呂小蓮，胡志超，張會娟，于向濤，劉敏基

(1 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014；2 滁州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

地膜覆蓋作業(yè)對于農(nóng)業(yè)節(jié)水、促進(jìn)作物增產(chǎn)是一項非常有效的技術(shù)，已在我國廣泛推廣。據(jù)統(tǒng)計，2008年我國覆膜種植中，地膜覆蓋面積1 530.8萬hm2，處于逐年增長的趨勢[1]。按照鋪膜播種的順序可先播種后鋪膜，也可以先鋪膜后播種。目前國內(nèi)生產(chǎn)的鋪膜播種機(jī)械基本采用先播種后鋪膜的傳統(tǒng)作業(yè)方式，此種作業(yè)方式在出苗前需人工破口或機(jī)械打孔放苗，增加了田間管理的工序，加大了勞動強(qiáng)度。覆膜打穴播種是近幾年發(fā)展起來的一項新型播種技術(shù)，該技術(shù)由成穴部件在播種位置上切開地膜成穴播種，對土壤的擾動小，不僅有利于土壤保墑和抗旱，還可省去人工破膜環(huán)節(jié)，節(jié)省工時。但現(xiàn)有的膜上播種機(jī)在播種均勻性、膜下播種深度及播種精度上還存在較多的技術(shù)問題，播種機(jī)具在作業(yè)中存在撕膜、挑膜、挑種等問題，尤其在高速作業(yè)時挑膜、撕膜現(xiàn)象更為嚴(yán)重[2-4]。本研究對本課題組研制開發(fā)的氣吸式花生膜上精量穴播機(jī)關(guān)鍵工作部件穴播輪的田間作業(yè)性能進(jìn)行試驗，研究影響其作業(yè)性能的主要因素及其影響效果，以期為穴播輪的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 穴播輪的結(jié)構(gòu)及工作原理

氣吸式花生膜上穴播機(jī)主要由施肥裝置、起壟裝置、開溝器、鋪膜裝置、穴播輪、覆土裝置等組成，可一次性完成起壟、施肥、鋪膜、播種、覆土等田間作業(yè)。穴播輪是氣吸式花生膜上穴播機(jī)的關(guān)鍵工作部件之一，主要完成破膜、成穴及精量播種等作業(yè)，其主要由支架、滾輪體、成穴組件、傳動裝置及氣吸式排種裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)見圖1。成穴組件采用壓板開啟方式，沿滾輪體徑向均勻分布。穴播輪氣室負(fù)壓由風(fēng)機(jī)提供，滾輪體通過傳動軸帶動排種盤轉(zhuǎn)動，其速比由鏈輪與內(nèi)輥子鏈輪的配比決定。穴播輪垂直安裝在支架上，機(jī)具作業(yè)時牽引穴播輪沿播種方向滾動前進(jìn)，帶動排種盤轉(zhuǎn)動，將種子室內(nèi)的種子吸附在吸種孔上，當(dāng)種子被排種盤帶動轉(zhuǎn)到氣室環(huán)形氣腔的終點時，由于負(fù)壓消失，種子在自重作用下落入導(dǎo)種器被導(dǎo)入相對應(yīng)的接種盒內(nèi)，隨著滾輪體轉(zhuǎn)動落入與其相通的活動鴨嘴腔體內(nèi)?；顒峪喿鞛槌ｉ]狀態(tài)，在其打穿地膜成穴時，壓板與地面逐漸接觸，利用穴播輪自重受壓將活動鴨嘴打開，隨即將腔體內(nèi)的種子投入形成的穴孔中，隨著穴播輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，壓板逐漸離開土壤，其被彈簧頂起帶動活動鴨嘴關(guān)閉，完成一組破膜、成穴、投種動作。

圖1 氣吸式花生膜上精量穴播輪結(jié)構(gòu)圖

2 作業(yè)參數(shù)分析

穴播輪排種盤的吸附能力及吸種孔線速度是影響穴播輪精量播種的2個關(guān)鍵因素[5]，因此對其進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 排種盤吸附能力

氣室吸種負(fù)壓是決定排種器吸附能力的主要因素，不同品種的花生種子由于物理特性的差別，所需吸附力的大小也不同。在豎直面內(nèi)回轉(zhuǎn)的排種盤上，1個吸種孔吸住1粒種子所需的吸附力為[5-8]：

p0d/2≥QC。

(1)

式中：p0為單個吸種孔吸力，N；d為吸種孔直徑，cm；Q為單粒種子的重力、離心力及種子群內(nèi)摩擦力的合力，N；C為種子重心與排種盤之間的距離，cm。

由于實際作業(yè)中，穴播輪受自然條件和外界環(huán)境的影響，因此本研究引入吸種可靠性系數(shù)K1(K1=1.8～2.0，一般種子千粒質(zhì)量小，形狀近似球形時取小值)和工作穩(wěn)定可靠系數(shù)K2(K2=1.6～2.0，種子千粒質(zhì)量大時則取大值)，針對不同種子，在最大極限條件下，可求出氣室所需最大充種負(fù)壓為：

(2)

式中：m為單粒種子質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；vp為吸種孔中心處線速度，cm/s；r為吸種孔轉(zhuǎn)動半徑，m；λ為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，λ=(6～10)tanα，α為種子自然休止角。

由此可知，真空度越大，吸種孔吸附種子能力越強(qiáng)，不易產(chǎn)生漏吸；但隨著真空度加大，吸附多粒種子的現(xiàn)象加劇，使重播率增大。

2.2 排種盤吸種孔線速度

排種盤吸種孔線速度vp大小對種子充填性能及投種準(zhǔn)確性均有顯著的影響[5,8]。當(dāng)線速度過高時，排種盤的吸種孔通過充種區(qū)時間較短，由于種子來不及被吸附或種子間相互碰撞、摩擦作用使已被吸附的種子脫落，這些都將造成穴播輪漏播，影響其播種質(zhì)量。此外，排種盤的轉(zhuǎn)速越高，種子的慣性離心力就越大，需要相應(yīng)提高吸種負(fù)壓來保證種子的吸附質(zhì)量，由于穴播輪吸種負(fù)壓是由拖拉機(jī)輸出軸帶動風(fēng)機(jī)提供，因此吸種負(fù)壓受轉(zhuǎn)速范圍的限制。在沒有增設(shè)其他用以提高充種性能的輔助裝置下，一般排種盤吸種孔線速度vp不宜超過0.35 m/s，排種盤吸種孔線速度又與播種機(jī)作業(yè)速度vm有關(guān)，二者關(guān)系如下[5]：

(3)

式中：d為排種盤直徑，cm；q為每穴粒數(shù)，個；n為排種盤吸種孔排數(shù)，排；η為穴播輪滑移率，%；Z為排種盤吸種孔數(shù)，個；t為穴距或株距，cm。

由(3)式可知，當(dāng)其他參數(shù)相同時，vp與vm成正比，由于vp受充種性能的限制不能過大，因而限制了播種機(jī)的作業(yè)速度vm。

3 試驗條件與方法

3.1 試驗條件

試驗在江蘇省農(nóng)科院試驗田進(jìn)行，土壤類型為輕壤土，前期種植作物為甘薯，試驗材料選用種植較為廣泛的四粒紅花生種子。試驗前，按要求進(jìn)行耕整地，除去地表雜質(zhì)，整地后的松土層大于6 cm，地表達(dá)到土壤細(xì)碎、無明顯土塊，無影響機(jī)具作業(yè)的地表殘留物，如殘膜、殘株、雜草、石塊等；整地后晾曬1～2 d，待表土層出現(xiàn)1～2 cm厚的水分較小的干土層時再進(jìn)行膜上播種。播前對種子需進(jìn)行分級、清選，用于播種的花生籽粒應(yīng)清潔無雜物，顆粒飽滿均勻，無破損，無干癟籽及弱籽等。播種機(jī)整個氣路密封性良好，無漏氣現(xiàn)象。

3.2 試驗設(shè)計

穴播輪作業(yè)性能測試中選取機(jī)具作業(yè)速度、吸種孔線速度、吸種負(fù)壓為試驗因素，膜孔長度、孔穴錯位率、膜下播種深度、穴距、穴粒數(shù)為試驗指標(biāo)。采用單因素分析法測試不同作業(yè)速度(0.32，0.76和1.02 m/s)下的膜孔長度、孔穴錯位率、膜下播種深度和穴距。參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-13]及室內(nèi)排種器排種性能的試驗結(jié)果，采用二因素三水平全組合的試驗方法安排試驗(表1)，測試不同吸種孔線速度(外圈吸種孔線速度)、不同吸種負(fù)壓條件下的播種合格(每穴1～2粒)指數(shù)、空穴指數(shù)、重播指數(shù)。正交試驗時根據(jù)機(jī)具作業(yè)速度與吸種孔線速度的關(guān)系，作業(yè)速度依次為0.32，0.76和1.02 m/s。

表1 氣吸式花生膜上精量穴播輪作業(yè)性能影響因素正交試驗因素水平表

3.3 試驗方法

測試過程中為避免人工測試在土下找種對測試結(jié)果帶來的誤差，測試時機(jī)具上不安裝覆土滾輪，為防止地膜竄動通過安裝在穴播輪外側(cè)的覆土圓盤完成膜邊覆土。試驗中，選取測區(qū)長度為50 m，兩端留出10 m的預(yù)留區(qū)，選取每20穴為1個測試組，在測區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5個組測試，選定膜孔為測點，在小區(qū)各測點處，查定膜孔長度、孔穴錯位率、膜下播種深度、穴距、穴粒數(shù)等指標(biāo)，按NY/T 987-2006[14]，采用公式(4)計算合格指數(shù)、重播指數(shù)、空穴指數(shù)、孔穴錯位合格率、膜下播種深度合格率、穴距合格率。

θi=Ni/N×100%。

(4)

式中：θi為穴粒數(shù)指數(shù)、孔穴錯位合格率、膜下播種深度合格率或穴距合格率，%；Ni為小區(qū)內(nèi)符合要求的各性能指標(biāo)數(shù)，個；N為小區(qū)內(nèi)各性能指標(biāo)測定的總數(shù)，個。

考慮實際播種質(zhì)量，引入排種綜合評價指數(shù)η[6]，有：

η=θα+Kθe。

(5)

式中：θα為合格指數(shù)，%；θe為重播指數(shù)，%；K為系數(shù)，取值1/3～1/2。

4 結(jié)果與分析

4.1 作業(yè)速度對孔穴質(zhì)量和膜下播種深度的影響

采用單因素分析法測試不同作業(yè)速度下膜孔長度、孔穴錯位率、膜下播種深度、穴距，試驗結(jié)果見表2。綜合分析試驗結(jié)果可知，當(dāng)作業(yè)速度為0.32 m/s 時，孔穴質(zhì)量及膜下播種深度較好。

表2 氣吸式花生膜上精量穴播輪作業(yè)速度對膜孔長度、孔穴錯位率、膜下播種深度和穴距的影響

4.1.1 孔穴質(zhì)量 由于穴播輪是破膜成穴，因此對膜孔尺寸的影響較大。由表2可知，當(dāng)作業(yè)速度由0.32 m/s增至1.02 m/s時，膜孔長度由3.59 cm增至3.84 cm，其變異系數(shù)由0.069增至0.106，孔穴錯位合格率由97%降至94%，穴距平均值由16.03 cm增至16.23 cm，合格率由95%降至90%，說明隨著穴播輪作業(yè)速度的提高，膜孔長度增大，離散程度加大，均勻性變差，撕膜、挑膜的現(xiàn)象更明顯；孔穴錯位合格率隨機(jī)具前進(jìn)速度的增加而降低，當(dāng)速度大于 1.02 m/s時，其合格率無法滿足作業(yè)要求，由于機(jī)具速度增大，地膜受成穴部件及鋪膜裝置的縱向拉伸或擠壓加劇，使地膜變形加重，造成孔穴錯位率上升，合格率降低；穴距隨機(jī)具前進(jìn)速度的增加而加大，這是因為隨著作業(yè)速度的增加，穴播輪滑移率加大，造成穴距增大，導(dǎo)致合格率有所降低。

4.1.2 膜下播種深度 由表2試驗結(jié)果可知，膜下播種深度隨機(jī)具前進(jìn)速度的增加變化不大，當(dāng)作業(yè)速度由0.32 m/s增至1.02 m/s時，膜下播種深度由4.96 cm減小到4.64 cm，變異系數(shù)由0.084增至0.112，合格率由95%降至90%，說明隨作業(yè)速度的增大，膜下播種深度有所減小，均勻性及合格率均降低，分析可知影響膜下播種深度的主要原因是成穴活動鴨嘴入土深度及開啟位置。隨作業(yè)速度的增加，投種時間相對變短，且種子下落時水平分速度加大，影響其準(zhǔn)確投種。此外，當(dāng)苗床出現(xiàn)大塊雜物或土壤堅實度過大時，成穴部件無法達(dá)到要求深度或無法破膜成穴，從而影響膜下播種深度；由于活動鴨嘴是壓板受壓開啟，當(dāng)土壤過于松軟，活動鴨嘴打開不及時，無法準(zhǔn)確投種，從而影響膜下播種深度，有時甚至無法開啟，產(chǎn)生空穴。

4.2 吸種孔線速度和吸種負(fù)壓對播種質(zhì)量的影響

采用多因素正交分析法測試不同吸種孔線速度、不同吸種負(fù)壓下播種的花生籽粒的合格指數(shù)、空穴指數(shù)、重播指數(shù)，并依據(jù)公式(5)(其中K取0.5)計算出綜合評價指數(shù)，結(jié)果見表3。試驗中隨機(jī)選取不同狀況下連續(xù)的20個穴孔各一組，統(tǒng)計其穴粒數(shù)分布，得不同吸種負(fù)壓下吸種孔線速度對穴粒數(shù)的影響，結(jié)果見圖2；不同吸種孔線速度下吸種負(fù)壓對穴粒數(shù)的影響，結(jié)果見圖3。

表3 氣吸式花生膜上精量穴播輪吸種孔線速度和吸種負(fù)壓對播種質(zhì)量影響的正交試驗結(jié)果

圖2 不同吸種負(fù)壓下氣吸式花生膜上精量穴播輪吸種孔線速度對充種性能的影響

綜合分析表3、圖2和圖3可知，吸種孔線速度及吸種負(fù)壓對穴粒數(shù)影響均較顯著，當(dāng)吸種負(fù)壓一定時，隨著吸種孔線速度的增加，空穴指數(shù)增大，重播指數(shù)降低，穴粒數(shù)波動較大，合格指數(shù)降低，綜合評價指數(shù)降低，吸種負(fù)壓越高時，這種現(xiàn)象越明顯；當(dāng)吸種孔線速度一定時，隨著吸種負(fù)壓的增加，空穴指數(shù)減小，重播指數(shù)增大，穴粒數(shù)波動減小，合格率增大；穴播輪作業(yè)時當(dāng)吸種孔線速度為0.24 m/s、吸種負(fù)壓為4.65 kPa時穴播輪播種質(zhì)量最優(yōu)，在此條件下合格指數(shù)為95.0%，空穴指數(shù)為1.0%，重播指數(shù)為4.0%，孔穴錯位率為4.0%，膜下播種深度合格率為95.0%，穴距合格率為95.0%，成穴質(zhì)量、播種質(zhì)量均能較好地滿足花生精量穴播的要求。

圖3 不同吸種孔線速度下氣吸式花生膜上精量穴播輪吸種負(fù)壓對充種性能的影響

5 結(jié)束語

1)機(jī)具作業(yè)速度對穴播輪作業(yè)質(zhì)量有明顯的影響，隨著作業(yè)速度的增加，膜孔長度變大，均勻性變差，孔穴錯位合格率降低，穴距隨機(jī)具前進(jìn)速度的增加而加大。吸種孔線速度及吸種負(fù)壓對充種性能影響顯著，隨吸種孔線速度的增加，漏播率增加，重播率減?。浑S吸種負(fù)壓的增加，穴粒數(shù)的合格率增加，重播率也相應(yīng)提高。在穴播輪成穴質(zhì)量滿足作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，吸種負(fù)壓達(dá)到4.65 kPa時，其具有較好的充種性能，且作業(yè)性能穩(wěn)定，繼續(xù)增加吸種負(fù)壓則對提高播種質(zhì)量的作用較小。

2)播種過程中存在漏播問題，分析其原因除了排種器吸種問題外，主要還存在活動鴨嘴開啟不及時或未開啟，這是由于土壤較松軟，壓板無法將活動鴨嘴及時打開或無法開啟所致。

3)通過穴播輪田間作業(yè)試驗，確定當(dāng)作業(yè)速度為0.76 m/s，吸種孔線速度為0.24 m/s，吸種負(fù)壓為4.65 kPa時穴播輪作業(yè)質(zhì)量最優(yōu)，此時合格指數(shù)、空穴指數(shù)、重播指數(shù)及綜合指數(shù)分別為95.0%，1.0%，4.0%和97.0%，孔穴錯位率、膜下播種深度合格率、穴距合格率分別為4.0%，95.0%和 95.0%，成穴、播種質(zhì)量均能較好地滿足氣吸式膜上播種機(jī)規(guī)定的作業(yè)要求。

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