免耕播種機防堵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

周再恒

(會寧縣農(nóng)業(yè)機械化學校，甘肅 會寧 730799)

0 引言

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要指標，是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大力推廣的一項機制性的農(nóng)業(yè)改革。其中保護性耕作技術(shù)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要作業(yè)工序，技術(shù)核心就是少耕、免耕、高耕及壟溝耕作技術(shù)，其相對應的農(nóng)業(yè)配套機械的研制對于提高工作效率、減輕勞動強度、節(jié)省農(nóng)作時間、改善作業(yè)條件具有重要意義。其中，免耕播種機是保護性耕作技術(shù)的重要農(nóng)業(yè)機械，目前已經(jīng)在我國各個地區(qū)進行廣泛推廣。研究結(jié)果表明，免耕播種下的土壤具有保水保肥及改善土壤理化結(jié)構(gòu)的，對于保障后期作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

免耕播種田間工作環(huán)境保留前茬作物根茬與大量土塊，土壤地勢不平整，因此免耕播種機在田間進行作業(yè)時會造成雜草、秸稈及根茬堵塞機器；地勢不經(jīng)過翻耕，地表土塊較多，地勢不平整會造成機械田間作業(yè)不穩(wěn)定性，可靠性變差，進行播種時，容易造成漏播和重播。因此，免耕播種防堵技術(shù)是提高免耕播種技術(shù)田間工作效率的重要基礎(chǔ)，對于推廣免耕播種技術(shù)及其機械的廣泛使用具有重要意義。

1 免耕播種機防堵技術(shù)

免耕播種機防堵技術(shù)按照田間作業(yè)形式主要分為驅(qū)動式防堵技術(shù)和被動式防堵技術(shù)。

1.1 驅(qū)動式免耕播種機防堵技術(shù)

驅(qū)動式免耕播種技術(shù)主要包括破茬式防堵技術(shù)和碎秸式防堵技術(shù)，關(guān)鍵零部件如圖1、圖2。主要依靠安裝防堵刀片對雜草進行傳送清理，雜草及秸稈根茬粉碎效率高，但是由于刀具在進行粉碎時遇到石塊、土塊等會造成刀具磨損，增加刀具成本，還會造成整機功耗增加，作業(yè)中安全問題也較為突出[1]。

圖1 破茬式免耕播種機防堵技術(shù)

圖2 碎秸式免耕播種機防堵技術(shù)

1.2 被動式免耕播種機防堵技術(shù)

被動式免耕播種技術(shù)主要包括切斷式和分斷式防堵技術(shù)，關(guān)鍵零部件如圖3、圖4。主要工作原理是依靠機械自身重力將堵塞的秸稈或者雜草強制分開或切斷，是目前相對較為成熟的防堵技術(shù)，機械結(jié)構(gòu)簡單，工作性能較為穩(wěn)定，但是對于不同地形和不同秸稈類型通用性較差。

圖3 切斷式免耕播種機防堵技術(shù)

圖4 分斷式免耕播種機防堵技術(shù)

2 免耕播種機防堵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外農(nóng)業(yè)機械發(fā)展較為先進，因此關(guān)于免耕播種機防堵技術(shù)研究較早。在2003年，隨著以美國為首提出的農(nóng)業(yè)保護性耕作技術(shù)開始實施，進而發(fā)展多種保護性耕作機械并進行大面積的推廣應用。最早一套免耕播種機由John Deere公司研制而成，是被動式免耕播種機的發(fā)展雛形，關(guān)鍵零部件為圓盤刀具，通過自動調(diào)節(jié)可以對雜草及秸稈根茬進行切碎，關(guān)鍵零部件參數(shù)如表1所示。

表1 John Deere免耕播種機工作參數(shù)

后期，德國Bald機械研發(fā)公司研制出SPD系列玉米免耕播種機，關(guān)鍵零部件參數(shù)如表2所示。與美國前期研制出的免耕播種機相比，具有整機質(zhì)量輕，開溝深度深，播種性能好及田間穩(wěn)定性高等特點。但是由于采用驅(qū)動式防堵技術(shù)，因此不適宜于地面秸稈較多的田間環(huán)境條件。

表2 SPD玉米免耕播種機工作參數(shù)

近年來，德國Bald公司相繼研發(fā)出Saphir與Cataya系列精密免耕播種機，均采用三點懸掛式工作原理，只需要配備30 kW左右的動力機械，工作幅寬超過3 m，防堵刀片采用10片耙刀，刀片間隙較大，可以實現(xiàn)對全覆蓋作物秸稈的切斷，大大提高了免耕播種機的田間防堵性能[2]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國關(guān)于免耕播種相關(guān)機械的研究起步較晚，因此主要是針對秸稈全覆蓋的農(nóng)田環(huán)境進行防堵性能研究。中國農(nóng)業(yè)機械研究院研制出一種柵板式免耕播種機防堵裝置，柵板可以對田間雜草秸稈進行有效分離，層層分開，對于免耕播種機刀具纏草問題提供一種高效的解決方式。

后期，山東農(nóng)業(yè)大學及中國農(nóng)業(yè)大學工程學院在柵板式免耕播種機防堵技術(shù)的技術(shù)上主研制出一種雜草分撥板與一個引導裝置相結(jié)合，將雜草實現(xiàn)分層后進行提升，從而提高了雜草分撥與清除，整體提升了免耕播種機的防堵性能，對玉米免耕播種進行田間試驗驗證該裝置的防堵性能。西北農(nóng)林科技大學針對田間雜草與土塊纏繞的問題提出一種土塊破碎裝置，首先將雜草與土塊進行強制分撥后利用圓盤刀片進行土塊破碎，實現(xiàn)雜草土塊分離后的土塊破碎與雜草分離。山東農(nóng)業(yè)機械公司針對我國山東地區(qū)一年兩熟的小麥免耕播種機田間堵塞問題，研究出小麥免耕播種機防堵技術(shù)，通過對秸稈粉碎刀片的刀齒進行排列，提高粉碎效果與秸稈清楚效率，從而提高了整機工作效率。

3 免耕播種機防堵技術(shù)研究存在的問題

3.1 缺乏關(guān)于秸稈粉碎特性的研究

免耕播種機在進行秸稈覆蓋量較大的田間作業(yè)時，需要對田間整株秸稈機進行粉碎，要想提高秸稈粉碎效率，關(guān)于秸稈粉碎特性的研究是提高秸稈粉碎效率的理論基礎(chǔ)。秸稈的長度、密度及覆蓋率對秸稈粉碎性能都會造成一定的影響，尤其是不同的作物秸稈高度差異較大，應該針對不同種類的作物秸稈進行研究，根據(jù)秸稈研究特性是優(yōu)化機械參數(shù)配置的基礎(chǔ)[3]。例如，針對玉米、高粱等較高的秸稈，進行粉碎時，應該從秸稈哪個部位進行切割后粉碎，保證刀片可以一次性割倒后進行粉碎，如果在玉米秸稈較高的位置進行切割，不易切斷，且秸稈倒伏后會由于慣性進入機械后引起機械堵塞；另一方面，針對不同種類的秸稈可以配合使用不同的刀片種類組合，在田間秸稈粉碎中可以一次性實現(xiàn)秸稈根茬破碎，提高粉碎程度，更好地與土壤進行融合，提高工作效率。因此，針對不同種類的秸稈特性進行研究是優(yōu)化機械設計的理論基礎(chǔ)。

3.2 開溝能力較差

由于沒有進行土壤旋耕，因此，進行免耕播種時，土壤中會有大量的前茬作物根茬與石塊，這些都會影響免耕播種機的開溝能力，開溝不夠深、刀具磨損嚴重或整機功耗增加。因此在根茬秸稈較為密集的土壤中如何提高開溝播種能力是提高免耕播種機整機性能的關(guān)鍵部分，直接影響后續(xù)種子發(fā)芽及成長。因此，在解決免耕播種機防堵性能的同時提高開溝能力也是需要重點研究的核心技術(shù)。

3.3 機器操作不規(guī)范

正確使用免耕播種機也是提高田間工作穩(wěn)定性與可靠性的重要保障。由于免耕播種的土壤條件較差，土地較硬，土塊和根茬較多，因此在作業(yè)前應該對免耕播種機配套農(nóng)機具進行檢查，保證所有的粉碎刀片、開溝器與鎮(zhèn)壓裝置在同一個水平線。保證作業(yè)的均勻性與農(nóng)業(yè)標準化建設，對液壓調(diào)節(jié)裝置進行預調(diào)節(jié)，看是否可以在田間工作時進行自由調(diào)節(jié)，滿足不同地形下的秸稈粉碎與播種條件。并對播種、鎮(zhèn)壓裝置進行空轉(zhuǎn)10 min，檢查是否可以正常運行。對播種裝置的播種量進行研究，防止播種量不均勻。對開溝裝置進行目標地塊預實驗，檢查開溝器在該地塊是否可以達到農(nóng)業(yè)要求的開溝深度。確保各個零部件可以合理配合完成工作才可進入田間正式工作。另外，在降雨或者灌溉后不宜立刻進田間作業(yè)，一方面是由于田間含水率高，積水部位容易造成機械車輪凹陷，影響免耕播種機在田間的正常行駛，車輪積土嚴重還會增加機械損耗；兩一方面是由于降雨或灌溉后，地面根茬或秸稈含水量高，此時纖維程度較高，不容易切斷，容易造成秸稈雜草拉扯后加劇機械堵塞問題。在田間作業(yè)時，應該避免周圍有人員，由于秸稈粉碎刀片具有一定的安全隱患，為了避免安全事故的發(fā)生，機械周圍5 m左右不宜有人員在場。

4 免耕播種機防堵技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 研究改善關(guān)鍵零部件的工藝

目前，關(guān)于免耕播種機防堵技術(shù)的研究主要集中在機械設計研究，關(guān)于提高機具整體配合性與機具使用效率研究較為匱乏。由于田間工作環(huán)境惡劣，不同土壤酸堿度不一，極易對機具中的刀片及其他零部件造成腐蝕，不僅造成對雜草及秸稈粉碎性能降低，還會增加投入成本[4]。因此，應對機具工藝技術(shù)進行同步深入研究，在增強農(nóng)業(yè)機具耐磨程度、提高機具工作性能、保證良好工作結(jié)構(gòu)的同時，實現(xiàn)機具使用壽命的延長等方面具有重要意義。

4.2 提高免耕播種機的通用性

我國不同地區(qū)地形地貌、作物種類及種植時間差異較大，目前市面上的免耕播種機械在不同地區(qū)、不同作物種植通用性較差，限制了我國不同地區(qū)的免耕播種技術(shù)的發(fā)展。因此，未來我國應該加強免耕播種機防堵技術(shù)的通用性研究，針對不同地形地貌、不同作物秸稈種類進行通用性研究，可以全面推薦我國免耕播種技術(shù)的推廣進行。

4.3 提高免耕播種機防堵裝備智能化

隨著農(nóng)業(yè)智能化裝備的進行，相關(guān)計算機及人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)中開始逐步應用。免耕播種機與智能化技術(shù)相互結(jié)合，免耕播種機在田間按照設定路徑行駛時對周圍環(huán)境進行分析，采用機器視覺技術(shù)，對田間雜草及作物秸稈進行分辨，可以順利避讓雜草與根茬，減少免耕播種機發(fā)生堵塞問題。因此，提高免耕播種機智能化控制可以適應多種地形地貌與田間環(huán)境，極大地提高免耕播種機的通用性與工作效率[5]。

5 結(jié)語

本研究以保護性耕作技術(shù)為研究背景，以免耕播種機械化為研究目標，對免耕播種機中堵塞問題進行研究，系統(tǒng)描述了目前國內(nèi)外關(guān)于免耕播種機防堵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述目前發(fā)展中存在的主要問題，基于我國基本農(nóng)業(yè)發(fā)展模式提出未來我國免耕播種機防堵技術(shù)的發(fā)展重點與難點，研究結(jié)果以期為健全免耕播種機防堵技術(shù)研究體系提供技術(shù)參考。