帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機的設計與試驗

2022-07-25 06:19:04石林榕辛尚龍趙武云郭軍海楊金發劉鳳軍

中國農業大學學報 2022年8期

曲浩石林榕辛尚龍趙武云* 郭軍海楊天楊金發劉鳳軍

(1.甘肅農業大學機電工程學院，蘭州 730070； 2.酒泉鑄隴農機有限責任公司，甘肅酒泉 735000)

胡麻是胡麻科、胡麻屬一年生草本經濟作物，主要種植于我國西北和華北的干旱、半干旱地區，種植面積超過70萬hm，土壤水分和溫度是限制胡麻產量的重要因素。研究表明地膜覆蓋穴播種植模式可以有效縮短胡麻生育期，提高胡麻水分利用效率和產量，且全膜穴播的經濟效益優于壟膜側播。西北旱區多年的高強度耕作和降水時空分布不均衡導致耕地土壤肥力衰退，土壤承載力下降，而全地膜覆蓋和滴灌帶的應用為西北旱區胡麻生長提供更加有利的生長環境。

目前，國外針對干旱、半干旱地區的胡麻精量穴播機較少，且為數不多的機具機型龐大、價格昂貴，不適用于我國西北地區的小地塊作業要求。國內現有胡麻播種機可分為非覆膜式和覆膜式2種。由2BF-24型小麥播種機改裝的胡麻條播機為非覆膜式胡麻播種機，此類胡麻播種機不帶有覆膜和滴灌帶鋪設功能，該種植模式不適用于西北旱區；旱地胡麻起壟覆膜播種聯合作業機為覆膜式胡麻播種機，該播種方式膜間存在間距導致膜間雜草生長嚴重，在有機種植模式下需人工除草，增加種植成本。現有覆膜式胡麻播種機覆土不均勻現象十分常見，覆土不均勻會直接影響地膜功效和胡麻種子發芽率。為解決以上問題，本研究擬以戴飛等提出的覆土量理論分析計算方法為理論基礎同時引入地膜全覆蓋種植方式，設計一款帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

胡麻精量穴播聯合作業機主要由旋耕裝置、滴灌帶鋪設裝置、地膜全覆蓋裝置、地膜覆土裝置、播種裝置及動力傳動系統組成(圖1)。

1.旋耕裝置；2.機架；3.變速箱；4.滴灌帶鋪設裝置；5.地膜覆土裝置；6.雙向螺旋輸送器；7.覆土開口調節桿；8.雙排取種勺式穴播器；9.地膜鎮壓輥；10.鎮壓開溝輥；11.運土帶；12.蓄土槽1.Rotary tillage device; 2.Frame; 3.Gearbox; 4.Drip irrigation tape laying device; 5.Plastic film covering device; 6.Two-way screw conveyor; 7.Cover soil opening adjustment rod; 8.Double row seed scoop type hole planter; 9.Plastic film suppressing roller; 10.Suppressing ditching roller; 11.Soil transport belt; 12.Soil storage tank圖1 胡麻精量穴播聯合作業機示意圖Fig.1 Schematic diagram of flax precision hole seeding combined operation machine

1.2 傳動系統與工作原理

整機采用后置三點懸掛方式與拖拉機連接，拖拉機動力輸出軸與變速箱動力輸入軸通過傳動軸連接實現動力輸入，變速箱輸入軸帶動左右一對錐齒輪分別將動力向左、右傳送。變速箱右側動力通過鏈條帶動旋耕刀工作，左側鏈條帶動后方雙向螺旋輸送器轉動同時通過鏈條外嚙合改變轉向帶動運土帶輥順時針轉動實現運土動作，其傳動系統原理見圖2。拖拉機帶動整機前進時，鎮壓開溝輥和穴播器依靠摩擦力完成鎮壓開溝和播種工作，地膜架上的地膜和滴灌帶架上的滴灌帶由預先鋪設部分的拉力和地面的摩擦力完成鋪設工作。

1.旋耕刀組；2.變速箱；3.平地開溝輥；4.運土裝置；5.地膜架；6.壓膜輪；7.雙向螺旋輸送器；8.導土板；9.篩網1.Rotary tiller group; 2.Gearbox; 3.Flat ditching roller; 4.Soil-moving device; 5.Plastic film stand; 6.Film pressing wheel; 7.Two-way screw conveyor; 8.Soil guide plate; 9.Screen圖2 聯合作業機傳動系統原理Fig.2 Principle of combined working machine transmission system

旋耕刀組在刀軸帶動下切碎埋在地表以下的根茬，同時將土壤向后方拋送；拋起土壤由運土帶輸送到蓄土槽內，與此同時鎮壓開溝輥對旋耕過后的地表進行鎮壓及開壓膜溝，開溝部分橫截面為三角形便于壓膜溝成型，開溝部分頂端以及與鎮壓部分過度處采用半徑較大圓弧過度，保證再次開溝順暢且不會損傷已鋪地膜；滴灌帶開溝鋪設器在鎮壓后地表開一條1～2 cm深槽后將滴灌帶鋪設于槽內；地膜在壓膜輪的鎮壓下平整鋪設于種床上；蓄土槽內土壤經篩網過濾將土壤中較大石塊篩出并導向兩側排石口排出，經過篩濾后的土壤大部分經導土板直接覆蓋至地膜表面，小部分由雙向螺旋輸送器向兩側推送保證膜邊覆土厚度，完成膜面和膜邊的不同覆土要求；由于胡麻種植行距較小單排穴播器無法滿足胡麻播種要求，因此采用雙排取種勺式穴播器對種床進行播種。

1.3 主要技術指標

結合西北地區干旱少雨、晝夜溫差大和光照充足等氣候特征，為提高水分、土地利用率及胡麻發芽率，在設計過程中選用幅寬為160 cm、厚度為0.01 mm的黑色地膜進行鋪設。全膜覆蓋種植可以更好的抑制膜間雜草生長，提高土壤水肥利用率，保持土壤適宜的溫度和濕度；減緩低溫下降速度，利于肥料的腐熟與分解，提高土壤肥力。為保證覆膜質量，因此在膜邊開有壓膜溝且對膜邊著重覆土。帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機技術參數見表1。

表1 帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機主要技術參數
Table 1 Main technical parameters of flax precision hole-seeding combined operation machine with soil storage device

參數Parameter數值Numerical value外形尺寸/(cm×cm×cm) Size295×235×155配套動力/kW Supporting power24.18～32.24滴灌帶行數/行 Number of lines of drip tape3作業速度/(m/s) Operating speed0.4～1.0播種行數/行 Number of seeding rows12工作幅寬/cm Working width160旋耕深度/cm Rotary tillage depth7～15膜上覆土厚度/mm Thickness of soil over membrane8～16膜邊覆土厚度/mm Thickness of covering soil at membrane edge16～25行距/mm Line spacing100株距/mm Plant spacing100種植深度/mm Planting depth20～40生產率/(hm2/h) Productivity0.23～0.58

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 旋耕裝置

旋耕刀組由42片旋耕刀和刀軸組成，結構見圖3。為確保旋耕過后種床平整，左側刀軸軸頭安裝2個右彎刀，右側刀軸軸頭安裝2個左彎刀，中間旋耕刀選用左右彎刀混合安裝的方法。旋耕刀在刀軸上呈雙螺旋線排布，左右彎刀交替入土，以平衡旋耕刀側向切土反作用力，減少刀軸所受軸向沖擊載荷，增加旋耕裝置使用壽命。

1.旋耕刀刀軸；2.旋耕右彎刀；3.旋耕左彎刀1.Rotary tillage knife shaft; 2.Rotary tillage right machete; 3.Rotary tillage left machete圖3 旋耕刀組結構圖Fig.3 Rotary tiller group structure diagram

整機工作過程中，旋耕刀用于切碎殘留在地表以下的根茬，同時將土壤向后方拋送等。為保證整機各項工作平穩運行，確保其配套動力合理，對整機主要耗能裝置進行功率估算。旋耕裝置功率損耗計算公式為：

(1)

式中：

為旋耕裝置功率損耗，kW；

為旋耕比阻，取6.3 N/cm；

為旋耕深度，15 cm；

為整機作業速度，取0.6 m/s；

為旋耕刀組整體的旋耕寬度值，140 cm。由式(1)計算得

=7.93 kW。

2.2 地膜覆土裝置

地膜覆土裝置是胡麻精量穴播聯合作業機主要工作裝置，主要由運土裝置(運土帶、主動運土帶輥和從動運土帶輥)和蓄土裝置(雙向螺旋輸送器、覆土下板、導土板和篩網)組成(圖4)。

1.從動運土帶輥；2.運土帶；3.篩網；4.覆土下板；5.導土板；6.主動運土帶輥；7.雙向螺旋輸送器1.Driven soil belt roller; 2.Soil belt; 3.Screen; 4.Soil-covered lower plate; 5.Soil guide plate; 6.Active soil belt roller; 7.Two-way screw conveyor圖4 地膜覆土裝置Fig.4 Plastic film covering device

運土帶將土壤運送至蓄土槽中，蓄土槽內土壤經篩網過濾將土壤中石塊篩濾離，通過篩網的土壤被暫存在覆土下板與導土板組成的蓄土槽內，再由雙向螺旋輸送器將土壤均勻連續的排出蓄土槽，再由導土板將土壤覆蓋到地膜表面。膜上覆土量的多少直接影響地膜增溫、保水、保墑的作用和胡麻種子發芽率。影響覆土量的關鍵因素包括：運土帶線速度、雙向螺旋輸送器轉速及其結構參數，故對以上因素進行理論分析和參數計算，膜上覆土量計算公式為：

γl

(2)

式中：

為膜上覆土量，kg；

為土壤容重，實地測量為1 332 kg/m；

為單位覆土長度，取100 cm；

為膜上覆土寬度，取144 cm；

為膜上覆土厚度，取1 cm。由式(2)計算可得

=19.18 kg。

兩側膜邊覆土量為：

γl

(3)

式中：

為單側膜邊覆土量，kg；

為單側膜邊覆土寬度，取10 cm；

為膜邊覆土厚度，取2 cm。由式(3)計算得

=2.66 kg。長度1 m的膜上覆土總量

為：

(4)

由式(4)計算可得

=24.5 kg。

運土裝置運土裝置運土過程見圖5。運土刮板由長度為160 cm的30 mm×30 mm的角鐵制成，間隔為20 cm均勻安裝在運土帶上，運土帶最低處距離地面6 cm，運土帶傾角

=40°。

1.運土帶；2.運土刮板；3.土壤1.Earth-moving belt; 2.Soil-moving scraper; 3.SoilB3為運土刮板間寬度；H3為運土刮板高度；v2為運土帶線速度；β為運土帶傾角。B3 is the width between the soil-moving scrapers; H3 is the height of the soil-moving scrapers; v2 is the linear velocity of the soil-moving belt; β is the inclination of the soil-moving belt.圖5 運土裝置運土過程Fig.5 Earth-moving device earth-moving process

運土裝置覆土量與運土刮板長度及寬度、運土帶線速度及傾斜角和整機前進速度有關，在確定其他影響因素后，通過式(5)確定運土帶線速度：

(5)

式中：

為運土帶線速度，m/s；

為整機鋪設單位覆土長度

所需時間，

；

為運土刮板長度，140 cm；

為運土刮板間寬度，取20 cm；

為運土刮板高度，取3 cm；

為運土帶填充系數，傾斜升運，取0.92；

為傾斜系數，運土帶傾角

為40°，查表取0.43；

為整機前進速度，取0.6 m/s。由式(5)計算可得

=1.67 s，

=3.31 m/s。

運土裝置所需功率為：

(6)

式中：

為運土裝置所需功率，kW；

為運土裝置運土量，

Q/t

；

為運土裝置水平投影長度，取27.5 cm；

為運土裝置豎直投影長度運，取37 cm；

為運土裝置運動阻力系數，取1.04。由式(6)計算可得

=14.70 kg/s，

=0.09 kW。

蓄土裝置

蓄土裝置由篩網、雙向螺旋輸送器、導土板、覆土上板及覆土下板等組成見圖6。隨著雙向螺旋輸送器轉動，蓄土裝置中土壤均勻連續的排至導土板上，再由導土板將土壤覆蓋到對應位置。

1.篩網；2.雙向螺旋輸送器；3.覆土下板；4.導土板；5.覆土上板1.Screen; 2.Two-way screw conveyor; 3.Soil-covered lower plate; 4.Soil guide plate; 5.Soil-covered upper plate圖6 蓄土裝置結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of soil storage device structure

通常在不考慮土壤軸向阻滯影響的情況下，雙向螺旋輸送器轉速與雙向螺旋輸送器土壤單側輸送量

和雙向螺旋輸送器葉片外徑

等因素有關，可由式(7)計算得到：

(7)

式中：

為雙向螺旋輸送器轉速，r/min；

為雙向螺旋輸送器土壤單側輸送量，

；

為雙向螺旋輸送器葉片外徑，為160 mm；

為雙向螺旋輸送器葉片內徑，30 mm；

為輸送葉片與外殼間隙，2 mm；

為雙向螺旋輸送器填充系數，查表取0.33；

為雙向螺旋輸送器葉片螺距，為130 mm；

為傾斜輸送系數，雙向螺旋輸送器為水平輸送因此傾角為0°取1。由式(7)計算得

=143.4 r/min。

蓄土裝置所需功率為：

(8)

式中：

為蓄土裝置功率，kW；

為功率儲存系數，取1.4；

為驅動裝置總效率，取

=0.94；

為土壤沿蓄土槽移動阻力系數，取1.2；

為土壤水平輸送距離，為140 cm；

為土壤提升高度，為0 cm。由式(8)計算可得

=0.04 kW。胡麻精量穴播聯合作業機總功率為：

(9)

由式(9)計算可得

=8.06 kW，故選用博馬424拖拉機帶動樣機進行田間試驗。

2.3 播種裝置

選用‘隴亞13號’胡麻為試驗樣本，其千粒重為8.13 g。播種裝置主要部件為雙排取種勺式穴播器，其由取種勺、動排種嘴、定排種嘴、復位彈簧、穴播器外殼及輪軸等部件構成見圖7。穴播器通過穴播器架鉸接于整機尾部，依靠自身重力在不平整地表進行仿形播種。取種勺隨著穴播器外殼轉動每次可將8～10粒胡麻籽從種群中分離，并導入排種嘴內。動排種嘴與定排種嘴鉸接，動排種嘴可以在土壤的擠壓下繞鉸接處轉動一定角度，即在種床形成一個深度為25～35 mm的穴眼并將胡麻籽排入穴眼內。動排種嘴尾部安裝有復位彈簧，可使動排種嘴脫離土壤的擠壓力后迅速閉合，通過該閉合過程的振動將排種嘴上土壤振落。

1.定排種嘴；2.動排種嘴；3.復位彈簧；4.取種勺；5.穴播器外殼；6.加種口；7.側板配重塊1.Fixed seeding nozzle; 2.Dynamic seeding nozzle; 3.Return spring; 4.Seed picking spoon; 5.Hole planter shell; 6.Seeding opening; 7.Side plate counterweight圖7 雙排取種勺式穴播器結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the structure of the double-row seed scoop seeder

雙排取種勺式穴播器結構是影響播種質量的關鍵因素。當穴播器半徑過大將會導致整機重心后移不利于整機的提起，穴播器半徑過小時會導致定排種嘴數量過少導致排種過程中跳動較為嚴重，綜合考慮整機結構雙排取種勺式穴播器半徑取值范圍為180～240 mm。穴播器半徑計算公式為：

(10)

式中：

為雙排取種勺式穴播器半徑，mm；

為定排種嘴數量，14個；

為株距，100 mm。

在播種過程中雙排取種勺式穴播器會產生一定的滑移，因此穴播器實際播種半徑還與土壤堅實度有關。雙排取種勺式穴播器實際播種半徑計算公式為：

(11)

式中：

′為雙排取種勺式穴播器實際播種半徑，mm；

為定排種嘴高度，為60 mm；

為土壤堅實度常數，為0.5；

為播種深度，為30 mm；

為定排種嘴在雙排取種勺式穴播外的高度，為60 mm；

′為定排種嘴在雙排取種勺式穴播內的高度，為0 mm。由式(10)和(11)得：

(12)

計算得到雙排取種勺式穴播器半徑

=188 mm。

3 地膜覆土裝置覆土過程仿真

3.1 仿真參數設定

覆土過程中蓄土裝置中篩網對土壤中石塊進行篩離，后將石塊從兩側排石口排出，使其掉落至兩側膜邊去除其對胡麻種子發芽的影響。經過篩濾后的土壤大部分由雙向螺旋輸送器連續均勻的排出蓄土裝置，并由導土板導向覆蓋至膜面，小部土壤由雙向螺旋輸送器向兩側推送增加膜邊覆土厚度。為進一步動態觀察和驗證地膜覆土裝置的石塊篩離效果、土壤遷移效率及蓄土能力，采用離散單元法對地膜覆土裝置覆土過程進行仿真分析。覆土過程中運土裝置不為主要研究對象，為簡化仿真過程將其取代為位于蓄土裝置上方的顆粒工廠。土壤顆粒選用單球模型，其直徑設定為4 mm，石塊選用單球模型，其直徑設定為40 mm，經實地測量得知田間試驗土壤中含石率為2.5%，故在Particle ratio中設定石塊的單球模型占總質量比為2.5%。設置土壤顆粒-土壤顆粒、土壤顆粒-石塊、石塊-石塊、土壤顆粒-蓄土裝置和石塊-蓄土裝置接觸模型選擇Hertz mindlin (no slip) built-in optimal，覆土過程仿真模型相關參數見表2。

表2 覆土過程仿真模型相關材料及接觸參數
Table 2 Related materials and contact parameters of the simulation model of the soil covering process

材料Material參數Parameter數值Numericalvalue材料Material參數Parameter數值Numericalvalue土壤顆粒Soil particle泊松比Poisson’s ratio0.4剪切模量Shear modulus1.0×106密度/(kg/m3)Density1 332土壤顆粒-石塊Soil particles-stone恢復系數Coefficient of restitution0.16靜摩擦因數Static friction factor0.71動摩擦因數Dynamic friction factor0.32石塊Stone泊松比Poisson’s ratio0.25剪切模量Shear modulus1.4×106密度/(kg/m3)Density2 900石塊-石塊stone-stone恢復系數Coefficient of restitution0.24靜摩擦因數Static friction factor0.65動摩擦因數Dynamic friction factor0.53蓄土裝置Soil storage device泊松比Poisson’s ratio0.28剪切模量Shear modulus3.5×1010密度/(kg/m3)Density7 850土壤顆粒-蓄土裝置Soil particles-Soilstorage device恢復系數Coefficient of restitution0.54靜摩擦因數Static friction factor0.68動摩擦因數Dynamic friction factor0.27土壤顆粒-土壤顆粒Soil particles-soilparticle恢復系數Coefficient of restitution0.21靜摩擦因數Static friction factor0.68動摩擦因數Dynamic friction factor0.27石塊-蓄土裝置Stones-Soil storagedevice動摩擦因數Dynamic friction factor0.27恢復系數Coefficient of restitution0.61靜摩擦因數Static friction factor0.51

在Creator界面中的Geometries中給雙向螺旋輸送器增加線性旋轉運動，將其轉速設置為143.4 r/min，給地面添加直線移動，將初速速度設置為0.6 m/s。顆粒工廠為設置在蓄土裝置上方繞

軸逆時針旋轉17°的矩形(11 cm×140 cm)平面，顆粒產生速度為14.38 kg/s，其中石塊占土石混合物的2.5%。在Simulator界面中仿真時間步長9.739×10s，是瑞利時間步長的20%，仿真共進行1.5 s。

3.2 地膜覆土裝置覆土過程數值模擬

對地膜覆土裝置覆土過程進行數值模擬，解析土壤在篩網上的篩濾路徑與篩濾后土壤在雙向螺旋輸送器推送下的遷移規律，模擬結果見圖8。當離散元仿真時間

=0 s時顆粒工廠開始生成顆粒并往下掉落(圖8(a))；

=0.35 s時(圖8(b))土壤中石塊在篩網和后續土壤的擠壓下開始分離，過濾后土壤在雙向螺旋輸送器的帶動下將土壤排出蓄土槽，同時將部分土壤向左右兩側膜邊推送；

=0.60 s時(圖8(c))土壤已均勻連續從蓄土槽中向外排出，同時開始有石塊從兩側排石口滑出；

=0.90 s時從地膜覆土裝置中的石塊都掉落至膜邊位置，同時雙向螺旋輸送器的土壤遷移趨于穩定狀態(圖8(d))；

=1.20～1.50 s時土壤成“幕簾”狀從導土板上滑落，在雙向螺旋輸送器的推送下實現膜邊著重覆土，在篩網的作用下石塊只向兩側膜邊掉落(圖8(e)和(f))。

圖8 地膜覆土裝置覆土過程數值模擬結果Fig.8 Numerical simulation results of soil covering process of plastic film covering device

為了能夠更為直觀的對比膜上覆土量與膜邊覆土量，在覆土下板添加3個網格線組，分別對應膜面覆土口和2個膜邊覆土口，分別在每個網格線組的Options中添加Number of particles編輯器，方便統計通過各個網格線組中每種粒子的數量。處理完成后將仿真數據導入Origin得到覆土顆粒數量和覆土石塊數量(圖9)。由圖9(b)和圖8(f)可以看出，中間覆土帶并未有石塊出現，且石塊都從兩側排石口排出覆蓋至膜邊，因此證明經過篩網的篩分和引流后土壤中石塊可按預期導向至兩側邊。

圖9 離散元仿真過程膜上各個位置覆土顆粒(a)和覆土石塊(b)數量的變化Fig.9 Changes in the number of positions of the soil particles (a) and the soil-covered rocks (b) on the membrane during the discrete element simulation process

由式(2)和(3)可知,中間覆土帶寬度為124 cm，膜上覆土厚度為1 cm，兩側膜邊覆土帶寬度為10 cm，膜邊覆土厚度為2 cm。因此理論上中間覆土帶覆土量與兩側膜邊覆土帶覆土量關系為：

(13)

式中：

為理論上中間覆土帶覆土量與兩側膜邊覆土帶覆土量的比值。將各參數代入式(13)計算出

=3.1。由圖9可知，當離散元仿真時間

≥0.6 s時土壤已均勻連續從蓄土裝置中向外排出，為驗證雙向螺旋輸送器土壤遷移效率，選離散元仿真時間

=1.5 s時為采樣點，讀取覆土帶上各個位置流過土壤顆粒總數。離散元仿真時中間覆土帶覆土量與兩側膜邊覆土帶覆土量關系為：

(14)

式中：

為離散元仿真時中間覆土帶覆土量與兩側膜邊覆土帶覆土量的比值；

為離散元仿真時間

=1.5 s時落至中間覆土帶土壤顆粒數，測量的

=24 449個；

為離散元仿真時間

=1.5 s時落至左邊覆土帶土壤顆粒數，

=3 998個；

為離散元仿真時間

=1.5 s時落至右邊覆土帶土壤顆粒數，

=3 892個。將各參數代入式(14)計算出

=3.099。

與

比較數值相差無幾，因此通過EDEM仿真確定雙向螺旋輸送器所設計轉速符合整機的覆土要求。

4 田間試驗與分析

4.1 試驗方法

在甘肅省張掖市民樂縣華瑞農業股份有限公司進行帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機田間試驗。試驗田地勢平坦，土壤為沙壤土，含水率為6.61%，容重1 332 kg/m，25 mm深土壤堅實度0.24 MPa，35 mm深土壤堅實度0.31 MPa；樣機配套動力為30.9 kW博馬424拖拉機，前進速度0.6 m/s，使用地膜為寬1.6 m、厚0.01 mm的地膜，貼片式滴灌帶；胡麻品種為‘隴亞13號’，千粒重8.13 g，樣機田間作業狀態和播種效果見圖10。

圖10 帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機田間作業狀態及播種效果圖Fig.10 Field operation status and sowing effect diagram of flax precision hole-seeding combined operation machine with soil storage device

試驗田面積為5.7 hm，共播種胡麻85行，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業質量》的要求，測定帶有覆土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機的空穴率、穴粒數合格率、播種深度合格率、膜孔錯位率、膜邊覆土厚度合格率和鄰接行距合格率，性能參數計算公式如下：

(15)

式中：

為空穴率，%；

為總測定空穴數，個；

為總測定膜孔數，個；

為穴粒數合格率，%；

為總測定穴粒數合格穴數，個；

為播種深度合格率，%；

為總測定播種深度合格穴數，個；

為膜孔錯位率，%；

為總測定錯位膜孔數，個；

為膜邊覆土厚度合格率，%；

為總測定膜邊覆土厚度合格點數，個；

為總測定膜邊覆土厚度點數，個；

為鄰接行距合格率，%；

為總測定鄰接行距合格點數，個；

為總測定鄰接行距點數，個。

4.2 試驗結果及分析

樣機田間試驗結果見表3，其相關指標均符合GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業質量》要求，播種效果滿足實際作業需求。

表3 樣機田間試驗結果
Table 3 Prototype field test results %

參數Parameter試驗值Test value標準值Standard value空穴率Cavitation rate1.2≤2.0穴粒數合格率Qualified rate of holes89.3≥75.0播種深度合格率Qualified rate of seeding depth86.5≥85.0膜孔錯位率Membrane hole dislocation rate5.1≤6.0膜邊覆土厚度合格率Qualified rate of thickness of overlying soil on membrane edge95.7≥90鄰接行距合格率Adjacent row spacing qualification rate92.4≥80

由整機田間試驗播種效果可知，膜上全覆土分布形態與地膜覆土裝置仿真分析結果基本一致(圖10)，表明膜上覆土過程數值模擬的相關參數設置準確、建立模型合理，可在后續研究中探討不同旋耕裝置、地膜覆土裝置和播種裝置的配件選型及參數組合對膜上覆土效果和播種效果的影響，以尋找更優工作參數。

帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機中低速播種時，各裝置工作穩定。旋耕裝置與地膜覆土裝置配合，確保膜上土壤均勻連續覆蓋和膜邊著重覆土，并將土壤中石塊篩出并覆到地膜兩側。由此可見，蓄土裝置解決旋耕裝置在坑洼不平地表時取土不均勻導致的覆土不均問題。地膜覆土裝置與播種裝置配合，確保胡麻種床質量，同時將胡麻種子精量穴播到特定位置。但由于本樣機取土方式為旋耕取土，為保證取土量，旋耕裝置與田間土壤要有充足的接觸，因此，播種機速度的優化提升還有待于進一步研究。

5 結論

本研究針對干旱、半干旱地區全膜覆蓋覆土播種的栽培模式，設計了帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機，該機具能夠一次性完成旋耕、滴灌帶鋪設、地膜全覆蓋、膜上覆土及胡麻精量穴播等作業，具有膜邊接茬效果好、膜上覆土均勻及播種合格率高等特點。主要結論如下：

1)確定整機傳動系統并且對旋耕裝置、地膜覆土裝置及播種裝置關鍵部件的結構尺寸進行設計，結合各部件作業性能與胡麻種植要求對關鍵工作參數與功耗進行分析計算。由計算得到，運土帶線速度為3.31 m/s，雙向螺旋輸送器轉速143.4 r/min，雙排取種勺式穴播器半徑188 mm；旋耕裝置功率7.93 kW，地膜覆土裝置中運土裝置功率0.09 kW，蓄土裝置功率0.04 kW，總功率8.06 kW。

2)應用離散單元法驗證地膜覆土裝置的篩石效果、土壤遷移率及蓄土能力發現,當仿真運行時間為0.6 s后地膜覆土裝置趨于穩定，土壤顆粒成“幕簾”狀從地膜覆土裝置中排出，在雙向螺旋輸送器的推送下實現膜邊著重覆土，在篩網的作用下石塊僅向兩側膜邊位置掉落，防止石塊覆蓋至膜面影響胡麻的生長。

3)田間試驗表明，當帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯合作業機前進速度為0.6 m/s時，其空穴率為1.2%、穴粒數合格率89.3%、播種深度合格率86.5%、膜孔錯位率5.1%、膜邊覆土厚度合格率95.7%、鄰接行距合格率92.4%。田間播種性能試驗相關指標均達到覆膜穴播機作業質量要求，田間試驗結果與仿真結果基本一致。

中國農業大學學報2022年8期