勺链式马铃薯播种机排种器性能试验

王旭东，陈冠礼 ，凌 轩，罗琴芳

（1.仲恺农业工程学院机电工程学院，广东 广州 510230；2.广州文殊科技有限公司，广东 广州 510250；3.惠州市博罗县罗阳街道农业技术推广站，广东 惠州 516000）

随着农业部《关于加快马铃薯产业发展的意见》《马铃薯优势区域布局规划（2008—2015年》《关于推进马铃薯产业开发的指导意见》的先后发布，确立了马铃薯作为我国第四大主粮作物的战略地位，近几年马铃薯种植面积和单产都持续上升。但与其他主粮作物相比，马铃薯田间生产机械化水平还比较低，制约了马铃薯产业的进一步提升［1-3］。

播种作业是马铃薯田间生产耗费人力物力最多的环节之一，作为播种机核心部件的排种器，其性能直接影响播种机的作业水平。由于链传动具有相对准确的传动比、价格低廉和使用寿命长的特点，故在中小型机械式马铃薯播种机上普遍采用勺链式排种器，其优点是结构简单、制造和使用成本低、不伤种，缺点是漏播率和重播率高。漏播会导致农户收益减少，重播则使生产的投入成本增加，对作物生长也有不利影响。勺链式排种器漏播率高跟链传动的多边形效应有直接关系，链速越快（播种机作业速度越快），多边形效应越明显，传动平稳性越差，链传动垂直方向的振动越剧烈，排种器在清 种区就越容易形成空勺，漏播率就越大；链速下降，则重播率增大。同一规格的种勺在生产中难以适应大小不一的切块薯种，也是造成漏播和重播的原因。尽管国内相关科研人员提出了各种漏播检测系统和补种装置［4-5］，但这些装置对农业生产的适应性较差，基本都处于实验室研究阶段。目前没有解决勺链式排种器漏播率和重播率高的有效措施，在实际生产中，弥补漏播的办法只有人工补种。因此，马铃薯播种人工劳动强度大的问题没有得到根本解决［6-10］。

针对上述问题，本研究基于寻求播种机作业速度和薯种大小的最佳作业参数，以降低排种器的漏播率和重播率，在实验室搭建了排种器试验台，通过改变播种机地轮转速（播种机作业速度）和采用不同大小的薯种，测定排种器漏播率和重播率，验证链传动的多边形效应对排种器性能的影响，分析试验结果，建立回归模型并对其进行优化求解，得到最佳的播种机作业参数，为马铃薯播种作业提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用青岛洪珠农业机械有限公司生产的洪珠2CM-2A型马铃薯播种机，种勺呈倒锥形，口径60 mm，底径50 mm。将地轮抬高悬空，用电动机驱动地轮轴，经变频器调节电动机转速获得不同的播种机作业速度。为了便于观察种勺舀种情况，将原机种箱更换为透明有机玻璃种箱（图1）。切块消毒薯种购自惠州市博罗县。

图1 舀种试验装置

1.2 排种器结构及工作原理

该排种器主要由链传动机构、种勺和排种管等组成，其结构如图1所示。种勺通过勺柄固定在传动链上。排种器主动链轮由播种机地轮驱动并同向转动，播种作业时机具的前进方向如图2中所示向右，地轮顺时针转动，驱动主动链轮同向转动，传动链的松边（左侧）及固定在其上的种勺一起由下向上运动，伸出传动链一定距离的种勺搅动并舀取1～2粒种箱内的薯种；种勺到达最高点翻越从动链轮后，薯种下落至前一种勺的勺背上，当种勺通过排种管出口时，薯种失去支撑，便下落到开沟器开出的种沟内，完成播种作业。种勺绕着主动链轮向上翻转进入下一个播种循环。

图2 勺链式排种器工作原理［10］

1.3 试验方法

1.3.1 机具作业速度 根据广东产区地块面积不大，动力机一般以中小型拖拉机为主以及地头转弯多的生产实际，设机具作业速度范围为2～5 km/h，通过变频器调节电动机转速，使地轮轴转速与机具作业速度对应。

1.3.2 薯种分级 经测定，薯种长径尺寸范围在20～45 mm，根据试验需要进行大小分级。

1.3.3 二次旋转正交组合设计 以机具作业速度和薯种大小为试验因素、漏播率和重播率为试验指标，进行二次旋转正交组合试验［11-12］，通过试验对影响漏播率和重播率的因素进行显著性分析，提出机具的最优作业参数。

试验因素水平编码表见表1，参照《GB/T 6242-2006 种植机械 马铃薯种植机 试验方法》［13］规定的每行试验种箱中至少装入50 kg试验样本的要求，每个试验号舀种100次，3次重复，对漏播率和重播率进行观察统计并求平均值。试验方案和试验结果见表2。

表1 试验因素水平及其编码表

表2 试验方案及结果

2 结果与分析

2.1 回归模型建立

利用Design-Expert 8.0.6 软件对试验结果（表2）进行二次回归分析及多元回归拟合，得到重播率和漏播率的回归方程，并检验回归方程的显著性。

2.1.1 漏播率Y1的显著性分析 通过对试验数据的分析和拟合，漏播率Y1的方差分析见表3。由表3可知，试验整体模型极显著（P＜0.01），主效应中机具前进速度对漏播率的影响大于薯种大小的影响，交互作用的影响较显著。各因素对漏播率影响的回归方程为Y1=-27.80724+5.49707x1+1.06129x2-0.089067x1x2-0.017778x12-0.009856x22。对回归方程进行失拟性检验结果不显著（P＞0.1），但回归模型的检验极显著（P＜0.01），说明试验指标和试验因素存在极显著的二次关系。

表3 漏播率及重播率的方差分析结果

2.1.2 重播率Y2的显著性分析 通过对试验数据的分析和拟合，重播率Y2的方差分析见表3。由表3 可知，试验整体模型显著，主效应中机具前进速度对于重播率大于薯种大小的影响。各因素对重播率影响的回归方程为Y2=+3.57942+3.45385x1+0.14679x2+0.084267x1x2-1.04667x12-0.008672x22。对回归方程进行失拟性检验结果较显著（0.05≤P＜0.1），对回归模型的检验显著（0.01≤P＜0.05），说明试验指标和试验因素间存在显著的二次关系。

2.2 响应曲面分析

利用Design-Expert 8.0.6 软件对试验数据进行处理，得出机具前进速度和薯种大小对漏播率和重播率影响的响应曲面（图3、图4）。由图4可知，对于漏播率，机具前进速度和薯种大小的交互作用，机具前进速度和薯种大小都与漏播率呈正相关，机具前进速度的影响更显著，说明链传动的多边形效应对漏播率的影响是显著的。由图4可知，对于重播率，机具前进速度和薯种大小的交互作用，机具前进速度和薯种大小都与漏播率呈负相关。

图3 漏播率的双因素响应曲面

图4 重播率的双因素响应曲面

为获得排种器最佳排种性能作业参数，利用Design-Expert 8.0.6 软件中的优化模块对以上两个回归模型进行约束目标优化求解。

设计变量：x1，机具前进速度；x2，薯种大小。

目标函数：

约束条件：

考虑到实际生产中，漏播率比重播率对经济效益的影响更大，将漏播率定为重要指标，重播率定为次要指标，权重系数分别为5和3。求解得到机具前进速度为2.44～3.60 km/h、薯种大小为23.66～41.34 mm时，漏播率和重播率的优化解分别为3.46%～3.76%和5.52%～8.24%；机具前进速度2.44 km/h、薯种大小41.34 mm时，漏播率和重播率有最优解，其值分别为3.54%和5.52%。上述指标都满足《GB/T 25417—2010马铃薯种植机 技术条件》［14］规定的漏种指数≤10%和重种指数≤20%的要求。

3 结论与讨论

链传动的多边形效应和大小不一的切块薯种对勺链式排种器的漏播和重播有直接影响。本研究在实验室对勺链式马铃薯排种器进行二次正交旋转组合试验，建立了试验指标与影响因素间的回归模型。通过对回归模型的优化求解，机具前进速度2.44 km/h、薯种大小41.34 mm时，漏播率和重播率的最优解分别为3.54%和5.52%。

实验室试验条件比田间作业条件更平稳，没有机车移动和翻越垄沟的振动和惯性力等影响，因此，试验结果有一定的局限性，2.44 km/h的机具前进速度显然偏低，不能充分发挥机械化提高生产效率的作用。减小链节距或开发齿形带式排种器，既能保证准确的传动比，也能减弱或消除链传动的多边形效应，对提高机具作业效率、降低漏播率和重播率是有利的。

可见，研发适应性好、可靠性高的自动检测和补种系统，对切块薯种进行大小分级或使用标准规格的整薯播种，使农机农艺深度融合，将为马铃薯田间生产机械化水平进一步提高奠定基础。