帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曲 浩 石林榕 辛尚龍 趙武云* 郭軍海 楊 天 楊金發(fā) 劉鳳軍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070； 2.酒泉鑄隴農(nóng)機(jī)有限責(zé)任公司，甘肅 酒泉 735000)

胡麻是胡麻科、胡麻屬一年生草本經(jīng)濟(jì)作物，主要種植于我國西北和華北的干旱、半干旱地區(qū)，種植面積超過70萬hm，土壤水分和溫度是限制胡麻產(chǎn)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(chǎn)量，且全膜穴播的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于壟膜側(cè)播。西北旱區(qū)多年的高強(qiáng)度耕作和降水時(shí)空分布不均衡導(dǎo)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(yīng)用為西北旱區(qū)胡麻生長提供更加有利的生長環(huán)境。

目前，國外針對干旱、半干旱地區(qū)的胡麻精量穴播機(jī)較少，且為數(shù)不多的機(jī)具機(jī)型龐大、價(jià)格昂貴，不適用于我國西北地區(qū)的小地塊作業(yè)要求。國內(nèi)現(xiàn)有胡麻播種機(jī)可分為非覆膜式和覆膜式2種。由2BF-24型小麥播種機(jī)改裝的胡麻條播機(jī)為非覆膜式胡麻播種機(jī)，此類胡麻播種機(jī)不帶有覆膜和滴灌帶鋪設(shè)功能，該種植模式不適用于西北旱區(qū)；旱地胡麻起壟覆膜播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)為覆膜式胡麻播種機(jī)，該播種方式膜間存在間距導(dǎo)致膜間雜草生長嚴(yán)重，在有機(jī)種植模式下需人工除草，增加種植成本?，F(xiàn)有覆膜式胡麻播種機(jī)覆土不均勻現(xiàn)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(fā)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(jì)算方法為理論基礎(chǔ)同時(shí)引入地膜全覆蓋種植方式，設(shè)計(jì)一款帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由旋耕裝置、滴灌帶鋪設(shè)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(tǒng)組成(圖1)。

1.旋耕裝置；2.機(jī)架；3.變速箱；4.滴灌帶鋪設(shè)裝置；5.地膜覆土裝置；6.雙向螺旋輸送器；7.覆土開口調(diào)節(jié)桿；8.雙排取種勺式穴播器；9.地膜鎮(zhèn)壓輥；10.鎮(zhèn)壓開溝輥；11.運(yùn)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(lián)合作業(yè)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of flax precision hole seeding combined operation machine

1.2 傳動系統(tǒng)與工作原理

整機(jī)采用后置三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)動力輸出軸與變速箱動力輸入軸通過傳動軸連接實(shí)現(xiàn)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(cè)動力通過鏈條帶動旋耕刀工作，左側(cè)鏈條帶動后方雙向螺旋輸送器轉(zhuǎn)動同時(shí)通過鏈條外嚙合改變轉(zhuǎn)向帶動運(yùn)土帶輥順時(shí)針轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)運(yùn)土動作，其傳動系統(tǒng)原理見圖2。拖拉機(jī)帶動整機(jī)前進(jìn)時(shí)，鎮(zhèn)壓開溝輥和穴播器依靠摩擦力完成鎮(zhèn)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(yù)先鋪設(shè)部分的拉力和地面的摩擦力完成鋪設(shè)工作。

1.旋耕刀組；2.變速箱；3.平地開溝輥；4.運(yùn)土裝置；5.地膜架；6.壓膜輪；7.雙向螺旋輸送器；8.導(dǎo)土板；9.篩網(wǎng)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(lián)合作業(yè)機(jī)傳動系統(tǒng)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(shí)將土壤向后方拋送；拋起土壤由運(yùn)土帶輸送到蓄土槽內(nèi)，與此同時(shí)鎮(zhèn)壓開溝輥對旋耕過后的地表進(jìn)行鎮(zhèn)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(zhèn)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(shè)器在鎮(zhèn)壓后地表開一條1～2 cm深槽后將滴灌帶鋪設(shè)于槽內(nèi)；地膜在壓膜輪的鎮(zhèn)壓下平整鋪設(shè)于種床上；蓄土槽內(nèi)土壤經(jīng)篩網(wǎng)過濾將土壤中較大石塊篩出并導(dǎo)向兩側(cè)排石口排出，經(jīng)過篩濾后的土壤大部分經(jīng)導(dǎo)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(cè)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(jìn)行播種。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

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，為提高水分、土地利用率及胡麻發(fā)芽率，在設(shè)計(jì)過程中選用幅寬為160 cm、厚度為0.01 mm的黑色地膜進(jìn)行鋪設(shè)。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(zhì)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(lián)合作業(yè)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
Table 1 Main technical parameters of flax precision hole-seeding combined operation machine with soil storage device

參數(shù)Parameter數(shù)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(shù)/行 Number of lines of drip tape3作業(yè)速度/(m/s) Operating speed0.4～1.0播種行數(shù)/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(chǎn)率/(hm2/h) Productivity0.23～0.58

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 旋耕裝置

旋耕刀組由42片旋耕刀和刀軸組成，結(jié)構(gòu)見圖3。為確保旋耕過后種床平整，左側(cè)刀軸軸頭安裝2個(gè)右彎刀，右側(cè)刀軸軸頭安裝2個(gè)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(cè)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(jié)構(gòu)圖Fig.3 Rotary tiller group structure diagram

整機(jī)工作過程中，旋耕刀用于切碎殘留在地表以下的根茬，同時(shí)將土壤向后方拋送等。為保證整機(jī)各項(xiàng)工作平穩(wěn)運(yùn)行，確保其配套動力合理，對整機(jī)主要耗能裝置進(jìn)行功率估算。旋耕裝置功率損耗計(jì)算公式為：

P

=0

.

1

K

dv

b

(1)

式中：

P

為旋耕裝置功率損耗，kW；

K

為旋耕比阻，取6.3 N/cm；

d

為旋耕深度，15 cm；

v

為整機(jī)作業(yè)速度，取0.6 m/s；

b

為旋耕刀組整體的旋耕寬度值，140 cm。由式(1)計(jì)算得

P

=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(lián)合作業(yè)機(jī)主要工作裝置，主要由運(yùn)土裝置(運(yùn)土帶、主動運(yùn)土帶輥和從動運(yùn)土帶輥)和蓄土裝置(雙向螺旋輸送器、覆土下板、導(dǎo)土板和篩網(wǎng))組成(圖4)。

1.從動運(yùn)土帶輥；2.運(yùn)土帶；3.篩網(wǎng)；4.覆土下板；5.導(dǎo)土板；6.主動運(yùn)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(yùn)土帶將土壤運(yùn)送至蓄土槽中，蓄土槽內(nèi)土壤經(jīng)篩網(wǎng)過濾將土壤中石塊篩濾離，通過篩網(wǎng)的土壤被暫存在覆土下板與導(dǎo)土板組成的蓄土槽內(nèi)，再由雙向螺旋輸送器將土壤均勻連續(xù)的排出蓄土槽，再由導(dǎo)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(fā)芽率。影響覆土量的關(guān)鍵因素包括：運(yùn)土帶線速度、雙向螺旋輸送器轉(zhuǎn)速及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，故對以上因素進(jìn)行理論分析和參數(shù)計(jì)算，膜上覆土量計(jì)算公式為：

Q

=

γl

B

H

(2)

式中：

Q

為膜上覆土量，kg；

γ

為土壤容重，實(shí)地測量為1 332 kg/m；

l

為單位覆土長度，取100 cm；

B

為膜上覆土寬度，取144 cm；

H

為膜上覆土厚度，取1 cm。由式(2)計(jì)算可得

Q

=19.18 kg。

兩側(cè)膜邊覆土量為：

Q

=

γl

B

H

(3)

式中：

Q

為單側(cè)膜邊覆土量，kg；

B

為單側(cè)膜邊覆土寬度，取10 cm；

H

為膜邊覆土厚度，取2 cm。由式(3)計(jì)算得

Q

=2.66 kg。長度1 m的膜上覆土總量

Q

為：

Q

=

Q

+2

Q

(4)

由式(4)計(jì)算可得

Q

=24.5 kg。

2

.

2

.

1

運(yùn)土裝置運(yùn)土裝置運(yùn)土過程見圖5。運(yùn)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(yùn)土帶上，運(yùn)土帶最低處距離地面6 cm，運(yùn)土帶傾角

β

=40°。

1.運(yùn)土帶；2.運(yùn)土刮板；3.土壤1.Earth-moving belt; 2.Soil-moving scraper; 3.SoilB3為運(yùn)土刮板間寬度；H3為運(yùn)土刮板高度；v2為運(yùn)土帶線速度；β為運(yùn)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(yùn)土裝置運(yùn)土過程Fig.5 Earth-moving device earth-moving process

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

(5)

式中：

v

為運(yùn)土帶線速度，m/s；

t

為整機(jī)鋪設(shè)單位覆土長度

l

所需時(shí)間，

t

=

l

/v

；

L

為運(yùn)土刮板長度，140 cm；

B

為運(yùn)土刮板間寬度，取20 cm；

H

為運(yùn)土刮板高度，取3 cm；

φ

為運(yùn)土帶填充系數(shù)，傾斜升運(yùn)，取0.92；

k

為傾斜系數(shù)，運(yùn)土帶傾角

β

為40°，查表取0.43；

v

為整機(jī)前進(jìn)速度，取0.6 m/s。由式(5)計(jì)算可得

t

=1.67 s，

v

=3.31 m/s。

運(yùn)土裝置所需功率為：

(6)

式中：

P

為運(yùn)土裝置所需功率，kW；

Q

為運(yùn)土裝置運(yùn)土量，

Q

=

Q/t

；

L

為運(yùn)土裝置水平投影長度，取27.5 cm；

H

為運(yùn)土裝置豎直投影長度運(yùn)，取37 cm；

W

為運(yùn)土裝置運(yùn)動阻力系數(shù)，取1.04。由式(6)計(jì)算可得

Q

=14.70 kg/s，

P

=0.09 kW。

2

.

2

.

2

蓄土裝置

蓄土裝置由篩網(wǎng)、雙向螺旋輸送器、導(dǎo)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(zhuǎn)動，蓄土裝置中土壤均勻連續(xù)的排至導(dǎo)土板上，再由導(dǎo)土板將土壤覆蓋到對應(yīng)位置。

1.篩網(wǎng)；2.雙向螺旋輸送器；3.覆土下板；4.導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速與雙向螺旋輸送器土壤單側(cè)輸送量

Q

和雙向螺旋輸送器葉片外徑

D

等因素有關(guān)，可由式(7)計(jì)算得到：

(7)

式中：

n

為雙向螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r/min；

Q

為雙向螺旋輸送器土壤單側(cè)輸送量，

Q

=

Q

/

t

；

D

為雙向螺旋輸送器葉片外徑，為160 mm；

d

為雙向螺旋輸送器葉片內(nèi)徑，30 mm；

λ

為輸送葉片與外殼間隙，2 mm；

φ

為雙向螺旋輸送器填充系數(shù)，查表取0.33；

S

為雙向螺旋輸送器葉片螺距，為130 mm；

ε

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

n

=143.4 r/min。

蓄土裝置所需功率為：

(8)

式中：

P

為蓄土裝置功率，kW；

K

為功率儲存系數(shù)，取1.4；

η

為驅(qū)動裝置總效率，取

η

=0.94；

W

為土壤沿蓄土槽移動阻力系數(shù)，取1.2；

L

為土壤水平輸送距離，為140 cm；

H

為土壤提升高度，為0 cm。由式(8)計(jì)算可得

P

=0.04 kW。胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)總功率為：

P

=

P

+

P

+

P

(9)

由式(9)計(jì)算可得

P

=8.06 kW，故選用博馬424拖拉機(jī)帶動樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。

2.3 播種裝置

選用‘隴亞13號’胡麻為試驗(yàn)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(fù)位彈簧、穴播器外殼及輪軸等部件構(gòu)成見圖7。穴播器通過穴播器架鉸接于整機(jī)尾部，依靠自身重力在不平整地表進(jìn)行仿形播種。取種勺隨著穴播器外殼轉(zhuǎn)動每次可將8～10粒胡麻籽從種群中分離，并導(dǎo)入排種嘴內(nèi)。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(zhuǎn)動一定角度，即在種床形成一個(gè)深度為25～35 mm的穴眼并將胡麻籽排入穴眼內(nèi)。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(fù)位彈簧；4.取種勺；5.穴播器外殼；6.加種口；7.側(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵因素。當(dāng)穴播器半徑過大將會導(dǎo)致整機(jī)重心后移不利于整機(jī)的提起，穴播器半徑過小時(shí)會導(dǎo)致定排種嘴數(shù)量過少導(dǎo)致排種過程中跳動較為嚴(yán)重，綜合考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)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(jì)算公式為：

(10)

式中：

R

為雙排取種勺式穴播器半徑，mm；

n

為定排種嘴數(shù)量，14個(gè)；

l

為株距，100 mm。

在播種過程中雙排取種勺式穴播器會產(chǎn)生一定的滑移，因此穴播器實(shí)際播種半徑還與土壤堅(jiān)實(shí)度有關(guān)。雙排取種勺式穴播器實(shí)際播種半徑計(jì)算公式為：

(11)

式中：

R

′為雙排取種勺式穴播器實(shí)際播種半徑，mm；

h

為定排種嘴高度，為60 mm；

δ

為土壤堅(jiān)實(shí)度常數(shù)，為0.5；

h

為播種深度，為30 mm；

h

為定排種嘴在雙排取種勺式穴播外的高度，為60 mm；

h

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

(12)

計(jì)算得到雙排取種勺式穴播器半徑

R

=188 mm。

3 地膜覆土裝置覆土過程仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

覆土過程中蓄土裝置中篩網(wǎng)對土壤中石塊進(jìn)行篩離，后將石塊從兩側(cè)排石口排出，使其掉落至兩側(cè)膜邊去除其對胡麻種子發(fā)芽的影響。經(jīng)過篩濾后的土壤大部分由雙向螺旋輸送器連續(xù)均勻的排出蓄土裝置，并由導(dǎo)土板導(dǎo)向覆蓋至膜面，小部土壤由雙向螺旋輸送器向兩側(cè)推送增加膜邊覆土厚度。為進(jìn)一步動態(tài)觀察和驗(yàn)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(jìn)行仿真分析。覆土過程中運(yùn)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(shè)定為4 mm，石塊選用單球模型，其直徑設(shè)定為40 mm，經(jīng)實(shí)地測量得知田間試驗(yàn)土壤中含石率為2.5%，故在Particle ratio中設(shè)定石塊的單球模型占總質(zhì)量比為2.5%。設(shè)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(guān)參數(shù)見表2。

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

材料Material參數(shù)Parameter數(shù)值Numericalvalue材料Material參數(shù)Parameter數(shù)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(fù)系數(shù)Coefficient of restitution0.16靜摩擦因數(shù)Static friction factor0.71動摩擦因數(shù)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(fù)系數(shù)Coefficient of restitution0.24靜摩擦因數(shù)Static friction factor0.65動摩擦因數(shù)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(fù)系數(shù)Coefficient of restitution0.54靜摩擦因數(shù)Static friction factor0.68動摩擦因數(shù)Dynamic friction factor0.27土壤顆粒-土壤顆粒Soil particles-soilparticle恢復(fù)系數(shù)Coefficient of restitution0.21靜摩擦因數(shù)Static friction factor0.68動摩擦因數(shù)Dynamic friction factor0.27石塊-蓄土裝置Stones-Soil storagedevice動摩擦因數(shù)Dynamic friction factor0.27恢復(fù)系數(shù)Coefficient of restitution0.61靜摩擦因數(shù)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(zhuǎn)運(yùn)動，將其轉(zhuǎn)速設(shè)置為143.4 r/min，給地面添加直線移動，將初速速度設(shè)置為0.6 m/s。顆粒工廠為設(shè)置在蓄土裝置上方繞

Y

軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)17°的矩形(11 cm×140 cm)平面，顆粒產(chǎn)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(shí)間步長9.739×10s，是瑞利時(shí)間步長的20%，仿真共進(jìn)行1.5 s。

3.2 地膜覆土裝置覆土過程數(shù)值模擬

對地膜覆土裝置覆土過程進(jìn)行數(shù)值模擬，解析土壤在篩網(wǎng)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(guī)律，模擬結(jié)果見圖8。當(dāng)離散元仿真時(shí)間

t

=0 s時(shí)顆粒工廠開始生成顆粒并往下掉落(圖8(a))；

t

=0.35 s時(shí)(圖8(b))土壤中石塊在篩網(wǎng)和后續(xù)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(shí)將部分土壤向左右兩側(cè)膜邊推送；

t

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

t

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

t

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

圖8 地膜覆土裝置覆土過程數(shù)值模擬結(jié)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(gè)網(wǎng)格線組，分別對應(yīng)膜面覆土口和2個(gè)膜邊覆土口，分別在每個(gè)網(wǎng)格線組的Options中添加Number of particles編輯器，方便統(tǒng)計(jì)通過各個(gè)網(wǎng)格線組中每種粒子的數(shù)量。處理完成后將仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin得到覆土顆粒數(shù)量和覆土石塊數(shù)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(xiàn)，且石塊都從兩側(cè)排石口排出覆蓋至膜邊，因此證明經(jīng)過篩網(wǎng)的篩分和引流后土壤中石塊可按預(yù)期導(dǎo)向至兩側(cè)邊。

圖9 離散元仿真過程膜上各個(gè)位置覆土顆粒(a)和覆土石塊(b)數(shù)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(cè)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(cè)膜邊覆土帶覆土量關(guān)系為：

(13)

式中：

σ

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

σ

=3.1。由圖9可知，當(dāng)離散元仿真時(shí)間

t

≥0.6 s時(shí)土壤已均勻連續(xù)從蓄土裝置中向外排出，為驗(yàn)證雙向螺旋輸送器土壤遷移效率，選離散元仿真時(shí)間

t

=1.5 s時(shí)為采樣點(diǎn)，讀取覆土帶上各個(gè)位置流過土壤顆?？倲?shù)。離散元仿真時(shí)中間覆土帶覆土量與兩側(cè)膜邊覆土帶覆土量關(guān)系為：

(14)

式中：

σ

為離散元仿真時(shí)中間覆土帶覆土量與兩側(cè)膜邊覆土帶覆土量的比值；

A

為離散元仿真時(shí)間

t

=1.5 s時(shí)落至中間覆土帶土壤顆粒數(shù)，測量的

A

=24 449個(gè)；

A

為離散元仿真時(shí)間

t

=1.5 s時(shí)落至左邊覆土帶土壤顆粒數(shù)，

A

=3 998個(gè)；

A

為離散元仿真時(shí)間

t

=1.5 s時(shí)落至右邊覆土帶土壤顆粒數(shù)，

A

=3 892個(gè)。將各參數(shù)代入式(14)計(jì)算出

σ

=3.099。

σ

與

σ

比較數(shù)值相差無幾，因此通過EDEM仿真確定雙向螺旋輸送器所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速符合整機(jī)的覆土要求。

4 田間試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)方法

在甘肅省張掖市民樂縣華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司進(jìn)行帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jiān)實(shí)度0.24 MPa，35 mm深土壤堅(jiān)實(shí)度0.31 MPa；樣機(jī)配套動力為30.9 kW博馬424拖拉機(jī)，前進(jìn)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(jī)田間作業(yè)狀態(tài)和播種效果見圖10。

圖10 帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間作業(yè)狀態(tài)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(yàn)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(jī)試驗(yàn)方法》和NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的要求，測定帶有覆土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的空穴率、穴粒數(shù)合格率、播種深度合格率、膜孔錯(cuò)位率、膜邊覆土厚度合格率和鄰接行距合格率，性能參數(shù)計(jì)算公式如下：

(15)

式中：

H

為空穴率，%；

k

為總測定空穴數(shù)，個(gè)；

f

為總測定膜孔數(shù)，個(gè)；

H

為穴粒數(shù)合格率，%；

l

為總測定穴粒數(shù)合格穴數(shù)，個(gè)；

H

為播種深度合格率，%；

b

為總測定播種深度合格穴數(shù)，個(gè)；

H

為膜孔錯(cuò)位率，%；

c

為總測定錯(cuò)位膜孔數(shù)，個(gè)；

F

為膜邊覆土厚度合格率，%；

d

為總測定膜邊覆土厚度合格點(diǎn)數(shù)，個(gè)；

d

為總測定膜邊覆土厚度點(diǎn)數(shù)，個(gè)；

H

為鄰接行距合格率，%；

J

為總測定鄰接行距合格點(diǎn)數(shù)，個(gè)；

J

為總測定鄰接行距點(diǎn)數(shù)，個(gè)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果見表3，其相關(guān)指標(biāo)均符合GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》和NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》要求，播種效果滿足實(shí)際作業(yè)需求。

表3 樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果
Table 3 Prototype field test results %

參數(shù)Parameter試驗(yàn)值Test value標(biāo)準(zhǔn)值Standard value空穴率Cavitation rate1.2≤2.0穴粒數(shù)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(cuò)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(jī)田間試驗(yàn)播種效果可知，膜上全覆土分布形態(tài)與地膜覆土裝置仿真分析結(jié)果基本一致(圖10)，表明膜上覆土過程數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確、建立模型合理，可在后續(xù)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(shù)組合對膜上覆土效果和播種效果的影響，以尋找更優(yōu)工作參數(shù)。

帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)中低速播種時(shí)，各裝置工作穩(wěn)定。旋耕裝置與地膜覆土裝置配合，確保膜上土壤均勻連續(xù)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(cè)。由此可見，蓄土裝置解決旋耕裝置在坑洼不平地表時(shí)取土不均勻?qū)е碌母餐敛痪鶈栴}。地膜覆土裝置與播種裝置配合，確保胡麻種床質(zhì)量，同時(shí)將胡麻種子精量穴播到特定位置。但由于本樣機(jī)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(jī)速度的優(yōu)化提升還有待于進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

本研究針對干旱、半干旱地區(qū)全膜覆蓋覆土播種的栽培模式，設(shè)計(jì)了帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)，該機(jī)具能夠一次性完成旋耕、滴灌帶鋪設(shè)、地膜全覆蓋、膜上覆土及胡麻精量穴播等作業(yè)，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(diǎn)。主要結(jié)論如下：

1)確定整機(jī)傳動系統(tǒng)并且對旋耕裝置、地膜覆土裝置及播種裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合各部件作業(yè)性能與胡麻種植要求對關(guān)鍵工作參數(shù)與功耗進(jìn)行分析計(jì)算。由計(jì)算得到，運(yùn)土帶線速度為3.31 m/s，雙向螺旋輸送器轉(zhuǎn)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(yùn)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(yīng)用離散單元法驗(yàn)證地膜覆土裝置的篩石效果、土壤遷移率及蓄土能力發(fā)現(xiàn),當(dāng)仿真運(yùn)行時(shí)間為0.6 s后地膜覆土裝置趨于穩(wěn)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(shí)現(xiàn)膜邊著重覆土，在篩網(wǎng)的作用下石塊僅向兩側(cè)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(yàn)表明，當(dāng)帶有蓄土裝置的胡麻精量穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為0.6 m/s時(shí)，其空穴率為1.2%、穴粒數(shù)合格率89.3%、播種深度合格率86.5%、膜孔錯(cuò)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(yàn)相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到覆膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量要求，田間試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。