劉連磊，周桂霞

（1.黑龍江省農(nóng)墾九三管理局大西江農(nóng)場(chǎng)，嫩江 161488；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

基于二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)的施肥器工作關(guān)鍵參數(shù)建模

劉連磊1，2，周桂霞2

（1.黑龍江省農(nóng)墾九三管理局大西江農(nóng)場(chǎng)，嫩江 161488；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

對(duì)改進(jìn)后施肥器工作時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)前進(jìn)速度X1、耙片偏角X2、施肥深度X3進(jìn)行多因數(shù)多水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)，以傷苗率為觀(guān)測(cè)目標(biāo)，分析各參數(shù)X1、X2、X3與觀(guān)測(cè)目標(biāo)之間的關(guān)系，得出它們之間的數(shù)學(xué)模型，為改進(jìn)后的施肥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)；施肥器；傷苗率

為了提高大型中耕機(jī)械的施肥效果，使中耕施肥機(jī)在中耕夾肥和秋起壟施肥階段達(dá)到提高施肥效果、降低耗油率、減輕傷苗率、增強(qiáng)根密度、提高產(chǎn)量的目的、通過(guò)對(duì)其施肥裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用球型單圓盤(pán)耙片取代傳統(tǒng)的雙圓盤(pán)式和劃刀式施肥器，并對(duì)施肥樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)和試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比最終確定優(yōu)化的方案，目的是通過(guò)多因素多水平試驗(yàn)找出傷苗率最小時(shí)的機(jī)車(chē)的前進(jìn)速度X1、耙片偏角X2、施肥深度X3之間的最佳組合，并采用二次正交旋轉(zhuǎn)回歸方法來(lái)分析各個(gè)影響傷苗率的主次因素，進(jìn)一步探索X1、X2、X3之間的主次及相互關(guān)系，為施肥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)的基本條件

試驗(yàn)區(qū)位于大西江農(nóng)場(chǎng)第四畜牧養(yǎng)殖區(qū)，地處小興安嶺南麓，嫩江東岸，屬于寒溫地帶大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，氣候差異顯著，四季分明，春季干旱少雨、風(fēng)大，夏季高溫，秋季降溫急驟霜凍早，冬季嚴(yán)寒雪大時(shí)間長(zhǎng)。降雨主要集中在多雨的7、8兩個(gè)月內(nèi)，年平均降雨為526.6mm，年平均氣溫0.8℃，全年日照時(shí)數(shù)為2 532 h左右。初霜期平均在9月17日左右，終霜期平均在5月21日左右，無(wú)霜期120 d左右。場(chǎng)內(nèi)土壤主要有黑土、棕壤、草甸土、沼澤土四個(gè)類(lèi)型，以黑土為主占51.7%，棕壤土占34%，土壤養(yǎng)分狀況較好，有機(jī)質(zhì)含量4.75%～6.87%，pH值為6.54～6.88，呈微酸性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)施肥器（圖1）作業(yè)過(guò)程的分析，得出施肥器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)前進(jìn)速度x1、耙片偏角x2、施肥深度x3對(duì)傷苗率的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3因素：前進(jìn)速度、耙片偏角、施肥深度。前進(jìn)速度設(shè)計(jì)了3個(gè)水平，分別為7、7.5、8 km·h-1；耙片偏角設(shè)計(jì)了3個(gè)水平，分別為15°、16°、17°；施肥深度設(shè)計(jì)了3個(gè)水平，分別為7、10、13 cm。根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)法則，共進(jìn)行23組全因素試驗(yàn)。因素水平編碼表和試驗(yàn)安排別見(jiàn)表1和表2，試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表1 因素水平編碼表Table 1Coding table of factor and level

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2Quadratic orthogonal rotation test programs and results

3 回歸方程

運(yùn)用軟件Design-expert6．0.1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中二次正交旋轉(zhuǎn)回歸統(tǒng)計(jì)分析，得到了各因素對(duì)傷苗率的方差分析結(jié)果。通過(guò)分析回歸結(jié)果顯示；F失擬= 2.91，通過(guò)查表可知F0.01（5，8）=6.63，F(xiàn)0.05（5，8）=3.69，即F失擬＜F0.05（5，8）是不顯著的，這說(shuō)明回歸方程擬合的比較好，且回歸方程的可信度和擬合度均很高，所以可以進(jìn)一步用統(tǒng)計(jì)量F模型進(jìn)行檢驗(yàn)。F模型=41.26，通過(guò)查表可F0.01（9，13）=4.19，F(xiàn)0.05（9，13）=2.71，即F模型＞F0.01（9，13），這說(shuō)明方程在α=0.01的水平上是極顯著的。通過(guò)F檢驗(yàn)的結(jié)果可以看出，由回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)所得到的回歸方程與實(shí)際情況擬合的比較好。通過(guò)各個(gè)因素F值的比較可知影響傷苗率各因素的顯著性依次為耙片進(jìn)速度x1、施肥深度x3，將不顯著的項(xiàng)剔除，運(yùn)用軟件得到的二次回歸方方程為

y=4.27+5.14x1+2.24x2+2.51x3-1.31x12+0.36x32-0.97x1x2+0.94x2x3

4 各試驗(yàn)因素對(duì)牽引阻力趨勢(shì)的效應(yīng)分析

4.1 單因素分析

將上述傷苗率回歸方程作降維處理，得前進(jìn)速度x1、耙片偏角x2、施肥深度x3對(duì)傷苗率的一元一次回歸方程分別為

根據(jù)回歸方程，繪出傷苗率與各因素之間的關(guān)系，由圖1可知隨著前進(jìn)速度的加快，傷苗率也逐漸增大，呈拋物線(xiàn)規(guī)律變化，說(shuō)明隨著前進(jìn)速度的增加機(jī)車(chē)的穩(wěn)定性減少，左右偏擺幅度增加因而傷苗率增加；隨著耙片偏角的增加，傷苗率也逐漸增大，呈線(xiàn)性規(guī)律變化，說(shuō)明耙片偏角越大，距離玉米根系越近因而傷苗率就越大；隨著施肥深度的增加傷苗率減小，呈拋物線(xiàn)規(guī)律變化，說(shuō)明隨著施肥深度的增加，施肥器切出來(lái)的土增多，覆土器新覆上來(lái)的土少，傷苗率就小。

圖1 傷苗率與單因素的關(guān)系Fig.1Relationship between injury seedling rate and single factor

4.2 多因素分析

將上述回歸方程作降維處理，可以得前進(jìn)速度x1、耙片偏角x2和施肥深度x3對(duì)傷苗率的一元二次回歸方程。

（1）傷苗率與前進(jìn)速度x1、耙片偏角x2、的回歸方程為

根據(jù)回歸方程，可以繪制出傷苗率與前進(jìn)速度和耙片偏角的等高線(xiàn)圖和相應(yīng)曲面圖（圖2）。

圖2 前進(jìn)速度和耙片偏角對(duì)傷苗率影響的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)曲面圖Fig.2Forward speed and rake angle on the impact piece contour map of the injury seedling rate and response surface map

將機(jī)車(chē)前進(jìn)速度固定在某一水平時(shí)，隨著耙片偏角的增加，傷苗率逐漸增大；再將耙片偏角固定在某一水平上時(shí)，傷苗率隨前進(jìn)速度的增加而逐漸增大?？煽闯鲰憫?yīng)曲面沿耙片偏角方向變化的較快，沿前進(jìn)速度方向變化的較慢。因此，在耙片偏角和前進(jìn)速度對(duì)植株傷苗率的影響交互作用中，耙片偏角對(duì)植株的傷苗率的影響比機(jī)車(chē)前進(jìn)速度更為顯著些。

傷苗率與前進(jìn)速度x1、施肥深度x3的回歸方程為

根據(jù)回歸方程，可以繪制出傷苗率與前進(jìn)速度、施肥深度的等高線(xiàn)圖和相應(yīng)曲面圖（圖3）。

圖3 施肥深度和前進(jìn)速度對(duì)傷苗率影響的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)曲面圖Fig.3Contour map and response surface map of the effects of fertilization depth and forward speed on the injury seedling rate

將施肥深度固定在某一水平時(shí)，傷苗率隨機(jī)具前進(jìn)速度的增加而逐漸增大。再將機(jī)具前進(jìn)速度固定在某一水平上時(shí)，隨著施肥深度的增加，傷苗率逐漸減?。豁憫?yīng)曲面在機(jī)車(chē)前進(jìn)速度方向上變化較快，在施肥深度方向變化的較慢。因此，在施肥深度和機(jī)車(chē)前進(jìn)速度對(duì)植株傷苗率的影響交互作用中，前進(jìn)速度對(duì)植株傷苗率的影響比施肥深度更為顯著些。

（2）傷苗率與耙片偏角x2、施肥深度x3、的回歸方程為

根據(jù)回歸方程，可以繪制出傷苗率與耙片偏角、施肥深度的等高線(xiàn)圖和相應(yīng)曲面圖（圖4）。

圖4 耙片偏角和施肥深度對(duì)傷苗率影響的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)曲面圖Fig.4Contour map and response surface map of the effects of disc angle and fertilization depth on injury seedling rate

將耙片偏角固定在某一水平時(shí)，隨著施肥深度的增加，除草率逐漸減?。辉賹⑹┓噬疃裙潭ㄔ谀骋凰綍r(shí)，隨著圓耙片偏角的增加，傷苗率逐漸增加。可看出響應(yīng)曲面沿耙片偏角變化的較快，沿施肥深度方向變化的較慢。因此，在耙片偏角和施肥深度對(duì)植株傷苗率的影響交互作用中，耙片偏角對(duì)植株的傷苗率影響比施肥深度更為顯著些。

5 傷苗率的田間驗(yàn)證

評(píng)價(jià)施肥器效果的目標(biāo)是傷苗率y。選取傷苗率y（%）的約束條件為y∈[0，5]，在上述約束條件下認(rèn)為施肥器工作效果較為理想，影響施肥器工作效果的因素是前進(jìn)速度x1、耙片偏角x2、施肥深度x3。它們的參數(shù)取值范圍是x1∈[7，8]；x2∈[15，17]；x1∈[7，13]。

優(yōu)化的目的是各個(gè)因素在合理的范圍內(nèi)變化時(shí)傷苗率控制在在[0，5]的范圍內(nèi)，利用Design-Expert6.0.1軟件得到了相應(yīng)約束內(nèi)較優(yōu)的組合方案如表3。

表3 最優(yōu)方案Table 3Optimal scheme

將最優(yōu)方案的參數(shù)組合：前進(jìn)速度7.5 km·h-1，耙片偏角16.5°，施肥深度10 cm，進(jìn)行10組驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表4。

表4 田間傷苗率試驗(yàn)Table 4Field injury seedling rate test

6 結(jié)論

（1）通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)回歸分析，建立了施肥器傷苗率與前進(jìn)速度、耙片偏角、施肥深度變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

（2）通過(guò)對(duì)施肥器試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)和單因素分析，可知傷苗率較小的前進(jìn)速度7.5 km·h-1，耙片偏角16.5°，施肥深度10 cm。

（3）經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理得出前進(jìn)速度7.5 km·h-1，耙片偏角16.5°，施肥深度10 cm是最優(yōu)參數(shù)組合，可為生產(chǎn)中施肥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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［2］徐中儒.農(nóng)業(yè)試驗(yàn)最優(yōu)回歸設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

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［7］時(shí)均蓮，邱立春.國(guó)內(nèi)外深松技術(shù)及深松機(jī)具概況［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2005（3）：58-59.

Key Parameters Modeling of Fertilizer Applicator Based on Two Orthogonal Rotation Regression Test

Liu Lianlei1，2，Zhou Guixia2
（1.Daxijiang Farm of Heilongjiang Nine Three Land Reclamation Bureau，Nenjiang 161488；
2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University）

The key parameters of improved fertilizer applicator forward speed X1，harrow piece angle X2，fertilization depth X3were used in factorial number multi level quadratic orthogonal rotary regression experiment，injury seedling rate as target observation.The relationship between X1，X2，X3and the target was analysed to obtain their mathematical model to provide a reference for the optimization design of improved fertilizer applicator.

two orthogonal rotation regression test；fertilizer applicator；injury seedling rate

S222.12

A

1002-2090（2017）01-0100-05

2015-03-21

學(xué)成、引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金（xDB2014-04）；校級(jí)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JGxM-BYND-201401）。

劉連磊（1988-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2013級(jí)碩士研究生。

周桂霞，女，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：zgx7212@126.com。