水稻机械直播同步悬摆式覆土装置设计与试验
2021-01-08余佳佳刘俊安舒金贵陈其涛陈雄飞刘木华
余佳佳，刘俊安，舒金贵，陈其涛，陈雄飞*，刘木华
（1.江西农业大学工学院/江西省现代农业装备重点实验室，江西南昌 330045；2.江西省鄱阳县农业技术推广中心，江西上饶 334000）
【研究意义】水稻机械直播是一种轻简高效的种植方式，具有省工、省力、省种、省秧田的特点[1−5]，随着华南农业大学罗锡文院士团队首创提出了机械化开沟起垄水稻精量穴直播技术[6−7]，实现了成行成穴垄上播种[8]，提高了直播水稻抗倒伏能力和群体质量[9−11]，且配套研制了系列机具[12−14]，致使采用机械直播种植水稻的面积逐年扩大。然而，南方水稻机械直播（水直播和湿润直播）后，稻种均裸露在泥面上，易受到鸟害、鼠害、雨水冲刷、阳光暴晒等侵袭，直接影响水稻全苗及群体生长。【前人研究进展】机械直播同步覆土可有效解决上述问题，且有利于提高水稻成苗率、保证基本苗数及保持后期的高峰苗数及有效穗数[15−18]。为此，北方水稻机械旱直播均采用播种同步覆土作业技术，如曾山等[19]研制了同步开沟起垄施肥水稻精量旱穴直播机、梁宝忠等[20]研制了水稻旱条播机、万霖等[21]设计了水稻旱直播气吸式精量穴播机等，以上旱直播机具均配套设计了播种同步覆土装置。
【本研究切入点】但在南方稻区应用的水稻直播机具均未配置同步覆土装置[22−23]，仅罗锡文等[24]提出了一种水稻精量穴直播机种子滚压装置的专利申请，暂未见相关研究应用报道。【拟解决的关键问题】为了解决南方水稻机械直播同步覆土作业问题，本文作者前期开展了覆土深度对不同品种直播早稻出苗的影响研究[25]，提出了南方直播水稻覆土厚度以不超过10 cm为宜的同步覆土农艺要求，为此，本文在前期研究基础上，基于开沟起垄水稻精量穴直播技术[7]，设计一种水稻机械直播同步悬摆式覆土装置，分析覆土装置的运动过程，获得其关键参数，开展全因素试验，以构建覆土厚度的回归模型，明确土壤含水率、机具前进速度、覆土板结构等因素对覆土性能的影响，并验证分析机械直播覆土和未覆土处理对出苗率的作业效果，以期实现南方水稻机械直播同步覆土作业，促进直播水稻全苗及群体生长。
1 悬摆式覆土装置总体结构与工作原理
作业时，直播机动力通过驱动圆盘驱动轴带动驱动圆盘回转，驱动圆盘上的摆杆驱动轴通过驱动腰型孔将动圆盘的圆周运动转变成悬摆杆的往复运动，从而实现覆土板左右摆动，将播种沟两侧土壤覆盖在稻种上，完成覆土作业。此外，当田间作业覆土阻力过大时，覆土板通过铰接圆管转动卸力至限位凸台处，进而压缩安装在上下悬摆杆中间的高程仿形弹簧，提升下悬摆杆和覆土板，实现覆土安全作业。
图1 悬摆式覆土装置结构示意图Fig.1 Structural diagram of swing type covering device
2 悬摆式覆土装置关键参数确定
2.1 覆土装置悬摆杆长
本研究所设计的悬摆式覆土装置配套于华南农业大学罗锡文院士团队提出的开沟起垄水稻穴直播技术，实现对播种沟内的稻种覆土作业，播种沟底部宽度f=40 mm，顶部宽度m=50 mm，深度h=25 mm[7]，如图2所示。
图2 播种沟截面图Fig.2 Seeding furrow
为了分析悬摆式覆土装置工作过程，以播种沟底部为坐标原点，建立直角坐标系，如图3所示。可得到悬摆式覆土装置的运动方程为：
根据南方水稻直播同步覆土农艺要求，覆土厚度以5 mm为宜，不超过10 mm。为保证覆土厚度的均匀性，且不产生土壤堆积，悬摆式覆土装置运土量S1与播种沟覆土量S2相等，因此，可得到播种沟边界线BC方程为：
图3 悬摆式覆土装置覆土示意图Fig.3 Schematic diagram of swing type covering device
假设覆土作业时，土壤不损失，此时悬摆装置运移土壤体积与覆土体积相等，联立式（1）和（2），可得出S1和S2的表达式，其中S1对y积分，S2对x积分。
当S1=S2时，即运土量与覆土量相等，此时d最小；当S1
悬摆式覆土装置的实际运动轨迹是覆土板沿着播种沟中心线连续悬摆往复运动所得的简谐运动曲线，因此，当覆土板的悬摆速率与覆土装置的前进速度不匹配时，覆土板运动轨迹不能完整覆盖播种沟沟面，导致漏覆现象产生。如图4所示。
根据各轴重占总重的比例，可直接推导出各轴重之间的比例关系。由于车辆的第一个轴不可能为假轴，因此以第一个轴的轴重为基准，对其余各轴进行等值转换，得到各轴之间的比例关系。采用WEKA数据分析工具对各轴的轴重及其比例值进行聚类运算，得到不同超限范围内的轴重比例关系，进而得到1127轴型货车各轴重在不同超限范围内的载荷分布情况，简化后得到1127轴型货车载荷分布比例数据见表1。
图4 悬摆式覆土装置悬摆轨迹Fig.4 Trajectory of the swing type covering device
2.2 覆土装置驱动转速
为了降低悬摆式覆土装置的漏覆率，直播机具单位时间的前进距离L1需小于等于覆土装置累计覆土长度L2，即L1≤L2，其中L1和L2满足公式（5）：
其中v前——直播机前进速度，m/s；nt——覆土装置驱动转速，r/min；n排——排种器转速，r/min；k——排种器型孔轮型孔个数，个；s——穴距，mm；L——覆土板长度，mm。
L1——直播机具前进距离，mm；L2——覆土装置实际覆土长度，mm。
3 材料与方法
3.1 试验台架
悬摆式覆土装置试验台架由同步带导轨、土槽、台架、调速电机、覆土装置、燕尾槽调节机构、开沟器提升机构、蓄水沟开沟器和种沟开沟器等组成，如图5所示。同步带导轨固定安装在土槽箱体上；覆土安装台架固定在同步带导轨上；覆土装置通过燕尾槽固定在覆土安装台架后端；播种沟开沟器固定安装在覆土安装台架前端下侧。试验时，调速电机驱动同步带导轨，带动覆土装置和播种沟开沟器向前运动，同时，覆土安装台架设有的调速电机驱动覆土装置往返悬摆运动，实现开沟覆土作业。
图5 悬摆式覆土装置试验平台Fig.5 Experimental platform for swing type covering device
3.2 覆土板结构
悬摆式覆土装置通过覆土板破坏并重构种沟两侧土壤，故覆土板与土壤的互作直接影响覆土性能。考虑到南方直播水稻田块土壤的粘附性特点，本文设计了3种相同长度、不同镂空面积的覆土板（A、B和C），其中覆土板A镂空率为50%，覆土板B镂空率为25%，覆土板C为整板，长度L均为400 mm，如图6所示。
图6 覆土板结构Fig.6 Structure of covering plate
3.3 试验方法
（1）悬摆式覆土装置工作性能台架试验。为了明确悬摆式覆土装置工作性能，以土壤含水率、覆土装置前进速度和覆土板结构为自变量，覆土厚度和漏覆率作为因变量，开展全因素台架试验，重复3次，试验因素及水平如表1所示。水稻精量穴直播技术播前开沟起垄最佳土壤含水率范围为50%～58%[24]，故本试验土槽中土壤含水率设置为45%，50%，55%；根据水稻精量穴直播机生产作业速度，分别选取0.3，0.5，0.8，1.0 m/s作为试验中覆土装置的前进速度；匹配的覆土装置驱动转速分别为45，75，120，150 r/min覆土板设有镂空率50%的覆土板（A），镂空率25%的覆土板（B）和整板覆土板（C）。
（2）机械覆土出苗试验。基于覆土性能试验获取最优参数组合，以常规稻中嘉早17和杂交稻陵两优722为试验材料，开展机械覆土出苗试验。试验设置未覆土和机械覆土2个处理，试验前分别将破胸露白的100粒试验稻种播入播种沟内，重复3次，10 d后统计出苗情况。
3.4 测定指标
（1）覆土厚度：机械覆土处理后，采用参考平面差值法，沿着前进方向120 cm内，每隔6 mm在悬摆方向上均匀选取5个测试点，测定覆土厚度。
（2）覆土出苗率。统计分析机械覆土和未覆土处理的出苗情况，测试出苗率。
4 结果与分析
4.1 土壤含水率、前进速度和覆土板结构对覆土厚度的影响
由表1可知，就土壤含水率45%而言，前进速度对覆土板B和C的覆土厚度影响不显著，覆土板B的覆土厚度为4.61～5.85 mm，均值为5.27 mm，覆土板C的覆土厚度为6.43～7.22 mm，均值为6.88 mm；在前进速度0.3，0.5，0.8 m/s条件下，覆土板A的覆土厚度差异不显著，但在前进速度1.0 m/s时产生显著差异，覆土厚度为5.84～8.18 mm，均值为6.45 mm。
就土壤含水率50%而言，在前进速度0.3，0.5，0.8 m/s条件下，覆土板A和B的覆土厚度差异不显著，也在前进速度1.0 m/s时产生显著差异，覆土板A的覆土厚度为4.50～7.47 mm，均值为6.40 mm，覆土板B的覆土厚度为3.35～6.30 mm，均值为5.34 mm；覆土板C在前进速度0.3 m/s和0.5 m/s条件下的覆土厚度差异不显著，均与其他前进速度差异显著，覆土厚度为3.16～6.92 mm，均值为5.45 mm。
由表1还可以看出，就土壤含水率55%而言，前进速度对覆土板A的覆土厚度影响不显著，覆土厚度为6.46～7.66 mm，均值为6.90 mm；不同前进速度对覆土板B和C的覆土厚度影响较大，尤其是在前进速度为1.0 m/s时，因土壤含水率升高，土壤流动性变好，高速悬摆的覆土板击打土壤造成飞溅，导致覆土厚度变小，甚至无土壤可用于覆土。
综上所述，根据南方直播水稻农艺要求覆土厚度以5 mm为宜，不超过10 mm，结合3种覆土板在不同前进速度和土壤含水率条件下的覆土厚度变化范围及均值，可选用镂空率50%的覆土板A作为悬摆式覆土装置的覆土作业触土部件，其平均覆土厚度为6.40～6.90 mm，满足机械直播同步覆土要求。
表1 不同土壤含水率、前进速度和覆土板结构的覆土厚度全因素试验结果Tab.1 Experimental results of covering depth under different soil water contents，forward speeds and plate structures
4.2 覆土厚度方差分析
由表2可知，土壤含水率、覆土板结构、前进速度3个因素均对覆土厚度产生极显著影响（P<0.01），且土壤含水率和覆土板结构的交互作用、土壤含水率和前进速度的交互作用对覆土厚度的影响极显著（P<0.01），而覆土板结构和前进速度的交互作用对覆土厚度影响不显著，因此，为了研究各因素对覆土厚度的影响，开展回归分析，对覆土板A的覆土厚度进行预测和评价。
表2 覆土厚度方差分析Tab.2 Variance analysis of covering soil
以覆土厚度为因变量，土壤含水率和前进速度自变量，开展回归分析，可得覆土厚度回归方程：
式中x1为土壤含水率，x2为前进速度，Y为覆土厚度，方程拟合度为0.974，回归关系达到极显著水平（P<0.01）。根据拟合方程可得覆土板A在不同土壤含水率和前进速度条件下的覆土厚度响应曲面，如图7所示。由图7可以看出，覆土板A对含水率45%～55%播前土壤，可实现覆土厚度在6～8 mm，满足直播覆土的农艺要求。
图7 覆土板A覆土厚度的回归方程曲面图Fig.7 Regression equation of covering depth for plate A
4.3 土壤含水率、前进速度和覆土板结构对漏覆率的影响
由图8可知，在不同土壤含水率和前进速度条件下，相较于覆土板B和C而言，覆土板A的漏覆率曲线更为平稳，漏覆率明显低于其他2种覆土板结构形式，其漏覆率为7.14%～20.83%，平均覆土率可达86.55%，因此，从漏覆率来看，镂空率50%的覆土板A更适合作为悬摆式覆土装置的覆土作业触土部件，基本满足南方直播水稻覆土实际生产要求。
图8 不同覆土板作业的漏覆率变化曲线Fig.8 Miss index of covering soil in different parameters
4.4 悬摆式覆土装置机械覆土出苗率试验
基于上述研究结果，于2019年3月26日—4月20日，选取覆土板A、前进速度0.5 m/s和土壤含水率50%为影响因素水平，分别将直播常规稻中嘉早17（千粒质量26.30 g）和杂交稻陵两优722（千粒质量28.60 g）催芽至破胸露白后直播，并开展机械覆土出苗对比试验，如图9所示。试验结果表明：就供试品种中嘉早17和陵两优722而言，机械覆土处理的出苗率均显著高于未覆土处理，机械覆土处理出苗率分别为77.30%，80.50%，未覆土处理出苗率分别为56.30%，61.00%，平均增幅为34.64%。
图9 不同处理下供试品种出苗率Fig.9 Seedling emergence rate of tested varieties under different treatments
5 结论
设计了一种水稻机械直播同步悬摆式覆土装置，开展了覆土装置的运动学分析，建立了覆土装置数学模型，获得了关键参数悬摆杆臂长和悬摆驱动转速。悬摆式覆土装置工作性能试验结果表明：土壤含水率、前进速度、覆土板结构均极显著影响覆土厚度，在不同土壤含水率（45%，50%，55%）和前进速度（0.3，0.5，0.8，1.0 m/s）条件下，镂空率50%的覆土板的覆土性能最为稳定，平均覆土率可达86.55%，平均覆土厚度为6.40～6.90 mm，并建立了其覆土厚度回归方程，拟合度为0.974。机械覆土出苗试验结果表明，就供试品种中嘉早17和陵两优722而言，机械覆土处理的出苗率均显著高于未覆土处理，分别为77.30%和80.50%，平均增幅为34.64%。
