小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機的設計與試驗

位國建，史嵩，周紀磊，劉虎，張榮芳

（山東省農業機械科學研究院，山東濟南 250100）

我國人均糧食占有量持續高于世界平均水平，對于我國糧食安全具有重要意義［1］。2019-nCoV新冠肺炎疫情對世界各國糧食安全的沖擊，進一步證明糧食是中國生存發展的國之重器。作為影響小麥穩產、高產的關鍵因素，機械化播種質量的提升已經成為小麥生產“藏糧于技”戰略的重要一環［2，3］。

為提高播深一致性和播種均勻性，國內外學者研發出不同形式的小麥播種機［4，5］。小麥播前科學整地是實現小麥苗齊苗壯的基礎。玉米秸稈還田能夠增加土壤有機質含量、改善土壤團粒結構，已成為重要的小麥增產穩產措施［6-9］。但若配套技術不到位，會使土壤變得疏松、空隙增大、失墑較快，且易導致小麥播種深淺不一致、根系扎不牢等不良現象發生，不利于小麥的正常生長［10］。目前對于播前土壤壓實大多采用滾筒或壓實機具進行，尚沒有播前整地同時鎮壓、播后二次鎮壓的復合機具，以致播種苗床不整齊，影響小麥出苗及后期生長［11-13］。

針對以上問題，本研究設計了一種具有良好播深一致性、播量均勻性、作業高效性，且適應于黃淮海地區小麥種植的小麥播種機。相對于傳統小麥播種機，該機采用驅動耙碎土整地，在犁耕后同整地機具聯合播種，可一次性完成碎土、整平、鎮壓、播種、覆土、再次鎮壓等作業。播前鎮壓可增加土壤密實度，形成整齊苗床，播種后二次鎮壓，土壤被壓實，墑情得到保護，利于后續小麥正常生長。該機播量均勻，播深一致，能促進小麥產量的提升［14］。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構及技術指標

該機主要由驅動耙和播種機組成，整機結構如圖1所示。驅動耙和播種機由折疊架連接，驅動耙部分包括機架、肥箱、驅動耙和前鎮壓輪，前鎮壓輪與驅動耙體采取分體式結構，用拉板固定連接；播種機部分包括種箱、排種器、圓盤開溝器和后鎮壓輪，其主要技術指標見表1。

1.2 工作原理

在播種作業時，驅動耙通過三點懸掛機構與配套拖拉機進行連接。拖拉機動力輸出軸輸出動力，由變速箱強制帶動驅動耙做回轉運動，驅動耙刀齒將表土細碎，前鎮壓輪進一步破壞土塊、壓實土壤，為實現精量播種等機械化播種作業創造良好條件，滿足播前整地農藝要求。排種器將種箱內種子排出，經導種管進入開溝器，開溝器內前后交錯布置散種管，實現小麥寬苗帶播種。播種后通過后鎮壓輪二次鎮壓，壓實播種苗帶，實現株距、播深一致。播前鎮壓可增加土壤密實度，形成整齊苗床，播種后二次鎮壓，土壤被壓實，墑情得到保護，利于后續小麥的正常生長。

表1 2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機主要技術指標

2 關鍵工作部件設計及工作過程分析

2.1 驅動耙設計

驅動耙是一種先進的整地機械［15］，是秸稈滅茬還田的最佳選擇，主要由機架、變速箱、耙刀及鎮壓輥等組成。驅動耙可一次性完成深度碎土和播前鎮壓作業，打破犁底層而不破壞土層結構，耙后鎮壓形成“上實下虛”的種床［16］。驅動耙的運動軌跡為余擺線，是以耙刀刀盤中心為軸心的回轉運動和機具前進的直線運動的合成，其運動軌跡示意圖見圖2。

圖2 耙刀運動軌跡示意圖

設耙刀回轉中心O為坐標系原點、耙刀繞刀盤中心線做半徑為R的回轉運動，x軸正方向為機具前進方向，垂直向下為y軸正方向。設刀刃點M的坐標為M（x，y），則建立耙刀的運動軌跡參數方程為：

式中：R—刀齒轉動半徑，m；t—時間，s；ω—耙刀回轉角速度，rad／s；Vm—機具前進速度，m／s。

將上式對t求導得到：

則耙刀的切削速度為：

按照機具整地要求和前人設計經驗，當刀具切向速度沿X軸負方向時，耙刀的切削速度應大于機具前進速度，即V＞Vm，為達到較好的碎土效果，要求耙刀的圓周速度要大于機具前進速度的2倍。本機耙刀回轉半徑 R為155 mm，機組前進速度為4～8 km／h，計算可得耙刀旋轉切向線速度67～333 m／min。

2.2 排種裝置

2.2.1 排種裝置的選型 小麥播種技術與裝備的提升，其核心內容是排種裝置的優化創新［17-20］。小麥排種裝置作為播種機關鍵技術載體，其工作性能直接決定了播種機的工作效率及播種質量的優劣［21］。槽輪式排種器是谷物條播機上廣泛采用的一種排種裝置，主要由排種盒、排種軸、槽輪及隔板等組成。槽輪轉動時，凹槽內和帶動層的種子均被排出，排種量比較穩定［22］。外槽輪排種裝置的排種量大小主要決定于槽輪的轉速和長度，故一般條播機在前進速度一定的前提下，通過調節槽輪的工作長度來實現播量變化。

2.2.2 排種裝置參數確定 小麥適宜播量是協調好群體和單株發育的關鍵，根據農藝要求計算條播小麥播種量 Qb為 300～420 kg／hm2。

槽輪直徑 d由排種量公式（4）計算［23］：

式中：L—槽輪有效工作長度，cm；γ—麥種密度，為 0.82 g／cm3；α0—麥種填充系數，取 0.8；k—帶動層特性系數，取0.3；D—多功能行走輪直徑，為0.48 m；b—每組槽輪機構對應的播寬，為 0.12 m；δ—行走輪滑移系數，取 0.03～0.07；i—排種槽輪與多功能行走輪的傳動比，為0.12。

將數值代入式（4）可得：

16.44 cm2≤dL≤23.91 cm2。

播量一定時，槽輪有效工作長度過小會阻礙種子流動，槽輪直徑過大導致轉速降低，影響排種均勻性；直徑過小又必須提高轉速，會增加麥種損傷率［24］。綜上所述，取 d為42 mm，L為40～57 mm，從而得理論排種量 Ql為11.33～13.22 g／r。

2.3 鎮壓輪設計

鎮壓輪的作用是增強土壤與種子的密接程度，播后鎮壓可以壓實畦面，減少土壤中的空隙，有利保水、保墑［25］。

鎮壓輪正常轉動的條件：

式中：f—土壤對鎮壓輪的摩擦系數；ωr—軸套中的摩擦力矩（N·m）；R—鎮壓輪半徑（m）；Q—鎮壓輪重力及其附加載荷（N）。

為了使它有較大翻越性，增大土壤的壓碎率，減少土壤的移動，使播種后種行較平整，覆土一致，將鎮壓輪直徑設計為350 mm。

3 田間試驗設計

3.1 試驗條件

2019 年，在德州市齊河縣齊立新農業合作社對設計的2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機進行田間試驗（圖3）。該地塊墑情較有代表性，符合農業機械試驗條件。土壤質地為壤土，地勢平坦，全耕層土壤含水率為16.5%。試驗種子濟麥26，千粒重為45 g左右。播種量設定為195 kg／hm2，播種深度3～5 cm。試驗區長度為50 m，前后兩端各保留20 m準備區。

圖3 樣機田間試驗

3.2 試驗方法

根據GB／T 9478《谷物條播機試驗方法》和NY／T 1143—2006《播種機質量評價技術規范》對2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機的技術參數和工作指標進行現場檢測。試驗測試內容主要包括整地質量、麥種分布情況和機具通過性等，測試設備有鋼卷尺、鋼直尺、電子秒表、電子天平、數顯卡尺、土壤水分速測儀、環刀組件等。

3.2.1 整地質量 耙深與耙深穩定性系數用來表征驅動耙整地質量。利用鋼直尺沿機具前進方向間隔2 m左、右各測定一個點，單次行程共測25點，重復3次。耙深計算式：

式中：aj—第 j個行程的耙深平均值，cm；aji—第 j個行程中第i個點的耙深，cm；nj—第 j個行程中的測定點數，為25。

耙深穩定性系數Uj：

3.2.2 麥種分布情況 苗帶內小麥種子分布均勻性通過麥種橫向、縱向分布頻率直方圖來表達［26］。小麥播種機作業后，利用10 cm ×25 cm的矩形框沿機具前進方向每隔2 m測定幅寬內

式中：C—播種深度合格率，%；Ns—播種深度滿足要求測試點數；Nt—總測試點數。

3.2.3 機具通過性 評價播種機的通過性，通過測試播種機在全量玉米秸稈還田下連續作業250 m行程，試驗3次，往返行程內均不發生堵塞或者僅有一次輕度堵塞，視為合格［27］。不同位置麥種坐標及數量，測試3個行程，每個行程測25點，繪制麥種橫向、縱向分布頻率直方圖，并計算麥種深度合格率。麥種播深合格率計算式：

4 結果與分析

田間播種均勻性試驗時，試驗樣機工作速度在6 km／h，各可調節工作部件均調整至最佳，田間試驗效果如圖4。

圖4 種子分布情況

由試驗結果（表2）分析可知，該播種機各行排量一致性變異系數3.0%，播種均勻性變異系數為14.2%，播深合格率為 93.6%，斷條率0，土壤容重較之前提升0.193 g／cm3。根據測試情況，機具作業速度在6 km／h時作業效果良好，主要技術指標均優于評價要求。

表2 檢測過程中各項指標的測試結果

從圖5、圖6可知，在設置的75個檢測點內麥種數量集中分布在29～30粒，播種深度集中分布在3.0～3.5 cm，說明該機作業后麥種的橫向、縱向分布均勻性較好，利于后續小麥的正常生長。

圖5 麥種數量橫向分布對比頻率

圖6 麥種數量縱向分布對比頻率

5 結論

（1）根據小麥種植的農藝要求，設計了2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機。該機結構緊湊合理、性能優良，可實現小麥寬苗帶播種。該機主要由機架、肥箱、驅動耙、前鎮壓輪、種箱、排種器、后鎮壓輪等部分組成，可實現播前播后雙鎮壓。

（2）針對小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機關鍵工作部件設計及工作過程分析，分別對驅動耙、排種裝置和鎮壓輪進行了設計計算，耙刀回轉半徑為155 mm，槽輪直徑為36 mm，槽輪長度為36～42 mm，鎮壓輪直徑設計為350 mm。

（3）田間試驗結果表明：2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮壓播種機主要技術指標均優于評價要求，各行排量一致性變異系數3.0%，播種均勻性變異系數14.2%，播深合格率93.6%，斷條率0，土壤容重較之前提升了0.193 g／cm3。該機工作穩定，排種均勻性良好，種子在田間分布均勻合理，滿足國家相關的標準要求和地區的農藝要求。