郭軍海 趙武云 石林榕* 周 剛 張鋒偉 楊昆山 辛尚龍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 旱地農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；3.甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司，甘肅 張掖 734000)

胡麻主要產(chǎn)于甘肅、山西、新疆、寧夏等地，是食用油的主要原料之一，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。甘肅地處黃土高原，地理?xiàng)l件獨(dú)特，是油用型胡麻的主要產(chǎn)區(qū)。胡麻作為甘肅省的特色經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)該省經(jīng)濟(jì)具有提升作用，近幾年，胡麻種植面積和產(chǎn)量逐年增加，胡麻生產(chǎn)機(jī)械化是提高其生產(chǎn)效率的重要途徑，其中機(jī)械化播種和收獲是制約胡麻規(guī)?；摹捌款i”，也是胡麻生產(chǎn)機(jī)械化急待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

甘肅省主要作物的種植模式是以地膜覆蓋栽培技術(shù)為主，尤其在玉米和馬鈴薯作物中應(yīng)用廣泛，增產(chǎn)效益較高。已有研究表明，將覆膜栽培模式應(yīng)用于胡麻作物，比普通無(wú)膜種植模式出苗率提高12%，產(chǎn)量提高23.60%～29.67%。甘肅省傳統(tǒng)胡麻種植以人工撒播、簡(jiǎn)易機(jī)械條播為主，作業(yè)方式粗放，效率低下，更重要的是2種傳統(tǒng)作業(yè)方式與機(jī)械化覆膜播種匹配較難；另外，胡麻種植還未形成規(guī)模，種植地塊小，分散較廣，機(jī)械化種植水平遠(yuǎn)低于主要糧食作物。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家精密播種研究已成熟，我國(guó)還處于技術(shù)完善階段。發(fā)達(dá)國(guó)家胡麻生產(chǎn)中整地、播種、施肥、灌溉、收獲、脫粒和打捆等過(guò)程全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，呈高度集約化、規(guī)?；忍攸c(diǎn)，我國(guó)與國(guó)外在胡麻全程機(jī)械化水平差距較大。同時(shí)，國(guó)外機(jī)型功能全、體積大、價(jià)格昂貴，適用于我國(guó)旱作胡麻播種農(nóng)藝要求的機(jī)具較少。國(guó)內(nèi)已研制的胡麻播種機(jī)主要有2BY-26型胡麻施肥播種機(jī)、BXY-12型胡麻小區(qū)播種機(jī)等，這些機(jī)型以條播為主，播種效率和出苗率較低。周剛等針對(duì)胡麻條播機(jī)作業(yè)質(zhì)量差、出苗率低等問(wèn)題，在參考主糧作物成熟的精量穴播機(jī)等基礎(chǔ)上，于2019年先后研制成功一種胡麻精量穴播器和集鋪膜、播種、起壟、鎮(zhèn)壓為一體的胡麻聯(lián)合播種機(jī)。這些機(jī)型的研制不僅提高了胡麻播種效率和出苗率，也為進(jìn)一步完善西北旱作胡麻精量穴播技術(shù)提供了思路。石林榕等針對(duì)甘肅省普遍種植的胡麻品種，結(jié)合試驗(yàn)和仿真法標(biāo)定了胡麻排種仿真參數(shù)，對(duì)比仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步提高了異型窩眼輪排種性能，為提高胡麻排種器作業(yè)質(zhì)量提供了一定的理論基礎(chǔ)。

為拓展胡麻機(jī)械化穴播技術(shù)在沙質(zhì)土上的種植模式，本研究旨在設(shè)計(jì)一種滾勺式胡麻聯(lián)合播種機(jī)，以期一次性完成施肥、滴灌、覆膜、覆土和穴播聯(lián)合作業(yè)，減少機(jī)具作業(yè)次數(shù)，同時(shí)提高播種效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

胡麻聯(lián)合播種機(jī)主要由主機(jī)架、懸掛架、施肥裝置、滴灌裝置、播種裝置、覆土裝置、尾架、覆膜機(jī)構(gòu)等部件組成(圖1)。施肥裝置主要由肥箱、外槽輪式排肥器、肥管和開(kāi)溝器等組成，施肥行距可調(diào)；鋪管裝置主要由滴灌帶安裝架和導(dǎo)口等組成；播種裝置主要由滾輪式穴播器和種箱等組成；覆膜機(jī)構(gòu)主要由膜棍、膜架和壓膜輪等構(gòu)成；覆土裝置由起土圓盤、覆土滾筒和鎮(zhèn)壓輪等組成。

1.主機(jī)架；2.開(kāi)溝器3.肥管；4.懸掛架；5.外槽輪式排肥器；6.肥箱；7.導(dǎo)口；8.滴灌帶安裝架；9.種箱；10.滾輪式穴播器；11.覆土滾筒；12.鎮(zhèn)壓輪；13.起土圓盤；14.壓膜輪；15.膜架；16.膜棍1.Main rack; 2.Opener; 3.Fertilizer tube; 4.Suspension frame; 5.Outer groove wheel type fertilizer discharging device; 6.Fat bin; 7.Guide; 8.Drip tape mounting frame; 9.Seed box; 10.Roller hole seeder; 11.Cover roller; 12.Suppression wheel; 13.Earthen disc; 14.Squeeze film wheel; 15.Film frame; 16.Film stick圖1 滾勺式胡麻聯(lián)合播種機(jī)Fig.1 Rolling spoon type flax combined seeder

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引整機(jī)前進(jìn)，平土板將地表及拖拉機(jī)壓痕推平，開(kāi)溝器將地表開(kāi)出溝槽，鎮(zhèn)壓滾筒帶動(dòng)排肥裝置中的外槽輪式排肥器將肥料按一定量排出，肥量經(jīng)過(guò)肥管和開(kāi)溝器流入溝槽，隨后鎮(zhèn)壓滾筒將地表壓平。滴灌帶安裝在滴灌帶鋪放裝置上，滴灌帶在導(dǎo)口引導(dǎo)下，鋪放于地表；位于機(jī)具兩側(cè)的開(kāi)溝圓盤開(kāi)出溝槽，隨后纏繞在膜棍上地膜被鋪放于地表，并在壓膜輪的作用下將地膜兩側(cè)壓入溝槽，由覆土圓盤起土埋邊；播種裝置中的滾輪式穴播器在膜面上滾動(dòng)將胡麻種子通過(guò)鴨嘴破膜播入土壤；其后，覆土裝置將起土圓盤刮入覆土滾筒內(nèi)的土壤經(jīng)覆土口覆于膜面；最后，鎮(zhèn)壓輪在播種行間進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

胡麻聯(lián)合播種機(jī)農(nóng)藝要求見(jiàn)圖2。根據(jù)西北旱區(qū)胡麻機(jī)械化播種要求，播量為0.015～0.023 kg/m，穴粒數(shù)6～10粒。依據(jù)中耕機(jī)和收獲機(jī)作業(yè)要求，確定播種穴距為200 mm，行距200 mm，播深30～50 mm。由于沙土透水性能較好，設(shè)計(jì)鋪設(shè)2條滴灌帶，通過(guò)鋪管裝置進(jìn)行鋪設(shè)。為供種子生長(zhǎng)發(fā)芽之需，通過(guò)聯(lián)合播種機(jī)的施肥裝置以深35 mm按條施入磷酸二銨，共4條，其中中間2條間距為400 mm，與滴灌帶重合；其他2條位于種行間。為提高地溫和保熵，選用白膜(寬為1 200 mm，厚度為0.01 mm)，由覆膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行覆蓋。胡麻聯(lián)合播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.胡麻植株；2.滴灌管；3.土壤；4.地膜1. Flax plants; 2. Drip irrigation pipe; 3. Soil; 4. Plastic film圖2 胡麻聯(lián)合播種機(jī)種植農(nóng)藝參數(shù)Fig.2 Planting agronomic parameters of flax combined seeder

表1 胡麻聯(lián)合播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
Table 1 Main technical parameters of flax combined seeder

參數(shù)Parameter數(shù)值Numerical value整機(jī)尺寸/(mm×mm×mm) Machine size2 542×1 429×1 264配套動(dòng)力/kW Supporting power18.4～25.7作業(yè)速度/(km/h) Operation speed0.85～2.55生產(chǎn)效率/(hm2/h) Productivity0.12～0.80施肥行數(shù)/行 Fertilization of rows4滴灌帶行數(shù)/行 Drip irrigation belt line number2播種行數(shù)/行 Number of planting row6播種深度/mm Sowing depth30～50穴粒數(shù)/粒 Number of holes6～10行距/mm Line spacing200株距/mm Plant spacing200

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 播種裝置

胡麻聯(lián)合播種機(jī)的播種裝置主要用于在沙質(zhì)土和地膜上進(jìn)行穴播，為避免較大石子頂起滾輪式穴播器對(duì)播深產(chǎn)生影響，采用單體仿形穴播器；為降低地膜穴孔和種位的錯(cuò)位率，通過(guò)增加單個(gè)滾輪式穴播器的重量、添加預(yù)緊彈簧來(lái)增加穴播器對(duì)地面的正壓力，增大固定鴨嘴和活動(dòng)鴨嘴的入土接觸面方法等來(lái)提高穴播器與沙質(zhì)土或地膜之間的摩擦力；為避免鴨嘴入土扎壞滴灌帶，固定鴨嘴和活動(dòng)鴨嘴設(shè)計(jì)成梯形。

2

.

1

.

1

結(jié)構(gòu)組成

胡麻聯(lián)合播種機(jī)的播種裝置主要由滾輪式穴播器、固定板、主機(jī)架、調(diào)節(jié)螺桿、種箱、牽引桿、彈簧和輸種管等組成(圖3)。作業(yè)時(shí)，滾輪式穴播器主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔存種、取種器取種、鴨嘴穴播排種等過(guò)程，該裝置可實(shí)現(xiàn)播深調(diào)節(jié)、單行仿形等功能。

1.滾輪式穴播器；2.固定板；3.主機(jī)架；4.調(diào)節(jié)螺桿；5.種箱；6.牽引桿；7.彈簧；8.輸種管1.Roller-type acupuncture; 2.Fixed plate; 3.Main frame; 4.Adjust the screw; 5.Speculatory box; 6.Traction rod; 7.Spring; 8.Virtue圖3 播種裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of seeding device

滾輪式穴播器是播種裝置的核心部件，其播種質(zhì)量影響整機(jī)播種性能。主要由取種器、彈簧、側(cè)盤、種口、外圈、活動(dòng)鴨嘴和固定鴨嘴等組成(圖4)。作業(yè)時(shí)，滾輪式穴播器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，胡麻種群在摩擦力和自重作用下動(dòng)態(tài)流動(dòng)于滾輪式穴播器內(nèi)下部。取種器隨穴播器旋轉(zhuǎn)從種群中舀種，當(dāng)穴播器轉(zhuǎn)至一定位置時(shí)種子落入鴨嘴內(nèi)部，后隨鴨嘴破膜排入土壤，完成1次播種過(guò)程。

1.取種器；2.彈簧；3.側(cè)盤；4.種口；5.外圈；6.活動(dòng)鴨嘴；7.固定鴨嘴1.Seed extractor; 2.Springs; 3.Side plate; 4.Vietches; 5.Outer ring; 6.Activated duck mouth; 7.Fixed duck mouth圖4 滾輪式穴播器結(jié)構(gòu)和功能分區(qū)Fig.4 Structure and function division of roller type hill planter

2

.

1

.

2

關(guān)鍵尺寸計(jì)算

滾輪式穴播器的半徑大小是影響播種質(zhì)量和播種效率的關(guān)鍵因素。半徑變大，在一定牽引速度條件下角速度會(huì)變小，取種穩(wěn)定；半徑變小，角速度會(huì)變大，同時(shí)，穴播器重量變輕，會(huì)造成穴播器入土深度和滑移率增加等問(wèn)題。滾輪式穴播器半徑與鴨嘴的數(shù)目和穴距有關(guān)，計(jì)算公式為：

(1)

式中：

R

為穴播器半徑，mm；

n

為鴨嘴數(shù)量；

l

為穴距，mm；

δ

為滑移率。

水肥條件充足的條件下，胡麻播種穴距為200 mm。為保證滾輪式穴播器作業(yè)時(shí)的平穩(wěn)性，鴨嘴數(shù)目不能太少，取7。試驗(yàn)地為沙質(zhì)土，土壤滑移率為0.093。參考其他滾輪式穴播器半徑(180～240 mm)，由式(1)得滾輪式穴播器半徑為200 mm。

滾輪式穴播器的鴨嘴重合度是指從固定鴨嘴入土到活動(dòng)鴨嘴出土所轉(zhuǎn)的角度與兩相鄰鴨嘴中心所對(duì)應(yīng)的夾角之比。圖5示出鴨嘴重合度計(jì)算原理，鴨嘴播種時(shí)，固定鴨嘴從

A

點(diǎn)開(kāi)始入土，到

B

點(diǎn)最深處，從

C

點(diǎn)處活動(dòng)鴨嘴出土。

1.穴播器；2.固定鴨嘴；3.活動(dòng)鴨嘴；4.地面1.Acupuncture; 2.Fixed duck mouth;3.Active duck mouth; 4.GroundA為固定鴨嘴入土點(diǎn)；B為鴨嘴入土最深處；C為活動(dòng)鴨嘴出土點(diǎn)。θ1為固定鴨嘴與滾輪式穴播輪垂直線之間的夾角；θ2為活動(dòng)鴨嘴與滾輪式穴播輪垂直線之間的夾角。A is a fixed duck mouth to the ground;B is the deepest part of the duck’s mouth;C is out of the active duck mouth.θ1 is an angle between the fixed duck mouth and the roller acupuncture wheel vertical line; θ2 is an angle between the active duck mouth and the vertical line of the roller acupuncture wheel.圖5 鴨嘴重合度計(jì)算原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the calculation principle of duckbill coincidence degree

由鴨嘴重合度計(jì)算原理示意圖(圖5)可知：

(2)

穴播器的鴨嘴重合度

i

為：

(3)

式中：

θ

為兩相鄰鴨嘴對(duì)應(yīng)的夾角，與安裝鴨嘴的個(gè)數(shù)有關(guān)，

θ

=180°/

n

；

h

為鴨嘴高度，本研究取30 mm。對(duì)式(3)分析可知，穴播器的鴨嘴重合度

i

與穴播器半徑

R

、播種深度

h

和鴨嘴數(shù)目

n

有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證鴨嘴重合度

i

≥1，盡可能減小因滑移產(chǎn)生的鴨嘴撕膜、挑膜等現(xiàn)象，進(jìn)而保證穴播器的播種質(zhì)量。由式(3)計(jì)算得

i

=1.14，滿足穴播器上鴨嘴設(shè)計(jì)要求布置要求。

2

.

1

.

3

穴播器受力分析

播種時(shí)，穴播器鴨嘴進(jìn)出土壤的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于水平地面的位移量對(duì)穴孔寬度影響較大。當(dāng)穴孔寬度增大時(shí)，鴨嘴對(duì)地膜撕膜、挑膜等現(xiàn)象增加；對(duì)穴孔周圍土壤擾動(dòng)明顯，造成種穴周圍地溫降低，水分傳遞能力減弱等問(wèn)題，應(yīng)減小鴨嘴位移量。穴播器被牽引，在地表滾動(dòng)前進(jìn)，其受牽引力、自重、穴播器與地膜的摩擦力和與地面的支持力等力，穴播器受力情況見(jiàn)圖6。

G為穴播器受到的重力，G=mg；F為機(jī)架為穴播器提供的牽引力；FN為地面對(duì)穴播器的支撐力；Ff為地面對(duì)穴播器的摩擦阻力，F(xiàn)f=μFN；Fx為F在x軸方向的分力；Fy為F在y方向的分力；θ為牽引力與x軸方向的夾角。G is the gravity of the acupuncture, G=mg; F is the traction provided by the frame for the hole planter; FN is the support of the ground to the acupuncture; Ff is the frictional resistance of the soil on the acupuncture, Ff=μFN; Fx is the power of in the x-axis direction; Fyis the power of F in the y direction; θ is the angle between the traction and the x-axis direction.圖6 穴播器受力示意圖Fig.6 Schematic diagram of the force of the hole planter

假設(shè)水平向左為

x

軸的正方向，豎直向上為

y

軸的正方向，穴播器受力平衡時(shí)：

(4)

(5)

式中：

F

為機(jī)架為穴播器提供的牽引力，N；

θ

為牽引力與

x

軸方向的夾角，(°)；

F

為地面對(duì)穴播器的摩擦阻力，N；

m

為穴播器質(zhì)量，kg；

ω

為穴播器的角速度，rad/s，

F

為地面對(duì)穴播器的支撐力，N；

G

為穴播器受到的重力，

G

=

mg

，N；

μ

為地膜與穴播器之間的靜摩擦因數(shù)；

v

為整機(jī)前進(jìn)速度，m/s。將式(4)帶入式(5)得：

(6)

式中：

g

為重力加速度。由式(6)可知，穴播器與地面的摩擦力受穴播器的質(zhì)量、半徑、牽引力與

x

軸方向的夾角、整機(jī)前進(jìn)速度和滑移率共同影響。其中，

R

已經(jīng)確定，

θ

與牽引桿商都有關(guān)，穴播器安裝后

θ

基本不變，地膜與穴播器之間的靜摩擦因數(shù)

μ

基本不變，

δ

受土壤力學(xué)狀態(tài)的影響，試驗(yàn)地土壤情況大致相同，

δ

大致相同，機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，速度

v

不變。當(dāng)穴播器質(zhì)量

m

增加時(shí)，穴播器與地面的摩擦力

F

增加，而摩擦力

F

增大，有助于降低地膜穴孔和種位的錯(cuò)位率，鴨嘴對(duì)地膜撕膜、挑膜等現(xiàn)象。因此，適當(dāng)增加穴播器質(zhì)量。

2.2 取種器設(shè)計(jì)

取種器是胡麻播種機(jī)整機(jī)實(shí)現(xiàn)精量播種的核心部件。為提高異形胡麻的取種精度和穩(wěn)定性，本研究采用舀取式取種器，主要由取種勺、引種槽、攜種腔、勺翼和固定板等構(gòu)成(圖7)。取種器工作過(guò)程分為4個(gè)階段，分別為取種勺從種群中舀種、引種槽導(dǎo)種和清種、攜種腔卸種。其中，胡麻清種過(guò)程具體為在取種勺內(nèi)的種子在回轉(zhuǎn)慣性力和自重作用下滑入引種槽，溢出引種槽的種子掉落，完成清種。卸種過(guò)程具體為經(jīng)引種槽進(jìn)入攜種腔的種子，自動(dòng)滑落至鴨嘴內(nèi)。對(duì)取種勺舀種和引種槽引種過(guò)程進(jìn)行理論分析，確定其影響播種的關(guān)鍵因素。

1.引種槽；2.取種勺；3.勺翼；4.固定板；5.攜種腔1.Introduction slot; 2.Seed spoon; 3.Spoon wing; 4.Fixed plate; 5.Seed-carrying cavitya為引種槽長(zhǎng)度；b為梯形體取種勺截面的高；c為固定板長(zhǎng)度；d為固定板寬度；β為引種槽與水平方向之間的夾角；γ為取種勺與豎直方向的夾角；e為梯形體取種勺截面下底邊；f為梯形體取種勺截面上底邊；h1為梯形體的高。a is the length of the introduction slot; b is the height of the cross section of the trapezoid seeding spoon; c is the length of the fixed plate; d is the width of the fixed board; β is the angle between the introduction groove and the horizontal direction; γ is the angle between the seed picking spoon and the vertical direction; e is the bottom side of the cross section of the trapezoidal body seeding spoon; f is the upper and bottom side of the cross section of the trapezoidal body seeding spoon; h1 is the height of the trapezoid.圖7 取種器結(jié)構(gòu)Fig.7 Seed extractor structure

2

.

2

.

1

取種勺舀種過(guò)程受力分析

作業(yè)時(shí)，胡麻在穴播器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，穴播器帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)至一定高度后向下滑落，并被取種器中的取種勺舀種。取種勺的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸影響取種量，其兩邊設(shè)有三角形擋板，胡麻在滑落過(guò)程中被阻擋進(jìn)入取種勺，取種勺體積影響取種量。取種勺舀種過(guò)程受穴播器、取種器和胡麻種群等影響，對(duì)其進(jìn)行充種受力分析。胡麻充種過(guò)程受力分析見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，若要讓胡麻向下滾落充填取種勺，需滿足以下條件：

N為外圈內(nèi)壁對(duì)胡麻的支持力；f為胡麻與穴播器內(nèi)壁之間的摩擦力；P為胡麻受到的離心力；G1為研究對(duì)象受到自重和其他胡麻對(duì)其正壓力；θ1為取種器內(nèi)壁對(duì)胡麻的支持力與豎直方向的夾角。N is the support of the outer ring on flax; f is the friction between the inner wall of flax and acupuncture; P is a centrifugal force that is brought to flavin; G1 is self-weight and other flax, which is self-respect and other flax; θ1 is the angle between the supporting force of the inner wall of the seed extractor to the flax and the vertical direction.圖8 胡麻充種過(guò)程受力分析Fig.8 Force analysis of flax seed filling process

(7)

式中：

G

為研究對(duì)象受到自重和其他胡麻對(duì)其正壓力，N；

θ

為取種器內(nèi)壁對(duì)胡麻的支持力與豎直方向的夾角，(°)；

f

為胡麻與穴播器內(nèi)壁之間的摩擦力，N；

N

為外圈內(nèi)壁對(duì)胡麻的支持力，N；

μ

為胡麻籽粒與接觸材料之間的摩擦因數(shù)；

P

為胡麻受到的離心力，N；

m

為研究對(duì)象的質(zhì)量，kg。對(duì)式(7)換算后得：

G

(sin

θ

-

μ

cos

θ

)-

m

ω

R

≥0

(8)

觀察充種過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在種箱內(nèi)的胡麻種群上表面是充種的主要來(lái)源，

G

簡(jiǎn)化為

m

g

。因此，對(duì)式(8)簡(jiǎn)化為：

(9)

由式(9)可知，取種器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度受限于穴播器半徑、重力加速度和胡麻的靜摩擦因數(shù)等。極限位置時(shí)

θ

為90°，穴播器半徑確定為200 mm，要實(shí)現(xiàn)取種勺成功舀種，需

ω

≤7 rad/s。

2

.

2

.

2

引種槽引種過(guò)程受力分析

引種過(guò)程為胡麻種子沿引種槽向攜種腔方向滑移。此過(guò)程中種子受到自重、離心力、摩擦力和支持力的作用，對(duì)引種過(guò)程受力分析見(jiàn)圖9。

N0為取種器對(duì)胡麻的支持力；f0為胡麻與取種器之間的摩擦力；β為引種槽與豎直方向之間的夾角；θ0為重力與垂直方向的夾角。N0 is the support power of the seed extractor for flax; f0 is the friction between the flax and the seed spoon; β is an angle between the coded slot and the vertical direction; θ0 is the angle between gravity and vertical.圖9 引種過(guò)程受力分析Fig.9 Force analysis of introduction process

假設(shè)胡麻此時(shí)受力平衡，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析得：

(10)

式中：

N

為取種器對(duì)胡麻的支持力，N；

f

為胡麻與取種器之間的摩擦力，N；

β

為引種槽與豎直方向之間的夾角，N；

θ

為重力與垂直方向的夾角，(°)。

胡麻沿引種槽滑向攜種腔，需滿足條件：

m

g

sin

β

≥

f

+

P

cos(

β

+

θ

)

(11)

將式(11)化簡(jiǎn)為由于

θ

接近于零，且0<

β

<90°，簡(jiǎn)化為:

(12)

由式(12)可知，引種槽與豎直方向之間的夾角與穴播器的角速度、半徑相關(guān)。將已確定值

R

和

ω

代入式(12)計(jì)算得

β

≥45°，即引種槽與水平方向之間的夾角≤45°，考慮到胡麻堆積角為23°，引種槽與水平方向之間的安裝夾角應(yīng)小于等于23°，為使取種器也能在種子較少的情況下舀上種子，引種槽與水平方向之間的安裝夾角不宜過(guò)大，設(shè)置為0°～10°。

2

.

2

.

3

主勺其他參數(shù)確定考慮到取種器安裝的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)固定板寬度

d

為21 mm、長(zhǎng)度

c

為60 mm。設(shè)計(jì)取種器與豎直方向之間的夾角

γ

為24°。沙質(zhì)土上胡麻種植農(nóng)藝要求每穴胡麻數(shù)為6～10 粒，以10粒為依據(jù)，‘隴亞10號(hào)’胡麻千粒重為7.903 g，密度為0.66 g/mL，經(jīng)計(jì)算10粒胡麻充種所需體積為120 mm。單個(gè)種子平均長(zhǎng)為4.43 mm，寬為2.38 mm，高為0.95 mm，梯形體取種勺截面下底邊

e

大于種長(zhǎng)，小于2倍種長(zhǎng)，最后確定

e

為8 mm；梯形體取種勺截面上底邊

f

參考種寬，確定

f

為2.5 mm；取種勺截面高確定為4倍的種寬，

b

約為5 mm；由梯形體體積計(jì)算得梯形體的高

h

約為9 mm。梯形體的引種槽長(zhǎng)度

a

影響清種效果，初步確定

a

為31 mm。播種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)梯形體的引種槽長(zhǎng)度

a

、取種勺截面高

b

均影響取種量的穩(wěn)定性，以

a

和

b

作為試驗(yàn)因素進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)確定最佳參數(shù)。

2.3 覆膜機(jī)構(gòu)、覆土裝置

2

.

3

.

1

結(jié)構(gòu)組成

覆膜機(jī)構(gòu)主要由主機(jī)架、膜側(cè)開(kāi)溝圓盤、展膜棍、壓膜輪、尾架、懸掛裝置、膜面覆土圓盤、彈簧、膜面覆土滾筒、壓膜輪牽引桿、展膜桿、掛膜架和直角固定板等組成(圖10)。工作前，將地膜放置于掛膜架，并引至展膜輥，并穿過(guò)膜面覆土滾筒，將膜邊人工掩埋。工作時(shí)，膜側(cè)開(kāi)溝圓盤在牽引力和自重的作用下切入土壤，開(kāi)出膜溝，入土深度和角度可通過(guò)改變套筒長(zhǎng)短和角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。地膜緊貼展膜棍向后運(yùn)動(dòng)，其后的壓膜輪將膜邊壓入膜溝，由覆土圓盤在膜邊覆土掩埋。膜面覆土圓盤將地膜兩側(cè)的土壤刮入膜面覆土滾筒兩側(cè)，滾筒內(nèi)螺旋導(dǎo)土板將土壤向內(nèi)部輸送，并將土壤從覆土槽漏下，完成膜面覆土鎮(zhèn)壓。

1.主機(jī)架；2.膜側(cè)開(kāi)溝圓盤；3.展膜棍；4.壓膜輪；5.尾架；6.懸掛裝置；7.膜面覆土圓盤；8.彈簧；9.膜面覆土滾筒；10.膜側(cè)覆土圓盤；11.壓膜輪牽引桿；12.展膜桿；13.掛膜架；14.直角固定板1.Main frame; 2.membrane side open groove disc; 3.Exemplary film stick; 4.Pressure film wheel; 5.Tail; 6.Suspension device; 7.Membrane surface coated disc; 8.Spring; 9.Membrane-faced-soil roller; 10.membrane side sandwich disc; 11.Confusion film wheel traction rod; 12.Exemplary membrane rod; 13.Hang film frame; 14.Right angle fixation plate圖10 覆膜機(jī)構(gòu)和覆土裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.10 Structure composition of film covering mechanism and soil covering device

2

.

3

.

2

膜面覆土滾筒

由于沙質(zhì)土內(nèi)含有大量大小不一的石頭，為防止石頭擁堵，在膜面覆土滾筒中間開(kāi)口位置，設(shè)置了邊長(zhǎng)為100 mm的方孔。為使地膜與種床充分貼合，避免河西走廊大風(fēng)將地膜吹起，提高地膜覆土的均勻性和連續(xù)性，設(shè)計(jì)了膜面覆土滾筒，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。考慮到滾筒輸土縱向穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)滾筒直徑為380 mm，長(zhǎng)為1 146 mm。為提高滾筒輸土性能，設(shè)計(jì)其內(nèi)螺旋導(dǎo)土板為4片，寬度為40 mm，設(shè)計(jì)膜面覆土滾筒兩端的間隙為40 mm，中部間隙為70 mm，并可通過(guò)調(diào)節(jié)活動(dòng)滾筒和固定滾筒之間的距離以滿足不同的覆土要求。為提高滾筒的驅(qū)動(dòng)力避免打滑，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)由其上驅(qū)動(dòng)爪帶動(dòng)，單個(gè)驅(qū)動(dòng)爪截面設(shè)計(jì)成V形，同時(shí)為提高其入土性能，驅(qū)動(dòng)爪頭部設(shè)計(jì)較小，考慮滾筒輸土的轉(zhuǎn)動(dòng)力和平穩(wěn)性，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)爪長(zhǎng)為90 mm。

1.固定滾筒；2.活動(dòng)滾筒；3.連接桿；4.驅(qū)動(dòng)爪；5.支撐桿；6.螺旋導(dǎo)土板；7.固定裝置1.Fixed roller; 2.Active roller; 3.Connect rod; 4.Drive claws; 5.Support rod; 6.Spiral landing plate; 7.Fixed device圖11 膜面覆土滾筒結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of roller covered with soil on membrane surface

2

.

3

.

3

螺旋導(dǎo)土板螺旋導(dǎo)土板的安裝角度是影響膜面覆土滾筒橫向推送土壤性能的關(guān)鍵因素之一。膜面覆土滾筒內(nèi)螺旋導(dǎo)土板的作用是將土壤由兩側(cè)向內(nèi)部輸送。對(duì)導(dǎo)土板上的土壤進(jìn)行受力分析，假設(shè)此時(shí)土壤處于臨界狀態(tài)，

x

軸為土壤軸向輸送方向，

y

軸為拖拉機(jī)前進(jìn)方向，見(jiàn)圖12。

H為螺旋導(dǎo)土板對(duì)土壤的合力；Hy為H在y軸的分力；Hx為H在x軸的分力；Hf為土壤與螺旋導(dǎo)土板的摩擦力；S為螺旋導(dǎo)土板對(duì)土壤的法向推力；m2為土壤質(zhì)量；α為螺旋導(dǎo)土板安裝螺旋角；φ為土壤對(duì)螺旋導(dǎo)土板的摩擦角。H is the synerg of the soil for the spiral guide plate; Hy is the force of F at y-axis; Hx is the power of the x-axis; Hf is the friction of the soil and the spiral landing plate; S is the method of spiral panel on the soil’s normal thrust; m2 is the quality of the soil; α is mounting spiral angle for spiral panel plate; φ is the friction angle of the soil on the spiral guide plate.圖12 螺旋導(dǎo)土板上土壤受力分析Fig.12 Soil stress analysis on spiral guide plate

螺旋導(dǎo)土板對(duì)土壤的力可分解為軸向(

x

軸)和徑向(

y

軸)，2個(gè)方向的力分別為：

(13)

式中：

H

為螺旋導(dǎo)土板對(duì)土壤的合力，N；

H

為

H

在

x

軸的分力，N；

H

為

H

在

y

軸的分力，N；

α

為螺旋導(dǎo)土板安裝螺旋角，(°)；

φ

為土壤對(duì)螺旋導(dǎo)土板的摩擦角，(°)。為使導(dǎo)土板能橫向輸送土壤，須使

H

>0，螺旋角

α

需滿足以下條件：

(14)

設(shè)土壤沿螺旋導(dǎo)土板軸向運(yùn)動(dòng)的速度為

v

′，土壤相互之間的擠壓力和重力等效于徑向合力，則：

m

v

′=

m

g

sin

α

cos

α

-

m

g

sin

α

tan

φ

sin

α

(15)

式中：

m

為土壤質(zhì)量。對(duì)式(15)求

α

的導(dǎo)數(shù)可得：

(16)

令土壤沿膜面覆土滾筒軸向運(yùn)動(dòng)的加速度最大時(shí)的螺旋角

α

為：

(17)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，沙質(zhì)土對(duì)螺旋導(dǎo)土板的摩擦角

φ

取34°，由式(17)計(jì)算可得螺旋導(dǎo)土板安裝螺旋角

α

=28°。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 材料及試驗(yàn)方法

為優(yōu)化滾輪式穴播器排種性能，于2020年8月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院進(jìn)行胡麻排種臺(tái)架試驗(yàn)。胡麻品種為隴亞10號(hào)，千粒重7.36 g，自然休止角23°。胡麻排種試驗(yàn)臺(tái)主要由6IK300RGU-CF可調(diào)轉(zhuǎn)速電機(jī)(調(diào)速范圍4～430 r/min)、臺(tái)架、輸送帶、滾輪式穴播器等組成(圖13)。胡麻聯(lián)合播種機(jī)能進(jìn)行單次6行播種，各個(gè)穴播器排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)是影響播種質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，參照J(rèn)B/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī)第1部分：技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》對(duì)播種機(jī)6個(gè)穴播器分別進(jìn)行排種臺(tái)架試驗(yàn)，選取取種器引種槽長(zhǎng)度、穴播器轉(zhuǎn)速和取種勺截面高作為此次試驗(yàn)的3個(gè)主要因素。每組試驗(yàn)選取80個(gè)鴨嘴的穴粒數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每組重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果記錄分析，以各個(gè)穴播器排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.輸送帶；2.滾輪式穴播器；3.輸送帶調(diào)速電機(jī)；4.穴播器調(diào)速電機(jī)1.Conveyed belt; 2.Roller acupuncture; 3.Conveyor belt speed motor; 4.Speed regulating motor for hole planter圖13 多功能排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.13 Multi-functional experiment bench for seed rower

各個(gè)穴播器排量一致性變異系數(shù)的計(jì)算式為：

(18)

式中：

q

為第

i

行第

N

次測(cè)量結(jié)果平均值；

N

為測(cè)量次數(shù)；

q

為第

j

次測(cè)量，第

i

行的排量測(cè)量值；為各行排種量的測(cè)量平均值；

n

為行數(shù)；

S

為各行排量的標(biāo)準(zhǔn)差；

α

為各個(gè)穴播器排量一致性變異系數(shù)。

當(dāng)6≤穴粒數(shù)≤10時(shí)為合格，則穴粒數(shù)合格指數(shù)為：

(19)

式中：

n

為穴粒數(shù)合格的次數(shù)。

3.2 試驗(yàn)安排及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)前期對(duì)穴播器的設(shè)計(jì)和理論分析，選擇引種槽長(zhǎng)度、穴播器轉(zhuǎn)速、取種勺截面高為影響因素，以穴粒數(shù)合格指數(shù)和各個(gè)穴播器排量一致性變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照正交表

L

(3)安排試驗(yàn)。穴播器播種試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2，各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響結(jié)果見(jiàn)表3,極差分析見(jiàn)表4。

表2 穴播器播種試驗(yàn)因素水平
Table 2 The level of factors in the seeding test

水平Level因素 FactorA/mmB/(r/min)C/mm128253231305334357

注：為引種槽長(zhǎng)度；為穴播器轉(zhuǎn)速；為取種勺截面高。下表同。
Note: is the length of the introduction slot; is the speed of the hole seeder; is the height of the cross section of the seed scoop. The same as in the following Table.

表3 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響結(jié)果
Table 3 The influence of various factors on the test index

試驗(yàn)號(hào)Text number因素水平值 Factor level value試驗(yàn)指標(biāo) Test indexABCαi/%αk/%11112.2697.2521223.2195.7731334.3295.5742121.5797.5452232.7897.6662312.9697.2473133.4596.6683214.3595.7393324.2594.66

注：為排量一致性變異系數(shù)；為平均穴粒數(shù)合格指數(shù)。下表同。
Note: is the coefficient of variation of displacement consistency; is the average number of holes qualified index. The same as in the following Table.

表4 極差分析結(jié)果
Table 4 Range analysis results

試驗(yàn)指標(biāo)Text index分析項(xiàng)Analysis item試驗(yàn)因素 Test factorABCK19.797.289.57K27.3110.349.03K312.0511.5310.55αik13.262.433.19k22.443.453.01k34.023.843.52R1.581.440.51K1288.59291.45290.22K2292.44289.16287.97K3287.05287.47289.89αkk196.2097.1596.74k297.4896.3995.99k395.6895.8296.63R1.801.330.75

注：，，分別表示各因素各水平所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和；，，分別表示各因素各水平所對(duì)應(yīng)指標(biāo)之和的平均值；為極差。
Note: , and denote the sum of the indicators corresponding to each level of each factor respectively, , and represent the mean of the sum of the indicators corresponding to each level of each factor respectively; is the range value.

排量一致性變異系數(shù)越小，平均穴粒數(shù)合格指數(shù)越大，說(shuō)明穴播器排種性能越好。由表3可知，排量一致性變異系數(shù)和平均穴粒數(shù)合格指數(shù)的最佳參數(shù)組合均為

A

B

C

。對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 方差分析結(jié)果
Table 5 Analysis of variance results

試驗(yàn)指標(biāo)Test index來(lái)源Source平方和Sum of squares自由度Degree of freedom均方Mean squareF值F value顯著性Significanceαi A3.7521.8724.16*B3.2021.6020.66*C0.4020.20 2.55誤差0.1620.08總和7.508αkA5.1422.5737.54*B2.6621.3319.44*C0.9820.49 7.19誤差0.1420.07總和8.928

注：*表示顯著。
Note: * indicates significant.

對(duì)于排量一致性變異系數(shù)，穴播器轉(zhuǎn)速和引種槽長(zhǎng)度對(duì)其影響顯著，取種勺截面高影響不顯著；對(duì)于平均穴粒數(shù)合格指數(shù)，穴播器轉(zhuǎn)速和引種槽長(zhǎng)度對(duì)其影響顯著，取種勺截面高影響不顯著。究其原因，當(dāng)穴播器轉(zhuǎn)速高，會(huì)縮短取種勺的充種和清種時(shí)間，使取種勺充種、清種不充分，會(huì)使排量一致性變異系數(shù)變大；引種槽長(zhǎng)度增加，會(huì)增加種子在引種槽內(nèi)的逗留時(shí)間，增加了種子進(jìn)入鴨嘴的時(shí)間，會(huì)使排量一致性變異系數(shù)增加；取種勺截面高增加，提高了單次取種量，給清種、卸種過(guò)程增加了不確定因素，進(jìn)而增加了排量一致性變異系數(shù)。綜合考慮2個(gè)不同指標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)，為保證穴播器的排種性能，最終確定穴播器的最佳參數(shù)組合為

A

B

C

，即引種槽長(zhǎng)度為31 mm、穴播器轉(zhuǎn)速為25 r/min、取種勺截面高為5 mm，與其對(duì)應(yīng)的排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)分別為1.57%和97.54%。

3.3 田間試驗(yàn)

2020年8月在華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司進(jìn)行胡麻聯(lián)合播種機(jī)田間試驗(yàn)。土壤為沙土，含水率13.4%，土壤堅(jiān)實(shí)度1.73～1.84 MPa，密度1.64 g/cm。試驗(yàn)前進(jìn)行旋耕作業(yè)并施加有機(jī)肥，土地平整。胡麻品種為隴亞10號(hào)，選擇0.01 mm厚白色地膜；牽引機(jī)為東方紅-300型拖拉機(jī)，功率為22.1 kW，播種機(jī)前進(jìn)速度為0.94 m/s，田間試驗(yàn)及效果見(jiàn)圖14。

圖14 聯(lián)合播種機(jī)田間試驗(yàn)及效果Fig.14 Field experiment and effect of combined seeder

胡麻播種試驗(yàn)結(jié)束后，分別測(cè)定6行單一播種行內(nèi)，隨機(jī)6 m長(zhǎng)的測(cè)量區(qū)每穴種子數(shù)量，共測(cè)量180穴。同時(shí)，對(duì)挖出的每行種子進(jìn)行稱重，用于計(jì)算胡麻聯(lián)合播種機(jī)的排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 田間播種試驗(yàn)6行單一播種隨機(jī)6 m測(cè)量區(qū)每穴種子數(shù)量
Table 6 Field sowing trial 6 rows of single sowing randomised 6 m measurement zone Number of seeds per hole 粒

穴播序號(hào)Holecastingserial number第1行First line第2行Second line第3行Third line第4行Forth line第5行Fifth line第6行Sixth line11010910106268996939788206469101091059882986664288101073287986862886489966910101069910991112910748127896101013101066107146698961569666816106610910176686951866102410101929996592067106662110781098227812710262368967102461066911256981010626861066627109610336281093369629671010623301030109106質(zhì)量/g Mass2.202.242.242.192.312.34

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算可知，各行排量一致性變異系數(shù)的最大值為3.85%，各行的穴粒數(shù)合格指數(shù)為93.33%，以上結(jié)果基本和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果一致。田間試驗(yàn)過(guò)程中，穴粒數(shù)合格指數(shù)由于受地面起伏和振動(dòng)等因素影響，部分取種器有未能排凈的現(xiàn)象，會(huì)積累到下次排種，造成部分穴粒數(shù)過(guò)大的問(wèn)題。各行試驗(yàn)結(jié)果表明胡麻聯(lián)合播種機(jī)的各個(gè)裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠，胡麻穴深為3.5～4.5 cm，滴灌裝置能有序鋪設(shè)2條；覆膜-覆土裝置能將膜邊垂直壓入膜溝并將其掩埋，未發(fā)現(xiàn)兩邊行穴孔被邊側(cè)土壤掩埋的現(xiàn)象，并且膜面覆土滾筒也沒(méi)有出現(xiàn)壅土現(xiàn)象；播種系統(tǒng)取種精確、穩(wěn)定，排種流暢，并無(wú)撕膜現(xiàn)象，與臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果接近。綜上，聯(lián)合播種機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)西北旱區(qū)胡麻精密種植效率低下的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種集施肥、滴灌、覆膜、覆土和穴播為一體的胡麻播種機(jī)。對(duì)整機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了作業(yè)分析和理論計(jì)算，確定了播種裝置、覆膜覆土裝置的部分結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)。針對(duì)胡麻每穴6～10粒種子的播種要求，對(duì)滾輪式穴播器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，確定了最佳工作參數(shù)，提高了取種的精確性和穩(wěn)定性，并對(duì)其進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，影響排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)的主要因素為，引種槽長(zhǎng)度和穴播器轉(zhuǎn)速。由方差分析可知，穴播器最佳工作參數(shù)為，引種槽長(zhǎng)度31 mm、穴播器轉(zhuǎn)速25 r/min、取種勺截面高5 mm，在此條件下穴播器排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)分別為1.57%和97.54%。

2)田間試驗(yàn)表明，胡麻聯(lián)合播種機(jī)的各個(gè)裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠，聯(lián)合播種機(jī)的各行排量一致性變異系數(shù)為3.85%，穴粒數(shù)合格指數(shù)93.33%，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本一致，以上指標(biāo)均能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。