玉豆带状复合种植免耕精量播种覆秸一体机设计与试验

(1.东北农业大学工程学院, 哈尔滨 150030; 2.黑龙江东方学院机电工程学院, 哈尔滨 150066;3.黑龙江省主要农作物生产机械化材料化技术创新中心, 哈尔滨 150030)

摘要：针对玉豆带状复合种植机械化播种过程中田间秸秆量大、代用机具播种质量差、作业效率低等问题,设计一种在收获后原茬地条件下一次进地可同步完成“清秸防堵种床整理-玉米大豆精播施肥-秸秆均匀覆盖”一体机。按照玉豆带状复合种植农艺要求,设计了一体机结构;采用正交试验与离散元仿真相结合方法,对清秸覆秸装置结构进行了仿真分析和参数组合优化,当作业速度为9.9 km/h、刀轴转速为625 r/min、清秸总成螺旋线头数为3、残茬抛撒控制板倾角为90°时,清秸率为91.03%、覆秸匀度为87.05%,当量功耗为9.79 kW;在机收经粉碎秸秆残留量1.48 kg/m2的玉米原茬地实施整机田间性能试验,结果表明:当作业速度为7.2 km/h(保证试验样机排种器正常工作)、大豆粒距为8 cm、玉米粒距为10 cm、刀齿入土深度为50 mm时,机具通过性良好,大豆、玉米粒距合格指数分别为79.50%、88.66%,重播指数分别为4.03%、3.66%,漏播指数分别为16.48%、7.68%,变异系数分别为28.49%、21.31%,大豆、玉米播深合格率为90%,施肥深度合格率为80%,种肥水平间距合格率为80%,覆秸匀度为88.97%,播后田间无晾籽现象。

关键词：玉豆带状复合种植; 玉豆精播一体机; 清秸覆秸; 正交试验; 离散元

基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFD2000401)和财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系项目(CARS-04)

作者简介：陈海涛(1962—),男,教授,博士生导师,主要从事农业机械装备及生物质材料研究,E-mail: htchen@neau.edu.cn

Design and Experiment of Integrated Machine for No-till Precision Seeding and Straw Mulching for Corn and Soybean Strip Compound Planting

CHEN Haitao1,2 GAO Wei1 WANG Xing1 ZHANG Ying1,3 HOU Shouyin1,3 JI Wenyi1,3
(1.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, East University of Heilongjiang, Harbin 150066, China 3.Heilongjiang Province Technology Innovation Center of Mechanization and Materialization of Major Crops Production, Harbin 150030, China)

Abstract：For corn and soybean strip compound planting mechanized sowing process in the field of large amount of straw, substitute equipment sowing quality was poor, low operating efficiency and other issues, the design of a post-harvest stubble land conditions at a time into the ground can be synchronized to complete the “clearing of straw anti-clogging seed bed finishing-corn and soybean sowing fertilizer-straw uniform cover” integrated machine. In accordance with the agronomic requirements of corn and soybean strip compound planting, the structure of the integrated machine was designed, and its working principle and corresponding technical parameters were given; according to the agronomic characteristics of corn and soybean strip compound planting, the lateral spacing of the straw clearing assembly in the straw clearing and mulching device was determined through theoretical calculations; by combining orthogonal experiment and discrete element simulation, simulation analysis and parameter combination optimization were carried out on the structure of straw clearing and mulching device, when the operating speed was 9.9 km/h, the rotational speed of cutter shaft was 625 r/min, the number of helix heads of the straw clearing assembly was 3, and the inclination angle of stubble spreading control plate was 90°, the straw clearing rate was 91.03%, the mulching uniformity was 87.05%, and the equivalent power consumption was 9.79 kW; adopting the single-factor experiment method, the whole machine field performance experiment was implemented in the corn stubble land with 1.48 kg/m2 residue of crushed straw after machine harvesting, and the results showed that when the operation speed was 7.2 km/h (to ensure the normal work of the seed dispenser of the experimental prototype), the grain spacing of soybean was 8 cm, the grain spacing of corn was 10 cm, the depth of the knife teeth in the soil was 50 mm, the machine passed well, the qualified index of grain spacing of soybean and corn were 79.50% and 88.66%, the index of reseeding were 4.03% and 3.66%, the index of leakage of seeding were 16.48% and 7.68%, and the coefficient of variation were 28.49% and 21.31%, respectively, and the qualified rate of sowing depth of soybean and corn were 90%, the qualified rate of fertilizer depth were 80%, and the qualified rate of horizontal spacing of seed and fertilizer were 80%, the uniformity of straw covering was 88.97%, and there was no seed drying phenomenon in the field after sowing. The research results laid the foundation for the development of the integrated machine for precision sowing of corn and soybean strip compound planting and the popularization and application of technology of corn and soybean strip compound planting.

Key words：corn and soybean strip compound planting; integrated corn-soybean precision planter; clearing and mulching straw; orthogonal experiment; discrete element

0 引言

大豆玉米带状复合种植模式是在现有耕作面积基础上实现大豆和玉米间套复种的一种新种植模式[1],其采用“选配品种、扩间增光、缩株保密”核心技术[2],实现作物间协同共生,提高土地产出率,在玉米不减产前提下增收大豆[3]。

目前,黄淮海、西北、西南等地区大力推广带状复合种植模式[4],多数采用大豆和玉米传统播种机具,需至少两次进地作业,作业效率低、播种质量差,因此研究开发带状复合种植专用一体机势在必行[5-6]。文献[7]研制了2BF-“1+3+1”型玉米大豆带状间作播种机,采用大豆和玉米专用排种器,种子适应性得以提高,但施肥装置以玉米需肥量设计,排肥管与玉米施肥开沟器相连,施肥后易导致大豆减产[8];杨昌敏等[9]研制的大豆玉米复合种植施肥播种一体机,其施肥系统中加装搅拌机构实现肥料在肥箱内多方向搅拌,提高玉米下肥量,设计外槽轮式单粒排种装置,优化其结构参数,提高播种质量,但整机缺少大豆玉米株距分控调节装置,难以满足带状复合种植播种株距要求;薛荣[10]研制的气吹式大豆玉米带状复合种植精量播种机,采用集成式气吹排种器结合空气放大器实现气流输种,单次排种3行大豆和2行玉米,有效提高行距调节范围,但播种传动系统按照玉米株距设计,难以调节大豆株距。综上所述,目前研制的带状复合种植专用一体机存在大豆玉米株距难以分控分调、肥料难以精量分施问题。同时,带状复合种植机械化播种过程中田间秸秆量大,为解决缠绕、拖堆堵塞问题,专用一体机正向着低能耗的免耕覆秸作业形式发展[11-12]。

针对上述存在问题并结合一体机发展趋势,本文提出一种玉豆带状复合种植免耕精量播种覆秸一体机。通过理论分析及正交仿真试验设计清秸覆秸装置,实现带状复合种植播前种床整备及播后覆秸;依据农艺要求[13]设计种肥传动系统、播种单体及施肥装置,实现大豆玉米复式精播及肥料分施,以期为原茬地大豆玉米带状复合种植提供装备支持。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

玉豆带状复合种植免耕精量播种覆秸一体机总体结构如图1所示,主要由清秸覆秸装置、施肥装置、播种单体、种肥传动系统和地轮组成,一次进地完成清秸防堵种床整理、玉米大豆精播施肥、秸秆均匀覆盖等多项作业。

1.2 工作原理

作业前,依据带状复合种植农艺要求,通过种肥传动系统和施肥装置调节大豆玉米播种株距和施肥量。作业时,拖拉机动力输出驱动清秸覆秸装置将种床内的根茬和秸秆侧抛至机具两侧;同时,经种肥传动系统传至播种单体和施肥装置的动力,以不同传动比驱动大豆玉米排种器和排肥器精量播种施肥,最后覆土镇压。

1.3 技术参数

玉豆带状复合种植免耕精量播种覆秸一体机主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计

2.1 清秸覆秸装置设计

清秸覆秸装置结构如图2所示,由机架、传动系统、清秸总成、残茬抛撒控制板和压秸板等组成。拖拉机动力输出轴驱动装置将种带内秸秆残茬抛至机具两侧,回程时秸秆残茬抛回已播地表实现覆秸。

2.1.1 清秸总成设计

清秸覆秸装置主体由6个清秸总成构成,清秸总成上螺旋排布着若干清秸刀齿,左侧3个清秸总成刀齿旋向与右侧相反。两侧清秸总成除了清理玉米带残茬外,还兼具抛撒作用,故两侧清秸总成选用直刀齿,中间清秸总成选用弯刀齿。

免耕带状复合种植作业条件为原茬地,清秸总成螺旋线头数为3,刀排间距为90 mm,4排清秸总成与3排清秸总成间刀齿交错排布,结构如图3所示[14-15]。

带状复合种植模式与传统种植模式相比,通过缩短大豆播种行距和株距以保证大豆种植密度。为使大豆玉米播在净土上,同时保证整机通过性,依据带状复合种植模式对大豆播种行距和大豆带与玉米带间距的要求,以左侧3个清秸总成(清秸覆秸装置左右对称)为研究对象,对其横向布局进行设计,布局方式如图4所示。

为保证右侧大豆种肥开沟幅宽(种、肥开沟器水平间距与种、肥开沟宽度一半之和)位于种床内,应满足

式中 Lq1——清秸总成2与清秸总成3间距,mm

L——清秸带宽,mm

b1——大豆播种行距,mm

d0——种肥开沟器最大水平间距,mm

d1——种开沟器开沟宽度,mm

d2——肥开沟器开沟宽度,mm

为保证中间大豆种肥开沟幅宽位于种床内,应满足

为保证左侧玉米种肥开沟幅宽位于种床内,应满足

式中 Lq2——清秸总成1与清秸总成2间距,mm

b2——玉米带与大豆带播种间距,mm

为保证清秸总成2与清秸总成3刀齿正常旋转作业,两总成间距应满足

式中 dz——刀轴直径,mm

R——刀齿回转半径,mm

播种行距越小、种肥开沟幅宽越大时,开沟器越易发生堵塞;刀轴直径越小,秸秆越易缠绕刀轴;刀齿回转半径越小,机具通过性越差。综合考虑,取大豆播种最小行距330 mm、玉米带与大豆带播种最小间距600 mm、种肥开沟器最大水平间距80 mm、种开沟宽度45 mm、肥开沟宽度30 mm、刀齿回转半径360 mm、刀轴直径133 mm时,清秸总成间距为

由图4可知,两清秸总成间存在类三角形区域,定义该区域为“免清秸区”,即无需清秸区域。只需保证清秸作业后播种对应种床位置干净,播种作业不发生堵塞即可。尽可能保留大豆带与玉米带间残茬,降低功耗,有利于轻简化作业,故清秸总成1与清秸总成2间距取600 mm;为保证大豆行间良好通过性及相应清秸总成刀齿正常旋转作业,尽可能缩短大豆带对应清秸总成间距,故清秸总成2与清秸总成3间距取430 mm。

2.1.2 残茬抛撒控制板设计

机具回程作业时,残茬均匀覆盖已播地表,可蓄水保墒,防止土壤表面形成硬壳,提高出苗率[16]。考虑部分地区农田为小地块[17],为避免秸秆抛至其他农户田地中,需将残茬抛撒控制板放下,放下后仍能保证顺利清秸作业,不发生秸秆缠绕、拖堆堵塞问题。

考虑不同作业条件对覆秸宽度要求不同,横向覆秸状况应尽可能均匀,在装置两侧加装残茬抛撒控制板(图5),主要由角度调节机构、转轴、支撑梁和薄钢板组成。角度调节机构每间隔15°设置一个卡槽,支撑梁上端限位销轴与卡槽配合,实现0°～90°内7挡倾角调节[18]。

2.2 种肥传动系统设计

带状复合种植与传统种植方式相比,通过缩短播种株距保证种植密度,大豆玉米依据减量协同原则以不同施肥量同时施肥,大豆可通过根瘤固氮提高土壤氮素供应[19],在满足玉米施氮量前提下减少大豆施氮量,玉米施加750～975 kg/hm2高氮缓控释肥,大豆施加225～300 kg/hm2低氮缓控释肥[20]。

依据上述带状复合种植农艺要求设计种肥传动系统,传动系统关于机具两侧对称,图6为右侧种肥传动系统简图,由大豆变速箱、玉米变速箱、限深轮、播种单体、肥轴、大豆排肥器和玉米排肥器等组成。

大豆和玉米排种均为5级传动,排种传动比[21]计算式为

式中 iz——排种传动比

Dx——限深轮直径,mm

δ——限深轮滑移率

nz——排种器每转排种数

sz——播种株距,mm

ip——第p级传动比

大豆变速箱选用链轮变速箱(12种传动方案),玉米变速箱选用齿轮变速箱(8种传动方案),限深轮直径540 mm,限深轮滑移率0.12,大豆排种器每转排种数33,玉米排种器每转排种数12,通过配置各级传动比,实现大豆株距50～105 mm、玉米株距80～190 mm调节,如表2所示。

大豆和玉米排肥器选用沟槽深度不同的外槽轮式排肥器,通过改变两排肥轮工作长度调节大豆和玉米施肥量,实现大豆和玉米肥料精量分施,排肥器每转排肥量为

式中 q——排肥器排肥量,g/r

ξ——复合肥料容重,g/L

Lf——排肥轮工作长度,cm

μ——肥料填充系数

Zf——排肥轮齿数

Sf——单沟槽断面面积,cm2

Cd——肥料流动系数

hf——排肥舌开度,cm

df——排肥轮直径,cm

排肥轮直径df=6.8 cm,大豆和玉米排肥轮齿数分别为Zfd=13、Zfy=6,排肥轮最大工作长度Lfmax=6 cm,肥料填充系数μ=0.7,肥料流动系数Cd=0.5,排肥舌开度hf=1 cm,大豆和玉米排肥轮单沟槽断面面积Sfd=0.4 cm2、Sfy=4.1 cm2,由式(10)计算得大豆和玉米排肥轮排肥量qd、qy分别为0～68.7 g/r、0～127.3 g/r。

大豆和玉米共用一套施肥传动系统,每公顷排肥量计算式为

式中 Qd——大豆排肥量,kg/hm2

Qy——玉米排肥量,kg/hm2

if——排肥传动比

b3——玉米播种行距,mm

取b1=400 mm,b2=650 mm,b3=400 mm,if=1.12,代入式(11)、(12)得大豆施肥量为0～790 kg/hm2、玉米施肥量为0～1 035 kg/hm2,大豆玉米肥料精量分施,满足带状复合种植需肥量要求。

2.3 播种单体及施肥装置设计

播种单体作为大豆玉米播种关键部件,主要由仿形机构、播种开沟器、排种器、覆土镇压器和种箱等组成,结构如图7所示。仿形机构选用平行四杆仿形机构,遇到地表起伏时,开沟器在平面内平行移动,开沟器入土角保持不变,保证开沟深度一致性[22];机械式排种器具有结构简单、操作简捷、成本低等优势[23],大豆排种器选用窝眼轮式排种器,排种盘周向均布33个窝眼,玉米排种器选用从美国引进的指夹式排种器,周向均布12个指夹;播种开沟器选用滑靴式开沟器,开沟宽度45 mm,开沟阻力小、入土能力强、便于维护[24];覆土镇压器选用课题组研制的三向可调V型覆土镇压器,其作为播种单体仿形轮,保证播种深度一致性,其上播深调节旋柄可调节播种深度,宽度和角度调节螺杆可改变覆土宽度和覆土量[25]。

施肥装置主要由肥箱、排肥器和施肥开沟器等组成。施肥开沟器选用锐角锄铲式开沟器,开沟宽度30 mm,通过调节肥铲与铲裤连接位置调整开沟深度,实现施肥深度80～150 mm可调,通过调节连接板与机架副梁连接位置,实现种侧50～80 mm开沟施肥;排肥器选用成本低、应用广泛的外槽轮式排肥器[26]。

3 离散元仿真

3.1 仿真试验方案

为确定清秸覆秸装置较合理结构参数,以螺旋线头数、残茬抛撒控制板倾角、作业速度、刀轴转速为因素,清秸率、覆秸匀度、当量功耗为评价指标,应用EDEM软件进行四因素三水平正交仿真试验,考虑所有一阶交互作用,试验因素水平如表3所示。

为提高仿真效率,建立5 000 mm×2 500 mm×150 mm虚拟土槽,土槽上方随机铺设秸秆。清秸覆秸装置以中心面左右对称,以左侧3个清秸总成构成的清秸覆秸装置为研究对象,建立清秸覆秸装置-秸秆-土壤离散元仿真模型(图8),相应物料参数与接触参数[27]如表4所示。

3.2 评价指标测定方法

清秸率Y1为清秸带宽内清秸总成作业前后秸秆数量之比,应用EDEM软件Grid Bin Group功能提取试验前后3个清秸带宽内秸秆数量。

覆秸匀度为测区内覆秸作业后秸秆覆盖均匀程度,选取装置侧向宽2.485 m、长2 m区域为覆秸匀度测定区,按面积16等分,选取其中5个代表性区域,提取试验后每份秸秆质量,覆秸匀度计算式为

式中 Y2——覆秸匀度,%

m——测定区秸秆平均质量,kg

mi——第i个测定区秸秆质量,kg

当量功耗为每个清秸总成刀轴旋转扭矩及克服前进阻力产生的功率消耗之和,应用Create Graph功能提取试验后每个清秸总成扭矩及所受阻力数据,计算平均扭矩和平均阻力,当量功耗计算式为

式中 Y3——当量功耗,kW

n——刀轴转速,r/min

vm——清秸覆秸装置作业速度,km/h

Mqi——第i个清秸总成平均扭矩,N·m

Fqi ——第i个清秸总成所受平均阻力,N

清秸率和覆秸匀度测定区如图9所示,黄色边框区域为清秸率测定区,黑色边框区域为覆秸匀度测定区。

3.3 仿真结果与分析

正交仿真试验结果如表5所示。通过Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行方差分析,如表6所示(交互项只列出影响显著项)。

由表6可知,作业速度、刀轴转速及二者交互作用对清秸率影响极显著,螺旋线头数对清秸率影响显著,主次顺序为刀轴转速、作业速度、作业速度与刀轴转速交互作用、螺旋线头数;残茬抛撒控制板倾角、作业速度、刀轴转速对覆秸匀度影响极显著,主次顺序为残茬抛撒控制板倾角、刀轴转速、作业速度;螺旋线头数、作业速度、刀轴转速、作业速度与刀轴转速交互作用对当量功耗影响极显著,主次顺序为刀轴转速、作业速度、螺旋线头数、作业速度与刀轴转速交互作用。各因素对评价指标影响规律如图10所示。

在保证机具不发生缠绕堵塞前提下,降低当量功耗,提高覆秸匀度。兼顾播种季节抢农时及经济性因素,提高作业效率,并减少螺旋线头数,减少刀齿总数,降低成本。依据此优化原则通过Design-Expert 8.0.6软件进行参数优化,结果如表7所示。

优化结果2较优化结果1清秸率提高2.81个百分点,覆秸匀度提高3.89个百分点,但当量功耗提高151.92%;优化结果3较优化结果1清秸率降低2.22个百分点,覆秸匀度降低3.47个百分点,当量功耗提高55.27%,但机具作业速度提高83.33%。

综合考虑,确定优化参数组合为:螺旋线头数3、残茬抛撒控制板倾角90°、作业速度9.9 km/h、刀轴转速625 r/min。

在机收后玉米原茬地上进行优化参数组合的仿真模型验证。试验地秸秆残留量1.57 kg/m2,留茬平均高度40 cm,5 cm土壤质量含水率20.78%,土壤坚实度0.98 MPa,10 cm土壤质量含水率21.36%,土壤坚实度1.39 MPa。验证结果为清秸率91.03%、覆秸匀度87.05%、当量功耗9.79 kW,各指标与优化结果相吻合,证明了仿真结果可靠性。

4 田间性能试验

4.1 试验条件

试验于2023年5月21—22日在东北农业大学向阳试验基地实施,在机收经粉碎秸秆残留量为1.48 kg/m2的玉米原茬地进行试验,试验现场如图11所示。试验地长50 m,宽为8个机具作业往复,深度5 cm土壤质量含水率21.34%,土壤坚实度0.92 MPa,深度10 cm土壤质量含水率21.91%,土壤坚实度1.35 MPa。试验设备及仪器包括:玉豆带状复合种植免耕精量播种覆秸一体机、东方红1204型拖拉机、电热鼓风干燥箱、PV6.08型贯穿阻力仪、取土环、激光测距仪、卷尺和数码相机等。大豆品种选用黑农84,玉米品种选用天龙9号。

4.2 试验方法

采用单因素试验方法,以机具作业速度为因素,以机具通过性、播种均匀性、播种深度、施肥深度、种肥水平间距、覆秸匀度和晾籽率为评价指标,按照NY/T 1768—2009《免耕播种机质量评价技术规范》、GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》、NY/T 500—2015《秸秆粉碎还田机作业质量》和T/CAMA 21—2019《全秸硬茬地洁区播种机》等标准,进行整机田间性能试验。在前4个作业往复测定机具通过性,后4个作业往复测定其余评价指标。按照离散元仿真优化结果设定参数,其中兼顾试验样机机械式排种器作业速度特性,作业速度按5.4、7.2 km/h进行试验,具体试验方法如下:

设定清秸刀齿入土深度50 mm。将试验地按长度两等分,机具以不同作业速度通过试验地,各因素水平重复4次试验。记录重度堵塞、中度堵塞、轻微堵塞和无堵塞状况,规定出现一次轻微堵塞或无堵塞状况为合格。

设定大豆粒距80 mm、玉米粒距100 mm。播后在中间30 m稳定作业区测定250粒种子粒距,每组重复3次,计算粒距合格指数、重播指数、漏播指数及变异系数。

(3)播种深度、施肥深度和种肥水平间距

设定大豆理论播种深度4 cm,玉米理论播种深度5 cm,理论施肥深度10 cm,种侧5 cm施肥。播后每个作业往复每种作物随机选取5个测定点,人工扒开覆盖土壤,测定大豆播种深度、玉米播种深度、施肥深度、种肥水平间距。规定大豆播深3～5 cm、玉米播深4～6 cm、施肥深度9～11 cm、种肥水平间距4～6 cm为合格。

应用五点法在播后中间稳定播种区中每行随机选取5个测定区域(1 m×1 m),测定区域内秸秆质量并计算覆秸匀度。

播后在中间稳定播种区随机选取3个测定区域,每个测定区域长为5 m,宽为作业幅宽。采用观测法记录测区内暴露在秸秆或地表上方的大豆和玉米种子数量,晾籽率计算式为

式中 ρ——晾籽率,%

nl——测区内晾籽数

nb——测区内播种总数

4.3 试验结果及分析

4.3.1 机具通过性

在刀齿入土深度50 mm条件下,作业速度为5.4 km/h和7.2 km/h时,均未出现轻微堵塞、中度堵塞、重度堵塞情况,即无堵塞情况发生,说明清秸覆秸装置清秸效果显著,机具通过性良好,作业稳定。

4.3.2 播种均匀性

大豆和玉米播种均匀性测定结果如表8所示。作业速度越大时,大豆、玉米粒距合格指数越小,重播指数越小,漏播指数越大,变异系数越大;整体上玉米粒距合格指数比大豆高,重播指数、漏播指数、变异系数均比大豆低。当作业速度7.2 km/h、大豆粒距8 cm、玉米粒距10 cm时,大豆、玉米粒距合格指数分别为79.50%、88.66%,重播指数分别为4.03%、3.66%,漏播指数分别为16.48%、7.68%,变异系数分别为28.49%、21.31%,大豆和玉米播种各性能指标均达到国家标准优等品水平。

4.3.3 播种深度、施肥深度和种肥水平间距

播种深度、施肥深度和种肥水平间距测定结果如表9所示。大豆播种深度、玉米播种深度及施肥深度合格率在不同作业速度下相同,种肥水平间距合格率随作业速度增加而降低。作业速度7.2 km/h时,大豆播深合格率90%,玉米播深合格率90%,施肥深度合格率80%,种肥水平间距合格率80%,播深合格率达到国家标准一等品水平(≥85%),播种单体作业稳定,仿形机构对地表起伏适应力强,播深一致性较好,施肥位置满足带状复合种植农艺要求,种子养分得以供应。

覆秸匀度测定结果如表10所示。覆秸匀度随作业速度增加而降低。作业速度7.2 km/h时,覆秸匀度88.97%,满足行业标准。清秸覆秸装置侧向覆秸效果显著,雨后水分打在秸秆上并渗入土壤中滋润种子,为大豆和玉米出苗提供优质条件。

播后观测区域内晾籽情况,地表和秸秆上方未发现晾籽,说明清秸覆秸装置对秸秆残茬侧清效果显著,为开沟播种提供优质种床条件,有效避免种子落在秸秆上;开沟器开沟宽度小,回土效果好;覆土镇压器覆土能力强、镇压效果好,土壤稳定覆盖至已播种子上方,有效避免种子落在地表上。

5 结论

(1)设计了一种玉豆带状复合种植免耕精量播种覆秸一体机,在原茬地条件下,一次进地可同步完成清秸防堵种床整备、玉豆精量播种施肥、秸秆均匀覆盖等多项作业。

(2)建立了清秸覆秸装置-秸秆-土壤离散元仿真模型,得到清秸覆秸装置优化参数组合为螺旋线头数3、残茬抛撒控制板倾角90°、作业速度9.9 km/h、刀轴转速625 r/min。田间试验验证优化后的清秸覆秸装置清秸率为91.03%、覆秸匀度为87.05%、当量功耗为9.79 kW。

(3)田间性能试验结果表明,在机收经粉碎秸秆残留量为1.48 kg/m2玉米原茬地条件下,当作业速度7.2 km/h、大豆粒距8 cm、玉米粒距10 cm、刀齿入土深度50 mm时,机具通过性良好,大豆、玉米粒距合格指数分别为79.50%、88.66%,重播指数分别为4.03%、3.66%,漏播指数分别为16.48%、7.68%,变异系数分别为28.49%、21.31%,大豆、玉米播深合格率90%,施肥深度合格率80%,种肥水平间距合格率80%,覆秸匀度88.97%,播后田间无晾籽现象。各项指标满足大豆玉米带状复合种植农艺要求。

[1] 刘燕,陈彬,于庆旭,等. 大豆玉米带状复合种植机械化技术与装备研究进展[J]. 中国农机化学报,2023,44(1):39-47.
LIU Yan, CHEN Bin, YU Qingxu, et al. Research progress on mechanized technology and equipment for soybean and corn strip compound planting[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2023,44(1):39-47. (in Chinese)

[2] 杨钰莹,司伟. 大豆玉米带状复合种植:技术模式、成本收益与补贴政策[J]. 农业经济问题,2023(1):49-63.
YANG Yuying, SI Wei. Soybean-corn strip cropping: technology models, cost-benefits and subsidy policies[J]. Issues in Agricultural Economy,2023(1):49-63. (in Chinese)

[3] 任定林,刘涛,夏守浩,等. 玉米大豆兼用腔盘组合孔式排种盘设计与充种性能试验[J]. 农业机械学报,2024,55(2):73-89.
REN Dinglin, LIU Tao, XIA Shouhao, et al. Design and seed filling performance experiment of combined hole-type seed tray with cavity disk for corn and soybean[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2024,55(2):73-89. (in Chinese)

[4] 崔文芳,秦德志,陈静,等. 玉米大豆不同间作系统光合特性与产量边际效应[J]. 农业机械学报,2023,54(8):309-319.
CUI Wenfang, QIN Dezhi, CHEN Jing, et al. Photosynthetic characteristics and yield marginal effects of different intercropping systems of corn and soybean[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2023,54(8):309-319. (in Chinese)

[5] 郝月振. 周口市玉米大豆带状复合种植技术推广研究[D]. 郑州:河南农业大学,2023.
HAO Yuezhen. Research on the promotion of corn-soybean strip compound planting technology in Zhoukou City[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University,2023. (in Chinese)

[6] 孙景彬,刘志杰,杨福增,等. 丘陵山地农业装备与坡地作业关键技术研究综述[J]. 农业机械学报,2023,54(5):1-18.
SUN Jingbin, LIU Zhijie, YANG Fuzeng, et al. A review of key technology research on agricultural equipment and slope operations in hilly mountainous areas[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2023,54(5):1-18. (in Chinese)

[7] 任领,张黎骅,丁国辉,等. 2BF-5型玉米-大豆带状间作精量播种机设计与试验[J]. 河南农业大学学报,2019,53(2):207-212,226.
REN Ling, ZHANG Lihua, DING Guohui, et al. Design and experiment of 2BF-5 corn-soybean strip intercropping precision planter[J]. Journal of Henan Agricultural University,2019,53(2):207-212,226. (in Chinese)

[8] 武晓莉,贺龙云,姚晶晶,等. 施氮量对新增耕地肥料利用及大豆产量的影响[J]. 水土保持研究,2016,23(2):106-110,116.
WU Xiaoli, HE Longyun, YAO Jingjing, et al. Effect of nitrogen application on fertilizer use and soybean yield in additional cropland[J]. Research of Soil and Water Conservation,2016,23(2):106-110,116. (in Chinese)

[9] 杨昌敏,赵帮泰,程方平,等. 大豆玉米复合种植施肥播种一体机研究[J]. 南方农机,2022,53(19):5-7.
YANG Changmin, ZHAO Bangtai, CHENG Fangping, et al. Research on soybean and corn compound planting fertilizer application and seeding integrated machine[J]. China Southern Agricultural Machinery,2022,53(19):5-7. (in Chinese)

[10] 薛荣. 大豆玉米带状复合种植精量播种机的设计研究[J]. 农业开发与装备,2023(7):139-142.
XUE Rong. Research on the design of precision planter for soybean and corn strip compound planting[J]. Agricultural Development &Equipments,2023(7):139-142. (in Chinese)

[11] 吴维雄,罗锡文,杨文钰,等. 小麦-玉米-大豆带状复合种植机械化研究进展[J]. 农业工程学报,2015,31(增刊1):1-7.
WU Weixiong, LUO Xiwen, YANG Wenyu, et al. Research progress on mechanization of wheat-corn-soybean strip compound planting[J]. Transactions of the CSAE,2015, 31(Supp.1): 1-7.(in Chinese)

[12] 齐彦栋,金诚谦,刘岗微,等. 大豆玉米带状复合种植全程机械化关键技术与装备[J]. 中国农机化学报,2023,44(1):14-24.
QI Yandong, JIN Chengqian, LIU Gangwei, et al. Key techniques and equipments of the whole-process mechanization for soybean and corn strip compound planting system[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2023,44(1):14-24. (in Chinese)

[13] 中华人民共和国农业农村部. 玉米-大豆带状复合种植技术规程:NY/T 2632—2021[S]. 北京:中国农业出版社,2021.

[14] 顿国强,陈海涛,李昂,等. 刀齿排布旋向对免耕覆秸精播机清秸单体性能的影响[J]. 农业工程学报,2015,31(12):48-56.
DUN Guoqiang, CHEN Haitao, LI Ang, et al. Effect of rotation direction of knife teeth configuration on clearing straw unit performance for no-tillage and straw mulching precision seeder[J]. Transactions of the CSAE,2015,31(12):48-56. (in Chinese)

[15] 陈海涛,魏志鹏,苏文海,等. 前置式大垄原茬地种床整备装置设计与试验[J]. 农业机械学报,2021,52(10):51-60,73.
CHEN Haitao, WEI Zhipeng, SU Wenhai, et al. Design and experiment of cleaning and anti-blocking of front-mounted seed bed preparation device for grand ridge with raw stubble[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2021,52(10):51-60,73. (in Chinese)

[16] 付国占,李潮海,王俊忠,等. 残茬覆盖与耕作方式对土壤性状及夏玉米水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报,2005,21(1):52-56.
FU Guozhan, LI Chaohai, WANG Junzhong, et al. Effects of stubble mulch and tillage managements on soil physical properties and water use efficiency of summer maize[J]. Transactions of the CSAE,2005,21(1):52-56. (in Chinese)

[17] 杨立权,王万章,张红梅,等. 切流-横轴流玉米脱粒系统改进设计及台架试验[J]. 农业工程学报,2018,34(1):35-43.
YANG Liquan, WANG Wanzhang, ZHANG Hongmei, et al. Improved design and bench test based on tangential flow-transverse axial flow maize threshing system[J]. Transactions of the CSAE,2018,34(1):35-43. (in Chinese)

[18] 王汉羊. 2BMFJ-3型麦茬地免耕覆秸大豆精密播种机的研究[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2013.
WANG Hanyang. Study on 2BMFJ-3 type no-till soybean precision planter with straw-covering in wheat stubble fields[D]. Harbin:Northeast Agricultural University,2013. (in Chinese)

[19] YANG J Y, DRURY C F, YANG X M, et al. Estimating biological N2 fixation in Canadian agricultural land using legume yields[J]. Agriculture, Ecosystems &Environment,2010,137(1/2):192-201.

[20] 杜勇芝,汪宏伟. 大豆玉米带状复合种植技术分析[J]. 南方农机,2022,53(14):93-95,123.
DU Yongzhi, WANG Hongwei. Analysis of soybean and corn strip compound planting technology[J]. China Southern Agricultural Machinery,2022,53(14):93-95,123. (in Chinese)

[21] 刘艳芬,林静,李宝筏. 轻量化玉米垄作免耕播种机设计与试验[J]. 农业机械学报,2017,48(11):60-69.
LIU Yanfen, LIN Jing, LI Baofa. Design and experiment on lightweight maize ridge planting no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017,48(11):60-69. (in Chinese)

[22] 吴硕. 2BT-4型荞麦燕麦精量播种机的设计研究[D]. 太原:山西农业大学,2022.
WU Shuo. Research on the design of 2BT-4 buckwheat and oat precision seeder[D]. Taiyuan:Shanxi Agricultural University,2022. (in Chinese)

[23] XU J, SUN S L, HE Z K, et al. Design and optimisation of seed-metering plate of air-suction vegetable seed-metering device based on DEM-CFD[J]. Biosystems Engineering,2023,230:277-300.

[24] 牛媛媛,徐铭辰,陈海涛,等. 2BMFJ-6型麦茬地大豆免耕覆秸播种机适应性研究[J]. 大豆科学,2015,34(3):497-502.
NIU Yuanyuan, XU Mingchen, CHEN Haitao, et al. Study on the adaptability of 2BMFJ-6 type no-till soybean precision planter with straw-covering in wheat stubble fields[J]. Soybean Science,2015,34(3):497-502. (in Chinese)

[25] 徐源. 三向可调式V型覆土镇压器设计及其防粘技术研究[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2018.
XU Yuan. Three-directional adjustable V-type soil-covered roller design and research on anti-sticky technology[D]. Harbin:Northeast Agricultural University,2018. (in Chinese)

[26] 孙雪松.马铃薯播种机螺旋推进式排肥器的研究与试验[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2015.
SUN Xuesong. Research and experiment on screw-propelled fertilizer discharger for potato planter[D]. Harbin:Northeast Agricultural University,2015. (in Chinese)

[27] 王韦韦. 麦秸覆盖地玉米免耕播种机秸秆壅堵机理与防堵技术研究[D]. 合肥:安徽农业大学, 2019.
WANG Weiwei. Study on blocking mechanism and anti-blocking technology of maize no-tillage used wheat straw returned field[D]. Hefei:Anhui Agricultural University,2019. (in Chinese)