2BM-4型藜麦覆膜精量播种机设计与试验

王小瑜 康建明 丁汉凤 彭强吉 张春艳 李娜娜

(1.山东省农业机械科学研究院， 济南 250100； 2.山东省农作物种质资源中心， 济南 250100)

0 引言

藜麦(Quinoa)是一种保健型粮食作物，因其具有丰富的营养价值和多种健康功效而在我国发展迅速[1-2]。藜麦的经济效益显著，具有极高的开发和利用价值[3]。藜麦产量和品质受土壤、气候、水肥条件的影响较为明显[4-5]，覆膜栽培是提高藜麦品质和适种性的有效手段[6]。但是，目前缺少与之配套的藜麦专用覆膜精量播种机。

我国播种小粒种子多采用槽轮式排种器，存在精度不高、稳定性差、漏播严重等问题[7-8]。膜上精量穴播省时省力，可一次完成开沟覆膜、膜上打孔播种、覆土镇压等作业，在增强膜下土壤蓄水保温作用的同时可减轻对土壤的扰动，有效避免烧苗等现象[9]。藜麦播种的株距为200～300 mm，行距在400 mm左右，单穴播种要求在2～4粒之间，机械式滚筒穴播器能够满足藜麦覆膜播种的农艺要求，且成穴性好，具有结构简单、制造难度小、作物针对性强等优点。

国外的膜上播种技术主要用于蔬菜种植[10]。LAWRENCE等[11]设计了可改变孔距、孔深的气动点播铺膜机，可用于马铃薯和洋葱种植。我国于20世纪80年代由陈学庚首创了棉花铺膜播种技术[9]，目前已在棉花、花生等作物中广泛应用，在旱作水稻种植中也有应用[12-13]。但对于藜麦等特色作物的应用研究较少。天祝藏族自治县农牧业机械技术推广站对2MBJ-1/4型精量联合播种机进行了改进，该机能够一次性完成藜麦的整地、滴灌管铺设、覆膜、播种、覆土镇压等作业[14]，但没有设计专用的取种部件。国内藜麦引进时间短，相关研究较少[15]，目前尚未见专用藜麦精量播种机的研究报道。

本文针对藜麦种植农艺要求，以现有膜上成穴播种机为基础，提出藜麦覆膜精量播种技术，设计藜麦覆膜精量播种机，针对藜麦种子特点，重点对取种器进行设计，确定其结构参数，并以播种机的作业速度、取种器侧孔长度和充种高度为试验因素，对播种机的播种性能进行试验研究，寻求最佳参数组合。

1 整机结构与工作过程

1.1 膜下滴灌藜麦种植模式

合理密植是藜麦高产高效栽培的要求，具体根据地力条件确定最佳密度，一般在土壤肥力中下等田块，基本苗为12.75万株/hm2或更高；在土壤肥力中上等的地块，基本苗以不低于11.25万株/hm2为宜[3]。

如图1所示，针对不同肥力地块的种植密度要求，设计了1膜2管4行的等行距种植模式，对于肥力中下等田块，行距D取400 mm，对于肥力中上等田块，行距D取350 mm；播种深度为20～30 mm，株距为220 mm，单穴播种在2～4粒之间。

图1 藜麦覆膜种植模式示意图Fig.1 Schematic of planting mode of quinoa covered with film1.滴灌管 2.地膜 3.膜沟

该种植模式具有以下特点：①将藜麦铺管、铺膜、膜上播种机械作业相结合，实现了一体化覆膜播种，扩大了藜麦的适种范围，且种植行距可根据农艺要求调整，提高了播种质量、降低经济投入。②根据藜麦不同生育阶段对水分的需求，调节土壤含水率，实现藜麦生长的各生育期水分需求的精准控制，可提高藜麦品质，达到节水增产的目的。

1.2 整机结构和工作过程

2BM-4型藜麦覆膜精量播种机整机结构示意图见图2，主要由整平装置、种床镇压装置、滴灌管铺设装置、划线装置、随动仿形铺膜装置、膜上成穴播种装置、种行覆土装置、镇压装置等组成，可一次性完成畦面整形镇压、地膜随动仿形铺设、膜上成穴播种、种行覆盖镇压工序。

图2 2BM-4型藜麦覆膜精量播种机结构示意图Fig.2 Structure diagram of type 2BM-4 film with drip irrigation of Chenopodium quinoa planter1.整平装置 2.种床镇压装置 3.滴灌管铺设装置 4.划线装置 5.随动仿形铺膜装置 6.膜上成穴播种装置 7.种行覆土装置 8.镇压装置

2BM-4型藜麦覆膜精量播种机以配套拖拉机为动力，通过三点悬挂装置连接于拖拉机后方，中心对称布置，作业时拖拉机牵引播种机在旋耕整平后的土地上行驶，畦面整形装置对种床进行清理镇压，膜边开沟圆片开出膜沟，地膜在展膜辊的作用下平铺在地面上，压膜轮将膜边压靠在两侧膜沟内，穴播器在地膜上滚动，完成打膜成穴、播种，随后覆土滚筒将碎土送至种行，完成种行覆土。

1.3 主要技术指标

根据藜麦种植模式需求及谷物播种行业标准，2BM-4型藜麦覆膜精量播种机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters

2 关键部件设计与参数确定

2.1 滴灌管铺设装置

根据滴灌管浅埋铺设的设计要求，选用挤压入土开沟的滑刀式开沟器，其结构紧凑、作业沟型整洁，具有回土功能[16]，通过改变调节杆的位置，实现开沟深度的调节，开沟器内部的导向轮将滴管铺设于沟底。

滑刀式开沟器对土壤的作用是滑切，影响滑切作用的结构因素主要有滑刀入土角Φ、滑刀刃口角ρ和开沟深度H[16]。

2.1.1滑刀入土角Φ

滑刀入土角Φ为开沟器工作面与水平面之间的夹角，其大小影响开沟器的入土性能和前进阻力。研究表明，滑刀式开沟器的切割阻力随着滑切角的增大而减小[17]，Φ过小，滑刀滑切作用减弱，但Φ过大，会造成翻土，回土效果减弱。土壤视为散粒体，滑刀式开沟器前端为垂直斜刃口，工作时，开沟器以刃口楔面劈开土壤并以一定的速度和深度前进，刃口楔面在与土壤接触的每个点上沿法线方向挤压土粒，滑刀式开沟器作业中土壤颗粒在刃口上的受力如图3所示。

图3 土壤在滑刀式开沟器刃口上的受力分析Fig.3 Soil force on edge of a sliding knife trencher

如图3所示，作用在土粒上的力为侧压力N和摩擦力F，将N分解为沿刃口楔面的运动速度方向分力Nx及沿楔面方向分力Nτ，土粒将在Nτ>F作用力下沿表面滑动，即Ntanβ>Ntanφ，其中滑切角β为开沟器前进方向与刃口法线方向的夹角，φ为土粒与滑刀间的摩擦角。所以有β>φ，又因为Φ-β=90°，所以保证滑刀对土壤滑切作用的必要条件是Φ>90°+φ。为减小开沟阻力且保证沟土回流，参考前期研究成果和滴灌管浅埋开沟深度要求[9，18]，确定滑刀入土角Φ为145°。

2.1.2滑刀刃口角ρ

土粒被滑刀刃口分离后沿滑刀楔面向后滑移，滑刀刃口角ρ增大会造成滑切角β减小，进而造成滑刀入土角Φ减小，使得滑刀式开沟器的滑切阻力增加。

图4 土壤在滑刀式开沟器楔面上的受力分析Fig.4 Force of soil on wedge surface of sliding knife furrow cutter

如图4所示，作用在土粒上的力为侧压力N′和摩擦力F′，将力N′分解为沿刃口楔面的运动速度方向分力N′x及沿楔面方向分力N′τ，土粒将在N′τ>F′作用力下沿表面滑动，即N′tanβ>N′tanφ，因为β+ρ/2=90°，所以土粒在刃口楔面上向后滑移的必要条件是ρ<180°-2φ。根据文献[19]的研究成果，不论土壤与土壤之间的摩擦角以及土壤与金属之间的摩擦角如何变化，最小切削阻力总是在楔角接近45°时出现，所以取ρ=45°。

2.1.3开沟深度H

开沟深度根据滴灌管浅埋农艺要求确定，还与开沟宽度W有关，即

(1)

式中Hn——滴灌管覆土深度，mm

根据滴灌管浅埋开沟农艺要求，开沟深度H取20 mm，开沟宽度W取45 mm，此时滴灌管覆土深度Hn为8 mm，满足农艺要求。

2.2 膜上成穴播种装置

膜上成穴播种装置是本机的核心部件，其性能直接影响播种机的作业效果。根据藜麦每穴2～4粒的种植农艺要求，采用机械翼勺式滚筒穴播器，主要由壳体、取种器、成穴器等部件组成，其结构如图5所示。工作中滚筒式穴播器在地膜上滚动，滚筒内的种子被种子与滚筒之间的摩擦力以及种子相互之间的摩擦力带动，位于滚筒圆周面内侧的取种器随滚筒转动时从种子群中穿过，经过一周的转动完成取种、清种、输种过程，当取种器转动到底部时，种子在自重的作用下落入到成穴器内，此时成穴器破膜后插入土壤开出种穴，种子落入土壤后成穴器离开地面并闭合，完成整个播种过程。

图5 机械翼勺式滚筒穴播器结构示意图Fig.5 Structure diagram of drum-type dibbler1.滚筒体 2.取种器 3.成穴器

2.2.1穴播器半径R1和成穴器个数Z

穴播器半径是穴播器的重要参数，其大小与株距、成穴器个数、播种深度有关。如图5所示，理想状态下穴播器不产生滑移，理论株距l为两相邻成穴器之间的夹角σ所对应的弧长，则

(2)

h=R1-R2

(3)

式中R2——成穴器底圆半径，mm

h——播种深度，mm

根据藜麦播种农艺要求，株距l取220 mm，播种深度h取30 mm，综合考虑成穴器个数和穴播器半径，取Z为6，可得穴播器半径R1为210 mm，此时株距为220 mm。

2.2.2取种器设计

取种器是决定精量播种质量的重要部件，其结构参数在一定程度上决定了单穴播种粒数。本设计采用翼勺式取种器，结构如图6所示，工作时，取种器在滚筒底部充种，种勺取种后随着滚筒的转动，种子沿侧孔进入容种腔完成取种过程。

图6 取种器结构示意图Fig.6 Schematic of seed extractor

(1)种勺设计

藜麦形状的不规则导致取种器的充种过程复杂多变，取种器的种勺形状和尺寸直接影响取种性能。藜麦种子为圆形药片状，按照轴向尺寸表示法对藜麦种子形状和尺寸进行描述[20]，得到藜麦种子的轮廓外形和三轴尺寸如图7a所示。根据统计，种子的长度a和宽度b相差较小，在种子三维描述中将两者按相等处理，将藜麦种子的三轴尺寸进行近似和简化后，其三维外形描述为一圆柱体，如图7b所示，圆柱体的直径d为1.93 mm，厚度t为1.13 mm。

图7 藜麦种子轮廓外形和三维外形模型Fig.7 Quinoa seeds outline shape and three-dimensional shape model

翼勺式取种器的种勺为三角体，经过反复试验，确定了种勺的尺寸和形状，种勺内均可容纳2～4粒种子，多余的种子在取种器随穴播器的转动过程中掉落。因藜麦种子重心位于其对称中心，在充种过程中，藜麦种子将以“平躺”和“竖立”以及其他姿态进入种勺。以“平躺”和“竖立”两种极限姿态为例，种子在种勺内的分布如图8所示。

图8 种勺内种子分布示意图Fig.8 Schematics of seed distribution in seed scoop

(2)取种器侧孔长度S和容种腔长度L

取种器侧孔长度S是影响取种效果的一个关键因素，影响取种成功率、重播率以及漏播。研究表明，取种器侧孔长度与种子最大直径关系为[21]

S=(1.2～1.5)dmax

(4)

L=(1.5～2)dmax

(5)

式中dmax——种子最大直径，mm

取种器的单穴播种粒数随S增加而减小，当S增加到一定值时，由种勺进入容种腔的种子数量呈相对稳定状态，种子数量不因取种器侧孔长度S的增加而继续减小[22]。本设计中的S值通过理论设计结合试验获得，综合考虑藜麦种子的外形特点和在取种器中的运动过程，根据单因素试验和正交试验结果确定侧孔长度S为10 mm，容种腔长度L为10 mm。

2.2.3穴播器角速度ω

种子在穴播器滚筒内壁的受力如图9所示，当种子在滚筒内壁上与中心竖直方向的夹角为η时，种子所受的力有自身重力mg、与滚筒内壁的摩擦力F1、滚筒内壁对种子的支撑力N1以及滚筒转动时所受到的离心力P，分析得

P=mω2R2

(6)

P+mgcosη=N1

(7)

式中m——种子质量，kg

图9 种子在滚筒内受力示意图Fig.9 Schematic of force exerted on seeds in roller

在滚筒的水平中心线以上是清种区和护种区，在这个区域内种子必须脱离滚筒内壁，即N=0[12]，代入式(6)、(7)可得

(8)

当η=π时，滚筒的转速为种子始终贴在滚筒壁上的最小转速，代入式(8)求得穴播器底圆直径R2处的最大线速度即整机的最大作业线速度为1.33 m/s。

2.2.4穴播器内种子运动状态及取种性能分析

如图10a所示，在正常角速度ω范围内，穴播器滚筒内的种子群受滚筒内壁和种子之间的双重摩擦力作用而沿滚筒内壁回转方向向上移动，当升到一定高度时，处于最上面的种子在重力作用下沿种子流的斜面滑落回滚到筒底部，然后不停地被滚筒带起，如此循环。图中种子充满的圆周上A、B两点之间的弧长形成取种过程的充种区。

图10 穴播器内种子运动状态和滑落种子受力图Fig.10 Motion state of seeds in caveoler and diagram of slipping seeds

图10a中，ε为滑落位置角，即种子提升最高处B与滚筒中心的连线和水平方向的夹角；λ为取种起始角，即充种区A点与滚筒中心连线与竖直方向的夹角；μ为种子滑落面与水平面的夹角，三者之间存在关系

(9)

(10)

式中H′——充种高度，mm

可以看出μ能够反映三者之间的联系，并体现各因素对充种区的影响，下面以μ为目标进行分析。如图10b，在机具作业速度为v时，结合种子从点B滑落时的受力，分析可得种子滑落时应满足条件[23]

(11)

式中φ1——种子间摩擦角，(°)

则ε的临界值为

(12)

将式(12)代入式(9)得μ的临界值为

(13)

由式(13)可知，μ0随v、H′和φ1的增大而增大，充种区的大小受这3个因素的影响，即取种质量除与种子本身特性相关外，还受作业速度和充种高度的影响。在本设计中，测得藜麦种子的摩擦角φ1为34°，在机具最低作业速度为0.8 m/s、充种高度H′为140 mm时，代入式(13)求得μ、ε和λ的临界值分别为64.2°、51.4°和13.0°。

2.3 种行覆土装置

播种后需用覆土装置进行覆土，使土壤达到预定的覆盖深度。覆土要求均匀，不影响种子分布均匀性。导土板螺旋角是影响覆土性能的主要因素，导土板上的土壤处于临界滑动状态时的受力如图11所示。

图11 导土板上土壤的受力分析Fig.11 Force analysis of soil on spiral batten

导土板最佳螺旋角θ通过在不同土壤条件下试验分析得出，根据土壤运动特点分析得出[24]

(14)

(15)

FN=F2sinγ

(16)

F3=FNtanδ

(17)

m′——土壤质量，kg

FN——导土板对土壤的支撑力，N

F2——土壤自身重力与其他作用力合力，N

F3——土壤与导土板之间的摩擦力，N

γ——土壤自身重力与其他作用力合力与螺旋切线方向的夹角，(°)

δ——土壤与导土板的摩擦角，(°)

(18)

本设计中，土壤与导土板的摩擦角δ为30°，因此θ=30°。

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件

2020年4月，在济南市济阳区太平镇山东省农业科学院综合试验示范基地(济阳)进行了2BM-4型藜麦覆膜精量播种机的田间作业性能试验，试验现场如图12所示。试验用地1.0 hm2，土质为沙壤土，地表平整，前茬作物为花生，收获后空置。试验选用种子为“陇藜1号”，呈小圆药片状，其物料特性为：千粒质量3.17 g，含水率11.3%，平均直径为1.93 mm，平均厚度1.13 mm。

图12 样机田间试验Fig.12 Prototype field test

3.2 试验方法及指标

试验主要考核2BM-4型藜麦覆膜精量播种机的作业效果，为机具进一步优化与改善提供依据。试验参照GB/T 6973—2005《单粒(精量)播种机试验方法》进行，试验完成后，按照NT/T 987—2006《铺膜穴播机作业质量》对播种机的作业性能进行测定，每组试验重复3次，取均值作为试验结果，每组试验连续记录机具稳定工作时排出的200穴种子，记录每穴的粒数，计算合格指数、漏播指数、重播指数。各试验指标的计算公式为

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中n1——穴播量为2～4粒的总穴数，个

n2——穴播量为0粒的总穴数，个

n3——穴播量小于2粒的总穴数，个

n4——穴播量大于4粒的总穴数，个

n5——播深为20～30 mm的总穴数，个

f——总测定穴数，个

3.3 试验设计及结果分析

3.3.1试验因素对播种性能的影响

根据2.2.2节和2.2.4节的设计和分析，结合前期研究发现，影响播种机作业性能的主要因素是播种机作业速度、取种器侧孔长度和穴播器充种高度，为明确三者对藜麦播种机作业性能的影响，以合格指数、漏播指数、重播指数为试验指标，设计了三因素四水平正交试验L16(45)[25]。在前期研究和单因素试验基础上确定了试验因素的水平范围，试验因素和水平如表2所示，正交试验方案和结果如表3所示(A、B、C为因素水平值)，对正交试验结果进行极差分析，结果见表4。

表2 试验因素水平Tab.2 Test factors and coding

表3 正交试验方案与结果Tab.3 Orthogonal test scheme and results

表4 试验结果极差分析Tab.4 Range analysis of test results

由表4可以看出，影响合格指数、重播指数的主次因素依次为：作业速度、侧孔长度、充种高度，影响漏播指数的主次因素依次为：侧孔长度、作业速度、充种高度。合格指数、漏播指数以及重播指数的较优水平分别为A2B2C3、A2B2C3、A2B2C1，即A2B2C3和A2B2C1两个组合的作业效果较好，因此选定这两个组合进行最优方案对比试验。

3.3.2最优方案确定

为了确定最优参数方案，以合格指数、漏播指数、重播指数、空穴指数为试验指标，进行组合A2B2C3和A2B2C1的作业效果对比试验，连续统计稳定工作状态下200穴种子的播种量，测量播种深度，试验重复3次取平均值，计算各指标值，结果如表5所示。

表5 两种因素组合对比试验结果Tab.5 Results of contrast experiment %

由表5可以看出，相比于组合A2B2C3，组合A2B2C1的合格指数、漏播指数和空穴指数较差。结合实际生产要求和极差分析结果，在保证合格指数的同时降低漏播指数比降低重播指数更为有利，因此，选定组合A2B2C3为最优方案，即作业速度为1.0 m/s、侧孔长度为10 mm、充种高度为140 mm。

3.3.3播种深度一致性

在选定的最优方案条件下，连续统计稳定工作状态下200穴种子的播种深度，计算播深合格指数，分析播种深度一致性，得到平均播种深度为26.4 mm，播深合格指数为88.1%，标准差为2.51 mm，变异系数为9.5%，播种深度差异较小，表明播种机播种深度的均匀性和稳定性好。

3.3.4播种量稳定性

在选定的最优方案条件下，连续统计稳定工作状态下200穴种子(每行50穴)的播种量，分析播种机各行播种量稳定性和总体播种量稳定性，得到平均播种量为3.2粒，各行播种量的稳定性变异系数为2.74%，总体播种量的稳定性变异系数为0.86%，播种量差异较小，表明播种机的播种量稳定性好。

4 结论

(1)设计了2BM-4型藜麦覆膜精量播种机，采用滑刀式开沟器将滴灌管浅埋铺设于所开沟内，随动仿形机构将地膜铺设于地表，机械翼勺式滚筒穴播器实现膜上精量播种，可一次性完成平整种床、铺设滴灌管、铺膜、压膜、膜上打孔、播种、膜上覆土、镇压等8道工序，减少了藜麦播种的中间环节，在提高作业效率的同时减少了作业次数、降低了劳动强度。

(2)通过三因素四水平正交试验得出影响播种机合格指数的主次因素依次为：作业速度、侧孔长度、充种高度。在试验参数范围内适合藜麦精量穴播的最佳参数组合为：作业速度1.0 m/s、侧孔长度10 mm、充种高度140 mm，田间试验表明，在最佳参数组合下，合格指数为85.4%、空穴指数为1.7%、漏播指数为5.2%、重播指数为9.4%，各项性能指标均达到设计要求和相关标准要求，满足藜麦的覆膜精量播种要求。

(3)为了进一步验证播种效果，通过田间试验得到最佳参数组合下的播深合格指数为88.1%、变异系数为9.5%、播种量稳定性变异系数为0.86%，说明播种机的播种深度和播种量的均匀性和稳定性较好，播种质量较高。