2BM-4型藜麥覆膜精量播種機設計與試驗

王小瑜 康建明 丁漢鳳 彭強吉 張春艷 李娜娜

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100； 2.山東省農作物種質資源中心， 濟南 250100)

0 引言

藜麥(Quinoa)是一種保健型糧食作物，因其具有豐富的營養(yǎng)價值和多種健康功效而在我國發(fā)展迅速[1-2]。藜麥的經(jīng)濟效益顯著，具有極高的開發(fā)和利用價值[3]。藜麥產量和品質受土壤、氣候、水肥條件的影響較為明顯[4-5]，覆膜栽培是提高藜麥品質和適種性的有效手段[6]。但是，目前缺少與之配套的藜麥專用覆膜精量播種機。

我國播種小粒種子多采用槽輪式排種器，存在精度不高、穩(wěn)定性差、漏播嚴重等問題[7-8]。膜上精量穴播省時省力，可一次完成開溝覆膜、膜上打孔播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，在增強膜下土壤蓄水保溫作用的同時可減輕對土壤的擾動，有效避免燒苗等現(xiàn)象[9]。藜麥播種的株距為200～300 mm，行距在400 mm左右，單穴播種要求在2～4粒之間，機械式滾筒穴播器能夠滿足藜麥覆膜播種的農藝要求，且成穴性好，具有結構簡單、制造難度小、作物針對性強等優(yōu)點。

國外的膜上播種技術主要用于蔬菜種植[10]。LAWRENCE等[11]設計了可改變孔距、孔深的氣動點播鋪膜機，可用于馬鈴薯和洋蔥種植。我國于20世紀80年代由陳學庚首創(chuàng)了棉花鋪膜播種技術[9]，目前已在棉花、花生等作物中廣泛應用，在旱作水稻種植中也有應用[12-13]。但對于藜麥等特色作物的應用研究較少。天祝藏族自治縣農牧業(yè)機械技術推廣站對2MBJ-1/4型精量聯(lián)合播種機進行了改進，該機能夠一次性完成藜麥的整地、滴灌管鋪設、覆膜、播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)[14]，但沒有設計專用的取種部件。國內藜麥引進時間短，相關研究較少[15]，目前尚未見專用藜麥精量播種機的研究報道。

本文針對藜麥種植農藝要求，以現(xiàn)有膜上成穴播種機為基礎，提出藜麥覆膜精量播種技術，設計藜麥覆膜精量播種機，針對藜麥種子特點，重點對取種器進行設計，確定其結構參數(shù)，并以播種機的作業(yè)速度、取種器側孔長度和充種高度為試驗因素，對播種機的播種性能進行試驗研究，尋求最佳參數(shù)組合。

1 整機結構與工作過程

1.1 膜下滴灌藜麥種植模式

合理密植是藜麥高產高效栽培的要求，具體根據(jù)地力條件確定最佳密度，一般在土壤肥力中下等田塊，基本苗為12.75萬株/hm2或更高；在土壤肥力中上等的地塊，基本苗以不低于11.25萬株/hm2為宜[3]。

如圖1所示，針對不同肥力地塊的種植密度要求，設計了1膜2管4行的等行距種植模式，對于肥力中下等田塊，行距D取400 mm，對于肥力中上等田塊，行距D取350 mm；播種深度為20～30 mm，株距為220 mm，單穴播種在2～4粒之間。

圖1 藜麥覆膜種植模式示意圖Fig.1 Schematic of planting mode of quinoa covered with film1.滴灌管 2.地膜 3.膜溝

該種植模式具有以下特點：①將藜麥鋪管、鋪膜、膜上播種機械作業(yè)相結合，實現(xiàn)了一體化覆膜播種，擴大了藜麥的適種范圍，且種植行距可根據(jù)農藝要求調整，提高了播種質量、降低經(jīng)濟投入。②根據(jù)藜麥不同生育階段對水分的需求，調節(jié)土壤含水率，實現(xiàn)藜麥生長的各生育期水分需求的精準控制，可提高藜麥品質，達到節(jié)水增產的目的。

1.2 整機結構和工作過程

2BM-4型藜麥覆膜精量播種機整機結構示意圖見圖2，主要由整平裝置、種床鎮(zhèn)壓裝置、滴灌管鋪設裝置、劃線裝置、隨動仿形鋪膜裝置、膜上成穴播種裝置、種行覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成，可一次性完成畦面整形鎮(zhèn)壓、地膜隨動仿形鋪設、膜上成穴播種、種行覆蓋鎮(zhèn)壓工序。

圖2 2BM-4型藜麥覆膜精量播種機結構示意圖Fig.2 Structure diagram of type 2BM-4 film with drip irrigation of Chenopodium quinoa planter1.整平裝置 2.種床鎮(zhèn)壓裝置 3.滴灌管鋪設裝置 4.劃線裝置 5.隨動仿形鋪膜裝置 6.膜上成穴播種裝置 7.種行覆土裝置 8.鎮(zhèn)壓裝置

2BM-4型藜麥覆膜精量播種機以配套拖拉機為動力，通過三點懸掛裝置連接于拖拉機后方，中心對稱布置，作業(yè)時拖拉機牽引播種機在旋耕整平后的土地上行駛，畦面整形裝置對種床進行清理鎮(zhèn)壓，膜邊開溝圓片開出膜溝，地膜在展膜輥的作用下平鋪在地面上，壓膜輪將膜邊壓靠在兩側膜溝內，穴播器在地膜上滾動，完成打膜成穴、播種，隨后覆土滾筒將碎土送至種行，完成種行覆土。

1.3 主要技術指標

根據(jù)藜麥種植模式需求及谷物播種行業(yè)標準，2BM-4型藜麥覆膜精量播種機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

2 關鍵部件設計與參數(shù)確定

2.1 滴灌管鋪設裝置

根據(jù)滴灌管淺埋鋪設的設計要求，選用擠壓入土開溝的滑刀式開溝器，其結構緊湊、作業(yè)溝型整潔，具有回土功能[16]，通過改變調節(jié)桿的位置，實現(xiàn)開溝深度的調節(jié)，開溝器內部的導向輪將滴管鋪設于溝底。

滑刀式開溝器對土壤的作用是滑切，影響滑切作用的結構因素主要有滑刀入土角Φ、滑刀刃口角ρ和開溝深度H[16]。

2.1.1滑刀入土角Φ

滑刀入土角Φ為開溝器工作面與水平面之間的夾角，其大小影響開溝器的入土性能和前進阻力。研究表明，滑刀式開溝器的切割阻力隨著滑切角的增大而減小[17]，Φ過小，滑刀滑切作用減弱，但Φ過大，會造成翻土，回土效果減弱。土壤視為散粒體，滑刀式開溝器前端為垂直斜刃口，工作時，開溝器以刃口楔面劈開土壤并以一定的速度和深度前進，刃口楔面在與土壤接觸的每個點上沿法線方向擠壓土粒，滑刀式開溝器作業(yè)中土壤顆粒在刃口上的受力如圖3所示。

圖3 土壤在滑刀式開溝器刃口上的受力分析Fig.3 Soil force on edge of a sliding knife trencher

如圖3所示，作用在土粒上的力為側壓力N和摩擦力F，將N分解為沿刃口楔面的運動速度方向分力Nx及沿楔面方向分力Nτ，土粒將在Nτ>F作用力下沿表面滑動，即Ntanβ>Ntanφ，其中滑切角β為開溝器前進方向與刃口法線方向的夾角，φ為土粒與滑刀間的摩擦角。所以有β>φ，又因為Φ-β=90°，所以保證滑刀對土壤滑切作用的必要條件是Φ>90°+φ。為減小開溝阻力且保證溝土回流，參考前期研究成果和滴灌管淺埋開溝深度要求[9，18]，確定滑刀入土角Φ為145°。

2.1.2滑刀刃口角ρ

土粒被滑刀刃口分離后沿滑刀楔面向后滑移，滑刀刃口角ρ增大會造成滑切角β減小，進而造成滑刀入土角Φ減小，使得滑刀式開溝器的滑切阻力增加。

圖4 土壤在滑刀式開溝器楔面上的受力分析Fig.4 Force of soil on wedge surface of sliding knife furrow cutter

如圖4所示，作用在土粒上的力為側壓力N′和摩擦力F′，將力N′分解為沿刃口楔面的運動速度方向分力N′x及沿楔面方向分力N′τ，土粒將在N′τ>F′作用力下沿表面滑動，即N′tanβ>N′tanφ，因為β+ρ/2=90°，所以土粒在刃口楔面上向后滑移的必要條件是ρ<180°-2φ。根據(jù)文獻[19]的研究成果，不論土壤與土壤之間的摩擦角以及土壤與金屬之間的摩擦角如何變化，最小切削阻力總是在楔角接近45°時出現(xiàn)，所以取ρ=45°。

2.1.3開溝深度H

開溝深度根據(jù)滴灌管淺埋農藝要求確定，還與開溝寬度W有關，即

(1)

式中Hn——滴灌管覆土深度，mm

根據(jù)滴灌管淺埋開溝農藝要求，開溝深度H取20 mm，開溝寬度W取45 mm，此時滴灌管覆土深度Hn為8 mm，滿足農藝要求。

2.2 膜上成穴播種裝置

膜上成穴播種裝置是本機的核心部件，其性能直接影響播種機的作業(yè)效果。根據(jù)藜麥每穴2～4粒的種植農藝要求，采用機械翼勺式滾筒穴播器，主要由殼體、取種器、成穴器等部件組成，其結構如圖5所示。工作中滾筒式穴播器在地膜上滾動，滾筒內的種子被種子與滾筒之間的摩擦力以及種子相互之間的摩擦力帶動，位于滾筒圓周面內側的取種器隨滾筒轉動時從種子群中穿過，經(jīng)過一周的轉動完成取種、清種、輸種過程，當取種器轉動到底部時，種子在自重的作用下落入到成穴器內，此時成穴器破膜后插入土壤開出種穴，種子落入土壤后成穴器離開地面并閉合，完成整個播種過程。

圖5 機械翼勺式滾筒穴播器結構示意圖Fig.5 Structure diagram of drum-type dibbler1.滾筒體 2.取種器 3.成穴器

2.2.1穴播器半徑R1和成穴器個數(shù)Z

穴播器半徑是穴播器的重要參數(shù)，其大小與株距、成穴器個數(shù)、播種深度有關。如圖5所示，理想狀態(tài)下穴播器不產生滑移，理論株距l(xiāng)為兩相鄰成穴器之間的夾角σ所對應的弧長，則

(2)

h=R1-R2

(3)

式中R2——成穴器底圓半徑，mm

h——播種深度，mm

根據(jù)藜麥播種農藝要求，株距l(xiāng)取220 mm，播種深度h取30 mm，綜合考慮成穴器個數(shù)和穴播器半徑，取Z為6，可得穴播器半徑R1為210 mm，此時株距為220 mm。

2.2.2取種器設計

取種器是決定精量播種質量的重要部件，其結構參數(shù)在一定程度上決定了單穴播種粒數(shù)。本設計采用翼勺式取種器，結構如圖6所示，工作時，取種器在滾筒底部充種，種勺取種后隨著滾筒的轉動，種子沿側孔進入容種腔完成取種過程。

圖6 取種器結構示意圖Fig.6 Schematic of seed extractor

(1)種勺設計

藜麥形狀的不規(guī)則導致取種器的充種過程復雜多變，取種器的種勺形狀和尺寸直接影響取種性能。藜麥種子為圓形藥片狀，按照軸向尺寸表示法對藜麥種子形狀和尺寸進行描述[20]，得到藜麥種子的輪廓外形和三軸尺寸如圖7a所示。根據(jù)統(tǒng)計，種子的長度a和寬度b相差較小，在種子三維描述中將兩者按相等處理，將藜麥種子的三軸尺寸進行近似和簡化后，其三維外形描述為一圓柱體，如圖7b所示，圓柱體的直徑d為1.93 mm，厚度t為1.13 mm。

圖7 藜麥種子輪廓外形和三維外形模型Fig.7 Quinoa seeds outline shape and three-dimensional shape model

翼勺式取種器的種勺為三角體，經(jīng)過反復試驗，確定了種勺的尺寸和形狀，種勺內均可容納2～4粒種子，多余的種子在取種器隨穴播器的轉動過程中掉落。因藜麥種子重心位于其對稱中心，在充種過程中，藜麥種子將以“平躺”和“豎立”以及其他姿態(tài)進入種勺。以“平躺”和“豎立”兩種極限姿態(tài)為例，種子在種勺內的分布如圖8所示。

圖8 種勺內種子分布示意圖Fig.8 Schematics of seed distribution in seed scoop

(2)取種器側孔長度S和容種腔長度L

取種器側孔長度S是影響取種效果的一個關鍵因素，影響取種成功率、重播率以及漏播。研究表明，取種器側孔長度與種子最大直徑關系為[21]

S=(1.2～1.5)dmax

(4)

L=(1.5～2)dmax

(5)

式中dmax——種子最大直徑，mm

取種器的單穴播種粒數(shù)隨S增加而減小，當S增加到一定值時，由種勺進入容種腔的種子數(shù)量呈相對穩(wěn)定狀態(tài)，種子數(shù)量不因取種器側孔長度S的增加而繼續(xù)減小[22]。本設計中的S值通過理論設計結合試驗獲得，綜合考慮藜麥種子的外形特點和在取種器中的運動過程，根據(jù)單因素試驗和正交試驗結果確定側孔長度S為10 mm，容種腔長度L為10 mm。

2.2.3穴播器角速度ω

種子在穴播器滾筒內壁的受力如圖9所示，當種子在滾筒內壁上與中心豎直方向的夾角為η時，種子所受的力有自身重力mg、與滾筒內壁的摩擦力F1、滾筒內壁對種子的支撐力N1以及滾筒轉動時所受到的離心力P，分析得

P=mω2R2

(6)

P+mgcosη=N1

(7)

式中m——種子質量，kg

圖9 種子在滾筒內受力示意圖Fig.9 Schematic of force exerted on seeds in roller

在滾筒的水平中心線以上是清種區(qū)和護種區(qū)，在這個區(qū)域內種子必須脫離滾筒內壁，即N=0[12]，代入式(6)、(7)可得

(8)

當η=π時，滾筒的轉速為種子始終貼在滾筒壁上的最小轉速，代入式(8)求得穴播器底圓直徑R2處的最大線速度即整機的最大作業(yè)線速度為1.33 m/s。

2.2.4穴播器內種子運動狀態(tài)及取種性能分析

如圖10a所示，在正常角速度ω范圍內，穴播器滾筒內的種子群受滾筒內壁和種子之間的雙重摩擦力作用而沿滾筒內壁回轉方向向上移動，當升到一定高度時，處于最上面的種子在重力作用下沿種子流的斜面滑落回滾到筒底部，然后不停地被滾筒帶起，如此循環(huán)。圖中種子充滿的圓周上A、B兩點之間的弧長形成取種過程的充種區(qū)。

圖10 穴播器內種子運動狀態(tài)和滑落種子受力圖Fig.10 Motion state of seeds in caveoler and diagram of slipping seeds

圖10a中，ε為滑落位置角，即種子提升最高處B與滾筒中心的連線和水平方向的夾角；λ為取種起始角，即充種區(qū)A點與滾筒中心連線與豎直方向的夾角；μ為種子滑落面與水平面的夾角，三者之間存在關系

(9)

(10)

式中H′——充種高度，mm

可以看出μ能夠反映三者之間的聯(lián)系，并體現(xiàn)各因素對充種區(qū)的影響，下面以μ為目標進行分析。如圖10b，在機具作業(yè)速度為v時，結合種子從點B滑落時的受力，分析可得種子滑落時應滿足條件[23]

(11)

式中φ1——種子間摩擦角，(°)

則ε的臨界值為

(12)

將式(12)代入式(9)得μ的臨界值為

(13)

由式(13)可知，μ0隨v、H′和φ1的增大而增大，充種區(qū)的大小受這3個因素的影響，即取種質量除與種子本身特性相關外，還受作業(yè)速度和充種高度的影響。在本設計中，測得藜麥種子的摩擦角φ1為34°，在機具最低作業(yè)速度為0.8 m/s、充種高度H′為140 mm時，代入式(13)求得μ、ε和λ的臨界值分別為64.2°、51.4°和13.0°。

2.3 種行覆土裝置

播種后需用覆土裝置進行覆土，使土壤達到預定的覆蓋深度。覆土要求均勻，不影響種子分布均勻性。導土板螺旋角是影響覆土性能的主要因素，導土板上的土壤處于臨界滑動狀態(tài)時的受力如圖11所示。

圖11 導土板上土壤的受力分析Fig.11 Force analysis of soil on spiral batten

導土板最佳螺旋角θ通過在不同土壤條件下試驗分析得出，根據(jù)土壤運動特點分析得出[24]

(14)

(15)

FN=F2sinγ

(16)

F3=FNtanδ

(17)

m′——土壤質量，kg

FN——導土板對土壤的支撐力，N

F2——土壤自身重力與其他作用力合力，N

F3——土壤與導土板之間的摩擦力，N

γ——土壤自身重力與其他作用力合力與螺旋切線方向的夾角，(°)

δ——土壤與導土板的摩擦角，(°)

(18)

本設計中，土壤與導土板的摩擦角δ為30°，因此θ=30°。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

2020年4月，在濟南市濟陽區(qū)太平鎮(zhèn)山東省農業(yè)科學院綜合試驗示范基地(濟陽)進行了2BM-4型藜麥覆膜精量播種機的田間作業(yè)性能試驗，試驗現(xiàn)場如圖12所示。試驗用地1.0 hm2，土質為沙壤土，地表平整，前茬作物為花生，收獲后空置。試驗選用種子為“隴藜1號”，呈小圓藥片狀，其物料特性為：千粒質量3.17 g，含水率11.3%，平均直徑為1.93 mm，平均厚度1.13 mm。

圖12 樣機田間試驗Fig.12 Prototype field test

3.2 試驗方法及指標

試驗主要考核2BM-4型藜麥覆膜精量播種機的作業(yè)效果，為機具進一步優(yōu)化與改善提供依據(jù)。試驗參照GB/T 6973—2005《單粒(精量)播種機試驗方法》進行，試驗完成后，按照NT/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質量》對播種機的作業(yè)性能進行測定，每組試驗重復3次，取均值作為試驗結果，每組試驗連續(xù)記錄機具穩(wěn)定工作時排出的200穴種子，記錄每穴的粒數(shù)，計算合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)。各試驗指標的計算公式為

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中n1——穴播量為2～4粒的總穴數(shù)，個

n2——穴播量為0粒的總穴數(shù)，個

n3——穴播量小于2粒的總穴數(shù)，個

n4——穴播量大于4粒的總穴數(shù)，個

n5——播深為20～30 mm的總穴數(shù)，個

f——總測定穴數(shù)，個

3.3 試驗設計及結果分析

3.3.1試驗因素對播種性能的影響

根據(jù)2.2.2節(jié)和2.2.4節(jié)的設計和分析，結合前期研究發(fā)現(xiàn)，影響播種機作業(yè)性能的主要因素是播種機作業(yè)速度、取種器側孔長度和穴播器充種高度，為明確三者對藜麥播種機作業(yè)性能的影響，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為試驗指標，設計了三因素四水平正交試驗L16(45)[25]。在前期研究和單因素試驗基礎上確定了試驗因素的水平范圍，試驗因素和水平如表2所示，正交試驗方案和結果如表3所示(A、B、C為因素水平值)，對正交試驗結果進行極差分析，結果見表4。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factors and coding

表3 正交試驗方案與結果Tab.3 Orthogonal test scheme and results

表4 試驗結果極差分析Tab.4 Range analysis of test results

由表4可以看出，影響合格指數(shù)、重播指數(shù)的主次因素依次為：作業(yè)速度、側孔長度、充種高度，影響漏播指數(shù)的主次因素依次為：側孔長度、作業(yè)速度、充種高度。合格指數(shù)、漏播指數(shù)以及重播指數(shù)的較優(yōu)水平分別為A2B2C3、A2B2C3、A2B2C1，即A2B2C3和A2B2C1兩個組合的作業(yè)效果較好，因此選定這兩個組合進行最優(yōu)方案對比試驗。

3.3.2最優(yōu)方案確定

為了確定最優(yōu)參數(shù)方案，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)、空穴指數(shù)為試驗指標，進行組合A2B2C3和A2B2C1的作業(yè)效果對比試驗，連續(xù)統(tǒng)計穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子的播種量，測量播種深度，試驗重復3次取平均值，計算各指標值，結果如表5所示。

表5 兩種因素組合對比試驗結果Tab.5 Results of contrast experiment %

由表5可以看出，相比于組合A2B2C3，組合A2B2C1的合格指數(shù)、漏播指數(shù)和空穴指數(shù)較差。結合實際生產要求和極差分析結果，在保證合格指數(shù)的同時降低漏播指數(shù)比降低重播指數(shù)更為有利，因此，選定組合A2B2C3為最優(yōu)方案，即作業(yè)速度為1.0 m/s、側孔長度為10 mm、充種高度為140 mm。

3.3.3播種深度一致性

在選定的最優(yōu)方案條件下，連續(xù)統(tǒng)計穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子的播種深度，計算播深合格指數(shù)，分析播種深度一致性，得到平均播種深度為26.4 mm，播深合格指數(shù)為88.1%，標準差為2.51 mm，變異系數(shù)為9.5%，播種深度差異較小，表明播種機播種深度的均勻性和穩(wěn)定性好。

3.3.4播種量穩(wěn)定性

在選定的最優(yōu)方案條件下，連續(xù)統(tǒng)計穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子(每行50穴)的播種量，分析播種機各行播種量穩(wěn)定性和總體播種量穩(wěn)定性，得到平均播種量為3.2粒，各行播種量的穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.74%，總體播種量的穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.86%，播種量差異較小，表明播種機的播種量穩(wěn)定性好。

4 結論

(1)設計了2BM-4型藜麥覆膜精量播種機，采用滑刀式開溝器將滴灌管淺埋鋪設于所開溝內，隨動仿形機構將地膜鋪設于地表，機械翼勺式滾筒穴播器實現(xiàn)膜上精量播種，可一次性完成平整種床、鋪設滴灌管、鋪膜、壓膜、膜上打孔、播種、膜上覆土、鎮(zhèn)壓等8道工序，減少了藜麥播種的中間環(huán)節(jié)，在提高作業(yè)效率的同時減少了作業(yè)次數(shù)、降低了勞動強度。

(2)通過三因素四水平正交試驗得出影響播種機合格指數(shù)的主次因素依次為：作業(yè)速度、側孔長度、充種高度。在試驗參數(shù)范圍內適合藜麥精量穴播的最佳參數(shù)組合為：作業(yè)速度1.0 m/s、側孔長度10 mm、充種高度140 mm，田間試驗表明，在最佳參數(shù)組合下，合格指數(shù)為85.4%、空穴指數(shù)為1.7%、漏播指數(shù)為5.2%、重播指數(shù)為9.4%，各項性能指標均達到設計要求和相關標準要求，滿足藜麥的覆膜精量播種要求。

(3)為了進一步驗證播種效果，通過田間試驗得到最佳參數(shù)組合下的播深合格指數(shù)為88.1%、變異系數(shù)為9.5%、播種量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.86%，說明播種機的播種深度和播種量的均勻性和穩(wěn)定性較好，播種質量較高。