小麥寬苗帶精量播種施肥機設計與試驗

姜 萌 劉彩玲 魏 丹 都 鑫 蔡培原 宋建農

(中國農業(yè)大學農業(yè)農村部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

國外小麥精量播種機多為氣力式，其結構復雜，動力需求大，不適于我國小地塊作業(yè)[1-2]。傳統(tǒng)小麥播種機多采用條播技術，播種后小麥種子密集地分布在細窄的苗帶上，相互競爭激烈，不易構建合理群體結構，難以實現(xiàn)高產穩(wěn)產。余松烈院士提出了小麥寬幅播種技術[3-5]，使種子相對均勻分布在8～10 cm苗帶上，相對于傳統(tǒng)條播降低了麥苗對水肥光熱的競爭強度，增產效果顯著，因此引起眾多學者對小麥寬苗帶播種技術的研究。

在苗帶撒播器方面，程修沛等[6]設計了燕尾槽式等高位寬苗帶開溝撒播器，利用種子流下落速度沖擊散種板打散種子形成寬苗帶；杜瑞成團隊[7-8]利用邊行優(yōu)勢原理設計了中部凸起的寬苗帶撒播器，把種子向苗帶兩側導引，在苗帶內形成中部稀疏、兩側密集的種子分布形式；翟萌萌[9]開發(fā)了燕尾槽播種鏟，使種子在苗帶上呈反正態(tài)形式分布。牛琪等[10]設計了基于籽粒自流打散原理的分種裝置，提高了種子分布均勻性；祝清震等[11]對鴨掌型撒播器進行結構改進和參數(shù)優(yōu)化，在一定程度上提高了撒播器橫向勻種效果。目前寬苗帶播種主要采用傳統(tǒng)的開溝播種方式，排種器主要采用外槽輪排種器，通過輸種端燕尾槽撒播器結構將種子流打散，因此排量大，難以實現(xiàn)精量播種，且苗帶內種子分布均勻性差，同時寬苗帶開溝寬度大，傳統(tǒng)開溝器開溝方式導致開溝阻力較大。

針對上述問題，本文設計一種苗帶旋耕覆土式小麥寬苗帶精量播種機，通過窩眼輪式精量排種器及內四等分輸種管(簡稱輸種管)實現(xiàn)對各列窩眼排出種子的間隔輸送，降低排種量且提高苗帶內種子的分布均勻性；同時利用旋耕刀清理苗帶，借助其拋土特性，實現(xiàn)對肥料和種子的有序分層覆蓋，以避免施肥與播種二次開溝，降低作業(yè)阻力。

1 整機結構與工作原理

小麥寬苗帶精量播種機結構如圖1所示，主要由三點懸掛裝置、傳動裝置、機架、鎮(zhèn)壓裝置、導土板、內四等分輸種管、輸肥管、旋耕裝置、絲杠調節(jié)裝置等組成，可一次完成苗帶清理、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等作業(yè)環(huán)節(jié)，其主要技術參數(shù)如表1所示。

圖1 小麥寬苗帶精量播種機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of wide seedling strip wheat precision planter1.三點懸掛裝置 2.肥箱 3.種箱 4.傳動裝置 5.機架 6.鎮(zhèn)壓裝置 7.平土板 8.導土板 9.內四等分輸種管 10.輸肥管 11.旋耕裝置 12.變速箱 13.絲杠調節(jié)裝置

參數(shù)數(shù)值/形式機具尺寸(長×高×寬)/(m×m×m)1.48×2.20×0.97作業(yè)行數(shù)7行距/cm30排種器形式窩眼輪式排肥器形式外槽輪式播種深度/cm2～5施肥深度/cm7～10防堵形式旋耕主動防堵施肥方式正位深施鎮(zhèn)壓方式整體對行鎮(zhèn)壓作業(yè)速度/(km·h-1)4

田間作業(yè)時外槽輪排肥器和窩眼輪式排種器由鎮(zhèn)壓裝置提供驅動力；拖拉機動力輸出軸經變速箱驅動旋耕刀旋切并拋撒土壤，布置在輸肥管和輸種管之間的導土板對旋耕拋起土壤進行部分遮擋，遮擋下的土壤覆蓋肥料并形成種床，未被遮擋而繼續(xù)向后運動的土壤則實現(xiàn)對種子的均勻覆蓋，最后由鎮(zhèn)壓器壓實土壤，完成播種和施肥作業(yè)。種肥管與旋耕刀間的距離由絲杠調節(jié)裝置調節(jié)，實現(xiàn)播種與施肥深度的調整。

2 關鍵部件設計

2.1 窩眼輪式精量排種器

根據(jù)播種農藝要求的苗帶寬度8 cm，設計窩眼列數(shù)為4，且種子橫躺姿態(tài)時勢能最低，因此種子以水平姿態(tài)充入窩眼較為容易，同時為提高種子分布均勻性，窩眼采用水平交錯形式布置。以衡觀35小麥種子為研究對象，測得長度d1為4.95～6.50 mm，厚度d2為3.25～3.76 mm，寬度d3為3.43～3.77 mm。依照種子輪廓外形設計單粒充種的窩眼結構，各項尺寸應滿足[12]

(1)

式中l(wèi)w——窩眼長度，mm

dw——窩眼寬度，mm

hw——窩眼深度，mm

d1max——窩眼長度最大值，mm

由式(1)得到窩眼長度lw=7.00 mm，寬度dw=4.77 mm，hw=3.77 mm，其結構如圖2所示；寬苗帶播種行距一般取30 cm，因此播種機作業(yè)幅寬內苗帶數(shù)為7，每條苗帶內播種4列，播種粒距計算式為

(2)

式中M——公頃播種粒數(shù)

Q——公頃播種量，kg/hm2

q——小麥種子千粒質量，42.5 g

F——播種機作業(yè)幅寬，2.1 m

L——播種粒距，m

圖2 窩眼輪式排種器結構圖Fig.2 Structure diagrams of cellular wheel seed-metering device

以精量播種播量120～150 kg/hm2為設計目標[13]，由式(2)計算理論播種株距為3.5 cm。參考以播麥粒為主的排種輪直徑40～60 mm設計窩眼輪直徑，直徑過小會導致曲率變大，充種質量下降，確定窩眼輪直徑為60 mm；窩眼數(shù)量受排種輪直徑和窩眼間距的制約，其數(shù)量影響排種輪的線速度，為保證充種率、降低對種子的損傷，窩眼輪線速度理論上不應超過0.35 m/s[14]，窩眼數(shù)計算公式為

(3)

式中e——每列窩眼數(shù)量

Rw——窩眼輪直徑，60 mm

vw——窩眼輪線速度，0.35 m/s

vm——播種機作業(yè)速度，1.1 m/s

由式(3)得到每列窩眼數(shù)e≥16.9，在滿足窩眼強度的基礎上，應最大限度增加窩眼數(shù)量，因此圓周上平均分布20個窩眼。

設計的排種器結構如圖3所示，主要包括排種盒、護種輸種槽、毛刷、種層厚度隔離板、種層厚度調節(jié)板、窩眼輪、擋種板、清種卡片、下種杯等，其中種層厚度調節(jié)板可對種層厚度進行調節(jié)。

圖3 窩眼輪式排種器結構示意圖Fig.3 Schematic of cellular wheel seed-metering device1.種層厚度隔離板 2.毛刷 3.窩眼輪 4.下種杯 5.內四等分輸種管 6.輸種軟管 7.護種輸種槽 8.清種片 9.擋種板 10.排種盒 11.種層厚度調節(jié)板

2.2 內四等分輸種管

為提高苗帶內種子行間、行內分布均勻性，匹配窩眼輪式排種器設計內四等分輸種管，對排種輪各列窩眼所排種子進行獨立輸送。內四等分輸種管底部采用圓弧過渡方式引導種子投射方向，實現(xiàn)種子平穩(wěn)著床；對種子的運動速度分析如圖4所示，根據(jù)零速投種理論[15]，種子著地角為75°～80°時彈跳最小，考慮本文設計為免耕播種機，作業(yè)速度相對較低，選取種子著地角為75°。

圖4 種子著地速度分析Fig.4 Touchdown analysis of seed speed

忽略種子在輸種管中的彈跳及滾動，根據(jù)動能定理對種子A在輸種管中運動進行分析，計算式為

(4)

其中

v0=npπRwξ(v)=v2

式中vr——種子離開輸種管時相對速度，m/s

v0——種子排出窩眼輪時的初速度，m/s

g——重力加速度，9.8 m/s2

h——種子下落高度，0.65 m

np——窩眼輪轉速，35 r/min

k——空氣阻力系數(shù)，取0.03

ξ(v)——物體速度關于阻力的函數(shù)

v——種子在輸種管中的運動速度

由圖4速度分析得

(5)

式中va——種子絕對運動速度，m/s

θ——輸種管出口切線角度，(°)

β——種子著地角，(°)

作業(yè)速度4 km/h時，由式(4)計算種子離開輸種管出口絕對運動速度va=1.58 m/s，聯(lián)合式(5)得θ=32°，即內四等分輸種管末端切線與水平面夾角為32°。

2.3 苗帶旋耕裝置

2.3.1旋耕防堵原理

我國黃淮海地區(qū)玉米秸稈殘茬覆蓋量大，易導致小麥機具發(fā)生堵塞，用苗帶旋耕裝置是提高小麥播種機田間通過性的有效方式[16-17]。正轉旋耕機能夠破碎表土并形成均勻的土流向后拋撒，進而實現(xiàn)對種肥的有序覆蓋，因此本文選用正轉旋耕方式，旋耕刀選用R245型直角刀；機器作業(yè)時田間秸稈殘茬較多，耕深不宜過大，確定旋耕深度為10 cm，作業(yè)速度為4 km/h；為實現(xiàn)旋耕刀對秸稈清理并防止纏繞旋耕刀，根據(jù)文獻[17]，設計旋耕軸轉速為260 r/min。

旋耕刀切土節(jié)距對耕后土壤細碎度和溝底平整度有直接影響，設計時需考慮播種農藝要求和土壤含水率，北方進行小麥免耕播種時，土壤表層含水率在10%左右，結合小麥播種農藝需求，選擇切土節(jié)距50 mm，得同一圓周內旋耕刀數(shù)為[12]

(6)

式中S——旋耕刀切土節(jié)距，mm

n——旋耕刀軸轉速，r/min

z——同一圓周內旋耕刀數(shù)量

計算得z=4。

2.3.2旋耕刀排布

旋耕刀采用中間傳動的驅動方式，刀軸選用φ80 mm的空心鋼管。為避免雜草纏繞、壅土以及保證播種機兩側受力均衡[18]，采用4頭對稱螺旋線排布方式，保證每一時刻僅有一把刀入土且左右交替入土，旋耕刀排布如圖5所示。

圖5 旋耕刀排列方式Fig.5 Arrangement of rotary blades

2.3.3旋耕覆土原理

利用旋耕刀拋起的土壤對種子和肥料空間位置進行定位并覆蓋，輸肥管和內四等分輸種管與旋耕刀軸的相對位置至關重要，因此對旋耕刀拋土性能進行分析，其刀片端點運動為刀軸旋轉運動與機具前進運動的合成，當旋耕機刀軸以角速度ω旋轉，機具前進作業(yè)速度為vm，旋耕刀旋轉半徑為R時，以刀軸旋轉中心為坐標原點O，播種機前進方向為x軸正向，垂直向上為y軸正向建立坐標系xOy，刀片與y軸負方向重合時為初始位置；旋耕刀軸轉速高于180 r/min時，應考慮旋耕刀正切面與土壤的撞擊作用[19]，當旋耕刀以線速度vb切削土壤顆粒C時，建立以質點C為原點的動坐標系NCT，旋耕刀對土塊碰撞作用如圖6所示。

因為MapReduce主要應用于推進大數(shù)據(jù)進行線下批處理，在面對一些問題時會存在較強的不適應，諸如在面向低延遲以及具有相對復雜數(shù)據(jù)關系、相對復雜運算的大數(shù)據(jù)問題時就會存在這樣的狀況。所以，近年來對大數(shù)據(jù)的計算模式進行深入的研究，推出了很多該領域新的研究成果。

圖6 旋耕刀運動示意圖Fig.6 Motion principle diagram of rotary blades

旋耕刀端點B運動軌跡方程為

(7)

旋耕刀端點B在x、y軸方向的速度分量為

(8)

則旋耕刀端點B的絕對速度vb及其與x軸夾角為

(9)

式中φ——vb與x軸夾角，(°)

土壤相對速度的法向分量與切向分量撞擊前后關系為[19]

(10)

(11)

其中

α=φ-ωt

式中v1n——旋耕刀法向分速度，m/s

v1r——旋耕刀切向分速度，m/s

v2r——撞擊后土壤的切向分速度，m/s

i——土壤碰撞恢復系數(shù)，取0.4

j——土壤瞬時摩擦因數(shù)，取0.5

α——vb與動坐標系N軸的夾角

在動坐標系NCT中對土壤顆粒C進行速度合成，可得到其絕對運動方程

(12)

設土壤顆粒C在動坐標系中絕對運動速度方向為α′，則

(13)

(14)

忽略空氣阻力及土塊間相互作用，土壤顆粒C與旋耕刀端點碰撞后做斜上拋運動，其運動應滿足

(15)

式中 (x0,y0)——土塊的起始位置坐標

被拋土壤顆粒的軌跡方程為

(16)

當土壤拋出角度為π/4時，即φ-α+α′=4/π，此時vCx=vCy，土壤的拋出距離最遠，以機具實際作業(yè)參數(shù)旋耕刀轉速為260 r/min、旋耕深度為0.1 m、機具作業(yè)速度為1.1 m/s，代入式(16)可得土壤最遠拋出距離為78 cm；根據(jù)文獻[20]并結合旋耕實際作業(yè)情況，旋耕最深處土壤位移較小，因此取旋耕深度為0.09 m進行計算，此時土壤拋出角度為φ-α+α′=18.9°，土壤起拋點坐標為(-6.9 cm，-23.5 cm)，代入式(16)計算得到土壤最小拋出距離為61 cm，因此確定大部分土壤拋撒范圍為距離旋耕刀軸后方61～78 cm。為避免土壤回填溝底，造成施肥與播種的二次開溝阻力，輸肥管出口與輸種管出口應位于土壤回落區(qū)域前，即旋耕軸后方60 cm區(qū)域內。施肥深度與旋耕深度基本一致，則施肥位置應在避免發(fā)生干涉的基礎上盡量靠近旋耕刀軸，選定輸肥管出口位置為排種軸后方36 cm位置處，輸種管出口位置為旋耕軸后方50 cm處。設計旋耕深度為10 cm，目標播種深度和施肥深度分別為3、9 cm，因此輸肥管及輸種管出口在圖7所示坐標系中為U(-36 cm，-23.5 cm)和V(-50 cm，-17.5 cm)。為保證小麥播種深度和施肥深度，在輸肥管與輸種管之間增設導土板，如圖7所示，遮擋下70%土壤覆蓋肥料，同時為后方種子鋪設一定厚度種床，其余土壤因拋撒高度低于導土板彎折點繼續(xù)向后方運動回落并覆蓋種子。導土板彎折點位置決定了其擋土量的多少，導土板以點G(-29 cm，6 cm)為起點，彎折點H(xH，yH)為終點，為確保與導土板撞擊的土壤落至折彎點前方，H點位置應滿足

(17)

其中

圖7 導土板擋土示意圖Fig.7 Schematic of retaining board1.導土板 2.內四等分輸種管 3.輸肥管 4.旋耕機罩殼 5.旋耕刀 6.未耕土 7.已耕土 8.土壤顆粒 9.肥料顆粒 10.麥種

由文獻[12]知旋耕刀拋土過程中，淺層土壤的運動大于深層土壤，并隨旋耕深度呈現(xiàn)遞變規(guī)律，由此分析得到當旋耕刀轉動角度為41.7°，即ωt=41.7°時被拋土壤量剛好滿足小麥種床深度要求，為土壤顆粒通過導土板的臨界點，此時被拋土壤顆粒初始位置(x0，y0)為(-16.22 cm，-18.38 cm)，代入式(17)求得導土板彎折點H位置為(-48.92 cm，-5.43 cm)，此時可以實現(xiàn)對種肥的分層有序覆蓋。

3 旋耕覆土裝置離散元仿真

3.1 旋耕覆土仿真模型

為分析旋耕刀拋土性能，驗證旋耕覆土裝置對種子和肥料的分層覆蓋效果，運用離散元法對旋耕覆土裝置的覆土性能進行仿真試驗。應用EDEM仿真軟件建立200 cm(長)×30 cm(寬)×10 cm(高)土壤模型，并將建立的旋耕播種單元三維結構導入EDEM，得到旋耕播種仿真模型。參考實際作業(yè)條件，試驗地土壤為輕壤土，旋耕作業(yè)層土壤含水率在10%～15%之間，土壤對旋耕裝置粘附力較小，因此選用Hertz-Mindlin(no slip)為土壤與旋耕裝置(鋼)的接觸模型；土壤間接觸模型選擇使土壤具有法向粘聚力的Linear Cohesion接觸模型，土壤顆粒間粘聚能密度設定為6 430 J/cm3，土壤顆粒選用直徑3 mm的球體顆粒建模，相應仿真參數(shù)通過查閱文獻[21-22]得到。設定旋耕深度10 cm，旋耕刀轉速260 r/min，旋耕覆土單元前進速度4 km/h，仿真步長設定為4.16×10-6s，仿真總時長為4 s，土壤顆粒、肥料和小麥分布由不同顆粒工廠生成，其位置如圖8所示，其中肥料顆粒工廠和小麥顆粒工廠分別隨輸肥管和內四等分輸種管以4 km/h勻速前進。

圖8 旋耕播種單元仿真模型Fig.8 Simulation model of rotary tillage and seeding unit1.土壤工廠 2.旋耕播種單元 3.肥料工廠 4.小麥工廠 5.待耕土層 6.土槽

3.2 旋耕刀拋土性能分析

對旋耕刀拋土性能進行分析，使用EDEMS中slices功能沿前進方向選取旋耕中心處5 cm寬度土層，并將待耕土壤從上至下分為4層，如圖9a。仿真結束后在F1～F4層分別隨機提取50粒土壤，對其編號為1～50，并輸出其沿機器前進方向(縱向)的位移數(shù)據(jù)，如圖9b、9c所示。由圖9c知隨土層增加土壤擾動程度逐漸減小，因此土壤后拋距離波動幅度隨土層增加而減小，其中F1、F2層受旋耕刀擾動程度較大，容易形成疏松土層，利于播種。由圖9b知土壤顆粒后拋位移隨土層厚度增加而減小，其中F2層土壤后拋位移最大，平均位移為58.84 cm，大于旋耕刀軸與輸種管之間的間距，最終落點位于輸種管后方，為覆蓋種子提供土量；F1、F3層土壤平均后拋距離分別為40.32、44.26 cm，該部分土壤最終落點位于輸肥管和輸種管之間，起到了覆蓋肥料和創(chuàng)建種床的作用；F4層土壤平均后拋距離為32.70 cm，其受到較多上層土壤的重力作用導致后拋運動受到阻礙，因此后拋距離較理論距離小。

圖9 旋耕拋土性能分析結果Fig.9 Capability analysis for throwing soil of rotary tillage

圖10 分層覆土效果分析結果Fig.10 Analysis result of effect of soil layered cover

3.3 分層覆土效果分析

為檢驗旋耕裝置分層覆土效果，對仿真中肥料與種子的深度位置分布進行分析。利用EDEM剪輯群組命令獲取種子與肥料分布截面如圖10a所示。隨機選取肥料顆粒和小麥顆粒各60粒，按照編號為1～60，通過其坐標獲得播種深度和施肥深度位置信息如圖10b，并計算得到平均播種深度h1為3.49 cm，比理論深度3 cm高16.3%；平均施肥深度h2為9.46 cm，比理論施肥深度9 cm高5.1%。

4 試驗

4.1 臺架試驗

為驗證窩眼輪式排種器各行排量一致性和種子破碎率，在中國農業(yè)大學工學院JPS-12型多功能排種試驗臺上進行了試驗，如圖11所示。試驗用小麥種子為衡觀35，試驗前在排種器下安裝內四等分輸種管，從左到右依次設置輸種管出口序號為1～4；為模擬播種機不同作業(yè)速度，排種軸轉速選擇為20～40 r/min，試驗時待排種器工作平穩(wěn)后用紙杯分別接取各排種管1 min所排出種子，稱量統(tǒng)計破碎率并記錄，得到試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖11 排種器性能測試試驗Fig.11 Performance test of seed-metering device1.種箱安裝支架 2.窩眼輪式排種器 3.電機 4.JPS-12型多功能排種試驗臺 5.輸送帶 6.內四等分輸種管 7.卡盤鏈輪 8.種箱

轉速/(r·min-1)排種量/(g·min-1)1號2號3號4號排量一致性變異系數(shù)/%種子破碎率/%排種總質量/g2037.339.038.437.62.340.20152.32546.145.547.446.21.750.25185.23052.551.253.854.51.440.31212.03555.357.660.759.92.300.38233.54061.262.764.162.82.600.44250.8

由表2可知，相同轉速條件下窩眼輪排種器4列窩眼排量基本一致，各列窩眼排量一致性變異系數(shù)均小于國標要求的3.9%，排種器轉速35 r/min時，滿足作業(yè)速度4 km/h時播種量需求，各行排量一致性變異系數(shù)為2.30%，種子破碎率為0.38%。不同轉速條件下，排種器各行排種量和總排種量呈線性增長趨勢，排種器速度適應性較好，滿足播種作業(yè)速度和120～150 kg/hm2播種量需求；隨著排種軸轉速增加，種子破碎率有所增加，最高轉速下破碎率為0.44%，小于0.5%，滿足小麥播種機作業(yè)種子破碎率要求[23]。

為探究加裝內四等分輸種管對窩眼輪式排種器所排各列種子行內分布均勻性的影響，以排種器轉速35 r/min，輸送帶速度4 km/h進行試驗。在排種試驗臺刷油輸送帶上取20 cm為測定區(qū)段統(tǒng)計其種子數(shù)量，隨機測定30組數(shù)據(jù)，按照小麥株距為3.5 cm計算，20 cm范圍內理論上應播5或6粒種子，測得試驗結果如表3所示。

表3 排種器排種均勻性試驗結果Tab.3 Measurement results of seeding uniformity

由表3可知，窩眼輪式排種器播種均勻性變異系數(shù)平均值為9.31%，外槽輪式播種機播種均勻性變異系數(shù)為44%[24]，與之相比窩眼輪式排種器顯著提高了種子在苗帶上的分布均勻性，因此設計的排種器較常規(guī)外槽輪式排種器具有明顯優(yōu)勢。

4.2 田間試驗

4.2.1試驗條件

播種機田間試驗于2018年10月在河北省任丘市閣辛莊進行，試驗田上茬作物為玉米，秸稈多次還田處理，處理后秸稈較為細碎，秸稈覆蓋量為3.3 kg/m2。試驗前測得0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土壤含水率分別為12.38%、21.37%、24.75%，土壤堅實度分別為0.91、3.44、4.36 MPa。試驗用拖拉機為雙力美洲豹SL1304型拖拉機，作業(yè)速度1.1 m/s，圖12為播種機試驗現(xiàn)場。

圖12 小麥寬苗帶精量播種機試驗現(xiàn)場Fig.12 Field experiments of wide seedling strip wheat precision planter

4.2.2試驗材料

根據(jù)河北省氣候條件及播種作業(yè)時間選擇河北省農科院培育的衡觀35為試驗用小麥品種，該品種小麥生育期為240 d左右，抗旱及抗倒伏能力較強，適于10月上旬播種。按照GB/T 5262規(guī)定種子性能試驗方法，測試種子千粒質量為42.5 g，含水率10.4%。

4.2.3試驗指標與方法

播種作業(yè)性能試驗按照GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機》規(guī)定試驗方法進行，并對作業(yè)指標進行檢測。測試內容主要包括施肥與播種深度合格率、機具通過性、播種均勻性變異系數(shù)、苗帶寬度等。試驗數(shù)據(jù)采集工具有鐵鍬、鋼直尺、卷尺、秒表、電子秤、土壤堅實度及水分測試儀等。

(1)苗帶寬度及小麥種子分布均勻性

播種往返作業(yè)范圍內交錯選取4條苗帶(左中右都應取到)，每條苗帶取20段20 cm長的檢測區(qū)段，如圖13所示，分別統(tǒng)計不同苗帶寬度內種子數(shù)量。

圖13 種子粒數(shù)統(tǒng)計示意圖Fig.13 Schematic diagram of seed numbers statistics

(2)播種與施肥深度

往返每個行程內交錯選取4行，每行取20個點作為播種和施肥深度測定區(qū)，分別對肥料和種子上部所覆土層厚度進行測量并記錄數(shù)據(jù)。種子(肥料)深度合格率計算公式為

(18)

(19)

(20)

(21)

式中D——播種或施肥深度合格率，%

N——試驗所采集樣本數(shù)量

N′——播種或施肥深度合格樣本數(shù)

μ——播種或施肥深度平均值，cm

Xi——第i個測試點播種或施肥深度，cm

σ——播種或施肥深度標準差，cm

Cv——播種或施肥深度變異系數(shù)，%

(3)機具通過性

分別以4、5 km/h作業(yè)速度進行試驗，在往返4個行程內觀察機具作業(yè)各60 m以上秸稈壅堵現(xiàn)象。

(4)地輪滑移率

地輪滑移率采用定圈數(shù)測行進距離的方法測定，即在機具作業(yè)時測定地輪轉20圈的前進距離，機具往返行程中各測定2次，地輪滑移率計算式為

(22)

式中δ——地輪滑移率，%

I——機器行進距離，m

Rd——驅動地輪半徑，m

4.3 試驗結果與分析

4.3.1苗帶寬度及小麥種子分布均勻性

試驗測得苗帶平均寬度為8.2 cm，與理論設計寬度相符合；小麥種子分布均勻性試驗結果如表4，不同苗帶寬度上小麥粒數(shù)無明顯差異，實測平均值為5.78粒，比理論值5.5粒稍大，主要原因是窩眼存在充填兩粒種子的情況；播種均勻性變異系數(shù)為11.55%，可能由于播種機作業(yè)時產生振動導致種子出現(xiàn)彈跳，因而播種均勻性較室內臺架有所降低。

表4 種子分布均勻性試驗結果Tab.4 Test results of seeds distribution

4.3.2播種與施肥深度

深度測定結果如表5所示，播種、施肥及種肥垂直間距平均深度分別為3.2、9.4、6.2 cm，播種和施肥深度變異系數(shù)分別為4.15%和2.97%，種肥垂直間距變異系數(shù)為5.48%，與仿真結果基本吻合且滿足播種施肥農藝要求。種肥垂直間距變異系數(shù)最大，播種深度變異系數(shù)次之，施肥深度變異系數(shù)最小，這是由于施肥器與旋耕軸相對位置確定時，施肥深度僅受旋耕深度影響，而播種深度不僅受旋耕深度影響還受到旋耕刀拋土量的影響，種肥深度垂直間距受播種與施肥深度的雙重影響。

表5 播種及施肥深度測定結果Tab.5 Results of sowing and fertilization depth

4.3.3機具通過性

機具分別以規(guī)定作業(yè)速度進行60 m的防堵性能試驗，未出現(xiàn)壅堵現(xiàn)象，主要是因為旋耕裝置對播種苗帶進行了有效清理，田間雜草、還田秸稈及玉米根茬被旋耕刀拋撒出播種行，從而提高了機具作業(yè)通過性。

4.3.4地輪滑移率

地輪直徑30 cm，地輪轉動20圈的實際前進距離平均值為18.12 m，理論應行進距離為18.84 m，計算滑移率為3.8%，符合免耕播種機作業(yè)要求。

5 結論

(1)設計了窩眼輪式小麥精量排種器，同時采用內四等分輸種管對各列窩眼種子獨立輸送。臺架試驗表明，排種器轉速35 r/min時各行排量一致性變異系數(shù)2.30%，種子破碎率0.38%；行內播種均勻性變異系數(shù)平均值為9.31%，較傳統(tǒng)外槽輪有顯著提高。

(2)對旋耕拋土及覆土原理進行了理論分析，選擇R245型直角刀，刀軸轉速為260 r/min，排列方式為4頭螺旋線，確定了出肥口、出種口相對位置分別為旋耕刀軸后36 cm和50 cm；旋耕刀拋土性能和對種子、肥料分層覆蓋效果離散元仿真分析表明，平均播種深度和施肥深度滿足理論設計要求，實現(xiàn)了旋耕刀拋土對肥料和種子的分層覆蓋，避免了種肥開溝帶來的二次阻力。

(3)對播種機進行了田間試驗，測得苗帶平均寬度8.2 cm，播種均勻性變異系數(shù)為11.55%；播種平均深度3.2 cm，施肥平均深度為9.4 cm，種肥深度垂直間距平均值為6.2 cm，變異系數(shù)分別為4.15%、2.97%和5.48%，與仿真結果相吻合；播種施肥深度穩(wěn)定性較好，避免了肥料燒苗；對播種機的作業(yè)通過性進行了試驗，未出現(xiàn)機具堵塞現(xiàn)象，通過性良好，整機設計滿足大田播種農藝要求。