于曉陽(yáng)，楊善東，刁培松，杜瑞成，張銀平

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

水稻和小麥?zhǔn)俏覈?guó)最主要的糧食作物，其種植面積和總產(chǎn)量位居全國(guó)糧食作物前兩位，在糧食生產(chǎn)和消費(fèi)中處于主導(dǎo)地位。江淮地區(qū)和黃淮海部分地區(qū)是我國(guó)主要的稻麥輪作區(qū)，該地區(qū)傳統(tǒng)的水稻種植方式是插秧。在進(jìn)行插秧作業(yè)之前需要對(duì)小麥秸稈及殘茬進(jìn)行粉碎還田處理，還要進(jìn)行耕翻和打漿平地等工序，最后通過(guò)人工插秧或機(jī)插秧的方式進(jìn)行插秧，整個(gè)過(guò)程工序繁雜，作業(yè)成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。該地區(qū)在播種小麥前，需要對(duì)水稻秸稈及殘茬進(jìn)行粉碎還田處理，對(duì)土地進(jìn)行1～2次旋耕整平后再進(jìn)行播種，整個(gè)過(guò)程動(dòng)力消耗大、生產(chǎn)成本高且不滿(mǎn)足保護(hù)性耕作要求。

近年來(lái)，稻麥免耕旱直播技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，該技術(shù)具有土壤結(jié)構(gòu)破壞少,作物根系發(fā)育好、耐旱抗病產(chǎn)量高及播種環(huán)節(jié)工序少等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)、德國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)稻麥免耕旱直播技術(shù)研究較早，且取得了一系列先進(jìn)的研究成果。以美國(guó)約翰迪爾公司(John Deere)、德國(guó)雷肯公司(Lemken)、意大利馬斯奇奧公司(Maschio)等為代表，其研發(fā)制造的系列免耕播種機(jī)，如1590型谷物條播機(jī)、Solitair系列免耕播種機(jī)、MT系列免耕播種機(jī)等具有作業(yè)穩(wěn)定可靠、智能化程度高、作業(yè)效率高等優(yōu)勢(shì)，因而一直在該領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。但國(guó)外的機(jī)型存在整機(jī)結(jié)構(gòu)龐大、機(jī)動(dòng)性能差，機(jī)具價(jià)格昂貴等問(wèn)題，且國(guó)外和國(guó)內(nèi)在耕作制度及水稻和小麥的種植技術(shù)上還存在一定差異，因此國(guó)外的機(jī)型難以在我國(guó)進(jìn)行廣泛的推廣和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)稻麥免耕播種機(jī)也進(jìn)行了相關(guān)研究，在積極借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)水稻和小麥的種植特點(diǎn)不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，取得了多項(xiàng)科研成果。

針對(duì)我國(guó)稻麥輪作區(qū)在播種作業(yè)時(shí)存在作業(yè)工序多、生產(chǎn)成本高、智能化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種智能、高效的稻麥多功能復(fù)式播種機(jī)，可一次完成滅茬、耕整、施肥、播種及鎮(zhèn)壓5道作業(yè)工序。該播種機(jī)播種性能穩(wěn)定、作業(yè)效率高、使用調(diào)整方便并且增產(chǎn)效果顯著。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該播種機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接，由機(jī)架、傳動(dòng)部分、限深輪、反轉(zhuǎn)滅茬裝置、種肥箱、施肥播種裝置、主動(dòng)防擁堵裝置、整平裝置，以及鎮(zhèn)壓輪等部分組成，如圖1所示。其中，限深輪安裝在機(jī)架前側(cè)的橫梁上；反轉(zhuǎn)滅茬裝置安裝在限深輪和施肥播種裝置之間；主動(dòng)防擁堵裝置安裝在施肥播種裝置中間，由主變速箱通過(guò)傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)；整平裝置安裝在施肥播種裝置和鎮(zhèn)壓輪之間；排肥器和排種器由鎮(zhèn)壓輪通過(guò)傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)。整機(jī)總體結(jié)構(gòu)緊湊，各部件布局合理，傳動(dòng)方式選擇恰當(dāng)，并且集多功能于一體。

1.懸掛架 2.主變速箱 3.種肥箱 4.傳動(dòng)鏈條 5.鎮(zhèn)壓輪 6.整平裝置 7.播種裝置 8.主動(dòng)防擁堵裝置 9.施肥裝置 10.齒輪箱 11.反轉(zhuǎn)滅茬裝置 12.限深輪圖1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic of the paddy and wheat seeder

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，播種機(jī)前部的反轉(zhuǎn)滅茬裝置將地表上殘留的秸稈及根茬進(jìn)行切碎，并且與土壤進(jìn)行充分混合，同時(shí)向后方拋送一定量的土壤對(duì)種子進(jìn)行覆土；鎮(zhèn)壓輪帶動(dòng)傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)排種器和排肥器，種子和肥料分別通過(guò)排種管、排肥管和施肥播種裝置落入各深度的土壤中；主動(dòng)防擁堵裝置由主變速箱通過(guò)傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)，采用正旋方式，避免秸稈、雜草等在施肥播種裝置上發(fā)生擁堵；整平裝置對(duì)播種后的地表土壤進(jìn)行平整，并且對(duì)土壤進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)碎；鎮(zhèn)壓輪對(duì)播種行進(jìn)行鎮(zhèn)壓后完成整個(gè)播種作業(yè)過(guò)程。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該播種機(jī)與功率為90kW以上的拖拉機(jī)配套使用，其旋耕深度、施肥深度、播種深度及施肥播種量均可調(diào)節(jié)。該播種機(jī)播種性能穩(wěn)定、作業(yè)效率高，能滿(mǎn)足稻麥免耕直播的播種要求，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of seeding machine

續(xù)表1

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 施肥播種裝置設(shè)計(jì)

施肥播種裝置通過(guò)U型螺栓固定在機(jī)架橫梁上，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，施肥部分和播種部分采用了分體式設(shè)計(jì)，能夠方便該裝置在生產(chǎn)制作過(guò)程中的裝配以及播種作業(yè)時(shí)施肥深度的調(diào)整；排種口與排種管采用分體式設(shè)計(jì)并且通過(guò)兩個(gè)緊固螺栓固定在排種管上，能夠方便播種深度的調(diào)整；排種管的側(cè)面安裝有刻度尺，能夠?qū)崿F(xiàn)播種深度的精確調(diào)整并且保證各行播種深度一致。排肥口與排種口的高度差為80mm左右，能夠保證種子既不會(huì)發(fā)生燒苗現(xiàn)象又有充足的養(yǎng)分供給。

1.限位板 2.U型螺栓 3.排肥管 4.開(kāi)溝器 5.排種口 6.緊固螺栓 7.刻度尺 8.排種管圖2 施肥播種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic of fertilizing and seeding device

2.1.1 排種口設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的稻麥直播機(jī)一般采用窄幅條播的播種方式，即圓盤(pán)式開(kāi)溝器開(kāi)出種溝，然后排種管將種子成條狀撒布到種溝內(nèi)。該播種方式種溝內(nèi)的種子分布密集并且作物生長(zhǎng)后期容易出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)寬幅精播技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，寬苗帶播種能夠減少作物個(gè)體之間水分、養(yǎng)分的爭(zhēng)奪，有利于作物分蘗和根系發(fā)育，增加穗粒質(zhì)量，提高抗倒伏能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)增收。根據(jù)該技術(shù)設(shè)計(jì)了一種燕尾式排種口，結(jié)構(gòu)如圖3所示。排種口寬度為140mm，高度為15mm，底面傾角為40°，底面中間凸起高度為6mm，凸起寬度為60mm。該排種口能夠形成同一苗帶截面上種子分布兩側(cè)多、中間少的寬苗帶。種子分布規(guī)律曲線(xiàn)如圖4所示。

(a) 主視圖 (b) 左視圖圖3 排種口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic of seeding device

圖4 種子分布規(guī)律曲線(xiàn)Fig.4 Distribution rules of seeds

2.1.2 開(kāi)溝器有限元分析

開(kāi)溝器是施肥排種裝置的重要部件之一，該部件的作用是開(kāi)出溝型整齊、溝寬合適的種溝,引導(dǎo)肥料(種子)落入,并覆蓋濕土，其工作質(zhì)量直接影響到播種質(zhì)量。通過(guò)SimulationXpress軟件對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行靜應(yīng)力分析和靜態(tài)位移分析，結(jié)果表明：該部件滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果如圖5所示。

(a) 應(yīng)力分析圖

(b) 位移分析圖圖5 有限元分析圖Fig.5 Finite element analysis

2.2 主動(dòng)防擁堵裝置設(shè)計(jì)

主動(dòng)防擁堵裝置安裝在施肥排種裝置中間，由刀軸、軸頭、旋耕刀及刀座等部件組成，主要用來(lái)清理開(kāi)溝器和排種口兩側(cè)堆積的秸稈和土壤等，保證施肥排種裝置作業(yè)順暢。

2.2.1 防堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防堵刀軸主體采用φ80mm的無(wú)縫鋼管，鋼管兩端焊接實(shí)心軸頭，防擁堵裝置安裝有16把旋耕刀，左、右彎刀各8把，對(duì)應(yīng)的每行開(kāi)溝器和排種口左右各1把，左右兩把彎刀交替作業(yè)，秸稈殘茬可以及時(shí)從行間流走，使機(jī)具具有良好的通過(guò)性。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 防擁堵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural schematic of anti-blocking device

2.2.2 刀片排列設(shè)計(jì)

防擁堵裝置的刀片采用雙螺旋線(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)的方式安裝,刀片的軸向間距和周向角度相等，這種排列方式使得刀片離心力的合力作用在同一平面內(nèi)，刀軸負(fù)載均勻，振動(dòng)及受沖擊載荷作用小。刀片排列順序如圖7所示。

圖7 刀片排列順序Fig.7 Arrangement order of rotary blade

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在山東省濟(jì)南市章丘區(qū)相公莊鎮(zhèn)的試驗(yàn)田進(jìn)行，樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況如圖8所示。試驗(yàn)地屬于稻麥兩熟丘陵地區(qū)。

相公莊鎮(zhèn)地處中緯度，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)的大陸性氣候。該地區(qū)四季分明，雨熱同季；年均日照2 647.6h，日照率60%；年均氣溫12.8℃，年平均降水量600.8mm；地勢(shì)較為平坦，水源充足，灌溉便利；土壤以潮褐土、潮土為主，土體深厚，構(gòu)型好，土壤肥力高，保水肥性強(qiáng)，適種水稻、小麥、玉米等糧食作物。

3.2 試驗(yàn)規(guī)則與方法

播種機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)主要包括排種和排肥性能、種肥深度穩(wěn)定性、播種均勻性、機(jī)具通過(guò)性，以及種肥距離合格率等，主要測(cè)試依據(jù)為中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的NY/T 1768-2009《免耕播種機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機(jī)》等。檢測(cè)設(shè)備包括電子秤、游標(biāo)卡尺、刻度尺及秒表等。

3.2.1 機(jī)具通過(guò)性

機(jī)具通過(guò)性是指免耕播種作業(yè)時(shí)機(jī)具排除作物秸稈和雜草堵塞，滿(mǎn)足播種農(nóng)藝要求的能力。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選取長(zhǎng)度為60m，兩端預(yù)備長(zhǎng)度不小于10m，寬度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的測(cè)試區(qū)。播種機(jī)以正常作業(yè)速度往返測(cè)試區(qū)一次，觀察機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中是否能夠連續(xù)正常作業(yè)以及殘茬、土壤等對(duì)機(jī)具的堵塞情況。在播種作業(yè)時(shí)，機(jī)具出現(xiàn)少量堵塞，堵塞物可以從行間流走，基本能正常作業(yè)的情況下屬于輕度堵塞；機(jī)具出現(xiàn)被秸稈殘茬纏繞堵塞，地表出現(xiàn)長(zhǎng)距離拖痕，甚至機(jī)具無(wú)法行走的情況下屬于重度堵塞。播種機(jī)在測(cè)試區(qū)內(nèi)往返一次的過(guò)程中如果未出現(xiàn)重度堵塞情況，則表明機(jī)具通過(guò)性良好。

3.2.2 種肥深度測(cè)試

在測(cè)試區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取8行，每行隨機(jī)選取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，扒開(kāi)土層對(duì)播種深度和施肥深度進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝播種(施肥)深度為h：當(dāng)h≥3cm時(shí)，(h±1.0)cm為合格；當(dāng)h<3cm時(shí)，(h±0.5)cm為合格；播種深度合格率≥75%，施肥深度合格率≥75%，種肥距離合格率≥80%。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 機(jī)具通過(guò)性

在測(cè)試區(qū)內(nèi)進(jìn)行了3次測(cè)試，播種機(jī)的主動(dòng)防擁堵裝置能夠及時(shí)將開(kāi)溝器和排種口周?chē)慕斩挌埐邕M(jìn)行清理，使得秸稈殘茬可以從行間流走，播種機(jī)能夠正常進(jìn)行作業(yè)，符合機(jī)具通過(guò)性測(cè)試要求，表明了播種機(jī)的機(jī)具通過(guò)性良好。

3.3.2 種肥深度測(cè)試

測(cè)量的水稻、小麥的播種深度和施肥深度數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：該播種機(jī)的播種深度、施肥深度及種肥距離滿(mǎn)足農(nóng)藝播種要求及相關(guān)技術(shù)要求。

表2 水稻和小麥播種施肥深度Table 2 Depth of fertilizer and seed in paddy and wheat planting

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)播種機(jī)進(jìn)行播種性能測(cè)試的結(jié)果分析表明：該播種機(jī)播種性能穩(wěn)定、作業(yè)效率高、機(jī)具通過(guò)性好，能夠滿(mǎn)足當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝的播種要求，而且該播種機(jī)一次作業(yè)可完成滅茬、耕整、施肥、播種及鎮(zhèn)壓5道作業(yè)工序，能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低作業(yè)成本。由于不同地區(qū)在土壤結(jié)構(gòu)、種植模式、氣候環(huán)境及秸稈覆蓋量等方面存在一定差異，因此該播種機(jī)需要針對(duì)以上方面做進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，以便更好地滿(mǎn)足不同地區(qū)的播種要求。