劉德江,龔 艷，王 果，繆友誼，陳 曉，張 曉，盧鑫羽

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

甘肅河西地區(qū)是我國(guó)西瓜、甜瓜的優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)，盛產(chǎn)西瓜、哈密瓜、白蘭瓜等優(yōu)質(zhì)西甜瓜。由于河西地區(qū)為大陸沙漠干旱型氣候，降水量小、蒸發(fā)量大，為了節(jié)約水資源以及確保瓜的品質(zhì)，該地區(qū)露地西、甜瓜通常采用壟作、溝灌的旱塘種植模式，即對(duì)瓜田開溝起壟(塘)，種瓜于壟頂邊緣，結(jié)瓜于壟頂中部，溝底灌溉時(shí)，既可確保根系充分吸收水分，又可避免瓜果淹水而腐爛。為了集水保墑，需在壟溝及壟頂邊緣覆蓋整張的塑料地膜，并在壟溝底部的地膜上打孔覆土，使得溝中的灌溉水或蓄集的雨水通過(guò)膜孔滲入到膜下并向西甜瓜根系周圍的土壤擴(kuò)散，以此避免土壤中水分的蒸發(fā)，此為河西地區(qū)獨(dú)有的壟膜溝灌種植技術(shù)。此前種植過(guò)程中起壟(塘)的具體步驟為：起壟(塘)前先采用旋耕機(jī)進(jìn)行耕地、整地，按1.8～2.4 m的間距預(yù)劃灌溉溝的中心線，通過(guò)人工將基肥均勻條施在灌溉溝中心線兩側(cè)50 cm的地表處，施肥后沿灌溉溝中心線用鏵式犁開溝器開溝起壟(塘)，將基肥掩埋于從壟(塘)溝中新翻出的土壤下。覆膜的具體步驟為：用耱或耙將壟沿刮平，用幅寬140 cm的地膜覆蓋壟溝及壟頂邊緣的種植帶，然后在壟溝底部的地膜上每隔10 cm打一孔，孔徑為φ2 cm，最后在壟溝底部覆土。目前的種植過(guò)程除用鏵式犁開溝器機(jī)械化開溝外，播種前刮平壟沿、覆膜、地膜上打孔以及覆土都需要大量人工作業(yè)。而現(xiàn)有技術(shù)裝備均為在平地上覆膜或是起壟后在壟上覆膜，均不符合河西旱塘瓜的種植農(nóng)藝要求[1-7]。

為此，本研究針對(duì)旱塘瓜種植模式下勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低、化肥深施難度大等問(wèn)題，按照性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的技術(shù)思路和總體方案，研制了與中小型拖拉機(jī)配套的旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

根據(jù)旱塘瓜壟膜溝灌的種植模式，為一次性達(dá)到完成化肥深施、開溝(灌溉溝)、溝沿鎮(zhèn)壓、溝底覆膜及打孔、膜上覆土等旱塘瓜整地起塘全流程的機(jī)械化作業(yè)，研制旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)，該機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開溝起壟機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)、覆膜機(jī)構(gòu)等組成，整機(jī)二維圖如圖1，三維圖如圖2所示。

1.限深輪; 2.施肥管; 3.施肥箱; 4.施肥地輪; 5.圓盤式開溝器; 6.溝沿成形機(jī)構(gòu); 7.溝沿鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu); 8.掛膜架; 9.壓膜管；10.后機(jī)架調(diào)節(jié)桿; 11.輸土機(jī)構(gòu); 12.溝底壓膜輪; 13.壟上壓膜輪; 14.膜邊覆土機(jī)構(gòu); 15.壟面鎮(zhèn)壓輥; 16.變速箱; 17.開溝施肥犁1.Depth-limit wheel; 2.Fertilizer tube; 3.Fertilizer box; 4.Disc opener; 6. Groove edge forming mechanism; 7. Ditch edge suppression mechanism;8. Film hanger; 9. Film pressing tube; 10. Rear frame adjustment rod; 11. Soil transport mechanism; 12. Film pressing wheel at the bottom of the ditch;13. Film pressing wheel on ridge; 14. Film edge covering mechanism; 15. Ridge surface pressure roller; 16. Gearbox; 17. Ditching and fertilizing plow圖1 旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)二維總裝圖Fig.1 Two-dimensional assembly drawing of the compound machine for covering soil andapplying fertilizer in ridge-furrow planting of melon

圖2 旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)三維裝配圖Fig.2 Three-dimensional assembly drawing of the compound machine for covering soil withfertilizer and mulching in ridge-furrow planting of melon

該機(jī)具的機(jī)架頂部設(shè)有三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)架底部設(shè)有開溝起壟機(jī)構(gòu)，開溝起壟機(jī)構(gòu)包括刀軸以及設(shè)于刀軸兩端的銑拋刀盤；后機(jī)架上設(shè)有溝底覆土機(jī)構(gòu)，溝底覆土機(jī)構(gòu)包括溝底覆土滑板以及兩個(gè)分別設(shè)于所述銑拋刀盤頂部的上集土罩，上集土罩后側(cè)為出土口，出土口處鉸接有出土口調(diào)節(jié)板，溝底覆土滑板為上寬下窄的梯形槽狀結(jié)構(gòu)，溝底覆土滑板頂端與上集土罩的出土口相連、頂端中部設(shè)有延伸至底端的“Λ”型分土板，機(jī)架最后面帶有鎮(zhèn)壓輥，負(fù)責(zé)將溝沿壓實(shí)；后機(jī)架通過(guò)懸掛架與覆膜機(jī)構(gòu)相連，覆膜機(jī)構(gòu)所覆地膜位于所述溝底覆土滑板下側(cè)，懸掛架中部牽引連接有壓膜打孔機(jī)構(gòu)，壓膜打孔機(jī)構(gòu)沿覆膜機(jī)構(gòu)所覆地膜表面的中部行走。

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。

1.2 工作原理

該機(jī)具能一次性完成開溝、施肥、覆膜、覆土等工序，按照旱塘瓜施肥與種植農(nóng)藝要求，該機(jī)具能滿足施肥深度10～15 cm，施肥量2.7～4.1 kg·hm-2，精量可調(diào)；溝底覆膜農(nóng)膜無(wú)損傷，且與溝底、溝壁貼合，可起到增溫保墑和抑制雜草生長(zhǎng)的作用。

工作時(shí)，開溝施肥覆膜機(jī)與配套的四輪拖拉機(jī)懸掛連接，施肥溝開溝時(shí)，開溝犁在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下先開出2條施肥溝，隨著機(jī)具的前地輪隨拖拉機(jī)前進(jìn)滾動(dòng)前行，通過(guò)和輪轂連接的鏈輪和傳動(dòng)鏈帶動(dòng)施肥箱里的排肥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而將肥料排進(jìn)施肥管，均勻播撒在溝沿兩側(cè)10～15 cm深度處，完成施肥；灌溉溝在開溝鏟和雙圓盤開溝器的作用下，開出上寬45～50 cm、下寬25 cm左右、深度30 cm的溝，雙圓盤式開溝器科學(xué)利用開溝器銑拋盤高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)土垡的切削及升土、拋土作用，將拋土直接輸送至溝底與溝沿；覆膜覆土裝置中懸掛在掛膜架上的地膜滾筒也隨之滾動(dòng)，隨著機(jī)具的前進(jìn)將地膜覆下，在開溝器拋出土的重力作用下將地膜壓下與溝底貼合，分土裝置將拋出的土引導(dǎo)至溝沿，將地膜壓牢與溝沿貼合，隨后的鎮(zhèn)壓輥將溝沿的土壓實(shí)，完成覆膜覆土，整個(gè)過(guò)程即為壟膜溝灌旱塘瓜種植模式，種植模式圖如圖3所示。使得溝中的灌溉水或蓄集的雨水通過(guò)膜孔滲入到膜下并向西、甜瓜根系周圍的土壤擴(kuò)散，以此避免土壤中水份的蒸發(fā)。

表1 旱塘瓜復(fù)式作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)拖拉機(jī)手、一個(gè)作業(yè)流程即可完成化肥深施、開溝(灌溉溝)、溝沿鎮(zhèn)壓、溝底覆膜及打孔、膜上覆土等旱塘瓜整地起塘全流程的機(jī)械化作業(yè)。整機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開溝起壟機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)、覆膜機(jī)構(gòu)等部分組成。

2.1 開溝裝置

開溝裝置是該機(jī)具的主要工作部件之一，包括開溝犁(施肥溝)、開溝鏟，雙圓盤式開溝器，其結(jié)構(gòu)如圖4～6所示。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，可以根據(jù)開溝寬度及深度的不同要求，更換不同開溝刀或在原有開溝刀的安裝位置附加1個(gè)刀座，即可實(shí)現(xiàn)不同溝尺寸的便捷式調(diào)節(jié)；雙圓盤式開溝刀盤上左右開溝刀交錯(cuò)排列減少了開溝阻力，同時(shí)科學(xué)利用雙圓盤式開溝器銑拋盤高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)土垡的切削及升土、拋土作用，將拋土直接輸送至溝底與溝沿，其中切削線速度為10.5 m·s-1，刀盤轉(zhuǎn)速為220 r·min-1[8-11]。

該復(fù)式作業(yè)機(jī)開溝施肥、覆膜覆土的過(guò)程中，絕大部分功率消耗都在旋耕刀組開溝過(guò)程中。為確保復(fù)式作業(yè)機(jī)配套動(dòng)力合理，需要對(duì)旋耕刀組功率消耗進(jìn)行校核計(jì)算

P=0.1Kξv1bh

(1)

b=2b1+b2

(2)

式中,P為旋耕刀組功率(kW);Kξ為旋耕比阻，取6.5 N·cm-2[12]；v1為機(jī)具前進(jìn)速度，依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)雙壟耕作施肥噴藥覆膜機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，取速度為0.5 m·s-1；b為旋耕刀組開溝寬度(m)；h為開溝深度，取30 cm;b1為灌溉溝的上寬，依據(jù)旱塘瓜種植農(nóng)藝栽培模式要求，取50 cm;b2為灌溉溝的下寬，依據(jù)旱塘瓜種植農(nóng)藝栽培模式要求，取25 cm。

由上式計(jì)算得出：b=1.25 m，P=12.19 kW，滿足拖拉機(jī)40 kW的動(dòng)力要求。

開溝犁(施肥溝)采用靴犁式設(shè)計(jì)，入土角大于90°，工作阻力較大，但在附加力的作用下能切入土壤，完成開溝，肥料通過(guò)施肥器進(jìn)入排肥管，再通過(guò)開溝犁的進(jìn)肥口進(jìn)入土壤里，此種開溝犁開出的溝深一致，有利于作物生長(zhǎng)過(guò)程中均勻吸收養(yǎng)分[11-15]。

開溝鏟采用翼鏟式設(shè)計(jì)，由側(cè)板、安裝板、加強(qiáng)板及刀片組成，工作時(shí)土壤在鏟前凸起，鏟的刀片擠壓土壤從而開溝，開溝器離開后土壤回落兩側(cè)，工作阻力較小[16]。

雙圓盤式開溝器有2個(gè)邊緣鋒利的傾斜圓盤，刃口交于一點(diǎn)，并形成一個(gè)夾角，開溝作業(yè)時(shí)兩圓盤沿中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)，靠開溝刀鋒利的刃口將土壤切開使土壤沿傾斜圓盤兩邊移動(dòng)，并通過(guò)輸土盤將土直接輸送至溝底與溝沿。雙圓盤式開溝器開溝整齊，開出的溝寬度較小[16-17]。

圖3 旱塘瓜種植模式Fig.3 Pattern of ridge-furrow planting of melon

1.進(jìn)肥口；2.開溝犁片1. Inlet of fertilizer;2. Ditching blade圖4 開溝犁(施肥溝)Fig.4 Furrow plough

1.開溝鏟側(cè)板；2.安裝板；3.開溝鏟加強(qiáng)板；4.開溝鏟刀片1. Ditching shovel side plate; 2. Mounting plate;3. Ditching shovel strengthening plate;4. Ditching shovel blade圖5 開溝鏟Fig.5 Trenching shovel

1.前開溝刀；2.后開溝刀；3.開溝刀盤；4.傳動(dòng)軸；5.傳動(dòng)箱1. Front ditching knife; 2. Back ditching knife;3. Grooving knife cutter head; 4. Transmission shaft;5. Transmission case圖6 雙圓盤式開溝器Fig.6 Double disc type opener

2.2 施肥裝置

施肥裝置主要由施肥箱、排肥管、攪拌軸、調(diào)節(jié)肥量把手等組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。施肥作業(yè)時(shí)，機(jī)具前進(jìn)帶動(dòng)限深地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)地輪鏈輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪鏈輪再通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)肥料箱中的攪拌軸將肥料連續(xù)均勻地輸送到排肥管中，實(shí)現(xiàn)施肥作業(yè)。根據(jù)旱塘瓜種植農(nóng)藝要求，施肥量在2.7～4.1 kg·hm-2可調(diào)，施肥深度在10～15 cm，施肥裝置簡(jiǎn)圖如圖7所示。

根據(jù)生產(chǎn)率計(jì)算公式可知：

Q=vg/L

(3)

式中，Q為生產(chǎn)率；v為機(jī)具前進(jìn)速度(0.5 m·s-1)；g為單株平均施肥量(9.5 kg·株-1)；L為開溝施肥機(jī)前進(jìn)距離(1 m)。

攪拌軸轉(zhuǎn)速為：

n=Q/(47D2γΦ)

式中，D為攪拌軸直徑(0.2 m)；γ為物料的容重(0.7 t·m-3)；Φ為充滿系數(shù)(0.8)。

將Q代入攪拌軸轉(zhuǎn)速公式得n=vg/L(47D2γΦ),計(jì)算得出攪拌軸轉(zhuǎn)速n=45 r·min-1。

2.3 導(dǎo)土裝置

導(dǎo)土裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要由上導(dǎo)土板、下導(dǎo)土板、導(dǎo)土分流拉桿、鉸鏈、蝶形鎖緊螺母等組成。當(dāng)作業(yè)機(jī)前進(jìn)時(shí)，帶動(dòng)開溝器銑拋盤高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的刀盤刀片對(duì)土垡產(chǎn)生切削及升土、拋土作用，將拋土直接輸送至導(dǎo)土裝置上，通過(guò)導(dǎo)土板將土引導(dǎo)至溝底與溝沿，對(duì)地膜起到壓緊作用。

該導(dǎo)土裝置采用溝底溝沿分流落土的方式，溝沿落土位置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，通過(guò)下導(dǎo)土板伸縮可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。作業(yè)過(guò)程中，要確保落入溝底以及溝沿的土適量，不能太多也不能太少，溝沿

1.調(diào)節(jié)肥量把手；2.施肥箱；3.攪拌軸；4.排肥管1. Adjust handle for the fertilizer amount; 2. Fertilizer box;3. Mixing shaft; 4. Fertilizer discharge pipe圖7 施肥裝置Fig.7 The structure of fertilizer application

的土要足夠壓住地膜邊緣，溝底的土要能保證將地膜壓下去與溝底貼合，溝底導(dǎo)土口寬度為160 mm，溝沿導(dǎo)土口寬度為200 mm，下導(dǎo)土板可調(diào)伸縮距離為250 mm。

機(jī)具作業(yè)過(guò)程中溝底壓膜及溝沿壓膜都需要輸入一定量的土，輸土量計(jì)算公式如下：

M=M1+M2+M3

(5)

式中，M為總輸土量(kg)；M1為左側(cè)壓膜導(dǎo)土量(kg)；M2為右側(cè)壓膜導(dǎo)土量(kg)；M3為溝底壓膜導(dǎo)土量(kg)。

由機(jī)具導(dǎo)土結(jié)構(gòu)可知，左右輸土量對(duì)稱相等，則有

M1=M2=rH1B1h

(6)

M3=rH1B2h

(7)

式中，r為土壤容重(沙土)，取1 300 kg·m-3；H1為種植施肥溝間隔距離(1 900 mm)；B1為膜邊覆土寬度(44.6 mm)；B2為溝底覆土寬度(80 mm)；h為覆土厚度(25 mm)。

計(jì)算得出M1=M2=2.755 kg，M3=4.94 kg，從而總的覆土量M=10.448 kg。

2.4 溝型滾輪裝置

溝型滾輪裝置由滾輪架橫桿，上、下滾輪，上、下滾輪拉桿等組成，上、下滾輪的外形尺寸由種植溝截面以及地膜寬度而定，上滾輪主要擠壓溝沿上平面，下滾輪主要擠壓溝側(cè)面，以此來(lái)穩(wěn)固溝型。上滾輪直徑為115 mm，長(zhǎng)度為300 mm，下滾輪直徑也為115 mm，長(zhǎng)度為150 mm。溝型滾輪的安裝高度根據(jù)實(shí)際開溝深度決定，但需使上滾輪的下邊緣低于開溝鏟的底部位置。溝型滾輪裝置三維圖如圖9所示。

1.上導(dǎo)土板；2.導(dǎo)土板分流拉桿；3.蝶形鎖緊螺母；4.下導(dǎo)土板；5.鉸鏈；6.溝底導(dǎo)土出口1. Upper soil guide plate; 2. Soil guide plate diversion rod;3. Butterfly lock nut; 4. Lower soil guide plate; 5. Hinge;6. Soil guide outlet at the bottom of the trench圖8 導(dǎo)土裝置Fig.8 Soil guide device

2.5 覆膜覆土裝置

覆膜裝置主要由掛膜架、展膜架、機(jī)架、溝底以及溝沿壓膜輪、覆土盤等組成，如圖10所示。掛膜架是地膜在機(jī)具上的安裝支架，掛膜架滾輪長(zhǎng)度由所覆地膜寬度決定，此處采用地膜寬度為1 200 mm，所以掛膜架上滾輪長(zhǎng)度1 400 mm。溝底壓膜輪可保證膜和溝底貼合良好，展膜架上掛的展膜輥可使地膜適當(dāng)展開，溝沿壓膜輪確保地膜平整鋪展在溝沿，覆土盤的作用是掛起地表少量的土壤，將覆在溝沿部分的地膜壓緊。該部分設(shè)計(jì)的覆土盤覆土角度、高度，以及其他部件的安裝位置均是可調(diào)的，方便在作業(yè)過(guò)程中適時(shí)調(diào)整。

2.6 鎮(zhèn)壓輥部件

鎮(zhèn)壓輥由鎮(zhèn)壓輥安裝支架、鎮(zhèn)壓輥等組成，鎮(zhèn)壓輥的作用是使得落在溝沿上的土更加緊實(shí)地壓住溝沿上的地膜，根據(jù)實(shí)際需要鎮(zhèn)壓輥直徑為300 mm，鎮(zhèn)壓輥長(zhǎng)度為520 mm。鎮(zhèn)壓輥部件圖如圖11所示。

1.滾輪架橫桿；2.滾輪架連接梁；3.上滾輪；4.下滾輪架；5.下滾輪1. Roller rack cross bar; 2. Roller rack connecting beam;3. Upper roller; 4. Lower roller frame; 5. Lower roller圖9 溝型滾輪裝置Fig.9 Groove roller device

1.覆膜裝置機(jī)架；2.展膜輥掛架；3.溝底壓膜輪；4.掛膜架；5.溝沿壓膜輪；6.覆土盤1. Laminating device frame; 2. Film spreading roller hanger;3. Ditch bottom film pressing wheel; 4. Film hanger;5. Ditch edge pressing film wheel; 6. Soil covering plate圖10 覆膜覆土裝置Fig.10 Film-covered soil-covering device

2.7 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架是使各個(gè)零件連接成一個(gè)整體的重要部件，懸掛式機(jī)具的機(jī)架是將這個(gè)整體與動(dòng)力機(jī)械連接的關(guān)鍵組成。機(jī)架設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅要考慮本身的連接功能，還應(yīng)根據(jù)具體作業(yè)環(huán)境和開溝覆膜機(jī)的性能要求考慮以下幾個(gè)方面：(1)機(jī)架設(shè)計(jì)主要應(yīng)保證剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求；(2)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單并且合理，便于與動(dòng)力機(jī)械結(jié)合及其他零部件的拆裝；(3)機(jī)架設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留調(diào)整零部件的安裝空間，如螺紋孔等，當(dāng)開溝尺寸發(fā)生變化時(shí)，零部件應(yīng)能較好變換位置；(4)機(jī)架的耐腐蝕性和抗震性應(yīng)該較好。本文中的機(jī)具機(jī)架主要由方鋼焊接而成，前機(jī)架呈箱體式結(jié)構(gòu)，后機(jī)架呈框架式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便開溝器、施肥器、覆膜覆土裝置、地輪、鎮(zhèn)壓輥等零部件的安裝。前機(jī)架三維圖如圖12所示，后機(jī)架三維圖如圖13所示。

1.鎮(zhèn)壓輥連接板；2.鎮(zhèn)壓輥安裝支架；3.鎮(zhèn)壓輥1. Pressure roller connecting plate;2. Pressure roller mounting bracket; 3. Pressure roller圖11 鎮(zhèn)壓輥部件Fig.11 Roller components

圖12 前機(jī)架Fig.12 Front rack

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件與材料

2019年3月，在甘肅省張掖市高臺(tái)縣旱塘瓜種植試驗(yàn)基地進(jìn)行了旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)的田間作業(yè)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤為沙土，土壤含水率為9.9%～15.3%，取樣深度為5～40 cm對(duì)應(yīng)土壤硬度為17～368 MPa。試驗(yàn)時(shí)田間較平整，土壤疏松，無(wú)作物與雜草。進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)復(fù)式作業(yè)機(jī)進(jìn)行調(diào)試。如圖14所示，在施肥箱中倒入顆粒化肥，通過(guò)施肥量調(diào)節(jié)把手將施肥調(diào)整至4.1 kg·hm-2，在覆膜裝置的掛膜架上安裝地膜，地膜厚度為0.03 mm，并將地膜拉至展膜輥下鋪在預(yù)先挖好的溝里并在膜邊緣蓋上土，機(jī)具動(dòng)力源配套拖拉機(jī)動(dòng)力為40 kW約翰迪爾3B-554型輪式拖拉機(jī)，試驗(yàn)時(shí)速度為0.5 m·s-1。機(jī)具現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效果圖如圖14所示。

3.2 試驗(yàn)方法

按照J(rèn)B/T-7732-2006鋪膜機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、JB/T8401.1-2007旋耕施肥機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、JB/T11908-2014農(nóng)用圓盤開溝機(jī)的要求[18-20]，計(jì)算旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)田間作業(yè)后的以下幾項(xiàng)指標(biāo)：采光面機(jī)械破損程度、膜邊覆土厚度和寬度及合格率、地膜縱向拉伸率、開溝深度、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)等[13]。

圖13 后機(jī)架Fig.13 Rear frame

圖14 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效果Fig.14 Field operation demonstration

采光面機(jī)械破損程度展開度的測(cè)定方法[13]為：以1.2 m(地膜寬度)×5 m(測(cè)試區(qū)域長(zhǎng)度)的面積為1個(gè)測(cè)試小區(qū)，在小區(qū)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處用鋼尺進(jìn)行人工測(cè)量以得到各測(cè)試區(qū)內(nèi)的采光面地膜上所有機(jī)械破損部位的邊長(zhǎng)或者縫長(zhǎng)(當(dāng)Sc≤50 mm·s-2復(fù)式作業(yè)機(jī)性能符合要求)，以2個(gè)小區(qū)的測(cè)定平均值為測(cè)試結(jié)果。采光面地膜機(jī)械破損程度計(jì)算公式如下：

(8)

式中，Sc為采光面地膜機(jī)械破損程度(mm·m-2);li為測(cè)試區(qū)內(nèi)第i個(gè)機(jī)械破損部位的邊長(zhǎng)或者縫長(zhǎng)(mm);n為測(cè)試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)機(jī)械破損部位的個(gè)數(shù)；l為測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度(m);b為測(cè)區(qū)內(nèi)采光面地膜寬度平均值(m)。

膜邊覆土厚度和寬度的測(cè)試方法[14-19]如下：在測(cè)試小區(qū)內(nèi)，測(cè)試膜邊覆土寬度和厚度(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：膜邊覆土寬度≥35 mm，膜邊覆土厚度≥25 mm)，按下式分別計(jì)算膜邊覆土寬度和厚度的合格率：

(9)

式中,θ為膜邊覆土寬度或膜邊覆土厚度合格率；G為小區(qū)內(nèi)各性能指標(biāo)分別測(cè)定的總數(shù)量(個(gè))；g為膜孔全覆土數(shù)量(個(gè))。

地膜縱向拉伸率測(cè)試方法：在測(cè)試小區(qū)內(nèi)，鋪膜后，測(cè)量地膜的縱向程度增量與地膜原寬度之比即為地膜縱向拉伸率：

(10)

式中：b表示鋪膜后地膜的縱向增量(m)；b0表示地膜原長(zhǎng)度，本文中地膜寬度為1.2 m。

開溝深度測(cè)試方法[14]為：測(cè)量2個(gè)作業(yè)行程，每個(gè)作業(yè)行程長(zhǎng)度不小于30 m，沿行程方向等間距測(cè)4處開溝的深度，共測(cè)8處，測(cè)試前先清除溝底及拋灑在溝旁邊的土塊，用深度測(cè)量?jī)x測(cè)試溝底距離地平面的距離，作為該測(cè)試點(diǎn)的開溝深度，按下式計(jì)算得出平均開溝深度：

(11)

式中,h表示平均開溝深度(cm)；hi表示第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)的開溝深度值(cm)；N表示測(cè)試小區(qū)內(nèi)選定的測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)，N=n=8。

排肥穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試方法為先計(jì)算出施肥量，再根據(jù)實(shí)際施肥量計(jì)算出排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)[14]。施肥量計(jì)算如下：

(12)

式中，Q表示實(shí)際排肥量(kg·hm-2)；q表示地輪旋轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)所測(cè)定的排肥口排肥量的平均值(kg)；D表示地輪直徑(m)；a表示平均行距(m)；M表示試驗(yàn)機(jī)具的作業(yè)行數(shù)。

排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)，肥箱內(nèi)的肥料應(yīng)加入不少于箱內(nèi)容量的一半，并設(shè)置不低于30 m的作業(yè)測(cè)試區(qū)[14-15]，按下式計(jì)算：

(13)

(14)

(15)

式中，xi表示每次總的排肥量(g)；x表示每次總排肥量的平均值(g)；S表示總排肥量穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)差(g)；V表示總排肥量穩(wěn)定性的變異系數(shù)(%)；n為總的測(cè)定次數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)?shù)貕K平整且土質(zhì)疏松的時(shí)候，作業(yè)機(jī)平穩(wěn)前行，樣機(jī)各關(guān)鍵部件性能穩(wěn)定時(shí)，作業(yè)效果質(zhì)量都是最佳的。若田間地塊不平整或者前進(jìn)速度不穩(wěn)定，會(huì)引起對(duì)地膜的過(guò)分拉扯和施肥量的不穩(wěn)定，從而造成覆蓋的地膜與溝底溝沿貼合不緊實(shí)而出現(xiàn)壟溝地膜架空，施肥深度達(dá)不到10～15 cm，施肥量不均勻。當(dāng)土壤硬度或者土壤含水率過(guò)大時(shí)，粘滯的土壤則會(huì)影響到圓盤開溝器拋土量以及覆土裝置輸土部件的輸土量，導(dǎo)致溝沿膜邊壓土量不足，溝底輸土量過(guò)少也會(huì)造成地膜與溝底貼合不實(shí)。因而在作業(yè)時(shí)，應(yīng)首先把地塊整平，然后將急劇作業(yè)行進(jìn)速度控制穩(wěn)定，以此確保開溝刀組與田間實(shí)際狀況最佳時(shí)作業(yè)，以獲取最高質(zhì)量的作業(yè)效果。

機(jī)具性能試驗(yàn)表明，機(jī)具各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，開溝深度32.5 cm滿足旱塘瓜種植農(nóng)藝要求，膜邊覆土厚度27.3 mm,膜邊覆土寬度44.6 mm,合格率分別達(dá)到了96.1%和95.6%，地膜縱向拉伸率92.3%，排肥均勻性系數(shù)5.6%，均已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)旱塘瓜壟膜溝灌種植模式下化肥利用率低，化肥深施、開溝覆膜等減肥增效農(nóng)藝技術(shù)缺乏配套機(jī)械化裝備的現(xiàn)狀，研發(fā)了旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土復(fù)式作業(yè)機(jī)，對(duì)樣機(jī)的開溝裝置、施肥裝置、覆膜覆土部件、鎮(zhèn)壓裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選型，并根據(jù)相關(guān)作業(yè)質(zhì)量要求完成了對(duì)部分關(guān)鍵部件的參數(shù)設(shè)計(jì)與分析；

2)該機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)試方便，一個(gè)作業(yè)流程即可完成化肥深施、開30 cm灌溉溝、溝沿鎮(zhèn)壓、溝底覆膜及打孔、膜上覆土等旱塘瓜整地起塘全流程的機(jī)械化作業(yè)，減少機(jī)具進(jìn)地次數(shù)、提高作業(yè)效率和質(zhì)量、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，作業(yè)效率是人工的10倍以上，符合旱塘瓜壟膜溝灌的農(nóng)藝種植要求。

3)經(jīng)過(guò)田間性能試驗(yàn)驗(yàn)證，采光面機(jī)械破損程度為41.6 mm·m-2，膜邊覆土厚度27.3 mm，膜邊覆土寬度44.6 mm，膜邊覆土厚度合格率96.1%，膜邊覆土寬度合格率95.6%，地膜縱向拉伸率92.3%，排肥均勻性變異系數(shù)5.6%，開溝深度32.5 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)性能指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及農(nóng)藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)旱塘瓜開溝施肥覆膜覆土機(jī)械化作業(yè)，適宜推廣應(yīng)用。