單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機工作參數優化

辛尚龍，戴 飛，石林榕，趙武云，劉鳳軍，辛兵幫，宋廣龍

（1.甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州730070；2.酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司，甘肅 酒泉735000）

單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機工作參數優化

辛尚龍1，戴 飛1，石林榕1，趙武云1，劉鳳軍2，辛兵幫2，宋廣龍2

（1.甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州730070；2.酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司，甘肅 酒泉735000）

為獲得單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機的最佳工作參數，通過改變單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機播種作業性能指標的4個主要參數：機具前進速度、旋耕刀組刀頭線速度、攪龍軸轉速和覆土圓盤傾角，以播種合格率、膜上覆土厚度為評價指標進行馬鈴薯播種試驗。結合正交試驗，應用綜合評分法得出了該機具作業時各參數的最優組合：機具前進速度為0.65m·s－1、旋耕刀組刀頭線速度為 0.90m·s－1、攪龍軸轉速為950 r·min－1、覆土圓盤傾角為35°。根據該最優組合作業參數進行試驗驗證，試驗結果表明，在此優化試驗條件下，作業機播種合格率均值可達92.6%，膜上覆土厚度均值為40.1 mm，符合馬鈴薯種植機質量評價技術規范要求。

馬鈴薯；播種；試驗；參數優化

馬鈴薯是高產糧食作物之一，目前，我國的馬鈴薯種植面積居世界首位，并保持逐年增長的趨勢［1－3］。馬鈴薯機械化播種是馬鈴薯生產過程中的關鍵環節之一，直接影響著馬鈴薯的種植作業效率與產量。近年來，甘肅省廣泛推廣的種植模式是大壟雙行馬鈴薯栽培技術，即在一條大壟上種植兩行馬鈴薯，大壟寬度為 1.1～1.4 m。目前，有些地區仍然采用的是人工種植的方式，種植過程中膜上覆土也由人工進行，無形中增加了馬鈴薯的種植成本［4］。馬鈴薯膜上覆土就是馬鈴薯出苗前在地膜上覆蓋適當厚度的土壤，根據土壤壓力讓幼苗自行穿破地膜出苗。實踐證明，馬鈴薯膜上覆土可以提高馬鈴薯播種效率、減少青薯率以及增加產量［5－6］。馬鈴薯膜上覆土厚度會直接影響到馬鈴薯的播種深度，進而影響馬鈴薯的生長。因此，研究馬鈴薯膜上覆土厚度對馬鈴薯的種植具有重要的意義［7－11］。

為解決膜上覆土厚度問題，減少工時，自行研制了集施肥、播種、覆膜、覆土為一體的馬鈴薯播種機。本文主要通過改變單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機的主要作業參數，進行整機作業性能（播種合格率、book=5,ebook=289膜上覆土厚度）研究，以期獲得該機具關鍵設計參數的最優組合。

收稿日期：20160702修回日期：20160922

基金項目：農業部公益性行業（農業）科研專項經費項目（201503105）；甘肅省科技重大專項計劃項目（143NKDJ018）

作者簡介：辛尚龍（1990—），男，甘肅秦安人，碩士，研究方向為農業工程技術與裝備。Email：528980725＠qq.com。

通信作者：趙武云（1966—），男，甘肅蘭州人，教授，博導，主要從事農業工程技術與裝備方面的研究。Email：zhaowy＠gsau.edu.cn。

1　試驗設備與方法

1.1整機結構及工作原理

單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機如圖1所示。主要由懸掛架、機架、肥箱、種箱、土壤升運器、旋耕刀組、取土鏟、掛膜裝置、攪龍軸、覆土槽、圓盤覆土器等部件組成。

在田間作業時，機具采用四輪拖拉機后置懸掛方式，通過動力輸入變速箱傳動刀軸帶動旋耕刀組將種床土壤旋耕疏松，隨著整機的前進，取土鏟完成開溝起壟，地輪分別將動力傳遞給排肥機構和排種機構的轉軸，驅動排肥鏈輪和排種鏈輪的轉動，完成施肥與播種，同時地膜隨掛膜裝置的轉動前行覆膜。作業機在旋耕刀組和取土鏟的共同作用下將土壤送至土壤升運器，在覆土裝置的作用下土壤經攪龍軸打碎再順著覆土槽流下完成膜上覆土，圓盤覆土器完成兩側膜邊的覆土作業。

1.2機具結構參數

單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機主要結構參數如表1所示。

1.3工作參數分析

針對甘肅省馬鈴薯的種植特點，楊來勝等［9］提出了“馬鈴薯壟作膜上覆土自然出苗栽培技術”，并給出了膜上覆土厚度的范圍為30～50mm。課題組前期通過人工膜上不同厚度覆土對馬鈴薯出苗率及產量影響進行試驗研究與驗證，進一步得出膜上最佳覆土厚度為38～42mm時種植效果最為適宜。因此，后續正交試驗參數優化時，覆土厚度以此為指標。

單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機壟體的耕整、鋪設是在作業機具工作過程中先由旋耕刀組和取土鏟的共同作用下獲取覆膜土壤，即隨土壤升運器將覆膜土壤輸送至覆土裝置，并在覆土槽與覆土圓盤的共同作用下來完成覆膜作業。通過對單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機的改進，設計樣機關鍵部件排肥裝置、播種裝置已能保證樣機田間作業時順利施肥播種，所起的壟寬與壟高符合農藝技術要求，但地膜上覆土的厚度、播種合格率仍是制約作業機工作性能優劣的核心問題。

book=284,ebook=290因此，除地膜自身質量的優劣外，作業機前進速度 v1、旋耕刀組刀頭線速度 v2、攪龍軸轉速、覆土圓盤傾角均與膜上覆土厚度、播種合格率相關。

2　試驗設計與分析

2.1試驗條件

單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機田間試驗在甘肅酒泉鑄隴機械制造有限責任公司試驗田內進行，試驗田面積0.27 hm2，地勢平坦，壤土，其含水率為15.3%～16.2%。試驗田依照有關農藝要求，通過變換作業機不同工作參數進行作業，所用地膜為甘肅省政府招標地膜，厚度為 0.01mm［12－13］。

2.2試驗方法

根據作業機的覆土特點，以播種合格率、覆土厚度為評價指標。測定計算單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機的播種合格率（播種合格率包括播深、重播和漏播）和覆土厚度。機具作業后，每隔10 m計算9個長方形測區（10m×1m）的馬鈴薯播種合格率、膜上覆土厚度的數據，再對9組數據取平均值。

2.3單因素試驗

考察作業機前進速度、旋耕刀組刀頭線速度、攪龍軸轉速、覆土圓盤傾角對播種合格率、膜上覆土厚度的影響：（1）設定作業機具的前進速度為0.65 m·s－1，旋耕刀組刀頭線速度為 0.9m·s－1，覆土圓盤傾角為 45°，攪龍軸轉速分別設為 650、750、850、950、1050 r·min－1；（2）保持旋耕刀組刀頭線速度、覆土圓盤傾角不變，攪龍軸轉速取由第1組試驗得出的較佳值 950 r·min－1，機具前進速度分別取 0.55、0.65、0.75、0.85、0.95m·s－1；（3）保持機具前進速度 0.65 m·s－1，覆土圓盤傾角為 45°，攪龍軸轉速為 950 r·min－1，分別取旋耕刀組刀頭線速度為 0.65、0.75、0.85、0.95、1.05m·s－1；（4）旋耕刀組刀頭線速度取由第3組試驗得出的較佳值0.9m·s－1，機具前進速度0.65m·s－1，攪龍軸轉速為 950 r·min－1，分別取覆土圓盤傾角為 35°、45°、55°，觀察并記錄試驗數據［14］。

2.3.1攪龍軸轉速對播種合格率、膜上覆土厚度的影響當作業機具的前進速度為0.65 m·s－1，旋耕刀組刀頭線速度為 0.9m·s－1，覆土圓盤傾角為 45°，攪龍軸轉速分別設為 650、750、850、950、1050 r·min－1時，播種合格率、膜上覆土厚度隨攪龍軸轉速的變化如圖2所示。

由圖2可以看出，當攪龍軸轉速從650 r·min－1變化到1 050 r·min－1時，膜上覆土厚度呈逐漸增加的趨勢，因為當攪龍軸轉速較低時，從土壤升運器輸送上來的土壤不能完全從覆土槽槽口流出，在攪龍軸軸箱內還保留有一部分的土壤，隨著機具的前進，落在膜上的土壤的量會減少，進而影響膜上覆土厚度，相反，攪龍軸轉速越高，被攪龍軸打碎的土壤越容易從覆土槽槽口流出，此時膜上覆土厚度也會相應的增加。整個過程中，攪龍軸轉速對播種合格率基本沒有影響，故只需考慮攪龍軸轉速對覆土厚度的影響，而轉速過高會導致膜上覆土的厚度過大，綜合考慮，取攪龍軸轉速為 950 r·min－1。

2.3.2機具前進速度對播種合格率、膜上覆土厚度的影響當旋耕刀組刀頭線速度為0.9m·s－1，攪龍軸轉速為 950 r·min－1，覆土圓盤傾角為 45°，機具前進速度分別取0.55、0.65、0.75、0.85、0.95m·s－1時，播種合格率、膜上覆土厚度隨機具前進速度變化如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著機具前進速度的增加，播種合格率增大。當機具前進速度為0.65 m·s－1時，播種合格率最高；但是，當機具前進速度繼續增加時，播種合格率逐漸降低，而且隨著機具前進速度的增加膜上的覆土厚度越來越薄，因此，在綜合考慮播種合格率、膜上覆土厚度這兩因素的基礎上，取機具book=5,ebook=291前進速度為 0.65m·s－1。

2.3.3旋耕刀組刀頭線速度對播種合格率、膜上覆土厚度的影響當作業機具的前進速度為0.65 m·s－1，攪龍軸轉速為 950 r·min－1，覆土圓盤傾角為45°，旋耕刀組刀頭線速度分別取為 0.65、0.75、0.85、0.95、1.05m·s－1時，播種合格率、膜上覆土厚度隨旋耕刀組刀頭線速度的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著旋耕刀組刀頭線速度的增加，播種合格率、膜上覆土厚度均有所增大，當旋耕刀組刀頭線速度為0.95 m·s－1時，播種合格率最高，膜上覆土厚度也符合厚度基本要求；當旋耕刀組刀頭線速度大于0.95 m·s－1時，播種合格率有所下降；綜合考慮，取旋耕刀組刀頭線速度為0.9 m·s－1時較合適。

2.3.4覆土圓盤傾角對播種合格率、膜上覆土厚度的影響當作業機具的前進速度為0.65 m·s－1，旋耕刀組刀頭線速度為0.9m·s－1，攪龍軸轉速為950 r·min－1，覆土圓盤傾角分別取 25°、35°、45°、55°、65°時，播種合格率、膜上覆土厚度隨覆土圓盤傾角的變化如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著覆土圓盤傾角的增加，播種合格率、膜上覆土厚度均有所增大，當覆土圓盤傾角為45°時，播種合格率最高，此時，對應的膜上覆土厚度也符合厚度要求；當覆土圓盤傾斜角大于45°時，播種合格率有所下降；故取覆土圓盤傾角為45°較合適。

2.4正交試驗設計及結果分析

依照上述單因素試驗，單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機性能試驗過程中，選取機具前進速度、旋耕刀組刀頭線速度、攪龍軸轉速和覆土圓盤傾角4個參數作為試驗因素。通過改變拖拉機檔位和油門的大小來改變播種機的前進速度，覆土圓盤傾角值可手動調節，旋耕刀組刀頭線速度及攪龍軸轉速均由拖拉機輸出軸及傳動變速機構控制其大小，試驗因素及水平見表2。

采用四因素三水平正交試驗設計，應用綜合評分法進行計算分析，得到單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機關鍵參數的最優組合［15－16］，試驗重復3次，試驗結果如表3所示。

由表3的試驗結果可以看出，通過改變影響播種機作業性能指標的4個主要參數，作業機的播種合格率在81.4%～92.4%之間，膜上覆土厚度控制在 30.5～50.1mm之間。

book=286,ebook=292

對于多指標實驗分析應用綜合評分法，其中因素 A：機具前進速度（m·s－1）、因素 B：旋耕刀組刀頭線速度（m·s－1）、因素 C：攪龍軸轉速（r·min－1）、因素D：覆土圓盤傾角（°）；試驗指標為播種合格率 Y（%）、膜上覆土厚度 X（mm）。對于馬鈴薯機械化播種而言，提高播種合格率（包括播深、重播和漏播）是馬鈴薯播種的關鍵所在。播種合格率的重要性比膜上覆土厚度的重要性大。因此，按照播種合格率、膜上覆土厚度的權重，若將膜上覆土厚度（X）評1分，則播種合格率（Y）評4分。每項試驗總分應用式（1）進行計算，最優方案參數應結合式（2）計算評分進行極差比較選取。

式中，PA為試驗最優參數得分；Pi為第i次試驗總分，i＝1，2，…，9；X為第 i次試驗膜上覆土厚度（mm），i＝1，2，…，9；Y為第 i次試驗播種合格率（%），i＝1，2，…，9。

通過應用綜合評分法，由表4中極差大小可以得出，影響單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機作業性能的因素主次順序是：機具前進速度、攪龍軸轉速、旋耕刀組刀頭線速度、覆土圓盤傾角；播種機作業時各參數的最優組合為：A2B2C2D1，即機具前進速度為0.65m·s－1，旋耕刀組刀頭線速度為 0.9 m·s－1，攪龍軸轉速為 950 r·min－1，覆土圓盤傾角為 35°。

由各因素的極差可以得出，對影響單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機作業性能最為關鍵的作業因素是機具前進速度，對試驗指標的影響最大，攪龍軸轉速、旋耕刀組刀頭線速度對試驗指標的影響次之，覆土圓盤傾角對馬鈴薯播種合格率、膜上覆土厚度的影響最小。因此，在該機具的后續研究過程中，需進一步探明機具前進速度與攪龍軸轉速、旋耕刀組刀頭線速度之間的相互作用關系。

3　試驗驗證

為進一步驗證正交試驗結果所得到的作業機性能參數可靠性，對上述優化方案進行驗證試驗，將樣機覆土圓盤傾角調整為35°，控制機具前進速度為0.65m·s－1、攪龍軸轉速為 950 r·min－1、旋耕刀組刀頭線速度0.9m·s－1，進行田間播種作業性能試驗驗證，仍然按照2.2試驗方法，試驗重復3次。試驗結果表明，應用最優組合參數進行試驗時，馬鈴薯播種合格率值為92.6%，膜上覆土厚度均值為40.1 mm，符合作業性能要求，說明該優化方案可靠。

4　結　論

1）為了改善馬鈴薯種植條件，提高馬鈴薯的播種合格率及播種效率，對單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機進行了試驗研究。其中，機具前進速度、旋耕刀組刀頭線速度、攪龍軸轉速、覆土圓盤傾角4個因素均是影響馬鈴薯播種合格率、膜上覆土厚度的關鍵因素。

2）結合正交試驗，通過改變單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機的前進速度、旋耕刀組刀頭線速度、攪龍軸轉速、覆土圓盤傾角，以馬鈴薯播種合格率、膜上覆土厚度為評價指標，應用綜合評分法得出該機具作業時各參數的最優組合，即機具前進速度為0.65m·s－1，旋耕刀組刀頭線速度為 0.9 m·s－1，攪龍軸轉速為 950 r·min－1，覆土圓盤傾角為 35°。

book=5,ebook=293

3）應用最優組合參數進行試驗驗證，作業機播種合格率均值為92.6%，膜上覆土厚度均值為40.1 mm，各項評價指標均符合馬鈴薯種植機質量評價技術規范相關要求，表明優化后的最優組合參數可以作為單壟雙行馬鈴薯施肥覆膜播種機田間作業的最佳依據。

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Optim ization of working parameters of potato planter with fertilizer and mulching

XIN Shang-long1，DAIFei1，SHILing-rong1，ZHAOWu-yun1，LIU Feng-jun2，XIN Bing-bang2，SONGGuang-long2
（1.School of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu 730070，China；2.Jiuquan Zhulong Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Jiuquan，Gansu 735000，China）

In order to obtain the optimalworking parameters of the potato seederwith fertilization andmulching，a study of performancewas carried out through changing the4major operational parameters asmachine speed，line speed of rotary blade，speed of auger shaftand angle of disk coverer.The seeding rate and the thickness of the covering soilwith plastic film were evaluated.Combined the orthogonal experiment，the optimal combination of each working parameterwas obtained by applying the comprehensive evaluationmethod.Themachine advancing speed of0.65m·s－1，line speed of rotary blade of 0.90m·s－1，speed of auger shaft of950 r·min－1，angle of disk coverer of35°were the optimal combination of operating parameters.According the optimal combination ofoperating parameters，the experiment results showed that under the optimized test conditions the average seedingwas92.6%and the average thickness of the covering soil by plastic film was40.1mm，whichmeets the technical specifications of quality evaluation of potato seederwith fertilization and mulching.

potato；sow；experiment；parameter optimization

S223.2

A

1000-7601（2017）05-0282-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.41

2016-07-02

2016-09-22

農業部公益性行業（農業）科研專項經費項目（201503105）；甘肅省科技重大專項計劃項目（143NKDJ018）

辛尚龍（1990—），男，甘肅秦安人，碩士，研究方向為農業工程技術與裝備。E-mail：528980725＠qq.com。

趙武云（1966—），男，甘肅蘭州人，教授，博導，主要從事農業工程技術與裝備方面的研究。E-mail：zhaowy＠gsau.edu.cn。