壟作免耕播種機三維模型研究

羅紅旗 孟宇 李曉晴 石矛

[摘要]壟作與保護性耕作相結合是一項重要技術，有助于抵御春旱，控制風蝕，逐步培肥地力。播種時利用機械裝置處理播種帶雜草，秸稈覆蓋可抑制壟溝雜草的生長，消除對除草劑的依賴。根據技術結合特性，分別建立了壟作免耕播種機的機架、開溝器、鎮壓器、地輪、修壟裝置等三維模型，總裝成整體播種機。本播種機可一次性完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮壓等多項作業，減少機器進地次數。研究壟作免耕播種機的三維模型，可對其機械性能進行分析，為樣機制造提供理論支撐，有利于推廣壟作免耕播種技術。

[關鍵詞]壟作;免耕;播種機;建模

[中圖分類號]S223.2[文獻標識碼]A

壟作技術中的土壟的形狀由壟臺和壟溝形成，地表總面積比平地耕作增加20%～30%，地溫能夠增高2～3℃，而且壟作技術中土壤溫差晝夜變化大，更便于光合產物積累，利用壟溝排水防澇。壟作與保護性耕作技術在我國實際應用中還未能很好地結合，主要影響要素是機械耕作設備不過關，特別是適合壟作免耕技術的播種機還有待于進一步研究開發。目前國外的壟作免耕播種機一般是依靠機具重量驅使根茬處理裝置進行破茬處理，但由于國內的播種機一般屬于中小型，機身重量偏小，不適合直接使用國外的免耕播種機。國內各地區實行壟作免耕地區的條件差異明顯，各自有著獨特的土壤條件、種植制度以及氣候條件，導致保護性耕作的作業實施體系也存在較大差異，各種研發的機具適應能力較差，需要有針對性地開發研制相應的壟作免耕播種機。通過研究壟作免耕播種機的三維模型，可對其性能進行力學分析，為不同的樣機制造提供理論分析，有利于推廣壟作免耕播種技術，更好地體現壟作與保護性耕作相結合的優勢。

1 國內外壟作免耕播種技術發展現狀

壟作免耕播種技術是一項先進的耕作技術，作業過程為收割上茬作物之后一般不處理秸稈，用壟作免耕播種機在具有秸稈覆蓋的地表直接起壟，并在原來的壟上進行開溝播種、施肥、鎮壓等工作，整個作物生長周期一般不需要進行其它中耕作業。該技術具有節能、增產、抗澇、省工、抗旱、保持水土、抗倒伏、增加土壤有機物質等優勢，具有顯著的社會效益、經濟效益和生態效益。

國外從20世紀40年代初開始研究免耕方法，研究開發了各種類型的免耕機具，并且隨著相關機具和化學除草劑的發展，壟作免耕技術得以不斷推廣。但由于土壤條件、種植農藝方式以及經濟發展等多種因素的差異影響，國外的壟作免耕播種機在結構設計和性能特點等方面均不符合國內條件，因此需要根據國內實際情況進行自行開發。國內免耕技術是從20世紀60年代開始研究，主要劃分為三個階段：第一階段是20世紀70年代，本階段主要是進行試驗探索，在新疆農墾六團開始相關試驗，再在各地開展免耕技術的試驗和示范;第二階段是20世紀80～90年代進行試驗示范，由此積累了一些免耕種植經驗，但由于缺少相關的配套機具，而且各地農民認識上存在誤區，免耕技術推廣速度比較緩慢;第三階段是20世紀末至今，屬于免耕技術不斷完善提高和全面推廣階段，各地區積極推廣免耕種植技術，并結合壟作技術，在玉米、小麥、大豆、水稻、油菜等主要農作物上推廣應用。

2 壟作免耕播種機主要零件建模

2.1 播種機配置方案

根據壟作免耕播種機具設計的各項要求，整機主要由機架、切草圓盤、種肥箱、開溝器、地輪、鎮壓輪、修壟裝置等組成。機架主要是安裝各類部件，切草圓盤是針對需要處理播種帶覆蓋秸稈和雜草等農藝條件，開溝器是在未經處理過的地表進行直接開溝，為施肥、播種提供條件。地輪裝置主要是起到支撐整機的作用，同時用以驅動排肥器、排種器進行周期運動，鎮壓器用以壓實土壤松軟的播種帶，為種子發芽提供條件。修壟裝置是針對壟作免耕播種技術中的被破環的原壟，對其進行修復，為播種質量提供保證。

2.2 機架

機架采用三梁懸掛框架結構（見圖1），與拖拉機能夠實行有效結合，播種時依靠拖拉機驅動播種機前行，空行時可以通過懸掛裝置懸掛在拖拉機上。機架上的豎梁與橫梁用方管（80mm×80mm×5mm）焊接而成，機架由三根橫梁組成，可以根據實際農藝條件進行調整，對于小麥等行距窄的作物，橫梁上的開溝器距離過小容易在兩開溝器之間堆積秸稈，導致堵塞，這時可以把相鄰的開溝器錯開安裝在不同橫梁上，擴大相鄰開溝器之間的橫向距離。而前梁主要用于銜接懸掛架，并可安裝切草圓盤等其它部件。

2.3 修壟裝置

由于壟作免耕播種機是在未經處理過的原壟上作業，在種植上茬作物時，原壟一般都會有所破壞，嚴重時整壟都會坍塌。為了保證在原壟進行免耕播種時的質量，需要設計開發配套的修壟裝置，對破壞的原壟進行修復。壟作免耕播種時地表有秸稈覆蓋，犁式起壟器容易產生秸稈堆積堵塞，而圓盤式起壟裝置的通過性能和越障性能強大，不容易被秸稈和雜草等堵塞，而且圓盤滾動前進時與土壤摩擦力阻力小，因此修壟裝置設計成圓盤式結構更符合壟作免耕播種的情形。

2.4 地輪

在壟作免耕播種機中，地輪屬于從動輪，依靠地面的摩擦力驅動其旋轉前進。本播種機是在壟作免耕地進行作業，地輪沿著壟溝行走，通過鏈傳動驅動排種器和排肥器進行工作。為保證排肥、排種質量，在地輪上安裝彈簧加壓裝置，可以確保

地輪始終與壟溝接觸，從而避免發生因地表高低不平導致地輪懸空造成不排肥、不排種現象（見圖3）。橡膠地輪在土壤中行走時的滑移均值和方差都比較小，有利于保證播種質量，但橡膠輪在秸稈上行走時更容易產生滑移。綜合考慮作業條件，壟作免耕播種機的地輪是在壟溝行走，秸稈相對較少，因此選用橡膠輪更有利于保證施肥和播種質量。地輪直徑對播種機的性能影響較大，大直徑地輪的轉動性能好，打滑率小，播種更均勻，根據機架實際空間，本播種機將地輪直徑定為500mm，寬度為50mm。

2.5 開溝器

開溝器是壟作免耕播種機的關鍵部件之一，其結構及布局是否合理會直接影響開溝效果，而且會影響播種機防堵效果，從而影響播種質量。由于壟作免耕播種時開溝器是在未經處理的地表工作，而且有作物殘茬、秸稈及雜草等覆蓋的田地工作，作業條件惡劣，工作難度較大。開溝器由播種和施肥部件組成，包括施肥開溝器、播種開溝器，以及相應的排種器和排肥器等。開溝器的結構直接影響動土量，保護性耕作技術要求盡可能動土少，而開溝器的開溝性能對種床、施肥和播種質量影響較大，特別是針對種肥分施要求的中國國情，因此開發合適的開溝器至關重要，不僅影響播種機的性能要求，同時影響作物的出苗質量。

根據農藝要求及相關試驗結果，窄翼型尖角式開溝器是目前較為理想的結構，開溝寬度一般在30mm～40mm，動土量小，適合保護性耕作技術。設計的開溝器結構模型圖見圖4，通過尖角式開溝鏟進行開溝，其后通過管道直接進行施肥、播種，能夠實現種肥垂直分施。在壟作免耕播種機的實際工作中，開溝器的安裝可以根據實際需要，在機架上安裝適合的數量，滿足行距要求。播種小麥等窄行作物時，開溝器可以錯開安裝在不同橫梁上，增大同根橫梁上兩開溝器之間的橫向距離，有利于防止堵塞。

2.6 鎮壓器

由于實行壟作免耕播種，地表未經翻耕，因此播種時將產生大量土塊，而且受到殘茬、秸稈及雜草等影響，播種后種子可能不會很好的與土壤保持接觸，而且大塊的土壤保水能力較差，容易跑墑，從而導致種子吸水難，容易導致發芽不整齊，出苗困難，甚至發生缺苗斷壟。通過鎮壓器的作用，播種作業的同時進行土壤鎮壓可減少土壤中的大孔隙，減少水分蒸發，有利于保墑。同時能夠促使種子與土壤更好地保持接觸，有利于吸收水分。進行壟作免耕播種時，選用的尖角式開溝器開溝較窄，而且壟作免耕種植中土層的顆粒偏大，土壤與種子的接觸程度受到較大影響，因此需要設計性能好的鎮壓器，確保鎮壓效果。本設計采用浮動式鎮壓機構，鎮壓部位的外圓直徑為400mm，寬度為50mm。鎮壓器的連接桿上安裝有彈簧，有利于更好保證壓緊作用，促使鎮壓部位始終能夠與地表接觸，避免鎮壓部位被架空不轉動，影響壓實效果（鎮壓器結構見圖5）。作業時兩邊的壓實輪沿著壟溝滾動，對壟沿進行壓實，依靠鎮壓輪上的圓環部件鎮壓播種帶，圓環設計成活動式，可以根據需要確定圓環部件的數量及鎮壓位置。

3 壟作免耕播種機整機三維模型

壟作免耕播種機整機結構設計及建模見圖6。播種時播種機與驅動的拖拉機通過懸掛裝置實行三點連接，地輪行走時，同時驅動排種器、排肥器工作，通過排種盒、排肥盒中的傳動系統，化肥從肥箱通過外槽輪、排肥管下落到溝中，種子通過排種管以及開溝器后面的播種管部件進入土壤，自行回土后再通過鎮壓器鎮壓?？梢淮涡酝瓿砷_溝、施肥、播種、鎮壓等多項作業，有利于減少機器進地次數，解決原壟破壞導致的播種質量問題。

4 結論

壟作與保護性耕作相結合是目前發展迅速的一項重要技術，本文針對兩項技術結合發展過程中的問題，研究壟作免耕播種機的三維建模技術，對壟作免耕播種機的機架、開溝器、種肥箱、鎮壓器、地輪、修壟裝置等主要部件進行三維模型建立，為開發適應不同農藝條件的播種機提供技術支撐，有利于推廣壟作與免耕相結合的技術。

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