適應粘土地不同墑情的輕型反旋寬帶播種一體機研制

柏安康，梁玉海，王禮俊，張帥，賈秋霜

（1.江蘇省農墾農業發展股份有限公司寶應湖分公司，江蘇金湖 211600；2.濰坊職業學院，山東濰坊 262737）

0 引言

蘇墾農發寶應湖分公司及洪澤區共和基地水稻收獲后稻茬小麥種植難題與產量問題急需解決。由于本地區小麥種植常年采用常規正旋耕播種機或懸掛式開口器播種機械，存在作業流程復雜，農機作業時間跨度大，對土地墑情要求高等不足的問題，當前老式播種流程和機械已不能滿足蘇墾農發寶應湖分公司對稻麥輪作時間節點和小麥高質量播種并且原墑出苗的要求。為適應蘇墾農發寶應湖分公司粘土地為主的生產需要，需試驗改進一種適應粘土地墑情的輕型反旋寬帶播種機。

1 輕型反旋播種一體機設計

本文擬通過改進升級一種輕型適應粘土地小麥高質量播種的作業機具，著力解決粘土地小麥常規播種農機作業流程多，土壤滅茬效果不佳，細碎度、平整度差，播種深度不一致、露籽多等問題。

反旋寬帶播種機的刀軸轉動方向和拖拉機驅動輪轉動方向相反。作業時，刀具從己耕地向未耕地進行旋切作業，從耕層底部開始向地面切削秸稈和土壤，旋切后秸稈—土壤混合物被向上拋起至罩殼并沿其內面滑動，向后輸送拋擲，較大的土塊及秸稈碎茬不能通過后上方的擋草柵，滑落于刀輥后方，先鋪于耕底層，碎土則通過擋草柵稍后落于表層，因此秸稈與土壤落入被切出的溝底存在時間差，秸稈會先于土壤落入溝底，且秸稈會被隨后落下的細碎土壤覆蓋，從而實現埋茬功能，并使耕后土壤形成下粗上細的層次分布，透氣性好，有利于作物生長。

相對正轉旋耕作業方式，反轉旋耕在性能上體現出很多突出優點。當反旋秸稈還田機作業時，機組切削下的土垡厚度小，切削量穩定。因此，刀具反饋給刀軸的力相對更加均勻、平穩，且工作部件所受土壤反饋的旋耕反力在豎直方向的分力自上而下，使得機組具有了更好的耕深穩定性。正、反轉旋耕機具在相同理論旋耕切土進距情況下，采用反轉旋耕作業形式的機具表現出切削下的土垡厚度小、切削量穩定的優點，從而提高了作業后的碎土質量，溝底不平度較小。因此，我國在秸稈還田機械化水平上對低工作能耗、髙作業質量的反旋秸稈還田機的需求更為迫切。相關研究表明，秸稈還田的作業能耗及作業質量一方面取決于還田機的耕作參數，如機組前進速度、刀輥轉速，旋耕切土節距等，另一方面也取決于旋耕刀的結構參數，如刀具的彎折角、單刀工作寬幅等，此外刀具的排列方式、整機設計參數、田間實際情況也具有一定影響。

1.1 整體結構設計

輕型反旋寬帶播種機主要由反轉旋耕滅茬機、施肥播種裝置、鎮壓、刮土與傳動機構等組成，一次完成播肥、反旋、平地、播種（寬帶）、鎮壓一體式作業。作業時，排肥裝置將肥料均勻地播撒在旋耕刀前的未耕地表，后面的反轉旋耕滅茬機旋耕刀逆向旋轉切削土壤，被切削的根茬、土塊經罩殼向后引拋，根茬秸稈和大土塊被排種管擋住下落，細碎土壤從排種管飛出，覆蓋在從施肥裝置中排出的肥料和排種管排出的種子上，再由其后的鎮壓輪壓實。輕型反旋寬帶播種機的總體結構如圖1所示，主要技術參數見表1。

1.2 排種裝置的設計

輕型反旋寬帶播種機，包括：播種機主體，所屬播種機主體的上表面貫穿開設有安裝槽；轉動設置于所屬安裝槽相對的兩個側壁上的旋耕刀片；設置在所屬安裝槽相對的兩個側壁上的固定板，固定于所屬固定板上表面的移動板，設置在移動板上的排種管，移動板上設置有用于控制排種管上下與前后移動的移動組件。移動板一側的側壁上貫穿開設有兩個豎直設置且相互平行的第一滑槽；移動組件包括滑動設置在移動板一側的側壁上的滑動板、貫穿設置在滑動板遠離移動板一側側壁上的螺桿以及與螺桿螺紋連接的螺母；滑動板遠離移動板一側側壁上貫穿開設有兩個水平設置且相互平行的第二滑槽，螺桿穿過第一滑槽和第二滑槽后與螺母螺紋連接，螺母靠近滑動板一側的側壁與移動板遠離滑動板一側的側壁固定，排種管與滑動板相互固定。

圖1 播種部分結構示意圖

表1 主要技術參數

排種管與旋耕刀片之間的距離為1～2 cm，用于在播種時對排種管進行清理。固定板的上表面固定設置有安裝板，安裝板靠近滑動板一側的側壁上開設有平衡槽，平衡槽遠離滑動板一側的側壁上開設有第三滑槽，安裝板上設置有用于使滑動板的底面保持水平的平衡組件。平衡組件包括滑動設置在第三滑槽內的滑動塊、設置在平衡槽內的平衡彈簧以及與平衡彈簧上端固定的平衡板，平衡板的上表面與滑動板的底面緊貼，平衡板遠離移動板一側的側壁與滑動塊相互固定，平衡彈簧的下端與平衡槽的內底壁固定。固定板的上表面開設有延伸方向與第二滑槽延伸方向相互平行的第四滑槽，固定板上設置有用于限制平衡板上下移動的限位組件。限位組件包括滑動設置在第四滑槽內的限位塊以及固定設置在限位塊上表面的限位板，限位板靠近平衡板一側的側壁上開設有用于容納限位板的容納槽。排種管為采用40 mm鍍鋅鋼管制成的排種管。輕型反旋寬帶播種機播種部分結構簡圖見圖2。

圖2 輕型反旋寬帶播種機播種部分示意圖

1.3 反旋刀軸設計以及運動分析

1.3.1 結構設計。反旋刀軸部分采用195型或225型加密旋耕刀雙螺旋線布置，常規安裝方法，旋耕深度5±2.5 cm，可調，主要起到碎土、拋土蓋種的目的。

反旋刀軸輪廓線與正旋弧形板、平土板之間的間隙最小化。該設計目的同樣是兩方面：一是減少弧形板上的泥土堆積過多而增加刀軸的負荷；二是及時清除平土板上的纏草，保證了畦面平整度。為均勻蓋種提供保證。

反旋刀具有優良埋茬功能，能及時清理豎溝壁上的秸稈，作業后溝壁光滑、畦面平整、秸稈少。

前后刀軸軸距最小化設計可減少兩軸之間土塊和反復作業，有效降低作業負荷。

1.3.2 運動分析。刀輥的工作參數對作業質量及功率消耗起著決定性作用。當刀輥反旋時，其運動數學模型及坐標系可簡化為：將坐標系原點定義為刀輥回轉中心并將機具前進方向設為x軸正方向，垂直地面向上設為y軸正方向，如圖3所示，假設旋耕刀回轉時最遠的端點為Q（x，y），則Q（x，y）運動軌跡可用如下方程表示：

式中，vm-前進速度（m/s）；

R-刀輥回轉半徑（m）；

w-刀輯i旋轉角速度（rad/s）；

t-刀輥運動時間（s）；

α-旋耕刀轉動角度（°）。

圖3 反旋旋耕刀運動軌跡

如圖3所示，當機組前進時，刀輥自身做圓周運動，因此旋耕刀的絕對運動是旋轉和前進運動的合成，反旋旋耕刀端點的運動軌跡與正旋刀頭相反，為下端曲率小上端曲率大的擺線，旋耕刀反旋工作時，切土位置不同于正旋繞扣位置，而是位于下部曲率較小弓形段，旋耕刀自下而上進行切土，所以此時，刀刃沿x軸正向分速度一直存在，旋耕速比入取值情況也始終不影響反旋時的切土功能。

由式（1）可知，旋耕刀運動軌跡受到多種因素影響，對式（1）求導可得出刀具端點Q（x，y），在x和y方向的分速度為：

則刀具端點絕對速度v大小為：

將式（2）帶入式（3）得：

由式（1）、式（4）可知，旋耕刀回轉半徑處的切線速度與作業機組運行速度的比值被定義為旋耕速比λ，λ的大小直接影響旋耕刀具的切土節距、運動軌跡、機具功率消耗以及耕后土層質量等重要作業性能。由式（3）、式（4）可知，刀具切土主要范圍為（3π/2＜α＜2π），機組前進速度vm，方向與刀具端點水平分速度vx方向是相同的，所以當旋耕速比λ＜1或λ＞1時，刀具對土壤均起切削作用。

因此，與正旋方式相比，在刀具有相同的結構參數與運動參數情況下，λ可以取值較小，在同樣結構條件下，反轉切土速度更高，即反旋刀軸能以較低轉速獲得更高切削速度，切土效果好，且節約了功耗。針對反旋刀應盡量避免前方壅土，將破土引導至刀輥后方。

2 大田試驗對比結果與分析

2018年以來，蘇墾農發寶應湖分公司全面推廣小麥反旋寬帶播種。小麥產量呈逐年增長態勢。2022年，夏熟小麥產量創歷史新高，平均單產達572.9 kg/666m2。

2.1 輕型反旋寬帶播種機對產量和播期的影響

蘇墾農發寶應湖分公司及外拓基地集體種植3333.33 hm2，都采用稻麥輪作種植方式，且大部分水稻收割的時間都集中在10月下旬和11月上旬，小麥適期播種任務重，時間緊。同時，蘇墾農發寶應湖分公司的土壤為重粘土，稻茬小麥種植土壤濕度較大。往年常規作業流程為：撒肥機拋肥→正旋頭遍（曬垡2天）→正旋2遍（曬垡1天）→懸掛式開口器播種機播種（曬垡1天）→鎮壓→開溝。作業流程需5～7天，拖拉機需要在田間多次作業，輪胎對土壤的碾壓造成土壤板結，而且面臨土壤失墑無法原墑出苗等有利條件。采用輕型反旋寬帶播種機旋耕頭遍后，即可以進行反旋播種，作業流程1～2天，且大部分土壤垡塊較小，播種深度一致性較好，大田較為平整。有利于小麥原墑出苗，為小麥高產創造了有利條件。表2為近幾年蘇墾農發寶應湖分公司的產量和播種時間表。

表2 2015—2022年小麥單產及秋播結束時間

2.2 等深種植，實現齊苗、壯苗

輕型反旋寬帶播種機升級后，加粗排種管，排種管直徑由常規25 mm升級為40 mm，種子分散更為均勻，由常規的條線狀變為5～8 cm的帶狀播種。減少了常規開口器播種堆籽現象。同時，將排種管安裝至旋耕刀后1～2 cm處，使排種管具有自清潔功能，減少了因土壤墑情過大、排種管與排種管之間堵塞而造成土壤無法后拋，出現露籽現象，如表3所示。

表3 種子入土深度對比試驗

2.3 降低用種量

通過使用反旋寬帶播種機高質量播種，可以有效降低播種量。同時通過提高成苗率，降低基本苗，爭取單株多成穗，使個體發育健壯，控制高峰苗，提高成穗率，群體結構更加符合高產要求，如表4所示。

表4 2018—2022年度小麥播種量及產量三要素對比表

3 結語

本文為提高粘土地不同墑情的小麥播種質量，研究開發了一種適應粘土地稻茬麥作業條件的輕型反旋寬帶播種機。經過三年田間不斷試驗改進升級，現機具一次作業可實現旋耕、平整、施肥、播種、鎮壓等功能，有利于提高效率、降低成本、改善播種質量、滿足粘土地、播種、原墑出苗要求。同時，為小麥實現穩定高產、高質、高效提供了一條機械化生產路徑。