鹿 瑤，呂釗欽,2，鄭文秀，劉正鐸，史文婷，程祥勛

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

0 引言

保護(hù)性耕作是對(duì)農(nóng)田實(shí)行免耕、少耕，盡可能減少土壤耕作，并用作物秸稈、殘茬覆蓋地表，減少土壤風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤肥力和抗旱能力的一項(xiàng)先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作方法[1]。在小麥—玉米兩熟制栽培條件下，小麥秸稈還田可顯著促進(jìn)小麥、玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，提高土壤肥力。

免耕搶茬播種技術(shù)就是在小麥?zhǔn)斋@后的地塊上，不耕翻土壤，采用玉米免耕播種機(jī)直接進(jìn)行播種的技術(shù)[2],與傳統(tǒng)耕作種植方式相比具有節(jié)約機(jī)械成本、節(jié)水、節(jié)能、省工、省時(shí)、省肥，以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。麥田機(jī)械直播玉米的難點(diǎn)是小麥?zhǔn)斋@秸稈還田后地表覆蓋了大量麥秸，玉米直播很容易造成開溝器堵塞、驅(qū)動(dòng)地輪打滑不轉(zhuǎn)進(jìn)而導(dǎo)致玉米漏播；除此之外，常年淺耕造成犁底層變得堅(jiān)硬，影響作物根系生長(zhǎng)。所以，為打破犁底層、減少拖拉機(jī)進(jìn)地對(duì)土壤的壓實(shí)作用，同時(shí)防止開溝器擁堵，播種機(jī)需一次性完成防堵開溝、深松、施肥、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序[3-5]。

為解決以上問題，本文研制了一種新型玉米免耕深松播種機(jī)，為適合麥田玉米直播的新型玉米免耕深松播種機(jī)械，適用于玉米直播生產(chǎn)特點(diǎn)的增產(chǎn)、節(jié)能、高效的機(jī)械化生產(chǎn)體系，可實(shí)現(xiàn)玉米種植節(jié)本增效的目的，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玉米免耕深松播種機(jī)主要由機(jī)架、免耕防堵裝置、深松裝置、播種施肥裝置和傳動(dòng)裝置等組成，如圖1所示。

其中，免耕防堵裝置主要由仿形挑桿裝置、撥禾裝置、輸送裝置和清理裝置組成；深松裝置采用新型S彈齒型振動(dòng)深松鏟；播種施肥裝置由外槽輪排種器、外槽輪排肥器、排種排肥管、圓盤開溝器，以及鎮(zhèn)壓輪等組成；地輪位于排種單體之間，為排種排肥提供動(dòng)力。

1.2 工作原理

玉米免耕深松播種機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下前進(jìn)，拖拉機(jī)通過萬(wàn)向節(jié)傳遞動(dòng)力給變速箱進(jìn)行減速和換向，并橫向兩側(cè)輸出動(dòng)力。其中，一側(cè)動(dòng)力通過鏈輪向前傳輸?shù)綋芎梯啠瑱C(jī)具前進(jìn)，托板收集地表覆蓋的麥秸與雜草，撥禾輪將其后拋至輸送板。另一側(cè)動(dòng)力向后輸送到輸送主軸上，通過輸送板上側(cè)鏈輪帶動(dòng)麥秸輸送桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，麥秸輸送桿上的彈齒勾住撥禾輪向后拋撒的小麥秸稈及雜草，并向后輸送至輸送帶，通過輸送帶將麥秸拋至機(jī)具后方；在機(jī)具前方開出一條清潔的播種帶，解決了前茬小麥秸稈堵塞的難題，取代了機(jī)械化秸稈處理作業(yè)工序，同時(shí)實(shí)現(xiàn)秸稈還田。由拖拉機(jī)牽引，在開出的清潔播種帶上，振動(dòng)深松鏟破茬入土，開始進(jìn)行深松作業(yè)；與此同時(shí)，由地輪驅(qū)動(dòng)的排種排肥裝置開始作業(yè)，地輪通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)排種軸和清種毛刷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使玉米種經(jīng)過外槽輪排種器、排種管到達(dá)圓盤開溝器開出的種溝里；排種軸上的齒輪帶動(dòng)排肥器齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肥料經(jīng)排肥器、排肥管掉入種溝外側(cè)，由鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，完成深松播種施肥作業(yè)。

1.動(dòng)力輸入軸 2.機(jī)架 3.變速箱 4.傳動(dòng)鏈 5.輸送裝置 6.輸送皮帶 7.排肥總成 8.排種總成 9.鎮(zhèn)壓輪 10.地輪 11.圓盤開溝器 12.S型振動(dòng)深松鏟 13.托板 14 仿形板 15.仿形彈簧 16.側(cè)板 17.撥禾輪 18.撥禾固定器 19.動(dòng)力輸出軸 20.輸送桿 21.輸送主軸 22.秸稈還田輸送帶 23.傳動(dòng)鏈圖1 玉米免耕精量施肥播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of no-tillage precision fertilization planter for corn

1.3 技術(shù)參數(shù)

玉米免耕深松播種機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 玉米免耕深松播種機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical parameters of corn precise planter with chain

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 防堵裝置的設(shè)計(jì)

防堵裝置主要由仿形挑桿裝置、撥禾裝置、輸送裝置和清理裝置4部分組成，作用是清理出干凈的苗帶，同時(shí)在播種施肥完畢后實(shí)現(xiàn)小麥秸稈還田。

2.1.1 仿形挑桿裝置

針對(duì)地面高低不平而秸稈清理不干凈的問題，本文設(shè)計(jì)了仿形挑桿裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿形挑桿裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of ground-contour-following device

仿形挑桿裝置主要包括挑桿、托板、仿形板、彈簧和限位板。仿形挑桿裝置前部為5根平行的挑桿，挑桿前部與地面平行，后部呈25°向上彎曲并焊接在托板上；托板由前向后逐漸升高，與地面形成20°夾角，上部通過套管可活動(dòng)地套接在機(jī)架軸上，套管的左右兩側(cè)安裝有兩片限位板，可以限制仿形挑桿裝置左右晃動(dòng)；仿形板為一400cm×200cm×5cm的矩形鋼板，前端焊接在挑桿上，后面通過兩個(gè)彈簧與托板相連，起到支撐仿形作用。

2.1.2 鏈?zhǔn)捷斔脱b置

鏈?zhǔn)捷斔脱b置由兩條回轉(zhuǎn)的撥指輸送鏈組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，輸送裝置由輸送鏈、輸送桿、彈齒、側(cè)板、主旋轉(zhuǎn)軸、從動(dòng)鏈輪、動(dòng)力傳送鏈輪和導(dǎo)軌組成。輸送鏈安裝在導(dǎo)軌中回轉(zhuǎn)，且輸送鏈上等距離安裝有多根輸送桿，各輸送桿相互平行，輸送桿隨著輸送鏈沿環(huán)形凹槽循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

兩片側(cè)板分別焊接在機(jī)架左右兩側(cè)，且內(nèi)部設(shè)有環(huán)形凹槽，兩條輸送鏈分別固定在左右兩個(gè)環(huán)形凹槽內(nèi)部，為輸送鏈提供軌道。輸送桿上軸向等距離安裝有彈齒，主要用來(lái)勾取秸稈、配合輸送。

撥禾裝置包括撥禾輪、防護(hù)板、軸承和軸承座。撥禾輪通過軸承，軸承座固定在機(jī)架上。為防止秸稈太多造成堵塞，專門在撥禾輪表面設(shè)有防護(hù)板，其作用是前部讓撥禾齒伸出進(jìn)行撥禾，后部無(wú)開槽，起到防纏繞作用。該防護(hù)板可以有效地防止秸稈雜草纏繞，提高撥禾質(zhì)量。

清理裝置為簡(jiǎn)單的傳送帶裝置，主要是將輸送裝置輸送過來(lái)的秸稈及雜草向后輸送，覆蓋至已播種施肥完畢的播種帶上，增強(qiáng)覆土效果。清種裝置側(cè)板與輸送裝置輸送擋板通過旋轉(zhuǎn)軸相連接，清種裝置可以繞旋轉(zhuǎn)軸掀起一定角度，目的是方便下部種箱肥箱加料。

2.2 振動(dòng)深松裝置的設(shè)計(jì)

振動(dòng)深松能夠有效地減少機(jī)具牽引阻力，與不振動(dòng)狀態(tài)相比，最高能減少到30%。該深松鏟主要利用自激振動(dòng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，自激振動(dòng)不但可以消除強(qiáng)迫振動(dòng)機(jī)具由于激勵(lì)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗，而且可以產(chǎn)生與強(qiáng)迫振動(dòng)機(jī)具相同的減阻效果[7]。

振動(dòng)深松裝置主要包括S型彈齒、鏟尖及機(jī)架連接件，如圖4所示。鏟尖通過螺釘固定在S型彈齒上，S型彈齒上端通過機(jī)架連接件固定到機(jī)架上。與傳統(tǒng)深松鏟相比，該深松鏟動(dòng)土量少，保墑效果好，且碎土效果好，能夠創(chuàng)造更好的種床條件，作業(yè)功耗低，作業(yè)效果更高。

1. 機(jī)架連接件 2.S型振動(dòng)彈齒 3.鏟尖圖4 振動(dòng)深松鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure of vibrate sub-soiling shovel

2.3 播種施肥裝置的設(shè)計(jì)

播種施肥裝置通過機(jī)架與整機(jī)連接，主要包括種箱、肥箱、外槽輪式排種器、排肥器、圓盤開溝器、地輪，以及鎮(zhèn)壓輪，如圖5所示。圓盤開溝器固連在機(jī)架后端的中心軸線上，排肥管位于圓盤開溝器右側(cè)，兩者配合用以完成開溝作業(yè)。鎮(zhèn)壓輪連接在機(jī)架支撐裝置上,進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓。地輪通過上端支撐架連接在機(jī)架上，地輪為現(xiàn)有裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要為排種軸、排肥軸提供動(dòng)力。

1. 肥箱 2.排肥軸 3.外槽輪排肥器 4.排肥管 5.種箱 6.排種軸 7.外槽輪排種器 8.排種管圖5 播種施肥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structure of no-tillage precision fertilization planter for corn

2.4 動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

動(dòng)力傳動(dòng)裝置主要由變速箱和鏈傳動(dòng)組成。拖拉機(jī)通過萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳輸至變速箱，經(jīng)變速箱減速后一路傳至撥禾輪，將秸稈由仿形鏟撥至輸送裝置；另一路傳至輸送裝置上方中心軸，帶動(dòng)輸送裝置及皮帶輸送裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，完成秸稈還田。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行玉米免耕深松播種機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)地為冬小麥夏玉米輪作區(qū)，前茬作物為小麥，6月份收獲，收獲后的小麥秸稈全部還田，田間留茬高度大約為10～15cm，殘茬覆蓋地表的厚度在5～10cm之間，機(jī)具配套動(dòng)力為53kW。土層內(nèi)土壤平均含水率為18.63%，土壤堅(jiān)實(shí)度為17.92MPa。試驗(yàn)種子為遼丹16號(hào)，千粒質(zhì)重283g，種子含水率11.2%，播種量為300kg/hm2。播種速度為3～10km/h，播種行距為4～5.3cm，播種深度為3～5cm。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)試驗(yàn)鑒定總站制定的對(duì)玉米免耕精密播種機(jī)播種質(zhì)量的檢測(cè)指標(biāo)，免耕精密播種機(jī)性能測(cè)試內(nèi)容包括播種質(zhì)量、播種深度合格率等，主要檢驗(yàn)依據(jù)為《免耕播種機(jī)選型試驗(yàn)大綱》和單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[9]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 機(jī)具通過性

根據(jù)農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)試驗(yàn)鑒定總站的測(cè)試，機(jī)具合格標(biāo)準(zhǔn)為“在剛收獲的玉米地，植被覆蓋量為2.0～4.0kg/m2，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為60m，往返一個(gè)行程，不發(fā)生堵塞或者有一次輕度堵塞?！北驹囼?yàn)在玉米秸稈覆蓋量為3.8kg/m2的條件下測(cè)試2次，每次測(cè)試長(zhǎng)度為150m，未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

試驗(yàn)表明：在秸稈量覆蓋較大時(shí)，由于采用了免耕防堵裝置，能夠有效地清理播種帶，防止開溝器堵塞。

3.3.2 播種均勻性及深松深度試驗(yàn)

播種機(jī)按照規(guī)定的速度進(jìn)行深松播種作業(yè)，播種距離540m，中途不停車，在設(shè)定的速度下隨機(jī)抽取5行測(cè)定，測(cè)定長(zhǎng)度大于規(guī)定的250粒距長(zhǎng)度，本文取87.5m，測(cè)定點(diǎn)選取在播種開始后20m后，最后測(cè)定點(diǎn)在播種結(jié)束前20m。

不同速度下播種均勻性及深松深度試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。

(a) 不同速度下播種合格率變化

(b) 不同速度下苗帶清潔率變化

(c) 不同速度下深松深度變化

(d) 不同速度下深松合格率變化圖6 不同速度下防堵深松播種質(zhì)量變化率Fig.6 Working quality variation under different speed

1)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在機(jī)具工作速度在3～8km/h時(shí)，該玉米免耕深松播種機(jī)播種合格率在90%以上，機(jī)具工作速度靈活，播種質(zhì)量滿足農(nóng)藝要求。

2)由于采用了免耕防堵裝置，在機(jī)具速度在3～7km/h時(shí)，苗帶清潔率可達(dá)到85%以上，實(shí)現(xiàn)了種前清理苗帶，據(jù)種后秸稈還田，大大提高了播種機(jī)的工作效率。同時(shí)，采用S彈齒型振動(dòng)深松裝置，使深松深度基本處于30～35cm的深松范圍內(nèi)，打破堅(jiān)硬犁底層，保證深松合格率高于90%。

3)試驗(yàn)表明：隨工作速度的增加，該玉米免耕深松播種機(jī)的播種合格率、苗帶清潔率及深松合格率均呈下降趨勢(shì)，在播種速度≤8km/h范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的播種機(jī)具有良好的作業(yè)效果。

4 結(jié)論

1)玉米免耕深松播種機(jī)有效地將深松和免耕播種兩大技術(shù)有機(jī)集成，采用免耕防堵裝置與S型振動(dòng)深松鏟相結(jié)合，可一次性完成免耕防堵、全方位深松土壤、施種肥，畦土覆平及播種鎮(zhèn)壓等多道工序，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)性耕作。

2)免耕防堵裝置可有效地將苗帶的雜草秸稈等清理干凈，從而在大量小麥秸稈覆蓋狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)免耕防堵播種玉米。同時(shí)，當(dāng)播種施肥完畢，小麥秸稈通過輸送裝置拋灑覆蓋在已完成播種施肥的壟溝表面，實(shí)現(xiàn)秸稈還田。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該玉米免耕深松播種機(jī)可實(shí)現(xiàn)8km/h高速作業(yè)，播種質(zhì)量、苗帶清理質(zhì)量、深松質(zhì)量完全滿足免耕深松播種的農(nóng)藝要求。