玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯(lián)合作業(yè)機的設(shè)計與試驗

王亨泰，田斌，孫偉，王軍增

（甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

玉米是我國主要糧食作物之一，產(chǎn)區(qū)遍布全國，作為糧、經(jīng)、飼兼用作物用途廣泛，對整個國民經(jīng)濟發(fā)展都有著巨大的影響。年播種面積約占全國耕地面積的三分之一［1-5］。

北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)覆膜玉米栽培主要采用膜上打孔的種植方式，由于受風力作用及降雨等因素影響，在出苗期往往會有膜孔錯位或者膜孔處土壤板結(jié)的情況發(fā)生［6］。種植后需投入大量人力進行人工放苗，大大增加了玉米的種植成本。如果錯過苗期，放苗不及時，會出現(xiàn)死苗、弱苗現(xiàn)象，使得田間斷行缺苗。除此之外，玉米收獲后，由于地膜覆蓋在種行上，玉米根茬的阻擾使得殘膜回收作業(yè)難度增大。

針對以上問題，結(jié)合溝壟覆膜栽培及平膜膜側(cè)栽培的特點，提出了壟面覆膜、膜際淺溝（簡稱壟膜溝播）種植的模式，有效地解決了上述難題［7-13］。但就目前來看，國內(nèi)對覆膜玉米機械化種植技術(shù)的研究依舊集中在膜上打穴播種方面［14-17］，。沒有配套玉米壟膜溝播栽培技術(shù)的播種機具，使得該種植模式普及受限。此外，現(xiàn)有的玉米播種機存在結(jié)構(gòu)簡單、功能少、作業(yè)效率低等問題，大部分機型難以適應西北丘陵山地小地塊的作業(yè)需求［18］。

為此，本研究針對玉米壟膜溝播栽培模式的農(nóng)藝要求，設(shè)計了玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯(lián)合作業(yè)機，能夠一次性完成開溝起壟、壟底施肥、壟面鎮(zhèn)壓、壟上鋪膜、膜側(cè)淺溝穴播作業(yè)，并進行了田間試驗。

1 農(nóng)藝要求

圖1為北方旱作玉米壟膜溝播栽培模式示意圖，該模式形成的壟體寬為600 mm，壟體高為100 mm，種床寬度為300 mm，形成寬窄行，其中，寬行間距700 mm，窄行間距為200 mm，窄行間中央約有50 mm滲水帶。

圖1 旱作玉米壟膜膜際栽培模式Figure 1 Schematic diagram of corn planting pattern on film side of ridge

2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

圖2為玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯(lián)合作業(yè)機結(jié)構(gòu)簡圖，主要由機架、開溝施肥裝置、鎮(zhèn)壓整形機構(gòu)、鋪膜機構(gòu)、播種裝置等組成，各機構(gòu)協(xié)同工作，保證了整機功能的實現(xiàn)。

圖2 整機結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure diagram of whole machine

參考西北旱區(qū)玉米壟膜膜際種植模式與配套農(nóng)藝要求，整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

2.2 工作原理

作業(yè)時，拖拉機通過三點懸掛裝置拉動播種機前進，起壟圓盤開出膜溝并向中間集土起壟。鎮(zhèn)壓整形器（以下簡稱整形器）一方面通過鏈傳動帶動施肥裝置工作，另一方面壓碎表層土塊并將壟體整成淺拱形。肥料通過導肥管被施在起壟圓盤內(nèi)側(cè)，再被翻起的土壤埋入；隨后掛膜架與壓膜輪配合將地膜平整鋪放到成形壟面上，覆土圓盤隨動將膜側(cè)土壤翻壓到膜邊完成鋪膜作業(yè)；后排的鴨嘴式穴播器將種子播在地膜兩側(cè)露地淺溝中，實現(xiàn)壟底施肥，壟上鋪膜，膜側(cè)露地淺溝中打穴播種的一體化作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1 雙圓盤開溝起壟裝置

雙圓盤開溝起壟裝置選用直徑300 mm 的標準覆土圓盤（如圖3所示），主要作用是集土成壟，并在壟側(cè)形成淺溝。開溝器總成按壟寬尺寸對稱安裝，U型螺栓將起壟裝置固定在機架前橫梁上。圓盤安裝架與圓盤固定架上分別焊接上下2塊角度調(diào)整板，兩調(diào)整板間通過螺栓配合固定。當圓盤角度選取完成后，緊固螺栓即實現(xiàn)開溝起壟裝置的效用。若土壤濕度等其它外部環(huán)境發(fā)生變化，需要重新調(diào)整圓盤角度，擰松螺栓并再次旋緊即可滿足不同的開溝、集土要求，從而提高了整機的區(qū)域適應性。圓盤作業(yè)質(zhì)量主要受圓盤偏角、圓盤傾角及圓盤直徑等因素影響［19］。

圖3 雙圓盤開溝起壟裝置Figure 3 Structure diagram of double disc ditching and ridging device

圓盤偏角α，偏角α的大小決定了圓盤的切土、碎土及翻土性能。集土成壟必須使得圓盤與機具前進方向存在偏角α，其值范圍為α=40°～45°。α角的增大能使圓盤切土、碎土及翻土能力均增加，但α過大會增大圓盤的側(cè)向阻力，容易損壞整個機構(gòu)。偏角α大小可依據(jù)實際作業(yè)情況綜合考慮選取［20］。

圓盤傾角β，圓盤要集土成壟須具有向下翻垡的能力。因此，覆土圓盤與鉛垂面間須存在傾角β。其值范圍為β=15°～25°［21］，田間作業(yè)依據(jù)實際外部環(huán)境具體選擇的圓盤傾角β大小，圖4 為圓盤傾角、圓盤偏角示意圖。

圖4 圓盤傾角、偏角Figure 4 Diagram of inclination and deflection of disc

圓盤直徑D，其直徑D取決于最大耕深a，可根據(jù)經(jīng)驗公式［22］：

式中，D為圓盤直徑，mm；k為經(jīng)驗值系數(shù)，取2；a為最大耕深，取150 mm。

由式（1）計算可得，D=300 mm，因此，選用覆土圓盤的直徑為300 mm。

3.2 碎土整形裝置

玉米壟膜膜際種植模式有集雨保墑、滅除雜草等多項功能，覆膜時要求地膜與壟面緊密貼合且膜面完好不破損。其中壟面不平整及壟面上存在的土塊是引起地膜破損的主要原因［23］。為防止表層土塊棱角劃破地膜，而設(shè)計了碎土整形裝置。

碎土整形裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由整形器支撐板、整形器軸、預緊彈簧、彈簧導桿、碎土整形輥等組成。作業(yè)時，整形輥滾動，將雙圓盤起壟裝置推擠到中間的土壟壓實并鎮(zhèn)壓成淺拱形，柵條對表層土塊進行破碎。為減小整形器的滑移率，將碎土整形裝置的兩端彎成釘齒形狀，這有利于工作時柵條壓入土壟，提高整形器抓地力。

圖5 碎土整形裝置Figure 5 Structure diagram of crushing and shaping device

播種作業(yè)過程中，為保證整形器的鎮(zhèn)壓作用及動力傳遞的可靠性，要求整形器入土點A 必須在圓盤開溝器開出的種溝底部，釘齒扎入土壤，整形器做純滾動。在圖6所示坐標系中，整形器入土點A的坐標參數(shù)為：

圖6 整形器掛接架結(jié)構(gòu)Figure 6 Structure diagram of shaper articulated frame

式中：Lo為掛接板的長度，R為整形器半徑（mm）；α1為掛接板中心線與機架縱梁的夾角（°）；β1為A 點半徑線與壟溝底部線的夾角（°）。其中α1、β1與彈簧限位器彈簧勁度、彈簧調(diào)節(jié)位置及溝底土壤緊實度相關(guān)。由式（2）分析得到：

式中：H為圓盤開溝器接地點到機架縱梁的垂直高度。由力的平衡，整形器軸及掛接板在X、Y軸方向的受力為：

由繞掛接板鉸接點的力矩平衡得到：

式中：FB為彈簧限位器垂直施加在掛接板B 點的彈簧力，N；FO是通過掛接板傳遞到整形器軸上播種機的重力，N；G為整形器自身重力，N；T為地面對整形器的支撐力，N；Lb為限位器與掛接板垂直焊接點與掛接板機架鉸接點的距離，mm；h為剛性整形器在松軟地面上滾動距離，mm。其中FBX、FBY及FOX、FOY分別為FB、FO在水平方向和垂直方向的分力。

由式（3）～（5）分析可知：機架通過掛接板和彈簧限位器桿傳遞給整形器的機身重力FO、FB在水平方向相互平衡，在垂直方向與整形器自身重力G相加，形成向下的鎮(zhèn)壓力。該力與地面支撐力T形成阻力偶矩，阻礙整形器滾動。FB、FO隨著α1角的變化而變化，當α1角變大時，F(xiàn)B減小、FO增大。綜合分析，由于α1角變大，整形器下壓，整形器支撐機身作用增強，分擔的機身重力增大而使得整形器對壟面的鎮(zhèn)壓力增大，整形器對地面附著力也增大，有利于整形器鎮(zhèn)壓整形和傳動。α1角的調(diào)整依靠改變限位器彈簧勁度實現(xiàn)，調(diào)整原則以不影響開溝器開溝深度為準［24］。

3.3 窩眼輪式穴播裝置

穴播器是播種裝置的核心部分，是連接土壤和種子的重要紐帶。該機采用窩眼輪式穴播器，如圖7～8 所示，主要由成穴器、殼體、回位彈簧、種子箱、窩眼輪、取種器、護種板、輸種盒、毛刷輪、棘輪等構(gòu)成。穴播輪工作時，成穴器（包括活動嘴和固定嘴）、連桿、頂桿隨輪一齊轉(zhuǎn)動，成穴器用螺栓固定在穴播器上，活動鴨嘴與固定鴨嘴之間用銷釘連接，活動鴨嘴可繞銷釘旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)種子的投放，其上的回位彈簧可使活動鴨嘴張開后自動閉合，兼起振動的作用，將粘結(jié)在活動鴨嘴和固定鴨嘴上的土壤振動掉落。當穴播輪旋轉(zhuǎn)到成穴器頂臂外緣時，受到成穴器頂臂作用力，頂桿帶動連桿，從而強制打開活動嘴完成投種。頂桿繼續(xù)沿成穴器頂臂外緣轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過一定角度后，頂桿受回位彈簧作用，恢復到原來的位置，活動嘴自動閉合。在機組工作之前，需根據(jù)工作地土壤堅實度調(diào)節(jié)施力彈簧，滿足成穴器入土條件。

圖7 成穴器外部結(jié)構(gòu)Figure 7 Schematic diagram of external structure of hole former

圖8 成穴器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Figure 8 Structure diagram of acupoint forming device

玉米種子下落路徑如圖7～8 所示。首先，種子進入種箱，在重力作用下，從種箱進入穴播器內(nèi)部種室，在護種板的隔擋下，部分種子會直接進入取種輪的穴孔中，并通過1個與種輪寬度相匹配的毛刷將種子刷入種輪穴孔內(nèi)，一次取種和一次清種過程完成；隨后，旋轉(zhuǎn)的寬毛刷將多余的種子刷入種輪上漏取的空穴中，實現(xiàn)二次取種；然后在擋板的阻擋作用下跌進取種器。彼時，種子還未能直接進入輸種盒，仍需要滾輪再旋轉(zhuǎn)1周后才能進入輸種盒內(nèi)，經(jīng)輸種盒繼續(xù)運輸后掉入成穴器內(nèi)，此時活動鴨嘴與地表接觸并被強制打開，玉米種子落入種穴完成1次排種。

3.4 穴播器聯(lián)結(jié)裝置

本機選用了七嘴、穴距24 cm的鴨嘴式穴播器成品，配套設(shè)計聯(lián)結(jié)架及限位桿如圖9所示。聯(lián)結(jié)架鉸接在機架后橫梁聯(lián)結(jié)軸上，為了播種機懸掛提升時穴播器隨動上升，在聯(lián)結(jié)架上焊接限位桿，限位桿的焊接角度滿足穴播器最大播種深度。

圖9 穴播器安裝Figure 9 Installation diagram of dibbler

此播種機整機長度達到了1.9 m，懸掛裝置提升播種機時阻力矩較大，負荷較重。為使播種機更適合西北地區(qū)小地塊種植模式，設(shè)計時采用可翻轉(zhuǎn)的穴播器，機具運輸時采用銷接方式將穴播器固定，此設(shè)計減小了機具長度，解決了運輸及地頭轉(zhuǎn)彎問題，翻轉(zhuǎn)后機架與穴播器的相對位置如圖10所示，運輸時將穴播器翻轉(zhuǎn)到機架上面放置，穴播器重心前移a+b，使整個播種機重心前移，重力臂縮短，懸掛裝置承受的載荷降低。

圖10 穴播器位置Figure 10 Position diagram of hill-drop planter

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2019年3月20～22日在甘肅省定西市香泉鎮(zhèn)進行項目機具田間性能試驗（圖11）。該地平均海拔2 109 m，年平均氣溫5.7 ℃，年平均降水量400 mm，全年無霜期138 d，土壤為黑壚土。試驗用玉米種子品種為先玉335號，農(nóng)藝要求為：行距700 mm，株距240 mm，播種深度30～50 mm。試驗前先用耕整機械翻耕整地，選用東方紅SK-454 拖拉機為動力，播種機圓盤開溝器覆土圓盤間距600 mm，偏角為40°，掛膜架安裝700 mm 寬白色地膜，2個穴播器行距為700 mm。田間作業(yè)情況如圖11所示。

圖11 樣機與田間試驗Figure 11 Prototype and field test

4.2 試驗方案與方法

本次試驗主要測試播種機強度，鎮(zhèn)壓起壟合格率和鋪膜播種質(zhì)量3個項目。

4.2.1 播種機機架強度 播種機種肥箱滿載，掛膜架安裝整卷地膜，用懸掛裝置提升、下降播種機50次，觀察播種機機架有無變形、脫焊斷裂情況。

4.2.2 鎮(zhèn)壓起壟合格率 不鋪膜播種，進行鎮(zhèn)壓起壟試驗。方法是播種機內(nèi)不裝種、肥和地膜，找等重量物品放在播種機上模擬播種機起壟鎮(zhèn)壓作業(yè)情況。機組走行200 m，然后在此范圍內(nèi)隨機選取10個長度為2 m的測試樣區(qū)，在每個樣區(qū)內(nèi)任選5個樣點，拍碎壟頂虛土顆粒，測量記錄每個點的壟高、壟寬和壟頂土壤堅實度。以農(nóng)藝要求設(shè)計的壟寬500～600 mm、壟高80～100 mm、土壤堅實度150～200 kpa為標準測試三項指標的合格率。

4.2.3 鋪膜播種作業(yè)質(zhì)量合格率［25］根據(jù)農(nóng)業(yè)部NY/T1143-2006《播種機質(zhì)量評價規(guī)范》要求，穴播機播種質(zhì)量指標主要有穴距合格率、種子破損率、播種深度合格率、穴粒數(shù)合格率、各行排肥量一致性變異系數(shù)和總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)六項指標。對于膜側(cè)播種，膜邊覆土寬度、厚度合格率對作物生長有較大的影響。因此，按規(guī)范要求確定測試標準參數(shù)為：穴距240～250 mm、種子破損率≤1.5、播深30～50 mm、穴粒數(shù)1～2、各行排肥量一致性變異系數(shù)≤13%、總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤7.8%、膜邊覆土寬度50～100 mm，覆土厚度30～50mm。

播種機組調(diào)試完畢后先懸掛提升一定高度，通過轉(zhuǎn)動整形器帶動排肥器工作，測試2個排肥器質(zhì)量指標，然后進地開始試驗播種。在播種機正常試驗播種作業(yè)2 畝地后停止。在已播地隨機選取10 個2 m長的膜側(cè)播種行做為樣本區(qū)，在每個樣區(qū)內(nèi)任選4 個樣本點檢測穴距、種子破損率、播種深度、穴粒數(shù)、膜邊覆土寬度和厚度。

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1 播種機機架強度 播種機全載荷被提升、下降50次后，觀察機架各處，未發(fā)現(xiàn)不可恢復變形和脫焊斷裂情況，說明機架強度滿足要求。

4.3.2 壟形合格率 試驗后統(tǒng)計50個樣本點的樣本數(shù)據(jù)如表2所示。與農(nóng)藝要求值對比，壟高、壟寬等的平均值均在農(nóng)藝要求值范圍之內(nèi)，變異系數(shù)均小于0.20，說明起壟整形較為規(guī)整。鎮(zhèn)壓后壟頂土壤堅實度滿足農(nóng)藝要求，但平均值接近農(nóng)藝要求值的下限，且變異系數(shù)為0.382，說明整形器鋼筋結(jié)構(gòu)的點、線接觸式鎮(zhèn)壓與常見的滾筒式實體整形器面接觸鎮(zhèn)壓相比較，雖然提高了與土壤接觸點的壓強和抓地力，但整體對壟頂土壤壓實稍顯不足，壓實不夠均勻。

表2 鎮(zhèn)壓起壟試驗結(jié)果Table 2 Results of ridging test

4.3.3 鋪膜播種作業(yè)質(zhì)量合格率 根據(jù)農(nóng)業(yè)部NY/T 1552-2007《鋪膜機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》要求［26］，試驗后統(tǒng)計40個樣本點的樣本數(shù)據(jù)如表3所示。穴距合格率、穴粒數(shù)合格率均高于規(guī)范值，穴距、穴粒數(shù)樣本變異系數(shù)在0.15以下，種子破損率也優(yōu)于規(guī)范值要求，說明選用的成品鴨嘴式穴播器質(zhì)量可靠；播深合格率剛達到規(guī)范值，樣本變異系數(shù)0.31，說明膜邊覆土降低了膜側(cè)種溝地表平整度和虛實度，播深變化較大；膜邊覆土寬度、厚度合格率達到規(guī)范值，但樣本變異系數(shù)在0.27以上，說明壟邊地膜表面會造成溜土，覆土不均；排肥量兩項指標均優(yōu)于規(guī)范值，說明排肥裝置工作良好。

表3 鋪膜播種試驗結(jié)果Table 3 Test results of film mulching sowing

5 結(jié)論與討論

1） 基于西北旱區(qū)玉米壟面覆膜、膜際淺溝栽培農(nóng)藝要求所設(shè)計的玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯(lián)合作業(yè)機能夠一次性完成開溝起壟、壟底施肥、壟面鎮(zhèn)壓、壟上鋪膜、膜側(cè)淺溝穴播工作，能夠?qū)崿F(xiàn)穴播器聯(lián)結(jié)架翻轉(zhuǎn)功能。

2） 通過理論分析與計算確定了雙圓盤起壟裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)；設(shè)計了輪輻式碎土整形裝置；解析了窩眼輪式穴播裝置作業(yè)機理。田間試驗表明，鎮(zhèn)壓起壟，施肥鋪膜，淺溝播種作業(yè)的相關(guān)試驗指標均優(yōu)于規(guī)范值，機具工作性能良好可靠。

3） 本機使用中還有以下幾點需要改進與加強，因采用壟面覆膜、膜際淺溝的種植模式，拖拉機輪胎壓實區(qū)與玉米籽粒種植區(qū)域重合度大，對玉米的生長影響較其它模式更加顯著；該模式集雨效果雖優(yōu)于壟上種植但受降水影響更加顯著。若玉米在播種時期常年伴隨春旱，土壤墑情太差，玉米種子在干土層就會造成缺苗；膜際淺溝內(nèi)的雜草種子更有利于發(fā)芽及生長，因滲水帶存在還不易被燒死，使得雜草對玉米苗生長影響較其它模式更大，需要及時耕除。同時玉米播種還要注意推廣可降解地膜，以減少地膜污染，減少殘膜撿拾工序。