西北旱区滚勺式胡麻联合播种机的设计与试验

郭军海 赵武云 石林榕* 周 刚 张锋伟 杨昆山 辛尚龙

(1.甘肃农业大学 机电工程学院，兰州 730070；2.甘肃省农业科学院 旱地农业研究所，兰州 730070；3.甘肃华瑞农业股份有限公司，甘肃 张掖 734000)

胡麻主要产于甘肃、山西、新疆、宁夏等地，是食用油的主要原料之一，对保障国家粮食安全具有重要的战略意义。甘肃地处黄土高原，地理条件独特，是油用型胡麻的主要产区。胡麻作为甘肃省的特色经济作物，对该省经济具有提升作用，近几年，胡麻种植面积和产量逐年增加，胡麻生产机械化是提高其生产效率的重要途径，其中机械化播种和收获是制约胡麻规模化的“瓶颈”，也是胡麻生产机械化急待解决的关键技术问题。

甘肃省主要作物的种植模式是以地膜覆盖栽培技术为主，尤其在玉米和马铃薯作物中应用广泛，增产效益较高。已有研究表明，将覆膜栽培模式应用于胡麻作物，比普通无膜种植模式出苗率提高12%，产量提高23.60%～29.67%。甘肃省传统胡麻种植以人工撒播、简易机械条播为主，作业方式粗放，效率低下，更重要的是2种传统作业方式与机械化覆膜播种匹配较难；另外，胡麻种植还未形成规模，种植地块小，分散较广，机械化种植水平远低于主要粮食作物。目前，发达国家精密播种研究已成熟，我国还处于技术完善阶段。发达国家胡麻生产中整地、播种、施肥、灌溉、收获、脱粒和打捆等过程全部实现机械化，呈高度集约化、规模化等特点，我国与国外在胡麻全程机械化水平差距较大。同时，国外机型功能全、体积大、价格昂贵，适用于我国旱作胡麻播种农艺要求的机具较少。国内已研制的胡麻播种机主要有2BY-26型胡麻施肥播种机、BXY-12型胡麻小区播种机等，这些机型以条播为主，播种效率和出苗率较低。周刚等针对胡麻条播机作业质量差、出苗率低等问题，在参考主粮作物成熟的精量穴播机等基础上，于2019年先后研制成功一种胡麻精量穴播器和集铺膜、播种、起垄、镇压为一体的胡麻联合播种机。这些机型的研制不仅提高了胡麻播种效率和出苗率，也为进一步完善西北旱作胡麻精量穴播技术提供了思路。石林榕等针对甘肃省普遍种植的胡麻品种，结合试验和仿真法标定了胡麻排种仿真参数，对比仿真和试验结果进一步提高了异型窝眼轮排种性能，为提高胡麻排种器作业质量提供了一定的理论基础。

为拓展胡麻机械化穴播技术在沙质土上的种植模式，本研究旨在设计一种滚勺式胡麻联合播种机，以期一次性完成施肥、滴灌、覆膜、覆土和穴播联合作业，减少机具作业次数，同时提高播种效率。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

胡麻联合播种机主要由主机架、悬挂架、施肥装置、滴灌装置、播种装置、覆土装置、尾架、覆膜机构等部件组成(图1)。施肥装置主要由肥箱、外槽轮式排肥器、肥管和开沟器等组成，施肥行距可调；铺管装置主要由滴灌带安装架和导口等组成；播种装置主要由滚轮式穴播器和种箱等组成；覆膜机构主要由膜棍、膜架和压膜轮等构成；覆土装置由起土圆盘、覆土滚筒和镇压轮等组成。

1.主机架；2.开沟器3.肥管；4.悬挂架；5.外槽轮式排肥器；6.肥箱；7.导口；8.滴灌带安装架；9.种箱；10.滚轮式穴播器；11.覆土滚筒；12.镇压轮；13.起土圆盘；14.压膜轮；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图1 滚勺式胡麻联合播种机Fig.1 Rolling spoon type flax combined seeder

1.2 工作原理

作业时，拖拉机牵引整机前进，平土板将地表及拖拉机压痕推平，开沟器将地表开出沟槽，镇压滚筒带动排肥装置中的外槽轮式排肥器将肥料按一定量排出，肥量经过肥管和开沟器流入沟槽，随后镇压滚筒将地表压平。滴灌带安装在滴灌带铺放装置上，滴灌带在导口引导下，铺放于地表；位于机具两侧的开沟圆盘开出沟槽，随后缠绕在膜棍上地膜被铺放于地表，并在压膜轮的作用下将地膜两侧压入沟槽，由覆土圆盘起土埋边；播种装置中的滚轮式穴播器在膜面上滚动将胡麻种子通过鸭嘴破膜播入土壤；其后，覆土装置将起土圆盘刮入覆土滚筒内的土壤经覆土口覆于膜面；最后，镇压轮在播种行间进行镇压作业。

1.3 主要技术指标

胡麻联合播种机农艺要求见图2。根据西北旱区胡麻机械化播种要求，播量为0.015～0.023 kg/m，穴粒数6～10粒。依据中耕机和收获机作业要求，确定播种穴距为200 mm，行距200 mm，播深30～50 mm。由于沙土透水性能较好，设计铺设2条滴灌带，通过铺管装置进行铺设。为供种子生长发芽之需，通过联合播种机的施肥装置以深35 mm按条施入磷酸二铵，共4条，其中中间2条间距为400 mm，与滴灌带重合；其他2条位于种行间。为提高地温和保熵，选用白膜(宽为1 200 mm，厚度为0.01 mm)，由覆膜机构进行覆盖。胡麻联合播种机的主要技术参数见表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图2 胡麻联合播种机种植农艺参数Fig.2 Planting agronomic parameters of flax combined seeder

表1 胡麻联合播种机主要技术参数
Table 1 Main technical parameters of flax combined seeder

参数Parameter数值Numerical value整机尺寸/(mm×mm×mm) Machine size2 542×1 429×1 264配套动力/kW Supporting power18.4～25.7作业速度/(km/h) Operation speed0.85～2.55生产效率/(hm2/h) Productivity0.12～0.80施肥行数/行 Fertilization of rows4滴灌带行数/行 Drip irrigation belt line number2播种行数/行 Number of planting row6播种深度/mm Sowing depth30～50穴粒数/粒 Number of holes6～10行距/mm Line spacing200株距/mm Plant spacing200

2 关键部件设计

2.1 播种装置

胡麻联合播种机的播种装置主要用于在沙质土和地膜上进行穴播，为避免较大石子顶起滚轮式穴播器对播深产生影响，采用单体仿形穴播器；为降低地膜穴孔和种位的错位率，通过增加单个滚轮式穴播器的重量、添加预紧弹簧来增加穴播器对地面的正压力，增大固定鸭嘴和活动鸭嘴的入土接触面方法等来提高穴播器与沙质土或地膜之间的摩擦力；为避免鸭嘴入土扎坏滴灌带，固定鸭嘴和活动鸭嘴设计成梯形。

2

.

1

.

1

结构组成

胡麻联合播种机的播种装置主要由滚轮式穴播器、固定板、主机架、调节螺杆、种箱、牵引杆、弹簧和输种管等组成(图3)。作业时，滚轮式穴播器主要实现内腔存种、取种器取种、鸭嘴穴播排种等过程，该装置可实现播深调节、单行仿形等功能。

1.滚轮式穴播器；2.固定板；3.主机架；4.调节螺杆；5.种箱；6.牵引杆；7.弹簧；8.输种管1.Roller-type acupuncture; 2.Fixed plate; 3.Main frame; 4.Adjust the screw; 5.Speculatory box; 6.Traction rod; 7.Spring; 8.Virtue图3 播种装置结构Fig.3 Structure of seeding device

滚轮式穴播器是播种装置的核心部件，其播种质量影响整机播种性能。主要由取种器、弹簧、侧盘、种口、外圈、活动鸭嘴和固定鸭嘴等组成(图4)。作业时，滚轮式穴播器顺时针旋转，胡麻种群在摩擦力和自重作用下动态流动于滚轮式穴播器内下部。取种器随穴播器旋转从种群中舀种，当穴播器转至一定位置时种子落入鸭嘴内部，后随鸭嘴破膜排入土壤，完成1次播种过程。

1.取种器；2.弹簧；3.侧盘；4.种口；5.外圈；6.活动鸭嘴；7.固定鸭嘴1.Seed extractor; 2.Springs; 3.Side plate; 4.Vietches; 5.Outer ring; 6.Activated duck mouth; 7.Fixed duck mouth图4 滚轮式穴播器结构和功能分区Fig.4 Structure and function division of roller type hill planter

2

.

1

.

2

关键尺寸计算

滚轮式穴播器的半径大小是影响播种质量和播种效率的关键因素。半径变大，在一定牵引速度条件下角速度会变小，取种稳定；半径变小，角速度会变大，同时，穴播器重量变轻，会造成穴播器入土深度和滑移率增加等问题。滚轮式穴播器半径与鸭嘴的数目和穴距有关，计算公式为：

(1)

式中：

R

为穴播器半径，mm；

n

为鸭嘴数量；

l

为穴距，mm；

δ

为滑移率。

水肥条件充足的条件下，胡麻播种穴距为200 mm。为保证滚轮式穴播器作业时的平稳性，鸭嘴数目不能太少，取7。试验地为沙质土，土壤滑移率为0.093。参考其他滚轮式穴播器半径(180～240 mm)，由式(1)得滚轮式穴播器半径为200 mm。

滚轮式穴播器的鸭嘴重合度是指从固定鸭嘴入土到活动鸭嘴出土所转的角度与两相邻鸭嘴中心所对应的夹角之比。图5示出鸭嘴重合度计算原理，鸭嘴播种时，固定鸭嘴从

A

点开始入土，到

B

点最深处，从

C

点处活动鸭嘴出土。

1.穴播器；2.固定鸭嘴；3.活动鸭嘴；4.地面1.Acupuncture; 2.Fixed duck mouth;3.Active duck mouth; 4.GroundA为固定鸭嘴入土点；B为鸭嘴入土最深处；C为活动鸭嘴出土点。θ1为固定鸭嘴与滚轮式穴播轮垂直线之间的夹角；θ2为活动鸭嘴与滚轮式穴播轮垂直线之间的夹角。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.图5 鸭嘴重合度计算原理示意图Fig.5 Schematic diagram of the calculation principle of duckbill coincidence degree

由鸭嘴重合度计算原理示意图(图5)可知：

(2)

穴播器的鸭嘴重合度

i

为：

(3)

式中：

θ

为两相邻鸭嘴对应的夹角，与安装鸭嘴的个数有关，

θ

=180°/

n

；

h

为鸭嘴高度，本研究取30 mm。对式(3)分析可知，穴播器的鸭嘴重合度

i

与穴播器半径

R

、播种深度

h

和鸭嘴数目

n

有关。设计时应保证鸭嘴重合度

i

≥1，尽可能减小因滑移产生的鸭嘴撕膜、挑膜等现象，进而保证穴播器的播种质量。由式(3)计算得

i

=1.14，满足穴播器上鸭嘴设计要求布置要求。

2

.

1

.

3

穴播器受力分析

播种时，穴播器鸭嘴进出土壤的运动轨迹相对于水平地面的位移量对穴孔宽度影响较大。当穴孔宽度增大时，鸭嘴对地膜撕膜、挑膜等现象增加；对穴孔周围土壤扰动明显，造成种穴周围地温降低，水分传递能力减弱等问题，应减小鸭嘴位移量。穴播器被牵引，在地表滚动前进，其受牵引力、自重、穴播器与地膜的摩擦力和与地面的支持力等力，穴播器受力情况见图6。

G为穴播器受到的重力，G=mg；F为机架为穴播器提供的牵引力；FN为地面对穴播器的支撑力；Ff为地面对穴播器的摩擦阻力，Ff=μFN；Fx为F在x轴方向的分力；Fy为F在y方向的分力；θ为牵引力与x轴方向的夹角。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.图6 穴播器受力示意图Fig.6 Schematic diagram of the force of the hole planter

假设水平向左为

x

轴的正方向，竖直向上为

y

轴的正方向，穴播器受力平衡时：

(4)

(5)

式中：

F

为机架为穴播器提供的牵引力，N；

θ

为牵引力与

x

轴方向的夹角，(°)；

F

为地面对穴播器的摩擦阻力，N；

m

为穴播器质量，kg；

ω

为穴播器的角速度，rad/s，

F

为地面对穴播器的支撑力，N；

G

为穴播器受到的重力，

G

=

mg

，N；

μ

为地膜与穴播器之间的静摩擦因数；

v

为整机前进速度，m/s。将式(4)带入式(5)得：

(6)

式中：

g

为重力加速度。由式(6)可知，穴播器与地面的摩擦力受穴播器的质量、半径、牵引力与

x

轴方向的夹角、整机前进速度和滑移率共同影响。其中，

R

已经确定，

θ

与牵引杆商都有关，穴播器安装后

θ

基本不变，地膜与穴播器之间的静摩擦因数

μ

基本不变，

δ

受土壤力学状态的影响，试验地土壤情况大致相同，

δ

大致相同，机器平稳运行时，速度

v

不变。当穴播器质量

m

增加时，穴播器与地面的摩擦力

F

增加，而摩擦力

F

增大，有助于降低地膜穴孔和种位的错位率，鸭嘴对地膜撕膜、挑膜等现象。因此，适当增加穴播器质量。

2.2 取种器设计

取种器是胡麻播种机整机实现精量播种的核心部件。为提高异形胡麻的取种精度和稳定性，本研究采用舀取式取种器，主要由取种勺、引种槽、携种腔、勺翼和固定板等构成(图7)。取种器工作过程分为4个阶段，分别为取种勺从种群中舀种、引种槽导种和清种、携种腔卸种。其中，胡麻清种过程具体为在取种勺内的种子在回转惯性力和自重作用下滑入引种槽，溢出引种槽的种子掉落，完成清种。卸种过程具体为经引种槽进入携种腔的种子，自动滑落至鸭嘴内。对取种勺舀种和引种槽引种过程进行理论分析，确定其影响播种的关键因素。

1.引种槽；2.取种勺；3.勺翼；4.固定板；5.携种腔1.Introduction slot; 2.Seed spoon; 3.Spoon wing; 4.Fixed plate; 5.Seed-carrying cavitya为引种槽长度；b为梯形体取种勺截面的高；c为固定板长度；d为固定板宽度；β为引种槽与水平方向之间的夹角；γ为取种勺与竖直方向的夹角；e为梯形体取种勺截面下底边；f为梯形体取种勺截面上底边；h1为梯形体的高。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.图7 取种器结构Fig.7 Seed extractor structure

2

.

2

.

1

取种勺舀种过程受力分析

作业时，胡麻在穴播器内部运动，穴播器带动其转动至一定高度后向下滑落，并被取种器中的取种勺舀种。取种勺的形状和结构尺寸影响取种量，其两边设有三角形挡板，胡麻在滑落过程中被阻挡进入取种勺，取种勺体积影响取种量。取种勺舀种过程受穴播器、取种器和胡麻种群等影响，对其进行充种受力分析。胡麻充种过程受力分析见图8。可见，若要让胡麻向下滚落充填取种勺，需满足以下条件：

N为外圈内壁对胡麻的支持力；f为胡麻与穴播器内壁之间的摩擦力；P为胡麻受到的离心力；G1为研究对象受到自重和其他胡麻对其正压力；θ1为取种器内壁对胡麻的支持力与竖直方向的夹角。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.图8 胡麻充种过程受力分析Fig.8 Force analysis of flax seed filling process

(7)

式中：

G

为研究对象受到自重和其他胡麻对其正压力，N；

θ

为取种器内壁对胡麻的支持力与竖直方向的夹角，(°)；

f

为胡麻与穴播器内壁之间的摩擦力，N；

N

为外圈内壁对胡麻的支持力，N；

μ

为胡麻籽粒与接触材料之间的摩擦因数；

P

为胡麻受到的离心力，N；

m

为研究对象的质量，kg。对式(7)换算后得：

G

(sin

θ

-

μ

cos

θ

)-

m

ω

R

≥0

(8)

观察充种过程发现，在种箱内的胡麻种群上表面是充种的主要来源，

G

简化为

m

g

。因此，对式(8)简化为：

(9)

由式(9)可知，取种器转动角速度受限于穴播器半径、重力加速度和胡麻的静摩擦因数等。极限位置时

θ

为90°，穴播器半径确定为200 mm，要实现取种勺成功舀种，需

ω

≤7 rad/s。

2

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2

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2

引种槽引种过程受力分析

引种过程为胡麻种子沿引种槽向携种腔方向滑移。此过程中种子受到自重、离心力、摩擦力和支持力的作用，对引种过程受力分析见图9。

N0为取种器对胡麻的支持力；f0为胡麻与取种器之间的摩擦力；β为引种槽与竖直方向之间的夹角；θ0为重力与垂直方向的夹角。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.图9 引种过程受力分析Fig.9 Force analysis of introduction process

假设胡麻此时受力平衡，对其进行静力学分析得：

(10)

式中：

N

为取种器对胡麻的支持力，N；

f

为胡麻与取种器之间的摩擦力，N；

β

为引种槽与竖直方向之间的夹角，N；

θ

为重力与垂直方向的夹角，(°)。

胡麻沿引种槽滑向携种腔，需满足条件：

m

g

sin

β

≥

f

+

P

cos(

β

+

θ

)

(11)

将式(11)化简为由于

θ

接近于零，且0<

β

<90°，简化为:

(12)

由式(12)可知，引种槽与竖直方向之间的夹角与穴播器的角速度、半径相关。将已确定值

R

和

ω

代入式(12)计算得

β

≥45°，即引种槽与水平方向之间的夹角≤45°，考虑到胡麻堆积角为23°，引种槽与水平方向之间的安装夹角应小于等于23°，为使取种器也能在种子较少的情况下舀上种子，引种槽与水平方向之间的安装夹角不宜过大，设置为0°～10°。

2

.

2

.

3

主勺其他参数确定考虑到取种器安装的稳定性，设计固定板宽度

d

为21 mm、长度

c

为60 mm。设计取种器与竖直方向之间的夹角

γ

为24°。沙质土上胡麻种植农艺要求每穴胡麻数为6～10 粒，以10粒为依据，‘陇亚10号’胡麻千粒重为7.903 g，密度为0.66 g/mL，经计算10粒胡麻充种所需体积为120 mm。单个种子平均长为4.43 mm，宽为2.38 mm，高为0.95 mm，梯形体取种勺截面下底边

e

大于种长，小于2倍种长，最后确定

e

为8 mm；梯形体取种勺截面上底边

f

参考种宽，确定

f

为2.5 mm；取种勺截面高确定为4倍的种宽，

b

约为5 mm；由梯形体体积计算得梯形体的高

h

约为9 mm。梯形体的引种槽长度

a

影响清种效果，初步确定

a

为31 mm。播种试验发现梯形体的引种槽长度

a

、取种勺截面高

b

均影响取种量的稳定性，以

a

和

b

作为试验因素进行台架试验确定最佳参数。

2.3 覆膜机构、覆土装置

2

.

3

.

1

结构组成

覆膜机构主要由主机架、膜侧开沟圆盘、展膜棍、压膜轮、尾架、悬挂装置、膜面覆土圆盘、弹簧、膜面覆土滚筒、压膜轮牵引杆、展膜杆、挂膜架和直角固定板等组成(图10)。工作前，将地膜放置于挂膜架，并引至展膜辊，并穿过膜面覆土滚筒，将膜边人工掩埋。工作时，膜侧开沟圆盘在牵引力和自重的作用下切入土壤，开出膜沟，入土深度和角度可通过改变套筒长短和角度来实现。地膜紧贴展膜棍向后运动，其后的压膜轮将膜边压入膜沟，由覆土圆盘在膜边覆土掩埋。膜面覆土圆盘将地膜两侧的土壤刮入膜面覆土滚筒两侧，滚筒内螺旋导土板将土壤向内部输送，并将土壤从覆土槽漏下，完成膜面覆土镇压。

1.主机架；2.膜侧开沟圆盘；3.展膜棍；4.压膜轮；5.尾架；6.悬挂装置；7.膜面覆土圆盘；8.弹簧；9.膜面覆土滚筒；10.膜侧覆土圆盘；11.压膜轮牵引杆；12.展膜杆；13.挂膜架；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图10 覆膜机构和覆土装置结构组成Fig.10 Structure composition of film covering mechanism and soil covering device

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3

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2

膜面覆土滚筒

由于沙质土内含有大量大小不一的石头，为防止石头拥堵，在膜面覆土滚筒中间开口位置，设置了边长为100 mm的方孔。为使地膜与种床充分贴合，避免河西走廊大风将地膜吹起，提高地膜覆土的均匀性和连续性，设计了膜面覆土滚筒，结构见图11。考虑到滚筒输土纵向稳定性，设计滚筒直径为380 mm，长为1 146 mm。为提高滚筒输土性能，设计其内螺旋导土板为4片，宽度为40 mm，设计膜面覆土滚筒两端的间隙为40 mm，中部间隙为70 mm，并可通过调节活动滚筒和固定滚筒之间的距离以满足不同的覆土要求。为提高滚筒的驱动力避免打滑，滚筒转动由其上驱动爪带动，单个驱动爪截面设计成V形，同时为提高其入土性能，驱动爪头部设计较小，考虑滚筒输土的转动力和平稳性，设计驱动爪长为90 mm。

1.固定滚筒；2.活动滚筒；3.连接杆；4.驱动爪；5.支撑杆；6.螺旋导土板；7.固定装置1.Fixed roller; 2.Active roller; 3.Connect rod; 4.Drive claws; 5.Support rod; 6.Spiral landing plate; 7.Fixed device图11 膜面覆土滚筒结构Fig.11 Structure of roller covered with soil on membrane surface

2

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3

螺旋导土板螺旋导土板的安装角度是影响膜面覆土滚筒横向推送土壤性能的关键因素之一。膜面覆土滚筒内螺旋导土板的作用是将土壤由两侧向内部输送。对导土板上的土壤进行受力分析，假设此时土壤处于临界状态，

x

轴为土壤轴向输送方向，

y

轴为拖拉机前进方向，见图12。

H为螺旋导土板对土壤的合力；Hy为H在y轴的分力；Hx为H在x轴的分力；Hf为土壤与螺旋导土板的摩擦力；S为螺旋导土板对土壤的法向推力；m2为土壤质量；α为螺旋导土板安装螺旋角；φ为土壤对螺旋导土板的摩擦角。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.图12 螺旋导土板上土壤受力分析Fig.12 Soil stress analysis on spiral guide plate

螺旋导土板对土壤的力可分解为轴向(

x

轴)和径向(

y

轴)，2个方向的力分别为：

(13)

式中：

H

为螺旋导土板对土壤的合力，N；

H

为

H

在

x

轴的分力，N；

H

为

H

在

y

轴的分力，N；

α

为螺旋导土板安装螺旋角，(°)；

φ

为土壤对螺旋导土板的摩擦角，(°)。为使导土板能横向输送土壤，须使

H

>0，螺旋角

α

需满足以下条件：

(14)

设土壤沿螺旋导土板轴向运动的速度为

v

′，土壤相互之间的挤压力和重力等效于径向合力，则：

m

v

′=

m

g

sin

α

cos

α

-

m

g

sin

α

tan

φ

sin

α

(15)

式中：

m

为土壤质量。对式(15)求

α

的导数可得：

(16)

令土壤沿膜面覆土滚筒轴向运动的加速度最大时的螺旋角

α

为：

(17)

查阅相关文献资料，沙质土对螺旋导土板的摩擦角

φ

取34°，由式(17)计算可得螺旋导土板安装螺旋角

α

=28°。

3 台架试验

3.1 材料及试验方法

为优化滚轮式穴播器排种性能，于2020年8月在甘肃农业大学机电工程学院进行胡麻排种台架试验。胡麻品种为陇亚10号，千粒重7.36 g，自然休止角23°。胡麻排种试验台主要由6IK300RGU-CF可调转速电机(调速范围4～430 r/min)、台架、输送带、滚轮式穴播器等组成(图13)。胡麻联合播种机能进行单次6行播种，各个穴播器排量一致性变异系数和穴粒数合格指数是影响播种质量好坏的关键因素，参照JB/T 6274.1—2013《谷物播种机第1部分：技术条件标准试验方法》对播种机6个穴播器分别进行排种台架试验，选取取种器引种槽长度、穴播器转速和取种勺截面高作为此次试验的3个主要因素。每组试验选取80个鸭嘴的穴粒数进行统计，每组重复3次，取平均值作为试验结果记录分析，以各个穴播器排量一致性变异系数和穴粒数合格指数为评价指标。

1.输送带；2.滚轮式穴播器；3.输送带调速电机；4.穴播器调速电机1.Conveyed belt; 2.Roller acupuncture; 3.Conveyor belt speed motor; 4.Speed regulating motor for hole planter图13 多功能排种器试验台Fig.13 Multi-functional experiment bench for seed rower

各个穴播器排量一致性变异系数的计算式为：

(18)

式中：

q

为第

i

行第

N

次测量结果平均值；

N

为测量次数；

q

为第

j

次测量，第

i

行的排量测量值；为各行排种量的测量平均值；

n

为行数；

S

为各行排量的标准差；

α

为各个穴播器排量一致性变异系数。

当6≤穴粒数≤10时为合格，则穴粒数合格指数为：

(19)

式中：

n

为穴粒数合格的次数。

3.2 试验安排及数据分析

根据前期对穴播器的设计和理论分析，选择引种槽长度、穴播器转速、取种勺截面高为影响因素，以穴粒数合格指数和各个穴播器排量一致性变异系数为评价指标，按照正交表

L

(3)安排试验。穴播器播种试验因素水平见表2，各因素对试验指标的影响结果见表3,极差分析见表4。

表2 穴播器播种试验因素水平
Table 2 The level of factors in the seeding test

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

注：为引种槽长度；为穴播器转速；为取种勺截面高。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 各因素对试验指标的影响结果
Table 3 The influence of various factors on the test index

试验号Text number因素水平值 Factor level value试验指标 Test indexABCαi/%αk/%11112.2697.2521223.2195.7731334.3295.5742121.5797.5452232.7897.6662312.9697.2473133.4596.6683214.3595.7393324.2594.66

注：为排量一致性变异系数；为平均穴粒数合格指数。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 极差分析结果
Table 4 Range analysis results

试验指标Text index分析项Analysis item试验因素 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：，，分别表示各因素各水平所对应的指标之和；，，分别表示各因素各水平所对应指标之和的平均值；为极差。
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.

排量一致性变异系数越小，平均穴粒数合格指数越大，说明穴播器排种性能越好。由表3可知，排量一致性变异系数和平均穴粒数合格指数的最佳参数组合均为

A

B

C

。对台架试验结果进行方差分析，结果见表5。

表5 方差分析结果
Table 5 Analysis of variance results

试验指标Test index来源Source平方和Sum of squares自由度Degree of freedom均方Mean squareF值F value显著性Significanceαi A3.7521.8724.16*B3.2021.6020.66*C0.4020.20 2.55误差0.1620.08总和7.508αkA5.1422.5737.54*B2.6621.3319.44*C0.9820.49 7.19误差0.1420.07总和8.928

注：*表示显著。
Note: * indicates significant.

对于排量一致性变异系数，穴播器转速和引种槽长度对其影响显著，取种勺截面高影响不显著；对于平均穴粒数合格指数，穴播器转速和引种槽长度对其影响显著，取种勺截面高影响不显著。究其原因，当穴播器转速高，会缩短取种勺的充种和清种时间，使取种勺充种、清种不充分，会使排量一致性变异系数变大；引种槽长度增加，会增加种子在引种槽内的逗留时间，增加了种子进入鸭嘴的时间，会使排量一致性变异系数增加；取种勺截面高增加，提高了单次取种量，给清种、卸种过程增加了不确定因素，进而增加了排量一致性变异系数。综合考虑2个不同指标的参数优化指标，为保证穴播器的排种性能，最终确定穴播器的最佳参数组合为

A

B

C

，即引种槽长度为31 mm、穴播器转速为25 r/min、取种勺截面高为5 mm，与其对应的排量一致性变异系数和穴粒数合格指数分别为1.57%和97.54%。

3.3 田间试验

2020年8月在华瑞农业股份有限公司进行胡麻联合播种机田间试验。土壤为沙土，含水率13.4%，土壤坚实度1.73～1.84 MPa，密度1.64 g/cm。试验前进行旋耕作业并施加有机肥，土地平整。胡麻品种为陇亚10号，选择0.01 mm厚白色地膜；牵引机为东方红-300型拖拉机，功率为22.1 kW，播种机前进速度为0.94 m/s，田间试验及效果见图14。

图14 联合播种机田间试验及效果Fig.14 Field experiment and effect of combined seeder

胡麻播种试验结束后，分别测定6行单一播种行内，随机6 m长的测量区每穴种子数量，共测量180穴。同时，对挖出的每行种子进行称重，用于计算胡麻联合播种机的排量一致性变异系数和穴粒数合格指数，测定结果见表6。

表6 田间播种试验6行单一播种随机6 m测量区每穴种子数量
Table 6 Field sowing trial 6 rows of single sowing randomised 6 m measurement zone Number of seeds per hole 粒

穴播序号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质量/g Mass2.202.242.242.192.312.34

由统计结果计算可知，各行排量一致性变异系数的最大值为3.85%，各行的穴粒数合格指数为93.33%，以上结果基本和台架试验结果一致。田间试验过程中，穴粒数合格指数由于受地面起伏和振动等因素影响，部分取种器有未能排净的现象，会积累到下次排种，造成部分穴粒数过大的问题。各行试验结果表明胡麻联合播种机的各个装置运行平稳可靠，胡麻穴深为3.5～4.5 cm，滴灌装置能有序铺设2条；覆膜-覆土装置能将膜边垂直压入膜沟并将其掩埋，未发现两边行穴孔被边侧土壤掩埋的现象，并且膜面覆土滚筒也没有出现壅土现象；播种系统取种精确、稳定，排种流畅，并无撕膜现象，与台试验结果接近。综上，联合播种机试验指标均达行业标准要求。

4 结 论

本研究针对西北旱区胡麻精密种植效率低下的问题，设计了一种集施肥、滴灌、覆膜、覆土和穴播为一体的胡麻播种机。对整机关键部件进行了作业分析和理论计算，确定了播种装置、覆膜覆土装置的部分结构和作业参数。针对胡麻每穴6～10粒种子的播种要求，对滚轮式穴播器进行台架试验，确定了最佳工作参数，提高了取种的精确性和稳定性，并对其进行田间验证试验。主要结论如下：

1)台架试验结果表明，影响排量一致性变异系数和穴粒数合格指数的主要因素为，引种槽长度和穴播器转速。由方差分析可知，穴播器最佳工作参数为，引种槽长度31 mm、穴播器转速25 r/min、取种勺截面高5 mm，在此条件下穴播器排量一致性变异系数和穴粒数合格指数分别为1.57%和97.54%。

2)田间试验表明，胡麻联合播种机的各个装置运行平稳可靠，联合播种机的各行排量一致性变异系数为3.85%，穴粒数合格指数93.33%，与台架试验结果基本一致，以上指标均能达到行业标准要求。