玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯合作業機的設計與試驗

王亨泰，田斌，孫偉，王軍增

（甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

玉米是我國主要糧食作物之一，產區遍布全國，作為糧、經、飼兼用作物用途廣泛，對整個國民經濟發展都有著巨大的影響。年播種面積約占全國耕地面積的三分之一［1-5］。

北方旱作農業區覆膜玉米栽培主要采用膜上打孔的種植方式，由于受風力作用及降雨等因素影響，在出苗期往往會有膜孔錯位或者膜孔處土壤板結的情況發生［6］。種植后需投入大量人力進行人工放苗，大大增加了玉米的種植成本。如果錯過苗期，放苗不及時，會出現死苗、弱苗現象，使得田間斷行缺苗。除此之外，玉米收獲后，由于地膜覆蓋在種行上，玉米根茬的阻擾使得殘膜回收作業難度增大。

針對以上問題，結合溝壟覆膜栽培及平膜膜側栽培的特點，提出了壟面覆膜、膜際淺溝（簡稱壟膜溝播）種植的模式，有效地解決了上述難題［7-13］。但就目前來看，國內對覆膜玉米機械化種植技術的研究依舊集中在膜上打穴播種方面［14-17］，。沒有配套玉米壟膜溝播栽培技術的播種機具，使得該種植模式普及受限。此外，現有的玉米播種機存在結構簡單、功能少、作業效率低等問題，大部分機型難以適應西北丘陵山地小地塊的作業需求［18］。

為此，本研究針對玉米壟膜溝播栽培模式的農藝要求，設計了玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯合作業機，能夠一次性完成開溝起壟、壟底施肥、壟面鎮壓、壟上鋪膜、膜側淺溝穴播作業，并進行了田間試驗。

1 農藝要求

圖1為北方旱作玉米壟膜溝播栽培模式示意圖，該模式形成的壟體寬為600 mm，壟體高為100 mm，種床寬度為300 mm，形成寬窄行，其中，寬行間距700 mm，窄行間距為200 mm，窄行間中央約有50 mm滲水帶。

圖1 旱作玉米壟膜膜際栽培模式Figure 1 Schematic diagram of corn planting pattern on film side of ridge

2 整機結構及工作原理

2.1 整機結構及主要技術參數

圖2為玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯合作業機結構簡圖，主要由機架、開溝施肥裝置、鎮壓整形機構、鋪膜機構、播種裝置等組成，各機構協同工作，保證了整機功能的實現。

圖2 整機結構Figure 2 Structure diagram of whole machine

參考西北旱區玉米壟膜膜際種植模式與配套農藝要求，整機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Table 1 Main technical parameters

2.2 工作原理

作業時，拖拉機通過三點懸掛裝置拉動播種機前進，起壟圓盤開出膜溝并向中間集土起壟。鎮壓整形器（以下簡稱整形器）一方面通過鏈傳動帶動施肥裝置工作，另一方面壓碎表層土塊并將壟體整成淺拱形。肥料通過導肥管被施在起壟圓盤內側，再被翻起的土壤埋入；隨后掛膜架與壓膜輪配合將地膜平整鋪放到成形壟面上，覆土圓盤隨動將膜側土壤翻壓到膜邊完成鋪膜作業；后排的鴨嘴式穴播器將種子播在地膜兩側露地淺溝中，實現壟底施肥，壟上鋪膜，膜側露地淺溝中打穴播種的一體化作業。

3 關鍵部件的設計

3.1 雙圓盤開溝起壟裝置

雙圓盤開溝起壟裝置選用直徑300 mm 的標準覆土圓盤（如圖3所示），主要作用是集土成壟，并在壟側形成淺溝。開溝器總成按壟寬尺寸對稱安裝，U型螺栓將起壟裝置固定在機架前橫梁上。圓盤安裝架與圓盤固定架上分別焊接上下2塊角度調整板，兩調整板間通過螺栓配合固定。當圓盤角度選取完成后，緊固螺栓即實現開溝起壟裝置的效用。若土壤濕度等其它外部環境發生變化，需要重新調整圓盤角度，擰松螺栓并再次旋緊即可滿足不同的開溝、集土要求，從而提高了整機的區域適應性。圓盤作業質量主要受圓盤偏角、圓盤傾角及圓盤直徑等因素影響［19］。

圖3 雙圓盤開溝起壟裝置Figure 3 Structure diagram of double disc ditching and ridging device

圓盤偏角α，偏角α的大小決定了圓盤的切土、碎土及翻土性能。集土成壟必須使得圓盤與機具前進方向存在偏角α，其值范圍為α=40°～45°。α角的增大能使圓盤切土、碎土及翻土能力均增加，但α過大會增大圓盤的側向阻力，容易損壞整個機構。偏角α大小可依據實際作業情況綜合考慮選?。?0］。

圓盤傾角β，圓盤要集土成壟須具有向下翻垡的能力。因此，覆土圓盤與鉛垂面間須存在傾角β。其值范圍為β=15°～25°［21］，田間作業依據實際外部環境具體選擇的圓盤傾角β大小，圖4 為圓盤傾角、圓盤偏角示意圖。

圖4 圓盤傾角、偏角Figure 4 Diagram of inclination and deflection of disc

圓盤直徑D，其直徑D取決于最大耕深a，可根據經驗公式［22］：

式中，D為圓盤直徑，mm；k為經驗值系數，取2；a為最大耕深，取150 mm。

由式（1）計算可得，D=300 mm，因此，選用覆土圓盤的直徑為300 mm。

3.2 碎土整形裝置

玉米壟膜膜際種植模式有集雨保墑、滅除雜草等多項功能，覆膜時要求地膜與壟面緊密貼合且膜面完好不破損。其中壟面不平整及壟面上存在的土塊是引起地膜破損的主要原因［23］。為防止表層土塊棱角劃破地膜，而設計了碎土整形裝置。

碎土整形裝置結構如圖5 所示，由整形器支撐板、整形器軸、預緊彈簧、彈簧導桿、碎土整形輥等組成。作業時，整形輥滾動，將雙圓盤起壟裝置推擠到中間的土壟壓實并鎮壓成淺拱形，柵條對表層土塊進行破碎。為減小整形器的滑移率，將碎土整形裝置的兩端彎成釘齒形狀，這有利于工作時柵條壓入土壟，提高整形器抓地力。

圖5 碎土整形裝置Figure 5 Structure diagram of crushing and shaping device

播種作業過程中，為保證整形器的鎮壓作用及動力傳遞的可靠性，要求整形器入土點A 必須在圓盤開溝器開出的種溝底部，釘齒扎入土壤，整形器做純滾動。在圖6所示坐標系中，整形器入土點A的坐標參數為：

圖6 整形器掛接架結構Figure 6 Structure diagram of shaper articulated frame

式中：Lo為掛接板的長度，R為整形器半徑（mm）；α1為掛接板中心線與機架縱梁的夾角（°）；β1為A 點半徑線與壟溝底部線的夾角（°）。其中α1、β1與彈簧限位器彈簧勁度、彈簧調節位置及溝底土壤緊實度相關。由式（2）分析得到：

式中：H為圓盤開溝器接地點到機架縱梁的垂直高度。由力的平衡，整形器軸及掛接板在X、Y軸方向的受力為：

由繞掛接板鉸接點的力矩平衡得到：

式中：FB為彈簧限位器垂直施加在掛接板B 點的彈簧力，N；FO是通過掛接板傳遞到整形器軸上播種機的重力，N；G為整形器自身重力，N；T為地面對整形器的支撐力，N；Lb為限位器與掛接板垂直焊接點與掛接板機架鉸接點的距離，mm；h為剛性整形器在松軟地面上滾動距離，mm。其中FBX、FBY及FOX、FOY分別為FB、FO在水平方向和垂直方向的分力。

由式（3）～（5）分析可知：機架通過掛接板和彈簧限位器桿傳遞給整形器的機身重力FO、FB在水平方向相互平衡，在垂直方向與整形器自身重力G相加，形成向下的鎮壓力。該力與地面支撐力T形成阻力偶矩，阻礙整形器滾動。FB、FO隨著α1角的變化而變化，當α1角變大時，FB減小、FO增大。綜合分析，由于α1角變大，整形器下壓，整形器支撐機身作用增強，分擔的機身重力增大而使得整形器對壟面的鎮壓力增大，整形器對地面附著力也增大，有利于整形器鎮壓整形和傳動。α1角的調整依靠改變限位器彈簧勁度實現，調整原則以不影響開溝器開溝深度為準［24］。

3.3 窩眼輪式穴播裝置

穴播器是播種裝置的核心部分，是連接土壤和種子的重要紐帶。該機采用窩眼輪式穴播器，如圖7～8 所示，主要由成穴器、殼體、回位彈簧、種子箱、窩眼輪、取種器、護種板、輸種盒、毛刷輪、棘輪等構成。穴播輪工作時，成穴器（包括活動嘴和固定嘴）、連桿、頂桿隨輪一齊轉動，成穴器用螺栓固定在穴播器上，活動鴨嘴與固定鴨嘴之間用銷釘連接，活動鴨嘴可繞銷釘旋轉，實現種子的投放，其上的回位彈簧可使活動鴨嘴張開后自動閉合，兼起振動的作用，將粘結在活動鴨嘴和固定鴨嘴上的土壤振動掉落。當穴播輪旋轉到成穴器頂臂外緣時，受到成穴器頂臂作用力，頂桿帶動連桿，從而強制打開活動嘴完成投種。頂桿繼續沿成穴器頂臂外緣轉動，轉過一定角度后，頂桿受回位彈簧作用，恢復到原來的位置，活動嘴自動閉合。在機組工作之前，需根據工作地土壤堅實度調節施力彈簧，滿足成穴器入土條件。

圖7 成穴器外部結構Figure 7 Schematic diagram of external structure of hole former

圖8 成穴器內部結構Figure 8 Structure diagram of acupoint forming device

玉米種子下落路徑如圖7～8 所示。首先，種子進入種箱，在重力作用下，從種箱進入穴播器內部種室，在護種板的隔擋下，部分種子會直接進入取種輪的穴孔中，并通過1個與種輪寬度相匹配的毛刷將種子刷入種輪穴孔內，一次取種和一次清種過程完成；隨后，旋轉的寬毛刷將多余的種子刷入種輪上漏取的空穴中，實現二次取種；然后在擋板的阻擋作用下跌進取種器。彼時，種子還未能直接進入輸種盒，仍需要滾輪再旋轉1周后才能進入輸種盒內，經輸種盒繼續運輸后掉入成穴器內，此時活動鴨嘴與地表接觸并被強制打開，玉米種子落入種穴完成1次排種。

3.4 穴播器聯結裝置

本機選用了七嘴、穴距24 cm的鴨嘴式穴播器成品，配套設計聯結架及限位桿如圖9所示。聯結架鉸接在機架后橫梁聯結軸上，為了播種機懸掛提升時穴播器隨動上升，在聯結架上焊接限位桿，限位桿的焊接角度滿足穴播器最大播種深度。

圖9 穴播器安裝Figure 9 Installation diagram of dibbler

此播種機整機長度達到了1.9 m，懸掛裝置提升播種機時阻力矩較大，負荷較重。為使播種機更適合西北地區小地塊種植模式，設計時采用可翻轉的穴播器，機具運輸時采用銷接方式將穴播器固定，此設計減小了機具長度，解決了運輸及地頭轉彎問題，翻轉后機架與穴播器的相對位置如圖10所示，運輸時將穴播器翻轉到機架上面放置，穴播器重心前移a+b，使整個播種機重心前移，重力臂縮短，懸掛裝置承受的載荷降低。

圖10 穴播器位置Figure 10 Position diagram of hill-drop planter

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2019年3月20～22日在甘肅省定西市香泉鎮進行項目機具田間性能試驗（圖11）。該地平均海拔2 109 m，年平均氣溫5.7 ℃，年平均降水量400 mm，全年無霜期138 d，土壤為黑壚土。試驗用玉米種子品種為先玉335號，農藝要求為：行距700 mm，株距240 mm，播種深度30～50 mm。試驗前先用耕整機械翻耕整地，選用東方紅SK-454 拖拉機為動力，播種機圓盤開溝器覆土圓盤間距600 mm，偏角為40°，掛膜架安裝700 mm 寬白色地膜，2個穴播器行距為700 mm。田間作業情況如圖11所示。

圖11 樣機與田間試驗Figure 11 Prototype and field test

4.2 試驗方案與方法

本次試驗主要測試播種機強度，鎮壓起壟合格率和鋪膜播種質量3個項目。

4.2.1 播種機機架強度 播種機種肥箱滿載，掛膜架安裝整卷地膜，用懸掛裝置提升、下降播種機50次，觀察播種機機架有無變形、脫焊斷裂情況。

4.2.2 鎮壓起壟合格率 不鋪膜播種，進行鎮壓起壟試驗。方法是播種機內不裝種、肥和地膜，找等重量物品放在播種機上模擬播種機起壟鎮壓作業情況。機組走行200 m，然后在此范圍內隨機選取10個長度為2 m的測試樣區，在每個樣區內任選5個樣點，拍碎壟頂虛土顆粒，測量記錄每個點的壟高、壟寬和壟頂土壤堅實度。以農藝要求設計的壟寬500～600 mm、壟高80～100 mm、土壤堅實度150～200 kpa為標準測試三項指標的合格率。

4.2.3 鋪膜播種作業質量合格率［25］根據農業部NY/T1143-2006《播種機質量評價規范》要求，穴播機播種質量指標主要有穴距合格率、種子破損率、播種深度合格率、穴粒數合格率、各行排肥量一致性變異系數和總排肥量穩定性變異系數六項指標。對于膜側播種，膜邊覆土寬度、厚度合格率對作物生長有較大的影響。因此，按規范要求確定測試標準參數為：穴距240～250 mm、種子破損率≤1.5、播深30～50 mm、穴粒數1～2、各行排肥量一致性變異系數≤13%、總排肥量穩定性變異系數≤7.8%、膜邊覆土寬度50～100 mm，覆土厚度30～50mm。

播種機組調試完畢后先懸掛提升一定高度，通過轉動整形器帶動排肥器工作，測試2個排肥器質量指標，然后進地開始試驗播種。在播種機正常試驗播種作業2 畝地后停止。在已播地隨機選取10 個2 m長的膜側播種行做為樣本區，在每個樣區內任選4 個樣本點檢測穴距、種子破損率、播種深度、穴粒數、膜邊覆土寬度和厚度。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 播種機機架強度 播種機全載荷被提升、下降50次后，觀察機架各處，未發現不可恢復變形和脫焊斷裂情況，說明機架強度滿足要求。

4.3.2 壟形合格率 試驗后統計50個樣本點的樣本數據如表2所示。與農藝要求值對比，壟高、壟寬等的平均值均在農藝要求值范圍之內，變異系數均小于0.20，說明起壟整形較為規整。鎮壓后壟頂土壤堅實度滿足農藝要求，但平均值接近農藝要求值的下限，且變異系數為0.382，說明整形器鋼筋結構的點、線接觸式鎮壓與常見的滾筒式實體整形器面接觸鎮壓相比較，雖然提高了與土壤接觸點的壓強和抓地力，但整體對壟頂土壤壓實稍顯不足，壓實不夠均勻。

表2 鎮壓起壟試驗結果Table 2 Results of ridging test

4.3.3 鋪膜播種作業質量合格率 根據農業部NY/T 1552-2007《鋪膜機質量評價技術規范》要求［26］，試驗后統計40個樣本點的樣本數據如表3所示。穴距合格率、穴粒數合格率均高于規范值，穴距、穴粒數樣本變異系數在0.15以下，種子破損率也優于規范值要求，說明選用的成品鴨嘴式穴播器質量可靠；播深合格率剛達到規范值，樣本變異系數0.31，說明膜邊覆土降低了膜側種溝地表平整度和虛實度，播深變化較大；膜邊覆土寬度、厚度合格率達到規范值，但樣本變異系數在0.27以上，說明壟邊地膜表面會造成溜土，覆土不均；排肥量兩項指標均優于規范值，說明排肥裝置工作良好。

表3 鋪膜播種試驗結果Table 3 Test results of film mulching sowing

5 結論與討論

1） 基于西北旱區玉米壟面覆膜、膜際淺溝栽培農藝要求所設計的玉米起壟施肥覆膜及膜際播種聯合作業機能夠一次性完成開溝起壟、壟底施肥、壟面鎮壓、壟上鋪膜、膜側淺溝穴播工作，能夠實現穴播器聯結架翻轉功能。

2） 通過理論分析與計算確定了雙圓盤起壟裝置的結構及工作參數；設計了輪輻式碎土整形裝置；解析了窩眼輪式穴播裝置作業機理。田間試驗表明，鎮壓起壟，施肥鋪膜，淺溝播種作業的相關試驗指標均優于規范值，機具工作性能良好可靠。

3） 本機使用中還有以下幾點需要改進與加強，因采用壟面覆膜、膜際淺溝的種植模式，拖拉機輪胎壓實區與玉米籽粒種植區域重合度大，對玉米的生長影響較其它模式更加顯著；該模式集雨效果雖優于壟上種植但受降水影響更加顯著。若玉米在播種時期常年伴隨春旱，土壤墑情太差，玉米種子在干土層就會造成缺苗；膜際淺溝內的雜草種子更有利于發芽及生長，因滲水帶存在還不易被燒死，使得雜草對玉米苗生長影響較其它模式更大，需要及時耕除。同時玉米播種還要注意推廣可降解地膜，以減少地膜污染，減少殘膜撿拾工序。