劉月琴，趙滿全，劉 飛，董 帥，張 旭

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學院，呼和浩特 010070)

2BM-5型氣吸式免耕播種機田間播種性能試驗

劉月琴1,2，趙滿全1，劉 飛1，董 帥1，張 旭1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學院，呼和浩特 010070)

為提高2BM-5型氣吸式免耕播種機的播種精度，對該機關(guān)鍵部件改進優(yōu)化后，進行了田間播種性能試驗。結(jié)果表明：播種機傳動輪的滑移率為5.7%，輪子下陷深度均值17mm，前進速度為3～5km/h的范圍內(nèi)播種深度保持在30～70mm之間，破土寬度在前進速度為3～5km/h的范圍內(nèi)保持在50～100mm之間，粒距合格指數(shù)為86.01%，重播指數(shù)7.74%，漏播指數(shù)6.33%，平均合格粒距變異系數(shù)4.86%，各行排肥量一致性變異系數(shù)均值為3.44%，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均值為0.26%，播種深度合格率均值為89.81%,排肥深度合格率均值為88.23%，均符合免耕播種技術(shù)指標。

免耕播種機；氣吸式；田間播種；播種性能

0 引言

保護性耕作技術(shù)具有減少風蝕、保護環(huán)境及保墑等作用，在北方干旱地區(qū)得到了有效應(yīng)用和推廣[1-2]。保護性耕作是社會、生態(tài)和經(jīng)濟發(fā)展的需求[3],因其節(jié)本、增效、減能的功能得到了更加深入的研究[4-5]。免耕播種機是推廣保護性耕作技術(shù)的關(guān)鍵裝備[6-7]，經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，一些裝置得到進一步優(yōu)化和提高[8-11]，尤其是破茬開溝和排種裝置。為了提高秸稈覆蓋地免耕播種作業(yè)后出苗的一致性，需提供一定深度和寬度的苗床[12]，所以采用何種破茬開溝裝置是解決該問題的關(guān)鍵。但是，我國南北氣候和耕作類型差異較大，免耕播種機的通用性較差，不同的免耕播種機只適用于某一區(qū)域[13-14]。內(nèi)蒙古地處西北干旱高寒地區(qū)，所以破茬開溝裝置必須能夠快速切碎干燥的秸稈和根茬，同時開出合適的溝槽，便于施肥和播種。

2BM-5型免耕播種機是內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學自主開發(fā)研制的新產(chǎn)品，由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)工程成套設(shè)備研究所負責設(shè)計，并由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機械廠負責試制、生產(chǎn)、試驗與推廣。其主要適用的作物是玉米、大豆、小麥及牧草等，可以在免耕地、草原、翻耕地上進行播種或牧草補播作業(yè)，一次完成破茬、開溝、播種、施肥、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序[15]，滿足了內(nèi)蒙古地區(qū)免耕播種的需求。

1 試驗設(shè)備與試驗條件

1.1 試驗設(shè)備

2BM-5型氣吸式免耕播種機的性能試驗在內(nèi)蒙古呼和浩特白塔試驗地進行，如圖1所示。試驗配套動力為55kW拖拉機，播種行數(shù)為5行，行距為40～60cm，作業(yè)幅寬≤3m，整機質(zhì)量為1 800kg，外形尺寸3 770mm×3 180mm×1 480mm；掛接形式為牽引式，排肥器形式為槽輪式，播種量為4.5～375kg/hm2，播種深度為20～70mm可調(diào)，排肥量為75～375kg/hm2，播深調(diào)節(jié)為液壓式，開溝器形式為雙圓盤式，生產(chǎn)率為0.9～1.5 hm2/h。

圖1 2BM-5型氣吸式免耕播種機Fig.1 2BM-5 type air suction no tillage planter

1.2 試驗條件

試驗地高寒干旱，年均降雨量300mm左右，無霜期短，約為110～120天，年均氣溫為3.3℃左右。試驗各參數(shù)如下：內(nèi)單4號玉米種子的千粒質(zhì)量為291g，容積質(zhì)量為775g/L，休止角為35.15°，破損率為0.24%，含水量為15%；施用化肥磷酸二氫銨的密度為1 060kg/m3，休止角為31.43°；試驗地土壤類型為粘質(zhì)土壤，地表為15～20cm玉米茬免耕地；耕作土壤層絕對含水率為27.23%，土壤容重為1.61g/cm3，地溫為21.61°；空氣濕度為31.72%；玉米秸稈覆蓋率為0.60kg/m2；玉米秸稈含水量為17%；風速為6～13m/s。

2 工作原理及關(guān)鍵部件設(shè)計優(yōu)化

2.1 2BM-5型氣吸式免耕播種機的工作原理

氣吸式免耕播種機集破茬、松土、施肥、單粒播種、覆土、鎮(zhèn)壓于一體[14-16],播種時為實現(xiàn)種肥分離，施肥開溝深度較播種深度多4～6cm左右，如圖2所示。播種作業(yè)時，牽引架與拖拉機的牽引機構(gòu)相連，使免耕播種機在地輪9的驅(qū)動下與拖拉機一起前進；破茬裝置首先切斷排種帶上的秸稈和雜草，同時松碎土壤；接著施肥開溝器繼續(xù)開出更深的溝槽，同時將施肥箱的肥料通過排肥裝置施入開出的溝槽中；然后排種開溝器開出4～6cm深的溝槽，用限深輪調(diào)節(jié)排種溝的深度；風機通過各個風管為排種裝置提供吸附種子的負壓，種子在正壓區(qū)沿導種管靠自重落入排種溝內(nèi)，實現(xiàn)單粒精密播種，覆土裝置對排種的壟溝進行覆土并鎮(zhèn)壓；劃印器12在地面劃出播種界線，避免重復播種。

1.牽引架 2.施肥箱 3.風機 4.種子箱 5.排種裝置 6.覆土裝置 7.限深輪 8.排種開溝器 9.地輪 10.施肥開溝器 11.破茬裝置 12.劃印器 13.支腿圖2 2BM-5型氣吸式免耕播種機的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of 2BM-5 type air suction no tillage planter

2.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計優(yōu)化

2.2.1 破茬裝置

秸稈經(jīng)過高寒干旱的冬季后，其含水量較低，秸稈干脆且韌性小，所以破茬裝置采用防堵性較好的單圓盤刀，易于切斷覆蓋的秸稈和根茬，同時可松碎播種帶上土壤，使施肥和排種開溝器順利通過，地表破土量小。安裝在刀軸上的圓盤刀傾斜固定安裝在刀軸上，圓盤刀的盤面與刀軸軸線的垂線呈夾角α，為4°～8°，如圖3所示。

圖3 破茬裝置Fig.3 Stubble breaking device

2.2.2 施肥開溝器

施肥開溝器(見圖4)的圓盤刀成對安裝，在刀軸上的傾斜方向相反。圓盤刀平面與刀軸軸線的垂線呈α角，為4°～8°。在刀軸末端安裝防振彈簧。施肥作業(yè)過程中，1對旋轉(zhuǎn)的圓盤刀切碎秸稈和根茬，同時可松碎深為8～10cm的耕作帶土壤，推開耕作帶上覆蓋的秸稈，開出一定寬度和深度的施肥溝槽。

圖4 施肥開溝器Fig.4 Fertilizing ditching device

2.2.3 排種開溝器

排種器開溝器在肥料上方4～6cm處開溝，如圖5所示。在播種機作業(yè)過程中，排種器的開溝器也是成對的圓盤刀，在刀軸上傾斜的方向相反，產(chǎn)生的軸向力相互抵消。在排種作業(yè)過程中，排種開溝器旋轉(zhuǎn)行進時僅有一側(cè)受到軸向壓力，致使土壤無法夾緊開溝圓盤，因此排種開溝器不易被土壤堵塞。由于成對圓盤傾斜安裝，使得開溝圓盤在橫向切入時是逐漸切削秸稈根茬土壤復合體的。同時，開溝圓盤旋轉(zhuǎn)1個周期，相對地表沿開溝寬度方向有相對運動，前半周期和后半周期的相對運動方向相反，從而形成對秸稈根茬土壤復合體的方向相反的作用力，推動其向耕作帶兩側(cè)運動。試驗證明：本開溝器性能優(yōu)越，地表破土量小于30%，為種子生長創(chuàng)造出良好的種床土壤環(huán)境，滿足了保護性耕作的技術(shù)要求。

圖5 排種開溝器Fig.5 Seeding ditching device

3 試驗結(jié)果及評價指標

3.1 性能試驗評價指標

試驗內(nèi)容根據(jù)國標《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法》[17]和農(nóng)業(yè)部農(nóng)機試驗鑒定總站發(fā)布的《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[18]進行試驗。性能試驗的評價指標是總排肥量穩(wěn)定性、各行排肥量一致性，以及精密排種的粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)及漏播指數(shù)等。

3.2 滑移率的測定

滑移率是播種機在田間作業(yè)，傳動地輪運轉(zhuǎn)時相對于地面的滑移程度。其計算公式為

(1)

其中，δ1為滑移率(%)；S為傳動輪走過的實際距離(m)；R為傳動輪半徑(m)；n為傳動輪在路程S內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)(r)。

滑移率測定所表1所示。播種機傳動輪的滑移率為5.7%，輪子下陷深度為為15～19mm，均值為17mm。

表1 播種機傳動輪滑移率的測定

3.3 播種深度和破土寬度的測定

播種深度如圖6所示。由圖6可以看出：前進速度為3～5km/h的范圍內(nèi)播種深度保持在30～70mm之間，符合播種要求。

圖6 播種深度Fig.6 Sowing depth

破土寬度如圖7所示。由圖7可以看出：破土寬度在前進速度為3～5km/h的范圍內(nèi)保持在50～100mm之間，符合免耕播種要求。

圖7 破土寬度Fig.7 Ground breaking width

3.4 播種性能的測定

播種性能是衡量播種機質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標，主要有精密排種的粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)及變異系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

根據(jù)文獻[18]，變異系數(shù)的計算公式為

(5)

性能試驗結(jié)果如表2所示。表2中，粒距合格指數(shù)為86.01%，重播指數(shù)7.74%，漏播指數(shù)6.33%，平均合格粒距變異系數(shù)4.86%。當排肥裝置的槽輪工作長度大于30mm時，各行排肥量一致性變異系數(shù)均值為3.44%，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均值為0.26%。播種深度合格率均值為89.81%，排肥深度合格率均值為88.23%，上述指標均符合免耕播種技術(shù)要求。

表2 性能試驗結(jié)果

圖8 播種頻率散點圖Fig.8 Scatter plot of seeding frequency

播種性能試驗結(jié)果表明：2BM-5型免耕播種機的總排肥量穩(wěn)定性、各行排肥量一致性、精密排種的粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)等指標均達到國家行業(yè)標準及免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范。

4 結(jié)論

1)播種機傳動輪的滑移率為5.7%≤8.0%，輪子下陷深度均值為17mm。前進速度為3～5km/h的范圍內(nèi)播種深度保持在30～70mm之間，破土寬度在前進速度為3～5km/h的范圍內(nèi)保持在50～100mm之間，符合免耕播種要求。

2)粒距合格指數(shù)為86.01%，重播指數(shù)7.74%，漏播指數(shù)6.33%，平均合格粒距變異系數(shù)4.86%，各行排肥量一致性變異系數(shù)均值為3.44%，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均值為0.26%，播種深度合格率均值為89.81%,排肥深度合格率均值為88.23%，均符合免耕播種技術(shù)指標。

[1] 蔣金琳，龔麗農(nóng)，王東偉，等. 免耕播種機雙刀盤有支撐切茬破茬裝置的研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012,28(21):17-22.

[2] 張守德，杜健民，郝飛，等.2BQM-6型免耕播種機結(jié)構(gòu)設(shè)計及開溝器的力學分析[J].農(nóng)機化研究，2016,38(1):146-149.

[3] Six J， Callewaert，Lenders S，et al． Measuring and understanding carbon storage in afforested soil by physical fractionation[J]．Soil Science Society of America Joural，2002，66：1981-1987．

[4] 李林. 氣吸式排種器理論及試驗的初步研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 1979,10(3):56-63.

[5] Liao Q X，Gao H W，Shu C X．Design of sawing anti-blocking mechanism for no-tillage planter and its cutting mechanism[J]．Transaction of the CSAE，2003，19(5)：64-70．

[6] Wang H Y，Chen H T，Ji W Y．Design and experiment of cleaning and covering mechanism for no-till seeder in wheat stubble fields[J]．Transaction of the CSAE，2012，28(2)：7-12．

[7] 李安寧，范學民，吳傳云，等．保護性耕作現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．農(nóng)業(yè)機械學報，2006，37(10)：177-180．

[8] 李洪文,高煥文,周興祥, 等．旱地玉米保護性耕作經(jīng)濟效益分析[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2000，18(3)：44-49．

[9] Rochette P，Janzen H H．Towards a revised coefficient for estimating N2O emissions from legumes[J]．Nutrient Cycling in Agroecosystems，2005，73：171-179．

[10] 齊鵬，高富強，邱立春.基于Abaqus的缺口圓盤刀開溝作業(yè)有限元仿真及分析[J].農(nóng)機化研究，2016,38(9)：64-68.

[11] 左彥軍,馬旭,齊龍,等. 窩眼窄縫式氣吸滾筒排種裝置的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010，26(11):141-144.

[12] 閆荊，朱龍圖，于婷婷，等.免耕播種機播種深度實時監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機化研究，2016,38(9)：214-218.

[13] 廖慶喜，高煥文，舒彩霞. 免耕播種機防堵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J], 農(nóng)業(yè)工程學報 2004, 20(1)：108-112.

[14] Zhao Manquan, Hu Yongwen, Liu Yueqin. Measurement and analysis on vibration characteristics of pneumatic seed metering device of no-till seeder[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(Supp.2):78-83.

[15] 趙滿全，佘大慶，王春光，等.免耕播種機試驗與應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)機化研究，2006,28(5):134-138.

[16] 劉月琴，劉飛，趙滿全，等.氣吸式免耕播種機的振動測試與振動理論分析[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2016,21(10):109-116.

[17] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2006.

[18] 農(nóng)機試驗鑒定總站.NY/T1768-2009免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2009.

Field Sowing Performance Test of 2BM-5 Type of Air Suction and no Tillage Planter

Liu Yueqin1,2, Zhao Manquan1, Liu Fei1, Dong Shuai1, Zhang Xu1

(1.College of Mechanical-electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018, China; 2.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics, Hohhot 010070, China)

In order to improve seeding accuracy of the 2BM-5 type of air suction and no tillage planter, after optimization of the key parts of the machine are improved, field seeding performance test was carried out. The experimental results show that the measured sowing machine driving wheel slip rate is 5.7%,the sinking depth of The wheels is 17mm, when the speed is 3～5 km/h, the sowing depth kept between 30～70mm in width,when forward speed is 3～5km/h, the ground breaking width is between 50～100mm, the particle distance qualified index is 86.01%, the repeat sowing index is 7.74%,the leakage sowing index is 6.33%,the average of qualified grain distance variation coefficient is 4.86%,the average of consistency variation coefficient of fertilizer quantity in each row is 3.44%, the Stability coefficient of variation of the total quantity of the fertilizer discharging is 0.26%,the average of sowing depth qualified rate is 89.81%, the average of fertilizer depth qualified rate is 88.23%, all indexes are in line with no tillage sowing technology index.

no tillage planter; air suction; field sowing; seeding performance

2016-10-09

國家自然科學基金項目(51365034)；中國博士后科學基金項目(2014M552532XB); 內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目(NJZY327)

劉月琴(1977-)，女，內(nèi)蒙古察右前旗人，副教授，博士研究生，(E-mail)liuyueqin103@126.com。

趙滿全(1955-)，男，內(nèi)蒙古土右旗人，教授，博士生導師，(E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S223.2+5；S157.4

A

1003-188X(2017)12-0125-05