毛　欣，衣淑娟，杨　立，刘海燕，马永财，李衣菲

(黑龙江八一农垦大学 a.工程学院；b.信息技术学院，黑龙江 大庆　163319)



玉米植质钵育秧盘芽播装置囊种过程的试验研究

毛欣a，衣淑娟b，杨立b，刘海燕a，马永财a，李衣菲a

(黑龙江八一农垦大学 a.工程学院；b.信息技术学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：为满足穴盘芽播育苗的机械化要求，设计了一种玉米芽种植质钵育秧盘精量囊种装置，并对主要工作部件的结构和工作原理进行了介绍。同时，对主要参数进行了单因素、多因素试验研究和优化，并进行了验证试验。结果表明：当其他参数固定，型孔直径为14.5mm、种箱速度为0.095m/s时，性能指标单粒率为93.12%，空穴率为2.01%，多粒率为4.87%，损伤率为0%，破碎率为0%，满足技术要求。

关键词：玉米；芽播；囊种；育秧盘

0引言

我国是农业大国，玉米是仅次于小麦的主要粮食作物，其种植面积和产量居秋粮作物之首，不仅是“饲料之王”，还是重要的工业原料[1]。黑龙江无霜期短，温度年变化率大，采用直接播种方式时，春播时由于低温，影响出苗并对幼苗造成冷害，而在玉米生长的后期，又常常受到早霜的危害[2]。我国旱地主要作物的栽培还是以播种方式为主，但是采用育苗栽植的面积也相当大[3]。

我国在20世纪70年代中期就研制了第1台用于玉米栽植的机械[4]，之后又陆续研制、开发和引进了多种适合于蔬菜、烟叶、甜菜等经济作物的栽植机械，但均因育苗技术落后、配套性能差、综合效益低等原因，未得到推广应用。

国内外对玉米播种装置进行了大量的试验研究，并取得了一定成果，如玉米水平圆盘精密排种器[5-6]、倾斜圆盘勺式排种器[7]、组合内窝孔玉米精密排种器[8-9]、强制夹持式玉米精量排种器[10]、丸粒化玉米种子精密排种器[11]及气吸式播种机[12-13]等，但这些排种器是否适合穴盘播种玉米芽种未做系统研究。穴盘育苗时采用芽播技术对减少种子浪费、保证出苗率及提高玉米产量更为有利，而目前这种针对玉米芽种的播种机研究较为少见。

由于囊种的好坏直接影响播种质量，本研究针对玉米植质钵育秧盘精量播种装置进行囊种试验研究，以实现玉米单粒芽播及减少损伤、破碎为目标，确定囊种装置的最佳结构参数。

1试验台及试验方法

1.1　囊种装置结构及囊种工作原理

玉米钵盘精量囊种装置主要由种箱、刷种轮、型孔板、翻板、辊轮、连接板及拉杆等组成，如图1所示。

1.秧土　2.翻板　3.刷种轮　4.型孔板

囊种工作原理：在囊种过程中，种箱在电机、曲柄连杆机构等的带动下做直线往复运动；当种箱移动到型孔板上方时，打开种箱内挡板，种箱内玉米芽种落入种箱下部及型孔板表面；在刷种轮的作用下，芽种被囊入型孔，多余芽种被刷种轮清走，囊种过程结束。

1.2　试验材料和方法

由于不同品种玉米种子形状及尺寸差异较大，为保证试验结果有意义，将种子初筛后使用。试验选用黑龙江省农科院培育的玉米品种龙单47，千粒质量为415.495 3g。用自制直径为6mm和8mm圆孔筛，随机筛出6～8mm之间的玉米种子，经浸泡催芽后芽长为1mm左右时备用，芽种含水率经测量在40%左右。经测量，玉米干种的平均尺寸长约9.82mm，宽约7.32mm，厚约5.24mm。玉米芽种的平均尺寸长约11.15mm，宽约8.70mm，厚约6.27mm。选用圆柱形型孔板，直径范围13～17mm，型孔板厚度范围5～9mm，刷种轮直径78mm、刷种高度3mm。

试验在黑龙江八一农垦大学工程学院自行研制的玉米植质钵育秧盘精量播种试验台上进行，参照国家标准GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》进行试验，并根据本囊种试验的特点，设计和统计试验性能指标如下。

1)单粒率：囊种过程结束后，含完整单粒(断芽或破碎的芽种不计算在内)芽种的型孔数量占型孔总数的百分比。每组试验重复5次，取平均值。其计算公式为

A=n1/N×100%

式中A—单粒率(%)

n1—含单粒芽种的型孔数量；

N—型孔总数。

2)空穴率：囊种过程结束后，不含(型孔内仅有断芽或破碎的芽种，则计算在内)芽种的型孔数量占型孔总数的百分比。每组试验重复5次，取平均值。其计算公式为

B=n2/N×100%

式中B—空穴率(%)；

n2—不含芽种的型孔数量。

3)多粒率：囊种过程结束后，含两粒或以上芽种(断芽或破碎的芽种不计算在内)的型孔数量占型孔总数的百分比。每组试验重复5次，取平均值。其计算公式为

C=n3/N×100%

式中C—多粒率(%)；

n3—不含芽种的型孔数量。

4)损伤率：囊种过程结束后，包含受损伤(断芽或裂纹)种子的型孔数量占型孔总数的百分比。每组试验重复5次，取平均值。其计算公式为

D=n4/N×100%

式中D—损伤率(%)。

n4—含受损伤芽种的型孔数量。

5)破碎率：囊种过程结束后，包含破碎种子的型孔数量占型孔总数的百分比。每组试验重复5次，取平均值。其计算公式为

E=n5/N×100%

式中E—破碎率(%)；

n5—含破碎种子的型孔数量。

2试验结果与分析

2.1　单因素试验及结果分析

2.1.1种箱速度

在型孔板厚度为6mm、型孔直径为15mm的条件下，种箱速度为0.095～0.135m/s区间内5个水平，各水平试验重复5次，计算平均值。获得种箱速度与性能指标之间的关系，如图2所示。

图2　种箱速度与性能指标之间的关系

由图2可见：当种箱速度增大时，单粒率先减小后增大然后又略有减小；多粒率总体来看先增大后减小，损伤率和破碎率几乎为0，空穴率波动较大，呈先增大后减小又增大的趋势；当种箱速度为0.125m/s时，单粒率达到最高为92.19%，多粒率达到最低为6.86%，损伤率和破碎率为0，空穴率较高为0.95%。

2.1.2型孔直径

在型孔板厚度为6mm、种箱速度为0.125m/s的条件下，型孔直径[14]在13～18m/s区间内6个水平，各水平试验重复5次，计算平均值。获得型孔直径与性能指标之间的关系，如图3所示。

图3　型孔直径与性能指标之间的关系

由图3可见：当型孔直径增大时，单粒率先增大后减小，多粒率呈增加趋势，空穴率急速下降后有一定波动；当型孔直径为15mm时，单粒率达到最高为92.19%，多粒率较低为6.86%，损伤率和破碎率为0，空穴率较小为0.95%。

2.1.3型孔板厚度

在型孔直径为15mm、种箱速度为0.125m/s条件下，型孔板厚度在5～9mm区间内5个水平，各水平试验重复5次，计算平均值。获得型孔板厚度与性能指标之间的关系，如图4所示。

图4　型孔板厚度与性能指标之间的关系

由图4可知：当型孔板厚度较小时，单粒率较高，多粒率很低，空穴率较高；当型孔板厚度增大时，单粒率先增高后降低，多粒率增高，破碎率和损伤率降低，空穴率波动较大；当型孔板厚度为6mm时，单粒率达到最高值92.19%，多粒率较低为6.86%，损伤率和破碎率为0，空穴率最低为0.95%。

2.2　多因素试验及结果分析

2.2.1试验方案及数据结果

根据单因素试验研究结果，在刷种轮直径φ78mm、刷种高度3mm、型孔板厚度6mm时，进一步研究型孔直径和种箱速度两因素组合情况下对播种装置囊种性能的影响。选取型孔直径x1和种箱速度x2共两个因素，以单粒率、空穴率、多粒率、损伤率和破碎率为囊种性能指标进行多因素试验。采用两因素五水平的正交旋转组合设计的试验方案。因素编码表如表1所示，试验方案及数据结果如表2所示。

表1　因素水平编码表

γ=1.41421Z0j=(Z1j+Z2j)/2；Δj=(Z2j-Z-0j)/γ。

表2　二次正交旋转组合设计试验方案及数据结果

由于试验中损伤和破碎极少出现，表2中损伤率和破碎率都几乎为零，为节省空间未列其中。

2.2.2回归模型及显著性检验

根据正交旋转试验所得的结果，采用DPS(Data Processing System)数据处理系统，对试验数据进行回归统计分析[15-16]，获得各试验因素与性能指标之间关系的回归方程如下：

y1=76.98592-10.04701x1-0.01900x2-

(1)

y2=0.34019-3.44251x1+0.04011x2+

(2)

y3=22.67388+12.82086x1-0.68976x2-

(3)

式中y1—单粒率(%)；

x1—型孔直径(mm)；

x2—种箱速度(m/s)；

y2—空穴率(%)；

y3—多粒率(%)。

回归方程显著性检验如表3所示。

表3　F检验表

经t检验，剔除不显著项，其它回归系数都在不同程度上显著，回归方程简化为

y1=76.98592-10.04701x1+7.69401x2

(4)

(5)

(6)

2.2.3两因素交互作用对性能指标的影响

1)对单粒率的影响分析。图5为型孔直径与种箱速度的交互作用对性能指标单粒率的影响。由图5可见：当型孔直径固定，随着种箱速度水平的增加，单粒率呈先下降后升高的趋势；当种箱速度固定，随着型孔直径水平的增大，单粒率呈缓慢下降的趋势。由图5可知，有效的单粒率最大值出现在型孔直径为-1.414水平、种箱速度为1水平或型孔直径为-1.414水平及种箱速度为-1水平时。由各因素的贡献率和交互作用可知，对单粒率影响的大小顺序为型孔直径>种箱速度。

图5　型孔直径与种箱速度的交互影响图

2)对空穴率的影响分析。图6为型孔直径与种箱速度的交互作用对性能指标空穴率的影响。由图6可见：当型孔直径处于较低水平时，随着种箱速度水平的增加，空穴率呈缓慢上升的趋势；当型孔直径处于较高水平时，随着种箱速度水平的增加，空穴率呈先降低后升高的趋势；当种箱速度固定时，随着型孔直径的增大，空穴率呈先下降后上升趋势。由图6可见：有效的空穴率最小值出现在型孔直径和种箱速度均为0水平时。由各因素的贡献率和交互作用可知，对空穴率影响的大小顺序为型孔直径>种箱速度。

图6　型孔直径与种箱速度的交互影响图

3)对多粒率的影响分析。图7为型孔直径与种箱速度的交互作用对性能指标多粒率的影响。由图7可见：当型孔直径固定，随着种箱速度水平的增加，多粒率呈先上升后下降的趋势，但型孔直径水平不同时多粒率值差异很大；当种箱速度固定，随着型孔直径水平的增大，多粒率呈上升趋势，且先缓后急。由图7可知：有效的多粒率最小值出现在型孔直径为-1水平、种箱速度为-1或1水平时，影响多粒率的主要因素为型孔直径。由各因素的贡献率和交互作用可知，对多粒率影响的大小顺序为型孔直径>种箱速度，但影响程度相差不大。

由于试验中损伤率和破碎率很小，几乎为0，因此型孔直径和种箱速度对其的影响忽略不计。

3性能指标优化

根据囊种性能要求，分别以单粒率、空穴率和多粒率3个囊种性能指标的回归方程作为目标函数，其它剩余的回归方程作为约束条件，设计主目标函数法的优化模型，并通过MatLab软件进行求解，获得不同目标函数下的最佳参数组合方案如表4所示。

表4　不同目标函数下的参数优化组合方案

综合单因素和多因素试验中因素对囊种性能指标的影响及优化组合方案，按照以单粒率最高为先、兼顾空穴率和多粒率较低为原则，综合考虑后得出试验因素的较优组合为型孔直径15mm，种箱速度0.095m/s。

4验证试验

根据以上试验结果分析及参数优化结果，进行验证试验。当型孔板厚度为6mm、型孔直径为15mm、种箱速度为0.095m/s且其它试验参数不变时进行试验，重复5次取平均值。试验结果为单粒率为93.12%，空穴率为2.01%，多粒率为4.87%，损伤率为0，破碎率为0，满足技术要求。

5结论

1)通过单因素试验研究确定多因素试验方案，在对多因素试验结果的分析中建立了试验因素与性能指标之间的回归模型。

2)确定了影响单粒率和多粒率的因素主次顺序均为型孔直径、种箱速度，影响空穴率的因素主次顺序均为种箱速度、型孔直径，综合来看型孔直径是保证囊种性能的重要因素。

3)通过主目标函数法的优化方法，综合考虑后得出试验因素的较优组合为型孔直径为15mm，种箱速度为0.095m/s。

4)对于确定的较优参数组合进行验证试验，结果为：单粒率93.12%，空穴率2.01%，多粒率4.87%，损伤率0，破碎率0，满足技术要求。

参考文献：

[1]杜彦朝,赵伟,陈钢.我国玉米单粒精播的发展趋势[J].种子世界，2010(1)：1-5.

[2]封俊，顾世康，曾爱军. 导苗管式栽植机的试验研究(I)中国玉米育苗栽植机械化的现状与问题[J].农业工程学报，1998(3)：103-107.

[3]方宪法.我国旱作移栽机械技术现状及发展趋势[J].农业机械,2010(1)：35-36.

[4]北京市农业机械研究所.悬挂4行玉米移栽机[J].农机情报资料，1974(1)：1-5.

[5]廖庆喜，高焕文. 玉米水平圆盘精密排种器排种性能试验研究[J].农业工程学报，2003，19(1)：99-103.

[6]廖庆喜，高焕文，臧英. 玉米水平圆盘精密排种器型孔的研究[J].农业工程学报，2003，19(2)：109-113.

[7]李成华，马成林，于海业，等. 倾斜圆盘勺式玉米精密排种器的试验研究[J]. 农业机械学报，1999，30(2)：38-42.

[8]于建群，马成林，左春柽. 组合内窝孔玉米精密排中器清种过程分析[J].农业机械学报，2000，31(5)：35-37.

[9]于建群，马成林，左春柽，等. 组合内窝孔玉米精密排种器的试验研究[J].农业工程学报，1997，13(4)：94-97.

[10]付威，李树峰，孙嘉忆,等. 强制夹持式玉米精量排种器的设计[J].农业工程学报，2011，27(12)：38-42.

[11]夏连明，王相友，耿端阳,等.丸粒化玉米种子精密排种器[J].农业机械学报，2011，42(6)：53-57.

[12]Yazgi A,Degirmencioglu A.Optimisation of the seed spacing uniformity performance of a vacuum-type precision seeder using response surface methodology[J].Biosystems Engineering,2007,97(3):347-356.

[13]Gaikwad B B,Sirohi N P S.Design of a low-cost pneumatic seeder for nursery plug trays[J].Biosystems Engineering, 2008,99(3):322-329.

[14]赵镇宏.刷轮式苗盘精播装置型孔板型孔尺寸的确定[J].农业机械学报，2005，36(3)：44-47.

[15]Mao Xin, Yi Shujuan, Tao Guixiang. Experimental study on seed-filling performance of maize bowl-tray precision seeder[J].IJABE, 2015，8(2):31-38.

[16]陶桂香，衣淑娟，汪春,等.水稻钵盘精量播种机充种性能试验[J].农业工程学报，2013，29(8)：44-50.

Abstract ID:1003-188X(2016)12-0168-EA

Study on the Seed-filling Performance of Maize Bowl-tray Precision Seeder

Mao Xina, Yi Shujuanb, Yang Lib, Liu Haiyana, Ma Yongcaia, Li Yifeia

(Heilongjiang Bayi Agricultural University a. College of Engineering; b.College of Information and Technology, Daqing 163319, China)

Abstract：According to the requirement of factory seedling agronomics,a maize bud-seed precise filling device was presented for use in cold areas. The structure and working principle of the main working parts are introduced. Single-factor test and multi-factor test were performed to optimise the parameters of a maize bud-seeds bowl-tray precise device and to improve the filling performance. The test of optimization parameters was verified. The results show that when the other parameters are fixed, the shaped hole diameter is 15mm, the velocity of the seed box is 0.095m/s, the single-seed rate is 93.12%, the empty-seed rate is 2.01%, the multi-seed rate of is 4.87%, the damage rate is 0%, the broken rate is 0%. The performance index by testing verification can meet the technical requirements.

Key words：maize; bud-sowing; filling; bowl-tray

中图分类号：S223.2；S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0168-05

作者简介：毛欣(1978-)，女，浙江宁波人， 副教授，博士，(E-mail) mx1631@163.com。通讯作者：衣淑娟(1965-)，女，山东栖霞人，教授，博士生导师，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531458)；黑龙江省自然基金项目(E201331)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20132305110003)

收稿日期：2015-11-10