玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機的設(shè)計與試驗

曲 浩 石林榕 辛尚龍 趙武云 王 鋒 劉洋禮 楊金發(fā)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，蘭州 730070)

玉米是我國西北地區(qū)主要糧食作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。近年來，隨著玉米高產(chǎn)品種的選育和耕作栽培技術(shù)的優(yōu)化改進，玉米等農(nóng)作物的產(chǎn)量不斷提高。與此同時，肥料養(yǎng)分投入配置不合理、肥料利用率低下等問題也日益突出，隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，施肥機械化、自動化和精量化是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢[1]。此外，傳統(tǒng)的田間漫灌作業(yè)方式也加劇了水資源的巨大浪費與田間土壤的板結(jié)，該作業(yè)方式已經(jīng)不符合當(dāng)前玉米種植要求。因此，在保障玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提下，如何進一步提高水肥利用效率，是該地區(qū)玉米生產(chǎn)發(fā)展所面臨的關(guān)鍵問題之一[2-5]。

目前，國外穴播器從排種器結(jié)構(gòu)原理可分為氣力式和機械式兩大類。其中，氣力式可分為氣吸式、氣壓式和氣吹式等10余種；機械式可分為垂直圓盤側(cè)充式、水平圓盤、窩眼輪式和窩眼刷種輪式等30余種之多。但國外的穴播器多與大型機械配合使用，不適合我國現(xiàn)階段的小地塊且多丘陵山地的種植方式。我國較為經(jīng)典的穴播器機型有ZTB-2型精量播種機，采用立式圓盤排種器；BZJG6A-Ⅲ型精密聯(lián)合耕播機，排種器為垂直圓盤式[6-7]。雖滿足小地塊和丘陵山地播種,但播種機功能較為單一，河西地區(qū)土地較為貧瘠需要追加施肥，而且氣候少雨需要鋪設(shè)滴灌裝置，以上機型不能直接用于河西地區(qū)。

本研究針對西北干旱地區(qū)玉米播種機功能不全面和水肥利用率低的問題，旨在設(shè)計一款玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機，以期一次性完成玉米種子與有機肥同穴播種、覆膜和膜下滴灌帶的鋪設(shè)，減少機具作業(yè)次數(shù)提高播種效率。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機主要由排肥裝置、滴灌鋪設(shè)裝置、地膜鋪設(shè)裝置、排沙裝置、膜上覆土裝置、播種裝置等部件組成(圖1)。排肥裝置由有機肥箱、機架、排肥器和鎮(zhèn)壓輥構(gòu)成。機具有機肥箱下端通過導(dǎo)肥管連接排肥器，排肥器后方布置有鎮(zhèn)壓輥；滴灌鋪設(shè)裝置由滴灌帶支架和開溝器構(gòu)成；地膜鋪設(shè)裝置由圓盤式開溝器、地膜鎮(zhèn)壓輥、壓膜輪和圓盤式覆土器構(gòu)成。壓膜輪位于膜側(cè)圓盤式開溝器的后方位置，圓盤式覆土器位于壓膜輪的正后方，通過調(diào)節(jié)連接桿位置可實現(xiàn)圓盤式覆土器角度的調(diào)整。排沙裝置由沙土箱、液壓馬達、軸承座、傳送帶輥和傳送帶構(gòu)成；沙土箱固定在傳送帶上方位置；膜上覆土裝置由圓盤式取土器、取土輪和導(dǎo)土板構(gòu)成；玉米穴播器通過連接桿安裝于機架后方。

1.有機肥箱；2.機架；3.排肥器；4.鎮(zhèn)壓輥；5.膜側(cè)圓盤式開溝器；6.滴灌帶開溝鋪設(shè)器；7.地膜鎮(zhèn)壓輥；8.壓膜輪；9.圓盤式覆土器；10.圓盤式取土器；11.玉米穴播器；12.取土輪；13.導(dǎo)土板；14.沙土箱；15.滴灌帶支架1.Organic fertilizer box; 2.Frame; 3.Fertilizer; 4.Pressure roller; 5.Film side disc opener; 6.Drip irrigation belt ditching and laying device; 7.Plastic film pressure roller; 8.Film roller; 9.Disc type soil cover; 10.Disc type Soil extractor; 11.Corn seeder; 12.Soil extractor wheel; 13.Soil guide plate; 14.Sand box; 15.Drip irrigation belt support圖1 玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the corn seed fertilizer in the same hole and under the film drip irrigation integrated machine

1.2 工作原理

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機采用后三點懸掛方式與拖拉機配套使用。機具牽引力由拖拉機提供。排沙裝置液壓馬達動力依靠拖拉機自身攜帶的液壓泵提供。隨著拖拉機的牽引帶動有機肥排肥裝置排肥器轉(zhuǎn)動，排肥器上的排肥嘴依次完成有機肥的入土，待排肥結(jié)束后，依靠布置在排肥器后方的鎮(zhèn)壓輥完成回土工序。滴灌鋪設(shè)裝置將滴管帶鋪設(shè)在玉米種植帶中間位置。地膜由機架兩側(cè)的圓盤式開溝器和壓膜輥鋪設(shè)，膜邊由圓盤式覆土器取土壓實。排沙裝置在窩眼上方鋪設(shè)一層細(xì)沙以防止窩眼上方的膜上土壤板結(jié)降低種子發(fā)芽率。機架兩側(cè)的圓盤式取土器將土壤送入運土輪，利用運土輪和導(dǎo)土板將土壤覆蓋于地膜上，完成玉米種床的構(gòu)建。玉米穴播器將種子播種到完成排肥作業(yè)的窩眼中。

1.3 參數(shù)指標(biāo)

1.3.1河西地區(qū)種植農(nóng)藝

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機，結(jié)合西北地區(qū)干旱少雨、晝夜溫差大和光照充足等氣候特征，提出該機具的農(nóng)藝要求：為提高水肥利用率和種子發(fā)芽率，在設(shè)計過程中使用寬度為1.6 m、厚度0.01 mm黑白相間的地膜，為保證玉米生長過程對水分的需求，設(shè)計有貼片式滴灌帶鋪設(shè)于膜下。所用地膜兩側(cè)的白膜因其透光性好，對紅外光穿透力好，便于快速提高地溫，改變土壤溫度環(huán)境，有利于種子發(fā)芽；中間的黑膜可以遮擋太陽光，阻止雜草的光合作用，從而達到抑制雜草的發(fā)芽和生長的目的[10]。全膜覆蓋種植可以保墑固水，提高土壤水分的利用率，保持土壤適宜的溫度和濕度，使地溫下降慢、持續(xù)時間長，利于肥料的腐熟與分解，提高土壤肥力[11]。在白色地膜部分進行種肥同穴播種，并在穴孔上方覆沙，在黑色地膜部分進行覆土以防止地膜被風(fēng)吹起。其中，大行距750 mm，小行距250 mm，株距170 mm，玉米種子的播種深度為3～5 cm，滴灌帶鋪設(shè)在小行距中間位置為兩側(cè)的玉米供水。該機具的農(nóng)藝作業(yè)過程簡圖見圖2。

1.透明地膜覆蓋部分；2.黑色地膜覆蓋部分；3.滴灌帶1.Transparent mulch covering part; 2.Black mulch covering part; 3.Drip tape圖2 玉米種肥同穴與膜下滴灌鋪設(shè)農(nóng)藝作業(yè)過程Fig.2 The agronomic process of laying corn seed fertilizer in the same hole and drip irrigation under mulch

1.3.2整機主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述河西地區(qū)玉米播種農(nóng)藝要求，結(jié)合其他相關(guān)播種機技術(shù)參數(shù)，擬定玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機主要性能參數(shù)見表1。

表1 玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the corn seed fertilizer in thesame hole and under the film drip irrigation integrated machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與分析

2.1 排肥裝置

機具采用牛糞、秸稈與少量泥土堆積并經(jīng)過微生物作用而成的堆肥，該有機肥所含營養(yǎng)物質(zhì)豐富、肥效長而穩(wěn)定，有利于促進土壤固粒結(jié)構(gòu)的形成，使土壤透氣、保水、保溫、保肥[12]，同時種肥同播可以避免燒苗。

該肥料較為松散，具有一定的流動性故效仿種子穴播器設(shè)計一款排肥裝置。排肥裝置由1個有機肥箱和4個排肥器等部件構(gòu)成，肥箱與排肥器之間設(shè)有有機肥導(dǎo)向管(圖3)。有機肥箱中的有機肥通過有機肥導(dǎo)向管流入排肥器腔，排肥器隨機具的向前行走而工作。排肥嘴與土壤接觸控制排肥嘴的開閉狀態(tài)，并將肥料定量定位的排到種床上，完成排肥作業(yè)。

1.有機肥箱；2.有機肥導(dǎo)向管；3.肥箱架；4.排肥器；5.排肥嘴1.Organic fertilizer box; 2.Organic fertilizer box guide pipe; 3.Organic fertilizer rack; 4.Fertilizer; 5.Fertilizer nozzle圖3 排肥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of fertilizer discharging device

根據(jù)西北地區(qū)玉米種植農(nóng)業(yè)技術(shù)模式及田間試驗統(tǒng)計，排肥裝置中的排肥器每次排肥量均值約為0.012 kg，作業(yè)幅寬為1.6 m，則單位面積最大施肥量[13]為：

(1)

式中：Qmax為單位面積最大施肥量，kg/hm2；q為排肥嘴每次排肥量，kg；Z1為株距，m；B1為幅寬，m。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)由式(1)計算可得Qmax=1 764.7 kg/hm2。有機肥箱的容積為：

(2)

式中：C1為有機肥箱總?cè)莘e，L；L1為有機肥箱所裝肥料滿足的施肥距離，本樣機設(shè)定為1 000 m；γ1為有機肥密度，取0.7 kg/L。由式(2)計算可得C1=443.7 L。

為實現(xiàn)種肥同穴播種，排肥器尺寸要與穴播器尺寸相同且排肥間距要與播種間距相對應(yīng)，因此排肥器半徑為180 mm排肥器圓周裝有8個排肥嘴。排肥嘴的體積與每穴排肥量以及有機肥密度有關(guān)，排肥嘴體積為：

(3)

式中：C2為排肥嘴體積，L。由式(3)計算可得C2=0.017 1 L。結(jié)合以上參數(shù)對有機肥箱和排肥器進行設(shè)計。

2.2 排沙裝置

排沙裝置由2組沙土箱、傳送帶、傳送帶輥等部件構(gòu)成(圖4)。沙土箱與傳送帶之間有2 cm的間隙，便于沙土箱中的沙子從沙土箱中漏出到傳送帶上。傳送帶動力如若采用機械傳動會因為不同拖拉機駕駛員導(dǎo)致傳送帶運行速度不同進而導(dǎo)致排沙的量不同，故本樣機采用液壓馬達為傳送帶提供動力[14-15]，由福田雷沃904自帶的液壓系統(tǒng)帶動，保證傳送帶的運行速度穩(wěn)定從而精確控制排沙量。液壓馬達通過聯(lián)軸器與傳送帶輥相連接，帶動傳送帶轉(zhuǎn)動從而將沙土箱中漏出的沙子帶到傳送帶后邊的導(dǎo)沙板上，再經(jīng)導(dǎo)沙板將沙排到要播種的播種行上。

1.傳送帶；2.液壓馬達；3.沙土箱；4.導(dǎo)沙板1.Conveyor belt; 2.Hydraulic motor; 3.Sand box; 4.Sand guide plate 圖4 排沙裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of sand removal device

根據(jù)田間試驗測得每行的排沙量均值約為75 g/m，本樣機同時播種4行，故排沙量為0.3 kg/m，排沙設(shè)定距離與排肥相同為1 000 m，用沙總量m1=300 kg，沙土箱容積為[16]：

(4)

式中：V為沙土箱總?cè)莘e，L；ρ為沙的密度，1.6 kg/L。由式(4)計算可得沙土箱總?cè)莘eV=187.5 L，結(jié)合該容積參數(shù)進行沙土箱的設(shè)計。

2.3 膜上覆土裝置

2.3.1圓盤式取土器及組件

圓盤式取土器及組件由調(diào)節(jié)桿、彈簧、調(diào)節(jié)臂、角度調(diào)節(jié)架和圓盤式取土器構(gòu)成(圖5)。圓盤式取土器鉸接在角度調(diào)節(jié)架上，通過調(diào)節(jié)圓盤式取土器的角度控制膜上覆土的覆土量。彈簧桿與圓盤式取土器架和機架連接，依靠彈簧的彈力來實現(xiàn)圓盤式取土器的仿形功能便于在不平整的土地上正常取土。

1.機架；2.調(diào)節(jié)桿；3.彈簧；4.調(diào)節(jié)臂；5.角度調(diào)節(jié)架；6.圓盤式取土器1.Frame; 2.Adjusting rod; 3.Spring; 4.Adjusting arm; 5.Angle adjusting frame; 6.Disc type soil extractor圖5 圓盤式取土器及其組件Fig.5 Disc type earth sampler and components

膜上覆土是為了防止地膜被風(fēng)吹起，所以對覆土量不用進行精量控制，取土器選用普通的圓盤式取土器即可。影響圓盤式取土器取土作業(yè)質(zhì)量重要參數(shù)為圓盤直徑、圓盤偏角和圓盤傾角。圓盤直徑取決于最大耕深a1，可根據(jù)經(jīng)驗公式[17-19]求得：

k=D/a1

(5)

式中：k為經(jīng)驗系數(shù)，本研究中k=2.5；D為圓盤式取土器直徑，mm；a1為最大耕深，取a1=100 mm。

經(jīng)計算得圓盤式取土器直徑D=250 mm。圓盤偏角α0的取值范圍為40° ～50°，隨著α0的增大圓盤式取土器的切土、碎土和取土能力都隨之增大，同時增加圓盤式取土器的阻力，故要因地制宜的通過角度調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)圓盤偏角α0。圓盤式取土器要向運土輪中送土，須具有一定的翻垡能力。因此圓盤式取土器與鉛垂面須成一定夾角即為圓盤傾角β。圓盤傾角β取值范圍為15° ～25°[20]，經(jīng)田間試驗圓盤傾角β=15°。

2.3.2運土輪及組件

運土輪及其組件由運土輪、導(dǎo)土板等部件構(gòu)成(圖6)。其中運土輪的輻條穿過運土輪外輪廓，機具在田間作業(yè)時凸出來的輻條可以插入土壤中，增加機具行走穩(wěn)定性。工作時，圓盤式取土器將土壤取到運土板組成的空間中，運土板中的土壤隨運土輪的轉(zhuǎn)動將其送到高處。由于重力作用運土輪上的土壤到一定高度就掉落到導(dǎo)土板上，再經(jīng)由導(dǎo)土板將土壤鋪設(shè)在黑色地膜的上方。

1.運土輪；2.導(dǎo)土板；3.機架；4.輻條；5.運土板1.Earth-moving wheel; 2.Soil guide plate; 3.Frame; 4.Spoke; 5.Soil-moving plate圖6 運土輪及組件圖Fig.6 Earth-moving wheel and component diagram

為保證土壤能夠順利的通過導(dǎo)土板落到黑色地膜上，對導(dǎo)土板上任意一點的土壤進行受力分析(圖7),公式如下：

(6)

式中：N為導(dǎo)土板對土壤的支持力，N；f為土壤在導(dǎo)土板上的摩擦阻力，N；G為土壤自身重力，kg；α為導(dǎo)土板與水平面夾角，(°)；μ為土壤與導(dǎo)土板之間的動摩擦因數(shù)，取0.3。

N為導(dǎo)土板對土壤的支持力，N；f為土壤在導(dǎo)土板上的摩擦阻力，N；G為土壤自身重力，kg；α為導(dǎo)土板與水平面的夾角，(°)。N is the supporting force of the soil guide plate to the soil, N; f is the friction resistance of the soil on the soil guide plate, N; G is the gravity of the soil, kg; α is the angle between the guide plate and the horizontal plane, (°).圖7 導(dǎo)土板土壤受力示意圖Fig.7 Schematic diagram of soil stress on guide plate

為保證土壤能夠沿著導(dǎo)土板向下移動，完成膜上覆土操作，就必須滿足土壤重力沿導(dǎo)土板向下的分力大于土壤與導(dǎo)土板之間的摩擦力，即滿足公式[21]：

Gsinα≥f

(7)

聯(lián)立式(6)和(7)得：

α>arctanμ

(8)

由式(6)～(8)可得導(dǎo)土板與水平面夾角α>21.77°?？紤]到沙土箱的位置與導(dǎo)土板位置不能干涉，兩導(dǎo)土板下邊緣之間的間隔略小于黑膜的尺寸以及機架尺寸等因素，最終確定導(dǎo)土板與水平面的夾角α=42°。

運土輪選的設(shè)計直徑為1 400 mm，寬度為200 mm，運土輪選用厚3 mm的鐵板制作。為保證運土輪正常旋轉(zhuǎn)，選用半軸與軸承配合使用，呈兩側(cè)對稱布置。為保證運土輪的強度及圓度，每個運土輪裝有24根直徑10 mm的鋼筋作為輻條，輻條一端焊接在半軸上一端超過運土輪表面70 mm，工作時運土輪突出的輻條插入土壤中，增大了與土壤之間的摩擦力，便于運土輪完成運土操作。

2.4 播種裝置

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機的玉米播種裝置主要結(jié)構(gòu)為穴播器，穴播器由動排種嘴、復(fù)位彈簧、穴播器外殼、撥動輪、定排種嘴和分種勺等部件構(gòu)成(圖8)，安裝于機架末端。玉米種子從穴播器的導(dǎo)種口進入到種室內(nèi)部，均勻分布在種室的下半部分。撥動輪通過螺栓與外部連接架固定連接，隨著穴播器外殼的轉(zhuǎn)動分種勺在撥動輪的帶動下實現(xiàn)有規(guī)律的打開與閉合，同時將部分種子從種箱內(nèi)分離并與種箱內(nèi)其他種子隔開。動排種嘴與定排種嘴之間用銷釘連接，即動排種嘴可繞連接處旋轉(zhuǎn)一定角度完成種子投放。動排種嘴尾部安裝有復(fù)位彈簧，可使動排種嘴脫離土壤的擠壓力后自動閉合，并起震動作用，可將排種嘴上的土壤震動掉落。

試驗玉米品種為隴單339號，千粒質(zhì)量為371 g，種子外形尺寸8.7 mm×7.5 mm×4.5 mm。穴播器播種要求每個穴內(nèi)播種1粒玉米種子，播種深度3～5 cm。分種勺在與撥動輪開始接觸時(A點)由閉合轉(zhuǎn)向打開狀態(tài)；分種勺完成取種(B點)和清種(C點)，由于分種勺設(shè)計的形狀和尺寸使得分種勺尖會保留1粒玉米種子，其他被分種勺帶出的種子因重力和清種刷共同作用掉回種箱中；分種勺與撥動輪即將脫離(D點)后將分種勺保留下的玉米種子彈入到定排種嘴與動排種嘴組成的空間中；分種勺完成分種(E點)后將分離出的種子封存在排種嘴內(nèi)完成分種操作。隨著穴播器轉(zhuǎn)動，最下方的定排種嘴在重力作用下被壓入到土壤中同時動排種嘴也因土壤擠壓打開，排種嘴內(nèi)的玉米種子在自身重力以及離心力的作用下落至土壤中。當(dāng)該排種嘴離開土壤后，動排種嘴在復(fù)位彈簧的作用下閉合，完成1次播種動作。

2.4.1穴播器結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾筒式穴播器半徑是影響播種質(zhì)量和播種效率的關(guān)鍵因素之一[22]，適宜的穴播器半徑有利于播種質(zhì)量的提高。當(dāng)穴播器尺寸過大將會導(dǎo)致整機結(jié)構(gòu)尺寸和重量的增加，當(dāng)穴播器尺寸過小將會導(dǎo)致排種嘴數(shù)量減少導(dǎo)致作業(yè)性能下降，故穴播器的半徑正常取值范圍為160～240 mm[23]。排種嘴數(shù)量的計算公式[23]為：

(9)

式中：t為玉米播種株距，mm；H為玉米種植深度，mm；R為穴播器半徑，mm；Z為排種嘴數(shù)量，個?？紤]到西北旱區(qū)玉米播種的要求本樣機選用的穴播器半徑R=180 mm、株距t為170 mm、玉米種植深度40 mm，將數(shù)據(jù)帶入到式(9)中，取整后得排種嘴數(shù)量Z=8。

由穴播器播種過程示意圖(圖9)，可知：

(10)

A1為排種嘴與地面剛接觸點；B1為排種嘴入土最深點；C1為排種嘴與地面即將脫離點；O為穴播器圓心；β1為定排種嘴與穴播器垂線之間的夾角，(°)；β2為動排種嘴與穴播器垂線之間的夾角，(°)。A1 is the point where the seed metering mouth just touches the ground; B1 is the deepest point where the seed metering mouth enters the soil; C1 is the point where the seed metering mouth is about to leave the ground; O is the center of the hole planter; β1 is between the fixed metering mouth and the vertical line The included angle of (°); β2 is the included angle between the dynamic seeding nozzle and the vertical line of the drill, (°).圖9 穴播器播種過程示意圖Fig.9 Schematic diagram of the seeding process

穴播器相鄰排種嘴中心所對應(yīng)的夾角β0與其排種嘴個數(shù)有關(guān)。重合度e是影響成穴質(zhì)量的關(guān)鍵因素，是指從定排種嘴入土到動排種嘴出土所轉(zhuǎn)過的角度與兩相鄰排種嘴中心所對應(yīng)的夾角之比[24]，即：

(11)

將式(10)帶入式(11)得：

(12)

由式(10)、(11)、(12)可知，穴播器排種嘴重合度e與穴播器半徑R、播種深度H和排種嘴個數(shù)Z有關(guān)，將相關(guān)設(shè)計參數(shù)帶入式(12)中，可得e=1.56，即e≥1，滿足行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[25]。

2.4.2穴播器力學(xué)分析

樣機在田間播種時，穴播器在地表向前滾動，穴播器外圓上的排種嘴經(jīng)歷進、出土壤2個過程，從而完成成穴和播種動作。滑移量和滑移率是影響成穴質(zhì)量的主要因素,滑移率計算公式[25]為：

(13)

式中：δ為滑移率，%；R1為穴播器實際滾動半徑，mm；α1為排種嘴轉(zhuǎn)角，(°)。

由式(13)可知，在穴距不變時，滑移量、滑移率和排種嘴進出土壤的轉(zhuǎn)角與穴播器半徑成反比。排種嘴進出土壤的運動軌跡相對于地面的位移量是影響土壤開孔寬度的主要因素，當(dāng)位移量過大時，撕膜和挑膜等現(xiàn)象明顯增多，從而影響地膜的鋪設(shè)效果，進而影響種子的發(fā)芽率。

樣機在田間播種時，穴播器受力可簡化為穴播器自身重力G、穴播器外殼所受地膜給予的摩擦力Ff和支持力FN以及機架提供的牽引力F，穴播器受力情況見圖10，由此可得以下方程：

(14)

(15)

F為機架為穴播器提供的牽引力；Fx和Fy為牽引力在水平方向和豎直方向的分力；FN為地面對穴播器的支持力；Ff為穴播器與地面之間的摩擦力；G1為穴播器自身所受重力；θ為F與水平面的夾角。F is the traction provided by the frame for the hole planter; Fx and Fy are the horizontal and vertical components of traction; FN is the supporting force of the ground to the hole planter; Ff is the force between the hole planter and the ground friction; G1 is the gravity of the hole planter itself; θ is the angle between F and the horizontal plane.圖10 穴播器受力示意圖Fig.10 Schematic diagram of the force of the hole planter

式中：μ1為穴播器與地膜摩擦因數(shù)；m為穴播器質(zhì)量，kg；a2為穴播器加速度，m/s2；ω為穴播器轉(zhuǎn)速，rad/s；v為樣機前進速度，m/s；h2為入土深度，mm；RH為穴播器中心到排種嘴頂端距離，mm。將式(14)帶入式(15)中得：

(16)

由式(16)可知，穴播器與地膜的摩擦力大小主要由整機前進速度、滑移率和入土深度共同決定。

2.5 排肥裝置運動仿真

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機要實現(xiàn)種肥同穴這一功能，除了要保證排肥器的排肥間距要與玉米穴播器的播種間距相同外還要保證排肥器與穴播器的間距為排肥間距的整數(shù)倍。本樣機采用的排肥和播種間距為170 mm，排肥器與穴播器間距為221 cm(為排肥間距的13倍)。

因排肥嘴和排種嘴的運動軌跡相同，故將solidworks繪制的三維模型只保留機架以及一個排肥器得到玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機的三維簡圖。將簡化后的模型導(dǎo)入到Adams軟件中，對部分零件進行布爾和運算，減少零件個數(shù)便于后續(xù)的仿真運算；建立各個零部件的連接方式，并在機架上添加平移的驅(qū)動，在排肥器上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動并對每個驅(qū)動的數(shù)值進行設(shè)定；在排肥嘴上建立一點P，在結(jié)果欄對點P進行軌跡仿真[26-27]，得到排肥嘴的運動軌跡見圖11。

P為排種嘴上的標(biāo)記點。1.P點運動軌跡；2.機架；3.排肥器P is the marking point on the discharging nozzle.1.The movement track of point P; 2.The frame; 3.The discharging device圖11 排肥嘴運動軌跡仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of motion trajectory of manure discharge nozzle

通過對排肥嘴的運動軌跡分析可以看出，排肥嘴的運動過程為周期運動。將排肥嘴P點的運動軌跡導(dǎo)出1個周期到坐標(biāo)系(圖12)可以看出，本樣機的排肥深度為45 mm，符合穴播器的播種深度要求，排肥間距為170 mm滿足設(shè)計要求。排肥嘴運動軌跡為余擺線有利于提高成穴質(zhì)量和排肥質(zhì)量。在排肥過程中排肥嘴在土壤中停留足夠長的時間，保證肥料順利排入到土壤中[28-29]。

P1為排肥周期起點；P2為排肥周期終點。P1 is the starting point of the fertilization cycle; P2 is the end of the fertilization cycle.圖12 排肥嘴上P點的運動軌跡Fig.12 The movement track of point P on the fertilizer mouth

由穴播器的力學(xué)分析可知，影響成穴質(zhì)量的主要因素為滑移率、整機前進速度和穴播器的入土深度。排肥器結(jié)構(gòu)尺寸仿照穴播器制作，因此穴播器所得結(jié)論在排肥器中依舊適用。成穴質(zhì)量好壞可由穴孔寬度進行衡量，即排肥嘴在地面排肥后留下的穴眼寬度，其穴眼寬度越小越好。因此，以滑移率、整機前進速度和排肥器入土深度為影響因子，以穴眼寬度為實驗指標(biāo)，設(shè)計三因素三水平的試驗優(yōu)化方案。為方便仿真過程，依據(jù)式(15)計算出排肥器角速度。仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果見表2，可知排肥器和穴播器最優(yōu)工作參數(shù)組合為：滑移率10%、整機速度0.55 m/s、排肥器入土深度30 mm，該條件下，排肥器和穴播器角速度為2.80 rad/s，排肥器和穴播器在土壤中形成的穴眼寬度最小為2.35 mm。

表2 排肥器仿真參數(shù)及結(jié)果Table 2 Fertilizer simulation parameters and results

3 田間試驗與分析

3.1 試驗方法

在甘肅華瑞農(nóng)場進行玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機性能田間試驗，玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機及田間試驗見圖13。試驗田地勢平坦，土壤為沙壤土，土壤含水率8.9%～12.7%，40 mm深度土壤堅實度為307.3 kPa，地溫平均值25.2 ℃。樣機由福田雷沃904型拖拉機帶動，前進速度0.55 m/s。樣機使用地膜為寬1.6 m、厚0.01 mm的透明與黑色相間的地膜；玉米種植品種為隴單339號；滴灌帶為貼片式滴灌帶。按照NY/T 987—2006《覆膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》對玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機進行試驗。試驗地長100 m、寬1.6 m，在試驗地長度方向每隔5 m取5 m×1.6 m的區(qū)域共10組進行采樣，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果取10次試驗的平均值。測試計算玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機的空穴率、穴粒數(shù)合格率、膜下播種深度合格率。參數(shù)計算公式為：

(17)

式中：Hk為空穴率，%；kh為空穴數(shù)，個；f1為總為膜孔數(shù)，個；Hl為穴粒數(shù)合格率，%；lh為穴粒數(shù)合格穴數(shù)，個；Hb為膜下播種深度合格率，%；bh為膜下播種深度合格穴數(shù)，個。

3.2 試驗結(jié)果及分析

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機作業(yè)時，拖拉機行走順暢，地膜及滴灌鋪設(shè)順利，地膜覆土壓膜嚴(yán)實，覆沙位置準(zhǔn)確，種肥實現(xiàn)同穴播種，試驗結(jié)果見表3?？梢钥闯?，玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機田間各項指標(biāo)均符合NY/T 987—2006《覆膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》對播種機性能的測定要求。

表3 整機性能試驗結(jié)果Table 3 Test results of machine performance %

4 結(jié) 論

本研究根據(jù)西北灌區(qū)玉米種植農(nóng)藝要求，設(shè)計了玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機，對排肥裝置、排沙裝置、膜上覆土裝置和玉米播種裝置等主要關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)尺寸進行了討論分析。該樣機能夠一次性完成種肥同穴播種、滴灌帶鋪設(shè)、地膜鋪設(shè)、膜上覆土和排沙等功能。作業(yè)時，玉米穴播器在膜上進行播種，播種合格率高。主要結(jié)論如下：

1)本研究中的排肥裝置能夠?qū)Ψ勰钣袡C肥進行施肥，同時實現(xiàn)種肥同穴播種，提高了有機肥的利用率。膜下滴灌可以減少水分的蒸發(fā)提高水分利用率。黑白相間地膜在促進玉米生長的同時有效的抑制雜草的生長。

2)采用Adams軟件對排肥嘴軌跡進行仿真分析，仿真結(jié)果與預(yù)先設(shè)定目標(biāo)基本相同。根據(jù)影響因素通過仿真試驗得到排肥器和穴播器最優(yōu)工況為：滑移率10%、整機速度0.55 m/s、排肥器入土深度30 mm時，排肥器和穴播器角速度2.80 rad/s，該條件下，排肥器和穴播器在土壤中形成的穴眼寬度最小為2.35 mm。

3)田間試驗表明，當(dāng)玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機前進速度為0.43～0.97 m/s時，其空穴率為0.9%，穴粒數(shù)合格率92.3%，膜下播種深度合格率97.8%。田間播種性能試驗相關(guān)指標(biāo)均達到覆膜穴播機作業(yè)質(zhì)量要求。