玉米花生間作播種施肥一體機研制與試驗

耿端陽，何 珂，印 祥，李玉環，姜 萌，解春季，徐海剛

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玉米花生間作播種施肥一體機研制與試驗

耿端陽1，何 珂1，印 祥1，李玉環1，姜 萌1，解春季1，徐海剛2

（1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博255000；2. 時風集團農業部農機動力和收獲機械重點實驗室，聊城252000）

針對玉米花生間作播種經濟效益高但缺少一體化作業機械裝備的現實問題，采用農機農藝融合的研究方法，開發了1種1次作業可以實現旋耕筑壟、混土施肥、玉米花生間作播種和對行覆土鎮壓等功能的玉米花生間作播種施肥一體機，并對影響壟臺筑建、溝床平整的旋耕裝置和最小結構尺寸的平行四桿機構進行了設計；采用正交試驗方法探究了旋耕刀軸轉速、耕深和仿形機構拉桿長度對花生壟臺高度和播深一致的影響規律，結果表明：在旋耕刀軸轉速為260 r/min，耕深15 cm及仿形機構拉桿長度為24 cm時，即可為玉米花生間作創造良好的播種環境，且花生播深合格率達91.1%，玉米播深合格率達90.1%，其他參數完全符合相關農藝標準，為該農藝技術的推廣應用提供可供選擇的機械化裝備。

播種；農業機械；試驗；玉米-花生間作；正交試驗

0 引 言

玉米花生間作種植作為可以發揮高稈與矮稈、直根系與須根系、需氮多和需磷鉀多互補效應的增產增效農藝，受到了農學專家的長期關注[1-3]，特別是不同地區采用不同的間作模式后，可以有效控制和緩解玉米花生種植爭地搶時矛盾，實現兩種作物高效生產，提高農作物生產的綜合效益[4-7]。據山東省農科院連續7年的生產試驗，玉米花生間作種植可實現“玉米基本不減產，花生多收三四百”的功效[8-9]，對保障中國糧食安全，增加農民收益，實現農民增收具有重要的意義[10]。

青島農業大學尚書旗教授等人按照中國北方花生播種的特點，研制的2BF4-4型花生覆膜播種機可一次性完成花生筑壟、播種和覆膜[11]；中國農業大學李洪文教授研制的凹形圓盤式玉米播種機、水平撥草輪式玉米播種機等機型均已實現免耕條件下玉米播種，且其試驗指標均達到國家標準[12-13]。就玉米花生間作播種而言，目前國內尚未見相關機型研究。故長期以來玉米花生間作技術一直處于手工作業或者分時獨立種植模式[14-17]。本文以目前山東地區玉米花生種植農藝為基礎開發了玉米花生間作播種機，可一次作業完成旋耕筑壟、混土施肥、玉米花生間作播種和對行鎮壓的功能。

1 玉米花生間作播種農藝的確定

通過長期的研究發現，玉米花生間作種植雖然可以增加農民收益，提高土地利用效率，均衡土壤肥力的綜合利用[18-19]，但是由于各地的種植習慣、土壤狀況、作物品種等差異，導致該農藝在實施過程中復雜多樣[20]，后經山東省農科院萬書波院長的長期研究，結果表明以玉米花生3:4（即玉米3行、花生4壟）的播種模式優勢最為明顯[21]，如圖1所示。

圖1 玉米花生間作種植模式

該模式可有效改善玉米花生生長過程的通風、采光、防爛種、便排水等生長條件與問題，實現玉米花生的高效穩產。

2 玉米花生間作播種施肥一體機的結構和工作原理

2.1 整機結構

針對上述播種農藝要求，可將整機設計為非對稱分布的4-3（一側播種2壟4行花生，另一側播種3行玉米）結構和對稱分布2-3-2（中間播種3行玉米，兩邊各播種1壟2行花生）結構。對于第1種結構，為了滿足花生起壟播種的要求，需要將玉米種床耕層土壤進行遠距離輸送，完成花生播種壟臺的筑建，難度較大；采用第2種結構，將耕層土壤進行雙邊反向輸送，當土壤輸送至花生播種帶后，分別起壟筑臺，不僅縮短了土壤輸送距離，而且起壟規整，玉米播種行地表平整，所以本機采用了第2種結構。整機具體結構如圖2所示。

1.仿形架 2.施肥裝置 3.劃行器 4.連接板 5.機架 6.限深輪 7.翻土犁 8.旋耕起壟裝置 9.玉米播種裝置 10.花生播種裝置

玉米花生間作播種施肥一體機主要由機架、限深輪、旋耕起壟裝置、施肥裝置、仿形架、花生播種裝置、玉米播種裝置及傳動部分等組成。其中限深輪安裝在機架橫梁上；旋耕起壟裝置安裝在機架兩側板上，采用中間變速箱傳動；施肥裝置安裝在旋耕裝置上方，采用側面鏈傳動，外槽輪式排肥器排肥；仿形架安裝在機架后方，采用四連桿仿形方式進行仿形；花生播種裝置與玉米播種裝置位于仿形架后方，播種裝置由開溝器、種箱、排種器、鎮壓輪組成，如圖3所示。該機能一次完成旋耕、混土施肥、玉米花生間作播種和覆土鎮壓，其技術參數如表1所示。

1.玉米行開溝器 2.玉米排種器 3.玉米行鎮壓輪 4.玉米種箱 5.花生種箱 6.花生排種器 7.花生行開溝器 8.花生行鎮壓輪

2.2 工作原理

玉米花生間作播種施肥一體機工作原理如下：工作時，由拖拉機動力輸出軸驅動旋耕裝置，對播前農田的秸稈、雜草等物進行粉碎混土，同時完成土壤的雙邊反向輸送，構建適合花生播種的壟臺、形成玉米播種種床。在此過程，肥料通過施肥裝置施于旋耕裝置前方，以便旋耕過程肥料與土壤的均勻混合，為播種創造良好的條件；仿形架后的玉米播種裝置與花生播種裝置完成玉米和花生的開溝播種；最后，覆土鎮壓裝置對播種在壟溝內的玉米以及播種在壟臺上的花生進行覆土鎮壓。

表1 玉米花生間作播種施肥一體機技術參數

3 玉米花生間作機的關鍵部件設計

3.1 旋耕起壟裝置設計

3.1.1 旋耕深度確定

根據玉米花生的播種行寬，確定旋耕起壟裝置的旋耕深度，實現玉米播種行的土壤向花生播種行的輸送，形成花生播種所需要的壟臺和玉米播種所需的平整床面，如圖4所示。

注：h1為花生壟臺高度，cm；h2為旋耕深度，cm；a為花生壟臺上邊長,cm；b為花生壟臺下邊長，cm；L表示2壟4行花生與3行玉米總幅寬，cm；α表示理論花生壟臺斜面與地面間夾角，(°)。

由圖4所示幾何關系可得方程組

式中1為花生播種行斷面面積，cm2；2為玉米播種行斷面面積。

為了實現花生壟臺規整筑建，使1=2，則有

簡化計算可得式（3）

以山東地區玉米花生種植農藝為例，分別為50，85，330 cm，1一般為5～8 cm，代入式（3）得：12 cm<2<18 cm。

由于旋耕深度超過10 cm，選擇旱地作業深耕的I型刀，其回轉半徑為245 mm。

3.1.2 旋耕刀軸轉速確定

考慮旋耕作業主要是隨著機組的前行，由旋耕刀對作業行土壤進行反復切削，所以耕層底部會形成一個接一個的凸起；而為了避免漏耕，必須嚴格控制該凸起的高度，設旋耕刀在0時刻的位置為1，在時刻旋耕刀的位置為2，則相鄰兩把刀走過的軌跡相交于點，從而3為耕層底部凸起的最大高度，如圖5所示。旋耕裝置的耕作深度為2，參照文獻[22-24]可知，避免漏耕的條件為3≤0.22。

注：R0為I型旋耕刀半徑，mm；ω為旋耕刀旋轉角速度，r·min-1；l為0-t時刻機具前進距離，mm；B為相鄰兩刀切削土壤時交點；h3為旋耕刀形成凸起高度，cm；v為機器前進速度，m·s-1, A為輔助點。

式中0為I型旋耕刀半徑，mm。

設旋耕起壟裝置刀軸轉速為，每個圓周方向安裝2把刀，則旋耕刀每轉一周完成2次土壤切削，形成一個耕層底部的凸起，所用的時間為

所以機器前進速度為

進而旋耕刀的轉速為

考慮到旋耕刀轉速過低很難滿足作業要求，旋耕刀轉速過高，導致功率消耗大幅增加，因此旋耕刀轉速在滿足旋耕要求時，取較小值。

3.1.3 旋耕刀排列設計

用于普通整地的旋耕機為了滿足工作后耕面平整，旋耕刀均為螺旋線方向布置，且同一螺旋線上刀的旋向一致。由于本機旋耕裝置需要滿足“調土”功能，因此旋耕刀排列在遵循螺旋線規則時，需要改變旋耕刀旋向，以此對切碎的土壤產生側向力，將切下的土壤向一邊拋送，最終實現旋耕筑壟的功能。

為更好地實現旋耕和起壟，旋耕起壟裝置采用全幅旋耕，旋耕刀共計96把，左右半軸各48把。旋耕刀旋向安排如下：在玉米播種行安裝2對對稱的旋刀，實現該區土壤的疏松、平整；在花生播種行，兩邊各設置一組7對對稱的旋刀，實現花生播種區域土質的疏松和聚中；為了防止土壤外甩，最左側布置2對左旋刀，最右側布置2對右旋刀，實現土壤的向內輸送；其他區域內布置能夠實現土壤向花生種植區域輸送的左旋刀或右旋刀（左側左旋，右側右旋），旋耕刀詳細排列布置如圖6所示。

注：橫坐標2、4、6……代表第幾對刀。

3.2 仿形機構結構的確定

3.2.1 仿形機構正常工作的條件

依據東北農業大學蔣恩臣教授的研究結果可知，耕層土壤對仿形輪的支反力（Q與Q）與整機重力、耕層對開溝器的阻力（R與R）、鎮壓輪工作阻力（F與F）以及仿形機構的牽引角有關[25]，如圖7所示。如果整機重力不變，則耕層對開溝器的阻力、鎮壓輪的工作阻力和牽引角越大，仿形輪受到的阻力越??；反之越大。顯然，要保證開溝器的工作穩定，則要求仿形輪與耕層土壤有適當的接觸壓力，且工作過程仿形輪所受的阻力和牽引角變化越小，則該系統的工作越穩定。

3.2.2 仿形機構牽引角的確定

播種施肥一體機開始工作時，必須保證其開溝器具有較好的入土性能，所以其仿形機構的起始牽引角0應該處于水平線以上，一般取0=0～10°。本研究的玉米花生間作播種施肥一體機由于前部設有全幅旋耕裝置以及具有整機重力大的特點，所以該機仿形機構起始牽引角0設為0。

為了保證播種施肥一體機穩定工作，則要盡量減少播種施肥一體機作業過程仿形機構牽引角的變化范圍，即要么加長仿形機構的上下拉桿，要么選取合適的仿形機構牽引角。對于加長仿形機構的拉桿長度來說，必然出現機具縱向尺寸加大和整機重心的后移，雖然有利于保證播種施肥一體機工作的穩定性，但不利于本播種施肥一體機的縱向懸掛穩定性；對于仿形機構牽引角的選取，首先必須保證在起伏地表開溝深度的一致性，所以仿形機構牽引角變化范圍最好處于對開溝深度變化較為敏感范圍之內，一般≤45°[26-27]，如圖7所示。

注：Px,Py為牽引力；M為牽引力對機具上平行四桿機構在xy面上力矩；mg為機具的重力；Qx，Qy為耕層土壤對仿形輪的支反力；Rx，Ry為耕層對開溝器的阻力；Fx，Fy為鎮壓輪工作阻力；β為仿形機構的牽引角；β0為仿形機構起始牽引角；γ為仿形機構理論上擺動的最佳角度范圍；O1，O2為仿形機構與機具連接點；B1，B2為仿形機構在初始位置時兩點；A1，A2為仿形機構向上浮動最大時B1，B2所處的位置；C1，C2為仿形機構向下浮動最大時B1，B2所處的位置。

考慮播種施肥一體機工作過程的穩定性，最好將播種施肥一體機工作時的上下拉桿位置控制在水平位置附近。又考慮地表部平整度是雙向的，有可能上凸、下凹，即仿形機構可能出現上、下仿形。參照國內外播種施肥一體機機型，依據本論文播種施肥一體機特點，設計上下仿形角各為22.5°，又因為起始仿形角0設計為0°，故本機仿形機構牽引角為?22.5°~22.5°。

3.2.3 拉桿長度的確定

如前文所述確定仿形機構的起始牽引角和牽引角，由于0=0°，上下仿形量又相等，故通過一側仿形量即可計算拉桿長度′，如圖8所示。

式中4是單向仿形時仿形深度，mm；′是單向仿形時牽引角，即22.5°。

一般播種施肥一體機的單向仿形量為80～100 mm，而本機單向牽引角為22.5°，故拉桿的長度為209～261 mm。

注：h4是單向仿形時仿形深度，cm；β′是單向仿形時牽引角，22.5°；DF為輔助水平線，E為仿形機構向下浮動最大時，拉桿與水平線交點，此時O1E即為所求拉桿長度。

4 試驗設計與數據分析

4.1 正交試驗

為了驗證前文理論分析的正確性，進行了其主要結構參數對該型播種施肥一體機作業性能的影響試驗。選擇旋耕刀轉速、耕深2和拉桿長度為試驗因素，選擇播種深度和花生壟高的合格率為試驗指標，進行了三因素四水平的正交試驗，尋求試驗因素影響播種深度和花生壟高因素的主次關系，確定較優組合。

試驗時，旋耕刀轉速通過改變變速箱推桿位置來實現傳動比的調控，旋耕深度通過調節限深輪位置改變，拉桿長度通過改變拉桿上銷位置調節。

4.1.1 試驗條件和試驗裝置

試驗時間：2016年5月

試驗地點：德州市慶云縣慶云頤園農機制造有限公司試驗田

試驗對象：魯單818與花育22號

試驗指標：選取播種深度合格率和花生壟臺高度合格率為試驗考察指標。

試驗裝置：玉米-花生間作播種施肥一體機

圖9 玉米-花生間作播種施肥一體機

試驗方法：在玉米-花生間作播種施肥一體機速度為3 km/h的作業條件下進行試驗，隨機選取3段作業長度作為測試小區，小區長度為30 m，以小區播種行內花生、玉米播種處作為測點，測量花生測點處壟臺高度，壟臺高度介于5～8 cm內，標記為合格點。然后按式（9）計算花生壟臺高度合格率；在花生、玉米測點上，垂直切開土層，測定種子的覆土層厚度，花生覆土層厚度介于2.5～3.5 cm內，標記為花生播深合格點，玉米覆土層厚度介于2～4 cm內，標記為玉米播深合格點，隨后按式（10）分別計算播種深度合格率。

1）壟臺高度合格率

式中1為壟臺高度合格率，%；d為測點高度合格點數；0為測點總點數，取值為20。

2）播種深度合格率

4.1.2 試驗方案與結果

為了驗證上述理論分析，尋求較優的參數組合，對所選3個參數進行了三因素四水平的正交試驗，參數水平如下表2所示，其結果如表3所示。

表2 試驗因素與水平

4.2 試驗結果與分析

4.2.1 極差分析

由表3可知，各考察因子的極差越大，說明該因子對試驗指標的影響越大。這樣確定了壟臺高度合格率、花生播深合格率和玉米播深合格率影響因素的主次關系如表4所示。

表3 試驗方案與結果

表4 試驗指標分析

4.2.2 方差分析

根據表3可以得出試驗指標的方差分析、值及其顯著性，結果如表5所示。

表5 試驗指標方差分析

注：F為檢驗統計量，**代表試驗因素在0.01顯著性水平下顯著。

Note: F is test statistics, ** represents test factor is outstanding under the 0.01 significance level.

綜合極差和方差分析可知，旋耕刀軸轉速、耕深、拉桿長度對壟臺高度合格率、花生播深合格率、玉米播深合格率的影響顯著性不同，如表5所示。由方差分析結果可知，旋耕刀軸轉速對壟臺高度合格率有極顯著影響，拉桿長度對花生播深合格率與玉米播深合格率有極顯著影響。

旋耕刀軸轉速對壟臺高度合格率有極顯著影響。旋耕刀轉速越快，旋耕刀的土壤轉移量會增加，但是當轉速過快時，旋耕刀對土壤的甩動作用過強，土壤不能有效集中在花生起壟區，從而導致壟臺高度合格率降低；而當旋耕刀轉速過低時，由于沒有足夠的土壤構建壟臺，所以壟臺高度合格率也會偏低；試驗結果可知，在旋耕刀轉速為260 r/min時，壟臺高度最為穩定，壟臺高度合格率最佳，滿足花生壟播的農藝要求。

耕深對壟臺高度合格率有一定影響，當耕深過淺時，土壤轉移量不能有效筑建壟臺；當耕深過深時，土壤轉移量增加，壟臺平均高度增高，壟臺高度合格率降低。

拉桿長度對花生播深和玉米播深有極顯著影響。在仿形量一致的前提下，拉桿越長仿形機構牽引角越小，縱向穩定性越差，此時土地對機器的支反力越大，仿形機構下陷導致開溝過深；拉桿越短，土地對機器的支反力越小，此時開溝器開溝入土性能不佳，工作不穩定。試驗發現拉桿過長或者過短都將影響花生和玉米播種合格率。

通過極差與方差試驗數據分析，綜合各試驗因素對試驗指標的影響主次關系及其優化組合，按照壟臺高度合格率、花生播深合格率和玉米播深合格率較高的原則選取較優試驗因素，最終確定較優組合為233，此時旋耕刀軸轉速260 r/min，耕深15 cm，拉桿長度24 cm，在該條件下壟臺高度合格率為92.0%，花生播深合格率為91.1%，玉米播深合格率為90.1%。

5 結 論

1）依據玉米花生間作播種農藝，開發了與其適應的玉米花生間作播種施肥一體機，實現了農機農藝的有效融合，為玉米花生間作播種施肥一體機械化水平的提高奠定了基礎。

2）該機一次作業可以實現旋耕、花生壟臺筑建、玉米播種溝床平整、施肥、開溝、播種、覆土和鎮壓的復合性功能，有效提高了作業效率。

3）通過正交試驗驗證了研究結果的正確性，確定了主要參數的較優組合，且在旋耕刀軸轉速260 r/min，耕深15 cm及仿形機構上拉桿長度為24 cm時，即可為玉米花生間作創造良好的播種環境，且花生播深合格率達91.1%，玉米播深合格率達90.1%，完全滿足玉米花生間作播種的農藝要求。

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Design and test of corn-peanut intercropping seeding-fertilizing machine

Geng Duanyang1, He Ke1,Yin Xiang1, Li Yuhuan1, Jiang Meng1, Xie Chunji1, Xu Haigang2

(1.,,255000,; 2.,,252000,)

In China, corn is one of the most important grain crop and fodder crop, in the meantime peanut is one of the most crucial cash crop. Both crops are widely planted in areas such as North China Plain. After a series of statistical analysis research, many agricultural experts and university scholars founded that the corn which is a typical fibrous root system crop needs large amounts of nitrogen rather than phosphorus and potassium and peanut which is a typical straight root system crop needs large amounts of phosphorus and potassium rather than nitrogen. When the two crops are planted in the same field, corn and peanut can produce complementary effect of microelement. Because of the complementary effect, both the yield and quality of corn and peanut will be also obviously improved. According to agronomy experts’ research report, when corn is planted in three rows and peanuts are planted in four rows, the corn and peanut will achieve the best growth status. Under this circumstances, corn-peanut intercropping system is proposed. Corn-peanut intercropping system which will effectively control and relieve the competition of corn and peanut can realize the high production of both crops. But due to the disconnection of agricultural machinery and agronomy technology, the corn-peanut intercropping technology is always at manual work stage or independent seeding stage and meanwhile there is no machine that can simultaneously sow two seeds. At the present stage, corn seeder and peanut seeder are relatively perfect, however, the corn-peanut intercropping seeder is still in blank. So the corn-peanut intercropping seeder which can relieve manual work attracts some experts and scholars to study. According to above practical problems, a simple and efficient corn-peanut intercropping seeder was designed which could simultaneously sow both corn and peanut seed. It might realize rotary tillage, ridge construction, fertilizer mixing with soil, soil covering and compacting when the machine was working. The laws between the main structural parameters and working parameters were studied, and the main parameters influenced the seeding performance were determined by the orthogonal test, including the spindle rotary speed, the depth of the rotary and the upper parallelogram linkage length. The rotary tillage device and the minimum structure of parallelogram linkage were studied, and the relevant theory was established. Experimental results showed the optimal condition was that: the spindle rotary speed 260 r/min、the depth of the rotary 15 cm、the length of parallelogram linkage is 24 cm. The corresponding performance indexes are as following: the qualified rate of sowing depth is 91.1% for peanut and 90.1% for maize ,which could completely meet the requirement of the designation. The research provides a reference for further improving quality and optimizing the parameter for corn-peanut intercropping seeder device and the machine provides a choice for those farmers who use corn-peanut intercropping system.

seeding; agricultural machinery; experiments; corn-peanut intercropping; orthogonal test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.005

S222.3

A

1002-6819(2017)-17-0034-08

2016-11-22

2017-08-17

山東省科技計劃項目支持（2014GNC112004）；省現代農業產業技術體系創新團隊項目（NGJJ201502）

耿端陽，陜西澄城人，教授，博士生導師，主要從事新型農業機械裝備開發研究。淄博 山東理工大學農業工程與食品科學學院，255000。Email：dygxt@sdut.edu.cn