摘 要：针对西北地区胡麻播种机旋耕取土装置取土不均匀导致膜上覆土不均匀的问题，设计一款带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机。该机具由旋耕装置、地膜覆土装置、滴灌带铺设装置、地膜铺设装置和播种装置组成。根据农艺种植要求对机具的关键装置进行理论分析和功率计算，确定满足覆土工作时运土带线速度、双向螺旋输送器转速、双排取种勺式穴播器的半径及整机配套拖拉机功率。采用EDEM软件对地膜覆土装置覆土过程进行仿真，验证蓄土装置的可行性。田间试验结果表明：机具前进速度为0.6m/s时，其空穴率为1.2%、穴粒数合格率89.3%、播种深度合格率86.5%、膜孔错位率5.1%、膜边覆土厚度合格率95.7%、邻接行距合格率92.4%。田间播种性能试验相关指标均达到覆膜穴播机作业质量要求，田间试验覆土结果与仿真结果基本一致。
关键词：胡麻；全膜覆盖；精量穴播；蓄土槽
胡麻是胡麻科、胡麻属一年生草本经济作物，主要种植于我国西北和华北的干旱、半干旱地区，种植面积超过70万hm2，土壤水分和温度是限制胡麻产量的重要因素[1-2]。研究表明地膜覆盖穴播种植模式可以有效缩短胡麻生育期，提高胡麻水分利用效率和产量，且全膜穴播的经济效益优于垄膜侧播[3-4]。西北旱区多年的高强度耕作和降水时空分布不均衡导致耕地土壤肥力衰退，土壤承载力下降，而全地膜覆盖和滴灌带的应用为西北旱区胡麻生长提供更加有利的生长环境[5-7]。目前，国外针对干旱、半干旱地区的胡麻精量穴播机较少，且为数不多的机具机型庞大、价格昂贵，不适用于我国西北地区的小地块作业要求。国内现有胡麻播种机可分为非覆膜式和覆膜式2种。由2BF-24型小麦播种机改装的胡麻条播机[8]为非覆膜式胡麻播种机，此类胡麻播种机不带有覆膜和滴灌带铺设功能，该种植模式不适用于西北旱区；旱地胡麻起垄覆膜播种联合作业机[9]为覆膜式胡麻播种机，该播种方式膜间存在间距导致膜间杂草生长严重，在有机种植模式下需人工除草，增加种植成本。现有覆膜式胡麻播种机覆土不均匀现象十分常见，覆土不均匀会直接影响地膜功效和胡麻种子发芽率[10-11]。为解决以上问题，本研究拟以戴飞等[12]提出的覆土量理论分析计算方法为理论基础同时引入地膜全覆盖种植方式，设计一款带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机。
1整机结构与工作原理
1.1整机结构
胡麻精量穴播联合作业机主要由旋耕装置、滴灌带铺设装置、地膜全覆盖装置、地膜覆土装置、播种装置及动力传动系统组成（图1）。
1.旋耕装置；2.机架；3.变速箱；4.滴灌带铺设装置；5.地膜覆土装置；6.双向螺旋输送器；7.覆土开口调节杆；8.双排取种勺式穴播器；9.地膜镇压辊；10.镇压开沟辊；11.运土带；12.蓄土槽
图1 胡麻精量穴播联合作业机示意图
1.2传动系统与工作原理
整机采用后置三点悬挂方式与拖拉机连接，拖拉机动力输出轴与变速箱动力输入轴通过传动轴连接实现动力输入，变速箱输入轴带动左右一对锥齿轮分别将动力向左、右传送。变速箱右侧动力通过链条带动旋耕刀工作，左侧链条带动后方双向螺旋输送器转动同时通过链条外啮合改变转向带动运土带辊顺时针转动实现运土动作，其传动系统原理见图2。拖拉机带动整机前进时，镇压开沟辊和穴播器依靠摩擦力完成镇压开沟和播种工作，地膜架上的地膜和滴灌带架上的滴灌带由预先铺设部分的拉力和地面的摩擦力完成铺设工作。
1.旋耕刀组；2.变速箱；3.平地开沟辊；4.运土装置；5.地膜架；6.压膜轮；7.双向螺旋输送器；8.导土板；9.筛网
图2 联合作业机传动系统原理
旋耕刀组在刀轴带动下切碎埋在地表以下的根茬，同将土壤向后方抛送；抛起土壤由运土带输送到蓄土槽内，与此同时镇压开沟辊对旋耕过后的地表进行镇压及开压膜沟，开沟部分横截面为三角形便于压膜沟成型，开沟部分顶端以及与镇压部分过度处采用半径较大圆弧过度，保证再次开沟顺畅且不会损伤已铺地膜；滴灌带开沟铺设器在镇压后地表开一条1~2cm深槽后将滴灌带铺设于槽内；地膜在压膜轮的镇压下平整铺设于种床上；蓄土槽内土壤经筛网过滤将土壤中较大石块筛出并导向两侧排石口排出，经过筛滤后的土壤大部分经导土板直接覆盖至地膜表面，小部分由双向螺旋输送器向两侧推送保证膜边覆土厚度，完成膜面和膜边的不同覆土要求；由于胡麻种植行距较小单排穴播器无法满足胡麻播种要求，因此采用双排取种勺式穴播器对种床进行播种。
1.3主要技术指标
结合西北地区干旱少雨、昼夜温差大和光照充足等气候特征，为提高水分、土地利用率及胡麻发芽率，在设计过程中选用幅宽为160cm、厚度为0.01mm的黑色地膜进行铺设。全膜覆盖种植可以更好的抑制膜间杂草生长，提高土壤水肥利用率，保持土壤适宜的温度和湿度；减缓低温下降速度，利于肥料的腐熟与分解，提高土壤肥力[11]。为保证覆膜质量，因此在膜边开有压膜沟且对膜边着重覆土。带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机技术参数见表1。
表1 带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机主要技术参数
2关键部件设计与参数确定
2.1旋耕装置
旋耕刀组由42片旋耕刀和刀轴组成，结构见图3。为确保旋耕过后种床平整，左侧刀轴轴头安装2个右弯刀，右侧刀轴轴头安装2个左弯刀，中间旋耕刀选用左右弯刀混合安装的方法。旋耕刀在刀轴上呈双螺旋线排布，左右弯刀交替入土，以平衡旋耕刀侧向切土反作用力，减少刀轴所受轴向冲击载荷，增加旋耕装置使用寿命[13]。
1.旋耕刀刀轴；2.旋耕右弯刀；3.旋耕左弯刀
图3 旋耕刀组结构图
整机工作过程中，旋耕刀用于切碎残留在地表以下的根茬，同时将土壤向后方抛送等。为保证整机各项工作平稳运行，确保其配套动力合理，对整机主要耗能装置进行功率估算。旋耕装置功率损耗计算公式为：
式中：P1为旋耕装置功率损耗，kW；Kλ为旋耕比阻，取6.3N/cm2[14]；d为旋耕深度，15cm；v1为整机作业速度，取0.6m/s；b为旋耕刀组整体的旋耕宽度值，140cm。由式(1)计算得P1=7.93kW。
2.2地膜覆土装置
地膜覆土装置是胡麻精量穴播联合作业机主要工作装置，主要由运土装置（运土带、主动运土带辊和从动运土带辊）和蓄土装置（双向螺旋输送器、覆土下板、导土板和筛网）组成（图 ４）。
1.从动运土带辊；2.运土带；3.筛网；4.覆土下板；5.导土板；6.主动运土带辊；7.双向螺旋输送器
图4 地膜覆土装置
运土带将土壤运送至蓄土槽中，蓄土槽内土壤经筛网过滤将土壤中石块筛滤离，通过筛网的土壤被暂存在覆土下板与导土板组成的蓄土槽内，再由双向螺旋输送器将土壤均匀连续的排出蓄土槽，再由导土板将土壤覆盖到地膜表面。膜上覆土量的多少直接影响地膜增温、保水、保墒的作用和胡麻种子发芽率。影响覆土量的关键因素包括：运土带线速度、双向螺旋输送器转速及其结构参数，故对以上因素进行理论分析和参数计算，膜上覆土量计算公式为[10]：
式中：Q1为膜上覆土量，kg；γ为土壤容重，实地测量为1332kg/m3；l1为单位覆土长度，取100cm；B1为膜上覆土宽度，取144cm；H1为膜上覆土厚度，取1cm。由式(2)计算可得Q1=19.18kg。
两侧膜边覆土量为：
式中：Q2单侧膜边覆土量，kg；B2为单侧膜边覆土宽度，取10cm；H2为膜边覆土厚度，取2cm。由式（３）计算得Ｑ２＝2.66kg。
长度1m的膜上覆土总量Ｑ为：
由式（４）计算可得Ｑ＝24.5kg。
2.2.1运土装置
运土装置运土过程见图 5。运土刮板由长度为160cm的30mm×30mm的角铁制成，间隔为20cm均匀安装在运土带上，运土带最低处距离地面6cm，运土带倾角β=40°[15]。
1.运土带；2.运土刮板；3.土壤
B3 为运土刮板间宽度；H3 为运土刮板高度；v2 为运土带线 速度；β为运土带倾角。
图5 运土装置运土过程
运土装置覆土量与运土刮板长度及宽度、运土带线速度及倾斜角和整机前进速度有关，在确定其他影响因素后，通过式(5)确定运土带线速度[13]：
式中：v2为运土带线速度，m/s；t为整机铺设单位覆土长度l1所需时间，t=l1/v1；L1为运土刮板长度，140cm；B3为运土刮板间宽度，取20cm；H3为运土刮板高度，取3cm； φ为运土带填充系数，倾斜升运，取0.92[13]；k为倾斜系数，运土带倾角β为40°，查表取0.43[13]；v1为整机前进速度，取0.6m/s。由式(5)计算可得t=1.67s，v2=3.31m/s。运土装置所需功率为[13]：
式中：P2为运土装置所需功率，kW；Q3为运土装置运土量，Q3=Q/t；L为运土装置水平投影长度，取27.5cm；H2为运土装置竖直投影长度运，取37cm；W为运土装置运动阻力系数，取1.04[13]。由式(6)计算可得Q3=14.70kg/s，P2=0.09kW。
2.2.2蓄土装置
蓄土装置由筛网、双向螺旋输送器、导土板、覆土上板及覆土下板等组成见图 ６。随着双向螺旋输送器转动，蓄土装置中土壤均匀连续的排至导土板上，再由导土板将土壤覆盖到对应位置。
1.筛网；2.双向螺旋输送器；3.覆土下板；4.导土板；5.覆土上板
图６ 蓄土装置结构示意图
通常在不考虑土壤轴向阻滞影响的情况下，双向螺旋输送器转速与双向螺旋输送器土壤单侧输送量Q4和双向螺旋输送器叶片外径D1等因素有关，可由式(7)计算得到[16-17]：
式中：n为双向螺旋输送器转速，r/min；Q4为双向螺旋输送器土壤单侧输送量，Q4=Q2/t；D1为双向螺旋输送器叶片外径，为160mm；d1为双向螺旋输送器叶片内径，30mm；λ为输送叶片与外壳间隙，2mm； φ１为双向螺旋输送器填充系数，查表取0.33[13]；S为双向螺旋输送器叶片螺距，为130mm；ε为倾斜输送系数，双向螺旋输送器为水平输送因此倾角为0°取1[13]。由式(7)计算得n=143.4r/min。
蓄土装置所需功率为：
式中：P3为蓄土装置功率，kW；Kf为功率储存系数，取1.4[13]；η为驱动装置总效率，取η=0.94[13]；W2为土壤沿蓄土槽移动阻力系数，取1.2[13]；L0为土壤水平输送距离，为140cm；H4为土壤提升高度，为0cm。
由式(8)计算可得P3=0.04kW。胡麻精量穴播联合作业机总功率为：
由式(9)计算可得P=8.06kW，故选用博马424拖拉机带动样机进行田间试验。
2.3播种装置
选用‘陇亚13号’胡麻为试验样本，其千粒重为8.13g。播种装置主要部件为双排取种勺式穴播器，其由取种勺、动排种嘴、定排种嘴、复位弹簧、穴播器外壳及轮轴等部件构成见图7。
1.定排种嘴；2.动排种嘴；3.复位弹簧；4.取种勺；5.穴播器外壳；6.加种口；7.侧板配重块
图7 双排取种勺式穴播器结构示意图
穴播器通过穴播器架铰接于整机尾部，依靠自身重力在不平整地表进行仿形播种。取种勺随着穴播器外壳转动每次可将8~10粒胡麻籽从种群中分离，并导入排种嘴内。动排种嘴与定排种嘴铰接，动排种嘴可以在土壤的挤压下绕铰接处转动一定角度，即在种床形成一个深度为25~35mm的穴眼并将胡麻籽排入穴眼内。动排种嘴尾部安装有复位弹簧，可使动排种嘴脱离土壤的挤压力后迅速闭合，通过该闭合过程的振动将排种嘴上土壤振落。
双排取种勺式穴播器结构是影响播种质量的关键因素[18]。当穴播器半径过大将会导致整机重心后移不利于整机的提起，穴播器半径过小时会导致定排种嘴数量过少导致排种过程中跳动较为严重，综合考虑整机结构双排取种勺式穴播器半径取值范围为180~240mm[19]。穴播器半径计算公式为：
式中：R为双排取种勺式穴播器半径，mm；n1为定排种嘴数量，14个；l2为株距，100mm。
在播种过程中双排取种勺式穴播器会产生一定的滑移，因此穴播器实际播种半径还与土壤坚实度有关。双排取种勺式穴播器实际播种半径计算公式为[2]：
式中：R′为双排取种勺式穴播器实际播种半径，mm；hmax为定排种嘴高度，为60mm；δ为土壤坚实度常数，为0.5[20]；h1为播种深度，为30mm；h0为定排种嘴在双排取种勺式穴播外的高度，为60mm；h′0为定排种嘴在双排取种勺式穴播内的高度，为0mm。由式(10)和(11)得：
计算得到双排取种勺式穴播器半径R=188mm。
3地膜覆土装置覆土过程仿真
3.1仿真参数设定
覆土过程中蓄土装置中筛网对土壤中石块进行筛离，后将石块从两侧排石口排出，使其掉落至两侧膜边去除其对胡麻种子发芽的影响。经过筛滤后的土壤大部分由双向螺旋输送器连续均匀的排出蓄土装置，并由导土板导向覆盖至膜面，小部土壤由双向螺旋输送器向两侧推送增加膜边覆土厚度。为进一步动态观察和验证地膜覆土装置的石块筛离效果、土壤迁移效率及蓄土能力，采用离散单元法对地膜覆土装置覆土过程进行仿真分析。覆土过程中运土装置不为主要研究对象，为简化仿真过程将其取代为位于蓄土装置上方的颗粒工厂。土壤颗粒选用单球模型，其直径设定为4mm[21]，石块选用单球模型，其直径设定为40mm[22]，经实地测量得知田间试验土壤中含石率为2.5%，故在Particle ratio中设定石块的单球模型占总质量比为2.5%。设置土壤颗粒-土壤颗粒、土壤颗粒-石块、石块-石块、土壤颗粒-蓄土装置和石块-蓄土装置接触模型选择Hertz mindlin(no slip)built-in optimal[23-26]，覆土过程仿真模型相关参数见表2。
表2 覆土过程仿真模型相关材料及接触参数
在Creator界面中的Geometries中给双向螺旋输送器增加线性旋转运动，将其转速设置为143.4r/min，给地面添加直线移动，将初速速度设置为0.6m/s。颗粒工厂为设置在蓄土装置上方绕Y轴逆时针旋转17°的矩形(11cm×140cm)平面，颗粒产生速度为14.38kg/s，其中石块占土石混合物的2.5%。在Simulator界面中仿真时间步长9.739×10-5s，是瑞利时间步长的20%，仿真共进行1.5s。
3.2地膜覆土装置覆土过程数值模拟
对地膜覆土装置覆土过程进行数值模拟，解析土壤在筛网上的筛滤路径与筛滤后土壤在双向螺旋输送器推送下的迁移规律，模拟结果见图8。当离散元仿真时间ts=0s时颗粒工厂开始生成颗粒并往下掉落(图8(a))； ts=0.35s时(图8(b))土壤中石块在筛网和后续土壤的挤压下开始分离，过滤后土壤在双向螺旋输送器的带动下将土壤排出蓄土槽，同时将部分土壤向左右两侧膜边推送； ts=0.60s时(图8(c))土壤已均匀连续从蓄土槽中向外排出，同时开始有石块从两侧排石口滑出； ts=0.90s时从地膜覆土装置中的石块都掉落至膜边位置，同时双向螺旋输送器的土壤迁移趋于稳定状态(图8(d))； ts=1.20~1.50s时土壤成“幕帘”状从导土板上滑落，在双向螺旋输送器的推送下实现膜边着重覆土，在筛网的作用下石块只向两侧膜边掉落(图8(e)和(f))。
图８ 地膜覆土装置覆土过程数值模拟结果
为了能够更为直观的对比膜上覆土量与膜边覆土量，在覆土下板添加3个网格线组，分别对应膜面覆土口和2个膜边覆土口，分别在每个网格线组的Options中添加Number of particles编辑器，方便统计通过各个网格线组中每种粒子的数量。处理完成后将仿真数据导入Origin得到覆土颗粒数量和覆土石块数量(图9)。由图9(b)和图8(f)可以看出，中间覆土带并未有石块出现，且石块都从两侧排石口排出覆盖至膜边，因此证明经过筛网的筛分和引流后土壤中石块可按预期导向至两侧边。
图9 离散元仿真过程膜上各个位置覆土颗粒(a)和覆土石块(b)数量的变化
由式(2)和(3)可知，中间覆土带宽度为124cm，膜上覆土厚度为1cm，两侧膜边覆土带宽度为10cm，膜边覆土厚度为2cm。因此理论上中间覆土带覆土量与两侧膜边覆土带覆土量关系为：
式中：σ1为理论上中间覆土带覆土量与两侧膜边覆土带覆土量的比值。将各参数代入式(13)计算出σ1=3.1。
由图9可知，当离散元仿真时间ts≥0.6s时土壤已均匀连续从蓄土装置中向外排出，为验证双向螺旋输送器土壤迁移效率，选离散元仿真时间ts=1.5s时为采样点，读取覆土带上各个位置流过土壤颗粒总数。离散元仿真时中间覆土带覆土量与两侧膜边覆土带覆土量关系为：
式中：σ2为离散元仿真时中间覆土带覆土量与两侧膜边覆土带覆土量的比值；A1为离散元仿真时间ts=1.5s时落至中间覆土带土壤颗粒数，测量的A1=24449个；A2为离散元仿真时间ts=1.5s时落至左边覆土带土壤颗粒数，A2=3998个；A3为离散元仿真时间ts=1.5s时落至右边覆土带土壤颗粒数，A3=3892个。
将各参数代入式(14)计算出σ2=3.099。σ2与σ1比较数值相差无几，因此通过EDEM仿真确定双向螺旋输送器所设计转速符合整机的覆土要求。
4田间试验与分析
4.1试验方法
在甘肃省张掖市民乐县华瑞农业股份有限公司进行带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机田间试验。试验田地势平坦，土壤为沙壤土，含水率为6.61%，容重1332kg/m3，25mm深土壤坚实度0.24MPa，35mm深土壤坚实度0.31MPa；样机配套动力为30.9kW博马424拖拉机，前进速度0.6m/s，使用地膜为宽1.6m、厚0.01mm的地膜，贴片式滴灌带；胡麻品种为‘陇亚13号’，千粒重8.13g，样机田间作业状态和播种效果见图10。
图10 带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机田间作业状态及播种效果图
试验田面积为5.7hm2，共播种胡麻85行，按照GB/T6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[27]和NY/T987—2006《铺膜穴播机作业质量》[28]的要求，测定带有覆土装置的胡麻精量穴播联合作业机的空穴率、穴粒数合格率、播种深度合格率、膜孔错位率、膜边覆土厚度合格率和邻接行距合格率，性能参数计算公式如下：
式中：Hk为空穴率，%；kh为总测定空穴数，个；f0为总测定膜孔数，个；Hl为穴粒数合格率，%；lh为总测定穴粒数合格穴数，个；Hb为播种深度合格率，%；bh为总测定播种深度合格穴数，个；Hc为膜孔错位率，%；ch为总测定错位膜孔数，个；Fh为膜边覆土厚度合格率，%；dh为总测定膜边覆土厚度合格点数，个；d0为总测定膜边覆土厚度点数，个；Hj为邻接行距合格率，%；Jh为总测定邻接行距合格点数，个；J0为总测定邻接行距点数，个。
4.2试验结果及分析
样机田间试验结果见表3，其相关指标均符合GB/T6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[27]和NY/T987—2006《铺膜穴播机作业质量》[28]要求，播种效果满足实际作业需求。
由整机田间试验播种效果可知，膜上全覆土分布形态与地膜覆土装置仿真分析结果基本一致(图 10)，表明膜上覆土过程数值模拟的相关参数设置准确、建立模型合理，可在后续研究中探讨不同旋耕装置、地膜覆土装置和播种装置的配件选型及参数组合对膜上覆土效果和播种效果的影响，以寻找更优工作参数。
带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机中低速播种时，各装置工作稳定。旋耕装置与地膜覆土装置配合，确保膜上土壤均匀连续覆盖和膜边着重覆土，并将土壤中石块筛出并覆到地膜两侧。由此可见，蓄土装置解决旋耕装置在坑洼不平地表时取土不均匀导致的覆土不均问题。地膜覆土装置与播种装置配合，确保胡麻种床质量，同时将胡麻种子精量穴播到特定位置。但由于本样机取土方式为旋耕取土，为保证取土量，旋耕装置与田间土壤要有充足的接触，因此，播种机速度的优化提升还有待于进一步研究。
表3 样机田间试验结果
5结论
本研究针对干旱、半干旱地区全膜覆盖覆土播种的栽培模式，设计了带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机，该机具能够一次性完成旋耕、滴灌带铺设、地膜全覆盖、膜上覆土及胡麻精量穴播等作业，具有膜边接茬效果好、膜上覆土均匀及播种合格率高等特点。主要结论如下：
1)确定整机传动系统并且对旋耕装置、地膜覆土装置及播种装置关键部件的结构尺寸进行设计，结合各部件作业性能与胡麻种植要求对关键工作参数与功耗进行分析计算。由计算得到，运土带线速度为3.31m/s，双向螺旋输送器转速143.4r/min，双排取种勺式穴播器半径188mm；旋耕装置功率7.93kW，地膜覆土装置中运土装置功率0.09kW，蓄土装置功率0.04kW，总功率8.06kW。
2)应用离散单元法验证地膜覆土装置的筛石效果、土壤迁移率及蓄土能力发现，当仿真运行时间为0.6s后地膜覆土装置趋于稳定，土壤颗粒成“幕帘”状从地膜覆土装置中排出，在双向螺旋输送器的推送下实现膜边着重覆土，在筛网的作用下石块仅向两侧膜边位置掉落，防止石块覆盖至膜面影响胡麻的生长。
3)田间试验表明，当带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机前进速度为0.6m/s时，其空穴率为1.2%、穴粒数合格率89.3%、播种深度合格率86.5%、膜孔错位率5.1%、膜边覆土厚度合格率95.7%、邻接行距合格率92.4%。田间播种性能试验相关指标均达到覆膜穴播机作业质量要求，田间试验结果与仿真结果基本一致。
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文章摘自：曲浩，石林榕，辛尚龙，赵武云，郭军海，杨天，杨金发，刘凤军.带有蓄土装置的胡麻精量穴播联合作业机的设计与试验[J].中国农业大学学报，2022，27(08)：186-197.
