姜 萌 劉彩玲 魏 丹 都 鑫 蔡培原 宋建農(nóng)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

國(guó)外小麥精量播種機(jī)多為氣力式，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力需求大，不適于我國(guó)小地塊作業(yè)[1-2]。傳統(tǒng)小麥播種機(jī)多采用條播技術(shù)，播種后小麥種子密集地分布在細(xì)窄的苗帶上，相互競(jìng)爭(zhēng)激烈，不易構(gòu)建合理群體結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。余松烈院士提出了小麥寬幅播種技術(shù)[3-5]，使種子相對(duì)均勻分布在8～10 cm苗帶上，相對(duì)于傳統(tǒng)條播降低了麥苗對(duì)水肥光熱的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，增產(chǎn)效果顯著，因此引起眾多學(xué)者對(duì)小麥寬苗帶播種技術(shù)的研究。

在苗帶撒播器方面，程修沛等[6]設(shè)計(jì)了燕尾槽式等高位寬苗帶開(kāi)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(tuán)隊(duì)[7-8]利用邊行優(yōu)勢(shì)原理設(shè)計(jì)了中部凸起的寬苗帶撒播器，把種子向苗帶兩側(cè)導(dǎo)引，在苗帶內(nèi)形成中部稀疏、兩側(cè)密集的種子分布形式；翟萌萌[9]開(kāi)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(shè)計(jì)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(duì)鴨掌型撒播器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(kāi)溝播種方式，排種器主要采用外槽輪排種器，通過(guò)輸種端燕尾槽撒播器結(jié)構(gòu)將種子流打散，因此排量大，難以實(shí)現(xiàn)精量播種，且苗帶內(nèi)種子分布均勻性差，同時(shí)寬苗帶開(kāi)溝寬度大，傳統(tǒng)開(kāi)溝器開(kāi)溝方式導(dǎo)致開(kāi)溝阻力較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種苗帶旋耕覆土式小麥寬苗帶精量播種機(jī)，通過(guò)窩眼輪式精量排種器及內(nèi)四等分輸種管(簡(jiǎn)稱輸種管)實(shí)現(xiàn)對(duì)各列窩眼排出種子的間隔輸送，降低排種量且提高苗帶內(nèi)種子的分布均勻性；同時(shí)利用旋耕刀清理苗帶，借助其拋土特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)肥料和種子的有序分層覆蓋，以避免施肥與播種二次開(kāi)溝，降低作業(yè)阻力。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

小麥寬苗帶精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三點(diǎn)懸掛裝置、傳動(dòng)裝置、機(jī)架、鎮(zhèn)壓裝置、導(dǎo)土板、內(nèi)四等分輸種管、輸肥管、旋耕裝置、絲杠調(diào)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(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 小麥寬苗帶精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of wide seedling strip wheat precision planter1.三點(diǎn)懸掛裝置 2.肥箱 3.種箱 4.傳動(dòng)裝置 5.機(jī)架 6.鎮(zhèn)壓裝置 7.平土板 8.導(dǎo)土板 9.內(nèi)四等分輸種管 10.輸肥管 11.旋耕裝置 12.變速箱 13.絲杠調(diào)節(jié)裝置

參數(shù)數(shù)值/形式機(jī)具尺寸(長(zhǎng)×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(dòng)防堵施肥方式正位深施鎮(zhèn)壓方式整體對(duì)行鎮(zhèn)壓作業(yè)速度/(km·h-1)4

田間作業(yè)時(shí)外槽輪排肥器和窩眼輪式排種器由鎮(zhèn)壓裝置提供驅(qū)動(dòng)力；拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱驅(qū)動(dòng)旋耕刀旋切并拋撒土壤，布置在輸肥管和輸種管之間的導(dǎo)土板對(duì)旋耕拋起土壤進(jìn)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(yùn)動(dòng)的土壤則實(shí)現(xiàn)對(duì)種子的均勻覆蓋，最后由鎮(zhèn)壓器壓實(shí)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(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)播種與施肥深度的調(diào)整。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 窩眼輪式精量排種器

根據(jù)播種農(nóng)藝要求的苗帶寬度8 cm，設(shè)計(jì)窩眼列數(shù)為4，且種子橫躺姿態(tài)時(shí)勢(shì)能最低，因此種子以水平姿態(tài)充入窩眼較為容易，同時(shí)為提高種子分布均勻性，窩眼采用水平交錯(cuò)形式布置。以衡觀35小麥種子為研究對(duì)象，測(cè)得長(zhǎng)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(shè)計(jì)單粒充種的窩眼結(jié)構(gòu)，各項(xiàng)尺寸應(yīng)滿足[12]

(1)

式中l(wèi)w——窩眼長(zhǎng)度，mm

dw——窩眼寬度，mm

hw——窩眼深度，mm

d1max——窩眼長(zhǎng)度最大值，mm

由式(1)得到窩眼長(zhǎng)度lw=7.00 mm，寬度dw=4.77 mm，hw=3.77 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2所示；寬苗帶播種行距一般取30 cm，因此播種機(jī)作業(yè)幅寬內(nèi)苗帶數(shù)為7，每條苗帶內(nèi)播種4列，播種粒距計(jì)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(zhì)量，42.5 g

F——播種機(jī)作業(yè)幅寬，2.1 m

L——播種粒距，m

圖2 窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagrams of cellular wheel seed-metering device

以精量播種播量120～150 kg/hm2為設(shè)計(jì)目標(biāo)[13]，由式(2)計(jì)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(shè)計(jì)窩眼輪直徑，直徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致曲率變大，充種質(zhì)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(duì)種子的損傷，窩眼輪線速度理論上不應(yīng)超過(guò)0.35 m/s[14]，窩眼數(shù)計(jì)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(jī)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)最大限度增加窩眼數(shù)量，因此圓周上平均分布20個(gè)窩眼。

設(shè)計(jì)的排種器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括排種盒、護(hù)種輸種槽、毛刷、種層厚度隔離板、種層厚度調(diào)節(jié)板、窩眼輪、擋種板、清種卡片、下種杯等，其中種層厚度調(diào)節(jié)板可對(duì)種層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)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(nèi)四等分輸種管 6.輸種軟管 7.護(hù)種輸種槽 8.清種片 9.擋種板 10.排種盒 11.種層厚度調(diào)節(jié)板

2.2 內(nèi)四等分輸種管

為提高苗帶內(nèi)種子行間、行內(nèi)分布均勻性，匹配窩眼輪式排種器設(shè)計(jì)內(nèi)四等分輸種管，對(duì)排種輪各列窩眼所排種子進(jìn)行獨(dú)立輸送。內(nèi)四等分輸種管底部采用圓弧過(guò)渡方式引導(dǎo)種子投射方向，實(shí)現(xiàn)種子平穩(wěn)著床；對(duì)種子的運(yùn)動(dòng)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(shí)彈跳最小，考慮本文設(shè)計(jì)為免耕播種機(jī)，作業(yè)速度相對(duì)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(dòng)，根據(jù)動(dòng)能定理對(duì)種子A在輸種管中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，計(jì)算式為

(4)

其中

v0=npπRwξ(v)=v2

式中vr——種子離開(kāi)輸種管時(shí)相對(duì)速度，m/s

v0——種子排出窩眼輪時(shí)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(zhuǎn)速，35 r/min

k——空氣阻力系數(shù)，取0.03

ξ(v)——物體速度關(guān)于阻力的函數(shù)

v——種子在輸種管中的運(yùn)動(dòng)速度

由圖4速度分析得

(5)

式中va——種子絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)，由式(4)計(jì)算種子離開(kāi)輸種管出口絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度va=1.58 m/s，聯(lián)合式(5)得θ=32°，即內(nèi)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(guó)黃淮海地區(qū)玉米秸稈殘茬覆蓋量大，易導(dǎo)致小麥機(jī)具發(fā)生堵塞，用苗帶旋耕裝置是提高小麥播種機(jī)田間通過(guò)性的有效方式[16-17]。正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)能夠破碎表土并形成均勻的土流向后拋撒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)種肥的有序覆蓋，因此本文選用正轉(zhuǎn)旋耕方式，旋耕刀選用R245型直角刀；機(jī)器作業(yè)時(shí)田間秸稈殘茬較多，耕深不宜過(guò)大，確定旋耕深度為10 cm，作業(yè)速度為4 km/h；為實(shí)現(xiàn)旋耕刀對(duì)秸稈清理并防止纏繞旋耕刀，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，設(shè)計(jì)旋耕軸轉(zhuǎn)速為260 r/min。

旋耕刀切土節(jié)距對(duì)耕后土壤細(xì)碎度和溝底平整度有直接影響，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮播種農(nóng)藝要求和土壤含水率，北方進(jìn)行小麥免耕播種時(shí)，土壤表層含水率在10%左右，結(jié)合小麥播種農(nóng)藝需求，選擇切土節(jié)距50 mm，得同一圓周內(nèi)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(zhuǎn)速，r/min

z——同一圓周內(nèi)旋耕刀數(shù)量

計(jì)算得z=4。

2.3.2旋耕刀排布

旋耕刀采用中間傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(jī)兩側(cè)受力均衡[18]，采用4頭對(duì)稱螺旋線排布方式，保證每一時(shí)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(duì)種子和肥料空間位置進(jìn)行定位并覆蓋，輸肥管和內(nèi)四等分輸種管與旋耕刀軸的相對(duì)位置至關(guān)重要，因此對(duì)旋耕刀拋土性能進(jìn)行分析，其刀片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，當(dāng)旋耕機(jī)刀軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，機(jī)具前進(jìn)作業(yè)速度為vm，旋耕刀旋轉(zhuǎn)半徑為R時(shí)，以刀軸旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，播種機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正向，垂直向上為y軸正向建立坐標(biāo)系xOy，刀片與y軸負(fù)方向重合時(shí)為初始位置；旋耕刀軸轉(zhuǎn)速高于180 r/min時(shí)，應(yīng)考慮旋耕刀正切面與土壤的撞擊作用[19]，當(dāng)旋耕刀以線速度vb切削土壤顆粒C時(shí)，建立以質(zhì)點(diǎn)C為原點(diǎn)的動(dòng)坐標(biāo)系NCT，旋耕刀對(duì)土塊碰撞作用如圖6所示。

因?yàn)镸apReduce主要應(yīng)用于推進(jìn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行線下批處理，在面對(duì)一些問(wèn)題時(shí)會(huì)存在較強(qiáng)的不適應(yīng)，諸如在面向低延遲以及具有相對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系、相對(duì)復(fù)雜運(yùn)算的大數(shù)據(jù)問(wèn)題時(shí)就會(huì)存在這樣的狀況。所以，近年來(lái)對(duì)大數(shù)據(jù)的計(jì)算模式進(jìn)行深入的研究，推出了很多該領(lǐng)域新的研究成果。

圖6 旋耕刀運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Motion principle diagram of rotary blades

旋耕刀端點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(7)

旋耕刀端點(diǎn)B在x、y軸方向的速度分量為

(8)

則旋耕刀端點(diǎn)B的絕對(duì)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(duì)速度的法向分量與切向分量撞擊前后關(guān)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(fù)系數(shù)，取0.4

j——土壤瞬時(shí)摩擦因數(shù)，取0.5

α——vb與動(dòng)坐標(biāo)系N軸的夾角

在動(dòng)坐標(biāo)系NCT中對(duì)土壤顆粒C進(jìn)行速度合成，可得到其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方程

(12)

設(shè)土壤顆粒C在動(dòng)坐標(biāo)系中絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向?yàn)棣痢洌瑒t

(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(diǎn)碰撞后做斜上拋運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足

(15)

式中 (x0,y0)——土塊的起始位置坐標(biāo)

被拋土壤顆粒的軌跡方程為

(16)

當(dāng)土壤拋出角度為π/4時(shí)，即φ-α+α′=4/π，此時(shí)vCx=vCy，土壤的拋出距離最遠(yuǎn)，以機(jī)具實(shí)際作業(yè)參數(shù)旋耕刀轉(zhuǎn)速為260 r/min、旋耕深度為0.1 m、機(jī)具作業(yè)速度為1.1 m/s，代入式(16)可得土壤最遠(yuǎn)拋出距離為78 cm；根據(jù)文獻(xiàn)[20]并結(jié)合旋耕實(shí)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(jìn)行計(jì)算，此時(shí)土壤拋出角度為φ-α+α′=18.9°，土壤起拋點(diǎn)坐標(biāo)為(-6.9 cm，-23.5 cm)，代入式(16)計(jì)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(kāi)溝阻力，輸肥管出口與輸種管出口應(yīng)位于土壤回落區(qū)域前，即旋耕軸后方60 cm區(qū)域內(nèi)。施肥深度與旋耕深度基本一致，則施肥位置應(yīng)在避免發(fā)生干涉的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)旋耕深度為10 cm，目標(biāo)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(biāo)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(shè)導(dǎo)土板，如圖7所示，遮擋下70%土壤覆蓋肥料，同時(shí)為后方種子鋪設(shè)一定厚度種床，其余土壤因拋撒高度低于導(dǎo)土板彎折點(diǎn)繼續(xù)向后方運(yùn)動(dòng)回落并覆蓋種子。導(dǎo)土板彎折點(diǎn)位置決定了其擋土量的多少，導(dǎo)土板以點(diǎn)G(-29 cm，6 cm)為起點(diǎn)，彎折點(diǎn)H(xH，yH)為終點(diǎn)，為確保與導(dǎo)土板撞擊的土壤落至折彎點(diǎn)前方，H點(diǎn)位置應(yīng)滿足

(17)

其中

圖7 導(dǎo)土板擋土示意圖Fig.7 Schematic of retaining board1.導(dǎo)土板 2.內(nèi)四等分輸種管 3.輸肥管 4.旋耕機(jī)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(xiàn)[12]知旋耕刀拋土過(guò)程中，淺層土壤的運(yùn)動(dòng)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(dāng)旋耕刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度為41.7°，即ωt=41.7°時(shí)被拋土壤量剛好滿足小麥種床深度要求，為土壤顆粒通過(guò)導(dǎo)土板的臨界點(diǎn)，此時(shí)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(dǎo)土板彎折點(diǎn)H位置為(-48.92 cm，-5.43 cm)，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)證旋耕覆土裝置對(duì)種子和肥料的分層覆蓋效果，運(yùn)用離散元法對(duì)旋耕覆土裝置的覆土性能進(jìn)行仿真試驗(yàn)。應(yīng)用EDEM仿真軟件建立200 cm(長(zhǎng))×30 cm(寬)×10 cm(高)土壤模型，并將建立的旋耕播種單元三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)入EDEM，得到旋耕播種仿真模型。參考實(shí)際作業(yè)條件，試驗(yàn)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(duì)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(shè)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(yīng)仿真參數(shù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)[21-22]得到。設(shè)定旋耕深度10 cm，旋耕刀轉(zhuǎn)速260 r/min，旋耕覆土單元前進(jìn)速度4 km/h，仿真步長(zhǎng)設(shè)定為4.16×10-6s，仿真總時(shí)長(zhǎng)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(nèi)四等分輸種管以4 km/h勻速前進(jìn)。

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(duì)旋耕刀拋土性能進(jìn)行分析，使用EDEMS中slices功能沿前進(jìn)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(jié)束后在F1～F4層分別隨機(jī)提取50粒土壤，對(duì)其編號(hào)為1～50，并輸出其沿機(jī)器前進(jìn)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(dòng)程度逐漸減小，因此土壤后拋距離波動(dòng)幅度隨土層增加而減小，其中F1、F2層受旋耕刀擾動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)致后拋運(yùn)動(dòng)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(jié)果Fig.9 Capability analysis for throwing soil of rotary tillage

圖10 分層覆土效果分析結(jié)果Fig.10 Analysis result of effect of soil layered cover

3.3 分層覆土效果分析

為檢驗(yàn)旋耕裝置分層覆土效果，對(duì)仿真中肥料與種子的深度位置分布進(jìn)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(jī)選取肥料顆粒和小麥顆粒各60粒，按照編號(hào)為1～60，通過(guò)其坐標(biāo)獲得播種深度和施肥深度位置信息如圖10b，并計(jì)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(yàn)

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證窩眼輪式排種器各行排量一致性和種子破碎率，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院JPS-12型多功能排種試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖11所示。試驗(yàn)用小麥種子為衡觀35，試驗(yàn)前在排種器下安裝內(nèi)四等分輸種管，從左到右依次設(shè)置輸種管出口序號(hào)為1～4；為模擬播種機(jī)不同作業(yè)速度，排種軸轉(zhuǎn)速選擇為20～40 r/min，試驗(yàn)時(shí)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(jì)破碎率并記錄，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖11 排種器性能測(cè)試試驗(yàn)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(jī) 4.JPS-12型多功能排種試驗(yàn)臺(tái) 5.輸送帶 6.內(nèi)四等分輸種管 7.卡盤(pán)鏈輪 8.種箱

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)排種量/(g·min-1)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)排量一致性變異系數(shù)/%種子破碎率/%排種總質(zhì)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(zhuǎn)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(guó)標(biāo)要求的3.9%，排種器轉(zhuǎn)速35 r/min時(shí)，滿足作業(yè)速度4 km/h時(shí)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(zhuǎn)速條件下，排種器各行排種量和總排種量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，排種器速度適應(yīng)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(zhuǎn)速增加，種子破碎率有所增加，最高轉(zhuǎn)速下破碎率為0.44%，小于0.5%，滿足小麥播種機(jī)作業(yè)種子破碎率要求[23]。

為探究加裝內(nèi)四等分輸種管對(duì)窩眼輪式排種器所排各列種子行內(nèi)分布均勻性的影響，以排種器轉(zhuǎn)速35 r/min，輸送帶速度4 km/h進(jìn)行試驗(yàn)。在排種試驗(yàn)臺(tái)刷油輸送帶上取20 cm為測(cè)定區(qū)段統(tǒng)計(jì)其種子數(shù)量，隨機(jī)測(cè)定30組數(shù)據(jù)，按照小麥株距為3.5 cm計(jì)算，20 cm范圍內(nèi)理論上應(yīng)播5或6粒種子，測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 排種器排種均勻性試驗(yàn)結(jié)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(jī)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(shè)計(jì)的排種器較常規(guī)外槽輪式排種器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4.2 田間試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)條件

播種機(jī)田間試驗(yàn)于2018年10月在河北省任丘市閣辛莊進(jìn)行，試驗(yàn)田上茬作物為玉米，秸稈多次還田處理，處理后秸稈較為細(xì)碎，秸稈覆蓋量為3.3 kg/m2。試驗(yàn)前測(cè)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(jiān)實(shí)度分別為0.91、3.44、4.36 MPa。試驗(yàn)用拖拉機(jī)為雙力美洲豹SL1304型拖拉機(jī)，作業(yè)速度1.1 m/s，圖12為播種機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

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

4.2.2試驗(yàn)材料

根據(jù)河北省氣候條件及播種作業(yè)時(shí)間選擇河北省農(nóng)科院培育的衡觀35為試驗(yàn)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(qiáng)，適于10月上旬播種。按照GB/T 5262規(guī)定種子性能試驗(yàn)方法，測(cè)試種子千粒質(zhì)量為42.5 g，含水率10.4%。

4.2.3試驗(yàn)指標(biāo)與方法

播種作業(yè)性能試驗(yàn)按照GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機(jī)》規(guī)定試驗(yàn)方法進(jìn)行，并對(duì)作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試內(nèi)容主要包括施肥與播種深度合格率、機(jī)具通過(guò)性、播種均勻性變異系數(shù)、苗帶寬度等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工具有鐵鍬、鋼直尺、卷尺、秒表、電子秤、土壤堅(jiān)實(shí)度及水分測(cè)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(nèi)交錯(cuò)選取4條苗帶(左中右都應(yīng)取到)，每條苗帶取20段20 cm長(zhǎng)的檢測(cè)區(qū)段，如圖13所示，分別統(tǒng)計(jì)不同苗帶寬度內(nèi)種子數(shù)量。

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

(2)播種與施肥深度

往返每個(gè)行程內(nèi)交錯(cuò)選取4行，每行取20個(gè)點(diǎn)作為播種和施肥深度測(cè)定區(qū)，分別對(duì)肥料和種子上部所覆土層厚度進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。種子(肥料)深度合格率計(jì)算公式為

(18)

(19)

(20)

(21)

式中D——播種或施肥深度合格率，%

N——試驗(yàn)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(gè)測(cè)試點(diǎn)播種或施肥深度，cm

σ——播種或施肥深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm

Cv——播種或施肥深度變異系數(shù)，%

(3)機(jī)具通過(guò)性

分別以4、5 km/h作業(yè)速度進(jìn)行試驗(yàn)，在往返4個(gè)行程內(nèi)觀察機(jī)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(cè)行進(jìn)距離的方法測(cè)定，即在機(jī)具作業(yè)時(shí)測(cè)定地輪轉(zhuǎn)20圈的前進(jìn)距離，機(jī)具往返行程中各測(cè)定2次，地輪滑移率計(jì)算式為

(22)

式中δ——地輪滑移率，%

I——機(jī)器行進(jìn)距離，m

Rd——驅(qū)動(dòng)地輪半徑，m

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1苗帶寬度及小麥種子分布均勻性

試驗(yàn)測(cè)得苗帶平均寬度為8.2 cm，與理論設(shè)計(jì)寬度相符合；小麥種子分布均勻性試驗(yàn)結(jié)果如表4，不同苗帶寬度上小麥粒數(shù)無(wú)明顯差異，實(shí)測(cè)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(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致種子出現(xiàn)彈跳，因而播種均勻性較室內(nèi)臺(tái)架有所降低。

表4 種子分布均勻性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of seeds distribution

4.3.2播種與施肥深度

深度測(cè)定結(jié)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(jié)果基本吻合且滿足播種施肥農(nóng)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(duì)位置確定時(shí)，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(cè)定結(jié)果Tab.5 Results of sowing and fertilization depth

4.3.3機(jī)具通過(guò)性

機(jī)具分別以規(guī)定作業(yè)速度進(jìn)行60 m的防堵性能試驗(yàn)，未出現(xiàn)壅堵現(xiàn)象，主要是因?yàn)樾b置對(duì)播種苗帶進(jìn)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(jī)具作業(yè)通過(guò)性。

4.3.4地輪滑移率

地輪直徑30 cm，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)20圈的實(shí)際前進(jìn)距離平均值為18.12 m，理論應(yīng)行進(jìn)距離為18.84 m，計(jì)算滑移率為3.8%，符合免耕播種機(jī)作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了窩眼輪式小麥精量排種器，同時(shí)采用內(nèi)四等分輸種管對(duì)各列窩眼種子獨(dú)立輸送。臺(tái)架試驗(yàn)表明，排種器轉(zhuǎn)速35 r/min時(shí)各行排量一致性變異系數(shù)2.30%，種子破碎率0.38%；行內(nèi)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(duì)旋耕拋土及覆土原理進(jìn)行了理論分析，選擇R245型直角刀，刀軸轉(zhuǎn)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(duì)位置分別為旋耕刀軸后36 cm和50 cm；旋耕刀拋土性能和對(duì)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(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了旋耕刀拋土對(duì)肥料和種子的分層覆蓋，避免了種肥開(kāi)溝帶來(lái)的二次阻力。

(3)對(duì)播種機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，測(cè)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(jié)果相吻合；播種施肥深度穩(wěn)定性較好，避免了肥料燒苗；對(duì)播種機(jī)的作業(yè)通過(guò)性進(jìn)行了試驗(yàn)，未出現(xiàn)機(jī)具堵塞現(xiàn)象，通過(guò)性良好，整機(jī)設(shè)計(jì)滿足大田播種農(nóng)藝要求。