机收水稻留茬地紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机设计

游兆延，吴惠昌，彭宝良，高学梅，胡志超，张玉岚



机收水稻留茬地紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机设计

游兆延，吴惠昌※，彭宝良，高学梅，胡志超，张玉岚

（农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

为解决机收水稻地留茬对紫云英机械化播种的影响，针对目前紫云英开沟、播种环节独立作业时存在的作业质量不高、生产效率低等问题，该文研制了适用于机收水稻留茬地的紫云英开沟撒播机。设计了撒播高度可调装置，根据田间稻茬留量情况将撒播部件升降至适当位置；研制了紫云英专用排种轮和定量匀播装置，实现精量播种的同时提高撒播均匀性；采用双圆盘式开沟组件，确定圆盘直径为900 mm，测得平均开沟深度为22.3 cm，平均开沟宽度为31.2 cm，田间试验测定开沟宽度、深度变异系数均小于6%，满足紫云英种子生长期间的排水要求。通过多因素试验和回归分析，得出机具前进速度、排种轮转速、匀种圆柱直径等因素对撒播效果有显著影响，方差分析可知影响紫云英出苗率和播种均匀性变异系数的主次因素均为：排种轮转速>匀种圆柱直径>机具前进速度；影响排种量一致性变异系数的主次因素依次为：匀种圆柱直径>机具前进速度>排种轮转速；确定影响紫云英开沟撒播机撒播质量的因素最佳参数组合为：机具前进速度4.6 km/h，排种轮转速44 r/min，匀种圆柱直径6 mm。通过田间试验验证，最优参数组合条件下紫云英出苗率为95.87%，排种量一致性变异系数12.7%，播种均匀性变异系数8.07%，与模型预测优化结果的相对误差均小于3%，验证了所建模型与优化参数的合理性；与已有紫云英播种方式相比，本文所设计的双圆盘开沟撒播组合作业机作业效率可达1 hm2/h，优于人工撒播作业效率0.1～0.125 hm2/h、手摇撒播作业效率0.2～0.3 hm2/h和机动喷播作业效率0.5～0.8 hm2/h，低于无人机飞播作业效率3～4 hm2/h，在撒播质量和组配方式上也明显优于其他播种方式，具有较好的推广应用前景。

农业机械；设计；优化；紫云英；开沟撒播机；水稻留茬地

0 引 言

紫云英又名草子、红花草、翘摇等，是一种重要的绿肥作物，其固氮能力强，利用效率高，具有减少化肥投入、提升土壤肥力、提高作物产量和品质、保护生态环境等优点[1-6]。开沟、播种环节是紫云英生产的重要环节，不同播期和播种质量很大程度上决定了紫云英的产量[7]，开沟作业能使紫云英在排水不良的低湿田或保肥保水性差的砂性土壤中生长良好。紫云英常作为稻田绿肥来种植[8-9]，但机收水稻后有的地块最大留茬高度超过600 mm，存在留茬高、秸秆量大、秸秆易堵塞工作部件等情况，给紫云英机械化生产带来难度，另外，目前紫云英播种、开沟环节往往独立作业，作业过程中种子利用率低、撒播均匀性差、生产效率不高，急需实现机械化联合作业。

国外紫云英种植规模较小，但适用于紫云英种植的生产装备已开始向自动化方向发展。紫云英播种环节典型机具有：罗马尼亚Moreni公司研制出一款果园紫云英播种施肥机，可一次完成浅旋、播种、施肥、镇压等作业环节，英国Simba Horsch公司生产的双排种器同步播种机可一次性播种紫云英和其他作物种子，这些机型智能化程度高，但基本不设计开沟功能。国内紫云英播种主要有人工撒播、手摇撒播、电动喷播、无人机飞播等方式[10-12]，采用以上播种方式播种绿肥种子时，紫云英种子利用率、发芽率、播种均匀性等关键指标不能满足生产要求。紫云英开沟机具主要有铧式犁、单圆盘、双圆盘、旋耕开沟等类型[13-18]，典型机具有德国Dondi公司研制的单圆盘开沟机，作业时实现了开沟深度可控，美国Maxim公司研发的链条驱动的小型耐用多功能开沟机，工作部件可以方便更换，江苏金秆农业装备有限公司研发的1KJ-35型双圆盘开沟机等。这些机型保证了开沟沟型的完整，但在沟型控制、沟边垫条清理、土壤受开沟机作用后的运动机理等方面缺少进一步研究[19]。

针对机收后水稻留茬地的紫云英生产机械化问题，本文研制了紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机，在结构方式上进行设计与改进，将开沟与播种2个环节整合在一次作业之中，大大提高了作业效率，并通过优化试验确定影响紫云英开沟撒播机作业质量的因素最佳参数组合，为机收水稻留茬地紫云英播种作业提供了新的方法。

1 紫云英种植农艺要求及开沟撒播组合作业机设计

1.1 种植农艺要求

紫云英为豆科草本植物，主根较肥大，入土400～500 mm，侧根入土较浅，根瘤丰富，多分枝，小叶倒卵形或椭圆形，总状花序，呈伞形，花萼钟状，花冠蝶形，紫红色或橙黄色[20-22]。紫云英荚果线状长圆形，种子肾形，栗褐色，紫云英种植示意图如图1所示，其种植农艺要求如下：播种量为22.5～30 kg/hm2，千粒质量3～3.5 g，播种间距35 mm，开沟间距4 000～6 000 mm，开沟深度200～250 mm，沟宽300 mm左右。

1.紫云英 2.排水沟

1.2 双圆盘开沟撒播组合作业机设计

1.2.1 总体结构

紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机总体结构与各部件结构示意图如图2所示，主要由撒播部件、撒播高度调整装置、拖拉机和开沟部件组成。撒播部件主要由种箱、排种器、匀播机构、调速电机等组成，开沟部件主要由连接架、双圆盘开沟组件、犁式沟型整理组件、挡土罩等构成。工作时，排种器、种箱、匀播机构均固定在撒播高度调整装置上，撒播高度调整装置安装在行走动力机构前端，拖拉机后端三点悬挂与开沟部件固定连接。

1.2.2 工作原理

紫云英开沟播种组合作业时，根据田间稻茬秸秆留量情况，先将撒播部件由撒播调整装置升降至适当位置，使撒播部件底部高于秸秆。撒播部件包括1组排种器和对应的匀播机构，排种器内置排种轮，各排种轮同轴固定，并由调速电机同步驱动，转动时排种器内紫云英种子逐渐落入排种轮上的排种穴，并从排种穴落下进入匀播机构。匀播机构为倾斜向下设置的条板状结构，其两边边缘部位设有凸起的槽边，中部设有多个圆柱挡柱，可将紫云英种子均匀撒播到地表上。双圆盘开沟组件由2个尺寸相同的铣抛盘左右对称安装组成，工作时可根据需要由液压缸将其抬起或放下。另外，后置犁式沟型整理组件可进一步对所开沟型进行清理和修整，达到理想的开沟效果。

1.撒播部件 2.撒播高度调整装置 3.拖拉机 4.开沟部件1.Sowing components 2. Sowing height adjustment device 3.Tractor 4.Ditching componentsa. 总体结构a. Overall structure1.种箱 2.排种器 3.匀播机构 4.驱动轴 5.调速电机 6.气弹簧1.Seed box 2.Seed-metering device 3.Evenly-sowed device 4.Drive shaft 5.Speed control motor 6.Gas springb.撒播部件b. Sowing components1.连接架 2.双圆盘开沟组件 3.犁式沟型整理组件 4.挡土罩1.Connecting frame 2.Double-disc ditching components 3.Plough type ditch arrangement components 4. Soil retaining coverc. 开沟部件c. Ditching components

1.2.3 主要结构参数

紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机主要结构参数如表1所示。

表1 双圆盘开沟撒播组合作业机主要结构参数

2 主要工作部件设计

2.1 撒播高度调整装置

撒播高度调整装置（图3所示）主要由安装座、滑轮、支撑轮、液压缸、升降槽钢等组成。液压缸底部固定在安装座上，液压缸的伸出活塞杆上连接有支撑轴，支撑轴上设有滑轮，滑轮限位在导向槽内，升降槽钢两侧设有支撑轮，撒播部件通过连接管固定在液压缸伸出部分上。根据田间稻茬留量（按稻茬高度600 mm计算）、撒播部件初始最低位置200 mm以及撒播部件装满种子后（按最大装种量150 kg计算）由液压缸驱动所需负载等情况综合考虑，设计液压缸行程400 mm，工作压力10 MPa，缸径40 mm，活塞杆径30 mm。

1.滑轮 2.升降槽钢 3.焊接短方管 4.支撑轮 5.液压缸 6.固定底座 7.挂接耳 8.连接管 9.导向槽 10.加强板 11.支撑轴

2.2 撒播部件

2.2.1 排种器

2.2.2 定量匀播组件

定量匀播组件如图5所示，主要由播种调速组件和匀播机构组成，播种调速组件包括调速控制器（图5a）和直流电机（图5b），调速控制器依靠拖拉机行走速度设定紫云英单位播种量，实时输出直流调速电机转换控制信号，实现定量播种。对设计的排种轮播种量进行场地排种试验，当排种轮转速为44～52 r/min转速时，排种轮每圈空隙每分钟落入料盒的排种质量为40～48 g，满足紫云英每公顷22.5～30 kg的播种量需求[23]。匀播机构结构如图5c所示，由在落种槽中上下2行错位配置7个水平等间距匀种圆柱构成，匀播机构参数设计如下：落料槽上下2条边长度分别为1=60 mm、2=200 mm，落料槽的最长边3=600 mm，上下2行匀种圆柱间的高度差4=150 mm，5为相邻2个匀种圆柱间的空隙距离，随匀种圆柱直径的变化而变化。

1.孔穴 2.加强筋 3.排种轮孔

1.Aperture 2.Reinforcing rib 3.Hole of seed-metering wheel

图4 紫云英专用排种轮

Fig.4 Special seed-metering wheel for

a. 调速控制器b. 直流电机c. 匀播机构 a. Speed regulation regulatorb. DC motorc. Evenly-sowed mechanism

为反映匀种圆柱间的的间隙距离对排种效果的影响，应用EDEM软件构建匀播机构排种仿真模型，如图 6所示。鉴于紫云英种子的撒播过程不涉及紫云英种子间的黏结作用，因此本研究选择Hertz-Mindlin (no slip) 接触模型作为紫云英种子颗粒与紫云英种子颗粒、紫云英种子颗粒与匀播机构之间的接触模型，并确定紫云英种子颗粒和匀播机构的相关材料和接触力学参数，如表2所示。

表2 材料间接触模型的参数设置

目前还没有紫云英种子撒播机构作业的评价标准，参考小麦等其他作物种子撒播效果评价方法，本文以紫云英种子颗粒的横向均匀度变异系数作为匀播机构的横向均布效果的参量[23-25]，在EDEM中模拟更换不同直径的匀种圆柱来改变匀种圆柱间的距离，仿真观察种子从排种轮落下后经匀种圆柱碰撞后的分布规律，仿真结果表明：当匀种圆柱间的距离过小时，会发生堵种现象，而当圆柱间的距离过大时，又会出现种子分布明显不均现象。经多次仿真模拟和横向均匀度变异系数公式计算可知[25]，当匀种圆柱直径在3.2～6.8 mm，紫云英种子颗粒的横向均匀度变异系数范围为8.3～10.1%，匀播机构具有较好的排种效果。

图6 匀播机构仿真工作模型

2.3 开沟部件

开沟部件主体结构采用双圆盘型开沟组件[14]，如图7所示。图7a为投影的双圆盘聚点位置，图7b为双圆盘开沟作业示意图。

a.双圆盘聚点投影位置a. Projection position of double-disc gathering pointb.双圆盘开沟作业示意图b. Schematic diagram of double-disc ditching operation

图7 双圆盘开沟组件

Fig.7 Double-disk ditching components

圆盘夹角较小时，开出的沟宽较小，工作阻力也较小，常用的角为9°～16°，聚点的高度等于最大开沟深度为宜，一般55°～75°。根据图1中紫云英种植的田间开沟要求及试验地稻田土壤黏性情况，设计开沟组件的圆盘直径900 mm，刀盘转速228 r/min，刀盘旋刀数左右各10片，经测量，在保证开沟机可靠工作状态下，双圆盘开沟机开沟深度范围可达200～400 mm，深底宽120～140 mm，沟宽280～400 mm，满足紫云英生长过程的排水要求。

3 室内试验与结果分析

为初步评价撒播部件的排种分布均匀性和撒种量准确性，对双圆盘开沟撒播组合作业机撒播部件作业性能进行室内试验。

3.1 试验方法

室内撒播性能试验在农业部南京农业机械化研究所白马基地的机具存放车间进行，如图8所示。试验材料为青弋江1号，紫云英种子千粒质量为3.5 g，试验方法为：在厂房地面上标定长9.5 m，宽4 m的区域，按11×18矩阵摆放接种盒（24 cm × 16.5 cm × 6 cm）198个，将撒播部件装满紫云英种子并固定在车间叉车上。

a. 接种盒布置b. 撒播试验 a. Layout of seeds receiving boxesb. Sowing test

针对撒播部件撒播质量和撒播可靠性要求，以单位面积排种量误差和播种均匀性变异系数为评价指标。根据前期排种试验可知，满足紫云英22.5～30 kg/hm2播种量需求时的排种轮转速范围为44～52 r/min，EDEM仿真分析结果表明，匀播机构具有较好排种效果时，匀种圆柱直径范围为3.2～6.8 mm，机具前进速度参考小麦、大豆等撒播机的一般作业速度设置为4～8 km/h[25-26]。鉴于上述工作基础，将室内撒播试验工作参数设置如下：机具前进速度4 km/h，排种轮转速44 r/min，匀种圆柱直径3.2 mm，由于机收后水稻地块留茬高度最高超过600 mm，试验时将撒播高度调整为700 mm，试验过程中撒播作业往返共计10个行程，行程结束后分别记下各物料盒内最终的种子质量，试验重复3次取平均值，试验指标计算公式为

式中为单位面积排种量误差，%；为试验区域内的排种总质量，g；为试验区域面积，m2；为理论目标排种量，g/m2。

3.2 室内试验结果与分析

室内撒播性能试验结果如表3所示，经计算，3次试验中单位面积排种量最大误差为4.9%，最小误差为3.87%，播种均匀性变异系数最大为7.59%，3次试验的单位面积排种量误差和播种均匀性变异系数平均值分别为4.36%和7.28%，满足相关标准对播种质量的要求[27]。

表3 室内撒播性能试验结果

4 田间试验与结果分析

4.1 试验条件

在室内试验的基础上，紫云英开沟撒播田间试验于2017年10月在镇江丹阳机收水稻留茬地进行，试验地水稻留茬高度约为200～400 mm，按水稻草谷比1.09来计算[28]，秸秆量约为10 650 kg/hm2，土壤类型为沙壤土，土壤含水率由TZS型土壤水分测定仪测得为29.5%，容重1.26～1.32 g/cm3，土壤坚实度采用TYD-2型土壤硬度计测量，在深度5、10、15和20 cm处峰值分别为134、210、330和597 N/cm2，试验材料为青弋江1号，紫云英种子千粒质量为3.3～3.5 g，配套动力为东方红LX-804型拖拉机。

4.2 试验方法

试验时将田块分为3个小区，每个试验小区长为23 m，宽10 m，每次行程机具按图9b中箭头方向所示依次进行播种作业，每次行程共播10行，其中5次播种的同时带开沟，剩下5次只进行播种作业，试验后用30 cm宽度线框在每个播行内框出测区，剩余2个小区依次进行相同试验。

为反映开沟作业效果，试验后随机在一个小区的行程内连续选取50个点测量开沟深度与宽度，记录并统计测量结果。

为考察紫云英开沟撒播机的播种作业质量，参考GB/T 9478-2005《谷物条播机试验方法》、GB 8080-2010《绿肥种子》及实际播种情况[29]，选择出苗率、排种量一致性变异系数及播种均匀性变异系数为播种性能评价指标。

图9 田间试验及小区设置与作业路径

出苗率是种子破土出苗数和种子总数的百分比，试验播种15 d后每个播行随机选取5个测区，共测5个播行，计算方法如式（5）所示。

式中R为出苗率，%；1为测区内出苗种子数量，粒；为测区内撒播种子总数量，粒。

排种量一致性变异系数是指开沟播种组合作业机在播种相同长度行程内，各播行内播种量分布差异程度。试验后，每个播行随机选取5个测区测量其播种量，5个测区平均值作为该行播种量，共测5个播行，计算公式如式（6）～式（8）所示，计算结果取5个播行平均值。

播种均匀性变异系数是指开沟播种组合作业机在同一播行相同播种距离内播种量的分布均匀程度。试验后每个播行内随机选取5个测区，共测5个播行，计算方法参考式（2）～式（4）。

试验时，以紫云英出苗率R、各行排种量一致性变异系数S、播种均匀性变异系数U作为响应值，对机具前进速度、排种轮转速、匀种圆柱直径等因素开展试验研究，机具前进速度通过东方红LX-804拖拉机的一体机无极变速档位调节，排种轮转速通过控制器的输出电压调节，匀种圆柱间距通过更换不同直径的匀种圆柱获取。根据前期排种试验可知，满足紫云英22.5～30 kg/hm2播种量需求时的排种轮转速范围为44～52 r/min，EDEM仿真分析结果表明，匀播机构具有较好的排种效果时，匀种圆柱直径范围为3.2～6.8 mm，机具前进速度参考小麦、大豆等撒播机一般作业速度设为4～8 km/h[25]，田间试验确定各因素范围如下：机具作业速度4～8 km/h，排种轮转速44～52 r/min，匀种圆柱直径3.2～6.8 mm，设计3因素2次回归试验方案[30-32]，对影响出苗率、各行排种量一致性变异系数、播种均匀性变异系数的主要参数进行优化。试验因素及水平设计见表4。

表4 试验因素和水平

4.3 田间试验结果与分析

4.3.1 开沟效果

田间作业开沟效果如图11。由图11a、图11b可知，开沟深度最大值与最小值相差1.2 cm，开沟宽度最大与最小值之间相差1.7 cm，开沟部件所开沟深在22 cm上下浮动，沟宽在30 cm上下浮动，平均开沟深度为22.3 cm，平均开沟宽度为31.2 cm。开沟宽度和开沟深度变异系数均小于6%，说明沟深和沟宽稳定，沟型满足紫云英种子生长期间的排水要求[33]。

图11 开沟效果试验结果

4.3.2 撒播试验结果与分析

撒播试验结果如表5所示。

表5 紫云英开沟撒播机田间试验结果

分析表5可知，机具前进速度对出苗率影响不显著，匀种圆柱直径和排种轮转速对出苗率影响显著，随着匀种圆柱直径的增大，出苗率先升高后下降，在匀种圆柱直径5 mm时，出苗率最高为97%，在匀种圆柱直径3.2 mm时，出苗率最低为88.7%。随着排种轮转速的增大，出苗率总体呈下降趋势，在排种轮转速44 r/min时，出苗率最高为97%，在排种轮转速52 r/min时，出苗率最低为88.7%。原因分析：出苗率主要取决于种子的生长环境和种子质量，与机具前进速度关系不大。匀种圆柱直径刚开始增加时，避免了匀种圆柱间的空隙距离过大时造成的种子重播问题，出苗率有所升高；随着圆柱直径进一步增加，匀种圆柱间的空隙距离过小，种子与匀种圆柱间多次碰撞产生了伤种，造成出苗率下降。排种轮转速增加时，从排种轮落下的紫云英种子与匀种圆柱的撞击力会随之增加，造成伤种率升高，出苗率下降。

机具前进速度、匀种圆柱直径和排种轮转速对排种量一致性变异系数影响显著。随着机具前进速度的增大，排种量一致性变异系数显著增大，在机具前进速度4 km/h时，排种量一致性变异系数最小为9.2%，在机具前进速度8 km/h时，排种量一致性变异系数最大为16.5%。随着匀种圆柱直径的增大，排种量一致性变异系数显著下降，在匀种圆柱直径3.2 mm时，排种量一致性变异系数最大为16.5%，在匀种圆柱直径6.8 mm时，排种量一致性变异系数最小为9.2%。随着排种轮转速的增大，排种量一致性变异系数显著下降，在排种轮转速44 r/min时，排种量一致性变异系数最大为16.5%，在排种轮转速52 r/min时，排种量一致性变异系数最小为9.2%。原因分析：当机具前进速度增加时，紫云英种子落到地里的分布就越稀疏，为保证单位面积内种子播量，需要经常调整播种量，导致排种量一致性变异系数显著下降。匀种圆柱直径增加时，匀种圆柱间的空隙距离变小，种子在匀播机构内会经过更多次的碰撞来完成匀种过程，排种量一致性变异系数变小，避免了种子直接落入播行，或还没有充分完成匀种过程便落到播行。排种轮转速增大时，种子落下的惯性作用力也会变大，种子和匀种圆柱碰撞后的运动区域也会更大，经匀播机构后种子分散得比较开，避免种子落入地表后产生重播、堆积现象，排种量一致性变异系数变小。

机具前进速度、匀种圆柱直径和排种轮转速对播种均匀性变异系数影响显著。随着机具前进速度的增大，播种均匀性变异系数先减小再增大，在机具前进速度6 km/h时，播种均匀性变异系数最小为7.3%，在机具前进速度8 km/h时，播种均匀性变异系数最大为16.3%。随着匀种圆柱直径的增大，播种均匀性变异系数先减小再增大，在匀种圆柱直径3.2 mm时，播种均匀性变异系数最大为16.3%，在匀种圆柱直径5 mm时，播种均匀性变异系数最小为7.3%。随着排种轮转速的增大，播种均匀性变异系数显著增加，在排种轮转速44 r/min时，播种均匀性变异系数最小为7.3%，在排种轮转速52 r/min时，播种均匀性变异系数最大为16.3%。原因分析：机具前进速度较低时，单位行程内种子撒播过密，会有多个种子落入单粒种子播种区域的现象发生，造成播种均匀性变异系数较大，随着机具前进速度的增大，种子与种子的撒播间隙趋向均匀，播种均匀性变异系数开始减小，而当机具前进速度进一步增大时，种子经匀播机构后落入到播行后有一种明显的滚动趋势，播种均匀性变异系数又会增大。匀种圆柱直径刚开始增加时，匀种圆柱间的空隙距离变小，种子在匀播机构内经过更多次数碰撞后完成匀种过程，匀种过程较充分，播种均匀性变异系数变小，随着匀种圆柱直径进一步增加，在某些圆柱间隙处发生堵种现象，播种均匀性变异系数又会变大。排种轮转速增大时，单位时间内匀播机构需完成的匀种量也会变大，匀种效率有所降低，同时，排种轮转速增大后，种子从排种器落下的加速度会变大，受到的惯性力也会更大，对种子经匀播机构的概率分布影响较大，播种均匀性变异系数也会变大。

4.3.3 回归分析

运用Design-Expert 数据分析软件，对撒播试验结果进行回归分析，各因素对出苗率R、排种量一致性变异系数S、播种均匀性变异系数U的显著性分析结果如表 6所示。

表6 撒播性能的显著性分析

根据数据分析软件得到的拟合系数，去除其中的不显著项后，得到响应值与自变量的二元多项式回归模型。R、S、U对应的回归方程分别为式（10）、式（11）和式（12）。

5 参数优化与验证

5.1 影响播种质量因素的参数优化

本文按照紫云英出苗率最高、各行排种量一致性变异系数最低和播种均匀性变异系数最低的绿肥播种要求为优化目标，开展紫云英开沟撒播机各参数优化研究。运用Design-expert数据分析软件对建立的3个指标的全因子二次回归模型最优化求解，约束条件为：

1）目标函数：maxR；minS；minU；

2）变量区间：4≤1≤8；44≤2≤52；3.2≤3≤6.8。

优化后得到紫云英开沟撒播机播种作业最佳参数组合为：机具前进速度为4.61 km/h，排种轮转速为44 r/min，匀种圆柱直径6.07 mm。此时模型预测的紫云英出苗率为96.27%，排种量一致性变异系数12.35%、播种均匀性变异系数8.25%。

5.2 验证试验

根据优化所得影响紫云英播种开沟一体机播种质量因素的最佳参数组合（考虑试验可行性，试验时将最佳参数条件修正为4.6 km/h，排种轮转速为44 r/min，匀种圆柱直径6 mm），以紫云英出苗率、排种量一致性变异系数、播种均匀性变异系数为试验指标，2017年11月在镇江丹阳另一块水稻留茬地进行3次重复验证试验，验证试验结果表明：紫云英出苗率为95.87%，排种量一致性变异系数12.7%，播种均匀性变异系数8.07%，与模型预测的优化结果相对误差均小于3%，优化后的紫云英开沟撒播一体机作业指标满足作业要求。

5.3 作业性能比较

紫云英播种方式主要有人工撒播、手摇撒播、电动喷播和无人机飞播，为比较开沟撒播机作业优势，2018年9月4日至5日，课题组在农业农村部南京农业机械化研究所白马基地进行多款紫云英播种装备播种试验，将研制的紫云英开沟撒播机与已有紫云英播种方式作业性能进行对比，以机具作业效率、组配方式、播种均匀性变异系数为评价指标，各种播种方式下对比试验结果如表7所示。分析表7可知，开沟撒播机作业效率可达1 hm2/h，作业效率优于人工撒播作业效率0.1～0.125 hm2/h、手摇撒播作业效率0.2～0.3 hm2/h和机动喷播作业效率0.5～0.8 hm2/h，低于无人机飞播作业效率3～4 hm2/h，开沟撒播机播种均匀性变异系数为8%～9%，优于人工撒播播种均匀性变异系数22%～23%，手摇撒播播种均匀性变异系数为18%～20%，机动喷播播种均匀性变异系数为15～21%和无人机飞播播种均匀性变异系数9%～15%。另外，开沟撒播机为播种开沟联合作业，组配方式上也明显优于其他播种方式，具有较好的推广应用前景。

表7 紫云英不同播种方式性能对比

6 结 论

1）本文研制了适用于机收水稻留茬地作业的紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机，实现精量播种的同时提高了撒播均匀性，将播种与开沟2项工序整合在一次作业之中，提高作业效率的同时降低了劳动强度，仅播种环节，生产效率可达1 hm2/h，是人工撒播的8～10倍，手摇撒播的4～5倍，机动喷播机的2～3倍。

2）影响开沟撒播机撒播质量的主要因素是机具前进速度、排种轮转速、匀种圆柱直径。通过3因素2次回归试验可得，各因素对于出苗率与播种均匀性变异系数影响强弱次序为：排种轮转速、匀种圆柱直径、机具前进速度。各试验因素对于排种量一致性变异系数的影响从大到小依次为：匀种圆柱直径、机具前进速度、排种轮转速。

3）由回归分析得到影响紫云英开沟撒播一体机撒播质量因素的最佳参数组合为：机具前进速度为4.6 km/h，排种轮转速为44 r/min，匀种圆柱直径6 mm。在保持验证试验因素值与优化值基本一致的情况下进行试验，试验结果可知：紫云英出苗率为95.87%，排种量一致性变异系数12.7%，播种均匀性变异系数8.07%，与模型预测优化结果的相对误差均小于3%。

该技术可为山黧豆、箭筈豌豆、油菜、肥田萝卜等多种绿肥种子的复式机械化生产作业提供借鉴，有效提高作业效率，节约经济成本，具有一定的推广应用前景。

[1] 周国朋，谢志坚，曹卫东，等. 稻草高茬-紫云英联合还田改善土壤肥力提高作物产量[J]. 农业工程学报，2017，33(23)：157－163.Zhou Guopeng, Xie Zhijian, Cao Weidong, et al. Co-incorporation of high rice stubble and Chinese milk vetch improving soil fertility and yield of rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 157－163. (in Chinese with English abstract)

[2] 谢志坚，周春火，贺亚琴，等. 21世纪我国稻区种植紫云英的研究现状及展望[J]. 草业学报，2018，27(8)：185－196.Xie Zhijian, Zhou Chunhuo, He Yaqin, et al. A review ofin paddy fields in south China since 2000s[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(8): 185－196. (in Chinese with English abstract)

[3] 刘金泉，李明，胡云，等. 高粱绿肥种植密度对设施黄瓜根系生长相关因子的影响[J].农业机械学报，2018，49(5)：323－329.Liu Jinquan, Li Ming, Hu Yun, et al. Effect of planting density of sorghum as green manure on root growth factors of facilities cucumber[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5)：323－329. (in Chinese with English abstract)

[4] 孙华军. 绿肥科学种植技术探讨[J]. 农技服务，2016，33(2)：106.Sun Huajun. Discussion on scientific planting technology of green manure[J]. Agricultural Technology Service, 2016, 33(2): 106. (in Chinese with English abstract)

[5] 李子双，廉晓娟，王薇，等. 我国绿肥的研究进展[J].草业科学，2013，30(7)：1135－1140.Li Zishuang, Lian Xiaojuan, Wang Wei, et al. Research progress of green manure in China[J]. Pratacultural Science, 2013, 30(7)：1135－1140. (in Chinese with English abstract)

[6] 曹卫东，包兴国，徐昌旭，等. 中国绿肥科研60年回顾与未来展望[J].植物营养与肥料学报，2017，23(6)：1450－1461.Cao Weidong, Bao Xingguo, Xu Changxu, et al. Reviews and prospects on science and technology of green manure in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(6): 1450－1461. (in Chinese with English abstract)

[7] 潘福霞，李小坤，鲁剑巍，等. 不同播期对紫云英生长及物质养分积累的影响[J].土壤，2012，44(1)：67－72.Pan Fuxia, Li Xiaokun, Lu jianwei, et al. Effects of sowing date on Chinese milk vetch growth and nutrient accumulation[J]. Soils, 2012，44(1): 67－72. (in Chinese with English abstract)

[8] 兰延，黄国勤，杨滨娟，等. 稻田绿肥轮作提高土壤养分增加有机碳库[J]. 农业工程学报，2014，30(13)：146－152.Lan Yan, Huang Guoqin, Yang Binjuan, et al. Effect of green manure rotation on soil fertility and organic carbon pool[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(13): 146－152. (in Chinese with English abstract)

[9] Xie Zhijian, Tu Shuxin, Shah Farooq, et al. Substitution of fertilizer-N by green manure improves the sustainability of yield in double-rice cropping system in south China[J]. Field Crops Research, 2016, 188(1): 142－149.

[10] 刘晔. SL-PBJ型水力草种喷播机的研制[J]. 农业机械学报，2004，35(2)：187－188.Liu Ye. Development of SL-PBJ type hydraulic grass sow spraying machine [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2004, 35(2): 187－188. (in Chinese with English abstract)

[11] Li Jiyu, Lan Yubin, Zhou Zhiyan, et al. Design and test of operation parameters for rice air broadcasting by unmanned aerial vehicle[J]. International Agricultural and Biological Engineering, 2016, 9(5): 24－32.

[12] 宋灿灿，周志艳，姜锐，等. 气力式无人机水稻撒播装置的设计与参数优化[J]. 农业工程学报，2018，34(6)：80－88. Song Cancan, Zhou Zhiyan, Jiang Rui, et al. Design and parameter optimization of pneumatic rice sowing device for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 80－88. (in Chinese with English abstract)

[13] 张青松，廖庆喜，汲文峰，等. 油菜直播机开沟犁体曲面优化与试验[J].农业机械学报，2015，46(1)：53－59.Zhang Qingsong, Liao Qingxi, Ji Wenfeng, et al. Surface optimization and experiment on ditch plow of direct rapesowsower[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 53－59. (in Chinese with English abstract)

[14] 中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册（上）[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[15] 庄健，贾洪雷，马云海，等. 具有滑刀式缺口的圆盘开沟器设计与试验[J].农业机械学报，2013，44(S1)：83－88.Zhuang Jian, Jia Honglei, Ma Yunhai, et al. Design and experiment of sliding-knife-typedisc opener[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(S1): 83－88. (in Chinese with English abstract)

[16] 龚万涛. 开沟施肥播种联合作业机的设计与试验研究[D]. 南京：南京农业大学学报，2012.Gong Wantao. Design and Experimental Research on the Ditching and Fertilization Seeding Combine Machine[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2012.

[17] 顾耀权，贾洪雷，郭慧，等.滑刀式开沟器设计与试验[J].农业机械学报，2013，44(2)：38－42.Gu Yaoquan, Jia Honglei, Guo Hui, et al. Design and experiment of slidingknife furrow opener[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2): 38－42. (in Chinese with English abstract)

[18] 秦宽，丁为民，方志超，等. 稻麦联合收获开沟埋草一体机播种系统设计与试验[J].农业机械学报，2017，48(5)：54－62.Qin Kuan, Ding Weimin, Fang Zhichao, et al. Design and experiment of sowing system for harvest ditch and stalk-disposing machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(5): 54－62. (in Chinese with English abstract)

[19] 方会敏，姬长英，Farman A C，等.基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析[J].农业机械学报，2016，47(3)：22－28.Fang Huimin, Ji Changying, Farman A C, et al. Analysis of soil dynamic behavior during rotary tillage based on distinct element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 22－28. (in Chinese with English abstract)

[20] 林多胡，顾荣申. 中国紫云英[M]. 福州：福建科学技术出版社，2000.

[21] 吴金发，陈思雯. 中国紫云英栽培学[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2009.

[22] 焦彬，顾荣申，张学上. 中国绿肥[M]. 北京：农业出版社，1986.

[23] 秦自果，刘威，李小坤，等.播种量对紫云英种子产量及其构成因素的影响[J].湖北农业科学，2015，54(20)：4960－4962. Qin Ziguo, Liu Wei, Li Xiaokun, et al. Effect of seeding rate on seed yield and its components of Chinese milk vetch[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2015, 54(20): 4960－4962. (in Chinese with English abstract)

[24] 王国强，郝万军，王继新. 离散单元法及其在EDEM上的实践[M]. 西安：西北工业大学出版社，2010.

[25] 祝清震，武广伟，陈立平，等. 小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：1－11. Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, et al. Structural design and optimization of seed separated plate of wheat wide-boundary sowing device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1)：1－11. (in Chinese with English abstract)

[26] 贾洪雷，陈玉龙，赵佳乐，等.气吸机械复合式大豆精密排种器设计与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(4)：75－86.Jia Honglei, Chen Yulong, Zhao Jiale, et al. Design and experiment of pneumatic-mechanical combined precision metering device for soybean [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(4): 75－86. (in Chinese with English abstract)

[27] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 中国国家标准化管理委员会. 谷物条播机试验方法：GB/T 9478-2005 [S]. 北京：中国标准出版社，2005-10.

[28] 王晓玉，薛帅，谢光辉. 大田作物秸秆量评估中秸秆系数取值研究[J]. 中国农业大学学报，2012，17(1)：1－8.Wang Xiaoyu, Xue Shuai, Xie Guanghui. Value-taking for residue factor as a parameter to assess the field residue of field crops[J]. Journal of China Agricultural University, 2012, 17(1): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[29] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 中国国家标准化管理委员会. 绿肥种子：GB 8080-2010 [S]. 北京：中国标准出版社，2011-01.

[30] 秦宽，丁为民，方志超，等.收获开沟埋草一体机双圆盘开沟机构设计与参数优化[J].农业工程学报，2017，33(18)：27－35.Qin Kuan, Ding Weimin, Fang Zhichao, et al. Design and parameter optimization of double disk opener mechanism for harvest ditch and stalk-disposing machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18): 27－35. (in Chinese with English abstract)

[31] Qin Kuan, Ding Weimin, Fiaz Ahmad, et al. Design and experimental validation of sliding knife notch-type disc opener for a no-till combine harvester cum seed drill[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2018, 11(4): 96－103.

[32] 田立权，王金武，唐汉，等.螺旋槽式水稻穴直播排种器设计与性能试验[J]. 农业机械学报，2016，47(5)：46－52.Tian Liquan, Wang Jinwu, Tang Han, et al. Design and performance experiment of helix grooved rice sowing device [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 46－52. (in Chinese with English abstract)

[33] 曹卫东，徐昌旭.中国主要农区绿肥作物生产与利用技术规程[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2010.

Design of double disc ditching and sowing combined working machine offor machine-harvested rice stubble field

You Zhaoyan, Wu Huichang※, Peng Baoliang, Gao Xuemei, Hu Zhichao, Zhang Yulan

(,,210014,)

, also known as Chinese milk vetch, Zi yunying and so on, is one of the main winter green manure crops in paddy fields of central and southern China, it has the advantages of reducing fertilizer input, improving soil fertility, increasing crop yield and quality, and protecting ecological environment, and has strong nitrogen fixation ability and high utilization efficiency. In recent years, the production machinery ofhas been developed and applied rapidlyin terms of capacity and utilization efficiency, but its development still lags behind. Ditching and sowing are important links in the production of. The yield ofis largely determined by the quality of sowing, and ditching operation can makegrow well in low-humid field with poor drainage or sandy soil with poor fertilizer and water retention.is often used as green manure in paddy field, but high stubble retention, large amount of straw, insufficient in sowing height of existing other sowing equipments, working parts easily clogged, etc., bring difficulties for mechanized production of. In order to solve the influence of machine-harvested rice stubble on mechanized production of, aiming at the problems of low quality and low production efficiency in independent ditching and sowing links at present, aditching and sowing machine which suitable for machine-harvested rice stubble field was developed. A height adjustable sowing device was designed, by which the sowing components could be lifted to a proper position according to the residual straw situation in the field. The special seed-metering wheel and quantitative evenly-sowed device forwere developed to achieve precision sowing and improve the sowing uniformity. The structure and working parameters of the double-disk ditching components were determined. The variation coefficients of ditching width and depth determined by field experiments were less than 6%, which met the drainage requirements ofgrowth process. The multiple factor experiments and regression analysis of the test data were carried out by Design-expert software, the results showed that forward speed of machine, rotation speed of seed-metering wheel, seed-uniforming cylinder diameter significantly affected the sowing performance, the results of variance analysis showed that the rotation speed of seed-metering wheel had the greatest influence on the emergence rate and coefficient of variation of sowing uniformity, while the forward speed of machine had the least influence on the emergence rate and coefficient of variation of seed-metering quantity consistency, regarding the coefficient of variation of sowing uniformity, the most influential factor was seed-uniforming cylinder diameter, and the minimum impact factor was the rotation speed of seed-metering wheel, the optimal factor parameters combination which affected the sowing quality ofditching and sowing machine was as follows: forward speed of machine was 4.6 km/h, rotation speed of seed-metering wheel was 44 r/min, seed-uniforming cylinder diameter was 6 mm. Verified by field experiments, theemergence rate was 95.87%, quantity consistency was 12.7%, coefficient of variation of sowing uniformity was 8.07% in the condition of optimal parameter combination, the relative error was below 3% compared with optimal values predicted by the model. Compared with the existing sowing methods of, working efficiency of the designed ditching and sowing machine was 1 hm2/h, which was superior to the artificial sowding working efficiency of 0.1 to 0.125 hm2/h, the hand-shaking working efficiency of 0.2 to 0.3 hm2/h and the motorized sowing working efficiency of 0.5 to 0.8 hm2/h, and was lower than the UAV sowing working efficiency of 3 to 4 hm2/h. In addition, the coefficient of variation of sowing uniformity and the combination type of ditching and sowing machine were also significantly superior to that of other methods. Theditching and sowing machine developed in the paper integrated ditching and sowing links in one operation, the working efficiency was greatly improved, the research provided a new method forditching and sowing machine for machine-harvested rice stubble field.

agricultural machinery;design; optimization;; ditching and sowing machine; rice stubble field

2018-10-08

2019-01-14

国家绿肥产业技术体系水田绿肥机械化岗位（CARS-22-G-21）；中国农科院创新工程-农产品分级与贮藏团队

游兆延，主要从事农业机械化工程研究。Email：17366350354@163.com

吴惠昌，副研究员，主要从事农产品加工与农机装备智能化的研究。Email：huichangwu@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.003

S223.2+4

A

1002-6819(2019)-06-0018-11

游兆延，吴惠昌，彭宝良，高学梅，胡志超，张玉岚. 机收水稻留茬地紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机设计[J]. 农业工程学报，2019，35(6)：18－28. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.003 http://www.tcsae.org

You Zhaoyan, Wu Huichang, Peng Baoliang, Gao Xuemei, Hu Zhichao, Zhang Yulan. Design ofdouble disc ditching and sowing combined working machine offor machine-harvested rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 18－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.003 http://www.tcsae.org