玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机的设计与试验

曲 浩 石林榕 辛尚龙 赵武云 王 锋 刘洋礼 杨金发

(甘肃农业大学 机电工程学院，兰州 730070)

玉米是我国西北地区主要粮食作物，在农业生产中占有重要的地位。近年来，随着玉米高产品种的选育和耕作栽培技术的优化改进，玉米等农作物的产量不断提高。与此同时，肥料养分投入配置不合理、肥料利用率低下等问题也日益突出，随着我国现代农业的发展，施肥机械化、自动化和精量化是我国农业发展的重要趋势[1]。此外，传统的田间漫灌作业方式也加剧了水资源的巨大浪费与田间土壤的板结，该作业方式已经不符合当前玉米种植要求。因此，在保障玉米高产稳产的前提下，如何进一步提高水肥利用效率，是该地区玉米生产发展所面临的关键问题之一[2-5]。

目前，国外穴播器从排种器结构原理可分为气力式和机械式两大类。其中，气力式可分为气吸式、气压式和气吹式等10余种；机械式可分为垂直圆盘侧充式、水平圆盘、窝眼轮式和窝眼刷种轮式等30余种之多。但国外的穴播器多与大型机械配合使用，不适合我国现阶段的小地块且多丘陵山地的种植方式。我国较为经典的穴播器机型有ZTB-2型精量播种机，采用立式圆盘排种器；BZJG6A-Ⅲ型精密联合耕播机，排种器为垂直圆盘式[6-7]。虽满足小地块和丘陵山地播种,但播种机功能较为单一，河西地区土地较为贫瘠需要追加施肥，而且气候少雨需要铺设滴灌装置，以上机型不能直接用于河西地区。

本研究针对西北干旱地区玉米播种机功能不全面和水肥利用率低的问题，旨在设计一款玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机，以期一次性完成玉米种子与有机肥同穴播种、覆膜和膜下滴灌带的铺设，减少机具作业次数提高播种效率。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机主要由排肥装置、滴灌铺设装置、地膜铺设装置、排沙装置、膜上覆土装置、播种装置等部件组成(图1)。排肥装置由有机肥箱、机架、排肥器和镇压辊构成。机具有机肥箱下端通过导肥管连接排肥器，排肥器后方布置有镇压辊；滴灌铺设装置由滴灌带支架和开沟器构成；地膜铺设装置由圆盘式开沟器、地膜镇压辊、压膜轮和圆盘式覆土器构成。压膜轮位于膜侧圆盘式开沟器的后方位置，圆盘式覆土器位于压膜轮的正后方，通过调节连接杆位置可实现圆盘式覆土器角度的调整。排沙装置由沙土箱、液压马达、轴承座、传送带辊和传送带构成；沙土箱固定在传送带上方位置；膜上覆土装置由圆盘式取土器、取土轮和导土板构成；玉米穴播器通过连接杆安装于机架后方。

1.有机肥箱；2.机架；3.排肥器；4.镇压辊；5.膜侧圆盘式开沟器；6.滴灌带开沟铺设器；7.地膜镇压辊；8.压膜轮；9.圆盘式覆土器；10.圆盘式取土器；11.玉米穴播器；12.取土轮；13.导土板；14.沙土箱；15.滴灌带支架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图1 玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机结构示意图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

玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机采用后三点悬挂方式与拖拉机配套使用。机具牵引力由拖拉机提供。排沙装置液压马达动力依靠拖拉机自身携带的液压泵提供。随着拖拉机的牵引带动有机肥排肥装置排肥器转动，排肥器上的排肥嘴依次完成有机肥的入土，待排肥结束后，依靠布置在排肥器后方的镇压辊完成回土工序。滴灌铺设装置将滴管带铺设在玉米种植带中间位置。地膜由机架两侧的圆盘式开沟器和压膜辊铺设，膜边由圆盘式覆土器取土压实。排沙装置在窝眼上方铺设一层细沙以防止窝眼上方的膜上土壤板结降低种子发芽率。机架两侧的圆盘式取土器将土壤送入运土轮，利用运土轮和导土板将土壤覆盖于地膜上，完成玉米种床的构建。玉米穴播器将种子播种到完成排肥作业的窝眼中。

1.3 参数指标

1.3.1河西地区种植农艺

玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机，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，提出该机具的农艺要求：为提高水肥利用率和种子发芽率，在设计过程中使用宽度为1.6 m、厚度0.01 mm黑白相间的地膜，为保证玉米生长过程对水分的需求，设计有贴片式滴灌带铺设于膜下。所用地膜两侧的白膜因其透光性好，对红外光穿透力好，便于快速提高地温，改变土壤温度环境，有利于种子发芽；中间的黑膜可以遮挡太阳光，阻止杂草的光合作用，从而达到抑制杂草的发芽和生长的目的[10]。全膜覆盖种植可以保墒固水，提高土壤水分的利用率，保持土壤适宜的温度和湿度，使地温下降慢、持续时间长，利于肥料的腐熟与分解，提高土壤肥力[11]。在白色地膜部分进行种肥同穴播种，并在穴孔上方覆沙，在黑色地膜部分进行覆土以防止地膜被风吹起。其中，大行距750 mm，小行距250 mm，株距170 mm，玉米种子的播种深度为3～5 cm，滴灌带铺设在小行距中间位置为两侧的玉米供水。该机具的农艺作业过程简图见图2。

1.透明地膜覆盖部分；2.黑色地膜覆盖部分；3.滴灌带1.Transparent mulch covering part; 2.Black mulch covering part; 3.Drip tape图2 玉米种肥同穴与膜下滴灌铺设农艺作业过程Fig.2 The agronomic process of laying corn seed fertilizer in the same hole and drip irrigation under mulch

1.3.2整机主要技术指标

根据上述河西地区玉米播种农艺要求，结合其他相关播种机技术参数，拟定玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机主要性能参数见表1。

表1 玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机主要性能参数Table 1 Main performance parameters of the corn seed fertilizer in thesame hole and under the film drip irrigation integrated machine

2 关键部件设计与分析

2.1 排肥装置

机具采用牛粪、秸秆与少量泥土堆积并经过微生物作用而成的堆肥，该有机肥所含营养物质丰富、肥效长而稳定，有利于促进土壤固粒结构的形成，使土壤透气、保水、保温、保肥[12]，同时种肥同播可以避免烧苗。

该肥料较为松散，具有一定的流动性故效仿种子穴播器设计一款排肥装置。排肥装置由1个有机肥箱和4个排肥器等部件构成，肥箱与排肥器之间设有有机肥导向管(图3)。有机肥箱中的有机肥通过有机肥导向管流入排肥器腔，排肥器随机具的向前行走而工作。排肥嘴与土壤接触控制排肥嘴的开闭状态，并将肥料定量定位的排到种床上，完成排肥作业。

1.有机肥箱；2.有机肥导向管；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图3 排肥装置结构图Fig.3 Structure diagram of fertilizer discharging device

根据西北地区玉米种植农业技术模式及田间试验统计，排肥装置中的排肥器每次排肥量均值约为0.012 kg，作业幅宽为1.6 m，则单位面积最大施肥量[13]为：

(1)

式中：Qmax为单位面积最大施肥量，kg/hm2；q为排肥嘴每次排肥量，kg；Z1为株距，m；B1为幅宽，m。

根据表1数据由式(1)计算可得Qmax=1 764.7 kg/hm2。有机肥箱的容积为：

(2)

式中：C1为有机肥箱总容积，L；L1为有机肥箱所装肥料满足的施肥距离，本样机设定为1 000 m；γ1为有机肥密度，取0.7 kg/L。由式(2)计算可得C1=443.7 L。

为实现种肥同穴播种，排肥器尺寸要与穴播器尺寸相同且排肥间距要与播种间距相对应，因此排肥器半径为180 mm排肥器圆周装有8个排肥嘴。排肥嘴的体积与每穴排肥量以及有机肥密度有关，排肥嘴体积为：

(3)

式中：C2为排肥嘴体积，L。由式(3)计算可得C2=0.017 1 L。结合以上参数对有机肥箱和排肥器进行设计。

2.2 排沙装置

排沙装置由2组沙土箱、传送带、传送带辊等部件构成(图4)。沙土箱与传送带之间有2 cm的间隙，便于沙土箱中的沙子从沙土箱中漏出到传送带上。传送带动力如若采用机械传动会因为不同拖拉机驾驶员导致传送带运行速度不同进而导致排沙的量不同，故本样机采用液压马达为传送带提供动力[14-15]，由福田雷沃904自带的液压系统带动，保证传送带的运行速度稳定从而精确控制排沙量。液压马达通过联轴器与传送带辊相连接，带动传送带转动从而将沙土箱中漏出的沙子带到传送带后边的导沙板上，再经导沙板将沙排到要播种的播种行上。

1.传送带；2.液压马达；3.沙土箱；4.导沙板1.Conveyor belt; 2.Hydraulic motor; 3.Sand box; 4.Sand guide plate 图4 排沙装置结构图Fig.4 Structure diagram of sand removal device

根据田间试验测得每行的排沙量均值约为75 g/m，本样机同时播种4行，故排沙量为0.3 kg/m，排沙设定距离与排肥相同为1 000 m，用沙总量m1=300 kg，沙土箱容积为[16]：

(4)

式中：V为沙土箱总容积，L；ρ为沙的密度，1.6 kg/L。由式(4)计算可得沙土箱总容积V=187.5 L，结合该容积参数进行沙土箱的设计。

2.3 膜上覆土装置

2.3.1圆盘式取土器及组件

圆盘式取土器及组件由调节杆、弹簧、调节臂、角度调节架和圆盘式取土器构成(图5)。圆盘式取土器铰接在角度调节架上，通过调节圆盘式取土器的角度控制膜上覆土的覆土量。弹簧杆与圆盘式取土器架和机架连接，依靠弹簧的弹力来实现圆盘式取土器的仿形功能便于在不平整的土地上正常取土。

1.机架；2.调节杆；3.弹簧；4.调节臂；5.角度调节架；6.圆盘式取土器1.Frame; 2.Adjusting rod; 3.Spring; 4.Adjusting arm; 5.Angle adjusting frame; 6.Disc type soil extractor图5 圆盘式取土器及其组件Fig.5 Disc type earth sampler and components

膜上覆土是为了防止地膜被风吹起，所以对覆土量不用进行精量控制，取土器选用普通的圆盘式取土器即可。影响圆盘式取土器取土作业质量重要参数为圆盘直径、圆盘偏角和圆盘倾角。圆盘直径取决于最大耕深a1，可根据经验公式[17-19]求得：

k=D/a1

(5)

式中：k为经验系数，本研究中k=2.5；D为圆盘式取土器直径，mm；a1为最大耕深，取a1=100 mm。

经计算得圆盘式取土器直径D=250 mm。圆盘偏角α0的取值范围为40° ～50°，随着α0的增大圆盘式取土器的切土、碎土和取土能力都随之增大，同时增加圆盘式取土器的阻力，故要因地制宜的通过角度调节架调节圆盘偏角α0。圆盘式取土器要向运土轮中送土，须具有一定的翻垡能力。因此圆盘式取土器与铅垂面须成一定夹角即为圆盘倾角β。圆盘倾角β取值范围为15° ～25°[20]，经田间试验圆盘倾角β=15°。

2.3.2运土轮及组件

运土轮及其组件由运土轮、导土板等部件构成(图6)。其中运土轮的辐条穿过运土轮外轮廓，机具在田间作业时凸出来的辐条可以插入土壤中，增加机具行走稳定性。工作时，圆盘式取土器将土壤取到运土板组成的空间中，运土板中的土壤随运土轮的转动将其送到高处。由于重力作用运土轮上的土壤到一定高度就掉落到导土板上，再经由导土板将土壤铺设在黑色地膜的上方。

1.运土轮；2.导土板；3.机架；4.辐条；5.运土板1.Earth-moving wheel; 2.Soil guide plate; 3.Frame; 4.Spoke; 5.Soil-moving plate图6 运土轮及组件图Fig.6 Earth-moving wheel and component diagram

为保证土壤能够顺利的通过导土板落到黑色地膜上，对导土板上任意一点的土壤进行受力分析(图7),公式如下：

(6)

式中：N为导土板对土壤的支持力，N；f为土壤在导土板上的摩擦阻力，N；G为土壤自身重力，kg；α为导土板与水平面夹角，(°)；μ为土壤与导土板之间的动摩擦因数，取0.3。

N为导土板对土壤的支持力，N；f为土壤在导土板上的摩擦阻力，N；G为土壤自身重力，kg；α为导土板与水平面的夹角，(°)。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, (°).图7 导土板土壤受力示意图Fig.7 Schematic diagram of soil stress on guide plate

为保证土壤能够沿着导土板向下移动，完成膜上覆土操作，就必须满足土壤重力沿导土板向下的分力大于土壤与导土板之间的摩擦力，即满足公式[21]：

Gsinα≥f

(7)

联立式(6)和(7)得：

α>arctanμ

(8)

由式(6)～(8)可得导土板与水平面夹角α>21.77°。考虑到沙土箱的位置与导土板位置不能干涉，两导土板下边缘之间的间隔略小于黑膜的尺寸以及机架尺寸等因素，最终确定导土板与水平面的夹角α=42°。

运土轮选的设计直径为1 400 mm，宽度为200 mm，运土轮选用厚3 mm的铁板制作。为保证运土轮正常旋转，选用半轴与轴承配合使用，呈两侧对称布置。为保证运土轮的强度及圆度，每个运土轮装有24根直径10 mm的钢筋作为辐条，辐条一端焊接在半轴上一端超过运土轮表面70 mm，工作时运土轮突出的辐条插入土壤中，增大了与土壤之间的摩擦力，便于运土轮完成运土操作。

2.4 播种装置

玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机的玉米播种装置主要结构为穴播器，穴播器由动排种嘴、复位弹簧、穴播器外壳、拨动轮、定排种嘴和分种勺等部件构成(图8)，安装于机架末端。玉米种子从穴播器的导种口进入到种室内部，均匀分布在种室的下半部分。拨动轮通过螺栓与外部连接架固定连接，随着穴播器外壳的转动分种勺在拨动轮的带动下实现有规律的打开与闭合，同时将部分种子从种箱内分离并与种箱内其他种子隔开。动排种嘴与定排种嘴之间用销钉连接，即动排种嘴可绕连接处旋转一定角度完成种子投放。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自动闭合，并起震动作用，可将排种嘴上的土壤震动掉落。

试验玉米品种为陇单339号，千粒质量为371 g，种子外形尺寸8.7 mm×7.5 mm×4.5 mm。穴播器播种要求每个穴内播种1粒玉米种子，播种深度3～5 cm。分种勺在与拨动轮开始接触时(A点)由闭合转向打开状态；分种勺完成取种(B点)和清种(C点)，由于分种勺设计的形状和尺寸使得分种勺尖会保留1粒玉米种子，其他被分种勺带出的种子因重力和清种刷共同作用掉回种箱中；分种勺与拨动轮即将脱离(D点)后将分种勺保留下的玉米种子弹入到定排种嘴与动排种嘴组成的空间中；分种勺完成分种(E点)后将分离出的种子封存在排种嘴内完成分种操作。随着穴播器转动，最下方的定排种嘴在重力作用下被压入到土壤中同时动排种嘴也因土壤挤压打开，排种嘴内的玉米种子在自身重力以及离心力的作用下落至土壤中。当该排种嘴离开土壤后，动排种嘴在复位弹簧的作用下闭合，完成1次播种动作。

2.4.1穴播器结构设计

滚筒式穴播器半径是影响播种质量和播种效率的关键因素之一[22]，适宜的穴播器半径有利于播种质量的提高。当穴播器尺寸过大将会导致整机结构尺寸和重量的增加，当穴播器尺寸过小将会导致排种嘴数量减少导致作业性能下降，故穴播器的半径正常取值范围为160～240 mm[23]。排种嘴数量的计算公式[23]为：

(9)

式中：t为玉米播种株距，mm；H为玉米种植深度，mm；R为穴播器半径，mm；Z为排种嘴数量，个。考虑到西北旱区玉米播种的要求本样机选用的穴播器半径R=180 mm、株距t为170 mm、玉米种植深度40 mm，将数据带入到式(9)中，取整后得排种嘴数量Z=8。

由穴播器播种过程示意图(图9)，可知：

(10)

A1为排种嘴与地面刚接触点；B1为排种嘴入土最深点；C1为排种嘴与地面即将脱离点；O为穴播器圆心；β1为定排种嘴与穴播器垂线之间的夹角，(°)；β2为动排种嘴与穴播器垂线之间的夹角，(°)。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, (°).图9 穴播器播种过程示意图Fig.9 Schematic diagram of the seeding process

穴播器相邻排种嘴中心所对应的夹角β0与其排种嘴个数有关。重合度e是影响成穴质量的关键因素，是指从定排种嘴入土到动排种嘴出土所转过的角度与两相邻排种嘴中心所对应的夹角之比[24]，即：

(11)

将式(10)带入式(11)得：

(12)

由式(10)、(11)、(12)可知，穴播器排种嘴重合度e与穴播器半径R、播种深度H和排种嘴个数Z有关，将相关设计参数带入式(12)中，可得e=1.56，即e≥1，满足行业设计标准[25]。

2.4.2穴播器力学分析

样机在田间播种时，穴播器在地表向前滚动，穴播器外圆上的排种嘴经历进、出土壤2个过程，从而完成成穴和播种动作。滑移量和滑移率是影响成穴质量的主要因素,滑移率计算公式[25]为：

(13)

式中：δ为滑移率，%；R1为穴播器实际滚动半径，mm；α1为排种嘴转角，(°)。

由式(13)可知，在穴距不变时，滑移量、滑移率和排种嘴进出土壤的转角与穴播器半径成反比。排种嘴进出土壤的运动轨迹相对于地面的位移量是影响土壤开孔宽度的主要因素，当位移量过大时，撕膜和挑膜等现象明显增多，从而影响地膜的铺设效果，进而影响种子的发芽率。

样机在田间播种时，穴播器受力可简化为穴播器自身重力G、穴播器外壳所受地膜给予的摩擦力Ff和支持力FN以及机架提供的牵引力F，穴播器受力情况见图10，由此可得以下方程：

(14)

(15)

F为机架为穴播器提供的牵引力；Fx和Fy为牵引力在水平方向和竖直方向的分力；FN为地面对穴播器的支持力；Ff为穴播器与地面之间的摩擦力；G1为穴播器自身所受重力；θ为F与水平面的夹角。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.图10 穴播器受力示意图Fig.10 Schematic diagram of the force of the hole planter

式中：μ1为穴播器与地膜摩擦因数；m为穴播器质量，kg；a2为穴播器加速度，m/s2；ω为穴播器转速，rad/s；v为样机前进速度，m/s；h2为入土深度，mm；RH为穴播器中心到排种嘴顶端距离，mm。将式(14)带入式(15)中得：

(16)

由式(16)可知，穴播器与地膜的摩擦力大小主要由整机前进速度、滑移率和入土深度共同决定。

2.5 排肥装置运动仿真

玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机要实现种肥同穴这一功能，除了要保证排肥器的排肥间距要与玉米穴播器的播种间距相同外还要保证排肥器与穴播器的间距为排肥间距的整数倍。本样机采用的排肥和播种间距为170 mm，排肥器与穴播器间距为221 cm(为排肥间距的13倍)。

因排肥嘴和排种嘴的运动轨迹相同，故将solidworks绘制的三维模型只保留机架以及一个排肥器得到玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机的三维简图。将简化后的模型导入到Adams软件中，对部分零件进行布尔和运算，减少零件个数便于后续的仿真运算；建立各个零部件的连接方式，并在机架上添加平移的驱动，在排肥器上添加旋转驱动并对每个驱动的数值进行设定；在排肥嘴上建立一点P，在结果栏对点P进行轨迹仿真[26-27]，得到排肥嘴的运动轨迹见图11。

P为排种嘴上的标记点。1.P点运动轨迹；2.机架；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图11 排肥嘴运动轨迹仿真结果Fig.11 Simulation results of motion trajectory of manure discharge nozzle

通过对排肥嘴的运动轨迹分析可以看出，排肥嘴的运动过程为周期运动。将排肥嘴P点的运动轨迹导出1个周期到坐标系(图12)可以看出，本样机的排肥深度为45 mm，符合穴播器的播种深度要求，排肥间距为170 mm满足设计要求。排肥嘴运动轨迹为余摆线有利于提高成穴质量和排肥质量。在排肥过程中排肥嘴在土壤中停留足够长的时间，保证肥料顺利排入到土壤中[28-29]。

P1为排肥周期起点；P2为排肥周期终点。P1 is the starting point of the fertilization cycle; P2 is the end of the fertilization cycle.图12 排肥嘴上P点的运动轨迹Fig.12 The movement track of point P on the fertilizer mouth

由穴播器的力学分析可知，影响成穴质量的主要因素为滑移率、整机前进速度和穴播器的入土深度。排肥器结构尺寸仿照穴播器制作，因此穴播器所得结论在排肥器中依旧适用。成穴质量好坏可由穴孔宽度进行衡量，即排肥嘴在地面排肥后留下的穴眼宽度，其穴眼宽度越小越好。因此，以滑移率、整机前进速度和排肥器入土深度为影响因子，以穴眼宽度为实验指标，设计三因素三水平的试验优化方案。为方便仿真过程，依据式(15)计算出排肥器角速度。仿真参数设置和结果见表2，可知排肥器和穴播器最优工作参数组合为：滑移率10%、整机速度0.55 m/s、排肥器入土深度30 mm，该条件下，排肥器和穴播器角速度为2.80 rad/s，排肥器和穴播器在土壤中形成的穴眼宽度最小为2.35 mm。

表2 排肥器仿真参数及结果Table 2 Fertilizer simulation parameters and results

3 田间试验与分析

3.1 试验方法

在甘肃华瑞农场进行玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机性能田间试验，玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机及田间试验见图13。试验田地势平坦，土壤为沙壤土，土壤含水率8.9%～12.7%，40 mm深度土壤坚实度为307.3 kPa，地温平均值25.2 ℃。样机由福田雷沃904型拖拉机带动，前进速度0.55 m/s。样机使用地膜为宽1.6 m、厚0.01 mm的透明与黑色相间的地膜；玉米种植品种为陇单339号；滴灌带为贴片式滴灌带。按照NY/T 987—2006《覆膜穴播机作业质量》对玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机进行试验。试验地长100 m、宽1.6 m，在试验地长度方向每隔5 m取5 m×1.6 m的区域共10组进行采样，记录相关数据，结果取10次试验的平均值。测试计算玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机的空穴率、穴粒数合格率、膜下播种深度合格率。参数计算公式为：

(17)

式中：Hk为空穴率，%；kh为空穴数，个；f1为总为膜孔数，个；Hl为穴粒数合格率，%；lh为穴粒数合格穴数，个；Hb为膜下播种深度合格率，%；bh为膜下播种深度合格穴数，个。

3.2 试验结果及分析

玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机作业时，拖拉机行走顺畅，地膜及滴灌铺设顺利，地膜覆土压膜严实，覆沙位置准确，种肥实现同穴播种，试验结果见表3。可以看出，玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机田间各项指标均符合NY/T 987—2006《覆膜穴播机作业质量》对播种机性能的测定要求。

表3 整机性能试验结果Table 3 Test results of machine performance %

4 结 论

本研究根据西北灌区玉米种植农艺要求，设计了玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机，对排肥装置、排沙装置、膜上覆土装置和玉米播种装置等主要关键部位的结构尺寸进行了讨论分析。该样机能够一次性完成种肥同穴播种、滴灌带铺设、地膜铺设、膜上覆土和排沙等功能。作业时，玉米穴播器在膜上进行播种，播种合格率高。主要结论如下：

1)本研究中的排肥装置能够对粉末状有机肥进行施肥，同时实现种肥同穴播种，提高了有机肥的利用率。膜下滴灌可以减少水分的蒸发提高水分利用率。黑白相间地膜在促进玉米生长的同时有效的抑制杂草的生长。

2)采用Adams软件对排肥嘴轨迹进行仿真分析，仿真结果与预先设定目标基本相同。根据影响因素通过仿真试验得到排肥器和穴播器最优工况为：滑移率10%、整机速度0.55 m/s、排肥器入土深度30 mm时，排肥器和穴播器角速度2.80 rad/s，该条件下，排肥器和穴播器在土壤中形成的穴眼宽度最小为2.35 mm。

3)田间试验表明，当玉米种肥同穴与膜下滴灌一体机前进速度为0.43～0.97 m/s时，其空穴率为0.9%，穴粒数合格率92.3%，膜下播种深度合格率97.8%。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。