彭強(qiáng)吉,位國(guó)建,薦世春,張寧寧

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院,濟(jì)南 250100)

0 引言

作物秸稈含有大量有機(jī)質(zhì)和植物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀及其它微量元素[1-2],秸稈還田能夠?qū)⑶安缱魑锝斩挿鬯殇伻鲈诘乇砩?防止地表裸露,提高土壤抗水蝕和風(fēng)蝕的能力[3-6]。連續(xù)的秸稈還田可以改變土壤物理結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)質(zhì)等,從而改善土壤水分運(yùn)動(dòng)特性、提高土壤肥力,是保護(hù)性耕作的重要組成部分,也是保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,并獲得生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)[7-9]。但是,秸稈還田后秸稈量的增加常擁堵玉米播種機(jī)或其他播種機(jī)械,碎稈與土壤的混雜減弱了鎮(zhèn)壓效果,堵塞排種的同時(shí)造成播深不一致、出苗不整齊、缺苗斷壟,嚴(yán)重影響了玉米播種質(zhì)量,對(duì)玉米單產(chǎn)帶來(lái)影響[10-11]。這嚴(yán)重影響了秸稈還田技術(shù)的推廣,農(nóng)民在小麥?zhǔn)斋@后焚燒麥茬和秸稈現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

針對(duì)上述情況,本文研制了一種苗帶清茬施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī),能夠在小麥?zhǔn)斋@后較高的麥茬和秸稈覆蓋的田間清理出一條帶狀播種區(qū),同時(shí)在苗帶上進(jìn)行免耕施肥及播種作業(yè)。該機(jī)有效地解決了秸稈還田后的弊端,除播種施肥外不再進(jìn)行翻耕,為播種營(yíng)造良好的苗床,達(dá)到保護(hù)性耕作的目的,實(shí)現(xiàn)了秸稈還田與保護(hù)性耕作雙重效益。

1 結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)

苗帶清茬施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由機(jī)架、清茬系統(tǒng)、三點(diǎn)懸掛、肥箱、排肥器、種箱、仿行彈簧、種肥動(dòng)力系統(tǒng)、鎮(zhèn)壓輪、覆土器、排種管、排種器、排種開(kāi)溝器、排肥管及排肥開(kāi)溝器等組成。主視圖如圖1所示,俯視圖如圖2所示。

1.2 工作原理

整機(jī)以機(jī)架為基準(zhǔn),清茬系統(tǒng)位于機(jī)架上部前端位置,完成苗帶清茬作業(yè);三點(diǎn)懸掛位于機(jī)架前端上部,完成與拖拉機(jī)等動(dòng)力設(shè)備掛接;肥箱位于機(jī)架上部后端位置,主要用來(lái)儲(chǔ)存肥料;排肥器位于肥箱底部,通過(guò)排肥管與安裝在機(jī)架中間下部的排肥開(kāi)溝器連接完成排肥作業(yè);種箱位于機(jī)架后端,通過(guò)螺栓固定在排種器上部,用于種子存儲(chǔ),其下端通過(guò)排種管連接排種器,作業(yè)過(guò)程中種子落入排種開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi),在覆土器的作用下完成播種作業(yè);鎮(zhèn)壓輪位于機(jī)架后部,在仿行彈簧的作業(yè)下完成對(duì)播種后地表適度鎮(zhèn)壓,同時(shí)將動(dòng)力傳遞給種肥動(dòng)力系統(tǒng)。

作業(yè)過(guò)程中,整機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)掛接,拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳遞到清茬系統(tǒng),清茬系統(tǒng)完成苗帶清茬作業(yè)。鎮(zhèn)壓輪通過(guò)與地面接觸產(chǎn)生動(dòng)力,通過(guò)鏈輪將動(dòng)力傳遞到排種器和排肥器,在苗帶上面完成施肥播種聯(lián)合作業(yè),再通過(guò)覆土器、鎮(zhèn)壓裝置完成鎮(zhèn)壓作業(yè)。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)構(gòu)形式:全懸掛

工作寬幅/mm:2 200

工作行數(shù)/行:4

工作行距/mm:600

苗帶清茬寬度/mm:270

作業(yè)速度/km·h-1:5～7

配套動(dòng)力/kW:≥60

工作效率/hm2·h-1:1.5～2

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)

機(jī)架主要由前端橫梁、連接護(hù)板、上懸掛板、后部拉板、后固定板、掛接上橫梁、掛接下橫梁、中間橫梁、清茬裝置安裝板、下懸掛板及懸掛支撐板等組成,如圖3所示。機(jī)架結(jié)構(gòu)由前端橫梁、掛接上橫梁、掛接下橫梁及中間橫梁成間隔定距離與連接護(hù)板焊合在一起,構(gòu)成基本框架。清查裝置安裝板成等距離焊合在前端橫梁和中間橫梁上面,兩板之間的距離等同玉米播種時(shí)的行距,安裝板上部開(kāi)有安裝清茬裝置的安裝孔。上懸掛板、下懸掛板及懸掛支撐板兩兩焊合,構(gòu)成三點(diǎn)懸掛裝置。為增加穩(wěn)定性及緊固性,通過(guò)螺栓配合將上懸掛板、后部拉板及后固定板連接到一起。

1.前端橫梁 2.連接護(hù)板 3.上懸掛板 4.后部拉板 5.后固定板 6.掛接上橫梁 7.掛接下橫梁 8.中間橫梁 9.清茬裝置安裝板 10.下懸掛板 11.懸掛支撐板

2.2 清茬動(dòng)力輸入裝置

清茬動(dòng)力輸入裝置主要由安裝立板、動(dòng)力分配箱、加強(qiáng)筋及中間固定板等組成,如圖4所示。安裝立板焊合在中間固定板的上部前端,通過(guò)加強(qiáng)筋將兩者牢固地焊合在一起,動(dòng)力分配箱通過(guò)螺栓固定在立板上。拖拉機(jī)動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力垂直輸入,動(dòng)力分配箱將動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较蜉敵?作業(yè)時(shí)通過(guò)六方軸分配到清茬裝置。

1.安裝立板 2.動(dòng)力分配箱 3.加強(qiáng)筋 4.中間固定板

2.3 清茬裝置

清茬裝置主要由動(dòng)力齒輪箱、軸滾筒、動(dòng)力輸出軸、清雜組件、刀盤(pán)軸、清茬刀及刀盤(pán)等組成,如圖5所示。清茬裝置以動(dòng)力齒輪箱為基礎(chǔ),軸筒與齒輪箱固定在一起,軸筒側(cè)邊焊合后懸掛板;刀盤(pán)軸為內(nèi)六方軸結(jié)構(gòu),與動(dòng)力輸出軸配合,通過(guò)螺栓固定在一起。刀盤(pán)軸下部與刀盤(pán)焊合在一起,刀盤(pán)軸上均布的螺栓孔與清茬刀螺栓孔對(duì)應(yīng),通過(guò)螺栓固定在一起。作業(yè)過(guò)程中,六方軸將動(dòng)力傳遞到齒輪箱,輸出軸將動(dòng)力傳遞到刀盤(pán),帶動(dòng)清茬刀做高速轉(zhuǎn)動(dòng),完成表層小麥秸稈的清茬作業(yè)。

其中,清茬刀呈圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu),圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)沿周向設(shè)置多個(gè)弧形齒刀。清茬刀為65Mn材料鋼板經(jīng)激光切割而成,厚度為5mm,在順時(shí)針?lè)较蜓鼗∶骈_(kāi)刃。

1.動(dòng)力齒輪箱 2.軸筒 3.動(dòng)力輸出軸 4.清雜組件 5.刀盤(pán)軸 6.清茬刀 7.刀盤(pán)

清雜組件主要由U型固定板、加強(qiáng)筋、矩形管支撐、清理板、托板及折板等組成,如圖6所示。U型固定板為該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),通過(guò)8mm厚鋼板鈑金折彎而成,底部一側(cè)開(kāi)有1對(duì)螺栓孔,靠近中心位置開(kāi)有矩形孔;矩形管上端穿過(guò)U型固定板定位后焊合,一側(cè)的加強(qiáng)筋與兩者焊合,增加穩(wěn)定性;同時(shí),矩形管支撐下端焊合有托板,成V型結(jié)構(gòu)的清理板下端坐落在托板上,與矩形管支撐成對(duì)稱焊合。清雜組件通過(guò)U型固定板與清茬裝置固定在一起,作業(yè)過(guò)程中將清茬刀清掉的秸稈推到兩側(cè),清理出干凈的苗帶。

1.U型固定板 2.加強(qiáng)筋 3.矩形管支撐 4.清理板 5.托板 6.折板

2.4 傳動(dòng)方案布置

玉米苗帶清茬施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)由兩部分組成,清茬裝置動(dòng)力由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng),動(dòng)力由動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給減速箱,減速箱通過(guò)側(cè)邊輸出軸將動(dòng)力傳動(dòng)傳遞到苗帶清茬刀軸。傳動(dòng)路線如圖7所示。

圖7 苗帶清茬傳動(dòng)示意圖

玉米苗帶清茬施肥播種機(jī)施肥、播種作業(yè)動(dòng)力由鎮(zhèn)壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)鏈傳動(dòng)提供,傳動(dòng)路線如圖8所示。后部鎮(zhèn)壓輪在隨機(jī)器前進(jìn)過(guò)程中,受到地面阻力反作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)串聯(lián)在軸上的三聯(lián)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng);三聯(lián)鏈輪中,一個(gè)鏈輪帶動(dòng)播種器鏈輪,完成播種作業(yè),另一鏈輪帶動(dòng)二聯(lián)鏈輪再帶動(dòng)排肥鏈輪,完成排肥作業(yè)。

圖8 施肥播種傳動(dòng)示意圖

3 性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

3.1.1 試驗(yàn)地情況

2018年6月12日,在山東省濟(jì)南市章丘區(qū)山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試驗(yàn)示范基地,進(jìn)行了玉米苗帶清茬施肥播種田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)地為小麥?zhǔn)斋@機(jī)收獲后的麥茬地,留茬高度平均為21cm,土壤類型為壤土,供試小區(qū)地表較為平整。

3.1.2 試驗(yàn)儀器

米尺(0～2 m),卷尺(0～50 m),數(shù)碼相機(jī),秒表,小鐵鍬。配套動(dòng)力選用福田雷沃歐豹TA704拖拉機(jī),要求拖拉機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好,駕駛員駕駛技術(shù)熟練,并了解玉米苗帶清茬施肥播種聯(lián)合做業(yè)機(jī)的使用與要求。聯(lián)合作業(yè)機(jī)具要求結(jié)構(gòu)完整,各連接件牢固,動(dòng)力傳遞可靠安全,工作狀態(tài)良好。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)測(cè)試區(qū),每個(gè)面積 220 m2( 2.28 m ×100 m),每個(gè)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)為100 m,在地頭和地尾處分別留出20 m的調(diào)頭預(yù)備區(qū)。在每個(gè)測(cè)試區(qū)隨機(jī)選取6個(gè)取樣小區(qū),小區(qū)長(zhǎng)度為3 m,按試驗(yàn)要求記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20865-2007《免耕施肥播種機(jī)》[12]規(guī)定的方法和國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1628-2008《玉米免耕播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[13]。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容及評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)內(nèi)容:驗(yàn)證樣機(jī)各部分可靠性和工作情況;測(cè)定玉米播種深度、施肥深度、株距合格率,發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題以便改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1)播種(施肥)合格率:試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)合格數(shù)占總數(shù)的比值,即

(1)

其中,HL為播種(施肥)深度合格率;HH為播種(施肥)深度合格點(diǎn)數(shù);HZ為測(cè)定總點(diǎn)數(shù)。

2)粒距合格率:試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)合格粒距個(gè)數(shù)(合格粒距是指與設(shè)計(jì)的理論粒距比較)與測(cè)定的總粒距數(shù)的比值,即

(2)

其中,J1為合格粒距數(shù)(個(gè));J0為測(cè)定粒距總數(shù)(個(gè))。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

整機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)秸稈擁堵現(xiàn)象,通過(guò)性良好。由表1可知:玉米播種施肥深度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,合格率分別達(dá)到了92.3%、94.3%,粒距合格率達(dá)到了93.0%。

項(xiàng)目組于2018年6月29日對(duì)試驗(yàn)后玉米出苗情況進(jìn)行了出苗率測(cè)定,出苗率超過(guò)96%,出苗整齊,無(wú)缺苗斷壟現(xiàn)象,滿足農(nóng)藝要求。

表1 性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)

5 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明:提出的在收獲后秸稈覆蓋的田間清理出一條帶狀播種區(qū),然后在苗帶上進(jìn)行免耕施肥、播種作業(yè)的苗帶清茬方案切實(shí)可行,為苗帶清茬播種施肥機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2)田間性能試驗(yàn)表明:播種機(jī)通過(guò)性能良好,播種及施肥深度合格率分別達(dá)到了92.3%、94.3%,粒距合格率達(dá)到了93.0%,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,出苗整齊,無(wú)缺苗斷壟現(xiàn)象。

3)玉米苗帶清茬施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)能一次性完成苗帶清茬、施肥、播種和鎮(zhèn)壓等作業(yè),作業(yè)質(zhì)量及效率大大提高,必將促進(jìn)保護(hù)性耕作技術(shù)的推廣應(yīng)用。