萬(wàn) 霖,王洪超,李海龍,衣淑娟,王 明,張貴宏
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163319)
我國(guó)是世界水稻播種面積第二大國(guó)家,2016 年度水稻播種面積比 2004 年度增長(zhǎng) 6.28%。兩會(huì)期間,農(nóng)業(yè)部部長(zhǎng)表示,貫徹國(guó)家新的糧食安全戰(zhàn)略,要致力于實(shí)施“兩藏”戰(zhàn)略,做到“藏糧于地”“藏糧于技”,鞏固糧食產(chǎn)能。其中“藏糧于技”就是重點(diǎn)支持種業(yè)科技創(chuàng)新和農(nóng)業(yè)技術(shù)集成創(chuàng)新,還要通過(guò)機(jī)械化降低糧食生產(chǎn)成本。水稻直播栽培省去常規(guī)栽培育秧、拔秧和移栽作業(yè),在已耕翻或免耕地里直接播種,具有省工、省力,節(jié)省秧田和種子,縮短生育期,延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期15天以上的優(yōu)勢(shì)。其分蘗好,成穗率高,拔節(jié)至抽穗期的生長(zhǎng)量穩(wěn)定,根系發(fā)達(dá),根苗多,抽穗至成熟期的生產(chǎn)能力高,結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量提高[1-3],有利于機(jī)械化操作,為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。例如,水稻直播每667hm2投入成本為700元,產(chǎn)量400kg多,插秧投入費(fèi)用1 200元(不包括前期基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用,占地費(fèi)用),產(chǎn)量達(dá)到550kg,水稻直播比插秧每公頃增加800元。因此,直播種植面積均呈加快發(fā)展趨勢(shì)。
水稻直播機(jī)械化以作業(yè)速度快、成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高成為優(yōu)勢(shì),諸多高校及企業(yè)開(kāi)展了水稻直播機(jī)的研究[4-6]。江蘇大學(xué)[7]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)[8]、吉林大學(xué)等單位已經(jīng)開(kāi)展先期研究,表明機(jī)械精量穴直播方式優(yōu)勢(shì)明顯[9]。但是,直播通常使用經(jīng)過(guò)催芽處理的芽谷, 芽谷含水率高, 流動(dòng)性差, 胚芽極其嫩弱, 播種時(shí)容易受到損傷,且針對(duì)北方不同積溫帶的機(jī)械直播技術(shù)仍需完善和提高。為此,基于水稻直播機(jī)械的不足,分析水稻精量播種機(jī)理,采用旱育壟作穴播、壟上交錯(cuò)播種模式,設(shè)計(jì)了水稻旱直播氣吸式精量穴播機(jī)。氣吸式播種方式對(duì)種子適應(yīng)性好、損傷率低,可以實(shí)現(xiàn)高速作業(yè),達(dá)到高效產(chǎn)出、節(jié)本增產(chǎn)的要求。
根據(jù)水稻標(biāo)準(zhǔn)化種植農(nóng)藝對(duì)機(jī)械化高速播種的技術(shù)要求,采用旱育稀植壟作精量穴播技術(shù),利用650mm小壟,耕播模式為壟上交錯(cuò)播種(“拐子苗”),行間距250mm,壟臺(tái)高150 mm,壟上種植2行,穴距110 mm,如圖1所示。在單項(xiàng)播種技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合側(cè)深施肥作業(yè)模式,設(shè)計(jì)雙苗帶中間進(jìn)行施肥,主要作用優(yōu)勢(shì)在于可促進(jìn)秧苗前期的生長(zhǎng)性發(fā)育,以降低20%的肥料施加量完成單位面積內(nèi)肥料的供給,同時(shí)增強(qiáng)對(duì)于低溫下肥料的適用性,減輕了對(duì)環(huán)境的污染,提升旱作水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。
圖1 水稻直播側(cè)深施肥示意圖Fig.1 The schematic diagram of rice direct sowing and side deep fertilizing
該機(jī)具由機(jī)架、播種裝置、送排肥裝置、行走裝置、開(kāi)溝鎮(zhèn)壓裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及風(fēng)機(jī)等組成[11],如圖2所示。風(fēng)機(jī)及傳動(dòng)皮帶安裝在機(jī)架上,由拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng),地輪通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)排種器和排肥器工作。播種裝置包括種子箱、氣吸式排種器、風(fēng)機(jī)、滑刀式開(kāi)溝器、覆土器、鎮(zhèn)壓輪、四桿仿形機(jī)構(gòu)及吸氣管等。播種的粒距是由排種盤(pán)的吸種孔數(shù)及其轉(zhuǎn)速兩者決定的。送排肥裝置由肥料箱、排肥器、輸肥管、開(kāi)溝器及傳動(dòng)裝置等組成。排肥器為外槽輪式,適用于排施顆粒種肥,施肥開(kāi)溝器在滑刀式開(kāi)溝器的前面,實(shí)現(xiàn)肥料的側(cè)深施用。
播種機(jī)在工作時(shí),動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn),氣吸式排種器產(chǎn)生負(fù)壓,在兩側(cè)壓力差的作用下,種子被排種盤(pán)上的吸孔吸??;排種盤(pán)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由地輪驅(qū)動(dòng),隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng),吸種孔離開(kāi)吸氣道的未端后,負(fù)壓消失;種子靠自重下落到開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi),經(jīng)覆土器覆土和鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓后完成播種。
1.懸掛架 2.機(jī)架 3.風(fēng)機(jī) 4.排肥器 5.肥箱 6.液壓系統(tǒng) 7.四桿機(jī)構(gòu) 8.種箱 9.排種器 10.V型覆土鎮(zhèn)壓輪 11.限深輪 12.雙圓盤(pán)開(kāi)溝器 13.地輪 14.波紋圓盤(pán) 15.螺栓 16. 軸承座 17.U型螺栓 18.橡膠波紋型輸肥管 19.滑刀開(kāi)溝器圖2 水稻精量穴直播機(jī)Fig.2 Precision rice hill-drop drilling machine
根據(jù)系統(tǒng)的功用及機(jī)架的結(jié)構(gòu),傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。其由電機(jī)、鏈傳動(dòng)組成,電機(jī)為主動(dòng)力源。電機(jī)鏈輪是輸出鏈輪(令其齒數(shù)為Z0),動(dòng)力由電機(jī)鏈輪通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞到鏈輪1(令其齒數(shù)為Z1)。通過(guò)鏈輪1的鏈輪軸將動(dòng)力傳遞給同軸的鏈輪2(令其齒數(shù)為Z2)和鏈輪3(令其齒數(shù)為Z3),動(dòng)力經(jīng)兩條鏈條分別傳遞給播種鏈輪(令其齒數(shù)為Z4)和排肥鏈輪(令其齒數(shù)為Z5)。
1.電機(jī)鏈輪 2.電機(jī) 3.排肥鏈輪 4.排肥器 5.鏈輪2 6.鏈輪3 7.鏈輪1 8.排種器 9.排種鏈輪 10.機(jī)架 11.鏈條圖3 傳動(dòng)路線簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of transmission route
2.1.1 氣吸式排種器參數(shù)的分析
種子分離盤(pán)為氣吸式水稻精量排種器的核心工作部件。種子分離盤(pán)的大小決定了群組吸孔的分布、吸孔間距、稻種所受離心力、吸室壓力的大小、風(fēng)機(jī)功率,以及排種機(jī)構(gòu)整體尺寸等參數(shù)。種子分離盤(pán)直徑、群組吸孔組數(shù)、吸孔直徑和吸孔分布中心圓直徑是種子分離盤(pán)主要結(jié)構(gòu)參數(shù),如圖4所示。通過(guò)改變種子分離盤(pán)每組吸孔數(shù)量和群組吸孔的分布,可達(dá)到水稻精密播種。
圖4 種子分離盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structural diagram of separating disk on rice seeds
2.1.2 吸孔孔徑的確定
種子分離盤(pán)≤50%的水稻吸孔的孔徑在播種的過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用,孔徑一定要和種子相適應(yīng)。在設(shè)計(jì)孔徑的大小時(shí),要考慮種子的大小,即是否能提供足夠的壓力,以把種子吸附在種盤(pán)上。種子和孔徑相差過(guò)大,導(dǎo)致漏氣和一個(gè)孔徑吸附多粒種子,影響播種合格率;種子和孔徑相差小,造成氣壓不足難以將種子吸附到種盤(pán)上,導(dǎo)致在排種的過(guò)程中出現(xiàn)漏播。水稻種子的平均直徑[10]為
(1)
式中ds—水稻種子幾何平均直徑(mm);
l、b、h—水稻種子的平均長(zhǎng)度、寬度和厚度(mm)。
選用適合直播的龍粳33,經(jīng)測(cè)定水稻種子的平均長(zhǎng)度、寬度和厚度分別是7.1、3.2、2.4mm,水稻種子幾何平均直徑3.8mm,取吸種孔的直徑為≤1.9mm,排種性能試驗(yàn)1.7mm。
2.1.3 排種盤(pán)吸孔組數(shù)分析
在確保機(jī)車(chē)前進(jìn)速度不變的情況下,隨著孔數(shù)不斷的增加,粒距會(huì)不斷減??;當(dāng)孔數(shù)達(dá)到一定的極限時(shí),會(huì)出現(xiàn)播種混亂,各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)都不合格。另一種情況,將孔數(shù)不斷減少,粒距會(huì)不斷增大;當(dāng)減少到一定的極限,漏播率極高。運(yùn)用公式計(jì)算,找到理論上的孔數(shù),并進(jìn)行驗(yàn)證。該裝置設(shè)計(jì)的目的是進(jìn)行穴播,每穴要求3粒種子。在滿(mǎn)足孔數(shù)要求的情況下,需要確定孔組數(shù),采用群組吸孔,每組吸孔數(shù)目為3。
2.1.4 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和線速度的分析
排種盤(pán)的速度是評(píng)價(jià)排種性能的一個(gè)重要指標(biāo),隨著種盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大,播種的頻率也會(huì)逐漸增大,工作性能也會(huì)提高;但充種的時(shí)間縮短快,沒(méi)能及時(shí)吸種就已經(jīng)到下一孔,增大了氣壓,易導(dǎo)致漏播,影響播種效果。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),排種盤(pán)吸孔處的線速度應(yīng)不得大于0.35m/s。
2.1.5 吸室真空度的確定
吸室真空度在播種過(guò)程中起到提供氣壓的作用,其大小將會(huì)直接影響吸種效果,間接對(duì)排種均勻度造成影響。吸室的結(jié)構(gòu)根據(jù)吸種效果最終選擇馬蹄形,對(duì)于保證氣室真空度一致性做出了巨大的貢獻(xiàn)。計(jì)算真空度的公式為
(2)
式中Hcmax—?dú)馐艺婵斩茸畲笾?kPa);
d—種盤(pán)吸孔直徑(cm);
C—種子幾何中心到排種盤(pán)的距離(cm);
m—粒種子的質(zhì)量(kg);
v—種盤(pán)吸孔中心的線速度(m/s);
r—種盤(pán)吸孔處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(m);
g—重力加速度(m/s2);
λ—種子摩擦阻力因數(shù),λ=(6~10)tanθ,θ為種子自然休止角;
K1—吸種可靠性系數(shù);
K2—外界條件系數(shù)。
通過(guò)式(2)計(jì)算可知:排種器氣室所需要的真空度受到多種因素的影響;經(jīng)過(guò)計(jì)算,在農(nóng)田進(jìn)行水稻旱直播時(shí)所需的吸室真空度為2.079kPa。
相對(duì)于傳統(tǒng)的人工施肥模式,采用側(cè)深方式完成土地施肥已成為目前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)模式中的關(guān)鍵一環(huán),其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中,滑刀式施肥裝置入土開(kāi)溝,通過(guò)后方的預(yù)留口、內(nèi)部開(kāi)溝槽裝置及齒輪機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)作用,來(lái)實(shí)現(xiàn)與施肥管道之間的接通;氣送排肥,施肥深度取決于開(kāi)溝器,通過(guò)對(duì)開(kāi)溝器總成的調(diào)節(jié),可以設(shè)置施肥深度,對(duì)于水稻側(cè)深施肥而言,肥料的施肥位置滿(mǎn)足施肥深度50mm。
1.外槽輪 2.墊片 3.軸端擋圈 4.排肥上輪罩 5.擋肥板 6.擋肥軸 7.齒輪 8.卡扣 9.傳動(dòng)齒輪 10.排肥軸圖5 外槽輪排肥器爆炸圖Fig.5 The exploded Figure of outer groove-wheel fertilizer apparatus
以顆粒肥料為主的外槽輪排肥器,外槽輪直徑一般選40~60mm。本機(jī)具選擇的外槽輪,直徑選用42mm;凹槽直徑選用20mm,凹槽數(shù)一般選擇6~10個(gè)。槽輪的工作長(zhǎng)度有一定的要求,為滿(mǎn)足施肥量的要求,選擇槽輪的工作長(zhǎng)度為60.5mm,如圖6所示 。
水稻穴直播機(jī)播種單體由仿形機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝裝置、排種裝置、覆土裝置及鎮(zhèn)壓裝置組成,用螺栓、緊定螺釘、鉸鏈連接。在UG建模環(huán)境中,通過(guò)布爾運(yùn)算、設(shè)計(jì)特征、細(xì)節(jié)特征等相關(guān)命令建立三維模型。由于每個(gè)零件所在的位置不同,對(duì)零件進(jìn)行約束,完成單體裝配。
圖6 外槽輪Fig.6 The outer groove-wheel
氣力系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)管,施肥系統(tǒng)包括肥箱、排肥器。其中,氣力系統(tǒng)與機(jī)架踏板之間使用U型卡固定,風(fēng)機(jī)與機(jī)架間采用螺栓連接,肥箱與機(jī)架采用螺栓連接,排肥器與肥箱采用螺栓連接,完成裝配。
將播種單體、深松起壟單體、地輪總成、傳動(dòng)系統(tǒng)、氣力系統(tǒng)及施肥系統(tǒng)等與機(jī)架組合,在UG裝配模塊下對(duì)其約束,完成氣吸式水稻穴直播機(jī)的裝配。播種機(jī)虛擬樣機(jī)如圖7所示。
圖7 整機(jī)總體裝配圖Fig.7 Assembly diagram of the whole machine
1)2016年5月初,在建三江濃江農(nóng)場(chǎng)用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行播種試驗(yàn)如圖8所示,種子在排種分布如圖8(a)所示;按照種植要求,下種情況如圖8(b)所示;播種后灌溉如圖8(c)所示;6月底直播苗長(zhǎng)勢(shì)如圖8(d)所示。
(a) (b)
(c) (d)圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment
2)試驗(yàn)表明:該裝置穴粒數(shù)合格率≥90%,播種深度合格率≥80%,穴距合格率≥80%,破碎率≤0.5%,各行排種量一致性變異系數(shù)≤3.5%,總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤1.2%,各行排肥量一致性變異系數(shù)≤5%,破損率≤0.5%,優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
1)水稻旱直播技術(shù)是一種輕簡(jiǎn)栽培技術(shù),具有省工、省力、省種、省水,以及投資少、效益高的優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)采用旱育稀植,直播的水稻苗根系發(fā)達(dá)、根毛多、稀植育大苗而高產(chǎn)。但旱直播也有它的弱點(diǎn):春澇播種難、雜草難控制;防春澇要秋整地、除雜草噴封閉藥;弱小的苗容易被鳥(niǎo)吃掉,播種深度至關(guān)重要保證在10~15mm。
2)設(shè)計(jì)的種子分離盤(pán)結(jié)構(gòu)合理,如果機(jī)車(chē)作業(yè)速度≥10km/h,可考慮改進(jìn)種盤(pán)結(jié)構(gòu),對(duì)吸孔組的數(shù)量分別進(jìn)行試驗(yàn)。
3)外槽輪排肥器滿(mǎn)足了側(cè)深施肥的要求,結(jié)構(gòu)合理,但需要進(jìn)一步研究肥料嗜堵和板結(jié)現(xiàn)象。