戴 飛，趙武云，張 華，馬明義，王久鑫，馬軍民

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅洮河拖拉機(jī)制造有限公司， 甘肅 定西 730500)

旱地小麥全膜覆土穴播技術(shù)是近年來我國(guó)西北地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)上發(fā)展的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其集覆蓋抑蒸、膜面種穴集雨、留膜免耕多茬種植等技術(shù)于一體，能夠有效解決旱地小麥等密植作物生長(zhǎng)期缺水和產(chǎn)量低而不穩(wěn)的問題，且顯著的增產(chǎn)效應(yīng)使其成為西北地區(qū)“旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的里程碑”[1-3]，2014年甘肅省全膜覆土穴播小麥推廣面積達(dá)到13.3×104hm2[3]。旱地小麥全膜覆土穴播技術(shù)作為針對(duì)我國(guó)西北旱農(nóng)區(qū)興起的一種新型農(nóng)作制栽培模式，國(guó)內(nèi)外對(duì)其配套的農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)還沒有進(jìn)行深入研究，為此，自行研制了旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)，該機(jī)可一次性完成旋耕、鎮(zhèn)壓、鋪膜、覆土、播種等工序[4]。

覆土、播種作業(yè)質(zhì)量是影響旱地小麥全膜覆土穴播技術(shù)農(nóng)藝效應(yīng)的關(guān)鍵因素，可為發(fā)揮小麥全膜覆土穴播技術(shù)優(yōu)勢(shì)提供保障。當(dāng)膜頂覆土量過少時(shí)，小麥穴播種床不牢固，覆蓋地膜容易被風(fēng)掀起，其功用無法很好實(shí)現(xiàn)；若覆土量過大，種子拱土相對(duì)困難，影響小麥出苗及后期的生長(zhǎng)與產(chǎn)量效應(yīng)[5]。相關(guān)旱地小麥全膜覆土穴播技術(shù)規(guī)程研究及試驗(yàn)表明，當(dāng)膜上土壤覆蓋厚度控制在10 mm左右時(shí)，有助于小麥種子萌發(fā)及對(duì)土壤水分、肥料高效利用[1-2,6]。因此，聯(lián)合機(jī)只有在保證全膜覆土種床作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上才能提高其播種性能。為進(jìn)一步研究旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)高效覆土作業(yè)性能，以該機(jī)覆土機(jī)構(gòu)相關(guān)工作參數(shù)作為自變量，通過試驗(yàn)測(cè)得不同因素水平組合條件下的覆土合格率(參考已有技術(shù)規(guī)程研究，本試驗(yàn)以膜上覆土厚度8 mm～12 mm為合格[7])，采用響應(yīng)面分析法確定各因素及其交互作用對(duì)平均覆土合格率的影響并獲取最優(yōu)控制變量組合，以達(dá)到最佳全膜覆土、穴播一體化作業(yè)效果。

1 工作過程分析與關(guān)鍵參數(shù)選取

1.1 結(jié)構(gòu)組成

旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由旋耕裝置、鎮(zhèn)壓裝置、膜上覆土裝置、覆膜機(jī)構(gòu)、清土裝置及播種裝置等部件組成，聯(lián)合機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1a、b所示。

注：1.旋耕刀組；2.機(jī)架；3.右傳動(dòng)軸；4.鏈傳動(dòng)I；5.鎮(zhèn)壓輥；6.掛膜架；7.穴播器；8.清土裝置；9.刮板式土壤升運(yùn)器；10.覆土殼體；11.變速箱；12.左傳動(dòng)軸；13.鏈傳動(dòng)Ⅱ；14.仿形機(jī)構(gòu)；15.展膜輥

Note: 1. Rotary knife set; 2.Rack; 3.Right transmission shaft; 4.Chain drive I; 5.Press roller; 6.Hang film frame; 7.Dibble planting device; 8.Clean soil device; 9.Scraper soil elevating mechanism; 10.Covering soil shell; 11.Gear-box; 12.Left transmission shaft; 13.Chain drive Ⅱ; 14.Feeler mechanism; 15.Unfold film roll

圖1旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Structure diagram of soil mulching on plastic-film and dibble machine for dry-land wheat

聯(lián)合機(jī)膜上覆土裝置主要由刮板式土壤升運(yùn)器、覆土殼體等組成；刮板式土壤升運(yùn)器主要由升運(yùn)帶、物料刮板及傳動(dòng)裝置等部件組成。其中，升運(yùn)帶寬度為1 200 mm，物料刮板高度為40 mm，刮板通過螺釘與升運(yùn)帶連接并沿升運(yùn)帶幅寬均布，物料刮板間距為100 mm。覆膜機(jī)構(gòu)主要包括掛膜架與展膜輥；播種裝置主要由仿形機(jī)構(gòu)、后置穴播器及其清土裝置組成。

1.2 傳動(dòng)方案與作業(yè)原理

如圖2所示，聯(lián)合機(jī)掛接的拖拉機(jī)通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳遞至變速箱，變速箱經(jīng)左、右傳動(dòng)軸分別將動(dòng)力傳遞至旋耕刀組與刮板式土壤升運(yùn)器，后置鎮(zhèn)壓輥、掛膜架、展膜輥及穴播器則隨著聯(lián)合機(jī)牽引前行轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)。

注：1.萬向節(jié)；2.旋耕刀組；3.右傳動(dòng)軸；4.鏈傳動(dòng)Ⅰ；5.鏈傳動(dòng)Ⅱ；6.穴播器；7.展膜輥；8.掛膜架；9.鎮(zhèn)壓輥；10.刮板式土壤升運(yùn)器；11.變速箱；12.左傳動(dòng)軸；13.鏈傳動(dòng)Ⅲ

Note: 1.Cardan joint; 2.Rotary knife set; 3.Right transmission shaft; 4.Chain drive Ⅰ; 5.Chain drive Ⅱ; 6.Dibble planting device; 7.Unfold film roll; 8.Hang film frame; 9.Press roller; 10.Scraper soil elevating mechanism; 11.Gear-box; 12.Left transmission shaft; 13. Chain drive Ⅲ

圖2傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of transmission system

旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)作業(yè)時(shí)，其旋耕刀組快速旋轉(zhuǎn)將田間土壤切削、疏松，并高速拋擲至刮板式升運(yùn)器表面；此時(shí)，刮板式土壤升運(yùn)器順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，將田間土壤傾斜提升越過鎮(zhèn)壓、覆膜機(jī)構(gòu)，待位于刮板式土壤升運(yùn)器下方的相關(guān)機(jī)構(gòu)完成鎮(zhèn)壓及覆膜作業(yè)后，將輸送土壤均勻鋪灑到地膜上。與此同時(shí)，輪式穴播器隨著聯(lián)合機(jī)的牽引轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，并在仿形機(jī)構(gòu)、清土裝置的配合作用下完成全膜覆土小麥播種作業(yè)。

1.3 工作參數(shù)分析與選取

通過對(duì)旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)的研發(fā)與改進(jìn)，其播種裝置作業(yè)性能相對(duì)穩(wěn)定，但由于覆土過程中相關(guān)作業(yè)參數(shù)不匹配引起地膜覆土厚度不一致，且進(jìn)一步影響后續(xù)播種質(zhì)量，仍然是制約聯(lián)合機(jī)工作性能優(yōu)劣的最核心問題[6]。

旱地小麥全膜覆土種床的耕整、鋪設(shè)是在聯(lián)合機(jī)田間工作前進(jìn)過程中由旋耕刀組作用獲取覆膜土壤，并隨刮板式土壤升運(yùn)器傾斜提升、輸送至覆膜膜頂。因此，除地膜質(zhì)量的優(yōu)劣外，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度v1、刮板式土壤升運(yùn)器線速度v2(圖3)、旋耕刀組轉(zhuǎn)速n1、刮板式土壤升運(yùn)器傾角α(圖3)均對(duì)聯(lián)合機(jī)覆土作業(yè)性能有一定制約與影響[8]。其中，為降低聯(lián)合機(jī)功耗，防止旋耕刀軸變形與刀片斷裂，旋耕刀組轉(zhuǎn)速n1在滿足對(duì)土壤切削、拋送的前提下不宜頻繁變化調(diào)整，根據(jù)相關(guān)研究試驗(yàn)時(shí)控制在220 r·min-1[9]。

注：1.傳動(dòng)鏈；2.從動(dòng)鏈輪；3.傳動(dòng)軸承；4.傳動(dòng)軸；5.主動(dòng)鏈輪；6.升運(yùn)帶；7.物料刮板

Note: 1.Drive chain; 2.Driven sprocket; 3.Drive bearing; 4.Transmission shaft; 5.Drive sprocket; 6.Elevator belt; 7.Material scraper

圖3刮板式土壤升運(yùn)器結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 Structure diagram of scraper soil elevating mechanism

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)覆土作業(yè)性能試驗(yàn)在臨洮縣洮陽鎮(zhèn)進(jìn)行，試驗(yàn)地面積約為0.40 hm2，所處地勢(shì)平坦，土壤為黃綿土，土壤含水率為14.6%～15.9%。試驗(yàn)依照旱地小麥全膜覆土穴播相關(guān)農(nóng)藝要求，通過變換、調(diào)整聯(lián)合機(jī)不同前進(jìn)速度、刮板式土壤升運(yùn)器線速度及其傾角進(jìn)行膜頂覆土作業(yè)，選用地膜為厚度為0.01 mm的白色地膜。

2.2 試驗(yàn)方法

參照NY/T 986-2006《鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，測(cè)定計(jì)算旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)田間作業(yè)后的平均覆土合格率[5,10]。以地膜幅寬1.2 m×1.0 m(測(cè)區(qū)長(zhǎng)度)的面積為1個(gè)試驗(yàn)測(cè)定小區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)隨機(jī)抽取20個(gè)樣點(diǎn)應(yīng)用鋼卷尺對(duì)覆土厚度進(jìn)行測(cè)量(其中，覆土厚度在8～12 mm，表明聯(lián)合機(jī)覆土作業(yè)性能符合相關(guān)農(nóng)藝技術(shù)要求，覆土質(zhì)量合格[1-2,6-7])，試驗(yàn)以6個(gè)作業(yè)小區(qū)的測(cè)定平均值為測(cè)試結(jié)果。平均覆土合格率計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中,σc為測(cè)區(qū)平均覆土合格率，%；σi為單個(gè)測(cè)區(qū)覆土合格率，%；Bj為單個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)覆土厚度在8～12 mm的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量；j為單個(gè)測(cè)區(qū)抽取樣點(diǎn)數(shù)量，取20；i為測(cè)區(qū)數(shù)量，取6。

2.3 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)方案

綜合上述聯(lián)合機(jī)工作參數(shù)分析與選取，應(yīng)用Design-Expert 8.050軟件，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[11]，以作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度(x1)、刮板式土壤升運(yùn)器線速度(x2)和刮板式土壤升運(yùn)器傾角(x3)為自變量，平均覆土合格率(σc)為響應(yīng)值，各試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示，共實(shí)施17組響應(yīng)面分析試驗(yàn)(表2)。

表1 因素水平編碼

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 回歸模型的建立及檢驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)作業(yè)后平均覆土合格率為79.7%～96.5%，基本滿足相關(guān)農(nóng)藝技術(shù)要求。

表2 響應(yīng)面分析結(jié)果

借助Design-Expert 8.050軟件對(duì)所得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得編碼值表示的平均覆土合格率σc的二次回歸模型為：

(3)

式中，σc為平均覆土合格率，%；X1為作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度的編碼值；X2為刮板式土壤升運(yùn)器線速度的編碼值；X3為刮板式土壤升運(yùn)器傾角的編碼值。

對(duì)上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，回歸模型P<0.0001，表明獲得的回歸模型極其顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實(shí)際相符合，能正確反映平均覆土合格率σc與X1、X2和X3之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)中各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中模型的一次項(xiàng)X1(作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度)影響極顯著，X3(刮板式土壤升運(yùn)器傾角)影響顯著，而X2(刮板式土壤升運(yùn)器線速度)影響不顯著；模型的二次項(xiàng)X12、X22、X32影響均極顯著；交互項(xiàng)X1X3、X2X3影響極顯著，X1X2影響顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素的影響主次順序?yàn)椋篨1、X3、X2，即作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、刮板式土壤升運(yùn)器傾角、刮板式土壤升運(yùn)器線速度。

表3 回歸方程方差分析

注：*顯著(P<0.05)，**極顯著(P<0.01)。

Note: * mean significant (P<0.05), ** mean highly significant(P<0.01).

3.2 模型交互項(xiàng)的解析

根據(jù)回歸模型(3)作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖。響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則相反[12-13]。

由圖4響應(yīng)曲面形狀可以看出，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與刮板式土壤升運(yùn)器線速度交互作用對(duì)平均覆土合格率的影響顯著。當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度固定在某一水平，刮板式土壤升運(yùn)器線速度由0.5 m·s-1向1.5 m·s-1不斷遞增變化時(shí)，平均覆土合格率呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢(shì)。這主要是由于當(dāng)旋耕刀組高速切削土壤并拋擲至線速度適宜的刮板式土壤升運(yùn)器后，其能夠?qū)⒊渥愕耐寥罍?zhǔn)確鋪撒至覆蓋地膜表面，覆土厚度合格。但同時(shí)隨著刮板式土壤升運(yùn)器線速度的不斷增加，使得升運(yùn)器各刮板間的土壤還未充分填充就已經(jīng)傾斜提升、鋪撒，導(dǎo)致地膜表面土壤覆蓋厚度達(dá)不到要求，平均覆土合格率有所降低。

圖4作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與刮板式土壤升運(yùn)器線速度對(duì)平均覆土合格率的影響

Fig.4 Influence of advance velocity of machine and linear velocity of scraper soil elevating mechanism on the average percent pass of soil mulching

由偏回歸分析與等高線密度可以得出，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對(duì)平均覆土合格率的影響大于刮板式土壤升運(yùn)器線速度的影響。

由圖5可知，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度對(duì)平均覆土合格率影響較刮板式土壤升運(yùn)器傾角更顯著，這與方差分析結(jié)果相同。當(dāng)刮板式土壤升運(yùn)器傾角在某一水平，作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度由0.40 m·s-1向0.60 m·s-1不斷增加時(shí)，平均覆土合格率呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢(shì)，且相對(duì)明顯。當(dāng)作業(yè)機(jī)速度較低時(shí)，刮板式土壤升運(yùn)器輸送的土壤在覆膜膜面上堆積滯留增加，易出現(xiàn)覆土厚度過大的情況；隨著作業(yè)機(jī)速度不斷提升，覆土厚度逐漸減小并接近相關(guān)農(nóng)藝要求；當(dāng)作業(yè)機(jī)速度進(jìn)一步提高時(shí)，刮板式土壤升運(yùn)器上的定量土壤不能夠及時(shí)鋪撒至對(duì)應(yīng)膜面，且單位時(shí)間內(nèi)的覆膜面積增加，使得部分膜面覆土厚度不夠或出現(xiàn)地膜裸露現(xiàn)象(地膜表面無土壤覆蓋)。

由圖6可以看出，當(dāng)聯(lián)合機(jī)刮板式土壤升運(yùn)器傾角在25°～30°之間，刮板式土壤升運(yùn)器線速度為1.25～1.50 m·s-1時(shí)，平均覆土合格率出現(xiàn)最低值。這主要是在作業(yè)過程中刮板式土壤升運(yùn)器線速度逐步增加，其上刮板間的土壤填充時(shí)間相對(duì)不足，且當(dāng)其升運(yùn)傾角不斷變大時(shí)，部分土壤從兩刮板間滑落，使得覆蓋膜頂?shù)耐寥懒繜o法滿足合格覆土厚度要求。兩因素對(duì)平均覆土合格率影響權(quán)重有所差異，這與方差分析結(jié)果相一致。

3.3 最優(yōu)工作參數(shù)及試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)田間覆土作業(yè)性能良好(即平均覆土合格率達(dá)到100%)，應(yīng)用軟件Optimization-Numerical模塊對(duì)回歸方程模型(3)進(jìn)行該目標(biāo)下優(yōu)化求解，得到旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)為：作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度0.55 m·s-1、刮板式土壤升運(yùn)器線速度1.00 m·s-1、刮板式土壤升運(yùn)器傾角40°。

圖5 作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度與刮板式土壤升運(yùn)器傾角對(duì)平均覆土合格率的影響

圖6刮板式土壤升運(yùn)器線速度與刮板式土壤升運(yùn)器傾角對(duì)平均覆土合格率的影響

Fig.6 Influence of linear velocity of scraper soil elevating and dip angle of scraper soil elevating mechanism on the average percent pass of soil mulching

為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸模型(3)的可靠性，應(yīng)用旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)調(diào)整其最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行9次田間覆土播種作業(yè)性能試驗(yàn)(如圖7所示)，試驗(yàn)材料與方法與文中2.1和2.2相同。

田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)平均覆土合格率為98.6%，較優(yōu)化前平均覆土合格率(79.7%～96.5%)有明顯的提升，表明在該優(yōu)化工作參數(shù)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)膜頂合格覆土(覆土厚度在8～12 mm之間)，因此該回歸模型是可靠的。

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法，進(jìn)行旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)覆土性能工作參數(shù)優(yōu)化，通過試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果可得影響平均覆土合格率的因素由大到小依次為：作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、刮板式土壤升運(yùn)器傾角和刮板式土壤升運(yùn)器線速度。

2) 建立了平均覆土合格率與作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、刮板式土壤升運(yùn)器傾角和刮板式土壤升運(yùn)器線速度的二次多項(xiàng)式回歸模型。以全膜覆土全部達(dá)標(biāo)(σc=100%)為目標(biāo)，優(yōu)化得到聯(lián)合機(jī)最佳工作參數(shù)：作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度為0.55 m·s-1、刮板式土壤升運(yùn)器線速度為1.00 m·s-1、刮板式土壤升運(yùn)器傾角為40°。

3) 田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，聯(lián)合機(jī)平均覆土合格率可達(dá)98.6%，較優(yōu)化前覆土作業(yè)性能有明顯的提升，達(dá)到了旱地小麥全膜覆土穴播技術(shù)關(guān)于覆膜種床頂部覆土厚度的標(biāo)準(zhǔn)要求，表明優(yōu)化后的工作參數(shù)組合可以作為旱地小麥全膜覆土穴播聯(lián)合機(jī)田間覆土作業(yè)的最佳依據(jù)。

圖7聯(lián)合機(jī)田間性能試驗(yàn)

Fig.7 Field performance test of combined machine

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