【机械专业中文翻译】马铃薯播种机性能评估

马铃薯播种机的性能评估

原文来源：H. Buitenwerf，W.B. Hoogmoed，P. Lerink and J. Müller.Assement of the Behavior of Potato in a Cup-belt Planter. Biosytems. Engineering, V olume 95, Issue, September 2006: 35—41大多数马铃薯播种机都是通过勺型输送链对马铃薯种子进行输送和投放。当种植精度只停留在一个可接受水平的时候这个过程的容量就相当低。主要的限制因素是：输送带的速度以及取薯勺的数量和位置。假设出现种植距离的偏差是因为偏离了统一的种植距离，这主要原因是升运链式马铃薯播种机的构造造成的.

一个理论的模型被建立来确定均匀安置的马铃薯的原始偏差，这个模型计算出两个连续的马铃薯触地的时间间隔。当谈到模型的结论时，提出了两种假设，一种假设和链条速度有关，另一种假设和马铃薯的形状有关。为了验证这两种假设，特地在实验室安装了一个种植机，同时安装一个高速摄像机来测量两个连续的马铃薯在到达土壤表层时的时间间隔以及马铃薯的运动方式。

结果显示：（a）输送带的速度越大，播撒的马铃薯越均匀；（b）筛选后的马铃薯形状并不能提高播种精度。

主要的改进措施是减少导种管底部的开放时间，改进取薯杯的设计以及其相对于导种管的位置。这将允许杯带在保持较高的播种精度的同时有较大的速度变化空间。

１介绍说明

升运链式马铃薯种植机（图一）是当前运用最广泛的马铃薯种植机。每一个取薯勺装一块种薯从种子箱输送到传送链。这条链向上运动使得种薯离开种子箱到达上链轮，在这一点上，马铃薯种块落在下一个取薯勺的背面，并局限于金属导种管内.

在底部，输送链通过下链轮获得足够的释放空间使得种薯落入地沟里。

图一，杯带式播种机的主要工作部件：（1）种子箱；（2）输送链；（3）取薯勺；（4）上链轮；（5）导种管；（6）护种壁；（7）开沟器；（8）下链轮轮；（9）释放孔；（10）地沟。

株距和播种精确度是评价机械性能的两个主要参数。高精确度将直接导致高产以及马铃薯收获时的统一分级(McPhee et al, 1996；Pavek & Thornton, 2003)。在荷兰的实地测量株距（未发表的数

据）变异系数大约为20%。美国和加拿大早期的研究显示，相对于玉米和甜菜的精密播种，当变异系数高达69%(Misener, 1982；Entz & LaCroix, 1983；Sieczka et al, 1986)时，其播种就精度特别低。

输送速度和播种精度显示出一种逆相关关系，因此，目前使用的升运链式种植机的每条输送带上都装备了两排取薯勺而不是一排。双排的取薯勺可以使输送速度加倍而且不必增加输送带的速度。因此在相同的精度上具有更高的性能是可行的。

该研究的目的是调查造成勺型带式种植机精度低的原因，并利用这方面的知识提出建议，并作设计上的修改。例如在输送带的速度、取薯杯的形状和数量上。

为了便于理解，建立一个模型去描述马铃薯从进入导种管到触及地面这个时间段内的运动过程，因此马铃薯在地沟的运动情况就不在考虑之列。由于物理因素对农业设备的强烈影响(Kutzbach, 1989)，通常要将马铃薯的形状考虑进模型中。

两种零假设被提出来了：（1）播种精度和输送带速度无关；（2）播种精度和筛选后的种薯形状（尤其是尺寸）无关。这两种假设都通过了理论模型以及实验室论证的测试。

２材料及方法

2.1 播种材料

几种马铃薯种子如圣特、阿玲达以及麻佛来都已被用于升运链式播种机测试，因为它们

有不同的形状特征。对于种薯的处理和输送来说，种薯块茎的形状无疑是一个很重要的因素。许多形状特征在结合尺寸测量的过程中都能被区分出来(Du & Sun, 2004；Tao et al, 1995；Z?dler, 1969)。在荷兰，马铃薯的等级主要是由马铃薯的宽度和高度（最大宽度和最小宽度）来决定的。种薯在播种机内部的整个输送过程中，其长度也是一个不可忽视的因素。

形状因子S的计算基于已经提到的三种尺寸：

此处l是长度，w是宽度，h是高度（单位：mm），且h

表一实验中马铃薯及高尔夫球的形状特征

品种方形网目尺寸，毫米形状因子

圣特 28–35 146

阿玲达 35–45 362

麻佛来 35–45 168

高尔夫球 42.8 100

2.2 建立数学模型

数学模型的建立是为了预测升运链式播种机的播种精度和播种性能，该模型考虑了滚轴的半径和速度，取薯勺的尺寸和间距，以及它们相对于导种管壁的位置和地沟的高度（如图二）。模型假设马铃薯在下落的过程中并没有相对于取薯勺移动或者相对于轴转动。

图二，模型模拟过程，当取薯杯到达A点的时候模拟开始。释放时间是开启一个足够大的空间让土豆顺利通过所需的时间。该模型同时也计算出两个连续的马铃薯之间的时间间隔以及马铃薯到达地面（自由下落）的时间。r c 代表链轮半径、带的厚度以及取薯杯长度之和；x clear，取薯勺与导

种管壁之间的间距；x release 释放的间距；αrelease ，释放角度；ω, 链轮的角速度；C点，地沟。

田间作业速度和输送带速度可设定为达到既定的作物间距的要求。马铃薯离开导种管底部的频率f pot 通过如下公式计算：

式中：v c是勺型输送带的速度（单位：m s?1），x c 是带上两个取薯勺之间的距离（单位：m）.

槽轮的角速度ωr（单位：rad s?1）计算如下：

导种管的间距必须足够大以使得马铃薯能通过并被释放。x release是当取薯勺以一定的角度αrelease 径向通过链轮时的时间间距。释放角（图二）按以下公式进行计算：

r

（单位：m）是链轮半径，链条的厚度以及取薯勺长度之和；x clear（单位：m）是取薯勺端面c

与导种管管壁之间的间隙。

当马铃薯的各种参数已确定的情况下，释放马铃薯的所需角度可以通过计算得到。除了形状和尺寸，护种壁的马铃薯的位置也具有诀定性的作用，因此，这个模型区分了两种状态：（a）最小需求间距等于马铃薯的高度；（b）最大需求间距等于马铃薯的高度。

释放角度αo所需的时间t release的计算公式如下：

当马铃薯释放后，将直接落到地沟。由于每个马铃薯都是在一个特定的角度释放的，通常那时都有一个高于地面的高度（图二）。由于小一点的马铃薯释放得早，因此通常将小块马铃薯放在大块马铃薯的上方。

该模型计算出马铃薯刚好落到地沟时的速度υend（单位：m s?1）。假定垂直方向的初速度等于取薯勺线速度的垂直分量：

释放高度的计算公式为：

y

=y r-r c sinαrelease

release

y

（单位：m）是链轮中心和地沟的距离

r

自由下落时间的计算公式为：

g（9.8 m s?2）是自由落体加速度，v

（单位: m)是马铃薯释放时垂直下落的初速度。终止速

度的计算公式为：

马铃薯从A点移动到释放点的时间t release还应该加上t fall。该模型计算出以不同的方式在取薯勺上定位的两个连续马铃薯之间的时间间隔。最大的误差区间将出现在马铃薯由纵向定位趋向轴向定位的过程中，反之亦然。

2.3 实验室装置

一个标准的播种机可以替换片状导种管底部的类似透明丙烯酸的材料（图三）。输送链通过链轮被变速电动机驱动，其速度可以通过一个旋转的红外检测仪测得。此装置只能观察一排取薯勺。

实验室实验台：片状导种管底端的右下部被透明的丙烯酸金属片替代；右上端正对一个高速摄像机。

这个摄像机通过透明的导种管对种薯的运动进行摄像记录，并测量两个连续马铃薯之间的时间间隔。一张坐标图被安放在导种管的开口处，X轴平行于地面。当种薯的中点通过地面的时候时间就被记录下来了。连续种薯之间的时间间隔的标准偏差被用来衡量作物间距的精度。

为了便于测量，测量系统的记录速率设置为1000帧每秒。平均自由下落的速度是2.5m s?1时，种薯每帧的移动距离是2.5 mm，足够小到可以记录准确的位置。

为了测试链速的影响，进料速度被分别设置为300、400、500个种薯每分钟。（f pot =5,6.7和8.3 s?1），对应的链速为0.33,0.45,0.56（m s?1）。这些速度分别对应的是3、2、1排取薯杯。每分钟400个种薯的进料率（0.45 m s?1的杯带速度）作为一个固定速度来对马铃薯形状的影响进行测评。

为了评估时间间隔的正态分布，30个种薯将被重复使用5次。在另一个测试中20个种薯将被重复使用3次。

2.4. 统计分析

对上述假设进行了Fisher测试，分析表明：总体呈正态分布。尾部进行单因素上限分析的Fisher测试被用来检验频率a为5%第一类误差，然而一个正确的零假设被错误地拒绝了。其置信区间等于(100?a)%

3 结果与讨论

3.1 输送带速度

3.1.1 实证结果

测得的连续种薯触地的时间间隔呈正态分布。进料速度为300、400、500的标准偏差

σ分别为33.0、20.5、12.7 ms。通过F检验可知进料率的差异显著。三种进料率的正态

分布如图四所示。当变异系数分别为8.6%、7.1%和5.5%的时候，杯带的速度越大则播种机的精度越高。

图四，三种马铃薯进料速率时间间隔的正态分布图

3.1.2 结果模型预测

图五显示了开口形成时间对升运链速度的影响。链条的速度与沉积时偏离了时间间隔的种薯的准确性呈线性关系。形成开口的时间越短，偏差越小。计算结果见表二：

表二模型计算出来的连续种薯之间的时间间隔

带速（m s?1）最大时间间隔与最小时间间隔的时间差（s）

0·7217·6

0·3629·4

0·2442·8

升运链脱离导种管壁的速度是很重要的一个因素。相对提高输送带速来说，取薯勺线速度可以通过降低链轮的半径来增大。实验中使用的链轮半径是0.055米,是播种机的一般标准。为了使取薯