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        東北水稻旱直播施肥一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

        2022-01-20 09:10:08張成亮
        農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:種器開溝覆土

        崔 波,張成亮

        (哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150029)

        0 引 言

        東北是我國(guó)最重要的商品糧基地,是我國(guó)的大糧倉,擔(dān)負(fù)著國(guó)家糧食安全的重任[1]。傳統(tǒng)的水稻種植方式已經(jīng)嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。水稻直播是將稻種直接播入大田的一種稻作方式,無需育秧、拔秧、移栽等程序,具有省工、省力、省秧田等優(yōu)點(diǎn),是一種輕型、簡(jiǎn)化的低成本稻作新技術(shù)[2]。實(shí)際生產(chǎn)中水稻種植機(jī)械化程度較低,生產(chǎn)成本較高,而且農(nóng)業(yè)用水消耗量大且效率較低[3]。 我國(guó)旱直播種植技術(shù)近些年來發(fā)展迅速,遼寧和黑龍江都在推廣種植,市場(chǎng)上也出現(xiàn)了很多旱稻種子,相關(guān)配套機(jī)械也逐漸出現(xiàn)[4]。隨著我國(guó)農(nóng)機(jī)技術(shù)水平的提高,農(nóng)機(jī)形式的多樣化,已經(jīng)出現(xiàn)各種不同類型的水稻直播機(jī)械。這些旱直播機(jī)多數(shù)不適應(yīng)東北地區(qū)水稻旱直播需要,播種精量少,成穴率低,覆土效果較差,影響了作業(yè)效果[5]。本文研制一臺(tái)集旋耕、施肥、開溝、覆土、鎮(zhèn)壓、播種于一體的新型水稻旱直播機(jī),以突破東北地區(qū)水稻旱直播技術(shù)推廣的瓶頸。

        1 水稻直播機(jī)的總體設(shè)計(jì)

        1.1 水稻旱直播機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求

        根據(jù)東北地區(qū)水稻種植生產(chǎn)實(shí)際情況和土壤特性,研制的水稻旱直播機(jī)應(yīng)該滿足以下技術(shù)要求:旋耕整地效果好,保證播種需要;排種排肥順暢、不漏播,排種均勻、覆土均勻、平整度好;鎮(zhèn)壓效果好,能夠壓實(shí)覆土、確保后期出苗率、開溝整齊、保證種子播種深度一致。

        1.2 水稻旱直播機(jī)的工作原理

        該機(jī)設(shè)計(jì)工作幅寬3 660 mm,采用12 行條播的形式,對(duì)排種器、開溝器、鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì),配套采用110.25 kW 以上拖拉機(jī)。直播機(jī)旋耕裝置的動(dòng)力由拖拉機(jī)通過傳動(dòng)軸輸送,機(jī)具最前端的旋耕裝置對(duì)土壤進(jìn)行碎化,保證播種對(duì)土壤的要求。該直播機(jī)的施肥裝置與旋耕裝置相連, 施肥裝置動(dòng)力來源于地輪轉(zhuǎn)動(dòng),地輪帶動(dòng)鏈輪,通過鏈輪將動(dòng)力傳給施肥裝置。施肥裝置主要由施肥開溝器、肥箱、肥管、排肥盒組成。左右兩邊肥箱通過聯(lián)軸器連接,同時(shí)又分前后兩排肥箱。第一排實(shí)現(xiàn)深施肥,采用外槽輪式排肥器;第二排實(shí)現(xiàn)側(cè)施肥,分別播撒不同成分的肥料。其工作過程是,施肥開溝器分別開出蓄水廂溝和施肥溝,肥料進(jìn)入排肥管落入施肥溝溝底,由拖板刮土將施肥溝覆蓋[6]。直播機(jī)的開溝裝置可以根據(jù)不同的開溝需要調(diào)節(jié)整體高度調(diào)節(jié)開溝深淺。直播機(jī)鎮(zhèn)壓裝置分為兩部分:第一部分為啞鈴狀鎮(zhèn)壓器,位于施肥裝置與排種裝置中間,可在旋耕施肥后的土壤上壓出一條溝,起壓實(shí)土壤的作用,播種時(shí)使種子均勻地落入溝內(nèi);第二部分為橡膠鎮(zhèn)壓輪,壓后地表產(chǎn)生的鱗片狀裂紋較少,特別適合水稻旱直播,該鎮(zhèn)壓裝置位于機(jī)器的最后方與機(jī)架連接。

        1.3 水稻旱直播機(jī)的總體布置和結(jié)構(gòu)組成

        該直播機(jī)主要由旋耕裝置、開溝裝置、排種裝置、施肥裝置、鎮(zhèn)壓裝置組成。旋耕裝置在最前端,接著是施肥裝置,然后是排種裝置,最后是覆土鎮(zhèn)壓。水稻旱直播機(jī)整機(jī)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)功能全面、布局合理。相比于市場(chǎng)上出現(xiàn)的水稻旱直播機(jī),該機(jī)型采用兩次施肥結(jié)構(gòu),能夠保證種苗生長(zhǎng)需要。加入液壓裝置進(jìn)行升降控制,操作方便。壓溝裝置深淺可調(diào),應(yīng)用范圍廣。

        圖1 水稻旱直播整機(jī)

        1.4 水稻旱直播機(jī)性能參數(shù)

        該機(jī)具采用寬窄行條播的播種形式,共12 行。配套動(dòng)力110.25 kW 以上,具體性能參數(shù)如表1 所示。

        表1 水稻旱直播機(jī)性能參數(shù)

        2 水稻旱直播機(jī)各部件設(shè)計(jì)

        該水稻旱直播機(jī)主要由牽引架、液壓裝置、開溝裝置、排種裝置、施肥裝置、覆土裝置組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 水稻旱直播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        2.1 旱直播機(jī)播種壓溝器的設(shè)計(jì)

        該播種壓溝器通過一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)連接到機(jī)架橫梁上,其原理是壓輥駛過,形成兩條溝。由于壓輥質(zhì)量大,能夠?qū)⑶岸耸┓屎蟮母餐翂簩?shí),降低土壤空隙,減少水分蒸發(fā),所以該壓輥起到鎮(zhèn)壓和開溝的作用。每條溝的寬度是50 mm,兩條溝間距是200 mm,壓溝深度為50 mm,結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

        圖3 播種壓溝器結(jié)構(gòu)

        2.2 旱直播機(jī)施肥開溝器的設(shè)計(jì)

        開溝器的作用主要是在作業(yè)時(shí)開出種溝或排肥溝,引導(dǎo)肥料和種子進(jìn)入種溝內(nèi),并使土壤覆蓋肥料和種子。要求開溝器開出的溝深淺一致,深度能夠根據(jù)農(nóng)藝需要調(diào)節(jié);同時(shí),應(yīng)有一定的回土作用,還應(yīng)具有良好的入土能力和切土能力;工作穩(wěn)定,不容易堵塞等。根據(jù)開溝器的入土角不同分為銳角和鈍角兩種,常用的為銳角開溝器。根據(jù)需要本文選擇的開溝器如圖4 所示。

        圖4 施肥開溝器設(shè)計(jì)

        2.3 旱直播機(jī)種肥箱的設(shè)計(jì)

        由于該機(jī)施兩次肥,所以采用雙排肥箱。肥箱的容積是由工作行程、播撒量、工作幅寬等決定的。通常情況下,在作業(yè)時(shí)不宜將箱內(nèi)種子或肥料全部播完,箱內(nèi)種子或肥料較少時(shí)排肥能力會(huì)降低,從而影響排種或排肥性能流暢性,影響效果。所以應(yīng)該至少留有10 %的余量。根據(jù)公式和實(shí)際要求,最終確定機(jī)長(zhǎng)為1 600 mm、總寬為800 mm、深度為600 mm。

        2.4 旱直播機(jī)旋耕裝置的設(shè)計(jì)

        根據(jù)水稻旱直播農(nóng)藝的要求,采用在旋耕刀軸焊接刀庫進(jìn)而將刀具固定于刀庫內(nèi)的旋耕裝置。旋耕刀軸采用外徑為75 mm 的無縫鋼管,每組的兩把旋耕刀成180°分布。本文旋耕刀具用彎刀,型號(hào)為T245,該型號(hào)的旋耕刀使用最為廣泛,旋耕效果好。

        2.5 旱直播機(jī)排種器的設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)選用的外槽輪式排種器,具有通用性好、播量穩(wěn)定、播量調(diào)節(jié)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[7]。因?yàn)槠洳圯喢哭D(zhuǎn)排量穩(wěn)定,能適用于大、中、小型的谷物、牧草、豆類及蔬菜種子的播種,廣泛應(yīng)用于谷物條播機(jī),符合應(yīng)設(shè)計(jì)要求。排種器工作時(shí),由于外槽輪結(jié)構(gòu)原因,排種過程不連續(xù),有脈動(dòng)現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致排種不均勻,不符合谷物種子在行內(nèi)連續(xù)播種的要求。所以,在排種器設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下措施:將排種器的排種舌做成斜線狀,將排種器的直槽改為螺旋槽。外槽輪排種器在排種時(shí),種子靠重力充滿槽輪凹槽,并被轉(zhuǎn)動(dòng)的槽輪強(qiáng)制排種,被強(qiáng)制帶出的種子從排種舌上掉入輸種管,然后排入種溝。

        2.6 旱直播機(jī)鎮(zhèn)壓器的設(shè)計(jì)

        播種后鎮(zhèn)壓是該直播機(jī)工作比較關(guān)鍵的步驟。通過有效鎮(zhèn)壓可降低土壤孔隙,減少水分流失,為種子生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜環(huán)境,保證種子能發(fā)芽生長(zhǎng)。這對(duì)干旱地區(qū)的作物種植尤為重要。本設(shè)計(jì)采用窄型橡膠鎮(zhèn)壓器,其連接方式是對(duì)著開溝器安裝在機(jī)架后梁的后方。為了在結(jié)構(gòu)上更合理,緊鄰的兩行采用前后交替安裝。該鎮(zhèn)壓器適用于谷物條播機(jī),鎮(zhèn)壓器的兩個(gè)橡膠輪向前行駛時(shí)相互擠壓,能夠?qū)⒎N子完全覆蓋,覆土的同時(shí)又能壓實(shí)土壤。

        2.7 旱直播機(jī)地輪的設(shè)計(jì)

        該機(jī)具設(shè)計(jì)兩個(gè)地輪,在機(jī)架兩側(cè)對(duì)稱分布。它們是排種器和排肥器的動(dòng)力供給,地輪設(shè)計(jì)應(yīng)減少附著力,減少打滑現(xiàn)象的發(fā)生。本文根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)計(jì)要求采用直徑為45 mm 的地輪。

        3 旱直播機(jī)田間試驗(yàn)

        對(duì)本文設(shè)計(jì)制作的旱直播機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn),在氣候因素、地表濕度、地表平整度、清潔度、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率符合試驗(yàn)要求的前提下,檢驗(yàn)機(jī)具整體配置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的各種設(shè)備和材料,測(cè)定旋耕裝置碎土率、開溝深度和覆土厚度,測(cè)定排種性能、播種深度、鎮(zhèn)壓效果。試驗(yàn)時(shí)行走速度為0.8 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速為300 r/min,耕深為10 cm。碎土率測(cè)定:通過試驗(yàn)計(jì)算得最終碎土率為89.3 %,表明旋耕效果滿足要求。開溝深度測(cè)定:設(shè)計(jì)的開溝器通過反復(fù)調(diào)試,可達(dá)到農(nóng)藝需求。排種均勻性測(cè)定:選擇2 m 的種帶,將種帶分成10 段,檢測(cè)每段內(nèi)排落的種子數(shù),轉(zhuǎn)動(dòng)地輪,通過地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)排種器,最終測(cè)定符合要求。排種器傷種率測(cè)定:隨機(jī)選取5 個(gè)排種器,轉(zhuǎn)動(dòng)地輪,把從這5 個(gè)排種器排出的五份種子進(jìn)行稱重,再從這些種子中挑選出破損的種子合并稱重,計(jì)算破損種子質(zhì)量占總質(zhì)量之比,重復(fù)5 次,取算術(shù)平均值,最終得出傷種率為0.65%,符合設(shè)計(jì)要求。各行排肥一致性測(cè)定:機(jī)具行駛過程中,將每行排出的肥料進(jìn)行稱重,其中測(cè)定行數(shù)為12 行,反復(fù)測(cè)定5 次,最后計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

        該直播機(jī)完成一段作業(yè)后,用鐵鏟挖開播種后的覆土,測(cè)量種子與地表之間的垂直距離。在一條種床上分別選取5 個(gè)相距5 m 的地方作為測(cè)試區(qū),該測(cè)試區(qū)內(nèi),平行選取10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該水稻旱直播機(jī)的平均播種深度為1.4 cm,滿足水稻播種深度1~2 cm 的要求;經(jīng)過計(jì)算播種深度合格率為87 %,符合農(nóng)學(xué)農(nóng)藝要求。在鎮(zhèn)壓效果方面:水稻播種后鎮(zhèn)壓效果好能夠提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境,且播種后有效地鎮(zhèn)壓能保證農(nóng)作物有較好的出苗率。通過測(cè)定該裝置的鎮(zhèn)壓器工作時(shí)不粘土、不壅土、地表不產(chǎn)生鱗狀裂紋。

        4 結(jié) 語

        在了解國(guó)內(nèi)外水稻旱直播機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,為重點(diǎn)解決現(xiàn)有機(jī)型存在的缺點(diǎn),并結(jié)合東北地區(qū)氣候和土壤環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制。對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型。對(duì)旋耕刀、排種器、液壓油缸、鎮(zhèn)壓器等進(jìn)行選型。對(duì)開溝器,壓溝器、排種(肥)箱等進(jìn)行設(shè)計(jì)。樣機(jī)制造完成并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。測(cè)定了旋耕、開溝、排種、排肥、鎮(zhèn)壓等相關(guān)性能,經(jīng)過測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,能夠滿足作業(yè)需要。該機(jī)具的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)是:首次針對(duì)我國(guó)北方寒地水稻旱直播機(jī)械化種植進(jìn)行系統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)及機(jī)具的研發(fā)。該機(jī)具一次作業(yè)可同時(shí)完成旋耕、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等作業(yè),能夠?yàn)檫m時(shí)播種提供保證,是農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相結(jié)合的技術(shù),順應(yīng)了水稻旱直播機(jī)械化發(fā)展的需要。

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