秦 寬 丁為民 方志超 杜濤濤 趙思琪 王 朕

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草一體機播種系統(tǒng)設(shè)計與試驗

秦 寬 丁為民 方志超 杜濤濤 趙思琪 王 朕

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

目前免耕播種機多為收獲后免耕播種作業(yè)，未有將免耕播種系統(tǒng)與收獲、秸稈還田相結(jié)合的復(fù)式機型，為了滿足此種集成作業(yè)需要，達到搶農(nóng)時、提高作業(yè)效率、減少機器下地次數(shù)的目的，設(shè)計了一種免耕播種系統(tǒng)與稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草一體機相結(jié)合的機型，該播種系統(tǒng)主要由排種裝置、種溝開溝裝置、拋土裝置構(gòu)成。性能試驗結(jié)果表明：設(shè)計的小型免耕開溝器開溝深度為3.1 cm，開溝寬度為3.6 m，破茬率為83.4%；延伸板長度為12 cm的拋土裝置單側(cè)拋土幅寬為105 cm，覆土厚度為2.2 cm，碎土率為97.8%，拋土均勻性為91.7%。播種系統(tǒng)水稻旱直播田間試驗表明：當播種系統(tǒng)播種水稻干種、濕種播量分別為112.5 kg/hm2、135 kg/hm2時，產(chǎn)量分別為6 532.4、6 510.0 kg/hm2，滿足一體機免耕旱直播的播種需求。

免耕播種； 聯(lián)合作業(yè)； 水稻直播； 種溝開溝器； 拋土裝置； 試驗

引言

江淮稻麥輪作區(qū)是我國糧食的主要產(chǎn)區(qū)，在保護性耕作推廣的大背景下，稻、麥免耕直播種植方式發(fā)展迅速[1-3]，國內(nèi)外均有成熟免耕直播機，例如美國凱斯公司研制的CaseSDX30免耕播種機，其開溝器為單圓盤式,排種器為氣力式,可適應(yīng)高留茬覆蓋地多種作物的播種。中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研制的2BMG-18型免耕施肥精少量播種機[4]，采用控制式密齒型排種器、波紋圓盤和雙圓盤組合式開溝器，一次性完成切茬、開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)小麥精量播種。除單獨針對免耕播種作業(yè)設(shè)計的免耕播種機外，將免耕播種與秸稈還田相結(jié)合的復(fù)式作業(yè)機已有成熟機型，例如薛惠嵐等[5]研制的9QBF-150/8型秸稈覆蓋免耕施肥播種聯(lián)合作業(yè)機，在完成秸稈粉碎還田的基礎(chǔ)上進行免耕播種。但針對水旱輪作，稻麥收獲后破茬免耕旱直播并與收獲后秸稈集溝還田相結(jié)合的復(fù)式機型未見報道，本文針對此種免耕播種復(fù)式作業(yè)模式進行研究。

為了收獲后可即時完成秸稈集溝還田及稻、麥的破茬免耕播種作業(yè)，以達到搶農(nóng)時，提高作業(yè)效率，減少機器下地次數(shù)，節(jié)約作業(yè)成本的目的，本文設(shè)計一套免耕播種系統(tǒng)，與本課題組設(shè)計的稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機相結(jié)合[6-9]，完成功能融合，為收獲后秸稈集溝還田與免耕播種相結(jié)合的復(fù)式作業(yè)模式提供研究思路。

1 播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點與工作原理

在稻麥輪作免耕直播的種植環(huán)境下，本課題組研制的稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草一體機[8-10](簡稱一體機)可一次性完成收獲、集草溝開溝、秸稈入溝[10-12]。本文在一體機原有基礎(chǔ)上設(shè)計一套播種系統(tǒng)與之相匹配，同時完成稻、麥旱直播。

一體機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由收獲機(4LL-1.8 型全喂入聯(lián)合收獲機)、機器后方導(dǎo)草通道與集草溝開溝器組成，導(dǎo)草通道安裝于集草溝開溝器上方。以此為基礎(chǔ)集成播種系統(tǒng)，播種系統(tǒng)包括種箱、排種器、種溝開溝器與拋土裝置。播種系統(tǒng)與一體機集成后結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)、安裝位置說明見表1。

圖1 一體機播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Seeding system structural diagram of harvest ditch and stalk-disposing machine1.排種器 2.種箱 3.收獲機 4.導(dǎo)草通道 5.集草溝開溝器6.拋土裝置 7.谷物輸送槽 8.種溝開溝器 9.排種管 10.割臺

表1 一體機主要參數(shù)及各部件安裝位置Tab.1 Main parameters and installing location of machine

一體機對上季作物進行收獲時，秸稈通過導(dǎo)草通道落入集草開溝器所開集草溝內(nèi)。排種器同時對下季作物進行直播，排種器播出種子通過排種管落入種溝開溝器所開種溝內(nèi)，集草溝開溝器開溝拋出土壤與拋土裝置相撞擊后，落在播種區(qū)域土表，對種子進行覆土，一次性完成種溝開溝、排種入溝、覆土的播種過程。

2 排種裝置起停機構(gòu)工作原理

播種系統(tǒng)選用外槽輪排種器對小麥、水稻進行收獲后直播。為了給排種器提供工作動力且方便控制排種器工作閉合與收獲作業(yè)起停一致，設(shè)計一套排種裝置起停機構(gòu)，使收獲機行走履帶為排種器提供工作動力且使排種器作業(yè)閉合與收獲作業(yè)起停一致，當收獲機割臺放下進行收獲時，排種器同時進行排種作業(yè)，反之則停止排種作業(yè)。

圖2 播種系統(tǒng)排種連桿控制機構(gòu)Fig.2 Seeding connecting rod control mechanism of seeding system1.連桿Ⅰ 2.連桿Ⅱ 3.連桿Ⅲ 4.傳動鏈輪 5.履帶驅(qū)動盤 6.行走履帶 7.傳動軸 8.排種鏈輪 9.種箱 10.外槽輪排種器

如圖2a所示，排種裝置起停機構(gòu)為三連桿機構(gòu)，其工作原理如圖2b所示，連桿Ⅰ的A點與一體機割臺相連接，割臺升降沿軌跡弧線G1G2運動從而帶動連桿Ⅰ同步運動，連桿Ⅰ通過B點帶動連桿Ⅱ沿J1方向做直線往復(fù)運動，連桿Ⅱ通過C點帶動連桿Ⅲ的D點沿J2方向做直線往復(fù)運動。當一體機放下割臺進行收獲時，連桿Ⅰ的A點隨割臺向G1端靠近，此時連桿Ⅰ的B點與連桿Ⅱ共同向下做直線運動，連桿Ⅱ向下運動使連桿Ⅲ的D點向上做直線運動，連桿Ⅲ的D點連接傳動軸，傳動軸一端安裝履帶驅(qū)動盤，另一端安裝傳動鏈輪，連桿Ⅲ的D點向上運動使履帶驅(qū)動盤與履帶嚙合，履帶驅(qū)動盤被履帶驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，此時履帶驅(qū)動盤通過傳動軸將動力傳遞給傳動鏈輪，傳動鏈輪驅(qū)動排種鏈輪工作，從而達到使排種器工作的目的；反之，當一體機割臺升起停止收獲作業(yè)時，履帶驅(qū)動盤與履帶分離，排種動力被切斷，排種器停止工作。

3 小型免耕開溝器設(shè)計與試驗

一體機收獲后直接在免耕地上進行破茬播種，此時地表土壤板結(jié)且多茬[14]，特別是夏季水稻旱直播，田間麥秸稈殘茬較多，為避免種子落在殘茬表面[15]，保證種子可以與土壤接觸且具有一定入土深度，播種前需要使用種溝開溝器進行開溝破茬[16]，為種子提供良好種床環(huán)境[17]。一體機機構(gòu)多，種溝開溝器安裝空間小，因此在保證作業(yè)質(zhì)量的情況下，開溝器自身體積應(yīng)盡量減小。開溝器安裝于排種器下方、割臺與履帶之間，一體機播種幅寬為1.8 m，為保證稻、麥播種行距20 cm的農(nóng)藝要求，種溝開溝器安裝9個，為等距離安裝。

3.1 設(shè)計

設(shè)計的小型免耕開溝器如圖3所示，為提高開溝器在免耕留茬地入土性能，開溝器設(shè)計為銳角式[18]。底端尖角點O為入土初始點，以圓柱為開溝器主體，通過工作面圓弧過渡至安裝軸。開溝器底端尖角易于打破板結(jié)地表而入土，減少動力消耗，開溝器工作面弧線便于后期入土，開出一定深度的種溝，且不易于纏草。出種口位于開溝器后方，可以保證種子順利入溝。

圖3 小型免耕開溝器示意圖Fig.3 Diagram of small size no-tillage opener1.底端尖角 2.出種口 3.圓柱主體 4.安裝軸 5.圓弧翼鏟6.工作面圓弧 7.圓弧翼鏟外側(cè)曲線

3.1.1 入土角

入土角α為開溝器工作面圓弧與開溝器底面之間的夾角。α過大，入土性能變差，阻力增加，土層抬高，不利于保墑；過小，則底端尖角變長，強度減弱,α應(yīng)該在20°～60°范圍內(nèi)。假設(shè)開溝器工作面弧線所在圓方程為

(X-a)2+(Y-b)2=R2

(1)

式中a、b——圓心坐標R——圓半徑，mm

如圖3所示，設(shè)開溝器工作面圓弧底端尖角點O坐標為(0，0)，端點與安裝軸連接點E坐標為(40，100)，角α1、α2分別為O、E點的入土角，為滿足開溝器入土性能，適應(yīng)不同土層的破茬開溝，取α1=25°、α2=60°。M為工作面圓弧所在圓的圓心，P為圓弧上O、E點的切線交點。在四邊形OEMP和△OMP、△OEM中，有關(guān)系式

(2)

式中l(wèi)OE——O點與E點之間距離，mm

由E點坐標得出lOE=108 mm。將α1、α2代入式(2)得R=180 mm。將O點(0，0)、E點(40，100)以及R代入式(1)，得開溝器工作面弧線曲線方程為

(x+140)2+(y-114)2=1802

(3)

則工作面圓弧OE上任意一點的入土角α計算式為

(4)

式中l(wèi)——入土角α所對應(yīng)工作面圓弧上的點到坐標原點的距離，mm

小型免耕開溝器入土深度為40 mm的I點，其坐標為(40，70)，代入式(4)，得到I點的入土角α為36°。

3.1.2 圓弧翼鏟

小型免耕開溝器采用尖角入土，開溝時工作面自下而上起土，為了保證開溝器起出的土壤和殘茬被撥向兩側(cè)，避免種溝上方留有殘茬及產(chǎn)生大量回土現(xiàn)象，在開溝器上表面設(shè)計一對圓弧翼鏟。如圖3所示，圓弧翼鏟兩條外側(cè)曲線采用漸開線設(shè)計，保證開溝器起出的土壤與殘茬沿圓弧翼鏟外側(cè)曲線順利滑至種溝兩側(cè)。翼鏟外側(cè)曲線由兩條上下對稱漸開線A1、B1組成，A1、B1相交于E點，A1極坐標方程為

(5)

式中r——漸開線向徑，mmδ——漸開線展角，(°)Rj——漸開線基圓U半徑，mmθ——漸開線壓力角，(°)

圖4 開溝深度與寬度試驗結(jié)果Fig.4 Experiment results of furrow depth and width

為確保圓弧翼鏟外側(cè)曲線與工作表面圓弧更好結(jié)合，基圓U半徑Rj與工作面圓弧半徑R同為180 mm，基圓U圓心與起始入土點O點重合，壓力角θ為50°，根據(jù)式(5)，得向徑r為278 mm，展角δ為18°，漸開線軌跡端點與圓柱主體表面圓弧相交于K點。另一條圓弧翼鏟外側(cè)曲線由漸開線A2、B2組成，與A1、B2以中心線相對稱。

3.2 性能試驗

3.2.1 試驗條件

2015年3月25日在江蘇省揚州市江都區(qū)真武鎮(zhèn)楊莊村對設(shè)計的小型免耕開溝器進行開溝性能試驗，試驗田為免耕留茬地，土質(zhì)為黏土，試驗田環(huán)境特性參數(shù)如表2所示。

表2 試驗田環(huán)境特性參數(shù)Tab.2 Characteristics parameters of experimental field environment

將9個小型免耕開溝器等距離安裝在排種器下方，一體機作業(yè)速度為0.3 m/s，牽引開溝器進行開溝作業(yè)，開溝器入土深度為40 mm，以30 m為試驗行程。一體機其它機構(gòu)不進行工作，試驗過程考察開溝深度與寬度、破茬率。

3.2.2 開溝深度與寬度

開溝器開溝后，在一個行程內(nèi)連續(xù)選取100個測量點測量開溝深度和寬度。

3.2.3 破茬率

在試驗地開溝播種帶上隨機選取10個測量點，每個測量點位置選取長1 m、寬3 cm區(qū)域，試驗前測量該區(qū)域內(nèi)的根茬數(shù)量；試驗后，再次測量此區(qū)域內(nèi)的根茬數(shù)量。破茬率計算公式為

(6)

式中Ni——試驗前第i個測量點區(qū)域內(nèi)根茬數(shù)量，株

ni——試驗后第i個測量點區(qū)域內(nèi)根茬數(shù)量，株

3.2.4 試驗結(jié)果與分析

由圖4可知，30 m行程內(nèi)開溝深度最大值與最小值相差1.3 cm，開溝寬度最大值與最小值相差1.4 cm，通過計算可知，開溝深度平均值為3.1 cm，開溝寬度平均值為3.6 cm，開溝深度變異系數(shù)為7.14%，開溝寬度變異系數(shù)為7.85%；通過式(6)計算可知，開溝器破茬率達到83.4%。

由試驗結(jié)果可知，開溝器所開種溝溝深在3 cm上下浮動，溝寬在3.5 cm上下浮動，溝型滿足種子入土深度與寬度要求，開溝深度與寬度變異系數(shù)均小于10%，說明溝深與溝寬穩(wěn)定。開溝器破茬率達到83.4%，說明開溝器可以有效切斷秸稈殘茬且將殘茬移出播種帶位置。試驗結(jié)果表明小型免耕開溝器滿足一體機播種系統(tǒng)免耕地種溝開溝破茬的需要。

4 拋土裝置設(shè)計與試驗

一體機播種后，利用集草開溝器開溝作業(yè)拋出土壤并對已播種子進行覆蓋，為滿足種子覆土需求，在集草溝開溝器上方加裝拋土裝置，使開溝器拋出土壤與拋土裝置相撞擊后，落入已播種區(qū)域，達到種子覆土目的。設(shè)計的拋土裝置要求拋出土壤與其碰撞后，土壤細碎、拋土均勻、覆土厚度與拋土幅寬適中。

集草溝開溝器工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)方向與前進方向相反，刀片由溝底向地表切土的過程中，將溝中土壤拋出，土壤拋出位置多集中在開溝器圓盤上半部分邊緣處，為了使拋出土壤與拋土板發(fā)生碰撞后落入理想?yún)^(qū)域內(nèi)，使土壤細碎，增加拋土均勻性，重新設(shè)計的拋土裝置由一對對稱的導(dǎo)流板與延伸板構(gòu)成[19]。

4.1 拋土裝置導(dǎo)流板的設(shè)計

如圖5所示，為了使圓盤開溝器銑切碎土能拋出一定距離，與土壤初步接觸的導(dǎo)流板主體設(shè)計為圓弧形狀。一體機集草溝開溝器半徑RD為350 mm，為了保證拋土均勻，設(shè)計導(dǎo)流板內(nèi)圓、外圓與開溝器同心，為了防止導(dǎo)流板與開溝器相干涉，且為土壤拋出留出空間，設(shè)計導(dǎo)流板內(nèi)圓與開溝器邊緣距離l為100 mm，因此內(nèi)圓半徑R1為450 mm。由于開溝器拋出土壤多從開溝器上半部分邊緣拋出，因此設(shè)計整個導(dǎo)流板張角γ為150°。為了使大部分碎土拋出一定距離，與延伸板相撞擊后落入理想?yún)^(qū)域，避免在開溝器附近落下，設(shè)計導(dǎo)流板過渡弧線為最速降線LA，使拋出碎土容易沿LA過渡至延伸板。LA參數(shù)方程式為[20]

(7)

式中x——導(dǎo)流板寬度，cmy——導(dǎo)流板縱向最高點至內(nèi)圓豎直距離，mm

rp——滾圓半徑，mm

β——滾圓半徑所經(jīng)過的角度，即滾動角，(°)

圖5 拋土裝置示意圖Fig.5 Schematic diagrams of throwing soil device1.拋土裝置 2.導(dǎo)流板 3.延伸板 4.集草溝開溝器 5.導(dǎo)流板內(nèi)圓 6.導(dǎo)流板外圓

由于開溝器拋出土壤多從開溝器邊緣位置飛出，為了使拋出土壤可以沿導(dǎo)流板最速降線LA移動，令滾圓半徑與開溝器半徑RD一致，即rp為350 mm。導(dǎo)流板最速降線LA在與延伸板銜接點Z處切線為水平線，即此點處β角度為90°，將rp、β值代入公式(7)，可得x為199.5 mm，y為350 mm，即導(dǎo)流板寬度為199.5 mm，導(dǎo)流板外圓半徑R2為y、l與RD之和，即導(dǎo)流板外圓半徑R2為800 mm。

4.2 拋土裝置延伸板的設(shè)計

拋土裝置在原有導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上設(shè)計延伸板，以控制拋土裝置的拋土距離，延伸板是以導(dǎo)流板外圓為基礎(chǔ)向外延伸的水平板。

圖6 土垡與拋土裝置碰撞示意圖Fig.6 Schematic diagram of collision soil with throwing soil device1.土壤顆粒 2.延伸板 3.拋土裝置 4.導(dǎo)流板 5.集草溝開溝器 6.田間土壤

如圖6所示，假設(shè)開溝器拋出土壤顆粒從開溝器邊緣位置被拋出，即土壤顆粒沿虛線拋出，與延伸板碰撞后落在土壤表面，延伸板長度L計算式為

L=S-N-x

(8)

式中S——最大拋土幅寬,cmL——延伸板長度，cmN——與延伸板最外端碰撞后土壤顆粒飛行距離，cm

N=vxt

(9)

式中vx——土壤顆粒與延伸板碰撞后水平速度，m/s

t——土壤顆粒與延伸板碰撞后下落時間，s

vx=vacosγ

(10)

式中va——土壤從集草溝開溝器邊緣拋出速度，m/s

γ——土壤顆粒飛出點與延伸板撞擊點連線與延伸板夾角，(°)

(11)

式中h——延伸板與開溝器中心距離，cm

(12)

式中H——延伸板離地距離，cmvy——土垡與延伸板碰撞后垂直速度，m/s

vy=vasinα

(13)

根據(jù)拋土幅寬要求，最大拋土幅寬范圍在100～110 cm，已知拋土裝置導(dǎo)流板寬度x為20 cm，土壤從集草溝開溝器邊緣拋出速度va為6.7 m/s，延伸板與開溝器中心距離h為45 cm，延伸板離地距離H為115 cm，將已知數(shù)據(jù)代入各式，可得延伸板長度范圍應(yīng)為10.6～14.2 cm。

4.3 拋土裝置性能試驗

4.3.1 試驗條件

2015年3月27日在江蘇省揚州市江都區(qū)真武鎮(zhèn)楊莊村對設(shè)計的拋土裝置進行拋土性能試驗，試驗田環(huán)境特性與種溝開溝器試驗田相同，見表2。

分別將延伸板長度L為11、12、13、14 cm的拋土裝置安裝在集草溝開溝器上方，進行拋土性能試驗。試驗時，一體機以0.3 m/s速度前進，30 m為一個行程，其它機構(gòu)不進行工作，集草溝開溝器以350 r/min反轉(zhuǎn)進行開溝作業(yè)，開溝深度為20 cm，拋土量為每轉(zhuǎn)拋土570 g，開溝器作業(yè)拋出土壤與拋土裝置撞擊后覆蓋在土壤表面。試驗后，考察單側(cè)拋土幅寬、覆土厚度、拋土均勻性、碎土率，試驗方法參照NY/T 740—2003《田間開溝機械作業(yè)質(zhì)量》，具體試驗方法如下。

4.3.2 單側(cè)拋土幅寬

沿行程方向每3 m取一點，共取5點，沿垂直集草溝溝壁方向，測量拋土區(qū)域外沿至溝邊距離，共測3個行程。

4.3.3 覆土厚度

在4.3.2節(jié)測試方法對應(yīng)的各測量點處，沿垂直于集草溝溝壁方向，由內(nèi)向外依次分別收集測定20 cm×20 cm區(qū)域內(nèi)所拋土垡體積、質(zhì)量，并依據(jù)體積計算各區(qū)域覆土厚度。

4.3.4 拋土均勻性

依據(jù)4.3.3節(jié)測量方法所收集稱量的各區(qū)域內(nèi)土垡質(zhì)量，計算拋土質(zhì)量標準差Q及拋土均勻性a。

(14)

(15)

式中Q——拋土質(zhì)量標準差M——拋土質(zhì)量，gn——測定點數(shù)，個m1——平均拋土質(zhì)量，ga——拋土均勻性，%

4.3.5 碎土率

將4.3.3節(jié)測試方法所收集的各區(qū)域內(nèi)土垡，按邊長小于5 cm和大于等于5 cm分2級，并分別稱量，計算碎土率E。

(16)

式中Wa——邊長小于5 cm的土垡質(zhì)量，gWb——邊長大于等于5 cm的土垡質(zhì)量，g

4.3.6 拋土裝置試驗結(jié)果與分析

由表3結(jié)果可知，4種不同延伸板長度L的拋土裝置覆土厚度均在2～3 cm之間；碎土率均在95%以上；拋土均勻性均在90%以上，滿足種子覆土農(nóng)藝要求。已知單側(cè)播種幅寬為100 cm，為了完全覆蓋播種區(qū)域，單側(cè)拋土幅寬應(yīng)大于單側(cè)播種幅寬，但過大會造成拋出土壤污染未收獲作物，且拋土重疊區(qū)域覆土厚度過大。因此單側(cè)拋土幅寬為105 cm、延伸板長度L為12 cm的拋土裝置最適合一體機覆土需求。

表3 拋土裝置試驗結(jié)果Tab.3 Experiment result of throwing soil device

5 播種系統(tǒng)水稻田間試驗

一體機播種系統(tǒng)在稻麥輪作地區(qū)對于小麥免耕旱直播技術(shù)相對成熟，且產(chǎn)量穩(wěn)定，而此種輪作模式下水稻旱直播難點較多，包括收獲后田間麥秸稈殘茬較多，易造成稻種與土壤接觸不夠充分，難以為水稻出芽提供適宜種床環(huán)境。一體機播種系統(tǒng)小型免耕開溝器可以破除播種帶上秸稈殘茬并推向兩側(cè)，使稻種可以播至播種帶種溝內(nèi)，達到種子入土的目的，后續(xù)拋土裝置對種子進行覆土，使稻種具有一定播深，且和土壤充分接觸的情況下，具有適宜的土壤孔隙度及濕度。為考察一體機播種系統(tǒng)播種質(zhì)量及探究播量對水稻產(chǎn)量的影響，進行播種系統(tǒng)水稻播種田間試驗。

圖7 播種系統(tǒng)田間試驗現(xiàn)場Fig.7 Field experiment of seeding system

5.1 試驗條件

對設(shè)計完成的一體機播種系統(tǒng)于2016年6月10—12日在江蘇省泰州市姜堰區(qū)沈高鎮(zhèn)河橫村宏昌家庭農(nóng)場進行水稻免耕播種試驗，試驗現(xiàn)場如圖7所示。試驗田為南北走向，長141.3 m，寬50.9 m，面積為7 192.17 m2，土質(zhì)為砂土。具體試驗參數(shù)如表4所示。

表4 田間試驗參數(shù)Tab.4 Parameters of field experiment

5.2 試驗方法

試驗時將田塊均分為6個小區(qū)，每個小區(qū)長為70.7 m，寬為17.0 m，面積為1 201.9 m2，小區(qū)設(shè)置如圖8所示。播種試驗時每個小區(qū)設(shè)置不同播量及干、濕稻種對比，濕種水稻提前浸種約一天時間，各小區(qū)播種方式設(shè)置如表5所示。試驗時，一體機平均作業(yè)速度0.3 m/s，在一體機收獲的基礎(chǔ)上，播種系統(tǒng)同時進行種溝開溝、播種、拋土、覆土協(xié)同作業(yè)，進行水稻免耕旱直播作業(yè)。播種系統(tǒng)播種時，調(diào)節(jié)開溝器入土深度穩(wěn)定在2 cm左右，固定排種器轉(zhuǎn)速為35 r/min，通過調(diào)節(jié)排種器槽輪開度控制播種量，在一個小區(qū)內(nèi)完成指定播量播種后，調(diào)節(jié)槽輪開度，進入下一個小區(qū)進行指定播量播種，機器按圖8中虛線路徑依次進行6個小區(qū)播種作業(yè)，播種時調(diào)節(jié)實際播量略小于理論播量，播種后通過少量補種以達到理論播量值。待水稻成熟后，分別測量6個小區(qū)中水稻產(chǎn)量。

圖8 一體機播種系統(tǒng)播種試驗小區(qū)設(shè)置與作業(yè)路徑圖Fig.8 Experimental plot setting and routed drawing of harvest ditch and stalk-disposing machine

為更好說明一體機播種系統(tǒng)水稻旱直播播種質(zhì)量，將當?shù)貎蓧K不同水稻種植模式生產(chǎn)田塊作為對照組，生產(chǎn)田塊1(CK1)種植模式為旋耕整地后條播，旋耕機為姜堰新科機械制造有限公司生產(chǎn)的1ZSD-230型旋耕機，播種機為欣天農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)的2BGF-200型條耕施肥播種機，所播稻種為干種，實際播量為137.25 kg/hm2，播種品種與試驗田播種品種一致，播種時間為2016年6月11日，播種后田間管理與試驗田相同；生產(chǎn)田塊2(CK2)種植方式采用傳統(tǒng)機插秧形式，插秧機型為江蘇東洋機械有限公司生產(chǎn)的P600型插秧機，插秧時間為2016年6月12日。

表5 試驗小區(qū)播量設(shè)置Tab.5 Seeding rate design of experimental plots

5.3 試驗結(jié)果與分析

一體機播種系統(tǒng)水稻田間試驗結(jié)果如表6所示。由表6可知，播種系統(tǒng)對水稻干種進行旱直播，播量由90 kg/hm2增加至112.5 kg/hm2，產(chǎn)量增加320 kg/hm2，增幅為5.2%，產(chǎn)量增幅較明顯，播量由112.5 kg/hm2增加至135 kg/hm2，產(chǎn)量減少了7.4 kg/hm2，減幅為0.1%，產(chǎn)量未有明顯變化。播種系統(tǒng)對水稻濕種進行旱直播，播量由90 kg/hm2增加至112.5 kg/hm2，產(chǎn)量增加387 kg/hm2，增幅為6.5%，產(chǎn)量增幅較明顯，播量由112.5 kg/hm2增加至135 kg/hm2，產(chǎn)量增加178.5 kg/hm2，增幅為2.8%，產(chǎn)量增幅較小。當播量同為90、112.5、135 kg/hm2時，播干種小區(qū)較播濕種小區(qū)產(chǎn)量分別提高4.5%、3.2%、0.2%。在播量基本一致時，干種播種田塊與濕種播種田塊同旋耕整地后條播田塊相比，產(chǎn)量分別低11.9%與12.1%。干種播種田塊與濕種播種田塊同插秧田塊相比，產(chǎn)量分別低28.3%與28.5%。

試驗結(jié)果表明，當播量值在合理范圍內(nèi)時，一體機播種系統(tǒng)對干、濕稻種的免耕旱直播產(chǎn)量穩(wěn)定，其中對于水稻干種旱直播，播量為112.5 kg/hm2時，產(chǎn)量最高，為6 532.4 kg/hm2；對于水稻濕種旱直播，播量為135 kg/hm2時，產(chǎn)量最高，為6 510.0 kg/hm2。在播量相同時，播種系統(tǒng)播種水稻干種產(chǎn)量高于播種水稻濕種產(chǎn)量。一體機播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量雖低于旋耕條播田塊產(chǎn)量，但差值小于900 kg/hm2；一體機播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量低于插秧田塊產(chǎn)量，但差值小于2 600 kg/hm2。

表6 一體機播種系統(tǒng)水稻田間試驗結(jié)果Tab.6 Field experiment rice planting result of seeding system of harvest ditch and stalk-disposing machine

6 結(jié)論

(1)設(shè)計的一體機播種系統(tǒng)包括排種裝置、種溝開溝裝置、拋土裝置。排種裝置動力來源于行走履帶，通過一組三連桿機構(gòu)控制排種閉合與收割作業(yè)起停同步；小型免耕開溝器具有圓弧翼鏟結(jié)構(gòu)，在免耕地平均開溝深度為3.1 cm，平均開溝寬度為3.6 cm，破茬率為83.4%；拋土裝置具有延伸板結(jié)構(gòu)，其長度為12 cm時，單側(cè)拋土幅寬為105 cm，覆土厚度為2.2 cm，碎土率為97.8%，拋土均勻性為91.7%。

(2)使用一體機播種系統(tǒng)對水稻進行免耕旱直播田間試驗，結(jié)果表明，在播量相同時，播種系統(tǒng)播種干種產(chǎn)量高于播種濕種產(chǎn)量。一體機播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量雖低于旋耕條播田塊產(chǎn)量，但差值小于900 kg/hm2；一體機播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量低于插秧田塊，但差值小于2 600 kg/hm2。當播種系統(tǒng)播種水稻干種播量為112.5 kg/hm2時，產(chǎn)量為6 532.4 kg/hm2，當播種系統(tǒng)播種水稻濕種播量為135 kg/hm2時，產(chǎn)量為6 510.0 kg/hm2，此播種系統(tǒng)可滿足一體機免耕旱直播的播種需求。

(3)此套播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，與一體機其它機構(gòu)相匹配，一次性下地可以完成收獲、開溝、集草、噴施、播種、覆土作業(yè)，減少機具下地次數(shù)，提高作業(yè)效率，節(jié)約經(jīng)濟成本，具有連收帶播搶農(nóng)時的優(yōu)點。

1 高煥文，李洪文，姚宗路. 我國輕型免耕播種機研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(4)：78-82. GAO Huanwen,LI Hongwen,YAO Zonglu. Study on the Chinese light no-till seeders[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(4):78-82. (in Chinese)

2 劉世平，陳后慶，聶新濤，等.稻麥兩熟制不同耕作方式與秸稈還田土壤肥力的綜合評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(5):51-56. LIU Shiping, CHEN Houqing, NIE Xintao, et al.Comprehensive evaluation of tillage and straw returning on soil fertility in a wheat-rice double cropping system[J]. Transactions of the CSAE,2008,24(5)：51-56. (in Chinese)

3 吳文革，陳燁，錢銀飛，等．水稻直播栽培的發(fā)展概況與研究進展[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2006，8(4)：32-36. WU Wenge,CHEN Ye,QIAN Yinfei,et al. The current status and progresses of the research on direct seeding rice[J]. Review of China Agricultural Science and Technology,2006,8(4):32-36.(in Chinese)

4 龔萬濤. 開溝施肥播種聯(lián)合作業(yè)機的設(shè)計與試驗研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

5 薛惠嵐，薛少平，楊青，等. 秸稈粉碎覆蓋與施肥播種聯(lián)合作業(yè)的實現(xiàn)及機具設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003,19(3)：104-108. XUE Huilan,XUE Shaoping,YANG Qing,et al. Implementation of combined work of straw crushed for mulching and seeding with fertilizer and design of the machine[J]. Transactions of the CSAE,2003,19(3):104-108.(in Chinese)

6 陳玉侖，丁為民，汪小旵，等. 稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(8)：62-66. CHEN Yulun,DING Weimin,WANG Xiaochan,et al. Design of harvest ditch and stalk-disposing machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(8):62-66. (in Chinese)

7 陳玉侖，丁為民，方志超，等. 全喂入式聯(lián)合收割機碎草脫粒裝置的改進設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(24)：11-16. CHEN Yulun,DING Weimin,FANG Zhichao,et al. Improved design of straw-cutting type threshing mechanism of full-feeding combine harvester[J]. Transactions of the CSAE,2013,29(24):11-16.(in Chinese)

8 陳玉侖，丁為民，姚立健，等. 稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機開溝功耗研究[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，33(2)：101-104. CHEN Yulun,DING Weimin,YAO Lijian,et al. Research on power consumption of ditcher device of harvest ditch and stalk-disposing machine[J]. Journal of Nanjing Agricultural University,2010,33(2):101-104. (in Chinese)

9 陳玉侖，丁為民，楊宏圖，等. 墑溝集草型稻麥聯(lián)合收獲機設(shè)計與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43(增刊)：73-78.http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2012s15&journal_id=jcsam DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2012.S0.015. CHEN Yulun,DING Weimin,YANG Hongtu,et al. Design and experiment of combine harvester with function of stalk-discharging to ditch[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(Supp.):73-78.(in Chineset)

10 方志超，陳玉侖，丁為民，等. 稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機噴菌裝置的設(shè)計及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(14)：32-38. FANG Zhichao,CHEN Yulun,DING Weimin,et al. Design and test of bacteria spraying device for harvest ditch and stalk disposing machine[J]. Transactions of the CSAE,2015,31(14):32-38. (in Chinese)

11 方志超，陳玉侖，丁為民，等. 稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草多功能一體機行走及脫粒性能改進[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(18)：26-33. FANG Zhichao,CHEN Yulun,DING Weimin,et al. Improvement of walking stability and threshing performance for harvest ditch and stalk-disposing machine[J]. Transactions of the CSAE,2015,31(18):26-33. (in Chinese)

12 方志超，劉玉濤，丁為民，等. 微生物菌噴施對集溝還田稻麥秸稈的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(23)：187-194. FANG Zhichao,LIU Yutao,DING Weimin,et al. Effect of microbial spraying on wheat and rice straw returning to ditch[J]. Transactions of the CSAE,2015,31(23):187-194. (in Chinese)

13 JB/T 9783—2013 播種機 外槽輪式排種器[S]. 2013．

14 姚宗路，高煥文，王曉燕，等. 小麥免耕播種機開溝器對作物生長的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(7)：117-120. YAO Zonglu,GAO Huanwen,WANG Xiaoyan,et al. Effect of three furrow openers for no-till wheat seeder on crop growth performance[J]. Transactions of the CSAE,2007,23(7):117-120. (in Chinese)

15 顧耀權(quán)，賈洪雷，郭慧，等.滑刀式開溝器設(shè)計與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(2)：38-42．http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20130208&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298. 2013.02.008. GU Yaoquan，JIA Honglei，GUO Hui，et al.Design and experiment of sliding knife furrow openner[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(2):38-42．(in Chinese)

16 張軍昌，閆小麗，薛少平，等．秸稈粉碎覆蓋玉米免耕施肥播種機設(shè)計[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43(12)：51-55．http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20121210&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298. 2012.12.010. ZHANG Junchang，YAN Xiaoli，XUE Shaoping，et al.Design of no-tillage maize planter with straw smashing and fertilizing[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，43(12):51-55．(in Chinese)

17 朱惠斌，李洪文，何進，等. 稻茬地雙軸驅(qū)動防堵式小麥免耕播種機[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(6)：39-44．http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20130608&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.06.008. ZHU Huibin，LI Hongwen，HE Jin，et al.No-till wheat seeder with two-axel drive anti-blocking in rice stubble field[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(6):39-44．(in Chinese)

18 何進，王慶杰，李洪文，等. 華北一年兩熟區(qū)免耕開溝種床對農(nóng)田作物生長的影響[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(8)：50-56．http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20130809&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298. 2013.08.009. HE Jin,WANG Qingjie, LI Hongwen, et al. Effect of no-till opening seedbed on crop growth in annual double cropping areas innorthern China[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(8):50-56．(in Chinese)

19 陳玉侖，丁為民，方志超，等. 聯(lián)合收獲免耕直播機開溝分土裝置拋土性能研究[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，36(6)：135-140. CHEN Yulun,DING Weimin,FANG Zhichao, et al. Soil dispersing performance research of ditcher and reflector of machine with combinative harvesting and no-till planting[J]. Journal of Nanjing Agricultural University,2013,36(6):135-140. (in Chinese)

20 老大中. 變分法基礎(chǔ)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，2004．

Design and Experiment of Seeding System for Harvest Ditch and Stalk-disposing Machine

QIN Kuan DING Weimin FANG Zhichao DU Taotao ZHAO Siqi WANG Zhen
(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

With the aim to reach the requirement of combined work harvest with no-tillage seeding, the seeding system matching with harvest ditch and stalk-disposing machine was designed. The seeding system designed included seeding device, furrow opener and throwing soil device. The seeding system used external force feed for sowing of crop and through a set of three link mechanism controlled start-stop. Furrow opener was designed small size no-tillage opener that had arc shovel. The throwing soil device designed included guide plate and extension plate. The experimental results of furrow opener showed that furrow width was 3.1 cm, furrow depth was 3.6 cm and straw of broken rate was 83.4%, and the furrow opener reached requirement of ditching and breaking straw. The experimental results of designed throwing soil device showed that when length of extension board was 12 cm, throwing soil width was 105 cm, thickness of covering soil was 2.2 cm, rate of breaking soil was 97.8% and uniformity of throwing soil was 91.7%, and throwing soil device reached requirement of seed covering. The paddy direct seeding field experiment of seeding system was done in Hongchang farm, Shengao town, Jiangyan district, Taizhou city, Jiangsu province and in the experiment the sowing in line after rotary tillage(CK1) and the traditional transplant rice seedlings(CK2) was done as control group. The experiment result showed that to dry direct-seeding of dry seed rice, the yield peak was 6 532.4 kg/hm2, when seeding rate was 112.5 kg/hm2. To dry direct-seeding of soaking seed rice, the yield peak was 6 510.0 kg/hm2, when seeding rate was 135 kg/hm2. The yield of paddy direct seeding field was less than that of CK1, but it had no significant difference compared with the yield of CK1. The yield of paddy direct seeding field was less than that of CK2, but the difference value of yield was within a rational range.

no-tillage seeding; integration of operation; paddy direct seeding; furrow opener; throwing soil device; experiment

2016-07-20

2016-08-22

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203059)

秦寬(1989—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備研究，E-mail: qinkuan_njau@163.com

丁為民(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備研究，E-mail: wmding@njau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.006

S225.3

A

1000-1298(2017)05-0054-09