曲 浩 石林榕 辛尚龍 趙武云 王 鋒 劉洋禮 楊金發(fā)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070)

玉米是我國(guó)西北地區(qū)主要糧食作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。近年來(lái)，隨著玉米高產(chǎn)品種的選育和耕作栽培技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，玉米等農(nóng)作物的產(chǎn)量不斷提高。與此同時(shí)，肥料養(yǎng)分投入配置不合理、肥料利用率低下等問(wèn)題也日益突出，隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，施肥機(jī)械化、自動(dòng)化和精量化是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]。此外，傳統(tǒng)的田間漫灌作業(yè)方式也加劇了水資源的巨大浪費(fèi)與田間土壤的板結(jié)，該作業(yè)方式已經(jīng)不符合當(dāng)前玉米種植要求。因此，在保障玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提下，如何進(jìn)一步提高水肥利用效率，是該地區(qū)玉米生產(chǎn)發(fā)展所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一[2-5]。

目前，國(guó)外穴播器從排種器結(jié)構(gòu)原理可分為氣力式和機(jī)械式兩大類(lèi)。其中，氣力式可分為氣吸式、氣壓式和氣吹式等10余種；機(jī)械式可分為垂直圓盤(pán)側(cè)充式、水平圓盤(pán)、窩眼輪式和窩眼刷種輪式等30余種之多。但國(guó)外的穴播器多與大型機(jī)械配合使用，不適合我國(guó)現(xiàn)階段的小地塊且多丘陵山地的種植方式。我國(guó)較為經(jīng)典的穴播器機(jī)型有ZTB-2型精量播種機(jī)，采用立式圓盤(pán)排種器；BZJG6A-Ⅲ型精密聯(lián)合耕播機(jī)，排種器為垂直圓盤(pán)式[6-7]。雖滿足小地塊和丘陵山地播種,但播種機(jī)功能較為單一，河西地區(qū)土地較為貧瘠需要追加施肥，而且氣候少雨需要鋪設(shè)滴灌裝置，以上機(jī)型不能直接用于河西地區(qū)。

本研究針對(duì)西北干旱地區(qū)玉米播種機(jī)功能不全面和水肥利用率低的問(wèn)題，旨在設(shè)計(jì)一款玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)，以期一次性完成玉米種子與有機(jī)肥同穴播種、覆膜和膜下滴灌帶的鋪設(shè)，減少機(jī)具作業(yè)次數(shù)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)

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)主要由排肥裝置、滴灌鋪設(shè)裝置、地膜鋪設(shè)裝置、排沙裝置、膜上覆土裝置、播種裝置等部件組成(圖1)。排肥裝置由有機(jī)肥箱、機(jī)架、排肥器和鎮(zhèn)壓輥構(gòu)成。機(jī)具有機(jī)肥箱下端通過(guò)導(dǎo)肥管連接排肥器，排肥器后方布置有鎮(zhèn)壓輥；滴灌鋪設(shè)裝置由滴灌帶支架和開(kāi)溝器構(gòu)成；地膜鋪設(shè)裝置由圓盤(pán)式開(kāi)溝器、地膜鎮(zhèn)壓輥、壓膜輪和圓盤(pán)式覆土器構(gòu)成。壓膜輪位于膜側(cè)圓盤(pán)式開(kāi)溝器的后方位置，圓盤(pán)式覆土器位于壓膜輪的正后方，通過(guò)調(diào)節(jié)連接桿位置可實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)式覆土器角度的調(diào)整。排沙裝置由沙土箱、液壓馬達(dá)、軸承座、傳送帶輥和傳送帶構(gòu)成；沙土箱固定在傳送帶上方位置；膜上覆土裝置由圓盤(pán)式取土器、取土輪和導(dǎo)土板構(gòu)成；玉米穴播器通過(guò)連接桿安裝于機(jī)架后方。

1.有機(jī)肥箱；2.機(jī)架；3.排肥器；4.鎮(zhèn)壓輥；5.膜側(cè)圓盤(pán)式開(kāi)溝器；6.滴灌帶開(kāi)溝鋪設(shè)器；7.地膜鎮(zhèn)壓輥；8.壓膜輪；9.圓盤(pán)式覆土器；10.圓盤(pán)式取土器；11.玉米穴播器；12.取土輪；13.導(dǎo)土板；14.沙土箱；15.滴灌帶支架1.Organic fertilizer box; 2.Frame; 3.Fertilizer; 4.Pressure roller; 5.Film side disc opener; 6.Drip irrigation belt ditching and laying device; 7.Plastic film pressure roller; 8.Film roller; 9.Disc type soil cover; 10.Disc type Soil extractor; 11.Corn seeder; 12.Soil extractor wheel; 13.Soil guide plate; 14.Sand box; 15.Drip irrigation belt support圖1 玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the corn seed fertilizer in the same hole and under the film drip irrigation integrated machine

1.2 工作原理

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)采用后三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)配套使用。機(jī)具牽引力由拖拉機(jī)提供。排沙裝置液壓馬達(dá)動(dòng)力依靠拖拉機(jī)自身攜帶的液壓泵提供。隨著拖拉機(jī)的牽引帶動(dòng)有機(jī)肥排肥裝置排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥器上的排肥嘴依次完成有機(jī)肥的入土，待排肥結(jié)束后，依靠布置在排肥器后方的鎮(zhèn)壓輥完成回土工序。滴灌鋪設(shè)裝置將滴管帶鋪設(shè)在玉米種植帶中間位置。地膜由機(jī)架兩側(cè)的圓盤(pán)式開(kāi)溝器和壓膜輥鋪設(shè)，膜邊由圓盤(pán)式覆土器取土壓實(shí)。排沙裝置在窩眼上方鋪設(shè)一層細(xì)沙以防止窩眼上方的膜上土壤板結(jié)降低種子發(fā)芽率。機(jī)架兩側(cè)的圓盤(pán)式取土器將土壤送入運(yùn)土輪，利用運(yùn)土輪和導(dǎo)土板將土壤覆蓋于地膜上，完成玉米種床的構(gòu)建。玉米穴播器將種子播種到完成排肥作業(yè)的窩眼中。

1.3 參數(shù)指標(biāo)

1.3.1河西地區(qū)種植農(nóng)藝

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)，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，提出該機(jī)具的農(nóng)藝要求：為提高水肥利用率和種子發(fā)芽率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用寬度為1.6 m、厚度0.01 mm黑白相間的地膜，為保證玉米生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)水分的需求，設(shè)計(jì)有貼片式滴灌帶鋪設(shè)于膜下。所用地膜兩側(cè)的白膜因其透光性好，對(duì)紅外光穿透力好，便于快速提高地溫，改變土壤溫度環(huán)境，有利于種子發(fā)芽；中間的黑膜可以遮擋太陽(yáng)光，阻止雜草的光合作用，從而達(dá)到抑制雜草的發(fā)芽和生長(zhǎng)的目的[10]。全膜覆蓋種植可以保墑固水，提高土壤水分的利用率，保持土壤適宜的溫度和濕度，使地溫下降慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，利于肥料的腐熟與分解，提高土壤肥力[11]。在白色地膜部分進(jìn)行種肥同穴播種，并在穴孔上方覆沙，在黑色地膜部分進(jìn)行覆土以防止地膜被風(fēng)吹起。其中，大行距750 mm，小行距250 mm，株距170 mm，玉米種子的播種深度為3～5 cm，滴灌帶鋪設(shè)在小行距中間位置為兩側(cè)的玉米供水。該機(jī)具的農(nóng)藝作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

1.透明地膜覆蓋部分；2.黑色地膜覆蓋部分；3.滴灌帶1.Transparent mulch covering part; 2.Black mulch covering part; 3.Drip tape圖2 玉米種肥同穴與膜下滴灌鋪設(shè)農(nóng)藝作業(yè)過(guò)程Fig.2 The agronomic process of laying corn seed fertilizer in the same hole and drip irrigation under mulch

1.3.2整機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述河西地區(qū)玉米播種農(nóng)藝要求，結(jié)合其他相關(guān)播種機(jī)技術(shù)參數(shù)，擬定玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the corn seed fertilizer in thesame hole and under the film drip irrigation integrated machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 排肥裝置

機(jī)具采用牛糞、秸稈與少量泥土堆積并經(jīng)過(guò)微生物作用而成的堆肥，該有機(jī)肥所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富、肥效長(zhǎng)而穩(wěn)定，有利于促進(jìn)土壤固粒結(jié)構(gòu)的形成，使土壤透氣、保水、保溫、保肥[12]，同時(shí)種肥同播可以避免燒苗。

該肥料較為松散，具有一定的流動(dòng)性故效仿種子穴播器設(shè)計(jì)一款排肥裝置。排肥裝置由1個(gè)有機(jī)肥箱和4個(gè)排肥器等部件構(gòu)成，肥箱與排肥器之間設(shè)有有機(jī)肥導(dǎo)向管(圖3)。有機(jī)肥箱中的有機(jī)肥通過(guò)有機(jī)肥導(dǎo)向管流入排肥器腔，排肥器隨機(jī)具的向前行走而工作。排肥嘴與土壤接觸控制排肥嘴的開(kāi)閉狀態(tài)，并將肥料定量定位的排到種床上，完成排肥作業(yè)。

1.有機(jī)肥箱；2.有機(jī)肥導(dǎo)向管；3.肥箱架；4.排肥器；5.排肥嘴1.Organic fertilizer box; 2.Organic fertilizer box guide pipe; 3.Organic fertilizer rack; 4.Fertilizer; 5.Fertilizer nozzle圖3 排肥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of fertilizer discharging device

根據(jù)西北地區(qū)玉米種植農(nóng)業(yè)技術(shù)模式及田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，排肥裝置中的排肥器每次排肥量均值約為0.012 kg，作業(yè)幅寬為1.6 m，則單位面積最大施肥量[13]為：

(1)

式中：Qmax為單位面積最大施肥量，kg/hm2；q為排肥嘴每次排肥量，kg；Z1為株距，m；B1為幅寬，m。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)由式(1)計(jì)算可得Qmax=1 764.7 kg/hm2。有機(jī)肥箱的容積為：

(2)

式中：C1為有機(jī)肥箱總?cè)莘e，L；L1為有機(jī)肥箱所裝肥料滿足的施肥距離，本樣機(jī)設(shè)定為1 000 m；γ1為有機(jī)肥密度，取0.7 kg/L。由式(2)計(jì)算可得C1=443.7 L。

為實(shí)現(xiàn)種肥同穴播種，排肥器尺寸要與穴播器尺寸相同且排肥間距要與播種間距相對(duì)應(yīng)，因此排肥器半徑為180 mm排肥器圓周裝有8個(gè)排肥嘴。排肥嘴的體積與每穴排肥量以及有機(jī)肥密度有關(guān)，排肥嘴體積為：

(3)

式中：C2為排肥嘴體積，L。由式(3)計(jì)算可得C2=0.017 1 L。結(jié)合以上參數(shù)對(duì)有機(jī)肥箱和排肥器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 排沙裝置

排沙裝置由2組沙土箱、傳送帶、傳送帶輥等部件構(gòu)成(圖4)。沙土箱與傳送帶之間有2 cm的間隙，便于沙土箱中的沙子從沙土箱中漏出到傳送帶上。傳送帶動(dòng)力如若采用機(jī)械傳動(dòng)會(huì)因?yàn)椴煌侠瓩C(jī)駕駛員導(dǎo)致傳送帶運(yùn)行速度不同進(jìn)而導(dǎo)致排沙的量不同，故本樣機(jī)采用液壓馬達(dá)為傳送帶提供動(dòng)力[14-15]，由福田雷沃904自帶的液壓系統(tǒng)帶動(dòng)，保證傳送帶的運(yùn)行速度穩(wěn)定從而精確控制排沙量。液壓馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器與傳送帶輥相連接，帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)從而將沙土箱中漏出的沙子帶到傳送帶后邊的導(dǎo)沙板上，再經(jīng)導(dǎo)沙板將沙排到要播種的播種行上。

1.傳送帶；2.液壓馬達(dá)；3.沙土箱；4.導(dǎo)沙板1.Conveyor belt; 2.Hydraulic motor; 3.Sand box; 4.Sand guide plate 圖4 排沙裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of sand removal device

根據(jù)田間試驗(yàn)測(cè)得每行的排沙量均值約為75 g/m，本樣機(jī)同時(shí)播種4行，故排沙量為0.3 kg/m，排沙設(shè)定距離與排肥相同為1 000 m，用沙總量m1=300 kg，沙土箱容積為[16]：

(4)

式中：V為沙土箱總?cè)莘e，L；ρ為沙的密度，1.6 kg/L。由式(4)計(jì)算可得沙土箱總?cè)莘eV=187.5 L，結(jié)合該容積參數(shù)進(jìn)行沙土箱的設(shè)計(jì)。

2.3 膜上覆土裝置

2.3.1圓盤(pán)式取土器及組件

圓盤(pán)式取土器及組件由調(diào)節(jié)桿、彈簧、調(diào)節(jié)臂、角度調(diào)節(jié)架和圓盤(pán)式取土器構(gòu)成(圖5)。圓盤(pán)式取土器鉸接在角度調(diào)節(jié)架上，通過(guò)調(diào)節(jié)圓盤(pán)式取土器的角度控制膜上覆土的覆土量。彈簧桿與圓盤(pán)式取土器架和機(jī)架連接，依靠彈簧的彈力來(lái)實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)式取土器的仿形功能便于在不平整的土地上正常取土。

1.機(jī)架；2.調(diào)節(jié)桿；3.彈簧；4.調(diào)節(jié)臂；5.角度調(diào)節(jié)架；6.圓盤(pán)式取土器1.Frame; 2.Adjusting rod; 3.Spring; 4.Adjusting arm; 5.Angle adjusting frame; 6.Disc type soil extractor圖5 圓盤(pán)式取土器及其組件Fig.5 Disc type earth sampler and components

膜上覆土是為了防止地膜被風(fēng)吹起，所以對(duì)覆土量不用進(jìn)行精量控制，取土器選用普通的圓盤(pán)式取土器即可。影響圓盤(pán)式取土器取土作業(yè)質(zhì)量重要參數(shù)為圓盤(pán)直徑、圓盤(pán)偏角和圓盤(pán)傾角。圓盤(pán)直徑取決于最大耕深a1，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[17-19]求得：

k=D/a1

(5)

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本研究中k=2.5；D為圓盤(pán)式取土器直徑，mm；a1為最大耕深，取a1=100 mm。

經(jīng)計(jì)算得圓盤(pán)式取土器直徑D=250 mm。圓盤(pán)偏角α0的取值范圍為40° ～50°，隨著α0的增大圓盤(pán)式取土器的切土、碎土和取土能力都隨之增大，同時(shí)增加圓盤(pán)式取土器的阻力，故要因地制宜的通過(guò)角度調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)圓盤(pán)偏角α0。圓盤(pán)式取土器要向運(yùn)土輪中送土，須具有一定的翻垡能力。因此圓盤(pán)式取土器與鉛垂面須成一定夾角即為圓盤(pán)傾角β。圓盤(pán)傾角β取值范圍為15° ～25°[20]，經(jīng)田間試驗(yàn)圓盤(pán)傾角β=15°。

2.3.2運(yùn)土輪及組件

運(yùn)土輪及其組件由運(yùn)土輪、導(dǎo)土板等部件構(gòu)成(圖6)。其中運(yùn)土輪的輻條穿過(guò)運(yùn)土輪外輪廓，機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)凸出來(lái)的輻條可以插入土壤中，增加機(jī)具行走穩(wěn)定性。工作時(shí)，圓盤(pán)式取土器將土壤取到運(yùn)土板組成的空間中，運(yùn)土板中的土壤隨運(yùn)土輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將其送到高處。由于重力作用運(yùn)土輪上的土壤到一定高度就掉落到導(dǎo)土板上，再經(jīng)由導(dǎo)土板將土壤鋪設(shè)在黑色地膜的上方。

1.運(yùn)土輪；2.導(dǎo)土板；3.機(jī)架；4.輻條；5.運(yùn)土板1.Earth-moving wheel; 2.Soil guide plate; 3.Frame; 4.Spoke; 5.Soil-moving plate圖6 運(yùn)土輪及組件圖Fig.6 Earth-moving wheel and component diagram

為保證土壤能夠順利的通過(guò)導(dǎo)土板落到黑色地膜上，對(duì)導(dǎo)土板上任意一點(diǎn)的土壤進(jìn)行受力分析(圖7),公式如下：

(6)

式中：N為導(dǎo)土板對(duì)土壤的支持力，N；f為土壤在導(dǎo)土板上的摩擦阻力，N；G為土壤自身重力，kg；α為導(dǎo)土板與水平面夾角，(°)；μ為土壤與導(dǎo)土板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.3。

N為導(dǎo)土板對(duì)土壤的支持力，N；f為土壤在導(dǎo)土板上的摩擦阻力，N；G為土壤自身重力，kg；α為導(dǎo)土板與水平面的夾角，(°)。N is the supporting force of the soil guide plate to the soil, N; f is the friction resistance of the soil on the soil guide plate, N; G is the gravity of the soil, kg; α is the angle between the guide plate and the horizontal plane, (°).圖7 導(dǎo)土板土壤受力示意圖Fig.7 Schematic diagram of soil stress on guide plate

為保證土壤能夠沿著導(dǎo)土板向下移動(dòng)，完成膜上覆土操作，就必須滿足土壤重力沿導(dǎo)土板向下的分力大于土壤與導(dǎo)土板之間的摩擦力，即滿足公式[21]：

Gsinα≥f

(7)

聯(lián)立式(6)和(7)得：

α>arctanμ

(8)

由式(6)～(8)可得導(dǎo)土板與水平面夾角α>21.77°。考慮到沙土箱的位置與導(dǎo)土板位置不能干涉，兩導(dǎo)土板下邊緣之間的間隔略小于黑膜的尺寸以及機(jī)架尺寸等因素，最終確定導(dǎo)土板與水平面的夾角α=42°。

運(yùn)土輪選的設(shè)計(jì)直徑為1 400 mm，寬度為200 mm，運(yùn)土輪選用厚3 mm的鐵板制作。為保證運(yùn)土輪正常旋轉(zhuǎn)，選用半軸與軸承配合使用，呈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置。為保證運(yùn)土輪的強(qiáng)度及圓度，每個(gè)運(yùn)土輪裝有24根直徑10 mm的鋼筋作為輻條，輻條一端焊接在半軸上一端超過(guò)運(yùn)土輪表面70 mm，工作時(shí)運(yùn)土輪突出的輻條插入土壤中，增大了與土壤之間的摩擦力，便于運(yùn)土輪完成運(yùn)土操作。

2.4 播種裝置

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)的玉米播種裝置主要結(jié)構(gòu)為穴播器，穴播器由動(dòng)排種嘴、復(fù)位彈簧、穴播器外殼、撥動(dòng)輪、定排種嘴和分種勺等部件構(gòu)成(圖8)，安裝于機(jī)架末端。玉米種子從穴播器的導(dǎo)種口進(jìn)入到種室內(nèi)部，均勻分布在種室的下半部分。撥動(dòng)輪通過(guò)螺栓與外部連接架固定連接，隨著穴播器外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)分種勺在撥動(dòng)輪的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的打開(kāi)與閉合，同時(shí)將部分種子從種箱內(nèi)分離并與種箱內(nèi)其他種子隔開(kāi)。動(dòng)排種嘴與定排種嘴之間用銷(xiāo)釘連接，即動(dòng)排種嘴可繞連接處旋轉(zhuǎn)一定角度完成種子投放。動(dòng)排種嘴尾部安裝有復(fù)位彈簧，可使動(dòng)排種嘴脫離土壤的擠壓力后自動(dòng)閉合，并起震動(dòng)作用，可將排種嘴上的土壤震動(dòng)掉落。

試驗(yàn)玉米品種為隴單339號(hào)，千粒質(zhì)量為371 g，種子外形尺寸8.7 mm×7.5 mm×4.5 mm。穴播器播種要求每個(gè)穴內(nèi)播種1粒玉米種子，播種深度3～5 cm。分種勺在與撥動(dòng)輪開(kāi)始接觸時(shí)(A點(diǎn))由閉合轉(zhuǎn)向打開(kāi)狀態(tài)；分種勺完成取種(B點(diǎn))和清種(C點(diǎn))，由于分種勺設(shè)計(jì)的形狀和尺寸使得分種勺尖會(huì)保留1粒玉米種子，其他被分種勺帶出的種子因重力和清種刷共同作用掉回種箱中；分種勺與撥動(dòng)輪即將脫離(D點(diǎn))后將分種勺保留下的玉米種子彈入到定排種嘴與動(dòng)排種嘴組成的空間中；分種勺完成分種(E點(diǎn))后將分離出的種子封存在排種嘴內(nèi)完成分種操作。隨著穴播器轉(zhuǎn)動(dòng)，最下方的定排種嘴在重力作用下被壓入到土壤中同時(shí)動(dòng)排種嘴也因土壤擠壓打開(kāi)，排種嘴內(nèi)的玉米種子在自身重力以及離心力的作用下落至土壤中。當(dāng)該排種嘴離開(kāi)土壤后，動(dòng)排種嘴在復(fù)位彈簧的作用下閉合，完成1次播種動(dòng)作。

2.4.1穴播器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾筒式穴播器半徑是影響播種質(zhì)量和播種效率的關(guān)鍵因素之一[22]，適宜的穴播器半徑有利于播種質(zhì)量的提高。當(dāng)穴播器尺寸過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和重量的增加，當(dāng)穴播器尺寸過(guò)小將會(huì)導(dǎo)致排種嘴數(shù)量減少導(dǎo)致作業(yè)性能下降，故穴播器的半徑正常取值范圍為160～240 mm[23]。排種嘴數(shù)量的計(jì)算公式[23]為：

(9)

式中：t為玉米播種株距，mm；H為玉米種植深度，mm；R為穴播器半徑，mm；Z為排種嘴數(shù)量，個(gè)。考慮到西北旱區(qū)玉米播種的要求本樣機(jī)選用的穴播器半徑R=180 mm、株距t為170 mm、玉米種植深度40 mm，將數(shù)據(jù)帶入到式(9)中，取整后得排種嘴數(shù)量Z=8。

由穴播器播種過(guò)程示意圖(圖9)，可知：

(10)

A1為排種嘴與地面剛接觸點(diǎn)；B1為排種嘴入土最深點(diǎn)；C1為排種嘴與地面即將脫離點(diǎn)；O為穴播器圓心；β1為定排種嘴與穴播器垂線之間的夾角，(°)；β2為動(dòng)排種嘴與穴播器垂線之間的夾角，(°)。A1 is the point where the seed metering mouth just touches the ground; B1 is the deepest point where the seed metering mouth enters the soil; C1 is the point where the seed metering mouth is about to leave the ground; O is the center of the hole planter; β1 is between the fixed metering mouth and the vertical line The included angle of (°); β2 is the included angle between the dynamic seeding nozzle and the vertical line of the drill, (°).圖9 穴播器播種過(guò)程示意圖Fig.9 Schematic diagram of the seeding process

穴播器相鄰排種嘴中心所對(duì)應(yīng)的夾角β0與其排種嘴個(gè)數(shù)有關(guān)。重合度e是影響成穴質(zhì)量的關(guān)鍵因素，是指從定排種嘴入土到動(dòng)排種嘴出土所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與兩相鄰排種嘴中心所對(duì)應(yīng)的夾角之比[24]，即：

(11)

將式(10)帶入式(11)得：

(12)

由式(10)、(11)、(12)可知，穴播器排種嘴重合度e與穴播器半徑R、播種深度H和排種嘴個(gè)數(shù)Z有關(guān)，將相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式(12)中，可得e=1.56，即e≥1，滿足行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[25]。

2.4.2穴播器力學(xué)分析

樣機(jī)在田間播種時(shí)，穴播器在地表向前滾動(dòng)，穴播器外圓上的排種嘴經(jīng)歷進(jìn)、出土壤2個(gè)過(guò)程，從而完成成穴和播種動(dòng)作?；屏亢突坡适怯绊懗裳ㄙ|(zhì)量的主要因素,滑移率計(jì)算公式[25]為：

(13)

式中：δ為滑移率，%；R1為穴播器實(shí)際滾動(dòng)半徑，mm；α1為排種嘴轉(zhuǎn)角，(°)。

由式(13)可知，在穴距不變時(shí)，滑移量、滑移率和排種嘴進(jìn)出土壤的轉(zhuǎn)角與穴播器半徑成反比。排種嘴進(jìn)出土壤的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于地面的位移量是影響土壤開(kāi)孔寬度的主要因素，當(dāng)位移量過(guò)大時(shí)，撕膜和挑膜等現(xiàn)象明顯增多，從而影響地膜的鋪設(shè)效果，進(jìn)而影響種子的發(fā)芽率。

樣機(jī)在田間播種時(shí)，穴播器受力可簡(jiǎn)化為穴播器自身重力G、穴播器外殼所受地膜給予的摩擦力Ff和支持力FN以及機(jī)架提供的牽引力F，穴播器受力情況見(jiàn)圖10，由此可得以下方程：

(14)

(15)

F為機(jī)架為穴播器提供的牽引力；Fx和Fy為牽引力在水平方向和豎直方向的分力；FN為地面對(duì)穴播器的支持力；Ff為穴播器與地面之間的摩擦力；G1為穴播器自身所受重力；θ為F與水平面的夾角。F is the traction provided by the frame for the hole planter; Fx and Fy are the horizontal and vertical components of traction; FN is the supporting force of the ground to the hole planter; Ff is the force between the hole planter and the ground friction; G1 is the gravity of the hole planter itself; θ is the angle between F and the horizontal plane.圖10 穴播器受力示意圖Fig.10 Schematic diagram of the force of the hole planter

式中：μ1為穴播器與地膜摩擦因數(shù)；m為穴播器質(zhì)量，kg；a2為穴播器加速度，m/s2；ω為穴播器轉(zhuǎn)速，rad/s；v為樣機(jī)前進(jìn)速度，m/s；h2為入土深度，mm；RH為穴播器中心到排種嘴頂端距離，mm。將式(14)帶入式(15)中得：

(16)

由式(16)可知，穴播器與地膜的摩擦力大小主要由整機(jī)前進(jìn)速度、滑移率和入土深度共同決定。

2.5 排肥裝置運(yùn)動(dòng)仿真

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)要實(shí)現(xiàn)種肥同穴這一功能，除了要保證排肥器的排肥間距要與玉米穴播器的播種間距相同外還要保證排肥器與穴播器的間距為排肥間距的整數(shù)倍。本樣機(jī)采用的排肥和播種間距為170 mm，排肥器與穴播器間距為221 cm(為排肥間距的13倍)。

因排肥嘴和排種嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡相同，故將solidworks繪制的三維模型只保留機(jī)架以及一個(gè)排肥器得到玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)的三維簡(jiǎn)圖。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到Adams軟件中，對(duì)部分零件進(jìn)行布爾和運(yùn)算，減少零件個(gè)數(shù)便于后續(xù)的仿真運(yùn)算；建立各個(gè)零部件的連接方式，并在機(jī)架上添加平移的驅(qū)動(dòng)，在排肥器上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)并對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定；在排肥嘴上建立一點(diǎn)P，在結(jié)果欄對(duì)點(diǎn)P進(jìn)行軌跡仿真[26-27]，得到排肥嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖11。

P為排種嘴上的標(biāo)記點(diǎn)。1.P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；2.機(jī)架；3.排肥器P is the marking point on the discharging nozzle.1.The movement track of point P; 2.The frame; 3.The discharging device圖11 排肥嘴運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of motion trajectory of manure discharge nozzle

通過(guò)對(duì)排肥嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡分析可以看出，排肥嘴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為周期運(yùn)動(dòng)。將排肥嘴P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡導(dǎo)出1個(gè)周期到坐標(biāo)系(圖12)可以看出，本樣機(jī)的排肥深度為45 mm，符合穴播器的播種深度要求，排肥間距為170 mm滿足設(shè)計(jì)要求。排肥嘴運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線有利于提高成穴質(zhì)量和排肥質(zhì)量。在排肥過(guò)程中排肥嘴在土壤中停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，保證肥料順利排入到土壤中[28-29]。

P1為排肥周期起點(diǎn)；P2為排肥周期終點(diǎn)。P1 is the starting point of the fertilization cycle; P2 is the end of the fertilization cycle.圖12 排肥嘴上P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 The movement track of point P on the fertilizer mouth

由穴播器的力學(xué)分析可知，影響成穴質(zhì)量的主要因素為滑移率、整機(jī)前進(jìn)速度和穴播器的入土深度。排肥器結(jié)構(gòu)尺寸仿照穴播器制作，因此穴播器所得結(jié)論在排肥器中依舊適用。成穴質(zhì)量好壞可由穴孔寬度進(jìn)行衡量，即排肥嘴在地面排肥后留下的穴眼寬度，其穴眼寬度越小越好。因此，以滑移率、整機(jī)前進(jìn)速度和排肥器入土深度為影響因子，以穴眼寬度為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn)優(yōu)化方案。為方便仿真過(guò)程，依據(jù)式(15)計(jì)算出排肥器角速度。仿真參數(shù)設(shè)置和結(jié)果見(jiàn)表2，可知排肥器和穴播器最優(yōu)工作參數(shù)組合為：滑移率10%、整機(jī)速度0.55 m/s、排肥器入土深度30 mm，該條件下，排肥器和穴播器角速度為2.80 rad/s，排肥器和穴播器在土壤中形成的穴眼寬度最小為2.35 mm。

表2 排肥器仿真參數(shù)及結(jié)果Table 2 Fertilizer simulation parameters and results

3 田間試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)方法

在甘肅華瑞農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)性能田間試驗(yàn)，玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)及田間試驗(yàn)見(jiàn)圖13。試驗(yàn)田地勢(shì)平坦，土壤為沙壤土，土壤含水率8.9%～12.7%，40 mm深度土壤堅(jiān)實(shí)度為307.3 kPa，地溫平均值25.2 ℃。樣機(jī)由福田雷沃904型拖拉機(jī)帶動(dòng)，前進(jìn)速度0.55 m/s。樣機(jī)使用地膜為寬1.6 m、厚0.01 mm的透明與黑色相間的地膜；玉米種植品種為隴單339號(hào)；滴灌帶為貼片式滴灌帶。按照NY/T 987—2006《覆膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》對(duì)玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地長(zhǎng)100 m、寬1.6 m，在試驗(yàn)地長(zhǎng)度方向每隔5 m取5 m×1.6 m的區(qū)域共10組進(jìn)行采樣，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果取10次試驗(yàn)的平均值。測(cè)試計(jì)算玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)的空穴率、穴粒數(shù)合格率、膜下播種深度合格率。參數(shù)計(jì)算公式為：

(17)

式中：Hk為空穴率，%；kh為空穴數(shù)，個(gè)；f1為總為膜孔數(shù)，個(gè)；Hl為穴粒數(shù)合格率，%；lh為穴粒數(shù)合格穴數(shù)，個(gè)；Hb為膜下播種深度合格率，%；bh為膜下播種深度合格穴數(shù)，個(gè)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)行走順暢，地膜及滴灌鋪設(shè)順利，地膜覆土壓膜嚴(yán)實(shí)，覆沙位置準(zhǔn)確，種肥實(shí)現(xiàn)同穴播種，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯衩追N肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)田間各項(xiàng)指標(biāo)均符合NY/T 987—2006《覆膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》對(duì)播種機(jī)性能的測(cè)定要求。

表3 整機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of machine performance %

4 結(jié) 論

本研究根據(jù)西北灌區(qū)玉米種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)，對(duì)排肥裝置、排沙裝置、膜上覆土裝置和玉米播種裝置等主要關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了討論分析。該樣機(jī)能夠一次性完成種肥同穴播種、滴灌帶鋪設(shè)、地膜鋪設(shè)、膜上覆土和排沙等功能。作業(yè)時(shí)，玉米穴播器在膜上進(jìn)行播種，播種合格率高。主要結(jié)論如下：

1)本研究中的排肥裝置能夠?qū)Ψ勰钣袡C(jī)肥進(jìn)行施肥，同時(shí)實(shí)現(xiàn)種肥同穴播種，提高了有機(jī)肥的利用率。膜下滴灌可以減少水分的蒸發(fā)提高水分利用率。黑白相間地膜在促進(jìn)玉米生長(zhǎng)的同時(shí)有效的抑制雜草的生長(zhǎng)。

2)采用Adams軟件對(duì)排肥嘴軌跡進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果與預(yù)先設(shè)定目標(biāo)基本相同。根據(jù)影響因素通過(guò)仿真試驗(yàn)得到排肥器和穴播器最優(yōu)工況為：滑移率10%、整機(jī)速度0.55 m/s、排肥器入土深度30 mm時(shí)，排肥器和穴播器角速度2.80 rad/s，該條件下，排肥器和穴播器在土壤中形成的穴眼寬度最小為2.35 mm。

3)田間試驗(yàn)表明，當(dāng)玉米種肥同穴與膜下滴灌一體機(jī)前進(jìn)速度為0.43～0.97 m/s時(shí)，其空穴率為0.9%，穴粒數(shù)合格率92.3%，膜下播種深度合格率97.8%。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。