554 拖拉機(jī)提供動(dòng)力。圖4為田間試驗(yàn)情況，表1為試驗(yàn)時(shí)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(yàn)Fig.4 Field test of 2BMZ-2 corn no-tillage finger-type precision planter

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

振動(dòng)特性信息采集系統(tǒng)由PC計(jì)算機(jī)、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀（東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司，DH5981，精度＜5%）和加速度傳感器（東華測(cè)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(yàn)時(shí)，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(dòng)信號(hào)，如圖5b所示，振動(dòng)特性數(shù)據(jù)經(jīng)由動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀傳送至計(jì)算機(jī)，利用DEMO動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析軟件（東華測(cè)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(shí)的振動(dòng)特性。

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

2.2 試驗(yàn)方案

采用單因素試驗(yàn)方法安排試驗(yàn)，播種機(jī)最佳工作速度范圍為6～8 km/h，測(cè)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(shí)的振動(dòng)特性。試驗(yàn)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(yàn)時(shí)，選擇留茬高度均勻、地表耕作層未被破壞的地塊進(jìn)行測(cè)試，采集播種機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行后15 s內(nèi)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。在每個(gè)速度水平下進(jìn)行5 次重復(fù)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6a振動(dòng)時(shí)域分析可知，免耕播種機(jī)垂直方向的振動(dòng)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(shí)，正向最大振動(dòng)加速度由0.22g增至0.84g（g=9.8 m/s2），負(fù)向最大振動(dòng)加速度由-0.62g增至-1.15g（播種機(jī)受地況影響，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)加速度為正向，向下運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)加速度為負(fù)向）。通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，并對(duì)兩者的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其伴隨概率P皆小于0.01，擬合方程見(jiàn)圖6b。

圖6 2BMZ-2型指夾式玉米免耕精密播種機(jī)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)越劇烈，但不影響振動(dòng)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(dòng)頻率分析Fig.7 Vibration frequency analysis of 2BMZ-2 corn no-tillage finger-type precision planter

3 振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)搭建及排種性能影響試驗(yàn)

3.1 振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)搭建

振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)主要由JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)（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(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)和落種軌跡測(cè)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(dòng)器（普菲德，DM860H）、開(kāi)關(guān)電源和轉(zhuǎn)速控制器；激振系統(tǒng)包括激振器（東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司，DH40200）、函數(shù)信號(hào)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)包括高速攝像儀（美國(guó) Vision Research公司，Phantom v711；圖像處理程序?yàn)?Phantom 控制軟件）、PC計(jì)算機(jī)、空間網(wǎng)格面板和反射鏡面板組成；振動(dòng)特性信號(hào)采集系統(tǒng)與田間試驗(yàn)相同，振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Test bench for vibration seeding

在試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)JPS-12 型排種試驗(yàn)臺(tái)傳送帶電動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)；振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)排種器的振動(dòng)特性，排種器激振系統(tǒng)用來(lái)調(diào)控排種器的振動(dòng)載荷，使排種器在目標(biāo)振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度下運(yùn)行，能夠模擬田間振動(dòng)載荷；種床帶相對(duì)于排種器反向運(yùn)動(dòng)，模擬播種機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，玉米籽粒從排種口落至涂有油層的種床帶上，通過(guò)攝像處理裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林大學(xué)排種性能試驗(yàn)室。試驗(yàn)材料為吉林省廣泛種植的“宏信808”玉米品種，經(jīng)人工分級(jí)清選處理，保證供試籽粒飽滿、無(wú)損傷及蟲害，測(cè)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(zhǎng)度9.95 mm、寬度7.51 mm、厚度4.43 mm（對(duì)100粒籽粒進(jìn)行測(cè)量取平均值）。

3.3 試驗(yàn)方法

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

為確定機(jī)械振動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)田間測(cè)試結(jié)果，確定各速度水平下的振動(dòng)特性如表 2所示。參考GB/T 6973－2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，對(duì)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(yùn)用高速攝像技術(shù)分析振動(dòng)特性對(duì)排種器充種性能的影響規(guī)律，充種性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為充種合格率、重充率和漏充率[28]。試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)，通過(guò)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)各工況下的試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，保證各組試驗(yàn)測(cè)定籽粒數(shù)量超過(guò)300粒，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

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

為研究振動(dòng)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(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)播種機(jī)在田間作業(yè)的振動(dòng)特性，設(shè)定試驗(yàn)因素水平如表3所示。根據(jù)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)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(yàn)考核指標(biāo)。

表3 排種穩(wěn)定性試驗(yàn)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(cè)定試驗(yàn)。采用單因素試驗(yàn)方法研究振動(dòng)頻率f、振動(dòng)加速度a及排種軸轉(zhuǎn)速n對(duì)落種軌跡和落種范圍的影響。試驗(yàn)時(shí)，高速攝像儀正對(duì)空間網(wǎng)格面板擺放，測(cè)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(duì)玉米籽粒的落種軌跡特征，每組試驗(yàn)重復(fù) 3 次，對(duì) 100 粒玉米籽粒下落位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.4 籽粒追蹤后處理

3.4.1 充種性能評(píng)價(jià)

利用 Phantom高速攝像處理軟件對(duì)充種性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，記錄離開(kāi)導(dǎo)種帶瞬時(shí)的籽粒數(shù)量。定義離開(kāi)導(dǎo)種帶瞬時(shí)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(jì)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(cè)定

利用 Phantom高速攝像處理軟件對(duì)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(diǎn)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(diǎn) O(O')作為坐標(biāo)原點(diǎn)，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(shí)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(duì)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(shí)始終測(cè)定籽粒的質(zhì)心坐標(biāo)點(diǎn)，最后保存籽粒質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)并通過(guò) 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(shì)。本文對(duì)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(cè)定方式如圖9所示。

圖9 玉米籽粒坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)定Fig.9 Coordinate measurement of corn grains

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.5.1 振動(dòng)載荷對(duì)排種器工作性能的分析

運(yùn)用 SPSS軟件對(duì)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，各變量的方差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果及其各水平的均值、F檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表 4可知，振動(dòng)載荷對(duì)指夾式排種器充種性能的各項(xiàng)考核指標(biāo)影響均不顯著（P＜0.05），說(shuō)明田間振動(dòng)載荷不會(huì)影響指夾式排種器取種、運(yùn)種、清種、一次投種過(guò)程的工作性能；前進(jìn)速度對(duì)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(shí)，充種合格率顯著降低。

振動(dòng)載荷對(duì)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(dòng)載荷對(duì)重播率和漏播率影響不顯著，說(shuō)明田間振動(dòng)載荷影響排種器排出玉米籽粒的下落軌跡及落點(diǎn)。前進(jìn)速度只對(duì)播種性能中的漏播率無(wú)顯著影響（P＜0.05），當(dāng)前進(jìn)速度增加至9 km/h時(shí)，各項(xiàng)考核指標(biāo)均顯著降低。在相同前進(jìn)速度條件下，振動(dòng)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(shì)隨著速度的增大而升高，如圖 10所示。

表4 臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 4 Statistical analysis results of bench comparative test

圖10 振動(dòng)載荷對(duì)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(dòng)載荷對(duì)排種器充種性能影響不顯著，對(duì)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(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)Design-Expert軟件處理后得出整理后的方差分析結(jié)果見(jiàn)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(xiàng)P值均大于0.05，說(shuō)明無(wú)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(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。各因素對(duì)播種合格率顯著性的影響順序依次為：排種軸轉(zhuǎn)速、振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率；對(duì)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(dòng)加速度、振動(dòng)頻率；對(duì)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(dòng)加速度、振動(dòng)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(shuō)明模型擬合程度好，可用來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

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

表6 正交試驗(yàn)的方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal test

對(duì)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(duì)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(yàn)指標(biāo)與因素間關(guān)系，固定 3因素中的1個(gè)因素為0水平，應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析其他2個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響和交互作用，通過(guò) 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(dòng)加速度分別與振動(dòng)頻率和排種軸轉(zhuǎn)速有交互作用。播種合格率隨著振動(dòng)頻率的增加先下降后上升；隨著振動(dòng)加速度的增大而下降，且下降趨勢(shì)逐漸增加；隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增加而下降，且下降趨勢(shì)逐步增加。如圖11c～11d和式（14）所示，排種軸轉(zhuǎn)速分別與振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度有交互作用?？v向粒距變異系數(shù)隨著振動(dòng)頻率的增加逐漸升高，且升高趨勢(shì)逐漸減緩；隨著振動(dòng)加速度的的增大而升高，且升高趨勢(shì)逐漸增加；隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增大而升高，且升高趨勢(shì)逐漸增加。如圖11e～11f和式（15）所示，排種軸轉(zhuǎn)速分別與振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度有交互作用。橫向粒距變異系數(shù)隨著振動(dòng)頻率的增加逐漸升高，且升高趨勢(shì)逐漸減緩；隨著振動(dòng)加速度的的增大而升高，且升高趨勢(shì)較平穩(wěn)；隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增大而升高，且升高趨勢(shì)逐漸增加。

圖11 各因素對(duì)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(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和排種軸轉(zhuǎn)速的增加對(duì)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(dòng)加速度和振動(dòng)頻率。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程時(shí)，保證播種機(jī)的工作效率的同時(shí)應(yīng)提高其播種作業(yè)質(zhì)量，因此，降低機(jī)具所受振動(dòng)加速度是比改變振動(dòng)頻率更有效的減振措施，對(duì)排種器或播種機(jī)進(jìn)行相應(yīng)減振設(shè)計(jì)來(lái)提高作業(yè)質(zhì)量是可行的。本試驗(yàn)主要通過(guò)多因素試驗(yàn)，研究外界振動(dòng)激勵(lì)對(duì)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(yàn)測(cè)定籽粒落種軌跡奠定基礎(chǔ)。

3.5.3 籽粒軌跡測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12為振動(dòng)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(dòng)頻率為3～11 Hz、振動(dòng)加速度為0.7 g、排種軸轉(zhuǎn)速為44 r/min時(shí)，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(dòng)頻率對(duì)落種軌跡具有顯著性影響，隨著振動(dòng)頻率增加籽粒落種軌跡和落種點(diǎn)位置逐漸離散，落種范圍增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋S著振動(dòng)頻率的增加，籽粒在理論投種點(diǎn)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(diǎn)逐漸離散。

圖12 不同振動(dòng)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(duì)振動(dòng)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(dòng)頻率為7 Hz、振動(dòng)加速度為0.3 g～1.5 g、排種軸轉(zhuǎn)速為44 r/min時(shí)，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(dòng)加速度對(duì)落種軌跡具有顯著性影響，隨著振動(dòng)加速度的增加，籽粒落種軌跡和落種點(diǎn)位置逐漸離散，落種點(diǎn)范圍逐漸增加；當(dāng)振動(dòng)頻率為7 Hz、振動(dòng)加速度為0.7 g、排種軸轉(zhuǎn)速為31.5～57 r/min時(shí)，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(duì)籽粒落種軌跡及落點(diǎn)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(diǎn)位置逐漸離散，落種點(diǎn)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?yàn)椋S著振動(dòng)加速度的增加，投種點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的豎直變化范圍由4增加至11 mm，同時(shí)籽粒受到振動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)的線速度逐漸增加，導(dǎo)致其水平移動(dòng)距離增大，同時(shí)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(duì)象，通過(guò)理論分析建立了其在田間激勵(lì)下的振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，求得了穩(wěn)態(tài)振動(dòng)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(shí)，播種機(jī)受到振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度隨著工作速度增大而增加，振動(dòng)加速度變化范圍為0.3 g～1.5 g；振動(dòng)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(dòng)越劇烈，但不影響振動(dòng)能量的頻率分布。

3）通過(guò)搭建的振動(dòng)排種試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得，田間振動(dòng)激勵(lì)對(duì)指夾式排種器的充種性能無(wú)顯著影響，對(duì)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(yàn)因素對(duì)排種器播種性能影響的主次順序?yàn)榕欧N軸轉(zhuǎn)速、振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率。保證播種機(jī)的工作效率的同時(shí)應(yīng)提高其播種作業(yè)質(zhì)量，降低機(jī)具所受振動(dòng)加速度比改變振動(dòng)頻率更有效的減振措施。

4）通過(guò)搭建的落種軌跡測(cè)定試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得，振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和排種軸轉(zhuǎn)速的增加均使籽粒落點(diǎn)更加離散、落種范圍增大，且排種軸轉(zhuǎn)速的增加使落種點(diǎn)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。