0 引言
玉米是东北地区的主要农作物之一[1]，经过多年的生产实践，形成了以垄作为主的作业方式[2]。采用垄作方式主要有以下技术优点：增加土地的地表面积，有利于提高地温[3]；提高土壤有机质含量，改良土壤结构[4]；坡岗横垄可拦截自然降雨，降低土壤侵蚀；有利于旱涝综合治理[5]和土壤水气调节[6-7]。传统的机械化垄播作业为灭茬后打垄、垄上机播，或灭茬平播后中耕起垄，该方式会增加机器进地次，破坏土壤物理结构；频繁扰动土壤，容易造成失墒[8-9]。针对机器多次进地的问题，国外对垄作播种机进行了较多研究，但多以小麦多行垄作播种机为主，这些播种机具整体体积和质量都较大，且大多都只能在前期经过耕作处理的土地上完成播种作业[10]。国内的科研工作者对耕整地联合作业机进行了大量的研究。如车刚等[11]、张欣悦等[12-13]设计的旋耕灭茬整地机，贾洪雷等[14-15]设计的行间耕整机及耕播联合作业机，佘冬立等[16]设计的耕作施肥一体机，何进等[17]设计的固定垄起垄机等，能够将灭茬、整地、起垄、播种中的部分作业环节相结合，提高了作业效率。针对垄上播种的问题，罗红旗等[18]，李复辉等[19]，刘庆福等[20]设计了垄作播种机等机具，在整地起垄后进行垄上播种。除此之外，朱国辉等[21]设计了基于固定道技术的固定垄免耕播种机，该机保持永久垄形，播种时仅对垄进行修复；张伟等[22]设计了基于大豆暗垄种植技术的多功能播种机。但是传统联合作业方式将耕整和播种环节相分离，播种时对行难度大，破坏垄形，影响播种质量，而固定道起垄播种和暗垄种植技术对现有的作业方式改变较大，存在技术要求复杂、推广成本较高等问题。为解决上述问题，本文针对东北地区的农艺要求设计了2BYMQF-4型玉米灭茬起垄施肥播种机，通过经验设计和理论计算，对机构进行运动学、静力学分析，对整机进行稳定性分析和性能试验，以期达到灭茬、播种、起垄和镇压一次完成，播种后种床松软、表土坚实、种深一致、垄形规则的作业效果。
1 玉米灭茬起垄施肥播种机总体构造与工作原理
1.1 总体结构
图1（略）为2BYMQF-4型玉米灭茬起垄施肥播种机，主要由旋耕灭茬机构、施肥播种机构、起垄机构等组成，主要技术参数如表1所示。该机灭茬机构前方装有限深轮；灭茬刀采用间隔式布置，只对播种苗带进行灭茬作业，每个灭茬带上的灭茬刀相向对称布置；施肥采用外槽轮排肥器和箭铲式开沟器；播种采用带有7档变速箱的勺轮式精密排种器和双圆盘式开沟器；起垄机构采用双圆盘覆土器与铧式培土器相结合的形式；镇压轮采用宽幅柔性镇压，高度可调，以便控制播种深度；地轮高度可根据需要进行调节；灭茬机与播种机之间、播种单体与机架之间均采用平行四边形机构连接。
1.2 工作原理
玉米灭茬起垄施肥播种机的灭茬部分动力由拖拉机动力输出轴提供，通过高速旋转的灭茬刀将前茬作物的秸秆打碎或打成较小的根块；施肥和播种开沟器在机具前进过程中开沟，排肥器和排种器的动力由地轮通过链传动提供，在地轮驱动下将种肥排下；双圆盘覆土器安装在勺轮排种器后部，将苗带上松软的土壤聚拢起来，为种子覆土，播种单体的后端为高度可调的镇压辊，镇压辊采用宽幅柔性镇压机构，可以上下调节镇压轮以限定种子播深；铧式培土器通过顺梁安装在机架上，在覆土后起垄。本机采用复式起垄方法，即首先通过灭茬机刀片的安装位置和安装方式完成定向抛土，将灭茬带上的表土抛向灭茬带中间，形成垄、沟的雏形，并形成松软的种床环境；完成施肥、播种后，由双圆盘覆土器将种沟两侧松软的土壤聚拢在垄顶，完成覆土并形成较高的垄台；再由铧式培土器将垄沟内较硬的土壤翻开，并在两侧犁壁的作用下将土垡推至之前形成的垄体两侧，形成近似等腰梯形的原始垄形；最后，由宽幅柔性镇压辊对垄顶进行镇压，形成较为紧实的表层土壤环境，有利于种子的发芽和植株抗倒伏，同时，防止水蚀、风蚀等环境灾害。
2 关键部件的参数设计
2.1 中间连接装置
2BYMQF-4型玉米灭茬起垄施肥播种机播种部分与灭茬部分采用平行四边形仿形机构和补偿式三点悬挂连接机构。若将灭茬机视为固定件，则播种机部分可简化为图2所示（略）。该机构的自由度为
F=3n−2Pl−Ph （1）
式中F为自由度数量；n为活动构件数量；Pl为低副数量；Ph为高副数量。
图2中，活动杆件数量为4个，各铰接点均为低副，共3个。当补偿悬挂机构上悬挂点O位于长孔中部时，上拉杆与悬挂机具连接处为高副，机构自由度为1，地轮可依据地形自由仿形，并保持机身后半部与地面平行，同时播种单体也能独立仿形。当该点位于长孔两端时，上拉杆与悬挂机具连接处变为低副，机构自由度为0，机构为刚性连接，播种机整机不再仿形，但播种单体仍然能够独立仿形。
2.2 灭茬机构
2.2.1 灭茬带宽度
灭茬机构采用对行灭茬，只对需要播种和起垄的条带进行灭茬作业。灭茬宽度为
L≤P≤L+2htanα （2）
式中L为垄顶宽度，mm；h为垄高，mm；α为土壤自然休止角，通常为33°～37°；P为灭荐宽度，mm。根据农艺要求，设计作业垄顶宽为250mm，垄高为100mm，则灭茬带宽度应为250mm≤P≤515～557mm，本机采用通用四行灭茬刀轴，左右半轴共有18个刀盘，安装时每个半轴中间的5号刀盘空开，共形成4个灭茬带，每个灭茬带宽度为416mm。
2.2.2 灭茬刀速度
灭茬刀切削点的运动速度为
vx=dx/dt=vm-ω·R·sin(ω·t) (3)
vy=dy/dt=ω·R·cos(ω·t)
式中vx为灭茬刀切削点的水平速度分量，m/s；vy为灭茬刀切削点的竖直方向速度分量，m/s；vm为机具前进速度，m/s；ω为刀片角速度，rad/s；R为刃部回转半径，m；t为时间，s。灭茬刀作业过程中，切削主要发生在土壤表面及土壤内部，即
（4）式中（略），影响除茬作业的因素为水平方向速度分量vx[23-24]。根据现有机具的设计经验和灭茬作业的要求，本机设计R为250mm，灭茬深度为100mm，设计转速n为415r/min，由机组前进速度为1.11～1.67m/s，计算可得vx的值为7.02～7.58m/s，大于切断根茬所需的临界速度5m/s,满足设计需求。
2.2.3 灭茬刀与灭茬进距
本机采用L型灭茬刀，分为左型和右型2种刀片，其结构对称。其中左型灭茬刀片的结构如图3所示（略）。灭茬刀的进距可用式（5）计算
S=6000vm/n·z （5）
式中S为灭茬刀进距；z为每个刀盘上的刀片数。设计每个刀盘上的刀片数为6，计算得S为2.67～4.02cm，符合秸秆长度<>
2.2.4 灭茬刀在刀辊上的排列
本机采用通用四行灭茬刀轴，该刀轴半轴的结构如图4所示（略）。刀片在灭茬宽度内的4个刀盘上对称排列，每个刀辊上的刀在展开图上呈螺旋线排列[25]，左右刀辊互相对称，其展开如图5所示（略）。
2.3 播种单体与镇压机构
本机播种单体包括平行四边形独立仿形机构、双圆盘开沟器、种箱、变速箱、勺轮式排种器、双圆盘覆土器及宽幅柔性镇压辊。播种单体的结构如图6所示（略）。播种单体采用平行四边形独立仿形结构，排种器由地轮驱动，运动通过链传动经排种排肥轴到达排种器变速箱，该变速箱具有7个档位，可根据需要调节株距。本机采用双圆盘覆土器。该结构形式有2个作用：播种后进行覆土；将灭茬后地表松软的土壤聚拢起来，形成较高的垄台。双圆盘采用阻尼仿形安装，可根据地形上下浮动，并由压缩弹簧增加对地压力，以增强刮土能力。圆盘沿机组前进方向和竖直方向的开度可根据需要进行调节，单个覆土圆盘沿前进方向开度调节范围为0～60°，下端向外侧开度调节范围为−5°～55°。单体后面的镇压辊由丝杠1、摇把2、摇把定位卡3、方头紧定螺钉4、镇压轮柄焊合5、镇压轮圈焊合6、刮土板焊合7、胶胎8和镇压辊轴系9组成，如图7所示（略）。镇压辊可在播种、起垄后对垄台进行镇压，并将垄顶较大的土块压碎，有利于出苗。宽幅结构可以为单体提供足够的支承反力，保证播种单体有效仿形。胶胎镇压辊的高度可调，调节范围为150mm，可通过调节镇压辊位置高低来调节播种开沟深度，从而控制播深。
2.4 起垄机构
除了灭茬刀辊的定向抛土起垄作用、双圆盘覆土器的刮土起垄作用外，本机的主要起垄部件为铧式培土器。铧式培土器主要将未耕作区域的土壤翻起，并通过翼部将土块培起并压碎，从而形成规则的垄形。铧式培土器和机架是本机的主要受力部件，所以需要对其进行应力分析[26-29]。培土器铲尖受力如图8所示（略）。
公式（6）～（19）略。
通过有限元分析软件PATRAN/NASTRAN对机架和培土器进行应力分析的结果如图9所示（略）。应力最大点为起垄铲库与顺梁焊接处，最大应力76.3MPa，低于材料的许用应力。最大变形点为铲尖处，最大变形2mm。机具在作业过程中不会因为应力过大而产生较大的变形或破坏。
3 动力配备及稳定性分析
3.1 动力配备
本机的功耗分为两大部分：牵引机具的动力消耗和动力输出轴驱动灭茬机的动力消耗。由经验公式可知，拖拉机与动力输出轴驱动和牵引复合机具配套时
pdmax(≥(1.1～1.2)｛pn+[(Fn+ms·g·f)v]/3600｝ (20)
式中Pdmax为拖拉机最大动力输出功率，kw；Pn为机具动力输出轴平均功率消耗，kw；Fn为机具的平均牵引阻力，N；ms为拖拉机使用质量，kg；f为拖拉机滚动阻力系数，茬地为0.8～1.0；v为实际作业速度，km/h。本机拖拉机动力输出轴的功率消耗主要用于灭茬机的清茬作业，其功耗可根据经验公式进行计算[30]
Pn=0.1kλ·d·v0·B （21）
式中d为耕深，本机为10cm；B为耕幅，本机为1.664m；Kλ为旋耕比阻，该机灭茬作业时阻力较大，旋耕比阻取为12N/cm2。计算可得，灭茬机动力消耗为33.35kW。该播种机的牵引工作阻力包括铧式培土器的工作阻力和施肥播种开沟器的工作阻力。由于该机地轮承重较小，地轮的的滚动阻力和部件的传动阻力相比于铧式培土器和开沟器的阻力要小很多，此处忽略不算。
由上文公式推导和计算可知，铧式培土器的工作阻力为
Fh=n⋅(W+F′) （22）
式中Fh为铧式培土器的工作阻力，N；n为培土器数量。则铧式培土器所受的总阻力Fh为8530N。
双圆盘式开沟器的阻力为80～160N，施肥开沟器开沟深度为100mm时工作阻力约为120N。计算可得F2为1120N，Fn为9650N。代入式（20）可得本机所需的最小动力配备为56.5～61.6kw。
3.2 稳定性分析
后悬挂农机降低了拖拉机的纵向稳定性，尤以运输状态最为危险，悬挂农机的极限质量可通过式（23）进行计算
Mmax=0.4Ms·a/b （23）
式中Mmax为悬挂农具的极限质量，kg；Ms为拖拉机的使用重量，kg；a为拖拉机重心到驱动轮支撑点间的水平距离，mm；b为悬挂农具中心到驱动轮支撑点间的水平距离，mm。
通过虚拟样机技术对本机进行质量特性分析可得，运输状态时，该机质心位置与下悬挂点的水平距离为1910mm。本机使用迪尔904拖拉机进行计算，Ms为4650kg，a为1100mm，计算可得Mmax为1071kg大于本机的实测重量为960kg，可判定该机纵向稳定性满足要求，但稳定性储备系数较低，作业时最好配备较大马力的拖拉机。综合以上分析可得，该机的动力配备须大于66.2kw。
4 试验与分析
4.1 试验条件
2015年4月23日在吉林农业大学试验农场进行了玉米灭茬起垄施肥播种机的作业性能试验，试验地土壤类型为黑土，土壤全耕层绝对含水率平均为14.2%，全耕层土壤坚实度平均531.1kPa。试验地测区长度为50m，两端预备区长度为20m。测区前茬作物为玉米，根茬密度为3.8个/m，根茬平均高度为37.22mm，耕前垄高、垄顶宽、垄间距均值分别为55、242和649mm。样机试验情况如图10所示（略）。
4.2 试验方法
按照国家标准GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，机械行业推荐标准JB/T8401.2-2007《旋耕联合作业机旋耕深松灭茬起垄机》和JB/T8401.3-2001《根茬粉碎还田机》对玉米灭茬起垄施肥播种机的相关性能进行了检测，检测内容主要包括根茬粉碎率，垄高、垄顶宽、垄间距合格率，田间播种均匀性，播种、施肥深度一致性，种肥间距等[31]。
4.2.1 根茬粉碎率
每个行程测一个点，每点取“一个工作幅宽×1m”的面积，测定地表和灭茬深度范围内所有根茬，根茬长度≤5cm为合格（不包括根须长度），测定总的根茬质量和其中的合格根茬的质量，测定5次，按下式计算根茬粉碎率，并求出平均值。根茬粉碎率=（合格根茬的质量/总的根茬质量）×100%。
4.2.2 垄高、垄顶宽和垄间距合格率
垄高合格率：每个行程测定五点，每点测量一个工作幅宽，以当地农艺要求的垄高(A±3)cm为合格；垄顶宽合格率：每个行程测定五点，每点测定一个工作幅宽，以当地农艺要求的垄顶宽(B±3)cm为合格；垄间距合格率：每个行程测定五点，每点测量一个工作幅宽，以当地农艺要求的垄间距(C±3)cm为合格。
4.2.3 田间播种均匀性
按GB/T6973-2005中规定进行。播种均匀性实验应在往返各一个单程内预先选定好的5个小区上进行，播种机4行应全部测试。播种均匀性测定应在播种当时测定，测定区域段内不覆土，测定长度大于种子的250粒距长度。计算平均粒数，重播数，漏播数，合格数，区间数，平均合格粒距，合格指数，重播指数，漏播指数，标准差，变异系数。
4.2.4 播种、施肥深度一致性
播种覆土后，扒开土层，测定种子（肥料）上方覆盖土层的厚度，在预先交错选定好的5个小区内进行，各小区内每行测5点，将结果计入实验报告，计算平均值、标准差和变异系数。同时测定种子与肥料的相对位置，即将土层横断面切开，测出土层与肥料相隔的土层厚度，以及种子重心与肥料重心之间的水平和垂直距离。
4.3 试验结果与分析
4.3.1 根茬粉碎率
在5次根茬粉碎率测定中，根茬粉碎状况较好，平均根茬粉碎率为88.2%。
4.3.2 垄高、垄顶宽和垄间距合格率
本试验取A=130mm；B=260mm；C=650mm。垄高、垄顶宽和垄间距测定结果如表2所示，由试验结果可知，试验样机起垄较为规则，垄形一致性较好，起垄的垄高、垄顶宽、垄间距合格率分别达到95%、90%和90%。
4.3.3 田间播种均匀性
播种试验时，地轮轴链轮、中间轴链轮、排种器轴双链轮齿数分别为9、12和16，排种器变速箱档位放在5档。试验测定的数据统计可知，该机排种均匀性较好，粒距合格指数92%，标准差43.65，变异系数5.24，漏播指数4%，重播指数4%，满足设计要求。
4.3.4 播种、施肥深度一致性
通过测量，种子、肥料的深度和种肥间距如表3所示，种子、肥料的平均深度分别为56.22和114.36mm，变异系数为10.07和10.28。种、肥的水平间距和垂直间距分别为74.52和58.14mm。能够满足种子发芽和生长所需的条件。
5 结论
1）将耕整地联合作业机与精密播种机有机结合，设计了能够一次性完成灭茬、起垄、施肥、精密播种和镇压等作业的灭茬起垄施肥播种机，能够有效的减少作业次数，提高作业效率。
2）提出了旋耕灭茬、复式起垄的联合整地作业方法，作业后根茬破碎，垄形规则，该机的根茬粉碎率为88.2%，起垄的垄高、垄顶宽、垄间距合格率分别达到95%、90%和90%。
3）玉米灭茬起垄施肥播种机的作业性能试验表明，该机播种效果较好，粒距合格指数92%，种、肥深度平均56.22和114.36mm，变异系数为10.07和10.28。各项指标能够较好地满足设计要求。
付乾坤1, 荐世春1, 贾洪雷2, 赵文罡3, 吕爱民1, 位国建1
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