固定道小麥免耕寬幅播種機的研制與試驗

王樹東，鄢雄磊，李問盈，王憲良，魏忠彩，王 浩

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

0 引言

國內旱地種植區降雨少而蒸發量大，土壤有機質含量較低。農機具田間作業往往會對土壤造成不同程度的壓實破壞，土壤板結影響作物后續生長，甚至會導致作物減產[1-2]。將保護性耕作技術與固定道技術相結合可充分發揮兩者的正效益[3-4]，有利于避免土壤壓實帶來的負面影響。隨著土地流轉的進行,現階段應用該項技術的播種機幅寬較小[5-8]，尚無法滿足現實的作業需求[9]。

目前，在國內小麥玉米一年兩熟輪作區還存在種床覆蓋大量秸稈影響作物出苗等問題，且現有的清茬播種機播后種床秸稈殘留率高[10]、結構復雜[11]。為充分發揮保護性耕作技術與固定道技術相結合的優勢，研制了一種固定道小麥免耕寬幅播種機，利用種管的熱彎段實現種管的仿形限深作用。整機簡單緊湊，可靠性好；破茬開溝裝置可實現對部分秸稈的砍切分段，并將覆蓋在壟溝上的秸稈分攏至壟背，從而形成清潔的種床，以確保較高的出苗率。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

研制的固定道小麥免耕寬幅播種機主要由種肥箱、變速箱、機架、破茬開溝裝置、播種單體、行走機構和鎮壓輪總成等組成，如圖1所示。

1.種肥箱 2.變速箱 3.機架 4.破茬開溝裝置 5.施肥播種單體 6.行走機構 7.鎮壓輪總成圖1 播種機結構簡圖Fig.1 The structure of the planter

1.2 工作原理及技術參數

田間作業時，機具質量主要由鎮壓輪總成承擔。拖拉機行走在固定道上，三點懸掛系統處于浮動狀態。拖拉機的后置輸出軸傳遞動力至播種機變速箱，再由變速箱帶動兩側的破茬開溝裝置旋轉；破茬開溝裝置上安裝的梯形刀對種床上的秸稈等進行砍切，防止其堵塞在開溝器前方，并將秸稈拋撒至壟背，實現種床秸稈的清理。施肥播種單體開出一條肥溝并在兩側各播種一行小麥。鎮壓輪總成可對種床進行鎮壓，形成良好的溝形；同時，鎮壓輪也作為地輪使用，驅動排種排肥器；最后，鎮壓輪可對大部分被向后拋起的秸稈進行運動干涉，阻止秸稈向壟溝運動并使其掉落至壟背，降低了種床秸稈殘留率。

非田間作業時，機具質量主要由行走機構承擔，液壓缸驅動行走輪遠離機架而向下運動，行走輪觸地后機具受到液壓缸的反作用而向上運動，使機架等遠離地面。固定道小麥免耕寬幅播種機技術參數如表1所示。

表1 固定道小麥免耕寬幅播種機技術參數Table 1 The technical parameters of the controlled traffic no-tillage wheat wide planter

2 關鍵部件設計

2.1 施肥播種單體

施肥播種單體主要由施肥鏟、限位螺栓、左種管、右種管、上仿形連桿、拉簧、鉸接螺栓和下仿形連桿等組成，如圖2所示。

1.鋼帶 2.施肥鏟 3.限位螺栓 4.前接板 5.上仿形連桿 6.左種管 7.右種管 8.拉簧 9.后接板 10.鉸接螺栓 11.下仿形連桿 12.擋草板圖2 施肥播種單體結構簡圖Fig.2 The structure of the fertilizer and sower unit

施肥鏟依靠U型卡固定在中間橫梁上，施肥鏟前端焊接的鋼帶與刀軸軸線的距離小于刀尖的回轉半徑，與刀片形成動定刀組合，可清除施肥鏟鏟柄前堵塞的秸稈。施肥鏟的后端焊接有4mm厚的前接板，前后接板上各布置有1個限位螺栓，用以限制連桿的擺角。連桿材料選用截面為40mm×30mm的方管，并利用前后接板對連桿進行橫向限位，保證種管的橫向穩定性。

四連桿形成的空間相對封閉，掛草風險較低。彈簧依靠上、下仿形連桿內側的系列小孔實現彈簧拉力的多級調節。在種管的熱彎段前方設有擋草板，防止土壤和秸稈在該處堵塞。另外，兩根熱彎鋼管構成左右種管，鋼管的下段采用熱彎工藝處理，彎曲的外表面在鋼管重力和彈簧壓力的作用下可以保證田間作業時順滑地緊貼于地表，不會深陷土壤中，可實現同位仿形的功能。

2.2 破茬開溝裝置

破茬開溝裝置的核心零件為砍切刀片，可將秸稈切斷并拋撒。秸稈受力分析如圖3所示。

圖3 秸稈受力分析Fig.3 Force analysis of the stalk

由圖3得

Fp1=Fp·cosγ

(1)

Fp2=Fp·sinγ

(2)

式中Fp—側刃對秸稈的支持力 (N)；

Fp1—Fp的水平分力 (N)；

γ—刀片折角 (°)；

Fp2—Fp的豎直分力 (N)；

Fk—秸稈砍切力 (N)。

在破茬和開溝階段，秸稈砍切力Fk發揮著主要作用；在秸稈拋撒階段，秸稈砍切力Fk及側刃對秸稈的支持力Fp的水平分力Fp1主要提供秸稈向后及向上運動的力，是實現秸稈拋撒的重要作用力；側刃對秸稈的支持力Fp的豎直分力Fp2提供分草的作用力，即秸稈向壟背運動的橫向力，是完成種床清理的關鍵作用力。

破茬開溝裝置具有滅茬、開溝和秸稈拋撒的功能，主要由刀片、刀盤、刀軸和防纏帶等組成，如圖4所示。

1.刀片 2.刀盤 3.刀軸 4.防纏帶圖4 破茬開溝裝置Fig.4 The Stubble breaking ditching device

由于固定道上不耕作，故該部分未設置刀盤。為降低單軸的軸向力，單軸上以6°等分角向左和向右安裝的刀片相繼入土；為降低機具的側向力，左右兩軸上的刀片接近對稱安裝；為使刀軸周向受力均勻，同一刀盤上的6把刀片均布安裝；為增強刀軸的強度和剛度，減少刀軸的跳動以及機具的震動，防止免耕作業時秸稈雜草等纏繞在刀軸上，在相鄰兩刀盤之間對稱焊接2條防纏帶。相鄰且成對的兩刀盤(見圖5刀盤A和a)合力開出一條壟溝，形成窄行種帶。

圖5 左側破茬開溝裝置的刀片排布Fig.5 The arrangement of blades on the left stubble breaking ditching device

由于整機的幅寬較大，若采用側傳動則要求刀軸具有較高的強度和剛度，為此采用中間傳動的方式，以降低刀軸的軸徑要求和徑向跳動。左側破茬開溝裝置的刀片排布如圖5所示。右側破茬開溝裝置的刀片先與左側對稱排布，再錯開1/2個等分角安裝，最終120把刀片以3°相位差相繼入土，削弱整機的偏轉力矩和功耗，提高縱向行駛穩定性。

2.3 行走機構

考慮到拖拉機的提升能力有限，機具需采用半懸掛的作業方式。為此，設計獨立的液壓系統控制行走輪和機架的相對運動，以實現機架的下降和提升。行走機構作業時處于固定道正上方，行走輪與拖拉機后輪的輪距等寬。行走機構與機架的連接主要是通過焊接在前梁上的接板，以及焊接在中間橫梁和后梁之間的支撐板實現。

行走機構的動力傳遞路線是：拖拉機后置液壓接口—液壓油管—液壓油缸—行走輪臂—行走輪。田間作業時，行走輪在液壓油缸的帶動作用下向上運動至上止點(如圖6實線所示)，此時鎮壓輪觸地，以此實現機架的下降。

1.行走輪臂 2.接板 3.前橫梁 4.拉筋 5.中間橫梁 6.支撐板 7.液壓油缸 8.后梁 9.行走輪圖6 行走機構結構簡圖Fig.6 The structure of the walking mechanism

當機具在地頭或者道路上運輸時，行走輪會在液壓油缸的帶動下向下運動至下止點(如圖6虛線所示)，此時行走輪觸地，鎮壓輪離地，以此實現機架的提升。行走機構的部分設計參數如表2所示。

2.4 鎮壓輪總成

2.4.1 鎮壓輪

鎮壓輪具有鎮壓和驅動排種排肥的功能。結合圖7 對秸稈運動軌跡的分析知，鎮壓輪可以對向后拋起的秸稈進行運動干涉，使其掉落至壟背。

表2 行走機構設計參數

Table 2 Design parameters of the walking mechanism

性能指標單位數值液壓缸動作時間s1工作時行走輪離地間隙mm100非工作時鎮壓輪離地間隙mm200行走機構承載能力kg2592

1.破茬開溝裝置 2.施肥播種單體 3.秸稈 4.鎮壓輪圖7 秸稈運動軌跡Fig.7 The trajectories of the stalks

播種機作業時機架與地面的距離為440mm，為防止秸稈越過鎮壓輪頂部掉入壟溝，設計鎮壓輪的直徑為460mm，頂部略高于機架。小麥的窄行幅寬為120mm，為確保對種床的鎮壓效果，設計鎮壓輪寬150mm。鎮壓輪與土壤接觸部位采用凸圓弧結構，鎮壓后壟溝截面為圓弧狀，有利于保持壟形。設計時避免鎮壓輪與刀軸距離過遠，導致刀片拋撒的秸稈大量落入壟溝，削弱鎮壓輪的壓實效果。

2.4.2 傳動方案

播種作業過程中，鎮壓輪總成完成鎮壓和驅動排種、排肥器的任務，作業效果直接影響到播種深度和排種排肥一致性。鎮壓輪輪軸形變小且適應地面的起伏變化，是鎮壓輪可靠鎮壓并提供驅動力的前提。

本文小麥采用機械條播，采用整體傳動即可滿足對粒距的控制要求。由于整機的幅寬較大，考慮到地表的不平整和輪軸的強度剛度等問題，故設計為左右兩鎮壓輪總成，分別驅動排種器和排肥器作業。傳動方案如圖8所示。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

為考核固定道小麥免耕寬幅播種機的作業性能，于2017年11月3日在河南省洛陽市鑫樂機械設備有限公司試驗地進行田間試驗，如圖9所示。該地區年降水670mm，土壤類型為壤土，為小麥玉米一年兩熟種植區。測得地表秸稈粉碎平均長度為6cm，玉米留茬高度平均為34cm，玉米秸稈量為0.37kg/m2，秸稈含水率為42.9%，且地表含有一定量的整稈，土壤含水率為18.9%。作業所選拖拉機為東方紅LX1204，試驗選取的作業速度為1.2m/s。

1.排肥器 2.排種器 3.右鎮壓輪總成 4.左鎮壓輪總成圖8 鎮壓輪總成傳動方案Fig.8 The transmission project of the press wheel assembly

圖9 樣機田間試驗Fig.9 The field experiment of the prototype

3.2 試驗方法

依據《GB/T20865-2007》免耕施肥播種機國家標準，試驗對設計的固定道小麥免耕寬幅播種機的通過性能、種肥深度和距離等性能指標進行測量。同時，為考核播種后的種床清理效果，試驗對種床秸稈殘留率進行了測量。試驗所用的設備主要包括卷尺、電子秤、烘干箱、自封袋和轉速計等。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 通過性試驗

按照相關作業要求，試驗中通過性測定距離以60m為基準，若出現秸稈堵塞，不停機無法繼續作業的情況，則定義為嚴重堵塞；若出現秸稈堵塞，不需停機即可清堵的情況，則定義為一般堵塞；若出現秸稈堵塞，但秸稈之后能從開溝器間流過，則定義為輕度堵塞；只有不堵塞或者輕度堵塞定義為合格。

由于秸稈量較大，土壤濕度大粘附力較強，作業5個測試長度后，機具出現一次輕度堵塞；當作業速度增加至約1.6m/s時，堵塞消失。

3.3.2 種床秸稈殘留率

在播種后的地表隨機選取3個取樣點，在該取樣點所在的幅寬內分別選取左、中、右各兩行種帶，種帶長度為10cm，將各行種帶壟溝和壟背上的秸稈裝袋，之后烘干秸稈至含水率不大于25%為止，稱重并記錄。種床秸稈殘留率為

(3)

式中Wi—某樣點的種床秸稈殘留率 (%)；

Gi—某行壟溝秸稈量 (g)；

Bi—某行壟背秸稈量 (g)。

試驗結果表明：種床秸稈殘留率在13.9%～23.7%之間，種床清理效果較好。

3.3.3 種肥深度和距離

播種覆土后挖開土層，測定種子和肥料上部所覆蓋土層的厚度，即為種深和肥深。以當地農藝要求播種深度為hcm，則種深為(h±1)cm時定義為合格。種肥間距在3cm以上時為合格。同時，以種子和肥料的中心為基準，測出種子與肥料的橫向間距。在往返各單一行程內測6行，每行隨機選取3點測量并記錄相關數據。開溝器的設計為一溝雙行，即兩種行中間深施一行化肥，因此可同時測量左側種子Ⅰ、右側種子Ⅱ與化肥的相關數據。試驗結果如表3所示。

表3 種肥深度和距離

Table 3 Depth and distance of the seed and the fertilizer

指標種子Ⅰ深度/cm種子Ⅱ深度/cm肥深/cm平均值4.945.318.03變異系數0.1620.1390.115合格率/%8282100

4 結論

1)研制的固定道小麥免耕寬幅播種機集固定道技術、保護性耕作技術及大幅寬播種機的優勢于一體，主要由種肥箱、變速箱、機架、破茬開溝裝置、施肥播種單體、行走機構和鎮壓輪總成等組成，結構較為緊湊。

2)在秸稈受力分析的基礎上，對破茬開溝裝置結構進行了設計，該裝置可實現良好的開溝、滅茬和秸稈拋撒作用，在秸稈量較大時仍具有較好的通過性。破茬開溝裝置可實現對部分秸稈的砍切分段，并采用梯形刀將覆蓋在壟溝上的秸稈分攏至壟背，以形成清潔的種床。

3)施肥開溝器的后端設有四連桿仿形機構，熱彎種管可產生良好仿形限深效果，鎮壓輪設計實現了對種床的可靠鎮壓，播種深度一致性較好，種肥間距等測試指標均遠高于《GB/T20865-2007》免耕施肥播種機國家標準規定的數值。另外，所設計的行走機構的響應時間和承載能力均可滿足不同工況下的實際作業需求。