賴慶輝 呂 勤 賈廣鑫 邱小寶 蘇 微 趙瑾汶

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500； 2.霸州市海寶科技有限公司， 廊坊 065700)

0 引言

近年來，在人參栽培中，多采用參畦1.2～1.7 m，行距10～15 cm和株距3～6 cm的非林地直播種植技術(shù)，得到了大面積推廣[1-2]。但是，在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，不同種植區(qū)的參畦寬度差異明顯，出現(xiàn)了不同種植區(qū)播種行距不同的現(xiàn)象，為人參播種機的研發(fā)、應(yīng)用和推廣造成了阻礙。目前，人參播種仍采用人工點播或半機械化種植，存在人工勞動強度大、作業(yè)效率低、作業(yè)標準差等問題，限制了人參的標準化、規(guī)模化生產(chǎn)[3-4]。因此，設(shè)計一種播深與株、行距可調(diào)的開溝-排種單體式人參精密播種機，成為推動人參規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

國外僅韓國對人參播種機進行了深入研究，其中韓國金松實業(yè)公司研制了電動氣吸針式和水平圓盤式人參精密播種機，PLANT公司研發(fā)了JAS-802動力自走型西洋參播種機[5]，但與我國人參種植農(nóng)藝不符，且進口播種機價格昂貴，未在國內(nèi)形成大面積推廣。而我國20世紀七八十年代起，盛江源等[6]對人參播種機進行了研究；文正彪[7]設(shè)計了振動-氣吸式人參播種器；賴慶輝等[8]設(shè)計了2BS-28型凸包異形孔窩眼輪式人參精密播種機；劉文亮等[9]設(shè)計了氣吸針式人參精密播種機；此外廖宜濤等[10]設(shè)計了正負氣壓組合管針式西洋參集排器；劉曉蛟等[11]設(shè)計了氣力式西洋參排種裝置，支帥等[12]設(shè)計了軸針孔式西洋參氣力精密播種機；國內(nèi)的專家學(xué)者對參類播種機與排種器開展了大量研究，所設(shè)計的播種機，播深與行、株距調(diào)整靈活性不高，只適合單一農(nóng)藝作業(yè)，無法滿足不同地區(qū)不同農(nóng)藝的作業(yè)方式，且停留在實驗室階段，未應(yīng)用到田間作業(yè)。因此亟需研究一款適用于人參種植區(qū)多種參畦寬度，播深與行、株距可調(diào)的人參精密播種機。

為此，本文設(shè)計一種開溝-排種單體式人參精密播種機。選擇已經(jīng)成型的鏈勺式人參精密排種器，通過分析排種器的落種點、雙圓盤開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計開溝-排種單體的關(guān)鍵參數(shù)；搭建土槽試驗臺架，設(shè)計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗進一步驗證開溝-排種單體的工作性能，確定開溝-排種單體的最佳工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用田間試驗對開溝-排種單體式人參精密播種機的工作性能進行評價，以期解決人參播種機械化率低的問題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

開溝-排種單體式人參精密播種機主要由汽油發(fā)動機、減速器、行走離合器、驅(qū)動輪、播種深度調(diào)節(jié)裝置、排種控制總成、行走輪、開溝-排種總成、機架等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開溝-排種單體式人參精密播種機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of ginseng precision seeder with ditching and seeding monomer type1.汽油發(fā)動機 2.減速器 3.行走離合器 4.驅(qū)動輪 5.播種深度調(diào)節(jié)裝置 6.排種控制總成 7.行走輪 8.開溝-排種總成 9.機架 10.操作扶手 11.排種離合器

人參播種作業(yè)前，根據(jù)參區(qū)農(nóng)藝要求確定開溝-排種單體的數(shù)量，通過播種深度調(diào)節(jié)裝置將開溝-排種總成調(diào)節(jié)至需要的深度，調(diào)節(jié)排種控制總成至對應(yīng)的株距。向種箱中放入人參種子并閉合行走離合器，啟動汽油發(fā)動機，一方面動力通過鏈傳動帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，并帶動行走輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)使整機行走；另一方面隨著播種機的行走，開溝-排種總成在參畦上劃出深度一致的種溝；同時，經(jīng)排種控制總成傳至開溝-排種總成的動力，驅(qū)使開溝-排種總成將種子從種群中精量分離出來，準確穩(wěn)定地將種子投放在種溝溝底，隨后土壤顆粒在自身重力作用下回填，將溝底的種子覆蓋，最后通過行走輪進行鎮(zhèn)壓。整機可一次完成開溝、播種、鎮(zhèn)壓作業(yè)。當完成作業(yè)需要進行換向時，通過排種控制總成中的排種離合器切斷排種動力，保證機器行走時不進行播種工作，并控制操作扶手，將機身后端抬起進行人為換向。

1.2 開溝-排種單體結(jié)構(gòu)

為保證播種機適應(yīng)不同行距的播種農(nóng)藝要求，并方便拆裝，將排種器與開溝器設(shè)計為單體式，通過螺栓固定在開溝-排種單體固定架上，開溝-排種總成如圖2a所示。

圖2 開溝-排種結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematics of ditching-seeding structure1.開溝-排種單體 2.開溝-排種單體固定架 3.開溝-排種連接架 4.開溝器支架 5.雙圓盤開溝器 6.鏈勺式人參精密排種器 7.刮土板

開溝-排種單體主要由鏈勺式人參精密排種器、雙圓盤開溝器、開溝器支架、開溝-排種連接架等組成，如圖2b所示，雙圓盤開溝器對稱安裝在開溝器支架兩側(cè)。鏈勺式人參精密排種器與刮土板通過螺栓連接固定在開溝-排種連接架上。鏈勺式人參精密排種器安裝在雙圓盤開溝器內(nèi)部，可保證從排種器中排出的種子準確落入溝底。開溝-排種單體最大寬度為10 cm，因此整機可完成最小行距為10 cm的播種作業(yè)。

1.3 開溝-排種單體式人參精密播種機技術(shù)參數(shù)

根據(jù)人參種植農(nóng)藝要求，播種機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 播種機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of seeder

2 關(guān)鍵部件及工作參數(shù)設(shè)計

2.1 鏈勺式人參精密排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)與落種點分析

開溝-排種單體是根據(jù)已設(shè)計成型的鏈勺式人參精密排種器，與開溝器構(gòu)成的組合體裝置。鏈勺式人參精密排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與落種高度，是開溝-排種單體設(shè)計的重要參考和理論依據(jù)[13]。

2.1.1鏈勺式人參精密排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)

為使護種段的人參種子垂直輸送至落種點并節(jié)約排種器的空間，將排種鏈輪與從動鏈輪均設(shè)計成28齒(與主動鏈輪齒數(shù)一致)，經(jīng)過前期對排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)分析，并結(jié)合實際工作需要和模具加工工藝，成型后的鏈勺式人參精密排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。成型后的排種器護種板寬度為17 mm，排種鏈輪與從動鏈輪間的過渡段長度為95.5 mm，主動鏈輪與排種鏈輪間護種段長度為294 mm，護種板長度334 mm。

圖3 鏈勺式人參精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural parameters of spoon-type ginseng precision seed metering device1.主動鏈輪 2.排種鏈條 3.種箱 4.張緊彈簧 5.從動鏈輪 6.排種鏈輪 7.護種板

2.1.2鏈勺式人參精密排種器落種點分析

根據(jù)鏈勺式人參精密排種器的工作特點，排種器在充種、清種段完成充種、清種工作，充入型孔的種子翻越主動鏈輪，進入護種段并落至上一個種勺的底部，種子在自身重力和上一個種勺的托持下平穩(wěn)地輸送至落種點。種子到達落種點，在失去種勺的托持力后，依靠自身重力穩(wěn)定地落入種溝內(nèi)，因此鏈勺式人參精密排種器的設(shè)計具有種子投送機構(gòu)的工作特點[14-17]。

鏈勺式精密排種器落種點的高低決定著排種器與開溝器的安裝尺寸，落種點越高，與開溝器配合安裝空間越大。但是落種點過高，種子落到種溝會發(fā)生彈跳[18]，嚴重影響排種器的工作性能。對排種器的落種點進行分析[19-21]，如圖4所示。

圖4 落種狀態(tài)受力分析Fig.4 Force analysis of seed falling state

以人參種子質(zhì)心為原點，垂直于種勺底部方向為y軸方向，垂直于y軸方向指向排種鏈條方向為x軸方向，建立直角坐標系，落種狀態(tài)下人參種子受力平衡方程為

(1)

其中

(2)

式中 ∑Fx——種子在x方向所受合力，N

∑Fy——種子在y方向所受合力，N

FI1——轉(zhuǎn)動慣性力，N

Ff1——種子與種勺底部的摩擦力，N

FN1——種勺底部對種子支持力，N

n1——從動鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min

γ1——FI1與x軸負向夾角，(°)

δ1——mg與x軸負向夾角，(°)

R1——落種時轉(zhuǎn)動半徑，mm

d1——排種鏈輪分度圓直徑，mm

μ——種子與種勺間摩擦因數(shù)

B1——種勺寬度，mm

為保證種子順利從種勺底部滑落，應(yīng)使種子在x軸上所受合力∑Fx≤0，故聯(lián)立式(1)與式(2)可化簡得

(3)

由人參種子接觸參數(shù)的試驗與標定可知μ=0.457，故可得δ1≤65.44°。

設(shè)圖4中點O1為落種點，為保證當排種器處于最小落種點時，種勺運轉(zhuǎn)到最低端時不接觸種溝，因此將落種點最小高度定義為H2，通過計算得落種點最小高度H2=23.37 mm，落種點與排種鏈輪中心的水平距離S2=36.08 mm。

2.1.3鏈勺式人參精密排種器落種高度分析

由文獻[22]及前期臺架試驗可得，在排種器設(shè)計中落種點最高不能超過120 mm。因此，為分析排種器的落種點高度對種間變異系數(shù)的影響，以落種高度作為試驗因素，以種子粒距變異系數(shù)作為試驗指標進行排種器臺架試驗。選擇一行排種器進行試驗，測量方法采用分段測量，每段測量1 m內(nèi)的粒距，并記錄計算粒距變異系數(shù)，每組試驗測量10次取平均值。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 落種高度試驗結(jié)果Tab.2 Test results of height test of seed injection

試驗結(jié)果表明，隨著落種高度的增大，種子粒距均值變化不明顯，種子粒距標準差和種子粒距變異系數(shù)變化均有較大的差異，最大變化幅度分別為1.27 mm、6.3 mm與16.35%。落種高度在25～75 mm之間時，隨著落種高度的增大，種子粒距標準差和種子粒距變異系數(shù)有增大趨勢；落種高度在80 mm時種子粒距標準差和種子粒距變異系數(shù)出現(xiàn)斷崖式變化；落種高度在80～120 mm之間時，隨著落種高度的增大，種子粒距標準差和種子粒距變異系數(shù)有增大趨勢，且變化幅度較大。由此可知，當落種高度為25～75 mm時，落種高度的變化對種子粒距變異系數(shù)的影響不明顯；當落種高度超過75 mm時，落種高度的變化對種子粒距變異系數(shù)有較大影響，這是由于排種器運轉(zhuǎn)和機架運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的振動對投種過程產(chǎn)生影響。為考慮開溝器設(shè)計選型及保證開溝器與排種器的相對裝配空間，在區(qū)間25～75 mm中取大值作為排種器的落種高度，即選擇落種高度H3=75 mm，作為設(shè)計開溝-排種單體的落種高度。

2.2 雙圓盤開溝器分析與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

根據(jù)非林地人參種植的選地要求，在人參種植時，耕整好的參地中仍殘留作物的殘茬和秸稈，并且非林地人參種植精密直播的農(nóng)藝要求窄行開溝，因此選擇開溝寬度小、阻力小且對耕整地條件適應(yīng)能力強的雙圓盤開溝器作為人參精密播種機的開溝部件。

2.2.1雙圓盤開溝器結(jié)構(gòu)分析

在雙圓盤開溝器中，雙圓盤的刃口在前下方相交于一點，該點稱之為雙圓盤的聚點m0，聚點的位置用β0表示，雙圓盤形成夾角φ0，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示。聚點的選擇，需要根據(jù)雙圓盤的半徑和播種深度的農(nóng)藝要求而確定[23-24]。

圖5 雙圓盤聚點位置及夾角Fig.5 Point position and angle of double disc trencher

雙圓盤開溝器的圓盤半徑和雙圓盤夾角是影響開溝深度的重要因素，開溝寬度計算公式為

(4)

式中b——開溝寬度，mm

Rt——圓盤半徑，mm

由式(4)可以看出，當圓盤半徑和雙圓盤夾角增大時，開溝器開溝寬度隨之增大，種溝中凸起也會隨之增大，嚴重影響播種一致性。因此圓盤半徑和雙圓盤夾角應(yīng)根據(jù)種子尺寸選擇。

2.2.2圓盤半徑

根據(jù)文獻[25-26]可得，雙圓開溝器的圓盤半徑過大會導(dǎo)致安裝尺寸過大，種溝中凸起增大，種溝溝底平整性差，影響播種效果；圓盤半徑過小，雙圓盤開溝器工作時易發(fā)生轉(zhuǎn)動不靈活和壅土現(xiàn)象，進而增大工作阻力，導(dǎo)致工作質(zhì)量下降。因此，雙盤開溝器半徑應(yīng)滿足

(5)

式中h——開溝深度，mm

由于非林地人參種植精密直播的農(nóng)藝要求播種深度為30～60 mm，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，農(nóng)戶種植多選擇種植深度為40 mm左右?？紤]開溝器與排種器的安裝空間和開溝深度，確定雙圓盤開溝器的圓盤半徑Rt=100 mm，聚點夾角為53°。

2.2.3雙圓盤夾角

由式(4)可知，開溝寬度b與圓盤半徑Rt、雙圓盤夾角φ0有關(guān)，為保證鏈勺式人參精密播種機的開溝通過性和機具的工作性能，應(yīng)使雙圓盤開溝器的開溝寬度盡可能的小[27]。結(jié)合排種器與開溝器的安裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證雙圓盤的開口足以裝下排種器的排種鏈輪，使人參種子能順利落入開出的種溝內(nèi)，開溝寬度應(yīng)滿足

(6)

式中Wmax——人參種子寬度最大值，mm

根據(jù)人參種子三軸尺寸，可知Wmax=5.80 mm。聯(lián)立式(4)～(6)可得，雙圓盤夾角φ0>8.32°，故確定雙圓盤夾角φ0=9°。

2.3 開溝-排種單體關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

為使鏈勺式人參精密排種器從護種板輸送出來的種子順利的落入種溝內(nèi)，需要對排種器與雙圓盤開溝器的相對固定位置進行分析[28]，排種器與雙圓盤開溝器的裝配關(guān)系如圖6所示。其中雙圓盤開溝器以雙圓盤安裝位置中心為固定位置，以排種器的排種鏈輪的中心為裝配位置，開溝器與排種器相對垂直距離為H5，相對水平距離為S。

圖6 開溝-排種單體裝配關(guān)系示意圖Fig.6 Schematic of assembly relationship between ditching and seeding monomer

2.3.1開溝器與排種器相對垂直距離分析

為確保排種器在雙圓盤開溝器內(nèi)的安裝空間更加充足，選擇排種器最大落種高度H3=75 mm，由圖6可知開溝器與排種器相對垂直距離為

H5=Rt-H3-H6

(7)

其中

H6=d1+B1-H2

(8)

式中H6——落種點到排種鏈輪中心垂直高度，mm

故開溝器與排種器相對垂直距離H5=8.37 mm。

2.3.2開溝器與排種器相對水平距離分析

為保證排種器的護種板不與雙圓盤產(chǎn)生接觸，投種位置在雙圓盤開溝器出土點內(nèi)(雙圓盤的出土點為圖6中的點n0)。其中雙圓盤開溝器出土點與雙圓盤中心位置的水平距離Sn滿足

(9)

當開溝深度h取人參種植最小開溝深度3 cm時，Sn最小值為71.41 mm。

保證落種點在點n0，排種器與雙圓盤開溝器相對水平位置應(yīng)滿足

S

(10)

由2.1.2節(jié)對落種點的分析可知S2=36.08 mm，故S<107.50 mm。

為分析開溝器與排種器相對水平距離S的最小值，以雙圓盤聚點m0為原點，以指向并通過圓盤中心方向為y軸正方向，以指向地面方向為x軸正向建立直角坐標系，如圖6所示。由于在排種器與雙圓盤開溝器裝配時，考慮護種板不與雙圓盤產(chǎn)生接觸，故取護種板最外側(cè)的中心點C0進行分析，設(shè)點C0的坐標為(x0，y0),此時坐標系中圓盤內(nèi)側(cè)外緣曲線與溝底所在的直線表達式為

(11)

(12)

則過點C0并與溝底平行的直線方程可表示為

(13)

其中

H4=H3+H6-H7

(14)

式中H4——點C0與溝底的垂直距離，mm

H7——點C0與排種鏈輪的垂直距離，mm

根據(jù)圖3對排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析可知，H7=3.6 mm，故求得H4=88.03 mm。聯(lián)立方程組

(15)

為保證護種板不與雙圓盤接觸，應(yīng)滿足

(16)

其中

(17)

式中c——點C0處雙圓盤間距離，mm

cmax——雙圓盤間最大距離，mm

θ0——C″0和雙圓盤中心連線與y軸正向夾角(C″0為C′0C0與圓盤外緣交點)，(°)

聯(lián)立式(15)～(17)，可以求得x0>30.3 mm，y0>53.1 mm，故根據(jù)幾何關(guān)系有

(18)

已知排種鏈輪中心與護種板的距離S3=45 mm，結(jié)合式(10)與式(18)可得82.50 mm

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

考慮到整機動力配備，選用重慶吉驁動力機械有限公司生產(chǎn)的JA168FB/P型汽油發(fā)動機作為動力源，標定功率為3.5 kW，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，以及蘇州東本機電有限公司生產(chǎn)的CHD-3-28型臥式齒輪減速器，傳動比為1∶137，并通過行走離合器對行走和排種的傳動進行設(shè)計預(yù)分配，動力總成如圖7所示，減速器輸出軸轉(zhuǎn)速為24 r/min。

圖7 動力總成Fig.7 Composition of power plant1.汽油發(fā)動機 2.離心式離合器 3.減速器 4.行走離合器

在播種機工作速度不變的情況下，根據(jù)株距2.5～5 cm的農(nóng)藝要求實現(xiàn)株距可調(diào)的功能，在排種調(diào)速-離合總成中添加霸州市康仙莊鵬灃五金制造廠生產(chǎn)的播種機專用六擋調(diào)速器，如圖8所示。

圖8 排種控制總成Fig.8 Composition of seed metering speed regulating and clutch1.鏈輪Ⅷ 2.排種離合器 3.鏈輪Ⅸ 4.六擋調(diào)速器 5.鏈輪Ⅶ

六擋調(diào)速器依靠主動齒輪與不同齒輪組件間的嚙合實現(xiàn)變速，六擋調(diào)速器內(nèi)輸出齒輪齒數(shù)為18，輸入齒輪組齒數(shù)分別為15、18、21、24、27、30，對應(yīng)的傳動比分別為0.833、1、1.167、1.134、1.5、1.667，分別對應(yīng)1～6共6個擋位；結(jié)合減速器輸出參數(shù)和六擋調(diào)速器的變速參數(shù)，對整機的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計，傳動系統(tǒng)簡圖如圖9所示。

圖9 傳動系統(tǒng)原理圖Fig.9 Transmission system schematic

通過對各級傳動比的計算和分配，其中鏈輪Ⅰ為08B-22鏈輪，鏈輪Ⅱ為08B-22鏈輪，鏈輪Ⅲ為08B-27鏈輪，鏈輪Ⅳ為08B-20鏈輪，鏈輪Ⅴ為08B-16鏈輪，鏈輪Ⅵ為08B-16鏈輪，鏈輪Ⅶ為06B-20鏈輪，鏈輪Ⅷ為06B-14鏈輪，鏈輪Ⅸ為06B-28鏈輪，鏈輪Ⅹ為06B-15鏈輪。播種機實際工作速度為1.5 km/h，排種總成對應(yīng)的株距如表3所示。

表3 六擋調(diào)速器對應(yīng)的株距Tab.3 Plant spacing corresponding to six-speed governor

3 土槽試驗

3.1 土槽試驗臺架搭建

為進一步驗證開溝-排種單體的工作性能，基于昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院農(nóng)業(yè)機械裝備實驗室的試驗土槽，設(shè)計可以調(diào)節(jié)開溝深度的開溝-排種單體專用試驗臺架，如圖10、11所示。設(shè)計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，以期得到開溝-排種最佳工作參數(shù)。試驗中通過行走速度變頻器調(diào)整土槽小車速度，作業(yè)速度由土槽試驗裝置中速度測試系統(tǒng)檢測，開溝深度通過調(diào)節(jié)手柄進行調(diào)整，并通過更換不同的開溝-排種連接架改變開溝器與排種器相對水平距離。

圖10 開溝-排種單體試驗臺Fig.10 Test stand for opener and seed-metering device monomer1.測試架 2.定向滑軌 3.調(diào)節(jié)架 4.固定架 5.調(diào)節(jié)絲桿 6.調(diào)節(jié)手柄 7.S型JLBS-1拉壓傳感器 8.阻力傳遞桿

圖11 試驗土槽Fig.11 Test soil trough1.土槽 2.土槽車 3.阻力測試系統(tǒng) 4.計算機 5.速度測試系統(tǒng) 6.開溝-排種試驗臺 7. 開溝-排種單體 8. S型JLBS-1拉壓傳感器 9.鏈傳動系統(tǒng)

3.2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合土槽試驗

基于關(guān)鍵部件設(shè)計所確定的參數(shù)及前期預(yù)試驗結(jié)果，設(shè)定播種株距為4 cm，取作業(yè)速度為0.28～0.56 m/s，開溝深度為30～60 mm，開溝器與排種器相對水平距離為82.50～107.50 mm。為研究各因素對開溝-排種單體作業(yè)質(zhì)量的影響，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗的方法，選用合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、漏播指數(shù)Y3為試驗指標對開溝-排種單體作業(yè)質(zhì)量進行評價。試驗因素編碼如表4所示，試驗方案與試驗結(jié)果如表5所示，其中X1、X2、X3分別為作業(yè)速度、開溝深度、開溝器與排種器相對水平距離的編碼值。

表4 試驗因素編碼Tab.4 Experimental factors and codes

表5 試驗方案與結(jié)果Tab.5 Experiment design and results

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1合格指數(shù)

(19)

3.3.2重播指數(shù)

(20)

3.3.3漏播指數(shù)

表6 方差分析Tab.6 Variance analysis

(21)

3.4 交互項對合格指數(shù)的影響

通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理，可得作業(yè)速度與開溝深度、作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離的交互作用對合格指數(shù)Y1的影響。

3.4.1作業(yè)速度與開溝深度交互項對合格指數(shù)的影響

作業(yè)速度與開溝深度的交互項對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面如圖12所示。作業(yè)速度為0.35～0.45 m/s，開溝深度為40～54 mm，合格指數(shù)較大。開溝深度一定時，隨著作業(yè)速度的增加，排種器自身振幅逐漸增加，清種效果提升，重播指數(shù)降低，合格指數(shù)增大，作業(yè)速度到達較高水平時，充種區(qū)種子來不及回填，漏播指數(shù)增加，合格指數(shù)減?。蛔鳂I(yè)速度一定時，隨著開溝深度的增加，排種器落種點高度增加，合格指數(shù)增大，當開溝深度到達較高水平時，排種器落種高度過高，且種溝間凸起較大，種子落入種溝時發(fā)生彈跳，合格指數(shù)降低。

圖12 作業(yè)速度與開溝深度交互因素對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface of interaction factors between operation speed and trenching depth on conformity index

3.4.2作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離交互項對合格指數(shù)的影響

作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離的交互項對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面如圖13所示。作業(yè)速度為0.35～0.45 m/s，開溝器與排種器相對水平距離為88～97 mm時，合格指數(shù)較大。開溝器與排種器相對水平距離一定時，隨著作業(yè)速度的增加，排種器自身振幅逐漸增加，清種效果提升，重播指數(shù)降低，合格指數(shù)增大，作業(yè)速度到達較高水平時，充種區(qū)種子來不及回填，漏播指數(shù)增加，合格指數(shù)減?。蛔鳂I(yè)速度一定時，隨著開溝器與排種器相對水平距離的增加，開溝形成的種溝凸起段土層逐漸穩(wěn)定，種子落入種溝時滾動與彈跳隨之減少，合格指數(shù)增加；當開溝器與排種器相對水平距離處于高水平時，種子落入種溝時已有部分土進行回填，合格指數(shù)降低。

圖13 作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離交互因素對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surface of interaction factors between operation speed and relative horizontal distance between ditcher and seed metering device on conformity index

3.5 最佳參數(shù)優(yōu)化及驗證試驗

為確定最佳參數(shù)取值范圍，設(shè)定合格指數(shù)大于94.0%，重播指數(shù)小于4.5%，漏播指數(shù)小于1.5%，考慮開溝-排種單體裝配，且為保證開溝-排種效果，設(shè)定開溝器與排種器相對水平距離為95 mm，優(yōu)化所得最佳參數(shù)范圍如圖14所示，得到作業(yè)速度取值范圍為0.35～0.45 m/s，開溝深度取值范圍為40～54 mm時，合格指數(shù)大于94.0%，重播指數(shù)小于4.5%，漏播指數(shù)小于1.5%。當作業(yè)速度為0.42 m/s，開溝深度為45 mm時，效果最佳，合格指數(shù)為94.53%，重播指數(shù)為4.308%，漏播指數(shù)為1.165%。

圖14 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.14 Parameters optimization and analysis

為進一步驗證優(yōu)化分析結(jié)果的可靠性，在相同的土槽試驗條件下，選取優(yōu)化后得到的作業(yè)速度為0.42 m/s，開溝深度為45 mm，開溝器與排種器相對水平距離為95 mm，進行3次重復(fù)土槽驗證試驗，取平均值作為試驗結(jié)果，試驗得到的實際結(jié)果與優(yōu)化的試驗結(jié)果對比如表7所示。試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)果可靠性較高。

表7 實際試驗結(jié)果與優(yōu)化試驗結(jié)果對比Tab.7 Comparison between actual test results and optimized test results %

4 田間試驗

根據(jù)非林地人參種植精密播種技術(shù)的農(nóng)藝要求，完成開溝-排種單體的安裝以及2BS-10型開溝-排種單體式人參精密播種機樣機的裝配，并在吉林省通化縣光華鎮(zhèn)人參種植區(qū)進行了田間性能試驗。通過測量各行種子粒距和播種深度，并對比各行間的變異系數(shù)，確定播種機是否滿足設(shè)計需要。

4.1 試驗條件

試驗用地選用經(jīng)過休閑期兩年的人參種植備選地，經(jīng)3次旋耕后，使用參畦寬度為1.6 m的起壟機進行參畦起壟，起壟后有效播幅為1.5 m，人參種子選用當年催芽后的長白山“大馬牙”人參種子，為方便播種后對種子粒距的測量，播種前使用紅色種衣劑將種子染色。

4.2 試驗方法與結(jié)果

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗優(yōu)化結(jié)果，設(shè)置播種機工作速度為0.42 m/s，播種深度為45 mm，并分別在六擋調(diào)速器1～6擋，即理論株距為5、4、3.5、3、2.8、2.5 cm的播種株距下進行作業(yè)。隨機選取播種的5行為取樣區(qū)，在取樣區(qū)種間段20 m為計數(shù)段，在20 m的計數(shù)段中隨機選取連續(xù)200粒種子，使用卷尺測量相鄰2粒種子間的粒距，使用兩個鋼板尺測量播種深度，采用直觀觀測的方式觀察傷種情況。播種效果測量現(xiàn)場、種子粒距測量與播種深度測量如圖15所示。

圖15 測量播種效果Fig.15 Measuring sowing effect

當株距為4 cm時，統(tǒng)計試驗結(jié)果如表8所示。并按照同樣的方法對另外5個擋位進行試驗，對測量結(jié)果求平均值，與NY/T 1143—2006《播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》進行對比，結(jié)果如表9所示。結(jié)果表明，開溝-排種單體式人參精密播種機的工作性能滿足規(guī)范要求，可用于非林地人參種植精密播種。

表8 株距為4 cm時播種結(jié)果統(tǒng)計Tab.8 Statistics of sowing results when plant spacing was 4 cm %

表9 田間試驗結(jié)果Tab.9 Field test results %

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種開溝-排種單體式人參精密播種機，通過對鏈勺式人參精密排種器落種點分析，得到落種點高度為23.37～120 mm，落種點與排種鏈輪中心的水平距離為36.08 mm，通過臺架試驗得到最佳落種高度75 mm。通過分析，確定雙圓盤的圓盤半徑為100 mm，雙圓盤夾角為9°。結(jié)合落種點和雙圓盤開溝器參數(shù)，對開溝-排種單體進行設(shè)計分析，得到排種器與雙圓盤開溝器相對垂直距離為8.37 mm，排種器與雙圓盤開溝器相對水平距離為82.50～107.50 mm。并對整機的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計，使播種機的播種株距為2.5～5 cm可調(diào)。

(2)搭建土槽試驗臺架，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗的方法，分析作業(yè)速度、開溝深度、開溝器與排種器相對水平距離對開溝-排種單體性能的影響，試驗結(jié)果表明：當開溝器與排種器相對水平距離為95 mm，作業(yè)速度為0.35～0.45 m/s，開溝深度為40～54 mm時，合格指數(shù)大于94.0%，重播指數(shù)小于4.5%，漏播指數(shù)小于1.5%。當作業(yè)速度為0.42 m/s，開溝深度為45 mm時，效果最佳，合格指數(shù)為95.53%，重播指數(shù)為4.308%，漏播指數(shù)為1.165%。對優(yōu)化結(jié)果進行驗證試驗，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相符。

(3)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果完成開溝-排種單體的安裝及2BS-10型開溝-排種單體式人參精密播種機樣機裝配，并進行田間性能試驗。結(jié)果表明，該精密播種機在株距為4 cm時，合格指數(shù)為92.7%，重播指數(shù)為5.0%，漏播指數(shù)為2.3%，播深合格率為95.1%，未發(fā)現(xiàn)傷種情況。并在不同株距下進行播種試驗，試驗表明該開溝-排種單體式人參精密播種機工作性能較好，滿足我國人參非林地精密播種要求。