王亨泰，田斌，孙伟，王军增
（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070）
玉米是我国主要粮食作物之一，产区遍布全国，作为粮、经、饲兼用作物用途广泛，对整个国民经济发展都有着巨大的影响。年播种面积约占全国耕地面积的三分之一［1-5］。
北方旱作农业区覆膜玉米栽培主要采用膜上打孔的种植方式，由于受风力作用及降雨等因素影响，在出苗期往往会有膜孔错位或者膜孔处土壤板结的情况发生［6］。种植后需投入大量人力进行人工放苗，大大增加了玉米的种植成本。如果错过苗期，放苗不及时，会出现死苗、弱苗现象，使得田间断行缺苗。除此之外，玉米收获后，由于地膜覆盖在种行上，玉米根茬的阻扰使得残膜回收作业难度增大。
针对以上问题，结合沟垄覆膜栽培及平膜膜侧栽培的特点，提出了垄面覆膜、膜际浅沟（简称垄膜沟播）种植的模式，有效地解决了上述难题［7-13］。但就目前来看，国内对覆膜玉米机械化种植技术的研究依旧集中在膜上打穴播种方面［14-17］，。没有配套玉米垄膜沟播栽培技术的播种机具，使得该种植模式普及受限。此外，现有的玉米播种机存在结构简单、功能少、作业效率低等问题，大部分机型难以适应西北丘陵山地小地块的作业需求［18］。
为此，本研究针对玉米垄膜沟播栽培模式的农艺要求，设计了玉米起垄施肥覆膜及膜际播种联合作业机，能够一次性完成开沟起垄、垄底施肥、垄面镇压、垄上铺膜、膜侧浅沟穴播作业，并进行了田间试验。
图1为北方旱作玉米垄膜沟播栽培模式示意图，该模式形成的垄体宽为600 mm，垄体高为100 mm，种床宽度为300 mm，形成宽窄行，其中，宽行间距700 mm，窄行间距为200 mm，窄行间中央约有50 mm渗水带。
图1 旱作玉米垄膜膜际栽培模式Figure 1 Schematic diagram of corn planting pattern on film side of ridge
2.1 整机结构及主要技术参数
图2为玉米起垄施肥覆膜及膜际播种联合作业机结构简图，主要由机架、开沟施肥装置、镇压整形机构、铺膜机构、播种装置等组成，各机构协同工作，保证了整机功能的实现。
图2 整机结构Figure 2 Structure diagram of whole machine
参考西北旱区玉米垄膜膜际种植模式与配套农艺要求，整机主要技术参数如表1所示。
表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters
2.2 工作原理
作业时，拖拉机通过三点悬挂装置拉动播种机前进，起垄圆盘开出膜沟并向中间集土起垄。镇压整形器（以下简称整形器）一方面通过链传动带动施肥装置工作，另一方面压碎表层土块并将垄体整成浅拱形。肥料通过导肥管被施在起垄圆盘内侧，再被翻起的土壤埋入；
随后挂膜架与压膜轮配合将地膜平整铺放到成形垄面上，覆土圆盘随动将膜侧土壤翻压到膜边完成铺膜作业；
后排的鸭嘴式穴播器将种子播在地膜两侧露地浅沟中，实现垄底施肥，垄上铺膜，膜侧露地浅沟中打穴播种的一体化作业。
3.1 双圆盘开沟起垄装置
双圆盘开沟起垄装置选用直径300 mm 的标准覆土圆盘（如图3所示），主要作用是集土成垄，并在垄侧形成浅沟。开沟器总成按垄宽尺寸对称安装，U型螺栓将起垄装置固定在机架前横梁上。圆盘安装架与圆盘固定架上分别焊接上下2块角度调整板，两调整板间通过螺栓配合固定。当圆盘角度选取完成后，紧固螺栓即实现开沟起垄装置的效用。若土壤湿度等其它外部环境发生变化，需要重新调整圆盘角度，拧松螺栓并再次旋紧即可满足不同的开沟、集土要求，从而提高了整机的区域适应性。圆盘作业质量主要受圆盘偏角、圆盘倾角及圆盘直径等因素影响［19］。
图3 双圆盘开沟起垄装置Figure 3 Structure diagram of double disc ditching and ridging device
圆盘偏角α，偏角α的大小决定了圆盘的切土、碎土及翻土性能。集土成垄必须使得圆盘与机具前进方向存在偏角α，其值范围为α=40°～45°。α角的增大能使圆盘切土、碎土及翻土能力均增加，但α过大会增大圆盘的侧向阻力，容易损坏整个机构。偏角α大小可依据实际作业情况综合考虑选取［20］。
圆盘倾角β，圆盘要集土成垄须具有向下翻垡的能力。因此，覆土圆盘与铅垂面间须存在倾角β。其值范围为β=15°～25°［21］，田间作业依据实际外部环境具体选择的圆盘倾角β大小，图4 为圆盘倾角、圆盘偏角示意图。
图4 圆盘倾角、偏角Figure 4 Diagram of inclination and deflection of disc
圆盘直径D，其直径D取决于最大耕深a，可根据经验公式［22］：
式中，D为圆盘直径，mm；
k为经验值系数，取2；
a为最大耕深，取150 mm。
由式（1）计算可得，D=300 mm，因此，选用覆土圆盘的直径为300 mm。
3.2 碎土整形装置
玉米垄膜膜际种植模式有集雨保墒、灭除杂草等多项功能，覆膜时要求地膜与垄面紧密贴合且膜面完好不破损。其中垄面不平整及垄面上存在的土块是引起地膜破损的主要原因［23］。为防止表层土块棱角划破地膜，而设计了碎土整形装置。
碎土整形装置结构如图5 所示，由整形器支撑板、整形器轴、预紧弹簧、弹簧导杆、碎土整形辊等组成。作业时，整形辊滚动，将双圆盘起垄装置推挤到中间的土垄压实并镇压成浅拱形，栅条对表层土块进行破碎。为减小整形器的滑移率，将碎土整形装置的两端弯成钉齿形状，这有利于工作时栅条压入土垄，提高整形器抓地力。
图5 碎土整形装置Figure 5 Structure diagram of crushing and shaping device
播种作业过程中，为保证整形器的镇压作用及动力传递的可靠性，要求整形器入土点A 必须在圆盘开沟器开出的种沟底部，钉齿扎入土壤，整形器做纯滚动。在图6所示坐标系中，整形器入土点A的坐标参数为：
图6 整形器挂接架结构Figure 6 Structure diagram of shaper articulated frame
式中：Lo为挂接板的长度，R为整形器半径（mm）；
α1为挂接板中心线与机架纵梁的夹角（°）；
β1为A 点半径线与垄沟底部线的夹角（°）。其中α1、β1与弹簧限位器弹簧劲度、弹簧调节位置及沟底土壤紧实度相关。由式（2）分析得到：
式中：H为圆盘开沟器接地点到机架纵梁的垂直高度。由力的平衡，整形器轴及挂接板在X、Y轴方向的受力为：
由绕挂接板铰接点的力矩平衡得到：
式中：FB为弹簧限位器垂直施加在挂接板B 点的弹簧力，N；
FO是通过挂接板传递到整形器轴上播种机的重力，N；
G为整形器自身重力，N；
T为地面对整形器的支撑力，N；
Lb为限位器与挂接板垂直焊接点与挂接板机架铰接点的距离，mm；
h为刚性整形器在松软地面上滚动距离，mm。其中FBX、FBY及FOX、FOY分别为FB、FO在水平方向和垂直方向的分力。
由式（3）～（5）分析可知：机架通过挂接板和弹簧限位器杆传递给整形器的机身重力FO、FB在水平方向相互平衡，在垂直方向与整形器自身重力G相加，形成向下的镇压力。该力与地面支撑力T形成阻力偶矩，阻碍整形器滚动。FB、FO随着α1角的变化而变化，当α1角变大时，FB减小、FO增大。综合分析，由于α1角变大，整形器下压，整形器支撑机身作用增强，分担的机身重力增大而使得整形器对垄面的镇压力增大，整形器对地面附着力也增大，有利于整形器镇压整形和传动。α1角的调整依靠改变限位器弹簧劲度实现，调整原则以不影响开沟器开沟深度为准［24］。
3.3 窝眼轮式穴播装置
穴播器是播种装置的核心部分，是连接土壤和种子的重要纽带。该机采用窝眼轮式穴播器，如图7～8 所示，主要由成穴器、壳体、回位弹簧、种子箱、窝眼轮、取种器、护种板、输种盒、毛刷轮、棘轮等构成。穴播轮工作时，成穴器（包括活动嘴和固定嘴）、连杆、顶杆随轮一齐转动，成穴器用螺栓固定在穴播器上，活动鸭嘴与固定鸭嘴之间用销钉连接，活动鸭嘴可绕销钉旋转，实现种子的投放，其上的回位弹簧可使活动鸭嘴张开后自动闭合，兼起振动的作用，将粘结在活动鸭嘴和固定鸭嘴上的土壤振动掉落。当穴播轮旋转到成穴器顶臂外缘时，受到成穴器顶臂作用力，顶杆带动连杆，从而强制打开活动嘴完成投种。顶杆继续沿成穴器顶臂外缘转动，转过一定角度后，顶杆受回位弹簧作用，恢复到原来的位置，活动嘴自动闭合。在机组工作之前，需根据工作地土壤坚实度调节施力弹簧，满足成穴器入土条件。
图7 成穴器外部结构Figure 7 Schematic diagram of external structure of hole former
图8 成穴器内部结构Figure 8 Structure diagram of acupoint forming device
玉米种子下落路径如图7～8 所示。首先，种子进入种箱，在重力作用下，从种箱进入穴播器内部种室，在护种板的隔挡下，部分种子会直接进入取种轮的穴孔中，并通过1个与种轮宽度相匹配的毛刷将种子刷入种轮穴孔内，一次取种和一次清种过程完成；
随后，旋转的宽毛刷将多余的种子刷入种轮上漏取的空穴中，实现二次取种；
然后在挡板的阻挡作用下跌进取种器。彼时，种子还未能直接进入输种盒，仍需要滚轮再旋转1周后才能进入输种盒内，经输种盒继续运输后掉入成穴器内，此时活动鸭嘴与地表接触并被强制打开，玉米种子落入种穴完成1次排种。
3.4 穴播器联结装置
本机选用了七嘴、穴距24 cm的鸭嘴式穴播器成品，配套设计联结架及限位杆如图9所示。联结架铰接在机架后横梁联结轴上，为了播种机悬挂提升时穴播器随动上升，在联结架上焊接限位杆，限位杆的焊接角度满足穴播器最大播种深度。
图9 穴播器安装Figure 9 Installation diagram of dibbler
此播种机整机长度达到了1.9 m，悬挂装置提升播种机时阻力矩较大，负荷较重。为使播种机更适合西北地区小地块种植模式，设计时采用可翻转的穴播器，机具运输时采用销接方式将穴播器固定，此设计减小了机具长度，解决了运输及地头转弯问题，翻转后机架与穴播器的相对位置如图10所示，运输时将穴播器翻转到机架上面放置，穴播器重心前移a+b，使整个播种机重心前移，重力臂缩短，悬挂装置承受的载荷降低。
图10 穴播器位置Figure 10 Position diagram of hill-drop planter
4.1 试验条件
2019年3月20～22日在甘肃省定西市香泉镇进行项目机具田间性能试验（图11）。该地平均海拔2 109 m，年平均气温5.7 ℃，年平均降水量400 mm，全年无霜期138 d，土壤为黑垆土。试验用玉米种子品种为先玉335号，农艺要求为：行距700 mm，株距240 mm，播种深度30～50 mm。试验前先用耕整机械翻耕整地，选用东方红SK-454 拖拉机为动力，播种机圆盘开沟器覆土圆盘间距600 mm，偏角为40°，挂膜架安装700 mm 宽白色地膜，2个穴播器行距为700 mm。田间作业情况如图11所示。
图11 样机与田间试验Figure 11 Prototype and field test
4.2 试验方案与方法
本次试验主要测试播种机强度，镇压起垄合格率和铺膜播种质量3个项目。
4.2.1 播种机机架强度 播种机种肥箱满载，挂膜架安装整卷地膜，用悬挂装置提升、下降播种机50次，观察播种机机架有无变形、脱焊断裂情况。
4.2.2 镇压起垄合格率 不铺膜播种，进行镇压起垄试验。方法是播种机内不装种、肥和地膜，找等重量物品放在播种机上模拟播种机起垄镇压作业情况。机组走行200 m，然后在此范围内随机选取10个长度为2 m的测试样区，在每个样区内任选5个样点，拍碎垄顶虚土颗粒，测量记录每个点的垄高、垄宽和垄顶土壤坚实度。以农艺要求设计的垄宽500～600 mm、垄高80～100 mm、土壤坚实度150～200 kpa为标准测试三项指标的合格率。
4.2.3 铺膜播种作业质量合格率［25］根据农业部NY/T1143-2006《播种机质量评价规范》要求，穴播机播种质量指标主要有穴距合格率、种子破损率、播种深度合格率、穴粒数合格率、各行排肥量一致性变异系数和总排肥量稳定性变异系数六项指标。对于膜侧播种，膜边覆土宽度、厚度合格率对作物生长有较大的影响。因此，按规范要求确定测试标准参数为：穴距240～250 mm、种子破损率≤1.5、播深30～50 mm、穴粒数1～2、各行排肥量一致性变异系数≤13%、总排肥量稳定性变异系数≤7.8%、膜边覆土宽度50～100 mm，覆土厚度30～50mm。
播种机组调试完毕后先悬挂提升一定高度，通过转动整形器带动排肥器工作，测试2个排肥器质量指标，然后进地开始试验播种。在播种机正常试验播种作业2 亩地后停止。在已播地随机选取10 个2 m长的膜侧播种行做为样本区，在每个样区内任选4 个样本点检测穴距、种子破损率、播种深度、穴粒数、膜边覆土宽度和厚度。
4.3 试验结果与分析
4.3.1 播种机机架强度 播种机全载荷被提升、下降50次后，观察机架各处，未发现不可恢复变形和脱焊断裂情况，说明机架强度满足要求。
4.3.2 垄形合格率 试验后统计50个样本点的样本数据如表2所示。与农艺要求值对比，垄高、垄宽等的平均值均在农艺要求值范围之内，变异系数均小于0.20，说明起垄整形较为规整。镇压后垄顶土壤坚实度满足农艺要求，但平均值接近农艺要求值的下限，且变异系数为0.382，说明整形器钢筋结构的点、线接触式镇压与常见的滚筒式实体整形器面接触镇压相比较，虽然提高了与土壤接触点的压强和抓地力，但整体对垄顶土壤压实稍显不足，压实不够均匀。
表2 镇压起垄试验结果Table 2 Results of ridging test
4.3.3 铺膜播种作业质量合格率 根据农业部NY/T 1552-2007《铺膜机质量评价技术规范》要求［26］，试验后统计40个样本点的样本数据如表3所示。穴距合格率、穴粒数合格率均高于规范值，穴距、穴粒数样本变异系数在0.15以下，种子破损率也优于规范值要求，说明选用的成品鸭嘴式穴播器质量可靠；
播深合格率刚达到规范值，样本变异系数0.31，说明膜边覆土降低了膜侧种沟地表平整度和虚实度，播深变化较大；
膜边覆土宽度、厚度合格率达到规范值，但样本变异系数在0.27以上，说明垄边地膜表面会造成溜土，覆土不均；
排肥量两项指标均优于规范值，说明排肥装置工作良好。
表3 铺膜播种试验结果Table 3 Test results of film mulching sowing
1） 基于西北旱区玉米垄面覆膜、膜际浅沟栽培农艺要求所设计的玉米起垄施肥覆膜及膜际播种联合作业机能够一次性完成开沟起垄、垄底施肥、垄面镇压、垄上铺膜、膜侧浅沟穴播工作，能够实现穴播器联结架翻转功能。
2） 通过理论分析与计算确定了双圆盘起垄装置的结构及工作参数；
设计了轮辐式碎土整形装置；
解析了窝眼轮式穴播装置作业机理。田间试验表明，镇压起垄，施肥铺膜，浅沟播种作业的相关试验指标均优于规范值，机具工作性能良好可靠。
3） 本机使用中还有以下几点需要改进与加强，因采用垄面覆膜、膜际浅沟的种植模式，拖拉机轮胎压实区与玉米籽粒种植区域重合度大，对玉米的生长影响较其它模式更加显著；
该模式集雨效果虽优于垄上种植但受降水影响更加显著。若玉米在播种时期常年伴随春旱，土壤墒情太差，玉米种子在干土层就会造成缺苗；
膜际浅沟内的杂草种子更有利于发芽及生长，因渗水带存在还不易被烧死，使得杂草对玉米苗生长影响较其它模式更大，需要及时耕除。同时玉米播种还要注意推广可降解地膜，以减少地膜污染，减少残膜捡拾工序。