西北旱区大豆玉米复合种植联合播种机的设计与试验

Design and experiment of a combined planter for soybean and corn compound planting in Northwest arid area

摘要

针对西北旱区大豆玉米复合种植机具短缺、机械化程度低等问题，设计西北旱区大豆玉米复合种植联合播种机。该机由旋耕装置、起垄装置、覆土装置、施肥装置、播种装置及机架等组成，能够实现旋耕、起垄、施肥、双幅覆膜覆土、镇压及播种等多个作业过程。对播种机关键部件进行设计与分析，利用离散元模型对覆土过程进行模拟仿真，分析覆土过程中膜边膜上覆土均匀性；采用DEM-MBD对大豆玉米播种装置耦合仿真，分析大豆玉米播种装置播种均匀性。仿真结果表明：1）土壤因跳跃和泼撒而落到垄面的颗粒数≤1.3%；2）播种装置对大豆和玉米种子挤压力≤10 N，土壤颗粒对鸭嘴的阻力≤50 N。田间试验结果表明：玉米播种装置播种合格率、漏播率和重播率分别为95.63%、1.65%和2.72%，大豆播种装置播种合格率、漏播率和重播率分别为91.24%、0%和8.76%，机组作业期间运行稳定，具有良好的作业效果，满足大豆玉米带状复合种植需求。

Abstract

In response to the shortage of soybean and corn compound planting equipment and low mechanization level in the Northwest arid area， a soybean and corn compound planting combined seeder was designed. This machine is composed of one rotary tillage device， one ridging device， one soil covering device， one fertilization device， one frame， and one seeding device. It can achieve multiple operational processes such as rotary tillage， ridging， fertilization， double film mulching， compaction， and seeding. The key components of the seeder are designed and analyzed， the soil covering process using a discrete element model is simulated， and the uniformity of the soil covering on the membrane edge during the soil covering process is analyzed； The sowing performance of soybean and corn sowing devices was simulated using DEM-MBD coupling， and the uniformity of sowing of soybean and corn sowing devices are analyzed. The simulation results show that： 1） The number of soil particles falling onto the ridge surface due to jumping and scattering is≤1.3%； 2） The seeding device exerts a squeezing force of ≤10 N on soybean and corn seeds， and the resistance of soil particles to duckbill is ≤ 50 N. The field test results showed that the qualified rate， missed rate， and replant rate of the corn sowing device were 95.63%， 1.65%， and 2.72%， respectively， while the qualified rate， missed rate， and replant rate of the soybean sowing device were 91.24%， 0%， and 8.76%， respectively. In conclusion， the unit operates stably during the operation period and has good operational effects， which meet the requirements of soybean corn strip composite sowing.

Graphical abstract

关键词

大豆玉米复合种植 / 种植模式 / 覆土装置 / 播种装置 / DEM-MBD耦合

Key words

soybean and corn compound planting / cropping pattern / soil covering device / seed metering device / DEM-MBD coupling

大豆和玉米是我国主要的粮食作物^［1-2］。近年来，我国大豆需求中有八成以上依靠于进口，为保障我国粮食安全，缓解进口压力，国家采取了一系列措施提高国内大豆产量，解决大豆和玉米供需矛盾^［3-4］。随着大豆玉米复合种植面积不断扩大^［5］，现有的手扶式播种机存在机械化程度低和劳动成本高等问题，严重制约我国大豆玉米复合种植技术的推广^［6］。为更快完成适期大豆玉米复合种植，减少劳动力投入，需加大对大豆玉米复合种植联合播种机具的研究。

目前，大豆玉米复合种植技术在我国应用相对较少，针对大豆玉米复合种植模式的相关机具也相对少。韩丹丹等^［7］研制了大豆-玉米带状间作免耕精量播种机，采用分调分控系统和电驱式排肥系统，分别控制实现大豆玉米株距、播深、镇压力度、施肥量的可调可控，但穴距合格率小于90%；薛荣^［8］研制了气吹式大豆玉米带状复合种植精量播种机，采用高速风机产生正压，供给集成排种器的风嘴和输种管的空气放大器接气口。排种器上的型孔排种盘在旋转的过程中将单粒玉米、双粒大豆种子均匀排出，但存在播种质量差等作业要求；杨昌敏等^［9］研制了大豆玉米复合种植施肥播种一体机，设计的外槽轮排种器加装了限位装置，设计了防堵组件，实现辅助震动操作，但播种效果较差，穴粒数合格率低。西北地区大豆玉米复合种植主要以手推式、牵引式播种机分时段播种、单行播种，缺少大豆玉米复合播种机具。

本研究拟针对西北地区大豆玉米复合种植机具短缺，机械化程度低等问题，设计大豆玉米复合种植联合播种机，采用DEM-MBD模拟仿真对大豆玉米播种装置进行试验分析，以期为大豆玉米复合种植联合播种机的设计提供参考。

1　大豆玉米复合种植农艺要求

针对西北地区干旱少雨，昼夜温差大等特征^［10］，为提高土地利用率，减少土壤水分流失，提高大豆玉米种子发芽率，在设计过程中，选择幅宽为1 200 mm，厚度0.01 mm的双幅白色地膜重叠覆盖，在起垄农艺作业时，地膜重叠部分基本可以实现地膜边界相接而不叠加。地膜全膜覆盖种植，可以抑制杂草生长，更能提高土壤水肥利用率，保持土壤适宜的温度和湿度，减缓低温下降速度，利于肥料的腐熟与分解，提高土壤肥力^［11］。西北的主要种植模式是“2+3”模式^［12］，即2行玉米3行大豆间作套种（图1）。

2　整机结构与工作原理

2.1　整机结构

大豆玉米复合种植联合播种机由旋耕装置、起垄装置、提土装置、覆土装置、滴灌带铺设装置、地膜铺设装置、镇压装置、施肥装置、机架及大豆和玉米播种装置等组成，整机结构见图2，技术参数见表1。

2.2　传动系统与工作原理

整机采用三点悬挂式与拖拉机相连接，拖拉机后动力输出轴与变速箱输入轴通过传动轴连接实现动力输入，变速箱输入轴带动锥齿轮向下传输动力，带动旋耕刀工作，向侧面传输动力带动，通过链传动带动过桥传动系统工作，过桥传动系统输出动力分别带动左右两侧提土链、肥箱轮轴及起垄装置运动，其传动系统原理见图3。

拖拉机前进过程中，旋耕刀旋耕翻土，提土链将旋耕后的土壤提升，由溜土槽抛下，覆盖在地膜上方，完成机具的旋耕覆土过程。施肥铲在旋耕后的土壤上开沟施肥、起垄装置将土壤开沟起垄、铺设滴灌带、挂膜架铺设地膜，展膜辊展平地膜，播种装置依靠自身重力及机具牵引力实现播种，完成整个作业过程。3　关键部件设计

3.1　起垄装置

起垄装置是保证覆土效果的重要依托，主要包括施肥铲和整形辊2部分（图4）。大豆玉米复合种植联合播种机工作时，旋耕刀组旋耕松土，施肥铲配合整形辊对疏松土壤开沟起垄。

3.2　施肥装置

施肥装置是大豆玉米复合种植联合播种机重要组成部分，主要包括肥料箱、调节手柄、大槽轮塑料排肥器、排肥轴、排肥轴联轴器、链轮等，施肥装置结构见图5。

施肥装置工作时，由链轮带动排肥轴转动，大槽轮塑料排肥器随之工作，通过排肥轴联轴器带动右侧施肥装置同时工作。依据大豆玉米复合种植农艺要求，肥料箱容积为：

C=\frac{\mathrm{1.1}{L}_{\mathrm{1}}{B}_{\mathrm{1}}{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\mathrm{10000}{\lambda }_{\mathrm{1}}}(1)

式中：C为肥料箱容积，L；B₁为肥料箱作业幅宽，本研究取2 300 mm；L₁为满足肥料箱中肥料的施肥距离，取1 000 m；{\lambda }_{\mathrm{1}}为肥料颗粒密度，取1.86 kg/L^［13］；Q_max为单位面积最大施肥量，取378 kg/hm^2［14］。由式（1）计算得C=51.5 L。

3.3　覆土装置

3.3.1　结构设计

覆土装置是大豆玉米复合种植联合播种机的重要装置，覆土均匀性和覆土量决定了播种机的播种质量和地膜抗风揭膜能力。当覆土量过大时，种床采光面积减少，严重影响膜下地表温度，制约农作物根系生长；覆土量过小时，则地膜的抗风揭膜能力降低，难以抵制大风揭膜等现象。覆土装置主要由提土链、提土链外壳、溜土槽组成。提土链由链条与提土板组成，将旋耕后的土壤提升到顶端，待到覆膜后，土壤沿提土板抛出，由溜土槽落下，提土链外壳阻挡提升后的土壤飞溅，覆土装置见图6。

膜上覆土量计算公式^［15］为：

\left\{\begin{array}{l}{Q}_{\mathrm{1}}=\gamma l_{\mathrm{1}}{B}_{\mathrm{1}}{H}_{\mathrm{1}}\\ Q_{\mathrm{2}}=\gamma l_{\mathrm{2}}{B}_{\mathrm{2}}{H}_{\mathrm{2}}\end{array}\right.(2)

式中：Q₁为膜上覆土量，kg；Q₂为膜边覆土量，kg；\gamma为土壤容重，本研究取1 300 kg/m³；l₁和l₂为单位覆土长度，取1 000 mm；B₁为膜上覆土宽度，取40 mm，B₂为膜边覆土宽度，取30 m；H₁为膜上覆土厚度，取20 m，H₂为膜边覆土厚度，取30 mm。由式（2）计算分别得：Q₁ =1.56 kg，Q₂ =0.78 kg。

膜上覆土总量Q为：

Q=\mathrm{4}{Q}_{\mathrm{1}}+\mathrm{4}{Q}_{\mathrm{2}}(3)

由式（3）计算得Q=9.36 kg。

3.3.2　仿真数据

为验证覆土装置覆土均匀性，采用离散元方法模拟土壤颗粒的覆土过程，覆土土壤颗粒选取直径为4 mm的球形颗粒，覆土过程中模型相关材料接触参数见表2^［16-17］。

3.3.3　仿真分析

对地膜覆土过程进行仿真模拟，结果见图7。设置仿真时间步长为1×10^-5 s，仿真共进行4 s，机组前进速度为1 m/s，提土链转速150 r/min，颗粒工厂为500 mm×300 mm的2个长方形平面，颗粒工厂共生成50 000个土壤颗粒。当仿真时间t=0 s时，颗粒工厂开始生成土壤颗粒并向下掉落；t=0.6 s时，机具开始向前移动；t=1 s时，土壤颗粒开始掉落到土壤上，伴随机组不断前进，土壤颗粒均匀落到垄沟内，由于惯性和重力作用，少量土壤颗粒出现了泼撒和跳跃现象，撒落到垄面上，使得覆土效果受到一定影响。

为更直观的观察覆土均匀性，对膜边覆土、膜上覆土及膜间覆土进行对比分析，对每个垄沟进行网格划分，统计覆土颗粒数量及速度，结果见图8。膜间需要覆盖两侧地膜膜边，覆土量最多，膜边覆土量相对较多，双侧膜边覆土，以防西北地区大风揭膜现象，膜上覆土量最少，起到稳固地膜的作用。

3.4　播种装置

3.4.1　播种装置结构

播种装置主要由种箱、动盘、动盘辐条、动鸭嘴、静鸭嘴、排种盒、中轴、动盘法兰、排种轮、毛刷轮等部分组成（图9）。

播种装置工作过程中，大豆和玉米分别由种箱落入由排种轮、毛刷轮组成的排种盒中，排种轮工作过程中，工作时，随着排种轮转动，种子在自身重力、种群作用力等作用下进入型孔，清种毛刷与排种轮转动方向相同，即毛刷旋转方向与排种轮旋转方向相同，将多余的种子排出型孔，使型孔中始终保留1粒种子（大豆保留2粒），当型孔移动到排种口上方区域，种子在自身重力和离心力的作用下从型孔内脱离，从排种口排出，掉入鸭嘴，鸭嘴拨杆与拨轮接触，鸭嘴张开，完成播种。为防止种子在窝眼内卡种而造成漏播，在播种装置内安装有推种片，将窝眼内的种子及时排出。

播种装置排种轮转速为：

n=\frac{v}{\mathrm{\pi }d}\times \frac{Q}{P}(4)

式中：n为排种轮转速，r/min；v为播种装置线速度，即机具前进速度，本研究中取1 m/s，d为播种装置直径，取d=730 mm；Q为排种轮窝眼数量，取8个；P为播种装置鸭嘴数量，取9个。由式（4）计算得n=23.26 r/min。

3.4.2　仿真数据

试验材料选取玉米品种为‘金穗3号’，大豆品种为‘中黄30’，所选种子颗粒饱满、无损伤。采用四分法选取100粒测其百粒质量，采用游标卡尺测量大豆和玉米的几何尺寸。大豆长、宽、高平均值分别为6.96 、6.34 、5.25 mm，玉米长、宽、高平均值分别为10.94、7.48、5.04 mm。大豆和玉米籽粒实物图及离散元模型见图10。

利用DEM-MBD对播种装置进行耦合仿真分析，仿真过程采用Hertz-Mindlin无滑移接触模型，参考相关研究^［18-22］，确定相关参数见表3。

3.4.3　仿真分析

利用DEM-MBD耦合仿真实现大豆和玉米播种过程。仿真过程中，当t=0 s时，颗粒工厂开始生成大豆和玉米颗粒各1 000粒。t=0.32 s时，播种装置开始旋转，排种轮充种，减少仿真过程中出现空穴的情况；t=1.6 s时，播种装置开始向前移动；t=2.01 s时，鸭嘴出土，下一鸭嘴即将入土；t= 2.15 s时，鸭嘴完全入土，动鸭嘴与波轮接触打开鸭嘴，种子落下；t=2.27 s时，鸭嘴出土并准备闭合，完成1次播种过程。仿真试验大豆和玉米播种过程见图11。

大豆和玉米播种过程中，土壤对动鸭嘴的阻力见图12，动鸭嘴所受阻力<50 N，不影响动鸭嘴的开闭。当某一鸭嘴即将入土时，上一鸭嘴出土，此时入土鸭嘴拨开土壤，当鸭嘴完全贯入土壤，大豆鸭嘴入土深度为30 mm，玉米鸭嘴入土深度为40 mm，随着机具的前进，动鸭嘴与拨轮碰撞并打开，种子从鸭嘴落下，随后关闭鸭嘴完成整个排种过程。

为确保播种穴距合格率及播深合格率，大豆玉米播种通常采用“零速投种”的播种方式。在EDEM软件中采用Manual Selection对大豆和玉米种子进行标记，种子在播种过程中的速度变化见图13。种子下落过程相对平稳，种子与土壤接触后，存在反弹（速度<0.05 m/s）和滑移运动，在0.05 s内趋于稳定，对播种效果影响极小。

4　田间试验

4.1　试验材料

大豆玉米复合种植联合播种机的作业性能试验于2023年4月20—25日在甘肃洮河拖拉机制造有限公司进行，试验场地地势平坦，面积为5.1 km²。所种大豆品种为‘中黄30’，百粒重20.6~22.0 g，种植株距12 cm，行距30 cm，播种量37.1~39.6 kg/hm²；玉米品种为‘金穗3号’，百粒重33.2~34.8 g，种植株距12 cm，行距40 cm，播种量24.9~26.1 kg/hm²。样机配套动力为110 kW农用拖拉机，前进速度1 m/s，使用宽1.2 m，厚0.01 mm的白色地膜。

4.2　试验方法及结果

在试验场地内，用卷尺测出长50 m，宽度满足机具往返2个行程作业要求，两端预备区域15 m。采用五点取样法进行取样和测量，按照GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》^［23］和NY/T 987—2006《铺膜穴播机作业质量》^［24］的要求，测定播种机的空穴率、穴粒数合格率、播种深度合格率、穴距合格率、膜边覆土厚度合格率和膜上覆土厚度合格率，机具田间试验结果见表4。试验结果基本符合GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》^［23］和NY/T987—2006《铺膜穴播机作业质量》^［24］的要求。

5　结束语

本研究基于大豆玉米复合种植技术农艺要求及种植模式，设计了一种大豆玉米复合种植联合播种机，对机具关键作业部件进行结构和参数设计，应用EDEM软件对覆土装置进行仿真试验，研究覆土过程中膜边膜上覆土均匀性；采用DEM-MBD耦合对大豆玉米播种装置播种性能耦合仿真，分析大豆玉米播种装置播种均匀性。

仿真结果表明，土壤因跳跃和泼撒而落到垄面的颗粒数≤1.3%，播种装置对大豆和玉米种子挤压力≤10 N，土壤颗粒对鸭嘴的阻力≤50 N。覆土过程中膜间覆土带土壤颗粒过多，影响大豆玉米种子生长；播种装置对大豆和玉米种子及土壤颗粒对鸭嘴的挤压力均较小，不会破坏大豆和玉米种子，也不会造成鸭嘴的损伤，机具功耗小。田间试验表明，大豆玉米复合种植联合播种机田间试验指标均符合GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》^［23］和NY/T987—2006《铺膜穴播机作业质量》^［24］的要求，田间试验结果与仿真结果基本一致。

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基金资助

甘肃省技术创新引导计划科技专员专项(22CX8GA052)

甘肃农业大学伏羲青年英才培养计划项目(Gaufx-03Y01)