水稻機械直播同步懸擺式覆土裝置設計與試驗

余佳佳，劉俊安，舒金貴，陳其濤，陳雄飛*，劉木華

（1.江西農業大學工學院/江西省現代農業裝備重點實驗室，江西南昌 330045；2.江西省鄱陽縣農業技術推廣中心，江西上饒 334000）

【研究意義】水稻機械直播是一種輕簡高效的種植方式，具有省工、省力、省種、省秧田的特點[1?5]，隨著華南農業大學羅錫文院士團隊首創提出了機械化開溝起壟水稻精量穴直播技術[6?7]，實現了成行成穴壟上播種[8]，提高了直播水稻抗倒伏能力和群體質量[9?11]，且配套研制了系列機具[12?14]，致使采用機械直播種植水稻的面積逐年擴大。然而，南方水稻機械直播（水直播和濕潤直播）后，稻種均裸露在泥面上，易受到鳥害、鼠害、雨水沖刷、陽光暴曬等侵襲，直接影響水稻全苗及群體生長。【前人研究進展】機械直播同步覆土可有效解決上述問題，且有利于提高水稻成苗率、保證基本苗數及保持后期的高峰苗數及有效穗數[15?18]。為此，北方水稻機械旱直播均采用播種同步覆土作業技術，如曾山等[19]研制了同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機、梁寶忠等[20]研制了水稻旱條播機、萬霖等[21]設計了水稻旱直播氣吸式精量穴播機等，以上旱直播機具均配套設計了播種同步覆土裝置。

【本研究切入點】但在南方稻區應用的水稻直播機具均未配置同步覆土裝置[22?23]，僅羅錫文等[24]提出了一種水稻精量穴直播機種子滾壓裝置的專利申請，暫未見相關研究應用報道。【擬解決的關鍵問題】為了解決南方水稻機械直播同步覆土作業問題，本文作者前期開展了覆土深度對不同品種直播早稻出苗的影響研究[25]，提出了南方直播水稻覆土厚度以不超過10 cm為宜的同步覆土農藝要求，為此，本文在前期研究基礎上，基于開溝起壟水稻精量穴直播技術[7]，設計一種水稻機械直播同步懸擺式覆土裝置，分析覆土裝置的運動過程，獲得其關鍵參數，開展全因素試驗，以構建覆土厚度的回歸模型，明確土壤含水率、機具前進速度、覆土板結構等因素對覆土性能的影響，并驗證分析機械直播覆土和未覆土處理對出苗率的作業效果，以期實現南方水稻機械直播同步覆土作業，促進直播水稻全苗及群體生長。

1 懸擺式覆土裝置總體結構與工作原理

作業時，直播機動力通過驅動圓盤驅動軸帶動驅動圓盤回轉，驅動圓盤上的擺桿驅動軸通過驅動腰型孔將動圓盤的圓周運動轉變成懸擺桿的往復運動，從而實現覆土板左右擺動，將播種溝兩側土壤覆蓋在稻種上，完成覆土作業。此外，當田間作業覆土阻力過大時，覆土板通過鉸接圓管轉動卸力至限位凸臺處，進而壓縮安裝在上下懸擺桿中間的高程仿形彈簧，提升下懸擺桿和覆土板，實現覆土安全作業。

圖1 懸擺式覆土裝置結構示意圖Fig.1 Structural diagram of swing type covering device

2 懸擺式覆土裝置關鍵參數確定

2.1 覆土裝置懸擺桿長

本研究所設計的懸擺式覆土裝置配套于華南農業大學羅錫文院士團隊提出的開溝起壟水稻穴直播技術，實現對播種溝內的稻種覆土作業，播種溝底部寬度f=40 mm，頂部寬度m=50 mm，深度h=25 mm[7]，如圖2所示。

圖2 播種溝截面圖Fig.2 Seeding furrow

為了分析懸擺式覆土裝置工作過程，以播種溝底部為坐標原點，建立直角坐標系，如圖3所示。可得到懸擺式覆土裝置的運動方程為：

根據南方水稻直播同步覆土農藝要求，覆土厚度以5 mm為宜，不超過10 mm。為保證覆土厚度的均勻性，且不產生土壤堆積，懸擺式覆土裝置運土量S1與播種溝覆土量S2相等，因此，可得到播種溝邊界線BC方程為：

圖3 懸擺式覆土裝置覆土示意圖Fig.3 Schematic diagram of swing type covering device

假設覆土作業時，土壤不損失，此時懸擺裝置運移土壤體積與覆土體積相等，聯立式（1）和（2），可得出S1和S2的表達式，其中S1對y積分，S2對x積分。

當S1=S2時，即運土量與覆土量相等，此時d最小；當S1S2時，即運土量大于覆土量，可滿足覆土裝置的結構要求，此時d≥72.5 mm。

懸擺式覆土裝置的實際運動軌跡是覆土板沿著播種溝中心線連續懸擺往復運動所得的簡諧運動曲線，因此，當覆土板的懸擺速率與覆土裝置的前進速度不匹配時，覆土板運動軌跡不能完整覆蓋播種溝溝面，導致漏覆現象產生。如圖4所示。

根據各軸重占總重的比例，可直接推導出各軸重之間的比例關系。由于車輛的第一個軸不可能為假軸，因此以第一個軸的軸重為基準，對其余各軸進行等值轉換，得到各軸之間的比例關系。采用WEKA數據分析工具對各軸的軸重及其比例值進行聚類運算，得到不同超限范圍內的軸重比例關系，進而得到1127軸型貨車各軸重在不同超限范圍內的載荷分布情況，簡化后得到1127軸型貨車載荷分布比例數據見表1。

圖4 懸擺式覆土裝置懸擺軌跡Fig.4 Trajectory of the swing type covering device

2.2 覆土裝置驅動轉速

為了降低懸擺式覆土裝置的漏覆率，直播機具單位時間的前進距離L1需小于等于覆土裝置累計覆土長度L2，即L1≤L2，其中L1和L2滿足公式（5）：

其中v前——直播機前進速度，m/s；nt——覆土裝置驅動轉速，r/min；n排——排種器轉速，r/min；k——排種器型孔輪型孔個數，個；s——穴距，mm；L——覆土板長度，mm。

L1——直播機具前進距離，mm；L2——覆土裝置實際覆土長度，mm。

3 材料與方法

3.1 試驗臺架

懸擺式覆土裝置試驗臺架由同步帶導軌、土槽、臺架、調速電機、覆土裝置、燕尾槽調節機構、開溝器提升機構、蓄水溝開溝器和種溝開溝器等組成，如圖5所示。同步帶導軌固定安裝在土槽箱體上；覆土安裝臺架固定在同步帶導軌上；覆土裝置通過燕尾槽固定在覆土安裝臺架后端；播種溝開溝器固定安裝在覆土安裝臺架前端下側。試驗時，調速電機驅動同步帶導軌，帶動覆土裝置和播種溝開溝器向前運動，同時，覆土安裝臺架設有的調速電機驅動覆土裝置往返懸擺運動，實現開溝覆土作業。

圖5 懸擺式覆土裝置試驗平臺Fig.5 Experimental platform for swing type covering device

3.2 覆土板結構

懸擺式覆土裝置通過覆土板破壞并重構種溝兩側土壤，故覆土板與土壤的互作直接影響覆土性能。考慮到南方直播水稻田塊土壤的粘附性特點，本文設計了3種相同長度、不同鏤空面積的覆土板（A、B和C），其中覆土板A鏤空率為50%，覆土板B鏤空率為25%，覆土板C為整板，長度L均為400 mm，如圖6所示。

圖6 覆土板結構Fig.6 Structure of covering plate

3.3 試驗方法

（1）懸擺式覆土裝置工作性能臺架試驗。為了明確懸擺式覆土裝置工作性能，以土壤含水率、覆土裝置前進速度和覆土板結構為自變量，覆土厚度和漏覆率作為因變量，開展全因素臺架試驗，重復3次，試驗因素及水平如表1所示。水稻精量穴直播技術播前開溝起壟最佳土壤含水率范圍為50%～58%[24]，故本試驗土槽中土壤含水率設置為45%，50%，55%；根據水稻精量穴直播機生產作業速度，分別選取0.3，0.5，0.8，1.0 m/s作為試驗中覆土裝置的前進速度；匹配的覆土裝置驅動轉速分別為45，75，120，150 r/min覆土板設有鏤空率50%的覆土板（A），鏤空率25%的覆土板（B）和整板覆土板（C）。

（2）機械覆土出苗試驗。基于覆土性能試驗獲取最優參數組合，以常規稻中嘉早17和雜交稻陵兩優722為試驗材料，開展機械覆土出苗試驗。試驗設置未覆土和機械覆土2個處理，試驗前分別將破胸露白的100粒試驗稻種播入播種溝內，重復3次，10 d后統計出苗情況。

3.4 測定指標

（1）覆土厚度：機械覆土處理后，采用參考平面差值法，沿著前進方向120 cm內，每隔6 mm在懸擺方向上均勻選取5個測試點，測定覆土厚度。

（2）覆土出苗率。統計分析機械覆土和未覆土處理的出苗情況，測試出苗率。

4 結果與分析

4.1 土壤含水率、前進速度和覆土板結構對覆土厚度的影響

由表1可知，就土壤含水率45%而言，前進速度對覆土板B和C的覆土厚度影響不顯著，覆土板B的覆土厚度為4.61～5.85 mm，均值為5.27 mm，覆土板C的覆土厚度為6.43～7.22 mm，均值為6.88 mm；在前進速度0.3，0.5，0.8 m/s條件下，覆土板A的覆土厚度差異不顯著，但在前進速度1.0 m/s時產生顯著差異，覆土厚度為5.84～8.18 mm，均值為6.45 mm。

就土壤含水率50%而言，在前進速度0.3，0.5，0.8 m/s條件下，覆土板A和B的覆土厚度差異不顯著，也在前進速度1.0 m/s時產生顯著差異，覆土板A的覆土厚度為4.50～7.47 mm，均值為6.40 mm，覆土板B的覆土厚度為3.35～6.30 mm，均值為5.34 mm；覆土板C在前進速度0.3 m/s和0.5 m/s條件下的覆土厚度差異不顯著，均與其他前進速度差異顯著，覆土厚度為3.16～6.92 mm，均值為5.45 mm。

由表1還可以看出，就土壤含水率55%而言，前進速度對覆土板A的覆土厚度影響不顯著，覆土厚度為6.46～7.66 mm，均值為6.90 mm；不同前進速度對覆土板B和C的覆土厚度影響較大，尤其是在前進速度為1.0 m/s時，因土壤含水率升高，土壤流動性變好，高速懸擺的覆土板擊打土壤造成飛濺，導致覆土厚度變小，甚至無土壤可用于覆土。

綜上所述，根據南方直播水稻農藝要求覆土厚度以5 mm為宜，不超過10 mm，結合3種覆土板在不同前進速度和土壤含水率條件下的覆土厚度變化范圍及均值，可選用鏤空率50%的覆土板A作為懸擺式覆土裝置的覆土作業觸土部件，其平均覆土厚度為6.40～6.90 mm，滿足機械直播同步覆土要求。

表1 不同土壤含水率、前進速度和覆土板結構的覆土厚度全因素試驗結果Tab.1 Experimental results of covering depth under different soil water contents，forward speeds and plate structures

4.2 覆土厚度方差分析

由表2可知，土壤含水率、覆土板結構、前進速度3個因素均對覆土厚度產生極顯著影響（P<0.01），且土壤含水率和覆土板結構的交互作用、土壤含水率和前進速度的交互作用對覆土厚度的影響極顯著（P<0.01），而覆土板結構和前進速度的交互作用對覆土厚度影響不顯著，因此，為了研究各因素對覆土厚度的影響，開展回歸分析，對覆土板A的覆土厚度進行預測和評價。

表2 覆土厚度方差分析Tab.2 Variance analysis of covering soil

以覆土厚度為因變量，土壤含水率和前進速度自變量，開展回歸分析，可得覆土厚度回歸方程：

式中x1為土壤含水率，x2為前進速度，Y為覆土厚度，方程擬合度為0.974，回歸關系達到極顯著水平（P<0.01）。根據擬合方程可得覆土板A在不同土壤含水率和前進速度條件下的覆土厚度響應曲面，如圖7所示。由圖7可以看出，覆土板A對含水率45%～55%播前土壤，可實現覆土厚度在6～8 mm，滿足直播覆土的農藝要求。

圖7 覆土板A覆土厚度的回歸方程曲面圖Fig.7 Regression equation of covering depth for plate A

4.3 土壤含水率、前進速度和覆土板結構對漏覆率的影響

由圖8可知，在不同土壤含水率和前進速度條件下，相較于覆土板B和C而言，覆土板A的漏覆率曲線更為平穩，漏覆率明顯低于其他2種覆土板結構形式，其漏覆率為7.14%～20.83%，平均覆土率可達86.55%，因此，從漏覆率來看，鏤空率50%的覆土板A更適合作為懸擺式覆土裝置的覆土作業觸土部件，基本滿足南方直播水稻覆土實際生產要求。

圖8 不同覆土板作業的漏覆率變化曲線Fig.8 Miss index of covering soil in different parameters

4.4 懸擺式覆土裝置機械覆土出苗率試驗

基于上述研究結果，于2019年3月26日—4月20日，選取覆土板A、前進速度0.5 m/s和土壤含水率50%為影響因素水平，分別將直播常規稻中嘉早17（千粒質量26.30 g）和雜交稻陵兩優722（千粒質量28.60 g）催芽至破胸露白后直播，并開展機械覆土出苗對比試驗，如圖9所示。試驗結果表明：就供試品種中嘉早17和陵兩優722而言，機械覆土處理的出苗率均顯著高于未覆土處理，機械覆土處理出苗率分別為77.30%，80.50%，未覆土處理出苗率分別為56.30%，61.00%，平均增幅為34.64%。

圖9 不同處理下供試品種出苗率Fig.9 Seedling emergence rate of tested varieties under different treatments

5 結論

設計了一種水稻機械直播同步懸擺式覆土裝置，開展了覆土裝置的運動學分析，建立了覆土裝置數學模型，獲得了關鍵參數懸擺桿臂長和懸擺驅動轉速。懸擺式覆土裝置工作性能試驗結果表明：土壤含水率、前進速度、覆土板結構均極顯著影響覆土厚度，在不同土壤含水率（45%，50%，55%）和前進速度（0.3，0.5，0.8，1.0 m/s）條件下，鏤空率50%的覆土板的覆土性能最為穩定，平均覆土率可達86.55%，平均覆土厚度為6.40～6.90 mm，并建立了其覆土厚度回歸方程，擬合度為0.974。機械覆土出苗試驗結果表明，就供試品種中嘉早17和陵兩優722而言，機械覆土處理的出苗率均顯著高于未覆土處理，分別為77.30%和80.50%，平均增幅為34.64%。