王小瑜 康建明 丁漢鳳 彭強(qiáng)吉 張春艷 李娜娜

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100； 2.山東省農(nóng)作物種質(zhì)資源中心， 濟(jì)南 250100)

0 引言

藜麥(Quinoa)是一種保健型糧食作物，因其具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和多種健康功效而在我國(guó)發(fā)展迅速[1-2]。藜麥的經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有極高的開(kāi)發(fā)和利用價(jià)值[3]。藜麥產(chǎn)量和品質(zhì)受土壤、氣候、水肥條件的影響較為明顯[4-5]，覆膜栽培是提高藜麥品質(zhì)和適種性的有效手段[6]。但是，目前缺少與之配套的藜麥專(zhuān)用覆膜精量播種機(jī)。

我國(guó)播種小粒種子多采用槽輪式排種器，存在精度不高、穩(wěn)定性差、漏播嚴(yán)重等問(wèn)題[7-8]。膜上精量穴播省時(shí)省力，可一次完成開(kāi)溝覆膜、膜上打孔播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，在增強(qiáng)膜下土壤蓄水保溫作用的同時(shí)可減輕對(duì)土壤的擾動(dòng)，有效避免燒苗等現(xiàn)象[9]。藜麥播種的株距為200～300 mm，行距在400 mm左右，單穴播種要求在2～4粒之間，機(jī)械式滾筒穴播器能夠滿足藜麥覆膜播種的農(nóng)藝要求，且成穴性好，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造難度小、作物針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)外的膜上播種技術(shù)主要用于蔬菜種植[10]。LAWRENCE等[11]設(shè)計(jì)了可改變孔距、孔深的氣動(dòng)點(diǎn)播鋪膜機(jī)，可用于馬鈴薯和洋蔥種植。我國(guó)于20世紀(jì)80年代由陳學(xué)庚首創(chuàng)了棉花鋪膜播種技術(shù)[9]，目前已在棉花、花生等作物中廣泛應(yīng)用，在旱作水稻種植中也有應(yīng)用[12-13]。但對(duì)于藜麥等特色作物的應(yīng)用研究較少。天祝藏族自治縣農(nóng)牧業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站對(duì)2MBJ-1/4型精量聯(lián)合播種機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，該機(jī)能夠一次性完成藜麥的整地、滴灌管鋪設(shè)、覆膜、播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)[14]，但沒(méi)有設(shè)計(jì)專(zhuān)用的取種部件。國(guó)內(nèi)藜麥引進(jìn)時(shí)間短，相關(guān)研究較少[15]，目前尚未見(jiàn)專(zhuān)用藜麥精量播種機(jī)的研究報(bào)道。

本文針對(duì)藜麥種植農(nóng)藝要求，以現(xiàn)有膜上成穴播種機(jī)為基礎(chǔ)，提出藜麥覆膜精量播種技術(shù)，設(shè)計(jì)藜麥覆膜精量播種機(jī)，針對(duì)藜麥種子特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)取種器進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以播種機(jī)的作業(yè)速度、取種器側(cè)孔長(zhǎng)度和充種高度為試驗(yàn)因素，對(duì)播種機(jī)的播種性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，尋求最佳參數(shù)組合。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 膜下滴灌藜麥種植模式

合理密植是藜麥高產(chǎn)高效栽培的要求，具體根據(jù)地力條件確定最佳密度，一般在土壤肥力中下等田塊，基本苗為12.75萬(wàn)株/hm2或更高；在土壤肥力中上等的地塊，基本苗以不低于11.25萬(wàn)株/hm2為宜[3]。

如圖1所示，針對(duì)不同肥力地塊的種植密度要求，設(shè)計(jì)了1膜2管4行的等行距種植模式，對(duì)于肥力中下等田塊，行距D取400 mm，對(duì)于肥力中上等田塊，行距D取350 mm；播種深度為20～30 mm，株距為220 mm，單穴播種在2～4粒之間。

圖1 藜麥覆膜種植模式示意圖Fig.1 Schematic of planting mode of quinoa covered with film1.滴灌管 2.地膜 3.膜溝

該種植模式具有以下特點(diǎn)：①將藜麥鋪管、鋪膜、膜上播種機(jī)械作業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一體化覆膜播種，擴(kuò)大了藜麥的適種范圍，且種植行距可根據(jù)農(nóng)藝要求調(diào)整，提高了播種質(zhì)量、降低經(jīng)濟(jì)投入。②根據(jù)藜麥不同生育階段對(duì)水分的需求，調(diào)節(jié)土壤含水率，實(shí)現(xiàn)藜麥生長(zhǎng)的各生育期水分需求的精準(zhǔn)控制，可提高藜麥品質(zhì)，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，主要由整平裝置、種床鎮(zhèn)壓裝置、滴灌管鋪設(shè)裝置、劃線裝置、隨動(dòng)仿形鋪膜裝置、膜上成穴播種裝置、種行覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成，可一次性完成畦面整形鎮(zhèn)壓、地膜隨動(dòng)仿形鋪設(shè)、膜上成穴播種、種行覆蓋鎮(zhèn)壓工序。

圖2 2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of type 2BM-4 film with drip irrigation of Chenopodium quinoa planter1.整平裝置 2.種床鎮(zhèn)壓裝置 3.滴灌管鋪設(shè)裝置 4.劃線裝置 5.隨動(dòng)仿形鋪膜裝置 6.膜上成穴播種裝置 7.種行覆土裝置 8.鎮(zhèn)壓裝置

2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)以配套拖拉機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置連接于拖拉機(jī)后方，中心對(duì)稱布置，作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)牽引播種機(jī)在旋耕整平后的土地上行駛，畦面整形裝置對(duì)種床進(jìn)行清理鎮(zhèn)壓，膜邊開(kāi)溝圓片開(kāi)出膜溝，地膜在展膜輥的作用下平鋪在地面上，壓膜輪將膜邊壓靠在兩側(cè)膜溝內(nèi)，穴播器在地膜上滾動(dòng)，完成打膜成穴、播種，隨后覆土滾筒將碎土送至種行，完成種行覆土。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)藜麥種植模式需求及谷物播種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 滴灌管鋪設(shè)裝置

根據(jù)滴灌管淺埋鋪設(shè)的設(shè)計(jì)要求，選用擠壓入土開(kāi)溝的滑刀式開(kāi)溝器，其結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)溝型整潔，具有回土功能[16]，通過(guò)改變調(diào)節(jié)桿的位置，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝深度的調(diào)節(jié)，開(kāi)溝器內(nèi)部的導(dǎo)向輪將滴管鋪設(shè)于溝底。

滑刀式開(kāi)溝器對(duì)土壤的作用是滑切，影響滑切作用的結(jié)構(gòu)因素主要有滑刀入土角Φ、滑刀刃口角ρ和開(kāi)溝深度H[16]。

2.1.1滑刀入土角Φ

滑刀入土角Φ為開(kāi)溝器工作面與水平面之間的夾角，其大小影響開(kāi)溝器的入土性能和前進(jìn)阻力。研究表明，滑刀式開(kāi)溝器的切割阻力隨著滑切角的增大而減小[17]，Φ過(guò)小，滑刀滑切作用減弱，但Φ過(guò)大，會(huì)造成翻土，回土效果減弱。土壤視為散粒體，滑刀式開(kāi)溝器前端為垂直斜刃口，工作時(shí)，開(kāi)溝器以刃口楔面劈開(kāi)土壤并以一定的速度和深度前進(jìn)，刃口楔面在與土壤接觸的每個(gè)點(diǎn)上沿法線方向擠壓土粒，滑刀式開(kāi)溝器作業(yè)中土壤顆粒在刃口上的受力如圖3所示。

圖3 土壤在滑刀式開(kāi)溝器刃口上的受力分析Fig.3 Soil force on edge of a sliding knife trencher

如圖3所示，作用在土粒上的力為側(cè)壓力N和摩擦力F，將N分解為沿刃口楔面的運(yùn)動(dòng)速度方向分力Nx及沿楔面方向分力Nτ，土粒將在Nτ>F作用力下沿表面滑動(dòng)，即Ntanβ>Ntanφ，其中滑切角β為開(kāi)溝器前進(jìn)方向與刃口法線方向的夾角，φ為土粒與滑刀間的摩擦角。所以有β>φ，又因?yàn)棣?β=90°，所以保證滑刀對(duì)土壤滑切作用的必要條件是Φ>90°+φ。為減小開(kāi)溝阻力且保證溝土回流，參考前期研究成果和滴灌管淺埋開(kāi)溝深度要求[9，18]，確定滑刀入土角Φ為145°。

2.1.2滑刀刃口角ρ

土粒被滑刀刃口分離后沿滑刀楔面向后滑移，滑刀刃口角ρ增大會(huì)造成滑切角β減小，進(jìn)而造成滑刀入土角Φ減小，使得滑刀式開(kāi)溝器的滑切阻力增加。

圖4 土壤在滑刀式開(kāi)溝器楔面上的受力分析Fig.4 Force of soil on wedge surface of sliding knife furrow cutter

如圖4所示，作用在土粒上的力為側(cè)壓力N′和摩擦力F′，將力N′分解為沿刃口楔面的運(yùn)動(dòng)速度方向分力N′x及沿楔面方向分力N′τ，土粒將在N′τ>F′作用力下沿表面滑動(dòng)，即N′tanβ>N′tanφ，因?yàn)棣?ρ/2=90°，所以土粒在刃口楔面上向后滑移的必要條件是ρ<180°-2φ。根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究成果，不論土壤與土壤之間的摩擦角以及土壤與金屬之間的摩擦角如何變化，最小切削阻力總是在楔角接近45°時(shí)出現(xiàn)，所以取ρ=45°。

2.1.3開(kāi)溝深度H

開(kāi)溝深度根據(jù)滴灌管淺埋農(nóng)藝要求確定，還與開(kāi)溝寬度W有關(guān)，即

(1)

式中Hn——滴灌管覆土深度，mm

根據(jù)滴灌管淺埋開(kāi)溝農(nóng)藝要求，開(kāi)溝深度H取20 mm，開(kāi)溝寬度W取45 mm，此時(shí)滴灌管覆土深度Hn為8 mm，滿足農(nóng)藝要求。

2.2 膜上成穴播種裝置

膜上成穴播種裝置是本機(jī)的核心部件，其性能直接影響播種機(jī)的作業(yè)效果。根據(jù)藜麥每穴2～4粒的種植農(nóng)藝要求，采用機(jī)械翼勺式滾筒穴播器，主要由殼體、取種器、成穴器等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作中滾筒式穴播器在地膜上滾動(dòng)，滾筒內(nèi)的種子被種子與滾筒之間的摩擦力以及種子相互之間的摩擦力帶動(dòng)，位于滾筒圓周面內(nèi)側(cè)的取種器隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從種子群中穿過(guò)，經(jīng)過(guò)一周的轉(zhuǎn)動(dòng)完成取種、清種、輸種過(guò)程，當(dāng)取種器轉(zhuǎn)動(dòng)到底部時(shí)，種子在自重的作用下落入到成穴器內(nèi)，此時(shí)成穴器破膜后插入土壤開(kāi)出種穴，種子落入土壤后成穴器離開(kāi)地面并閉合，完成整個(gè)播種過(guò)程。

圖5 機(jī)械翼勺式滾筒穴播器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of drum-type dibbler1.滾筒體 2.取種器 3.成穴器

2.2.1穴播器半徑R1和成穴器個(gè)數(shù)Z

穴播器半徑是穴播器的重要參數(shù)，其大小與株距、成穴器個(gè)數(shù)、播種深度有關(guān)。如圖5所示，理想狀態(tài)下穴播器不產(chǎn)生滑移，理論株距l(xiāng)為兩相鄰成穴器之間的夾角σ所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，則

(2)

h=R1-R2

(3)

式中R2——成穴器底圓半徑，mm

h——播種深度，mm

根據(jù)藜麥播種農(nóng)藝要求，株距l(xiāng)取220 mm，播種深度h取30 mm，綜合考慮成穴器個(gè)數(shù)和穴播器半徑，取Z為6，可得穴播器半徑R1為210 mm，此時(shí)株距為220 mm。

2.2.2取種器設(shè)計(jì)

取種器是決定精量播種質(zhì)量的重要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定程度上決定了單穴播種粒數(shù)。本設(shè)計(jì)采用翼勺式取種器，結(jié)構(gòu)如圖6所示，工作時(shí)，取種器在滾筒底部充種，種勺取種后隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，種子沿側(cè)孔進(jìn)入容種腔完成取種過(guò)程。

圖6 取種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of seed extractor

(1)種勺設(shè)計(jì)

藜麥形狀的不規(guī)則導(dǎo)致取種器的充種過(guò)程復(fù)雜多變，取種器的種勺形狀和尺寸直接影響取種性能。藜麥種子為圓形藥片狀，按照軸向尺寸表示法對(duì)藜麥種子形狀和尺寸進(jìn)行描述[20]，得到藜麥種子的輪廓外形和三軸尺寸如圖7a所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，種子的長(zhǎng)度a和寬度b相差較小，在種子三維描述中將兩者按相等處理，將藜麥種子的三軸尺寸進(jìn)行近似和簡(jiǎn)化后，其三維外形描述為一圓柱體，如圖7b所示，圓柱體的直徑d為1.93 mm，厚度t為1.13 mm。

圖7 藜麥種子輪廓外形和三維外形模型Fig.7 Quinoa seeds outline shape and three-dimensional shape model

翼勺式取種器的種勺為三角體，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定了種勺的尺寸和形狀，種勺內(nèi)均可容納2～4粒種子，多余的種子在取種器隨穴播器的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中掉落。因藜麥種子重心位于其對(duì)稱中心，在充種過(guò)程中，藜麥種子將以“平躺”和“豎立”以及其他姿態(tài)進(jìn)入種勺。以“平躺”和“豎立”兩種極限姿態(tài)為例，種子在種勺內(nèi)的分布如圖8所示。

圖8 種勺內(nèi)種子分布示意圖Fig.8 Schematics of seed distribution in seed scoop

(2)取種器側(cè)孔長(zhǎng)度S和容種腔長(zhǎng)度L

取種器側(cè)孔長(zhǎng)度S是影響取種效果的一個(gè)關(guān)鍵因素，影響取種成功率、重播率以及漏播。研究表明，取種器側(cè)孔長(zhǎng)度與種子最大直徑關(guān)系為[21]

S=(1.2～1.5)dmax

(4)

L=(1.5～2)dmax

(5)

式中dmax——種子最大直徑，mm

取種器的單穴播種粒數(shù)隨S增加而減小，當(dāng)S增加到一定值時(shí)，由種勺進(jìn)入容種腔的種子數(shù)量呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，種子數(shù)量不因取種器側(cè)孔長(zhǎng)度S的增加而繼續(xù)減小[22]。本設(shè)計(jì)中的S值通過(guò)理論設(shè)計(jì)結(jié)合試驗(yàn)獲得，綜合考慮藜麥種子的外形特點(diǎn)和在取種器中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，根據(jù)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果確定側(cè)孔長(zhǎng)度S為10 mm，容種腔長(zhǎng)度L為10 mm。

2.2.3穴播器角速度ω

種子在穴播器滾筒內(nèi)壁的受力如圖9所示，當(dāng)種子在滾筒內(nèi)壁上與中心豎直方向的夾角為η時(shí)，種子所受的力有自身重力mg、與滾筒內(nèi)壁的摩擦力F1、滾筒內(nèi)壁對(duì)種子的支撐力N1以及滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受到的離心力P，分析得

P=mω2R2

(6)

P+mgcosη=N1

(7)

式中m——種子質(zhì)量，kg

圖9 種子在滾筒內(nèi)受力示意圖Fig.9 Schematic of force exerted on seeds in roller

在滾筒的水平中心線以上是清種區(qū)和護(hù)種區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)種子必須脫離滾筒內(nèi)壁，即N=0[12]，代入式(6)、(7)可得

(8)

當(dāng)η=π時(shí)，滾筒的轉(zhuǎn)速為種子始終貼在滾筒壁上的最小轉(zhuǎn)速，代入式(8)求得穴播器底圓直徑R2處的最大線速度即整機(jī)的最大作業(yè)線速度為1.33 m/s。

2.2.4穴播器內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及取種性能分析

如圖10a所示，在正常角速度ω范圍內(nèi)，穴播器滾筒內(nèi)的種子群受滾筒內(nèi)壁和種子之間的雙重摩擦力作用而沿滾筒內(nèi)壁回轉(zhuǎn)方向向上移動(dòng)，當(dāng)升到一定高度時(shí)，處于最上面的種子在重力作用下沿種子流的斜面滑落回滾到筒底部，然后不停地被滾筒帶起，如此循環(huán)。圖中種子充滿的圓周上A、B兩點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)形成取種過(guò)程的充種區(qū)。

圖10 穴播器內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和滑落種子受力圖Fig.10 Motion state of seeds in caveoler and diagram of slipping seeds

圖10a中，ε為滑落位置角，即種子提升最高處B與滾筒中心的連線和水平方向的夾角；λ為取種起始角，即充種區(qū)A點(diǎn)與滾筒中心連線與豎直方向的夾角；μ為種子滑落面與水平面的夾角，三者之間存在關(guān)系

(9)

(10)

式中H′——充種高度，mm

可以看出μ能夠反映三者之間的聯(lián)系，并體現(xiàn)各因素對(duì)充種區(qū)的影響，下面以μ為目標(biāo)進(jìn)行分析。如圖10b，在機(jī)具作業(yè)速度為v時(shí)，結(jié)合種子從點(diǎn)B滑落時(shí)的受力，分析可得種子滑落時(shí)應(yīng)滿足條件[23]

(11)

式中φ1——種子間摩擦角，(°)

則ε的臨界值為

(12)

將式(12)代入式(9)得μ的臨界值為

(13)

由式(13)可知，μ0隨v、H′和φ1的增大而增大，充種區(qū)的大小受這3個(gè)因素的影響，即取種質(zhì)量除與種子本身特性相關(guān)外，還受作業(yè)速度和充種高度的影響。在本設(shè)計(jì)中，測(cè)得藜麥種子的摩擦角φ1為34°，在機(jī)具最低作業(yè)速度為0.8 m/s、充種高度H′為140 mm時(shí)，代入式(13)求得μ、ε和λ的臨界值分別為64.2°、51.4°和13.0°。

2.3 種行覆土裝置

播種后需用覆土裝置進(jìn)行覆土，使土壤達(dá)到預(yù)定的覆蓋深度。覆土要求均勻，不影響種子分布均勻性。導(dǎo)土板螺旋角是影響覆土性能的主要因素，導(dǎo)土板上的土壤處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)的受力如圖11所示。

圖11 導(dǎo)土板上土壤的受力分析Fig.11 Force analysis of soil on spiral batten

導(dǎo)土板最佳螺旋角θ通過(guò)在不同土壤條件下試驗(yàn)分析得出，根據(jù)土壤運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析得出[24]

(14)

(15)

FN=F2sinγ

(16)

F3=FNtanδ

(17)

m′——土壤質(zhì)量，kg

FN——導(dǎo)土板對(duì)土壤的支撐力，N

F2——土壤自身重力與其他作用力合力，N

F3——土壤與導(dǎo)土板之間的摩擦力，N

γ——土壤自身重力與其他作用力合力與螺旋切線方向的夾角，(°)

δ——土壤與導(dǎo)土板的摩擦角，(°)

(18)

本設(shè)計(jì)中，土壤與導(dǎo)土板的摩擦角δ為30°，因此θ=30°。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

2020年4月，在濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)太平鎮(zhèn)山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合試驗(yàn)示范基地(濟(jì)陽(yáng))進(jìn)行了2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)的田間作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。試驗(yàn)用地1.0 hm2，土質(zhì)為沙壤土，地表平整，前茬作物為花生，收獲后空置。試驗(yàn)選用種子為“隴藜1號(hào)”，呈小圓藥片狀，其物料特性為：千粒質(zhì)量3.17 g，含水率11.3%，平均直徑為1.93 mm，平均厚度1.13 mm。

圖12 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.12 Prototype field test

3.2 試驗(yàn)方法及指標(biāo)

試驗(yàn)主要考核2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)的作業(yè)效果，為機(jī)具進(jìn)一步優(yōu)化與改善提供依據(jù)。試驗(yàn)參照GB/T 6973—2005《單粒(精量)播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)完成后，按照NT/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》對(duì)播種機(jī)的作業(yè)性能進(jìn)行測(cè)定，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為試驗(yàn)結(jié)果，每組試驗(yàn)連續(xù)記錄機(jī)具穩(wěn)定工作時(shí)排出的200穴種子，記錄每穴的粒數(shù)，計(jì)算合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)。各試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式為

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中n1——穴播量為2～4粒的總穴數(shù)，個(gè)

n2——穴播量為0粒的總穴數(shù)，個(gè)

n3——穴播量小于2粒的總穴數(shù)，個(gè)

n4——穴播量大于4粒的總穴數(shù)，個(gè)

n5——播深為20～30 mm的總穴數(shù)，個(gè)

f——總測(cè)定穴數(shù)，個(gè)

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.3.1試驗(yàn)因素對(duì)播種性能的影響

根據(jù)2.2.2節(jié)和2.2.4節(jié)的設(shè)計(jì)和分析，結(jié)合前期研究發(fā)現(xiàn)，影響播種機(jī)作業(yè)性能的主要因素是播種機(jī)作業(yè)速度、取種器側(cè)孔長(zhǎng)度和穴播器充種高度，為明確三者對(duì)藜麥播種機(jī)作業(yè)性能的影響，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了三因素四水平正交試驗(yàn)L16(45)[25]。在前期研究和單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定了試驗(yàn)因素的水平范圍，試驗(yàn)因素和水平如表2所示，正交試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示(A、B、C為因素水平值)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test factors and coding

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Orthogonal test scheme and results

表4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.4 Range analysis of test results

由表4可以看出，影響合格指數(shù)、重播指數(shù)的主次因素依次為：作業(yè)速度、側(cè)孔長(zhǎng)度、充種高度，影響漏播指數(shù)的主次因素依次為：側(cè)孔長(zhǎng)度、作業(yè)速度、充種高度。合格指數(shù)、漏播指數(shù)以及重播指數(shù)的較優(yōu)水平分別為A2B2C3、A2B2C3、A2B2C1，即A2B2C3和A2B2C1兩個(gè)組合的作業(yè)效果較好，因此選定這兩個(gè)組合進(jìn)行最優(yōu)方案對(duì)比試驗(yàn)。

3.3.2最優(yōu)方案確定

為了確定最優(yōu)參數(shù)方案，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)、空穴指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行組合A2B2C3和A2B2C1的作業(yè)效果對(duì)比試驗(yàn)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子的播種量，測(cè)量播種深度，試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，計(jì)算各指標(biāo)值，結(jié)果如表5所示。

表5 兩種因素組合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of contrast experiment %

由表5可以看出，相比于組合A2B2C3，組合A2B2C1的合格指數(shù)、漏播指數(shù)和空穴指數(shù)較差。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求和極差分析結(jié)果，在保證合格指數(shù)的同時(shí)降低漏播指數(shù)比降低重播指數(shù)更為有利，因此，選定組合A2B2C3為最優(yōu)方案，即作業(yè)速度為1.0 m/s、側(cè)孔長(zhǎng)度為10 mm、充種高度為140 mm。

3.3.3播種深度一致性

在選定的最優(yōu)方案條件下，連續(xù)統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子的播種深度，計(jì)算播深合格指數(shù)，分析播種深度一致性，得到平均播種深度為26.4 mm，播深合格指數(shù)為88.1%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.51 mm，變異系數(shù)為9.5%，播種深度差異較小，表明播種機(jī)播種深度的均勻性和穩(wěn)定性好。

3.3.4播種量穩(wěn)定性

在選定的最優(yōu)方案條件下，連續(xù)統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子(每行50穴)的播種量，分析播種機(jī)各行播種量穩(wěn)定性和總體播種量穩(wěn)定性，得到平均播種量為3.2粒，各行播種量的穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.74%，總體播種量的穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.86%，播種量差異較小，表明播種機(jī)的播種量穩(wěn)定性好。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了2BM-4型藜麥覆膜精量播種機(jī)，采用滑刀式開(kāi)溝器將滴灌管淺埋鋪設(shè)于所開(kāi)溝內(nèi)，隨動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)將地膜鋪設(shè)于地表，機(jī)械翼勺式滾筒穴播器實(shí)現(xiàn)膜上精量播種，可一次性完成平整種床、鋪設(shè)滴灌管、鋪膜、壓膜、膜上打孔、播種、膜上覆土、鎮(zhèn)壓等8道工序，減少了藜麥播種的中間環(huán)節(jié)，在提高作業(yè)效率的同時(shí)減少了作業(yè)次數(shù)、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)通過(guò)三因素四水平正交試驗(yàn)得出影響播種機(jī)合格指數(shù)的主次因素依次為：作業(yè)速度、側(cè)孔長(zhǎng)度、充種高度。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)適合藜麥精量穴播的最佳參數(shù)組合為：作業(yè)速度1.0 m/s、側(cè)孔長(zhǎng)度10 mm、充種高度140 mm，田間試驗(yàn)表明，在最佳參數(shù)組合下，合格指數(shù)為85.4%、空穴指數(shù)為1.7%、漏播指數(shù)為5.2%、重播指數(shù)為9.4%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足藜麥的覆膜精量播種要求。

(3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證播種效果，通過(guò)田間試驗(yàn)得到最佳參數(shù)組合下的播深合格指數(shù)為88.1%、變異系數(shù)為9.5%、播種量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.86%，說(shuō)明播種機(jī)的播種深度和播種量的均勻性和穩(wěn)定性較好，播種質(zhì)量較高。