劉艷芬 林 靜 李寶筏

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院, 沈陽 110866； 2.青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院， 青島 266109)

輕量化玉米壟作免耕播種機設計與試驗

劉艷芬1,2林 靜1李寶筏1

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院, 沈陽 110866； 2.青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院， 青島 266109)

針對目前東北地區(qū)的免耕播種機主要依靠自重增加下壓力來保證開溝深度的問題，設計了2BQM-2型輕量化玉米壟作免耕播種機，重量為一般免耕播種機的一半，可減輕對土壤的壓實。輕量化壟作免耕播種機采用懸掛方式與拖拉機聯(lián)結(jié)成作業(yè)機組，利用拖拉機液壓系統(tǒng)的位置調(diào)節(jié)法來控制破茬深度。為了驗證作業(yè)機組的工作性能，田間試驗以播種機速度、播種深度、秸稈覆蓋量為試驗因素，以免耕播種機的工作阻力和粒距合格率為試驗指標，進行三因素五水平二次回歸正交試驗。試驗結(jié)果得到的最佳工況組合為：播種機速度為1.21 m/s，播種深度為4.96 cm，秸稈覆蓋量為0.73 kg/m2時，播種機工作阻力為3.62 kN，粒距合格率為93.63%。經(jīng)過對免耕播種機優(yōu)化設計有效減輕了免耕播種機的重量，減少了機器的制造成本和工作時對土壤的壓實，降低了能耗。經(jīng)田間測量鎮(zhèn)壓輪壓實土壤的深度平均為10 mm，相對現(xiàn)有的壟臺被壓平的機具，工作效果良好。

免耕播種機； 玉米； 輕量化； 懸掛機構(gòu)

引言

保護性耕作是指減少田間作業(yè)工序，減輕土壤風蝕、水蝕，改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量的一項先進的農(nóng)業(yè)耕作技術。免耕播種作為保護性耕作技術的一項重要技術，是目前東北玉米壟作區(qū)主要推行的種植模式，在地表有作物殘茬的未耕地上進行播種作業(yè)，田間工況復雜，對免耕播種機的工作性能要求較高。

國內(nèi)外專家學者對免耕播種機進行了大量的研究工作[1-15]，這些都是對免耕播種機的關鍵部件進行設計研究。針對輕量化播種機及其下壓力的研究，國外有的研究指出：滾動圓盤式破茬犁刀要切開殘茬與土壤，每行單體需要2 224 N的下壓力[16]。

我國東北玉米壟作區(qū)實行免耕播種的土壤堅實度較大，而且玉米殘茬秸稈粗壯，給免耕播種機的入土性能帶來困難，現(xiàn)在使用的免耕播種機大多通過增大重量來增加破茬下壓力，兩行機達1～1.5 t。而播種機自身重力過大，造成播種后壟臺被壓平，壟形被嚴重破壞失去壟作優(yōu)勢，加劇對土壤的壓實而犁底層加厚上移，作業(yè)時能耗增大等問題。在不加大整機重量的前提下，如何使破茬開溝播種裝置有足夠的下壓力來保證破茬盤入土深度和播深穩(wěn)定性是當前免耕播種機亟待解決的問題。本文設計一種輕型玉米免耕播種機，集破茬清壟、側(cè)深施肥、精量播種、鎮(zhèn)壓覆土功能于一體，采用懸掛式與拖拉機聯(lián)結(jié)成作業(yè)機組，借助拖拉機的液壓系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)法對播種機的破茬裝置施加下壓力，保證播種機的破茬深度；利用免耕播種機單體的仿形四連桿機構(gòu)來控制播種深度。

1 整機結(jié)構(gòu)與技術參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

2BQM-2型玉米免耕播種機三點懸掛于拖拉機后方，主要由上下懸掛點、機架、破茬盤、清壟輪、施肥開溝器、播種仿形機構(gòu)、播種開溝器、V型覆土輪、排肥地輪、排種地輪、水平圓盤排種器、種子箱、外槽輪排肥器、肥料箱等組成，如圖1所示。

圖1 2BQM-2型玉米免耕播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 General structure diagram of 2BQM-2 maize no-tillage planter1.上懸掛點 2.下懸掛點 3.機架 4.破茬盤 5.清壟輪 6.施肥開溝器 7.播種仿形機構(gòu) 8.播種開溝器 9.V型覆土輪 10.排肥地輪 11.排種地輪 12.水平圓盤排種器 13.種子箱 14.外槽輪排肥器 15.肥料箱

破茬盤、清壟輪組成的切撥防堵裝置和施肥開溝器左右對稱安裝在機架前梁上；播種仿形機構(gòu)、播種開溝器、種子箱、V型覆土輪、排種地輪等組成的播種單體左右對稱安裝在機架的后梁上。為了防止肥料燒苗，采用側(cè)深施肥，因此安裝時切撥防堵裝置軸線與播種開溝器前后對正，而施肥開溝器軸線要與兩者左右錯開。外槽輪排肥器、肥料箱安裝在支架的左右兩側(cè)橫梁上，驅(qū)動外槽輪排肥器的排肥地輪安裝在后梁上，位于兩個播種單體之間。整機結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，可一次完成破茬清壟、側(cè)深施肥、精量播種、鎮(zhèn)壓覆土的功能。兩行播種機的播種行距、破茬盤破茬切入土壤深度、側(cè)深施肥側(cè)面距離和深度、播種開溝器開溝深度、播種粒距、施肥量均設置可調(diào)。整機采用地輪和鏈傳動進行動力傳動。

1.2 主要技術參數(shù)

2BQM-2型玉米免耕播種機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 2BQM-2型免耕播種機主要技術參數(shù)Tab.1 Main parameters of 2BQM-2 maizeno-tillage planter

2 關鍵部件設計

2.1 切撥防堵裝置

當破茬犁刀切割玉米根茬時，玉米根茬長在土壤中并未腐爛不會發(fā)生移動，屬于有支撐切割；當破茬犁刀切斷秸稈時屬于無支撐切割，如圖2所示。

圖2 破茬犁刀切斷秸稈示意圖Fig.2 Schematic diagram of stubble-cutting coulter

破茬犁刀切斷玉米根茬和秸稈受力公式為

(1)

式中F1——秸稈受到土壤的摩擦力，N

F2——秸稈受到破茬犁刀的摩擦力，N

N1——秸稈受到地面的支撐力，N

N2——秸稈受到破茬犁刀的壓力，N

φ——破茬犁刀對秸稈壓力與鉛垂線夾角，(°)

秸稈不被破茬犁刀推開，需滿足

F1+F2cosφ≥N2sinφ

(2)

玉米秸稈與地面的摩擦角用β1表示，秸稈與破茬犁刀的摩擦角用β2表示，則有

(3)

將式(3)代入式(1)、(2)，可得

β1+β2≥φ

(4)

(5)

式中h0——破茬犁刀破茬深度，mm

r——秸稈半徑，mm

R——破茬犁刀半徑，mm

將式(5)代入式(4)，可得

(6)

根據(jù)田間試驗測得的數(shù)據(jù)，東北玉米壟作區(qū)玉米根上節(jié)深度為60～90 mm(平均為82 mm)，秸稈直徑為12～25 mm，計算取25 mm；破茬深度h0取100 mm；秸稈與土壤摩擦角在30.84°～31.44°之間[17]，計算取31°；秸稈與材料為65Mn的破茬犁刀的摩擦角平均值為23°～33°[18]，計算取33°。將參數(shù)代入式(6)，可得破茬犁刀半徑R≥210 mm。

參考林靜等[19]設計的11齒圓盤破茬盤的直徑，本設計采用9齒阿基米德螺線型破茬犁刀，最大極徑Rmax為215 mm，起始半徑R0為175 mm。

為了防止秸稈出現(xiàn)壅堵問題，采用星型清壟輪[20]與破茬犁刀相配合完成切撥清壟功能。

2.2 免耕播種機單體

2BQM-2型玉米免耕播種機的播種單體主要是由種箱、水平圓盤排種器、地輪、仿形機構(gòu)、播種開溝器、傳動鏈輪、壓種輪、覆土裝置、播深調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成，如圖3所示。

圖3 播種機單體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural sketch of planter unit1.種箱 2.水平圓盤排種器 3.地輪 4.地輪傳動鏈輪盒 5.覆土器 6.壓種輪 7.開溝器 8.仿形機構(gòu) 9.仿形彈簧

2.2.1仿形機構(gòu)

免耕播種深度穩(wěn)定是播種機工作性能的重要評價指標。播種深淺不一致會影響出苗率，影響作物產(chǎn)量，因此保證播種開溝深度的穩(wěn)定性至關重要。2BQM-2型玉米免耕播種機采用單體仿形，懸掛板、仿形上連桿、仿形橫梁和仿形下連桿組成四桿仿形機構(gòu)，限位板固定在懸掛板上，限制仿形上連桿的轉(zhuǎn)動角度[21]。

四連桿仿形機構(gòu)在鉛垂面上的受力分析如圖4所示。免耕播種機田間工作時，壓種輪受力(Px、Pz)和覆土器受力(Qx、Qz)都比較小，在受力分析時簡化將兩者合并到開溝器的受力上，即對Rx、Rz分別乘以系數(shù)λ，經(jīng)實測λ取1.1～1.2較接近真實受力[22]。

播種機穩(wěn)定工作時，其受力平衡條件為

FAx+FBx+Tcosβ-λRx-Sx=0

(7)

FAz+FBz+λRz+Sz-G=0

(8)

取∑MA=0，得

FBzhcosγ+FBxhsinγ+λRz(lcosα-l2)+
λRx(lsinα+l3)+Sz(lcosα+l4)+
Sx(lsinα+l5)-G(lcosα+l1)=0

(9)

式中FAx、FAz——上拉桿受力水平、豎直分力，N

FBx、FBz——下拉桿受力水平、豎直分力，N

α——BC桿與水平方向的夾角，(°)

β——仿形彈簧與水平方向的夾角，(°)

γ——CD桿與垂直方向的夾角，(°)

T——彈簧受力，N

Rx、Rz——開溝器受力的水平、豎直分力，N

Px、Pz——壓種輪受力的水平、豎直分力，N

Qx、Qz——覆土器受力水平、豎直分力，N

Sx、Sz——仿形輪受力的水平、豎直分力，N

G——播種單體重量，N

l1——單體質(zhì)心到D點的水平距離，mm

l2——開溝器質(zhì)心到D點的水平距離，mm

l3——開溝器質(zhì)心到D點的垂直距離，mm

l4——地輪質(zhì)心到D點的水平距離，mm

l5——地輪質(zhì)心到D點的垂直距離，mm

l——平行四連桿長桿的長度，mm

h——平行四連桿短桿的長度，mm

圖4 播種機單體受力示意圖Fig.4 Sketch of forces on planter unit

以播種機穩(wěn)定工作為前提條件，根據(jù)實際需要的仿形量來確定仿形四連桿的尺寸。免耕播種機仿形機構(gòu)的仿形量是根據(jù)播種作業(yè)時田間地表狀況和當?shù)氐牡匦蔚孛瞾泶_定。通常情況，上、下仿形量各設置為80～100 mm[23]。平行四桿仿形機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 平行四桿仿形機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of parallel four linkage mechanism

由圖5可知，仿形機構(gòu)的上下總仿形量H為

(10)

由式(10)可知，在仿形量相同的情況下，平行四桿仿形機構(gòu)的拉桿長度l越大，牽引角α的變化范圍越??；l越小，牽引角α的變化范圍越大。從播種機田間工作情況考慮，牽引角變化范圍越小，播種機工作穩(wěn)定性越好，即拉桿長度l增大對播種機穩(wěn)定性有利。但拉桿長度l過大，勢必會使得播種機重心后移，對懸掛式播種機組的縱向穩(wěn)定性不利。

設計上仿形角α1為10°，工作角α為21°，下仿形角α2為10°，l為250 mm，兩連桿之間距離lAB=110 mm，代入式(10)，計算得H=87 mm，符合仿形量為80～100 mm的要求，證明仿形結(jié)構(gòu)達到了設計要求。

2.2.2傳動系統(tǒng)播種機構(gòu)由地輪轉(zhuǎn)動提供動力，經(jīng)兩級鏈傳動、一級錐齒輪傳動，到達水平圓盤排種器進行播種，傳動比

(11)

式中D——播種地輪直徑，mm

δ——播種作業(yè)時地輪滑移率，%

Lb——播種要求的種子粒距，mm

Z——水平圓盤排種器排種盤型孔數(shù)

本設計播種粒距Lb取270 mm，地輪滑移率δ= 8%，地輪直徑D為450 mm，水平圓盤排種器的排種盤充種型孔數(shù)量為18[24]，將以上參數(shù)代入式(11)，可得傳動比i=0.32。根據(jù)總傳動比，將兩級鏈輪傳動的鏈齒數(shù)分別確定為Z11=15，Z12=17，Z21=23，Z22=18；錐齒輪傳動中，Z31=7，Z32=25。

2.2.3雙圓盤開溝器

根據(jù)地輪結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(圖6)，雙圓盤開溝器直徑D0取304 mm。雙圓盤之間的夾角θ越大，開溝阻力大且容易破壞壟形；但過小又難以容納導種管，因此θ取12°，φ為15°[25]，則雙圓盤開溝器的開溝寬度為

(12)

將參數(shù)取值代入式(12)，得開溝寬度b≈24 mm。

圖6 雙圓盤開溝器的開溝寬度示意圖Fig.6 Diagram of furrow width of double disc opener

2.3 施肥開溝裝置

為了滿足玉米在不同生長期內(nèi)對肥料的需求，2BQM-2型玉米免耕播種機同時施加口肥和底肥[26]?？诜逝欧使懿贾迷谄撇缜鍓叛b置上，口肥施加在破茬盤開的溝中。由于破茬深度比播種深度大20～30 mm，口肥不會燒種，可以給玉米發(fā)芽期和幼苗期提供營養(yǎng)。免耕保護性耕作要求作業(yè)機具進地次數(shù)盡可能少，因此底肥的施肥量要滿足玉米整個生長期對肥料的需求，采用側(cè)深施肥可在不燒種的前提下滿足這一要求。本設計采用在種子側(cè)面50～100 mm、下方深30～50 mm處施肥。

壟臺的側(cè)深方向會有玉米氣生根和次生根的根茬，施肥開溝器也要求有一定的破茬切斷能力。缺口盤更容易入土，所受阻力矩明顯小于水平圓盤，設計中施肥開溝器采用半圓形缺口盤和圓盤的雙圓盤組合式開溝器，半圓形缺口盤安裝于機器內(nèi)側(cè)，平圓盤與鉛垂面呈7°夾角安裝于外側(cè)，能夠保證一定的開溝深度和寬度，且利于保持壟形，裝置如圖7所示。

圖7 施肥開溝裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of fertilizing ditching device1.機架固定板 2.側(cè)向調(diào)節(jié)板 3.仿形彈簧 4.限位螺栓 5.圓盤開溝器 6.缺口盤開溝器 7.開溝盤安裝支架 8.豎桿

豎桿上加工有一列豎直排列的通孔，根據(jù)施肥深度選擇適當?shù)目淄ㄟ^鉸制螺栓與機架固定板連接，機架固定板通過U型螺栓固定在播種機前梁上。肥料與種子的側(cè)向距離可通過改變機架固定板在前梁上的位置來調(diào)節(jié)。

免耕播種機作業(yè)時，圓盤旋轉(zhuǎn)，能夠切斷玉米副根莖和田間雜草，防止掛草壅土。由于田間情況比較復雜，要求施肥開溝裝置有較好的仿形能力，因而該裝置設有仿形彈簧。彈簧一端固定在豎桿上；另一端固定在開溝盤安裝支架上。安裝時彈簧有一定預緊力將開溝器拉緊，防止開溝器一接觸土壤就被彈起，只有土壤給開溝器的反作用力大于彈簧預緊力，也就是遇到硬物時，彈簧才會被繼續(xù)拉長，開溝器繞鉸接點轉(zhuǎn)動，躲過硬物后，地面給開溝器的反作用力減小，小于彈簧預緊力時開溝器恢復原位。使用鉸制螺栓做限位裝置，保證開溝器的開溝深度始終在要求范圍內(nèi)。

3 工作深度聯(lián)合調(diào)節(jié)法設計與分析

免耕播種機工作中需要滿足的工作深度主要包括破茬深度和播種深度。前者通過拖拉機液壓系統(tǒng)來施加下壓力達到要求；后者由帶彈簧的仿形機構(gòu)控制下壓力來實現(xiàn)。

3.1 切撥防堵裝置工作深度調(diào)節(jié)

拖拉機液壓系統(tǒng)按播深調(diào)節(jié)方式分類，主要有高度調(diào)節(jié)、阻力調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)和綜合調(diào)節(jié)。前期大量研究表明，選用位置調(diào)節(jié)方式來給切撥防堵裝置施加下壓力適合免耕播種田間工況要求。

圖8 機組位置調(diào)節(jié)工作原理圖Fig.8 Working principle diagram of position adjustment1.油缸 2.活塞 3.油泵 4.主控制閥 5.主控制閥彈簧 6.回油閥 7.單向閥 8.位調(diào)節(jié)杠桿 9.位調(diào)節(jié)手柄 10.杠桿彈簧 11.滾輪 12.凸輪 13.外提升臂 14. 2BQM-2型玉米免耕播種機

采用位置調(diào)節(jié)時，是通過改變拖拉機液壓油缸的行程，使得免耕播種機保持預設的播深[27]。試驗選用東方紅-30型拖拉機(額定提升質(zhì)量870 kg)與2BQM-2型免耕播種機配套聯(lián)接。工作機組采用位置調(diào)節(jié)法工作原理，如圖8所示。機組田間作業(yè)時，調(diào)整播深至預設值。若播深變大，則提升臂有繞位調(diào)節(jié)凸輪支點逆時針方向的力矩。杠桿彈簧拉緊位調(diào)節(jié)杠桿，使?jié)L輪始終與位調(diào)節(jié)凸輪緊密接觸。此時，提升臂帶動位調(diào)節(jié)凸輪轉(zhuǎn)動，使得位調(diào)節(jié)杠桿以滾輪和位調(diào)節(jié)凸輪的接觸點為支點逆時針轉(zhuǎn)動，這樣位調(diào)節(jié)杠桿就會離開主控制閥，主控制閥在主控制閥彈簧的推力作用下向左伸出，主控制閥通往回油閥的油孔A打開，進入的液壓油將回油閥向右推進；通向油缸的油孔C關閉。此時，油泵輸送過來的液壓油打開單向閥進入油缸，推動活塞左移，帶動提升臂以位調(diào)節(jié)凸輪支點為支點順時針轉(zhuǎn)動，外提升臂提起。免耕播種機小幅提升至設定的深度位置時“中立”，停留在此位置上繼續(xù)作業(yè)。同理，若出現(xiàn)播深變淺，拖拉機液壓系統(tǒng)亦可以將播深調(diào)整至中立位置，以保證播深穩(wěn)定性。

田間試驗在免耕播種機前進速度為5 km/h時測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)Matlab編程得到播深與牽引阻力互相關函數(shù)曲線，如圖9所示。由圖9可見牽引阻力滯后播深變化。經(jīng)分析液壓系統(tǒng)反饋時間Δt1～Δt8為0.12～0.30 s，可以實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)。

圖9 播深與牽引阻力互相關函數(shù)曲線Fig.9 Cross-correlation curve of depth and tractive resistance

3.2 播種深度穩(wěn)定性的實現(xiàn)

免耕播種機田間作業(yè)時，仿形輪和播種開溝器均受到土壤的摩擦阻力，分別為

(13)

式中μ——仿形輪與土壤的摩擦因數(shù)

f——播種開溝器與土壤的摩擦因數(shù)

聯(lián)立式(7)、(8)、(13)，得

(14)

免耕播種機單體田間作業(yè)時，要保證開溝深度穩(wěn)定，則仿形輪必須有一定的下壓力，即Szgt;0，可得播種單體系統(tǒng)重量范圍為

Ggt;λRz+λfRztanα-Tsinβ-Tcosβtanα

(15)

可見，仿形機構(gòu)安裝彈簧可使免耕播種單體在保持播深穩(wěn)定前提下減小ΔG，有利于實現(xiàn)播種機的輕量化。ΔG為

ΔG=Tsinβ+Tcosβtanα

(16)

對于仿形彈簧，圖10表示了其3種工作狀態(tài)，其中圖10a表示的是播深穩(wěn)定時，此時彈簧受力為T0。當遇到障礙物時，地輪被抬高，仿形機構(gòu)狀態(tài)如圖10b所示，此時隨著仿形角的變化，γ隨之變化，彈簧被拉長產(chǎn)生更大的變形量，則彈簧拉力增大，必然給四連桿向下的拉力，使得地輪貼近地面，起到很好的仿形效果。圖10c表示下仿形時，彈簧長度縮短，對地輪的下壓力減小。根據(jù)設計要求，當播種地輪被抬高50 mm時，仿形彈簧受到650 N的力，此時彈簧的變形量經(jīng)計算為31.26 mm，則由庫克定律可得仿形彈簧的剛度k=20.8 N/mm。

圖10 仿形彈簧工作狀態(tài)Fig.10 Working conditions of profile spring

4 田間試驗

4.1 試驗條件

機具田間試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學科技試驗田進行，試驗所用地塊長326 m，寬67 m，玉米根茬秸稈免耕覆蓋。

試驗田土壤類型為棕壤土。用SC900型數(shù)字式土壤堅實度測量儀(美國芝加哥Spectrum技術公司，測深范圍0～45 cm，測壓范圍0～7 MPa)測量土壤堅實度，地表土壤緊實度為121 kPa，5 cm深處為347 kPa，10 cm為482 kPa，15 cm為957 kPa。用SM-2型高精度土壤水分測量儀(澳作生態(tài)儀器有限公司，精度±5%)測定土壤含水率，0～10 cm土壤含水率為12.3%，10～20 cm為14.8%。用角型玻璃溫度計(河北華宇儀表廠，測量范圍-20～50℃)測量土壤溫度，5 cm深土壤溫度為15.4℃，10 cm深為12.5℃，15 cm深為11.1℃。配套動力為東方紅-30型拖拉機。

4.2 試驗設計與試驗方法

根據(jù)前期單因素試驗的結(jié)果，播種機速度、播種深度和秸稈覆蓋量是影響播種機工作阻力和種子粒距合格率的主要因素。為獲得免耕播種機的最佳工況，以播種機速度、播種深度、秸稈覆蓋量為試驗因素，以播種機工作阻力和種子粒距合格率為試驗指標，進行三因素五水平的二次回歸正交組合試驗[28]。試驗中為達到秸稈覆蓋量水平值，進行人工排布秸稈。試驗因素編碼見表2。

表2 因素編碼Tab.2 Coding for factors

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》的要求，設Lb為理論粒距，Ls為播種后實測粒距，當0.5Lblt;Ls≤1.5Lb時，為合格粒距。根據(jù)東北壟作區(qū)的玉米播種經(jīng)驗，本試驗Lb=270 mm。粒距為播種后人工扒開播種帶進行測量。

免耕播種機播種深度和工作阻力分別由相應的傳感器測得。試驗前，先分別對KTRC-100L型直線位移傳感器(浙江省臺州市椒江西域電子廠)和應變式負荷傳感器QLLY型拉壓力傳感器(蚌埠啟力傳感系統(tǒng)工程有限公司，量程為0 ～ 700 kg)進行標定，得到位移與電壓的關系式、拉壓力與電壓的關系式。試驗時，直線位移傳感器采集的電壓信號直接傳送至NI USB-6008型多功能數(shù)據(jù)采集卡(美國國家儀器有限公司，松下LC-R123R4PG型蓄電池供電)；拉壓力傳感器采集到的電壓信號經(jīng)BSQ-2型變送器(蚌埠稱重傳感系統(tǒng)工程有限公司)傳送至NI USB-6008型多功能數(shù)據(jù)采集卡，再傳送到LabVIEW Signal-Express 2011軟件。后期數(shù)據(jù)處理時，將電壓信號由LabVIEW Signal-Express 2011軟件導入Excel軟件，用Excel軟件對傳感器標定式進行計算，得到播種深度和工作阻力數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖11所示，整機田間試驗如圖12所示。

圖11 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Test system structure diagram

圖12 整機田間試驗Fig.12 Field test of planter1.蓄電池 2.數(shù)據(jù)采集卡 3.便攜式計算機 4.直線位移傳感器 5.變送器 6.拉壓力傳感器

4.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)三因素五水平二次回歸正交試驗設計，安排17次試驗，試驗方案與結(jié)果如表3所示，其中X1、X2、X3分別為x1、x2、x3的編碼值。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Experimental project and results

根據(jù)試驗結(jié)果，剔除其中的不顯著項，得到工作阻力的因素編碼回歸方程為

(17)

式中Y1——工作阻力，kN

根據(jù)回歸方程中X1、X2、X3系數(shù)，得3個試驗因素對播種機工作阻力影響從大到小依次是秸稈覆蓋量、播種深度、播種機速度。

工作阻力的因素實際值回歸方程為

(18)

為檢驗工作阻力回歸方程的顯著性，對其回歸方程進行檢驗，顯著性檢驗結(jié)果如表4所示。

表4 工作阻力方差分析Tab.4 Variance analysis of tillage resistance

模型的Plt;0.01，說明此模型極顯著；失擬項P=0.070 8gt;0.05，說明F檢驗結(jié)果不顯著，表明試驗指標回歸方程與試驗數(shù)據(jù)的擬合程度良好。

同理得粒距合格率的因素編碼回歸方程為

Y2=94.25-1.78X1+0.053X2+1.33X3+

(19)

式中Y2——粒距合格率，%

由回歸方程中X1、X2、X3系數(shù)，可知3個試驗因素對粒距合格率影響從大到小依次是播種機速度、秸稈覆蓋量、播種深度。

粒距合格率的因素實際值回歸方程為

Y2=-68.67+312.87x1+14.53x2+10.89x3-

(20)

為檢驗粒距合格率回歸方程的顯著性，對回歸方程進行檢驗，顯著性檢驗結(jié)果如表5所示。

模型的Plt;0.01，說明此模型極顯著；失擬項P=0.062 8gt;0.05，說明F檢驗結(jié)果不顯著，表明試驗指標回歸方程與試驗數(shù)據(jù)的擬合程度良好。

應用Design-Expert 8.0.6軟件，將一個因素固定在零水平，獲得另外兩個因素對工作阻力和粒距合格率的影響。利用軟件的響應面圖，可以形象地得到兩個因素對試驗指標的影響。因素對工作阻力的影響如圖13所示，對粒距合格率的影響如圖14所示。

表5 粒距合格率方差分析Tab.5 Variance analysis of seed spacing qualified rate

圖13 試驗因素對工作阻力影響的響應曲面Fig.13 Response surfaces of impact of test factors on tillage resistance

圖14 試驗因素對粒距合格率影響的響應曲面Fig.14 Response surfaces of impact of test factors on seed spacing qualified rate

工作阻力回歸方程的響應面顯示，秸稈覆蓋量對指標的影響最顯著，為主要因素。工作阻力隨著秸稈覆蓋量的增加而增大，在秸稈覆蓋量偏低、排種深度和播種機速度接近零水平時，工作阻力較小。

粒距合格率回歸方程響應面顯示，播種機速度對該指標的影響最顯著，為主要因素；秸稈覆蓋量和播種深度為次要因素。粒距合格率隨著播種機速度的增加先升高后降低，在播種速度較高、秸稈覆蓋量和播種深度中等時，粒距合格率較高。

根據(jù)建立的回歸數(shù)學模型，可以獲得各因素的最優(yōu)參數(shù)組合，實現(xiàn)播種機的最佳作業(yè)效果。利用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化求解模塊，以最小工作阻力和最大粒距合格率為評價指標，建立數(shù)學模型:

目標函數(shù)為

(21)

約束條件為

(22)

求得滿足約束條件的最小工作阻力和最大粒距合格率的最優(yōu)參數(shù)組合為：播種機速度為1.21 m/s，播種深度4.96 cm，秸稈覆蓋量為0.73 kg/m2，此時工作阻力為3.62 kN，粒距合格率93.63%。試驗中秸稈覆蓋量的5個水平，免耕播種機均可保證作業(yè)效果。

根據(jù)最優(yōu)參數(shù)組合，在同一地點以同樣的試驗方法進行驗證試驗。結(jié)果顯示，當前進速度1.25 m/s，播種深度4.63 cm，秸稈覆蓋量0.73 kg/m2時，播種機工作阻力為3.54 kN，粒距合格率91.25%。同樣的速度和播深下，將地表秸稈覆蓋量增大到1.0 kg/m2，測得播種機工作阻力為6.73 kN，粒距合格率85.52%，試驗指標滿足國家行業(yè)標準要求[29]，證明優(yōu)化結(jié)果是合理可靠的。

由圖12整機田間試驗可見，由于利用拖拉機液壓系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)方式控制播種深度，可以得出鎮(zhèn)壓輪壓實土壤深度經(jīng)實際田間測量平均為10 mm，相對依靠自重增加下壓力的免耕播種機工作效果良好。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的機型依靠重量增加下壓力達到開溝深度的免耕播種機，壟臺被壓平，失去壟作優(yōu)勢。免耕播種機作業(yè)后土壤壓實狀況如圖15所示，為免耕播種機作業(yè)后壟形斷面圖，作業(yè)時清壟器入土深度平均為20 mm，破茬犁刀入土深度平均為75 mm，播種開溝器開溝深度平均為46 mm，測深施肥開溝器入土深度平均為76 mm。在壟上播種后由鎮(zhèn)壓輪壓實土壤。鎮(zhèn)壓輪自重再加上彈簧下壓力作用下經(jīng)試驗測得平均為411 N，鎮(zhèn)壓輪輪胎寬度為70 mm，經(jīng)計算鎮(zhèn)壓輪對土壤的壓強為41.94 kPa，達到了遼寧省播種重鎮(zhèn)壓39.2 kPa的農(nóng)業(yè)技術要求，且小于地表原始的土壤堅實度121 kPa。

圖15 播種后壟形斷面示意圖Fig.15 Schematic diagram of ridge shape after plantingA.清壟器動土范圍 B.破茬犁刀工作深度 C.播種開溝 D.側(cè)深施肥開溝 1.底肥 2.口肥 3.玉米種子

整機田間性能試驗測試結(jié)果如表6所示。

表6 整機田間性能試驗測試結(jié)果Tab.6 Test results of 2BQM-2 no-tillage planter

當機器前進速度為1.25 m/s時，由表6所示，2BQM-2型免耕播種機播深46.30 mm，標準差2.83，變異系數(shù)6.11%，其免耕播種機播種深度穩(wěn)定。

切撥防堵裝置破茬深度平均為76.10 mm，標準差2.52，變異系數(shù)3.30%，說明免耕播種機當機器前進速度為1.25 m/s時，播種深度可以實時調(diào)節(jié)，達到了免耕播種機農(nóng)業(yè)技術要求。

5 結(jié)論

(1)通過對2BQM-2型玉米壟作免耕播種機優(yōu)化設計，整機自重4 700 N，是東北地區(qū)目前使用的免耕播種機重量的一半。作業(yè)時保持田間壟形結(jié)構(gòu)，發(fā)揮壟作優(yōu)勢，降低了生產(chǎn)成本和工作能耗。

(2)通過對免耕播種機關鍵部件的優(yōu)化設計，利用拖拉機液壓系統(tǒng)和仿形機構(gòu)提供的下壓力對工作深度實時調(diào)節(jié)，滿足東北地區(qū)玉米壟作免耕播種機工作深度要求。

(3)應用三因素五水平二次回歸正交組合設計，建立試驗指標與試驗因素的回歸數(shù)學模型，通過響應面得到試驗因素對試驗指標的影響和交互作用關系。利用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化求解模塊，得到最佳工況組合為：播種機速度1.21 m/s，播種深度4.96 cm，秸稈覆蓋量0.73 kg/m2，此時工作阻力為3.62 kN，粒距合格率93.63%。試驗結(jié)果表明，播種深度穩(wěn)定，粒距合格率符合國家行業(yè)標準。

1 SIEMENS M C, WILKINS D E, CORREA R F. Development and evaluation of a residue management wheel for hoe-type no-till drills[J]. Transactions of the ASAE, 2004, 47(2): 397-404.

2 SMITH J A, WILSON R G, BINFORD G D, et al．Tillage systems for improved emergence and yield of sugarbeets[J]．Applied Engineering in Agriculture, 2002, 18(6): 667-672.

3 SIDHU H S, MANPREET-Singh, HUMPHREYS E, et al. The happy seeder enables direct drilling of wheat into rice stubble[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture, 2007, 47(7): 844-854.

4 賈洪雷，趙佳樂，姜鑫銘，等. 行間免耕播種機防堵裝置設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(18)：16-25.

JIA Honglei, ZHAO Jiale, JIANG Xinming, et al. Design and experiment of anti-blocking mechanism for inter-row no-tillage seeder[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(18): 16-25.(in Chinese)

5 林靜，劉安東，李寶筏，等. 2BG-2 型玉米壟作免耕播種機[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42(6)：43-46.

LIN Jing, LIU Andong, LI Baofa, et al. 2BG-2 type corn ridge planting no-till planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 43-46. (in Chinese)

6 趙佳樂，賈洪雷，郭明卓，等. 免耕播種機有支撐滾切式防堵裝置設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(10)：18-28.

ZHAO Jiale, JIA Honglei, GUO Mingzhuo, et al. Design and experiment of supported roll-cutting anti-blocking mechanism with for no-till planter[J]. Transactions of the CSAE, 2014, 30(10): 18-28. (in Chinese)

7 盧彩云. 免耕播種機滑板壓稈旋切式防堵技術與裝置研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2014.

LU Caiyun. Study on anti-blocking technology and device of rotary cutting with slide plate pressing straw for no-till planter[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014. (in Chinese)

8 陳海濤，查韶輝，頓國強，等. 2BMFJ系列免耕精量播種機清秸裝置優(yōu)化與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(7)：96-102. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160714amp;flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.014.

CHEN Haitao, ZHA Shaohui, DUN Guoqiang, et al. Optimization and experiment of cleaning device of 2BMFJ type no-till precision planter[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 96-102. (in Chinese)

9 楊帆，李問盈，李洪文，等. 免耕播種機缺口圓盤刀有限元靜強度分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41(6)：53-55.

YANG Fan, LI Wenying, LI Hongwen, et al. Finite element analysis for gap disc of no-till planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(6): 53-55. (in Chinese)

11 張瑞. 一年兩熟地區(qū)麥菩地玉米免耕播種播巧控制機構(gòu)的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2016.

ZHANG Rui. Study on precision depth-control mechanism of corn no-till planter in double-cropping area[D]. Beijing: China Agricultural University, 2016. (in Chinese)

12 劉林. 免耕播種機地輪設計與試驗研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2015.

LIU Lin. Design and experiment of no-tillage seeder wheel[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2015. (in Chinese)

13 莊健，賈洪雷，馬云海，等. 具有滑刀式缺口的圓盤開溝器設計與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(增刊1)：83-88. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2013s116. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.016.

ZHUANG Jian, JIA Hongle, MA Yunhai, et al. Design and experiment of sliding-knife-type disc opener[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.1): 83-88. (in Chinese)

14 王洪鋒，李金澤. 免耕播種機活塊仿形輪裝置：中國，ZL 201520231637.1 [P]．2015-08-05．

15 白曉虎，李芳，張祖立，等.基于ADAMS的免耕播種機仿形機構(gòu)彈簧參數(shù)優(yōu)化[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014，32(6)：268-272.

BAI Xiaohu, LI Fang, ZHANG Zuli, et al．Parameter optimization for the profiling mechanism spring of no-till planter based on ADAMS[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2014, 32(6): 268-272. (in Chinese)

16 GRISSO R B, HOLSHOUER D, PITMAN R. Planter/drill considerations for conservation tillage systems[R]. Virginia Cooperative Extension, 2007:442-457.

17 林靜，趙德芳，胡艷清，等. 基于免耕播種的玉米根茬物理機械特性分析[J]. 農(nóng)機化研究，2012，34(3)：162-166.

LIN Jing, ZHAO Defang, HU Yanqing, et al．Analysis on physical and mechanical characteristics of corn residue for no-till planter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012,34(3): 162-166. (in Chinese)

18 王慶杰，李洪文，何進，等. 螺旋刀型壟臺清理裝置的設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(6)：109-113.

WANG Qingjie, LI Hongwen, HE Jin, et al. Design and experiment on twist type ridge-clear device[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 109-113. (in Chinese)

19 林靜，李博，李寶筏，等. 阿基米德螺線型缺口圓盤破茬刀參數(shù)優(yōu)化與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(6)：118-124. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140619amp;flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.06.019.

LIN Jing, LI Bo, LI Baofa, et al．Parameter optimization and experiment on archimedes spiral type of gap cutting disc[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(6): 118-124. (in Chinese)

20 林靜，錢巍，牛金亮. 玉米壟作免耕播種機新型切撥防堵裝置的設計與試驗[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2015，46(6)：691-698.

LIN Jing, QIAN Wei, NIU Jinliang. Design and experiment of stubble-cutting and anti-blocking mechanism for ridge-till and no-till planter[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2015, 46(6): 691-698. (in Chinese)

21 林靜，劉艷芬，李寶筏.一種仿形播種裝置：中國，ZL 2015 20637212.0[P]．2015-12-30．

22 包文育．東北壟作免耕播種機關鍵部件研究與整機設計[D]．沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學，2009.

23 趙淑紅，蔣恩臣，閆以勛，等. 小麥播種機開溝器雙向平行四桿仿形機構(gòu)的設計及運動仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(14)：26-32.

ZHAO Shuhong, JIANG Enchen, YAN Yixun, et al. Design and motion simulation of opener with bidirectional parallelogram linkage profiling mechanism on wheat seeder[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(14): 26-32. (in Chinese)

24 劉艷芬，林靜，李寶筏，等.玉米播種機水平圓盤排種器型孔設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(8)：37-46.

LIU Yanfen, LIN Jing, LI Baofa, et al. Design and experiment of horizontal disc seed metering device for maize seeder[J]. Transactions of the CSAE, 2017, 33(8): 37-46. (in Chinese)

25 李寶筏. 農(nóng)業(yè)機械學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

26 林靜，劉艷芬，李寶筏. 施肥開溝裝置：中國，ZL 2015105139505.3[P]．2015-12-16．

27 浙江農(nóng)業(yè)大學等. 拖拉機構(gòu)造原理與使用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1981.

28 徐中儒. 回歸分析與試驗設計[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1998.

29 JB/T 10293—2001 單粒(精密)播種機技術條件[S]．2001．

DesignandExperimentonLightweightMaizeRidgePlantingNo-tillagePlanter

LIU Yanfen1,2LIN Jing1LI Baofa1

(1.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China2.MechanicalandElectricalEngineeringInstitute,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China)

At present, no-tillage planters in Northeast China mainly depend on the weight to increase pressure to ensure the ditching depth. Aiming at this, a lightweight 2BQM-2 type maize ridge planter was designed. Its weight was half of the general no-tillage planter, so as to reduce the soil compaction. The new lightweight no-tillage planter was connected with a tractor to be a operating unit by hydraulic hitch equipment. The operating unit used the hydraulic structure of the tractor and the mechanical structure of the planter to jointly adjust the stubble breaking depth, seeding depth and depth stability. In order to verify the performance of the operation unit and get the best combination of working conditions, a quadratic orthogonal rotary composite experiment was designed with the planter speed, seeding depth and straw coverage quantity as experiment factors to evaluate tillage resistance of the planter and qualified rate of seed spacing. The optimum working conditions were as follows: the planter speed was 1.21 m/s, the sowing depth was 4.96 cm, and the straw coverage was 0.73 kg/m2, the working resistance of the seeder was 3.62 kN, and the seed-distance qualified rate was 93.63%. The validation test results showed that the test indexes met the requirements of the national industry standards. It proved that it was feasible to use the hydraulic system of tractor to exert the pressure on the stubble breaking device of the seeder. Through the optimum design, the weight of no-tillage planter was effectively reduced, the manufacturing cost of the machine and the energy consumption were reduced. By field measurements, the average soil depth of the compacted wheel was 10 mm. It had satisfactory efficiency compared with the machines which flattened ridges. It can provide scientific basis and method of evaluation and improvement of maize no-tillage planter in Northeast China.

no-tillage planter; maize; lightweight; suspension mechanism

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.008

S223.2

A

1000-1298(2017)11-0060-10

2017-08-21

2017-09-17

國家自然科學基金項目(51275318)和農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201503116-09)

劉艷芬(1979—)，女，博士生，青島農(nóng)業(yè)大學講師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究，E-mail： liu_yanfen@163.com

林靜(1967—)，女，教授，博士生導師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究，E-mail： synydxlj69@163.com