条播机落种部件的结构及参数优化

　　0 引言

　　据粮农组织( FAO) 数据统计可知,2011 年我国主要粮食作物小麦产量高达 1. 174 亿 t,油菜等油料作物产量为 150 万 t,皆居世界首位.伴随着我国耕地面积的不断下降及农村劳动力的减少,出现了粮食供应与需求之间的不平衡,使我国粮食安全问题日益突出.多年的生产实践经验证明,粮食增产、农民增效最有效的方法和途径就是提升良种的增产潜力,培育和推广农作物优良品种,即通过提高育种水平提高我国的粮食单位面积的产量[1 - 2].

　　由于播种作业是小区试验最基本环节,也是最重要、最费工和费时的环节.为保证育种试验具有较高的试验精度,国内育种单位通常采用较原始的人工播种方式来完成此项作业.这种播种方式在一定程度上避免了种子间的相互混杂,但同时存在着劳动强度大、延误工时、漏种及播种均匀性差的缺陷.我国对于小区播种机的研究始于 20 世纪 80 年代,进行了初步的研究试验; 但 21 世纪以来,由于国家重视程度、研究成本、市场推广及政府扶持力度的影响,我国在小区育种播种机排种装置方面的理论研究甚少.同时,由于国内研制的排种装置存在着以下几点问题,使得小区条播机械难以被推广应用: ①小区播种机播种均匀性差; ②小区播种机锥体格盘等关键部件分种工作过程中存在脉动现象; ③小区地头漏播、重播现象严重.

　　因此,亟需加强中国育种机械化技术的研究,提高国内育种机械化作业水平,改变国内育种单位的育种规模偏小、育种手段较为落后的现状,提高育种工作效率,节省投资,缩短新品种的推出周期,这对于扭转大田作物良种依靠从国外引进的趋势、保证我国的粮食安全具有重大的现实意义.

　　1 排种装置工作原理

　　在小区育种试验机械化播种装备中,排种装置作为播种机械的核心作业部件,其工作性能是决定播种机特性及整机作业性能、影响育种试验播种精度的最重要的因素[5].

　　2BY-6 型育种试验小区条播机使用的锥体离心式排种装置如如图 1 所示.

　　育种试验条播机舍弃了传统的纯机械式传动方式,采用了由电控系统控制的电力驱动方式.在工作的过程中,工作人员将种子倒入存种漏斗,条播机控制器根据测程轮发出的脉冲信号控制存种筒提升手柄工作,种子顺着锥体流入格盘中; 然后,育种试验条播机控制根据所接受的脉冲信号控制变频电机的转速,驱动格盘、离心分配器工作,使其能够实现在规定的行长内播完定量的种子,使育种试验条播机具有自净功能[6].

　　2 锥体格盘分种运动的相关分析

　　本研究拟以课题组研制的 2BY-6 型小区播种机落种装置为试验对象,进行大量室内试验 研究落种充种装置在不同结构参数与工作参数下,对小麦育种试验播种种均匀性的影响,以期为获得落种装置的最佳工作条件和各排种环节共用参数的最佳工作条件提供试验依据.

　　2. 1 存种筒的运动分析

　　存种筒的结构如图 2 所示.其运动采用了直动滑块机构的运动原理,通过导向分种锥的导向作用,保证存种筒的直线运动.经大量的试验研究发现,存种筒的运动情况能直接影响锥体的分种效果: 若存种筒在其提升的过程中出现向一侧偏转的现象,则种子流在流出时流向对侧的就会相对较多,影响了锥体的分种均匀性.因此,需保证存种筒的提升过程的直线运动,减少影响锥体分种效果的不必要因素.

　　对存种筒整个提升过程进行受力分析发现,当其被提升至最高点、处于静止状态时可能存在以下两种情况:

　　1) 当存种装置到达最高位置时,对存种装置进行受力分析,如图 3( a) 所示.根据牛顿第三定律可知:其自身重力与提升杆提供的支持力是一对作用力与反作用力,且总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上.此时存种装置处于受力平衡状态,保证存种筒保持垂直状态.

　　2) 存种装置所受的支持力与自身重力不重合,这样产生一个绕提升手柄支撑点转动的扭矩,存种装置受力不平衡,如图 3( b) 所示.因此,存种装置在提升过程中易出现倾斜现象.这种状态存种装置被提升时,通过导向分种锥与导向驱动轴的相互作用保证存种筒做直线提升运动; 但由于分种锥与导向驱动轴是间隙配合,在存种筒提升至较高位置时存种装置无法保证其在提升过程中不出现倾斜现象,从而影响锥体分种均匀性[7].

　　2. 2 落种部件对分种均匀性的影响

　　育种试验以小区为播种单元,所播的品种多而数量少,要求实验结果的准确性高,故其有特殊要求:

　　1) 能够把一份种子均匀地、全部地播种在规定的行长内-播种均匀性技术要求;2) 播完每个品种或每个小区后,种子箱内必须无剩余种子-育种自净能力;3) 播后田间呈规格化.播种均匀性是小区育种试验播种作业的重要性能指标之一.目前,国内主要是通过分析排种器的结构参数和运动参数进行育种试验条播机播种均匀性的研究; 但在落种部件的结构参数、运动参数与排种器播种均匀性及其自净性能之间的影响关系方面还缺乏分析和研究[8].

　　小区育种试验条播机能够实现份量播种是其最基本的农艺要求.现今国内的育种试验条播机大多采用锥体格盘式排种器,种子流经过锥体分种全部落入格盘的时间 Δt 不仅是影响条播机播种均匀性的一个重要的参数,同时还会对育种自净性能产生影响.

　　首先,对分种过程影响的方面进行分析,在种子流从存种筒落入锥体格盘的同时,锥体格盘排种装置始终在进行着分种、排种的工作,因此落种时间 Δt 越小对锥体分种均匀性的影响便越小; 如果落种时间 Δt 增加到一定程度时,当锥体格盘排种装置转动 1 周完成 1次排种工作后,某些格槽内可能会有剩余的种子存在,从而形成了二次充种的情况[9].国内大多数育种试验条播机都存在这种现象.

　　条播机把格盘内剩余的种子播到设置的小区外,不仅仅影响育种试验的试验精度,而且影响锥体分种的均匀性,种子损失率较大,从而影响育种试验条播机的工作性能[10].

　　3 试验研究分析

　　3. 1 试验方案设计

　　根据相关的室内试验研究,发现存种筒提升高度h存、存种筒的内径 D存、种子的播种量 M播都是影响种子流落种时间 Δt 大小的影响因素.根据存种筒的落种试验要求,且保证试验方案具有正交性[11],根据因素个数和个因素均取零水平的试验点,选取合适的相关系数 r 进行中心化处理,并对以上 3 个试验因素进行因素水平编码,对试验因素进行水平编码,如表 1所示.

　　3. 2 试验结果分析

　　参照所选的因素与试验因素水平编码表,对试验指标落种时间进行三元二次回归正交试验方案的设计[12].落种部件的试验设计就是对落种部件的试验方案进行科学合理的安排( 见表 2) ,以达到最优的试验指标.试验设计就是要在全面试验空间域中按一定的准则选取适当的空间试验点,以达到在减小试验次数的情况下还能获得必需的信息量以进行结果的统计分析.

　　存种装置的提升落种试验所选的 3 个因素都经过了无量纲的线性编码处理,并且三因素的一次项回归系数 bj之间,bj与 3 因素( Z1、Z2、Z3) 的交互项( Z1Z2、Z1Z3、Z2Z3) 回归系数 bk j、平方项( Z12、Z22、Z32) 的回归系数 bj j之间也都是不相关的,所以可以根据回归系数绝对值来确定三因素一次项对排种均匀性的影响程度.

　　根据表 2 所示的试验方案设计与试验结果可知,影响落种时间影响因素的交互项 Z1Z3、Z2Z3的回归系数 b13、b23与零相差无几.因此,可以将其直接从方程中剔除.通过检验,二次项 Z1Z2及 Z12Z22Z32的回归系数的显着水平 α "0. 25,所以也应该剔除.由回归方程可知 Δt=0. 485-0. 088z1-0. 089z2+0. 052z3,则有

    统计检验结果表明,上述方程的显着性水平为0. 001,并且拟合得很好,可以认为是最优回归方程.

　　4 结论

　　通过上述试验分析及通过三元二次回归正交试验得到的回归方程,可以得出如下结论: 存种筒提升高度、存种筒的内径及种子的播种量这 3 个试验因素对锥体分种均匀性影响的主次关系为: D存"h存"M播.

　　1) 从满足育种试验播种农艺要求的角度出发,对落种部件的工作原理、工作过程进行分析,指出了落种装置的各个部件如何通过机械方式满足播种的农艺要求.

　　2) 从保证存种筒的提升杆的竖直提升角度对提升过程进行力学分析,从力学角度分析出影响存种筒在提升时发生偏斜的原因,为设计存种筒部件的运动参数提供了理论依据,保证了在落种时存种筒的竖直状态.

　　3) 通过对影响种子流落种时间的因素进行试验研究,对试验结果利用 SPSS 数据里处理软件处理数据,得出时间 Δt 与提升高度 h存、存种筒内径 D存、播种量 M播之间的回归方程关系为

　　目前,育种专家需要根据当地育种试验基地所使用的种子活性、试验田的土壤肥力以及当地所特有的气候环境等因素确定规定行长内所需要的播种量.因此,在播种量一定的前提下,通过上述试验所确定的三者之间关系,在小区育种条播机的设计时合理地选择存种筒的内径及存种筒提升高度,避免落种时间过长,减少其对播种机播种均匀性的影响,提高小区试验的精度.

　　参考文献:

　　[1] 宋江腾. 小区播种机结构设计和试验研究[D]. 北京: 中国农业大学,2004.

　　[2] 郭佩玉. 实现田间育种机械化,加速新品种的育成[J]. 种子世界,1994( 10) : 14-15.

　　[3] 郭佩玉,汪裕安. 亟待发展的田间育种试验机械化[C]/ /全国种子工程学术研讨会. 北京: 中国农业工程学会田间育种试验机械化专业委员会,1996.

　　[4] 尚书旗,杨然兵,殷元元,等. 国际田间试验机械的发展现状及展望[J]. 农业工程学报,2010,26( S1) : 5-8.

　　[5] 刘曙光. 小区育种播种机关键装置的设计与机理分析[D]. 沈阳: 沈阳农业大学,2011.

　　[6] 郭佩玉,施森宝,汪裕安. 田间育种机械化与种子加工现代化[M]. 北京: 中国农业大学出版社,1998: 14-17.

　　[7] 刘曙光,尚书旗,杨然兵,等. 小区播种机的发展分析[J].农机化研究,2011,33( 3) : 237-241.

　　[8] 刘俊峰,杨欣,冯晓静. 2BF-8 型小麦精播机播种均匀性影响因素分析[J]. 农业工程学报,2001,17( 6) : 64-68.

　　[9] 刘曙光,尚书旗,杨然兵,等. 小区播种机充种装置工作性能试验[J]. 中国农业大学学报,2011,16( 3) : 156-163.

　　[10] 孙桂芹,任宝国,初从伟. 影响排种器工作性能的因素[J]. 农机科技推广,2006( 7) : 27-41.

　　[11] 黄玉碧,明道绪,荣廷昭. 三因素随机区组试验结果的二次回归分析法[J]. 四川农业大学学报,1997( 4) : 6-12.

　　[12] 唐启义,冯明光. DPS 数据处理系统[M]. 北京: 科学出版社,2007