劉文政，何 進(jìn)※，李洪文，李學(xué)強(qiáng)，盧彩云，魏忠彩，蘇國粱，趙宏波，劉 鵬，王春雷

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，德州 253600；3. 山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，德州 253600；4. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255091）

0 引 言

以微型薯為種薯所種出的馬鈴薯具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好、商品率高等優(yōu)點(diǎn)，為提升微型薯的種植面積和機(jī)械化水平，應(yīng)推動(dòng)其播種機(jī)械化的發(fā)展[1-4]。現(xiàn)有微型薯機(jī)械化播種技術(shù)研究主要集中在氣力式和輸送帶式投種等兩個(gè)方面。其中，氣力式投種方面，Mcleod等[5]研究開發(fā)了一種氣力式微型薯精量播種裝置，通過負(fù)壓吸種和攜種，正壓排種，且在播種裝置上設(shè)置噴槍，將噴嘴上吸附的多余種子剔除，以降低重播率；美國Crary公司生產(chǎn)的Lockwood 600系列播種機(jī)[6]，采用負(fù)壓吸種方式播種微型薯，并利用電子監(jiān)控系統(tǒng)控制種子播量；賴慶輝等[7-8]針對微型薯不易充種問題，設(shè)計(jì)了一種可振動(dòng)供種的氣吸圓盤式微型薯排種器，并進(jìn)行了充種性能模擬和排種性能試驗(yàn)以獲取較優(yōu)的參數(shù)組合；呂金慶等[9-10]研制出一種多種臂氣吸取種式馬鈴薯排種器，并開展正壓吹種零速投種性能優(yōu)化試驗(yàn)。輸送帶式投種方面，Meijer等[11]設(shè)計(jì)一種單人操作單行半自動(dòng)馬鈴薯播種機(jī)，采用輸送帶式排種器，并開展了相關(guān)播種性能試驗(yàn)；德國Grimme公司制造的GB330型帶式馬鈴薯播種機(jī)[12]，取種方式采用水平差速傳送帶，可實(shí)現(xiàn)高速取種；何玉靜[13]開發(fā)研制一種帶式馬鈴薯排種機(jī)構(gòu)，并開展播種性能試驗(yàn)研究。綜上所述，以上兩種播種方式為微型薯機(jī)械化播種提供了技術(shù)支持。然而，對于氣力式播種裝置而言，因微型薯為大顆粒，對播種裝置的氣密性和配套動(dòng)力均提出較高要求[14]；而帶式馬鈴薯播種裝置雖具有對薯種外形體積要求不高，可高速取種等優(yōu)點(diǎn)，但該類播種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣，對作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性較差且價(jià)格較為昂貴[15]。

近年來，因基于受迫振動(dòng)原理對谷物進(jìn)行分選、輸送和播種具有作業(yè)穩(wěn)定、谷物損傷小、作業(yè)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者已開展相關(guān)研究。Kim 等[16]為提高谷物（水稻、小麥等）分選機(jī)的分選性能，通過有限元分析和模態(tài)分析，研究了分選機(jī)的振動(dòng)特性；王應(yīng)彪等[17]根據(jù)振動(dòng)送料原理，提出一種實(shí)現(xiàn)玉米種子定向排列輸送的方法，對種子定向過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析；邢潔潔等[18]通過理論分析、EDEM 仿真和實(shí)際試驗(yàn)對電磁振動(dòng)料斗內(nèi)成堆玉米種子分散于排序輸送機(jī)理進(jìn)行了研究，為后續(xù)玉米種子定向包裝及播種提供了參考。

綜上，本文提出一種基于受迫振動(dòng)原理對微型薯進(jìn)行單列排序播種的機(jī)械化播種方式，研制開發(fā)了相關(guān)播種裝置。對振動(dòng)排序播種過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和受力分析，明確影響播種性能的主要因素，確定影響因素的試驗(yàn)取值范圍，搭建試驗(yàn)臺(tái)，開展播種性能試驗(yàn)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，以期提供一種振動(dòng)排序機(jī)械化播種技術(shù)，為微型薯精量播種裝置的發(fā)展提供技術(shù)支持，為振動(dòng)排序式微型薯播種裝置的優(yōu)化提供參考。

1 工作原理

1.1 播種裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

馬鈴薯微型種薯振動(dòng)排序播種裝置（圖 1）主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)、振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)、種箱、排種架等構(gòu)成。其擺動(dòng)板和振動(dòng)板均基于受迫振動(dòng)原理分別對薯種進(jìn)行剔種和回種，實(shí)現(xiàn)薯種的單列排序、振動(dòng)回種和輸送投種等。此外，微型薯在播種前需根據(jù)尺寸進(jìn)行分級處理，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量播種。電機(jī)通過鏈輪、鏈條將動(dòng)力輸送至動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)擺動(dòng)偏心輪和振動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)；在擺動(dòng)偏心輪和振動(dòng)偏心輪徑向方向分別套裝有擺動(dòng)連接盤和振動(dòng)連接盤；位于驅(qū)動(dòng)鏈輪和左護(hù)板之間的擺動(dòng)連接盤通過擺動(dòng)連接板與擺動(dòng)板相連；位于驅(qū)動(dòng)鏈輪與右護(hù)板之間的振動(dòng)連接盤通過振動(dòng)連接板與振動(dòng)板相連。在擺動(dòng)偏心輪和振動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)連接盤和振動(dòng)連接盤均沿著與驅(qū)動(dòng)軸軸線相垂直的方向做前后往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)擺動(dòng)板前后擺動(dòng)和振動(dòng)板在上下、前后方向上的復(fù)合振動(dòng)。

圖1 馬鈴薯微型種薯振動(dòng)排序播種裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole structure of vibration-arranging based seeding device for potato micro-seed

工作時(shí)，微型薯從種箱落種口落至振動(dòng)板上的集種口處，在振動(dòng)板的振動(dòng)作用下，由于薯種的流動(dòng)性，微型薯從振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)至輸送帶（外表面右側(cè)邊緣設(shè)置護(hù)種凸起）和擺動(dòng)板所構(gòu)成的導(dǎo)種通道內(nèi)并向后輸送，在擺動(dòng)板前后-左右方向上復(fù)合往復(fù)擺動(dòng)并在擺動(dòng)板與輸送帶的外表面右側(cè)邊緣的護(hù)種凸起的共同限制作用下實(shí)現(xiàn)薯群的單列排序；同時(shí)輸送帶上多余的、未經(jīng)排序的微型薯越過護(hù)種凸起并運(yùn)動(dòng)至振動(dòng)板上，在振動(dòng)板上下-前后方向復(fù)合往復(fù)振動(dòng)作用下，振動(dòng)板上的微型薯運(yùn)動(dòng)至振動(dòng)板集種口處并再次進(jìn)入輸送帶進(jìn)行單列排序。單列排序的微型薯在輸送帶的輸送下運(yùn)動(dòng)至隔板、左護(hù)板的后部、輸送帶傾斜段的上層帶和壓種帶的下層帶所共同構(gòu)成的落種通道。此時(shí)，與輸送帶轉(zhuǎn)速相同的壓種帶對薯種進(jìn)行壓種定位，并在輸送帶和壓種帶共同作用下將微型薯送至落種口，最終種薯因失去支持力而投落至開溝裝置所開的種溝內(nèi)，完成播種作業(yè)。

此外，護(hù)種凸起高度、輸送帶寬度、振動(dòng)板寬度等會(huì)對不同等級微型薯振動(dòng)單列排序效果產(chǎn)生不同程度的影響。其中，護(hù)種凸起高度較低時(shí)，單列排序的薯種易從護(hù)種通道內(nèi)逃逸，導(dǎo)致漏播率升高；護(hù)種凸起高度較高時(shí)，因薯種尺寸相對較小，未經(jīng)排序的薯種不易從護(hù)種通道內(nèi)剔除，致使重播率增加，根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，并依據(jù)國內(nèi)常用微型薯尺寸在12～36 mm等級范圍內(nèi)[19]，選擇設(shè)計(jì)護(hù)種凸起高度為8 mm。同時(shí)，護(hù)種通道寬度可通過調(diào)節(jié)擺動(dòng)板左右位置而改變并受到輸送帶寬度的影響，以適應(yīng)不同尺寸微型薯的單列排序，結(jié)合薯種尺寸和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)輸送帶寬度為60 mm。振動(dòng)板寬度較寬時(shí)，剔除的種薯因在振動(dòng)板上過于分散而不易回種至集中口；振動(dòng)板寬度較窄時(shí)，剔除的種薯流動(dòng)性降低，不僅不易回種至集中口，而且會(huì)對單列排序的薯種造成影響，因此，為使微型薯在振動(dòng)板上具有較好的回種效果，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)振動(dòng)板寬度為115 mm。

1.2 投種過程分析

微型薯在投種過程中一般經(jīng)歷單列排序、振動(dòng)回種和輸送投種等 3個(gè)過程，分析其運(yùn)動(dòng)特性，并建立相關(guān)力學(xué)模型，以進(jìn)一步對播種裝置的播種機(jī)理開展研究。同時(shí)，為便于分析，假設(shè)微型薯為剛性球體，且在受迫振動(dòng)中不考慮薯種翻轉(zhuǎn)的情況。

1.2.1 單列排序

微型薯是通過單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)進(jìn)行單列排序的，該過程其運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)主要分為以下 3個(gè)方面：堆疊、剔種、排序。

1）堆疊。播種裝置播種時(shí)，振動(dòng)板集種段將匯集大量薯種，在振動(dòng)板高頻低幅往復(fù)振動(dòng)下，薯群會(huì)進(jìn)入單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)的輸送帶上并發(fā)生堆疊形成種堆。由于種堆受擺動(dòng)板影響，假設(shè)種堆呈半圓錐體，以半圓錐的一個(gè)中心截面（與振動(dòng)板相垂直）為基準(zhǔn)，取底層（與輸送帶上表面和擺動(dòng)板相接觸）微型薯中的1粒（微型薯P）為研究對象，其相關(guān)受力情況如圖2所示。

令其他薯種對微型薯P的合力為F0，則

在理想狀態(tài)下，微型薯 P從堆疊至單列排序是加速度一直在變化的加速運(yùn)動(dòng)，設(shè)加速度為at，方向?yàn)閤軸正方向，整個(gè)過程歷時(shí)為t，則

聯(lián)立公式（1）、（2）

圖2 堆疊過程中微型薯P的受力分析Fig.2 Dynamic analysis of micro-seed P during stacking process

整個(gè)過程微型薯P相對于輸送帶沿x方向位移S為

在堆疊過程中，假設(shè)微型薯P始終與擺動(dòng)板相貼合，則

式中 F0y、Fpy分別為 F0、Fp沿 y軸方向的分力，N；a1為擺動(dòng)板在振動(dòng)過程中沿y軸方向的加速度，m/s2。對擺動(dòng)板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖3所示。

以擺動(dòng)偏心輪外圓周邊緣一點(diǎn)A（初始點(diǎn)）為研究對象，擺動(dòng)偏心輪繞點(diǎn)O以角速度ω（rad/s）做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；經(jīng)時(shí)間 t1，擺動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度 θ，此時(shí)點(diǎn) A運(yùn)動(dòng)至 A′點(diǎn)；此外點(diǎn)O′為擺動(dòng)偏心輪截面圓圓心，點(diǎn)B、B′分別為經(jīng)過點(diǎn)O的截面圓直徑和弦線的另一端端點(diǎn)，由相交弦定理得

則點(diǎn)A在時(shí)間t1內(nèi)沿x軸方向位移xA為

假設(shè)擺動(dòng)板為剛體且隨擺動(dòng)偏心輪和擺動(dòng)連接盤組成的振動(dòng)機(jī)構(gòu)同步振動(dòng)，故在時(shí)間 t1內(nèi)，擺動(dòng)板沿 x軸方向位移xd與xA相等，又

聯(lián)立式（7）、（8）得

則在時(shí)間t1內(nèi)擺動(dòng)板沿y軸方向位移ys為

因擺動(dòng)偏心輪的偏心距較小，轉(zhuǎn)速較快，故擺動(dòng)板沿y軸方向加速度a1

由上，聯(lián)立式（5）和（9）得

圖3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.3 Kinematic diagram of swing mechanism

2）剔種。堆疊的薯種群經(jīng)輸送帶輸送和擺動(dòng)板復(fù)合振動(dòng)，其在導(dǎo)種通道內(nèi)逐漸形成薯群條，此時(shí)依然有部分薯種堆積在單列排序的薯群條上，需通過擺動(dòng)板復(fù)合振動(dòng)進(jìn)行剔除。

選其中一個(gè)堆疊的薯種M為分析對象。根據(jù)實(shí)際剔種情況，此過程可分為3個(gè)子過程（如圖4所示）：Ⅰ.薯種堆疊在薯群條的正上端（擺動(dòng)板始終與薯種M相接觸）；Ⅱ.從薯群條上端剔落至輸送帶護(hù)種凸起；Ⅲ.種薯與振動(dòng)板接觸，完成剔種。則

其中，a2、a3分別為微型薯 M在剔種過程Ⅱ、Ⅲ的加速度，方向分別為指向振動(dòng)板且偏向于輸送帶速度 vb方向和偏離輸送帶且偏向于輸送帶速度vb方向。

圖4 剔種過程微型薯M運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.4 Kinematic analysis of micro-seed M during process of seeds removing

3）排序。薯群經(jīng)堆疊、剔種后，多余薯種被剔除，剩余薯種按前后緊密貼合的方式形成薯群條，且以與輸送帶相同的速度向落種通道運(yùn)動(dòng)，此時(shí)薯處于穩(wěn)定狀態(tài)，取其中一個(gè)種薯Q作為研究對象（如圖5所示），則

1.2.2 振動(dòng)回種

輸送帶上多余的、未經(jīng)排序的薯種越過輸送帶護(hù)種凸起并運(yùn)動(dòng)至振動(dòng)板上，其在振動(dòng)板復(fù)合往復(fù)振動(dòng)下運(yùn)動(dòng)至振動(dòng)板集種段處。選取微型薯O為研究對象，其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖6所示。

圖5 微型薯單列排序示意圖Fig.5 Diagram of single row arrangement of micro-seeds

圖6 振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.6 Kinematic diagram of vibratory reseeding mechanism

振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖3）類似，設(shè)振動(dòng)板為剛體且隨振動(dòng)偏心輪和振動(dòng)連接盤組成的振動(dòng)機(jī)構(gòu)同步振動(dòng)，在相同的時(shí)間t1內(nèi)，滿足下列關(guān)系式

因振動(dòng)偏心輪的偏心距小，轉(zhuǎn)速快，可得振動(dòng)板沿x軸和z軸方向的加速度avx、avz

振動(dòng)板朝上-前方振動(dòng)時(shí)，其與薯種O始終保持接觸，對薯種O受力分析得

振動(dòng)板朝下-后方振動(dòng)時(shí)，因薯種O從振動(dòng)板脫離作初速度為上-前方的上拋運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，薯種O僅受自身重力，至下一周期與振動(dòng)板再次接觸。

由上，avx、avz、Fv和 fv等值由上述相關(guān)各指標(biāo)值確定，即振動(dòng)偏心輪的偏心距e2、外徑R2、角速度ω和彈性支撐板的安裝角δ、長度l1等，其中根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20-24]及設(shè)計(jì)要求確定R2=30 mm，δ=π/6，l1=170 mm，其余參數(shù)則根據(jù)后續(xù)試驗(yàn)確定。

1.2.3 輸送投種

單列排序的微型薯由輸送投種機(jī)構(gòu)完成投種（圖7），因輸送帶與壓種帶帶速相同，則薯種在落種通道內(nèi)是相對于輸送帶和壓種帶靜止的，對其中一個(gè)薯種M分析，得

圖7 輸送投種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.7 Kinematic diagram of seeds conveying and dropping mechanism

由式（24），薯種M 在落種通道內(nèi)所受合力為0，其沿著輸送帶傾斜段方向向下做速度為 vb的勻速運(yùn)動(dòng)。理想狀態(tài)下，假設(shè)微型薯為球形顆粒，直徑為D，mm；設(shè)機(jī)具前進(jìn)速度為vd，m/s；則在相同時(shí)間Δt(s)內(nèi)落入種溝的種薯量等于排種裝置排出的種薯量，由此可得

由此得，該播種裝置的播種株距d3與機(jī)具前進(jìn)速度vd、輸送帶帶速vb和薯種粒徑D等有關(guān)。

綜上并結(jié)合前期試驗(yàn)可知，影響播種性能的主要參數(shù)有擺動(dòng)/振動(dòng)偏心輪偏心距 e1/e2、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 n（代替擺動(dòng)/振動(dòng)偏心輪角速度ω）、機(jī)具前進(jìn)速度vd和薯種粒徑 D。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定振動(dòng)/擺動(dòng)偏心輪偏心距相等，即e1=e2=e。各因素的試驗(yàn)取值范圍為：偏心輪偏心距3～5 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速700～900 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度[25]0.56～1.40 m/s，薯種按照粒徑可分為13～17、18～22、23～27 mm等3個(gè)級別，且各級別下薯種平均粒徑分別為15、20、25 mm。本文在3個(gè)不同級別的薯種粒徑下，開展播種性能試驗(yàn)，以明確上述其余 3個(gè)主要因素對播種性能的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

選用國家馬鈴薯工程技術(shù)研究中心培育的質(zhì)量分布在3～5 g左右（三軸平均粒徑在15～25 mm）的希森3號脫毒微型馬鈴薯，其含水率66.97%～78.23%，平均含水率為73.90%；密度為1 049.60～1 085.90 kg/m3，平均密度為1 077.03 kg/m3。

利用自制的試驗(yàn)臺(tái)開展播種性能試驗(yàn)（圖 8a）。播種裝置固定于安裝架上，后側(cè)下方固定有種床帶，其中播種裝置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸、輸送帶以及種床帶均由直流無刷減速電機(jī)（廣州市德馬克電機(jī)有限公司，750 W直流無刷減速電機(jī)）控制，以模擬田間作業(yè)情況；此外，考慮到若種床帶較光滑或投種高度過高，薯種從投種口投落至種床帶上將發(fā)生彈跳而影響測定效果，故在種床帶表面粘貼一層海綿并在落種區(qū)域按照一定距離（20 mm）均勻布置海綿條以形成網(wǎng)格狀條形落種區(qū)，且設(shè)定投種高度為50 mm。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)Fig. 8 Experiment of test bed

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)?zāi)康氖敲鞔_播種裝置結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)對 3個(gè)不同級別的微型薯播種性能的影響規(guī)律，并獲取較優(yōu)取值參數(shù)組合，以指導(dǎo)播種裝置高質(zhì)量作業(yè)。選取偏心輪偏心距、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和種床帶速度為試驗(yàn)因素，重播率y1、漏播率 y2和播種合格率 y3為評價(jià)指標(biāo)[26]。試驗(yàn)分別選取 3級種薯（粒徑為 13～17、18～22、23～27 mm）開展試驗(yàn)，采用 Box-Behnken二次回歸正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[27]，水平編碼試驗(yàn)因素（表1）。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Coding test of factor level

此外，種床帶帶速模擬機(jī)具前進(jìn)速度，理論播種株距為15 cm，根據(jù)播種裝置的結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)調(diào)節(jié)播種裝置的輸送帶帶速以對應(yīng)不同粒徑、不同機(jī)具前進(jìn)速度下的機(jī)具實(shí)際作業(yè)情況；待試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定后測量種床帶上60個(gè)實(shí)際播種粒距[9]，按照“GB/T 6242-2006 種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法”[26]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以獲取各指標(biāo)值，每組試驗(yàn)重復(fù) 4次，并取平均值用于后續(xù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)情況如圖8b所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2018年7月，在山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司進(jìn)行播種性能試驗(yàn)。根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，獲取 3個(gè)級別的微型薯試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

3.2 回歸分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對3級微型薯試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行方差分析[28]，以分析影響播種性能的相關(guān)因素和投種機(jī)理。

表2 試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)Table 2 Program and results of micro-seed test

3.2.1 一級種薯播種性能回歸分析

對一級種薯（平均粒徑15 mm）進(jìn)行方差分析，如表 3，試驗(yàn)過程中除考慮單因素作為主效應(yīng)的影響因素外，還應(yīng)考慮單因素間的交互效應(yīng)。主效應(yīng)的各試驗(yàn)因素對重播率、漏播率和播種合格率影響顯著順序分別為：偏心輪偏心距x1＞驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 x2＞種床帶速度x3，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速x2＞種床帶速度x3＞偏心輪偏心距x1，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速x2＞種床帶速度x3＞偏心輪偏心距x1；在交互效應(yīng)中，對重播率、漏播率和播種合格率影響最為顯著的因素均為x22。剔除影響不顯著的交互項(xiàng)，得出如下擬合較好且具有實(shí)際分析意義的因素編碼值的回歸方程

表3 一級種薯分析結(jié)果Table 3 Analysis results of level 1 potato seed test

在交互效應(yīng)中，各因素間交互項(xiàng)僅驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速-種床帶速度有輕微顯著的影響，其他 2個(gè)因素間交互項(xiàng)偏心輪偏心距-驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和偏心輪偏心距-種床帶速度對播種性能影響不顯著，而單因素以及各單因素的二次項(xiàng)對播種性能均具有顯著影響。圖9為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速-種床帶速度交互作用對一級種薯播種合格率的影響，由圖可知，偏心距為4 mm，種床帶速度在0.56～1.40 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，播種合格率隨著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低。

圖9 交互作用對一級種薯播種合格率的影響Fig.9 Effect of interactions on qualified rate for level 1 micro-seed

分析其原因可能在于，因一級種薯尺寸小、質(zhì)量輕，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)（約700～850 r/min）的增加，有利于薯種的振動(dòng)排序和剔種，降低重播率和漏播率，進(jìn)而提升播種合格率；當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速大于一定值（850 r/min左右），由于振動(dòng)板和擺動(dòng)板的振頻較高，薯種進(jìn)入輸送帶以及排序效果變差，且剔種能力較強(qiáng)，出現(xiàn)播種不均勻，致使重播率和漏播率均提升，播種合格率呈逐漸下降的趨勢。

3.2.2 二級種薯播種性能回歸分析

如表4所示為二級種薯（平均粒徑20 mm）方差分析結(jié)果，可知，在主效應(yīng)的各試驗(yàn)因素中，對重播率、漏播率和播種合格率影響顯著順序分別為：偏心輪偏心距 x1＞種床帶速度 x3＞驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 x2，種床帶速度 x3＞驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 x2＞偏心輪偏心距 x1，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn) x2＞偏心輪偏心距x1＞種床帶速度x3；在交互效應(yīng)中，對重播率、漏播率和播種合格率影響最為顯著的因素均為 x22。剔除影響不顯著的交互項(xiàng)，得出如下擬合較好的因素編碼值回歸方程。

表4 二級種薯分析結(jié)果Table 4 Analysis results of level 2 potato seed test

選取對二級種薯播種性能影響最顯著的交互項(xiàng)分別進(jìn)行舉例說明（圖10）。由圖10a可知，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，種床帶速度在0.56～1.40 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，重播率隨偏心距的增加先提升后降低；圖10b所示，在偏心輪偏心距為4 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速在700～900 r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，漏播率隨種床帶速度的提升而增大；圖 10c所示，種床帶速度為0.98 m/s，偏心輪偏心距在3～5 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的增加，重播率先降低后增加，而播種合格率則先增加后降低。

圖10 交互作用對二級種薯播種性能的影響Fig.10 Effect of interactions on seeding performance for level 2 micro-seed

對播種性能分析，原因可能在于，二級種薯較一級種薯尺寸大、質(zhì)量重，偏心輪偏心距成為影響重播率最顯著因素，在偏心輪偏心距較小時(shí)，因振動(dòng)板和擺動(dòng)板的振幅較低，薯種不能很好地回種和剔種，導(dǎo)致堆疊與排序的種子一同進(jìn)入排種段而出現(xiàn)重播現(xiàn)象；當(dāng)偏心輪偏心距較大時(shí)，因種薯尺寸較大且不規(guī)則，擺動(dòng)板振幅較大，故對輸送帶上排序的薯種產(chǎn)生較為明顯的干擾，在進(jìn)入排種段瞬間種薯排列狀態(tài)不一，重播率增加。對于漏播率，種床帶速度的提升增加了壓種帶將薯種喂入排種段的難度，薯種在喂入口被排擠，導(dǎo)致漏播。播種合格率受重播率和漏播率交互作用，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速對播種合格率影響最大，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速處在中間水平附近范圍內(nèi)時(shí)，因種薯振動(dòng)回種、單列排序以及輸送投種等過程效果較好，重播率和漏播率均較低，此時(shí)播種合格率較高。

3.2.3 三級種薯播種性能回歸分析

如表5所示為三級種薯（平均粒徑25 mm）方差分析結(jié)果，可知，在主效應(yīng)的各試驗(yàn)因素中，對重播率和播種合格率影響顯著順序相同為：驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速x2＞偏心輪偏心距x1＞種床帶速度x3，而漏播率則為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速x2＞種床帶速度x3＞偏心輪偏心距x1；在交互效應(yīng)中，對重播率、漏播率和播種合格率影響最為顯著的因素分別為x2x3，x22和 x22。剔除影響不顯著的交互項(xiàng)，得出如下擬合較好的因素編碼值回歸方程

表5 三級種薯分析結(jié)果Table 5 Analysis results of level 3 potato seed test

選取對三級種薯播種性能影響最顯著的交互項(xiàng)進(jìn)行舉例說明（圖11）。由圖11a、b可知，在偏心輪偏心距為4 mm，種床帶速度在0.56～1.40 m/s范圍變化時(shí)，重播率隨著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸降低，漏播率則隨著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的增大先降低后增加；圖11c所示，種床帶速度為0.98 m/s，偏心輪偏心距在3～5 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，播種合格率則隨驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的增大先增加后降低。

對三級種薯排種性能分析，因三級種薯尺寸較大、質(zhì)量較重，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速成為最顯著因素，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的提升，降低了種薯在輸送帶上單列排序過程中堆疊的概率，從而降低了重播率。對于漏播率，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，種薯在導(dǎo)種通道內(nèi)排序效果不好，其分布較為散亂，進(jìn)入排種段前種薯被排擠出導(dǎo)種通道的概率較大，增加了漏播率；當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，種薯在單列排序過程中受到擺動(dòng)板的影響較大，增加了排序好的種薯被剔除出導(dǎo)種通道的概率，進(jìn)而增加漏播率。播種合格率受驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和種床帶速度的影響較大，并受到重播率和漏播率的共同限制，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速處于中間水平范圍內(nèi)時(shí)，種薯單列排序效果較好，且排序好的種薯更能順利地進(jìn)入排種段進(jìn)行最終的投種。

3.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

利用Design-Expert 8.0.6 軟件優(yōu)化模塊，對3個(gè)級別下的微型薯播種回歸模型分別進(jìn)行有約束的目標(biāo)優(yōu)化求解，以獲取播種裝置較優(yōu)的排種性能作業(yè)參數(shù)[9,24]。

對上述 3級種薯播種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的播種性能參數(shù)組合，均需滿足以下條件

其中，-1＜x1＜1；-1＜x2＜1；-1＜x3＜1。同時(shí)，在優(yōu)化模塊的條件設(shè)置中對 3個(gè)評價(jià)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行設(shè)定，其中重播率設(shè)定為“+++”，漏播率設(shè)定為“+++++”，播種合格率設(shè)定為“++”。得到優(yōu)化結(jié)果為：

1）對于一級種薯，當(dāng)偏心輪偏心距為3.5～4.5 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為 803～855 r/min，種床帶速度為 0.56～0.61 m/s時(shí)，理論重播率為 0.56%～1.29%，漏播率為2.50%～3.21%，播種合格率為95.50%～96.94%；

2）對于二級種薯，當(dāng)偏心輪偏心距為3.8～4.2 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為 796～841 r/min，種床帶速度為 0.82～0.91 m/s時(shí)，理論重播率為 2.74%～3.11%，漏播率為3.40%～4.02%，播種合格率為92.87%～93.86%；

3）對于三級種薯，當(dāng)偏心輪偏心距為3.9～4.5 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為 822～863 r/min，種床帶速度為 1.02～1.13 m/s時(shí)，理論重播率為 3.25%～3.68%，漏播率為1.29%～1.72%，播種合格率為94.60%～95.46%。

綜上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)表 6所示相關(guān)參數(shù)開展試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)，每個(gè)級別下重復(fù)試驗(yàn) 3次，得各相關(guān)評價(jià)指標(biāo)平均值。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后的播種裝置各項(xiàng)作業(yè)性能指標(biāo)平均值接近理論優(yōu)化結(jié)果，各評價(jià)指標(biāo)理論與實(shí)際值誤差均小于5%，播種合格率均在90%以上，且均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求[29]。

表6 試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Verification test results of test bed

4 結(jié) 論

播種裝置基于受迫振動(dòng)原理對微型薯進(jìn)行單列排序、振動(dòng)回種和輸送投種等，實(shí)現(xiàn)微型薯的播種作業(yè)。本文對播種裝置的投種過程進(jìn)行分析，通過建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析模型得出影響該播種裝置的關(guān)鍵因素為偏心輪偏心距、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度和薯種粒徑等。

以偏心輪偏心距、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、種床帶速度（代替機(jī)具前進(jìn)速度）為試驗(yàn)因素，重播率、漏播率和播種合格率為評價(jià)指標(biāo)，利用播種試驗(yàn)臺(tái)對 3個(gè)級別下的微型薯開展正交組合試驗(yàn)，并對各級種薯的播種性能進(jìn)行回歸分析。由此得：對于一級種薯，對重播率、漏播率和播種合格率影響最顯著的主效應(yīng)因素分別為偏心輪偏心距、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；對于二級種薯，則分別對應(yīng)為偏心輪偏心距、種床帶速度和驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；對于三級種薯，對重播率、漏播率和播種合格率影響最顯著的主效應(yīng)因素均為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速。

利用Design-Expert 8.0.6軟件參數(shù)優(yōu)化功能，以低重播率、低漏播率和高播種合格率為約束條件，對 3個(gè)級別下的微型薯優(yōu)化求解，求得較優(yōu)的參數(shù)組合范圍：對于一級種薯，偏心輪偏心距為3.5～4.5 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為803～855 r/min，種床帶速度為0.56～0.61 m/s；對于二級種薯，偏心輪偏心距為3.8～4.2 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為796～841 r/min，種床帶速度為0.82～0.91 m/s；對于三級種薯，偏心輪偏心距為3.9～4.5 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為822～863 r/min，種床帶速度為1.02～1.13 m/s。對理論分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，3個(gè)級別下的微型薯在較優(yōu)的試驗(yàn)組合下，重播率和漏播率均小于5%，播種合格率均在 90%以上，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，該播種裝置滿足微型薯播種作業(yè)要求。