羅偉文 顧峰瑋 吳 峰 徐弘博 陳有慶 胡志超

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

0 引言

傳統(tǒng)稻秸還田播種小麥生產(chǎn)需機(jī)具多次下田作業(yè)，不僅耗工、費(fèi)時(shí)，且隨著水稻收獲期不斷推遲,無(wú)法在適播期完成稻茬麥播種[1-4]。在全秸硬茬地(稻收后未作任何秸稈移出及耕整地處理的田塊)工況下，設(shè)備一次下田即可完成下茬小麥播種作業(yè)，是解決上述問(wèn)題的有效方法[5-7]。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)秸茬還田播種技術(shù)進(jìn)行了大量研究，成效顯著。國(guó)外主要運(yùn)用滑動(dòng)式避茬開(kāi)溝和圓盤(pán)切茬開(kāi)溝等技術(shù)進(jìn)行秸稈還田播種[8-11]。目前國(guó)內(nèi)主要有均覆地表、入土混埋、覆埋分流、開(kāi)溝深埋、側(cè)邊集秸等技術(shù)類(lèi)型，適用于全量秸茬還田播種，如設(shè)計(jì)拋秸風(fēng)機(jī)與散秸裝置、導(dǎo)土分秸板等實(shí)現(xiàn)碎秸均勻覆蓋地表，設(shè)計(jì)旋切后拋防堵裝置、驅(qū)動(dòng)式前后雙滅茬輪等實(shí)現(xiàn)旋切混埋碎秸[12-21]。這類(lèi)設(shè)備作業(yè)后，秸稈多為均勻覆蓋地表、混埋入種床或集中堆放等形式，適用于秸稈覆蓋情況下作業(yè)，但由于單位面積稻秸量遠(yuǎn)大于小麥、玉米等秸稈量，易導(dǎo)致種帶內(nèi)稻秸含量過(guò)大而影響出苗[22-26]。

本文針對(duì)輪作區(qū)稻秸還田量大、播期延誤等影響稻茬麥生產(chǎn)的問(wèn)題，結(jié)合全秸硬茬地潔區(qū)播種技術(shù)原理與稻茬麥寬幅播種農(nóng)藝要求，提出碎秸行間集覆、潔區(qū)種帶寬幅播種的技術(shù)模式，設(shè)計(jì)一種一次下田即可完成秸茬粉碎、碎秸行間集覆、種帶淺旋、施肥播種、播后鎮(zhèn)壓的復(fù)式作業(yè)裝備，以期為輪作區(qū)高質(zhì)、順暢、機(jī)播稻茬麥提供技術(shù)參考。

1 總體方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

小麥寬幅播種可以提高植株群體調(diào)節(jié)能力，有助于晚播狀態(tài)下的穩(wěn)產(chǎn)[27-28]。因此，結(jié)合小麥寬幅播種農(nóng)藝要求，提出以下設(shè)計(jì)思路：①采用播幅240 mm、行距300 mm的寬幅播種方式，在稻茬麥常態(tài)性晚播狀態(tài)下提高穩(wěn)產(chǎn)可能性。②采用種秸分型方式進(jìn)行播前秸稈處理，即全部碎秸集覆行間，創(chuàng)造潔區(qū)種帶環(huán)境(種帶無(wú)播種秸稈障礙)。③僅進(jìn)行種帶施肥與旋耕，不僅實(shí)現(xiàn)種床整理，且減少土壤擾動(dòng)。④在多排開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，選用芯鏵式開(kāi)溝器，不僅實(shí)現(xiàn)240 mm播幅內(nèi)滿(mǎn)播小麥，且能增強(qiáng)通過(guò)性。

田間布局為幅寬240 mm的種帶與幅寬300 mm的覆秸帶(行間)交替布置，有助于保溫保墑、封閉行間雜草，作業(yè)效果如圖1所示。

圖1 行間覆秸播種作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic of sowing operation mode of straw between rows1.碎秸刀輥 2.碎秸導(dǎo)流裝置 3.旋耕刀輥 4.開(kāi)溝器 5.地輪 6.覆秸帶 7.潔區(qū)種帶

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于上述設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了全秸硬茬地碎秸行間集覆小麥播種機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括秸稈粉碎裝置、碎秸導(dǎo)流裝置、施肥裝置、種帶旋耕裝置、播種及鎮(zhèn)壓裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)架等，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 全秸硬茬地碎秸行間集覆小麥播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structural diagram of wheat planter with smashed straw covered with rows under full straw field1.壓秸輥 2.碎秸裝置傳動(dòng)系統(tǒng) 3.秸稈粉碎裝置 4.碎秸導(dǎo)流裝置 5.可調(diào)支撐輥 6.旋耕裝置傳動(dòng)系統(tǒng) 7.旋耕裝置 8.開(kāi)溝器 9.排種器傳動(dòng)系統(tǒng) 10.防滑釘 11.鎮(zhèn)壓地輪 12.刮土板 13.排種器 14.種箱 15.排肥器傳動(dòng)系統(tǒng) 16.后端懸掛拉桿 17.排肥器 18.中間懸掛拉桿 19.肥箱 20.牽引架

1.3 作業(yè)原理

全秸硬茬地碎秸行間集覆小麥播種機(jī)采用后三點(diǎn)懸掛式牽引，拖拉機(jī)以720 r/min額定轉(zhuǎn)速輸出動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)使秸稈粉碎刀輥、種帶旋耕刀輥分別以一定轉(zhuǎn)速作業(yè)。作業(yè)前，調(diào)節(jié)前端懸掛拉桿及壓秸輥，使粉碎裝置的甩刀尖靠近地面，調(diào)節(jié)支撐輥和中間懸掛拉桿，使種帶旋耕裝置旋耕深度能滿(mǎn)足播麥前種床準(zhǔn)備要求，調(diào)節(jié)后端懸掛拉桿及播種開(kāi)溝器，使播麥深度符合農(nóng)藝要求。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of equipment

作業(yè)時(shí)，壓秸輥將幅寬內(nèi)的立稈稻秸壓倒，便于后續(xù)撿拾粉碎；秸稈粉碎裝置內(nèi)甩刀反向旋轉(zhuǎn)將幅寬內(nèi)秸稈粉碎；粉碎后的秸稈向后噴射，與碎秸導(dǎo)流裝置進(jìn)行滑切耦合，在碎秸導(dǎo)流裝置后方形成潔區(qū)種帶，在兩相鄰碎秸導(dǎo)流裝置間形成覆秸帶；與此同時(shí)，位于碎秸導(dǎo)流裝置正下方的施肥裝置將肥料勻撒于潔區(qū)種帶；種帶旋耕裝置在種帶內(nèi)進(jìn)行正向淺旋，完成播前種床整理；隨后播種裝置于種帶內(nèi)順暢播種并鎮(zhèn)壓，完成全秸硬茬地工況下的稻茬麥機(jī)播作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 秸稈粉碎裝置

秸稈粉碎裝置主要由壓秸輥、護(hù)秸簾、刀軸、組合甩刀、定刀和型腔等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。不同類(lèi)型的甩刀性能有所不同，本設(shè)計(jì)采用2把L型刀夾配1把直型刀組成組合甩刀，較普通單一形式的甩刀具有更好的撿拾粉碎效果，且具有較好的對(duì)稱(chēng)性，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。參考類(lèi)似Y型刀的安裝密度為23～40片/m，組合甩刀相對(duì)于Y型甩刀增加了直刀，可適當(dāng)減小安裝密度，考慮到稻秸韌性較強(qiáng)，本機(jī)有效粉碎幅寬為2.4 m，設(shè)計(jì)組合甩刀為36組。

圖3 秸稈粉碎裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structural diagram of straw smashing device1.壓秸輥 2.牽引架 3.護(hù)秸簾 4.組合甩刀 5.刀軸 6.傳動(dòng)系統(tǒng) 7.可調(diào)支撐輥

圖4 組合甩刀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of combined sickle1.直刀 2.L型刀 3.套筒 4.刀座 5.軸銷(xiāo)

刀尖線速度是關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，稻秸韌性較強(qiáng)，為達(dá)到較好的稻秸粉碎效果，刀尖線速度應(yīng)大于53 m/s[23]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，刀尖線速度與刀尖回轉(zhuǎn)直徑、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

p1≥30(v0+vm)/(πR1)

(1)

式中p1——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min

v0——甩刀尖線速度，m/s

vm——作業(yè)前進(jìn)速度，m/s

R1——甩刀最大回轉(zhuǎn)半徑，m

機(jī)具正常作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s，通常粉碎刀輥轉(zhuǎn)速范圍為1 800～2 400 r/min，綜合考慮粉碎質(zhì)量、功率消耗與機(jī)具振動(dòng)等因素，設(shè)計(jì)甩刀最大回轉(zhuǎn)半徑為265 mm，計(jì)算刀尖線速度選取53 m/s，代入式(1)，推算刀輥轉(zhuǎn)速p1=1 945.83 r/min，可滿(mǎn)足稻秸粉碎及碎秸噴射要求，因此刀輥轉(zhuǎn)速范圍為2 000～2 400 r/min。

2.2 碎秸導(dǎo)流裝置

噴出型腔的碎秸流被碎秸導(dǎo)流裝置擋隔滑切，在碎秸噴射與滑切耦合作用下，碎秸被分流到兩相鄰碎秸導(dǎo)流裝置之間，形成規(guī)整的覆秸帶，同時(shí)在碎秸導(dǎo)流裝置正后方形成潔區(qū)種帶。碎秸導(dǎo)流裝置是創(chuàng)造無(wú)秸稈障礙種帶、并將碎秸規(guī)整集覆于行間(覆秸帶)的關(guān)鍵部件，主要包括斜面導(dǎo)流板、側(cè)面定型板和安裝板，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 碎秸導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of smashed straw guide device1.安裝板 2.定型板 3.斜面導(dǎo)流板

為了確定碎秸導(dǎo)流裝置的合理參數(shù)，任取一離散化碎秸顆粒為研究對(duì)象，分別建立以碎秸顆粒質(zhì)心為原點(diǎn)的兩個(gè)坐標(biāo)系，如圖6所示。

圖6 碎秸顆粒受力分析Fig.6 Force analysis diagram of crushed straw particles

忽略滑切耦合過(guò)程中的空氣阻力，碎秸所受綜合力F為自身重力G、垂直于斜面導(dǎo)流板的支持力N和平行于斜面導(dǎo)流板的摩擦力f的合力(FRA為N與f的合力)，建立直角坐標(biāo)系x1o1y1，如圖6a所示，碎秸處于靜止瞬間有平衡方程

(2)

式中θ——碎秸導(dǎo)流裝置水平分秸角，(°)

α——碎秸導(dǎo)流裝置豎直分秸角,(°)

φ——碎秸與斜面導(dǎo)流板之間的摩擦角，(°)

碎秸在斜面導(dǎo)流板上堆積，會(huì)滯礙碎秸導(dǎo)流裝置滑切耦合碎秸流，從而導(dǎo)致種帶內(nèi)碎秸數(shù)量增多，由式(2)可知，為有利于碎秸與碎秸導(dǎo)流裝置接觸后向下滑落，需滿(mǎn)足x1軸方向上的合力大于0，即

(3)

對(duì)覆秸過(guò)程中碎秸運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，可減少碎秸漏入種帶，提高裝置的清秸覆秸性能。以機(jī)具作業(yè)前進(jìn)方向?yàn)閤軸，覆秸方向?yàn)閥軸，在水平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系xoy，將滑切耦合過(guò)程中碎秸所受各力向水平面內(nèi)投影并沿坐標(biāo)軸方向分解(Nxy、fxy分別為N、f水平投影)，如圖6b所示，并建立碎秸瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)微分方程

(4)

由式(4)可知，碎秸在斜面導(dǎo)流板上的水平運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(5)

根據(jù)碎秸導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)及在滑切耦合過(guò)程中碎秸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知

(6)

式中l(wèi)——碎秸導(dǎo)流裝置有效導(dǎo)秸長(zhǎng)度，mm

b——碎秸導(dǎo)流裝置單側(cè)分秸寬度,mm

h——碎秸導(dǎo)流裝置的高度，mm

由式(4)～(6)可知，碎秸導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有效導(dǎo)秸長(zhǎng)度l、單側(cè)分秸寬度b和高度h是影響碎秸流動(dòng)的主要因素。不同品種與含水率稻秸的摩擦角有所不同，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得碎秸與斜面導(dǎo)流板的摩擦角范圍為26.5°<φ<30.5°，結(jié)合式(3)～(6)，得出正?；蟹至鞯乃椒纸战铅?、豎直分秸角α分別為θ<29.7°、α>16.3°。

為降低自然因素對(duì)作業(yè)后行間覆秸帶的擾動(dòng)，作業(yè)完成后通過(guò)可調(diào)支撐輥對(duì)成型覆秸帶進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，通過(guò)田間實(shí)測(cè)，壓實(shí)后覆秸帶邊緣外擴(kuò)30～50 mm，為保證潔區(qū)種帶寬度滿(mǎn)足240 mm的要求，設(shè)計(jì)導(dǎo)流裝置寬度為300 mm，即單側(cè)分秸寬度b=150 mm；同時(shí)，增加碎秸導(dǎo)流裝置高度，有利于減少碎秸噴入潔區(qū)種帶，并加速碎秸分流滑動(dòng)，因此選取罩殼后安裝橫梁與地面的垂直距離作為碎秸導(dǎo)流裝置高度，即碎秸導(dǎo)流裝置高度h=250 mm；結(jié)合式(2)～(6)，得出有效導(dǎo)秸長(zhǎng)度l范圍為263 mm

2.3 秸稈粉碎裝置與碎秸導(dǎo)流裝置組配

4組碎秸導(dǎo)流裝置安裝于秸稈粉碎裝置罩殼后的安裝橫梁上，沿幅寬方向等距分布，其數(shù)目與間距可根據(jù)實(shí)際農(nóng)藝需求進(jìn)行調(diào)整。由于田間地表起伏不平，為防止碎秸導(dǎo)流裝置鏟起土塊而干擾碎秸流向，安裝時(shí)碎秸導(dǎo)流裝置需距離地表一定間隙。為獲得利于碎秸集覆的離地間隙，結(jié)合單因素試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)碎秸導(dǎo)流裝置離地間隙為20 mm。

同時(shí)，為獲得較好種秸分型質(zhì)量，碎秸導(dǎo)流裝置的圓弧形導(dǎo)流刃線與甩刀回轉(zhuǎn)面需一定的徑向距離τ。任選碎秸導(dǎo)流裝置一豎直面，對(duì)離散化碎秸顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，建立如圖7所示坐標(biāo)系XOY,碎秸從粉碎室罩殼噴出后，以下拋運(yùn)動(dòng)的方式落向碎秸導(dǎo)流裝置，并與裝置進(jìn)行滑切耦合。

圖7 碎秸下拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析Fig.7 Trajectory analysis of throwing movement for smashed straw

結(jié)合文獻(xiàn)[25]，碎秸顆粒下拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的水平位移為

X=ln(1+k(v1x+vm)t)/k

(7)

式中k——空氣阻力因子(描述碎秸下拋過(guò)程中所受空氣阻力)

v1x——碎秸下拋初速度，m/s

結(jié)合式(5)，由裝置結(jié)構(gòu)及組配關(guān)系可得

(8)

式中R——噴出點(diǎn)P1到回轉(zhuǎn)中心O1的距離，m

β——噴出點(diǎn)P1和回轉(zhuǎn)中心O1的連線與水平線的夾角，(°)

r——甩刀最大回轉(zhuǎn)半徑，m

碎秸在碎秸導(dǎo)流裝置上的落點(diǎn)位置直接影響種秸分型的質(zhì)量，由式(8)可知，在秸稈粉碎裝置與碎秸導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，落點(diǎn)位置主要受到徑向距離和噴射速度的影響，而噴射速度主要由粉碎裝置轉(zhuǎn)速和作業(yè)速度決定，因此確定影響種秸分型性能的因素為粉碎裝置轉(zhuǎn)速、徑向距離和作業(yè)速度。粉碎裝置轉(zhuǎn)速范圍為2 000～2 400 r/min，機(jī)具作業(yè)速度范圍為0.6～0.8 m/s，前期試驗(yàn)表明徑向距離范圍在10～30 mm。

2.4 種帶旋耕裝置

2.4.1結(jié)構(gòu)組成及工作原理

稻收后，存在田塊不平、土壤沉積板結(jié)等問(wèn)題，為保證良好種床環(huán)境，設(shè)計(jì)僅在潔區(qū)種帶區(qū)域內(nèi)旋耕作業(yè)的種帶旋耕裝置進(jìn)行種帶整理。種帶旋耕裝置與整機(jī)為組配式，主要包括機(jī)架、旋耕刀組、組隔板、傳動(dòng)系統(tǒng)、拖土板和刀軸，裝置具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。為減小旋耕過(guò)程中土壤擾動(dòng)量并保證旋耕質(zhì)量達(dá)到稻茬麥播種要求，旋耕刀軸設(shè)計(jì)為正轉(zhuǎn)，采用種帶旋耕刀組結(jié)構(gòu)，破除對(duì)應(yīng)種帶根茬并入土旋松土壤，增加土壤回流性，以減少開(kāi)溝器雍土，保證覆土質(zhì)量；每組旋耕刀組外側(cè)均布有阻隔板，此結(jié)構(gòu)的阻隔板既能擋隔旋耕碎土被拋向覆秸帶，又能緊貼覆秸帶邊緣滑行而不擾動(dòng)破壞覆秸帶壟型。

圖8 碎秸導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structural diagram of smashed straw guide device 1.機(jī)架 2.旋耕刀 3.阻隔板 4.傳動(dòng)系統(tǒng) 5.拖板 6.刀軸

旋耕作業(yè)深度可通過(guò)安裝于粉碎裝置后的可調(diào)支撐輥進(jìn)行調(diào)節(jié)。農(nóng)藝上要求稻茬麥播種深度為30～50 mm，因此設(shè)計(jì)旋耕深度為70～100 mm，參照GB/T 5669—2008《旋耕機(jī)械-刀和刀座》選擇旋耕刀，旋耕刀最大回轉(zhuǎn)半徑為245 mm。旋耕裝置共布置4組旋耕刀組，每組作業(yè)幅寬為240 mm，土壤耕作程度占整體作業(yè)幅寬的40%，在實(shí)現(xiàn)播前種床整理的同時(shí)，也符合少耕要求。

2.4.2刀軸轉(zhuǎn)速、切土節(jié)距設(shè)計(jì)

旋耕刀軸轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，轉(zhuǎn)速過(guò)小不能充分切碎土塊，溝底不平整度也相對(duì)較大，轉(zhuǎn)速過(guò)大則功率消耗大。當(dāng)?shù)遁佉越撬俣圈卣蛐D(zhuǎn)，機(jī)具以速度vm前進(jìn)時(shí)，旋耕刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡為

(9)

式中R2——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，m

λ——旋耕速比

則旋耕刀尖端速度為

(10)

式中v3——旋耕刀尖端線速度，m/s

H——旋耕深度，m

種帶旋耕裝置進(jìn)行破茬淺旋所需最小切削速度為5 m/s，結(jié)合刀軸回轉(zhuǎn)半徑和旋土深度，由式(10)可知，ω≥23.5 rad/s。

稻茬田直接播種小麥需要較高的旋耕碎土質(zhì)量，切土節(jié)距在60～90 mm時(shí)，可滿(mǎn)足普遍稻秸田(含水率20%～35%)的播麥碎土質(zhì)量要求[14]。通常，切土節(jié)距計(jì)算公式為

(11)

式中s——切土節(jié)距，mm

p2——旋耕刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

z——同一切割小區(qū)旋耕刀數(shù)量

機(jī)具作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s, 結(jié)合文獻(xiàn)[27]，設(shè)計(jì)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，同一切割小區(qū)的旋耕刀數(shù)量z=2，則切土節(jié)距為60～80 mm，ω=31.4 rad/s，旋耕整地質(zhì)量符合稻茬麥播種農(nóng)藝要求。

2.4.3旋耕刀排列

旋耕刀在刀軸上的合理排列，可提高旋耕作業(yè)質(zhì)量、均勻刀軸受力等。本設(shè)計(jì)在刀軸上對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)旋耕區(qū)段，分別對(duì)應(yīng)4條種帶，每個(gè)旋耕區(qū)段左右旋耕刀各4把，旋耕刀在刀軸上安裝排列展開(kāi)如圖9所示。

圖9 旋耕刀軸上刀片布置示意圖Fig.9 Diagram of arrangement of rotary blades

2.5 播種及鎮(zhèn)壓裝置

2.5.1播種開(kāi)溝器

播種開(kāi)溝器是直接影響小麥播種質(zhì)量的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)稻茬麥播種時(shí)有大量稻秸混入種床 ，因此常采用有切茬功能的開(kāi)溝器，該類(lèi)型開(kāi)溝器因功能需求而有較復(fù)雜構(gòu)造，且在土壤含水率較高時(shí)作業(yè)易雍土。本機(jī)播種前已完成種床整理，種帶無(wú)播種秸稈障礙且土壤回流性好，因此另選結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的芯鏵式開(kāi)溝器進(jìn)行配套。同時(shí)，由芯鏵式開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)可知，在土壤濕度較大的稻茬田輸種管底端易被土壤堵塞，參照文獻(xiàn)[12]，在輸種管下方增設(shè)導(dǎo)種擋土板，可實(shí)現(xiàn)在勻撒麥種的同時(shí)阻止土壤進(jìn)入輸種管，具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.10 Structural diagram of opener1.鏵柄 2.滑草輥 3.芯鏵 4.導(dǎo)種擋土板 5.翼板 6.輸種管

2.5.2播種開(kāi)溝器排列方式

本農(nóng)藝要求240 mm種帶寬度內(nèi)滿(mǎn)播小麥，2個(gè)播種開(kāi)溝器難以達(dá)到此要求，因此每條種帶上設(shè)計(jì)3個(gè)開(kāi)溝器，每個(gè)開(kāi)溝器播種幅寬80 mm。同一種帶內(nèi)3個(gè)開(kāi)溝器的不同排列方式對(duì)作業(yè)順暢性有重要影響，常規(guī)品字排列(方式A)可有效減小機(jī)具長(zhǎng)度，但由于開(kāi)溝器2和開(kāi)溝器3易掛秸，且二者間距過(guò)小，導(dǎo)致兩開(kāi)溝器間極易掛秸壅土。因此在常規(guī)排列的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)3種不同的開(kāi)溝器排列方式，如圖11所示，分別為方式B、方式C和方式D。

圖11 開(kāi)溝器不同排列方式示意圖Fig.11 Schematics of arrangements for openers1.開(kāi)溝器1 2.開(kāi)溝器2 3.開(kāi)溝器3 4.潔區(qū)種帶 5.覆秸帶邊緣

為獲得最佳開(kāi)溝器排列方式，于2018年9月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院稻麥輪作基地進(jìn)行上述開(kāi)溝器排列方式的田間作業(yè)順暢性(掛秸及壅土次數(shù))對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)地為高留茬收獲后的水稻全秸硬茬地，田間秸稈量約1.5 kg/m2，含水率為38%，土壤性質(zhì)為含水率約25%的壤土。試驗(yàn)時(shí)由常發(fā)1204型拖拉機(jī)牽引本課題組研制的全秸硬茬地碎秸行間集覆小麥播種機(jī)，試驗(yàn)工作參數(shù)為：粉碎刀輥轉(zhuǎn)速2 200 r/min、作業(yè)速度0.8 m/s、旋耕刀輥轉(zhuǎn)速300 r/min，進(jìn)行5組重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)長(zhǎng)度100 m，觀測(cè)其掛秸、壅土次數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，開(kāi)溝器排列方式B、方式C和方式D的掛秸及壅土總次數(shù)分別為5、2、3次。

表2 田間作業(yè)順暢性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Contrastive experiment results of operational performance

分析原因可知：以方式B排列開(kāi)溝器進(jìn)行作業(yè)時(shí)，全部碎土從開(kāi)溝器2和開(kāi)溝器3間通道流出，但兩者間距較小，且兩開(kāi)溝器都有掛秸現(xiàn)象，秸土混合造成壅土嚴(yán)重；以方式C排列開(kāi)溝器進(jìn)行作業(yè)時(shí)，碎土分流較均勻，因此未見(jiàn)壅土問(wèn)題，但由于開(kāi)溝器3所在通道的土量增大，因此存在掛秸現(xiàn)象；以方式D排列開(kāi)溝器進(jìn)行作業(yè)時(shí)，開(kāi)溝器1和開(kāi)溝器2未見(jiàn)掛秸現(xiàn)象，但由于開(kāi)溝器2和開(kāi)溝器3間存在間距較小、土量大的問(wèn)題，因此存在壅土問(wèn)題。

開(kāi)溝器發(fā)生壅土?xí)蠓档筒シN質(zhì)量，而輕微的掛秸對(duì)播種影響較小，綜合考慮方式C的田間作業(yè)順暢性明顯優(yōu)于方式B和方式D，因此以方式C排列本播種裝置的開(kāi)溝器，播種及鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖12所示。

圖12 播種及鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.12 Schematic of planter1.開(kāi)溝器 2.苗帶 3.覆秸帶 4.排種器 5.鎮(zhèn)壓輪 6.機(jī)架 7.種箱

2.5.3鎮(zhèn)壓裝置

圖13 鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.13 Structural diagram of ground wheel1.防滑釘 2.刮土板 3.鎮(zhèn)壓輪 4.傳動(dòng)系統(tǒng)

由于稻茬麥播種深度較淺，為利于小麥著床充實(shí)及種床保墑，播種完成后需對(duì)種帶進(jìn)行鎮(zhèn)壓。播種完成后幅寬內(nèi)種帶與覆秸帶交替布置，種帶鎮(zhèn)壓時(shí)需避免對(duì)覆秸帶上碎秸造成擾動(dòng)，因此設(shè)計(jì)為間段式鎮(zhèn)壓輪，即每條種帶對(duì)應(yīng)1個(gè)鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)，其外半徑為260 mm，寬度為240 mm，覆秸帶對(duì)應(yīng)的安裝軸半徑為80 mm，兩高度差180 mm。鎮(zhèn)壓裝置在進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)的同時(shí)為排肥、排種裝置提供動(dòng)力，為減少鎮(zhèn)壓輪滑移，在鎮(zhèn)壓輪上對(duì)稱(chēng)布置防滑釘。鎮(zhèn)壓裝置主要由鎮(zhèn)壓輪、安裝軸、刮土板和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖13所示。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

3.1.1試驗(yàn)條件

2018年10月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷稻麥輪作種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)土壤條件為含水率35%的壤土，前茬水稻品種為南粳9108，試驗(yàn)前采用半喂入收獲機(jī)進(jìn)行收獲，實(shí)測(cè)收獲后平均留茬高度大于400 mm，草谷總質(zhì)量均值2.4 kg/m，草谷比均值1.5，每公頃稻秸量均值為14 400 kg，試驗(yàn)用拖拉機(jī)采用常發(fā)1204型輪式拖拉機(jī)。

3.1.2試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)試方法

實(shí)現(xiàn)種秸分型、潔區(qū)播種的關(guān)鍵在于種帶清秸和碎秸條鋪的質(zhì)量，同時(shí)播種質(zhì)量是反映整機(jī)作業(yè)性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)種帶清秸及碎秸條鋪?zhàn)鳂I(yè)效果和播種質(zhì)量。由于目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的全秸硬茬地碎秸行間條鋪式小麥寬幅播種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 500—2002《秸稈還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》中的方法及規(guī)范，測(cè)試內(nèi)容主要包括碎秸合格率、種帶清秸率、種帶寬度變異系數(shù)、播種深度。

(1)碎秸合格率測(cè)試方法為：機(jī)具平穩(wěn)作業(yè)后，按對(duì)角線等間距法，在幅寬內(nèi)的5條覆秸帶隨機(jī)取10點(diǎn)，各點(diǎn)測(cè)試面積為200 mm×200 mm，分別收集各測(cè)試小區(qū)內(nèi)粉碎長(zhǎng)度不合格的碎秸并稱(chēng)量，計(jì)算公式為

(12)

式中C1——碎秸合格率，%

Ci——第i個(gè)覆秸帶測(cè)試區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度不合格碎秸質(zhì)量，g

C——作業(yè)前測(cè)試小區(qū)碎秸總質(zhì)量，g

(2)種帶清秸率測(cè)試方法為：以相同方法在4條種帶上取10個(gè)面積為200 mm×200 mm的測(cè)試小區(qū)，分別收集各測(cè)試小區(qū)內(nèi)全部秸稈并稱(chēng)量，計(jì)算公式為

(13)

式中C2——種帶清秸率，%

Cj——第j條種帶測(cè)試小區(qū)內(nèi)碎秸質(zhì)量，g

(3)種帶寬度變異系數(shù)指潔區(qū)種帶寬度與本寬幅播種農(nóng)藝模式要求播幅的離散程度。種帶寬度變異系數(shù)測(cè)試方法為：在各條種帶上取10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)的潔區(qū)寬度，各潔區(qū)種帶寬度一致性標(biāo)準(zhǔn)差S和變異系數(shù)ε的計(jì)算公式為

(14)

式中n——每條種帶上測(cè)試點(diǎn)數(shù)量，為保證準(zhǔn)確性，取n=10

m——測(cè)試種帶行數(shù)，按農(nóng)業(yè)技術(shù)測(cè)定要求，整機(jī)種帶行數(shù)小于6行，需全部測(cè)定，m=4

Dij——第j條種帶第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)種帶寬度測(cè)定值，mm

(4)播種深度合格率測(cè)試方法為：在4條種帶內(nèi)隨機(jī)按對(duì)角線等間距選取10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，覆土完成后，分別測(cè)量各試驗(yàn)點(diǎn)種子上的覆土厚度，播種深度合格率計(jì)算式為

(15)

式中η——播種深度合格率，%

xc——滿(mǎn)足播種深度要求的測(cè)試點(diǎn)數(shù)

Nc——總測(cè)試點(diǎn)數(shù)

3.2 性能試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為獲取最佳種秸分型作業(yè)質(zhì)量，在整機(jī)試驗(yàn)前設(shè)計(jì)性能試驗(yàn)，以獲取相關(guān)參數(shù)的最佳組合。以粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、徑向距離和作業(yè)速度為影響因素，選用L9(34) 正交表，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，各因素水平如表3所示，具體方案如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素與水平Tab.3 Factors and levels of experiment

僅選取上述指標(biāo)的種帶清秸率和種帶寬度變異系數(shù)為反映種秸分型作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試方法如3.1節(jié)所述，性能試驗(yàn)如圖14所示。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)法，兩指標(biāo)權(quán)重各占50%，綜合得分Y計(jì)算式為

Y=C2×100×50%+(1-ε)×100×50%

(16)

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。

由表4知，因素A、B、C的極差分別為2.15、

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Tab.4 Experiment design and response values

圖14 性能試驗(yàn)Fig.14 Performance test

1.23、1.66，各因素影響顯著性由大到小為A、C、B，根據(jù)極差分析，選取較優(yōu)因素組合為A2B2C3。

對(duì)因素組合A2B2C3進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)3次，取均值。試驗(yàn)結(jié)果為種帶清秸率92.97%，種帶寬度變異系數(shù)10.55%，綜合得分91.21。綜上所述，選取最佳因素組合為A2B2C3，即粉碎刀輥轉(zhuǎn)速2 200 r/min、徑向距離20 mm、作業(yè)速度0.8 m/s。

3.3 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)整機(jī)作業(yè)性能，在性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加掛后續(xù)種帶旋耕裝置、播種及鎮(zhèn)壓裝置，并匹配種帶旋耕正常作業(yè)所需轉(zhuǎn)速，即工作參數(shù)設(shè)為徑向距離20 mm、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速2 200 r/min、作業(yè)速度0.8 m/s、旋耕刀輥轉(zhuǎn)速300 r/min，進(jìn)行田間試驗(yàn)。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在作業(yè)幅寬內(nèi)稻秸被全部粉碎，并規(guī)整集覆于兩相鄰碎秸導(dǎo)流裝置間的覆秸帶，種帶內(nèi)基本無(wú)長(zhǎng)秸稈，未見(jiàn)開(kāi)溝器掛秸或雍土等問(wèn)題，機(jī)具通過(guò)性良好，作業(yè)穩(wěn)定，田間試驗(yàn)效果如圖15所示。根據(jù)3.1節(jié)所述試驗(yàn)方法測(cè)得全秸硬茬地碎秸行間集覆式小麥播種機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，作業(yè)后，碎秸長(zhǎng)度均值為110 mm，碎秸合格率均值為91.47%，種帶清秸率均值為92.58%，種帶寬度變異系數(shù)均值為10.91%，播種深度均值為41 mm，播種深度合格率均值為97.32%，符合該寬幅播種農(nóng)藝模式的相關(guān)要求，能夠滿(mǎn)足全秸硬茬地工況下種帶清秸、行間集秸的種秸分型要求和高質(zhì)順暢寬幅播麥需求。

圖15 田間播種機(jī)試驗(yàn)Fig.15 Field planter test

表5 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Experiment results of main performance indicators%

3.4 田間長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量對(duì)比

在江蘇省徐州市睢寧縣佳禾種業(yè)公司開(kāi)展實(shí)地播種，并運(yùn)用本研究所述作業(yè)模式與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)播種方式開(kāi)展機(jī)播對(duì)比試驗(yàn)，在相同田間管理?xiàng)l件下，進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)跟蹤及實(shí)地測(cè)產(chǎn)，平均播種量均為210 kg/hm2，麥種千粒質(zhì)量為49.9 g。

長(zhǎng)期跟蹤表明，隨著小麥植株的生長(zhǎng)，覆秸帶逐步被覆蓋，與常規(guī)播種方式的小麥長(zhǎng)勢(shì)相比，未出現(xiàn)明顯缺苗弱苗現(xiàn)象，不同時(shí)期小麥長(zhǎng)勢(shì)情況如圖16所示。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院專(zhuān)家測(cè)產(chǎn)的結(jié)果為，本研究所述播種示范田與常規(guī)機(jī)播示范田的基本苗數(shù)分別為364.45、364.02萬(wàn)株/hm2，產(chǎn)量分別為7 080、6 871 kg/hm2，考慮實(shí)際每公頃苗數(shù)差異，兩播種方式的產(chǎn)量基本相同，表明本研究所述播種方式滿(mǎn)足稻茬麥生產(chǎn)農(nóng)藝要求。

圖16 田間播種試驗(yàn)Fig.16 Field sowing test

4 結(jié)論

(1)基于種秸分型和潔區(qū)寬幅的播種思路，設(shè)計(jì)了一種全秸硬茬地碎秸行間集覆小麥播種機(jī)，設(shè)備可一次下田即完成種帶清秸、碎秸行間集覆的種秸分型作業(yè)和種帶整理、施肥播種、播后鎮(zhèn)壓等后續(xù)作業(yè)；較常規(guī)機(jī)播作業(yè)，下田次數(shù)少，省耗省時(shí)。

(2)通過(guò)理論分析確定了關(guān)鍵部件相關(guān)參數(shù)，通過(guò)田間作業(yè)順暢性試驗(yàn)確定了多排播種開(kāi)溝器的排列方式，通過(guò)性能試驗(yàn)確定最佳參數(shù)組合為粉碎刀輥轉(zhuǎn)速2 200 r/min、徑向距離20 mm、作業(yè)速度0.8 m/s。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，全秸硬茬地碎秸行間集覆小麥播種機(jī)作業(yè)后的碎秸平均長(zhǎng)度110 mm，平均碎秸合格率91.47%，平均種帶清秸率92.58%，平均種帶寬度變異系數(shù)10.91%，播種深度均值41 mm，平均播種深度合格率97.32%，符合稻茬麥生產(chǎn)農(nóng)藝要求。