郭軍海 趙武云 石林榕* 周 剛 張鋒偉 楊昆山 辛尚龍

(1.甘肅農業(yè)大學 機電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅省農業(yè)科學院 旱地農業(yè)研究所，蘭州 730070；3.甘肅華瑞農業(yè)股份有限公司，甘肅 張掖 734000)

胡麻主要產于甘肅、山西、新疆、寧夏等地，是食用油的主要原料之一，對保障國家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。甘肅地處黃土高原，地理條件獨特，是油用型胡麻的主要產區(qū)。胡麻作為甘肅省的特色經濟作物，對該省經濟具有提升作用，近幾年，胡麻種植面積和產量逐年增加，胡麻生產機械化是提高其生產效率的重要途徑，其中機械化播種和收獲是制約胡麻規(guī)?；摹捌款i”，也是胡麻生產機械化急待解決的關鍵技術問題。

甘肅省主要作物的種植模式是以地膜覆蓋栽培技術為主，尤其在玉米和馬鈴薯作物中應用廣泛，增產效益較高。已有研究表明，將覆膜栽培模式應用于胡麻作物，比普通無膜種植模式出苗率提高12%，產量提高23.60%～29.67%。甘肅省傳統(tǒng)胡麻種植以人工撒播、簡易機械條播為主，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，機械化種植水平遠低于主要糧食作物。目前，發(fā)達國家精密播種研究已成熟，我國還處于技術完善階段。發(fā)達國家胡麻生產中整地、播種、施肥、灌溉、收獲、脫粒和打捆等過程全部實現(xiàn)機械化，呈高度集約化、規(guī)?；忍攸c，我國與國外在胡麻全程機械化水平差距較大。同時，國外機型功能全、體積大、價格昂貴，適用于我國旱作胡麻播種農藝要求的機具較少。國內已研制的胡麻播種機主要有2BY-26型胡麻施肥播種機、BXY-12型胡麻小區(qū)播種機等，這些機型以條播為主，播種效率和出苗率較低。周剛等針對胡麻條播機作業(yè)質量差、出苗率低等問題，在參考主糧作物成熟的精量穴播機等基礎上，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。這些機型的研制不僅提高了胡麻播種效率和出苗率，也為進一步完善西北旱作胡麻精量穴播技術提供了思路。石林榕等針對甘肅省普遍種植的胡麻品種，結合試驗和仿真法標定了胡麻排種仿真參數(shù)，對比仿真和試驗結果進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)質量提供了一定的理論基礎。

為拓展胡麻機械化穴播技術在沙質土上的種植模式，本研究旨在設計一種滾勺式胡麻聯(lián)合播種機，以期一次性完成施肥、滴灌、覆膜、覆土和穴播聯(lián)合作業(yè)，減少機具作業(yè)次數(shù)，同時提高播種效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

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

1.主機架；2.開溝器3.肥管；4.懸掛架；5.外槽輪式排肥器；6.肥箱；7.導口；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Fig.1 Rolling spoon type flax combined seeder

1.2 工作原理

作業(yè)時，拖拉機牽引整機前進，平土板將地表及拖拉機壓痕推平，開溝器將地表開出溝槽，鎮(zhèn)壓滾筒帶動排肥裝置中的外槽輪式排肥器將肥料按一定量排出，肥量經過肥管和開溝器流入溝槽，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，滴灌帶在導口引導下，鋪放于地表；位于機具兩側的開溝圓盤開出溝槽，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將胡麻種子通過鴨嘴破膜播入土壤；其后，覆土裝置將起土圓盤刮入覆土滾筒內的土壤經覆土口覆于膜面；最后，鎮(zhèn)壓輪在播種行間進行鎮(zhèn)壓作業(yè)。

1.3 主要技術指標

胡麻聯(lián)合播種機農藝要求見圖2。根據(jù)西北旱區(qū)胡麻機械化播種要求，播量為0.015～0.023 kg/m，穴粒數(shù)6～10粒。依據(jù)中耕機和收獲機作業(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，設計鋪設2條滴灌帶，通過鋪管裝置進行鋪設。為供種子生長發(fā)芽之需，通過聯(lián)合播種機的施肥裝置以深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)，由覆膜機構進行覆蓋。胡麻聯(lián)合播種機的主要技術參數(shù)見表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)合播種機種植農藝參數(shù)Fig.2 Planting agronomic parameters of flax combined seeder

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

參數(shù)Parameter數(shù)值Numerical value整機尺寸/(mm×mm×mm) Machine size2 542×1 429×1 264配套動力/kW Supporting power18.4～25.7作業(yè)速度/(km/h) Operation speed0.85～2.55生產效率/(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 關鍵部件設計

2.1 播種裝置

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

2

.

1

.

1

結構組成

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

1.滾輪式穴播器；2.固定板；3.主機架；4.調節(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 播種裝置結構Fig.3 Structure of seeding device

滾輪式穴播器是播種裝置的核心部件，其播種質量影響整機播種性能。主要由取種器、彈簧、側盤、種口、外圈、活動鴨嘴和固定鴨嘴等組成(圖4)。作業(yè)時，滾輪式穴播器順時針旋轉，胡麻種群在摩擦力和自重作用下動態(tài)流動于滾輪式穴播器內下部。取種器隨穴播器旋轉從種群中舀種，當穴播器轉至一定位置時種子落入鴨嘴內部，后隨鴨嘴破膜排入土壤，完成1次播種過程。

1.取種器；2.彈簧；3.側盤；4.種口；5.外圈；6.活動鴨嘴；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 滾輪式穴播器結構和功能分區(qū)Fig.4 Structure and function division of roller type hill planter

2

.

1

.

2

關鍵尺寸計算

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

(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)時的平穩(wěn)性，鴨嘴數(shù)目不能太少，取7。試驗地為沙質土，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鴨嘴出土所轉的角度與兩相鄰鴨嘴中心所對應的夾角之比。圖5示出鴨嘴重合度計算原理，鴨嘴播種時，固定鴨嘴從

A

點開始入土，到

B

點最深處，從

C

點處活動鴨嘴出土。

1.穴播器；2.固定鴨嘴；3.活動鴨嘴；4.地面1.Acupuncture; 2.Fixed duck mouth;3.Active duck mouth; 4.GroundA為固定鴨嘴入土點；B為鴨嘴入土最深處；C為活動鴨嘴出土點。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

為兩相鄰鴨嘴對應的夾角，與安裝鴨嘴的個數(shù)有關，

θ

=180°/

n

；

h

為鴨嘴高度，本研究取30 mm。對式(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。設計時應保證鴨嘴重合度

i

≥1，盡可能減小因滑移產生的鴨嘴撕膜、挑膜等現(xiàn)象，進而保證穴播器的播種質量。由式(3)計算得

i

=1.14，滿足穴播器上鴨嘴設計要求布置要求。

2

.

1

.

3

穴播器受力分析

播種時，穴播器鴨嘴進出土壤的運動軌跡相對于水平地面的位移量對穴孔寬度影響較大。當穴孔寬度增大時，鴨嘴對地膜撕膜、挑膜等現(xiàn)象增加；對穴孔周圍土壤擾動明顯，造成種穴周圍地溫降低，水分傳遞能力減弱等問題，應減小鴨嘴位移量。穴播器被牽引，在地表滾動前進，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，穴播器受力情況見圖6。

G為穴播器受到的重力，G=mg；F為機架為穴播器提供的牽引力；FN為地面對穴播器的支撐力；Ff為地面對穴播器的摩擦阻力，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：

(4)

(5)

式中：

F

為機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

為地面對穴播器的摩擦阻力，N；

m

為穴播器質量，kg；

ω

為穴播器的角速度，rad/s，

F

為地面對穴播器的支撐力，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

為整機前進速度，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量、半徑、牽引力與

x

軸方向的夾角、整機前進速度和滑移率共同影響。其中，

R

已經確定，

θ

與牽引桿商都有關，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

受土壤力學狀態(tài)的影響，試驗地土壤情況大致相同，

δ

大致相同，機器平穩(wěn)運行時，速度

v

不變。當穴播器質量

m

增加時，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位率，鴨嘴對地膜撕膜、挑膜等現(xiàn)象。因此，適當增加穴播器質量。

2.2 取種器設計

取種器是胡麻播種機整機實現(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、勺翼和固定板等構成(圖7)。取種器工作過程分為4個階段，分別為取種勺從種群中舀種、引種槽導種和清種、攜種腔卸種。其中，胡麻清種過程具體為在取種勺內的種子在回轉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。卸種過程具體為經引種槽進入攜種腔的種子，自動滑落至鴨嘴內。對取種勺舀種和引種槽引種過程進行理論分析，確定其影響播種的關鍵因素。

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為引種槽長度；b為梯形體取種勺截面的高；c為固定板長度；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 取種器結構Fig.7 Seed extractor structure

2

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2

.

1

取種勺舀種過程受力分析

作業(yè)時，胡麻在穴播器內部運動，穴播器帶動其轉動至一定高度后向下滑落，并被取種器中的取種勺舀種。取種勺的形狀和結構尺寸影響取種量，其兩邊設有三角形擋板，胡麻在滑落過程中被阻擋進入取種勺，取種勺體積影響取種量。取種勺舀種過程受穴播器、取種器和胡麻種群等影響，對其進行充種受力分析。胡麻充種過程受力分析見圖8?？梢?，若要讓胡麻向下滾落充填取種勺，需滿足以下條件：

N為外圈內壁對胡麻的支持力；f為胡麻與穴播器內壁之間的摩擦力；P為胡麻受到的離心力；G1為研究對象受到自重和其他胡麻對其正壓力；θ1為取種器內壁對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 胡麻充種過程受力分析Fig.8 Force analysis of flax seed filling process

(7)

式中：

G

為研究對象受到自重和其他胡麻對其正壓力，N；

θ

為取種器內壁對胡麻的支持力與豎直方向的夾角，(°)；

f

為胡麻與穴播器內壁之間的摩擦力，N；

N

為外圈內壁對胡麻的支持力，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

為研究對象的質量，kg。對式(7)換算后得：

G

(sin

θ

-

μ

cos

θ

)-

m

ω

R

≥0

(8)

觀察充種過程發(fā)現(xiàn)，在種箱內的胡麻種群上表面是充種的主要來源，

G

簡化為

m

g

。因此，對式(8)簡化為：

(9)

由式(9)可知，取種器轉動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

θ

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

ω

≤7 rad/s。

2

.

2

.

2

引種槽引種過程受力分析

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

N0為取種器對胡麻的支持力；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 引種過程受力分析Fig.9 Force analysis of introduction process

假設胡麻此時受力平衡，對其進行靜力學分析得：

(10)

式中：

N

為取種器對胡麻的支持力，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)化簡為由于

θ

接近于零，且0<

β

<90°，簡化為:

(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。將已確定值

R

和

ω

代入式(12)計算得

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大，設置為0°～10°。

2

.

2

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3

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

d

為21 mm、長度

c

為60 mm。設計取種器與豎直方向之間的夾角

γ

為24°。沙質土上胡麻種植農藝要求每穴胡麻數(shù)為6～10 粒，以10粒為依據(jù)，‘隴亞10號’胡麻千粒重為7.903 g，密度為0.66 g/mL，經計算10粒胡麻充種所需體積為120 mm。單個種子平均長為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，小于2倍種長，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；由梯形體體積計算得梯形體的高

h

約為9 mm。梯形體的引種槽長度

a

影響清種效果，初步確定

a

為31 mm。播種試驗發(fā)現(xiàn)梯形體的引種槽長度

a

、取種勺截面高

b

均影響取種量的穩(wěn)定性，以

a

和

b

作為試驗因素進行臺架試驗確定最佳參數(shù)。

2.3 覆膜機構、覆土裝置

2

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3

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1

結構組成

覆膜機構主要由主機架、膜側開溝圓盤、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，并穿過膜面覆土滾筒，將膜邊人工掩埋。工作時，膜側開溝圓盤在牽引力和自重的作用下切入土壤，開出膜溝，入土深度和角度可通過改變套筒長短和角度來實現(xiàn)。地膜緊貼展膜棍向后運動，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的土壤刮入膜面覆土滾筒兩側，滾筒內螺旋導土板將土壤向內部輸送，并將土壤從覆土槽漏下，完成膜面覆土鎮(zhèn)壓。

1.主機架；2.膜側開溝圓盤；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 覆膜機構和覆土裝置結構組成Fig.10 Structure composition of film covering mechanism and soil covering device

2

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3

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2

膜面覆土滾筒

由于沙質土內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口位置，設置了邊長為100 mm的方孔。為使地膜與種床充分貼合，避免河西走廊大風將地膜吹起，提高地膜覆土的均勻性和連續(xù)性，設計了膜面覆土滾筒，結構見圖11。考慮到滾筒輸土縱向穩(wěn)定性，設計滾筒直徑為380 mm，長為1 146 mm。為提高滾筒輸土性能，設計其內螺旋導土板為4片，寬度為40 mm，設計膜面覆土滾筒兩端的間隙為40 mm，中部間隙為70 mm，并可通過調節(jié)活動滾筒和固定滾筒之間的距離以滿足不同的覆土要求。為提高滾筒的驅動力避免打滑，滾筒轉動由其上驅動爪帶動，單個驅動爪截面設計成V形，同時為提高其入土性能，驅動爪頭部設計較小，考慮滾筒輸土的轉動力和平穩(wěn)性，設計驅動爪長為90 mm。

1.固定滾筒；2.活動滾筒；3.連接桿；4.驅動爪；5.支撐桿；6.螺旋導土板；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 膜面覆土滾筒結構Fig.11 Structure of roller covered with soil on membrane surface

2

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3

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3

螺旋導土板螺旋導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鍵因素之一。膜面覆土滾筒內螺旋導土板的作用是將土壤由兩側向內部輸送。對導土板上的土壤進行受力分析，假設此時土壤處于臨界狀態(tài)，

x

軸為土壤軸向輸送方向，

y

軸為拖拉機前進方向，見圖12。

H為螺旋導土板對土壤的合力；Hy為H在y軸的分力；Hx為H在x軸的分力；Hf為土壤與螺旋導土板的摩擦力；S為螺旋導土板對土壤的法向推力；m2為土壤質量；α為螺旋導土板安裝螺旋角；φ為土壤對螺旋導土板的摩擦角。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 螺旋導土板上土壤受力分析Fig.12 Soil stress analysis on spiral guide plate

螺旋導土板對土壤的力可分解為軸向(

x

軸)和徑向(

y

軸)，2個方向的力分別為：

(13)

式中：

H

為螺旋導土板對土壤的合力，N；

H

為

H

在

x

軸的分力，N；

H

為

H

在

y

軸的分力，N；

α

為螺旋導土板安裝螺旋角，(°)；

φ

為土壤對螺旋導土板的摩擦角，(°)。為使導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)

設土壤沿螺旋導土板軸向運動的速度為

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

為土壤質量。對式(15)求

α

的導數(shù)可得：

(16)

令土壤沿膜面覆土滾筒軸向運動的加速度最大時的螺旋角

α

為：

(17)

查閱相關文獻資料，沙質土對螺旋導土板的摩擦角

φ

取34°，由式(17)計算可得螺旋導土板安裝螺旋角

α

=28°。

3 臺架試驗

3.1 材料及試驗方法

為優(yōu)化滾輪式穴播器排種性能，于2020年8月在甘肅農業(yè)大學機電工程學院進行胡麻排種臺架試驗。胡麻品種為隴亞10號，千粒重7.36 g，自然休止角23°。胡麻排種試驗臺主要由6IK300RGU-CF可調轉速電機(調速范圍4～430 r/min)、臺架、輸送帶、滾輪式穴播器等組成(圖13)。胡麻聯(lián)合播種機能進行單次6行播種，各個穴播器排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)是影響播種質量好壞的關鍵因素，參照JB/T 6274.1—2013《谷物播種機第1部分：技術條件標準試驗方法》對播種機6個穴播器分別進行排種臺架試驗，選取取種器引種槽長度、穴播器轉速和取種勺截面高作為此次試驗的3個主要因素。每組試驗選取80個鴨嘴的穴粒數(shù)進行統(tǒng)計，每組重復3次，取平均值作為試驗結果記錄分析，以各個穴播器排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)為評價指標。

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

各個穴播器排量一致性變異系數(shù)的計算式為：

(18)

式中：

q

為第

i

行第

N

次測量結果平均值；

N

為測量次數(shù)；

q

為第

j

次測量，第

i

行的排量測量值；為各行排種量的測量平均值；

n

為行數(shù)；

S

為各行排量的標準差；

α

為各個穴播器排量一致性變異系數(shù)。

當6≤穴粒數(shù)≤10時為合格，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 試驗安排及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)前期對穴播器的設計和理論分析，選擇引種槽長度、穴播器轉速、取種勺截面高為影響因素，以穴粒數(shù)合格指數(shù)和各個穴播器排量一致性變異系數(shù)為評價指標，按照正交表

L

(3)安排試驗。穴播器播種試驗因素水平見表2，各因素對試驗指標的影響結果見表3,極差分析見表4。

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

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

注：為引種槽長度；為穴播器轉速；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 各因素對試驗指標的影響結果
Table 3 The influence of various factors on the test index

試驗號Text number因素水平值 Factor level value試驗指標 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 極差分析結果
Table 4 Range analysis results

試驗指標Text index分析項Analysis item試驗因素 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應的指標之和；，，分別表示各因素各水平所對應指標之和的平均值；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

。對臺架試驗結果進行方差分析，結果見表5。

表5 方差分析結果
Table 5 Analysis of variance results

試驗指標Test index來源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.

對于排量一致性變異系數(shù)，穴播器轉速和引種槽長度對其影響顯著，取種勺截面高影響不顯著；對于平均穴粒數(shù)合格指數(shù)，穴播器轉速和引種槽長度對其影響顯著，取種勺截面高影響不顯著。究其原因，當穴播器轉速高，會縮短取種勺的充種和清種時間，使取種勺充種、清種不充分，會使排量一致性變異系數(shù)變大；引種槽長度增加，會增加種子在引種槽內的逗留時間，增加了種子進入鴨嘴的時間，會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、卸種過程增加了不確定因素，進而增加了排量一致性變異系數(shù)。綜合考慮2個不同指標的參數(shù)優(yōu)化指標，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

，即引種槽長度為31 mm、穴播器轉速為25 r/min、取種勺截面高為5 mm，與其對應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

2020年8月在華瑞農業(yè)股份有限公司進行胡麻聯(lián)合播種機田間試驗。土壤為沙土，含水率13.4%，土壤堅實度1.73～1.84 MPa，密度1.64 g/cm。試驗前進行旋耕作業(yè)并施加有機肥，土地平整。胡麻品種為隴亞10號，選擇0.01 mm厚白色地膜；牽引機為東方紅-300型拖拉機，功率為22.1 kW，播種機前進速度為0.94 m/s，田間試驗及效果見圖14。

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

胡麻播種試驗結束后，分別測定6行單一播種行內，隨機6 m長的測量區(qū)每穴種子數(shù)量，共測量180穴。同時，對挖出的每行種子進行稱重，用于計算胡麻聯(lián)合播種機的排量一致性變異系數(shù)和穴粒數(shù)合格指數(shù)，測定結果見表6。

表6 田間播種試驗6行單一播種隨機6 m測量區(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質量/g Mass2.202.242.242.192.312.34

由統(tǒng)計結果計算可知，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%，以上結果基本和臺架試驗結果一致。田間試驗過程中，穴粒數(shù)合格指數(shù)由于受地面起伏和振動等因素影響，部分取種器有未能排凈的現(xiàn)象，會積累到下次排種，造成部分穴粒數(shù)過大的問題。各行試驗結果表明胡麻聯(lián)合播種機的各個裝置運行平穩(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)兩邊行穴孔被邊側土壤掩埋的現(xiàn)象，并且膜面覆土滾筒也沒有出現(xiàn)壅土現(xiàn)象；播種系統(tǒng)取種精確、穩(wěn)定，排種流暢，并無撕膜現(xiàn)象，與臺試驗結果接近。綜上，聯(lián)合播種機試驗指標均達行業(yè)標準要求。

4 結 論

本研究針對西北旱區(qū)胡麻精密種植效率低下的問題，設計了一種集施肥、滴灌、覆膜、覆土和穴播為一體的胡麻播種機。對整機關鍵部件進行了作業(yè)分析和理論計算，確定了播種裝置、覆膜覆土裝置的部分結構和作業(yè)參數(shù)。針對胡麻每穴6～10粒種子的播種要求，對滾輪式穴播器進行臺架試驗，確定了最佳工作參數(shù)，提高了取種的精確性和穩(wěn)定性，并對其進行田間驗證試驗。主要結論如下：

1)臺架試驗結果表明，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，引種槽長度和穴播器轉速。由方差分析可知，穴播器最佳工作參數(shù)為，引種槽長度31 mm、穴播器轉速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)田間試驗表明，胡麻聯(lián)合播種機的各個裝置運行平穩(wěn)可靠，聯(lián)合播種機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%，與臺架試驗結果基本一致，以上指標均能達到行業(yè)標準要求。