套作模式下链环式覆土器的参数优化.doc

套作模式下链环式覆土器的参数优化作者：苟文 时间：2011-12-30摘要：针对在西南丘陵地区使用小麦免耕直播机播种时的覆土要求，采用中心组合试验设计方法进行链环式覆土器的机播试验，建立了覆土合格率与外径、链环厚度、链环宽度的数学模型，并采用响应面优化分析，得到了链环式覆土器的最佳结构参数。结果证明：当外径为150mm、链环厚度为9mm、链环宽度为16mm的较优参数组合时，覆土合格率达98.07%。实践证明该优化方案可行，为西南地区小麦直播机的改进设计提供了理论依据。毕业论文下载网/ 关键词：农业机械，模型，优化，套作模式，链环式覆土器，响应面法 引言经过长期试验证明，保护性耕作具有减少地表径流，减轻土壤风蚀、水蚀，改善环境，增加水分入渗；增加土壤有机质含量，改善土壤结构；提高水、土、光等资源的利用率；作物根系发达，干物质积累多，产量提高；生产成本下降，收入增加，经济效益改善1-7。由于西南地区土壤贫瘠，干旱频繁，同时又缺乏灌溉条件，小麦一旦受干旱，调控余地很小。目前，丘陵旱地套作小麦种植面积占西南地区小麦种植面积的绝大部分8。结合西南地区丘陵旱地的特点，设计和改造出适宜套作模式下轻型免耕播种机具，对于促进西南地区小麦生产发展、确保粮食安全具有重要的意义。免耕播种机大多采用破茬开播种沟播种9-14。西南地区套作后杂草多，土壤黏度大，北方大型播种机械上常用的覆土器如刮板式、弹齿式等都无法满足覆土要求。生产实践证明：链环式覆土器可以避免缠草、堆土的问题，从而达到小麦播种的覆土要求。目前，国内外尚无关于覆土器覆土问题的细化研究。因此，进行链环式覆土器结构参数的优化对于促进西南地区套作小麦生产的发展具有非常重要的意义。本文通过响应面法对链环式覆土器进行了参数优化，并获得了最佳结构参数，为西南地区小麦直播机的改进设计提供了理论依据。1试验的主要内容1.1试验条件本次研究选取四川农业大学教学科研园区试验田作为覆土试验基地，在环境温度为1218，土壤相对湿度为43.5%，容重为1.25g/cm3的条件下进行。试验品种为四川省农业科学院提供的“川麦44”。1.2试验装置试验以微耕机为动力。用2BSF-4-5A型谷物播种机播种（图1），可以一次性完成开沟、施肥、播种功能。链环式覆土器根据不同的参数组合方式选用45#钢进行制造。1.3覆土合格率的测定以链环式覆土器的覆土合格率Y1作为覆土效果的观测指标，进行覆土试验。在试验中，根据小麦播种要求，土壤覆盖厚度在1030mm之间最有利于麦种的发芽，符合该条件认定为覆土合格，计算覆土合格率的公式如下覆土合格率0110100%NNYN?=（1）式中，N0为直线播种3m的种子质量，g；N1为直线播种3m覆土不合格的种子质量，g。1.4覆土环对土壤的作用力分析播种时，开沟器开出的种沟约为80mm宽，60mm深，从横断面来看，种沟呈倒三角形状。开沟器将土壤从种沟中翻到两边，在两边分别形成两行横截面为三角形状的土堆。覆土环对土壤的作用力如图2所示，坐标轴X方向为播种机行进的方向，Y方向为横断方向，Z方向为垂直方向。小麦直播机在前进过程中，土壤进入覆土环，内环面对土壤的作用合力F可以分解为水平面内的推力Fxy和压实土壤的力Fz，水平分力Fxy又可以分解为沿着前进方向的推力Fx及沿侧向的推力Fy。其中Fy是主要的有效作用力，它使得土壤向种沟方向滑移，以保证种沟内种子的覆盖。力Fy的大小主要与链环式覆土器的外径，链环厚度，链环宽度有关。2试验方法与设计通过试验，找出影响覆土合格率的主要因素为链环式覆土器的外径、链环厚度、链环宽度。由于真实响应面的弯曲性，通常用二阶或更高阶的模型来逼近响应。在覆土过程中，影响覆土合格率的因素有很多，并且具有非线性的特点，因而可采用响应面法来建立模型。假设覆土合格率Y1与链环式覆土器的外径A、链环厚度B、链环宽度C存在函数关系：Y1=f(A,B,C)，并采用星点设计原理中心组合设计（centralcompositedesign）理论进行试验设计。选取外径A、链环厚度B、链环宽度C为自变量，分别以X1、X2、X3来表示，并按表1所示进行水平编码。假设存在最小二乘法拟合的二次多项式22101111122222332333121213132323YiiiiiiiiiiXXXXXXXXXXXX=+（2）式中，i0为常数项；i12、i13、i23为交互项系数；i11、i22、i33为二次项系数。为确定方程的各项系数，至少需要进行20组试验。本试验以覆土合格率Y1为响应值，利用designexpert7.0软件对覆土合格率进行响应面法分析，试验安排和结果如表2所示。2.1覆土合格率的方差分析及模型优化2.1.1覆土合格率的方差分析对表2结果进行三元二次回归拟合并进行方差分析，得到链环式覆土器覆土合格率的回归方程为122291.99.8275.91.060.315.144.4843.18YABCABACBCABC=+?+?（3）表3给出了在试验范围内覆土合格率响应的预测模型（以编码值为自变量）。模型显著性检验F=88.11，模型P值小于0.0001，Quadratic回归方程的检验达到了极显著，失拟性检验F=4.26为不显著，说明在试验范围内，预测值与实测值拟合得很好。模型的决定系数R2=0.9875，这说明模型可以解释其响应值98.75%的变化。试验误差相对较小，可以用此模型对链环式覆土器的覆土合格率进行分析和预测。从预测模型可以看出：外径、链环厚度、链环宽度3个因素对于覆土合格率具有显著的影响。其中，一次项A、B、C，交互项BC，二次项A2、B2为高度显著项；二次项C2为显著项；交互项AB、AC为不显著项。说明3因素与响应值覆土合格率之间既存在二次非线性关系，也2.1.2覆土合格率的模型优化因交互项AB、AC对结果影响不显著，因此用手动优化对模型进行优化，手动优化后的回归方程为122291.99.82843.18YABCBCABC=+?+?（4）由表3和表4可知，手动优化后失拟值由4.26变为4.02，均不显著；表明拟合良好，误差小，模型适合。对于01?mjjijijjijijybbxbxx=+，可采用贡献率法粗略判定各因素对y影响的重要性15。从表4中F值计算各因素的贡献率可知，A=1.98，为不显著。3覆土合格率的响应面分析及参数优化3.1覆土合格率的响应面分析图3给出了外径、链环厚度、链环宽度3因素之一取零水平时，其他2因素对覆土合格率的影响。通过观察可以发现：在试验范围内，覆土合格率随外径的增加而增加，随链环宽度的增加而减小，而与链环厚度为非单调函数。链环厚度和链环宽度的交互作用显著，而其它两因素之间交互作用不显著，这与前面的计算分析结果是完全相同的。由图3a可以看出，在试验范围内，当外径一定时，链环厚度过大或链环宽度过小均会降低覆土合格率。链环式覆土器主要是利用内环面对种沟两边土壤的有效作用力使土壤回流。如果链环厚度过大，则覆土环对土壤的有效作用力Fy变大，加大了种沟两边土壤的回流率，导致种子的覆土量超过了覆土要求，从而使覆土合格率降低。如果链环宽度过小，则覆土时进入覆土环的土壤增加，同样导致种子的覆土量超过了覆土要求，从而降低了覆土合格率。由图3b可以看出，在试验范围内，当链环厚度一定时，增大外径和减小链环宽度都有助于提高链环式覆土器的覆土合格率；由图3c可以看出，在试验范围内，当链环宽度一定时，增大外径有助于提高覆土合格率。3.2参数优化覆土合格率作为衡量在保护性耕作下小麦免耕直播机覆土效果的一项重要指标，在试验范围内要求它的值越大越好。选取外径、链环厚度、链环宽度的变化区间分别为100180mm，412mm和535mm，各影响因素的重要程度设为3，利用期望函数法（desirabilityfunction）进行寻优，经过designexpert7.0软件分析，得到的优化结构参数为：外径为150.56mm、链环厚度为9.04mm、链环宽度为16.08mm时，与此相对应的利用预测模型所得到的覆土合格率为98.07%。4模型的验证为了试验操作的可行性，将链环式覆土器的结构参数进行修正：外径为150mm、链环厚度为9mm、链环宽度为16mm。在此条件下进行模型的验证。2010年10月分别在四川省仁寿县和射洪县使用2BSF-4-5A型小麦免耕播种机进行覆土试验，开沟深度调节为70mm，以CL240为动力，播种速度为0.5m/s。表5列出了预测值和试验值。其中，所列出的试验值为3次重复试验观察值的平均值。可以看出，预测值和试验值都是相当接近的。因此，可以认为利用优化所得到的预测模型是可行的，所得到的结构参数也是符合要求的。5结论1）本文首次将响应面法用于链环式覆土器的试验研究，获得了良好的结果，建立了试验指标覆土合格率在试验范围内的预测模型。2）通过试验研究，确定了目标函数覆土合格率与参数之间的关系：在试验范围内，覆土合格率随外径的增加而增加，随链环宽度的增加而减小，而与链环厚度为非单调函数。其影响强度是链环厚度链环宽度外径。3）通过优化得到了链环式覆土器的最佳结构参数：外径为150mm、链环厚度为9mm、链环宽度为16mm，相应的覆土合格率为98.07%。试验检验表明，该结构参数是合理的。参考文献1Morrison,Allen-RR,Wilkins-DE,etal.Conservationplanter,drillandair-seederselectionguidelineJ.AppliedEngineeringinAgriculture,1988,4(4):300309.2MorrisonJE,GerikTJ.Planterdepth-control:I.PredictionsandprojectedeffectsoncropemergenceJ.TransactionsoftheASAE,1985