王樹東，鄢雄磊，李問盈，王憲良，魏忠彩，王 浩

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

國內(nèi)旱地種植區(qū)降雨少而蒸發(fā)量大，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低。農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)往往會對土壤造成不同程度的壓實(shí)破壞，土壤板結(jié)影響作物后續(xù)生長，甚至?xí)?dǎo)致作物減產(chǎn)[1-2]。將保護(hù)性耕作技術(shù)與固定道技術(shù)相結(jié)合可充分發(fā)揮兩者的正效益[3-4]，有利于避免土壤壓實(shí)帶來的負(fù)面影響。隨著土地流轉(zhuǎn)的進(jìn)行,現(xiàn)階段應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的播種機(jī)幅寬較小[5-8]，尚無法滿足現(xiàn)實(shí)的作業(yè)需求[9]。

目前，在國內(nèi)小麥玉米一年兩熟輪作區(qū)還存在種床覆蓋大量秸稈影響作物出苗等問題，且現(xiàn)有的清茬播種機(jī)播后種床秸稈殘留率高[10]、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[11]。為充分發(fā)揮保護(hù)性耕作技術(shù)與固定道技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢，研制了一種固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)，利用種管的熱彎段實(shí)現(xiàn)種管的仿形限深作用。整機(jī)簡單緊湊，可靠性好；破茬開溝裝置可實(shí)現(xiàn)對部分秸稈的砍切分段，并將覆蓋在壟溝上的秸稈分?jǐn)n至壟背，從而形成清潔的種床，以確保較高的出苗率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

研制的固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)主要由種肥箱、變速箱、機(jī)架、破茬開溝裝置、播種單體、行走機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓輪總成等組成，如圖1所示。

1.種肥箱 2.變速箱 3.機(jī)架 4.破茬開溝裝置 5.施肥播種單體 6.行走機(jī)構(gòu) 7.鎮(zhèn)壓輪總成圖1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure of the planter

1.2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

田間作業(yè)時(shí)，機(jī)具質(zhì)量主要由鎮(zhèn)壓輪總成承擔(dān)。拖拉機(jī)行走在固定道上，三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)處于浮動狀態(tài)。拖拉機(jī)的后置輸出軸傳遞動力至播種機(jī)變速箱，再由變速箱帶動兩側(cè)的破茬開溝裝置旋轉(zhuǎn)；破茬開溝裝置上安裝的梯形刀對種床上的秸稈等進(jìn)行砍切，防止其堵塞在開溝器前方，并將秸稈拋撒至壟背，實(shí)現(xiàn)種床秸稈的清理。施肥播種單體開出一條肥溝并在兩側(cè)各播種一行小麥。鎮(zhèn)壓輪總成可對種床進(jìn)行鎮(zhèn)壓，形成良好的溝形；同時(shí)，鎮(zhèn)壓輪也作為地輪使用，驅(qū)動排種排肥器；最后，鎮(zhèn)壓輪可對大部分被向后拋起的秸稈進(jìn)行運(yùn)動干涉，阻止秸稈向壟溝運(yùn)動并使其掉落至壟背，降低了種床秸稈殘留率。

非田間作業(yè)時(shí)，機(jī)具質(zhì)量主要由行走機(jī)構(gòu)承擔(dān)，液壓缸驅(qū)動行走輪遠(yuǎn)離機(jī)架而向下運(yùn)動，行走輪觸地后機(jī)具受到液壓缸的反作用而向上運(yùn)動，使機(jī)架等遠(yuǎn)離地面。固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 The technical parameters of the controlled traffic no-tillage wheat wide planter

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 施肥播種單體

施肥播種單體主要由施肥鏟、限位螺栓、左種管、右種管、上仿形連桿、拉簧、鉸接螺栓和下仿形連桿等組成，如圖2所示。

1.鋼帶 2.施肥鏟 3.限位螺栓 4.前接板 5.上仿形連桿 6.左種管 7.右種管 8.拉簧 9.后接板 10.鉸接螺栓 11.下仿形連桿 12.擋草板圖2 施肥播種單體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The structure of the fertilizer and sower unit

施肥鏟依靠U型卡固定在中間橫梁上，施肥鏟前端焊接的鋼帶與刀軸軸線的距離小于刀尖的回轉(zhuǎn)半徑，與刀片形成動定刀組合，可清除施肥鏟鏟柄前堵塞的秸稈。施肥鏟的后端焊接有4mm厚的前接板，前后接板上各布置有1個(gè)限位螺栓，用以限制連桿的擺角。連桿材料選用截面為40mm×30mm的方管，并利用前后接板對連桿進(jìn)行橫向限位，保證種管的橫向穩(wěn)定性。

四連桿形成的空間相對封閉，掛草風(fēng)險(xiǎn)較低。彈簧依靠上、下仿形連桿內(nèi)側(cè)的系列小孔實(shí)現(xiàn)彈簧拉力的多級調(diào)節(jié)。在種管的熱彎段前方設(shè)有擋草板，防止土壤和秸稈在該處堵塞。另外，兩根熱彎鋼管構(gòu)成左右種管，鋼管的下段采用熱彎工藝處理，彎曲的外表面在鋼管重力和彈簧壓力的作用下可以保證田間作業(yè)時(shí)順滑地緊貼于地表，不會深陷土壤中，可實(shí)現(xiàn)同位仿形的功能。

2.2 破茬開溝裝置

破茬開溝裝置的核心零件為砍切刀片，可將秸稈切斷并拋撒。秸稈受力分析如圖3所示。

圖3 秸稈受力分析Fig.3 Force analysis of the stalk

由圖3得

Fp1=Fp·cosγ

(1)

Fp2=Fp·sinγ

(2)

式中Fp—側(cè)刃對秸稈的支持力 (N)；

Fp1—Fp的水平分力 (N)；

γ—刀片折角 (°)；

Fp2—Fp的豎直分力 (N)；

Fk—秸稈砍切力 (N)。

在破茬和開溝階段，秸稈砍切力Fk發(fā)揮著主要作用；在秸稈拋撒階段，秸稈砍切力Fk及側(cè)刃對秸稈的支持力Fp的水平分力Fp1主要提供秸稈向后及向上運(yùn)動的力，是實(shí)現(xiàn)秸稈拋撒的重要作用力；側(cè)刃對秸稈的支持力Fp的豎直分力Fp2提供分草的作用力，即秸稈向壟背運(yùn)動的橫向力，是完成種床清理的關(guān)鍵作用力。

破茬開溝裝置具有滅茬、開溝和秸稈拋撒的功能，主要由刀片、刀盤、刀軸和防纏帶等組成，如圖4所示。

1.刀片 2.刀盤 3.刀軸 4.防纏帶圖4 破茬開溝裝置Fig.4 The Stubble breaking ditching device

由于固定道上不耕作，故該部分未設(shè)置刀盤。為降低單軸的軸向力，單軸上以6°等分角向左和向右安裝的刀片相繼入土；為降低機(jī)具的側(cè)向力，左右兩軸上的刀片接近對稱安裝；為使刀軸周向受力均勻，同一刀盤上的6把刀片均布安裝；為增強(qiáng)刀軸的強(qiáng)度和剛度，減少刀軸的跳動以及機(jī)具的震動，防止免耕作業(yè)時(shí)秸稈雜草等纏繞在刀軸上，在相鄰兩刀盤之間對稱焊接2條防纏帶。相鄰且成對的兩刀盤(見圖5刀盤A和a)合力開出一條壟溝，形成窄行種帶。

圖5 左側(cè)破茬開溝裝置的刀片排布Fig.5 The arrangement of blades on the left stubble breaking ditching device

由于整機(jī)的幅寬較大，若采用側(cè)傳動則要求刀軸具有較高的強(qiáng)度和剛度，為此采用中間傳動的方式，以降低刀軸的軸徑要求和徑向跳動。左側(cè)破茬開溝裝置的刀片排布如圖5所示。右側(cè)破茬開溝裝置的刀片先與左側(cè)對稱排布，再錯(cuò)開1/2個(gè)等分角安裝，最終120把刀片以3°相位差相繼入土，削弱整機(jī)的偏轉(zhuǎn)力矩和功耗，提高縱向行駛穩(wěn)定性。

2.3 行走機(jī)構(gòu)

考慮到拖拉機(jī)的提升能力有限，機(jī)具需采用半懸掛的作業(yè)方式。為此，設(shè)計(jì)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)控制行走輪和機(jī)架的相對運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)機(jī)架的下降和提升。行走機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)處于固定道正上方，行走輪與拖拉機(jī)后輪的輪距等寬。行走機(jī)構(gòu)與機(jī)架的連接主要是通過焊接在前梁上的接板，以及焊接在中間橫梁和后梁之間的支撐板實(shí)現(xiàn)。

行走機(jī)構(gòu)的動力傳遞路線是：拖拉機(jī)后置液壓接口—液壓油管—液壓油缸—行走輪臂—行走輪。田間作業(yè)時(shí)，行走輪在液壓油缸的帶動作用下向上運(yùn)動至上止點(diǎn)(如圖6實(shí)線所示)，此時(shí)鎮(zhèn)壓輪觸地，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)架的下降。

1.行走輪臂 2.接板 3.前橫梁 4.拉筋 5.中間橫梁 6.支撐板 7.液壓油缸 8.后梁 9.行走輪圖6 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 The structure of the walking mechanism

當(dāng)機(jī)具在地頭或者道路上運(yùn)輸時(shí)，行走輪會在液壓油缸的帶動下向下運(yùn)動至下止點(diǎn)(如圖6虛線所示)，此時(shí)行走輪觸地，鎮(zhèn)壓輪離地，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)架的提升。行走機(jī)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

2.4 鎮(zhèn)壓輪總成

2.4.1 鎮(zhèn)壓輪

鎮(zhèn)壓輪具有鎮(zhèn)壓和驅(qū)動排種排肥的功能。結(jié)合圖7 對秸稈運(yùn)動軌跡的分析知，鎮(zhèn)壓輪可以對向后拋起的秸稈進(jìn)行運(yùn)動干涉，使其掉落至壟背。

表2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

Table 2 Design parameters of the walking mechanism

性能指標(biāo)單位數(shù)值液壓缸動作時(shí)間s1工作時(shí)行走輪離地間隙mm100非工作時(shí)鎮(zhèn)壓輪離地間隙mm200行走機(jī)構(gòu)承載能力kg2592

1.破茬開溝裝置 2.施肥播種單體 3.秸稈 4.鎮(zhèn)壓輪圖7 秸稈運(yùn)動軌跡Fig.7 The trajectories of the stalks

播種機(jī)作業(yè)時(shí)機(jī)架與地面的距離為440mm，為防止秸稈越過鎮(zhèn)壓輪頂部掉入壟溝，設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輪的直徑為460mm，頂部略高于機(jī)架。小麥的窄行幅寬為120mm，為確保對種床的鎮(zhèn)壓效果，設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輪寬150mm。鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸部位采用凸圓弧結(jié)構(gòu)，鎮(zhèn)壓后壟溝截面為圓弧狀，有利于保持壟形。設(shè)計(jì)時(shí)避免鎮(zhèn)壓輪與刀軸距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致刀片拋撒的秸稈大量落入壟溝，削弱鎮(zhèn)壓輪的壓實(shí)效果。

2.4.2 傳動方案

播種作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓輪總成完成鎮(zhèn)壓和驅(qū)動排種、排肥器的任務(wù)，作業(yè)效果直接影響到播種深度和排種排肥一致性。鎮(zhèn)壓輪輪軸形變小且適應(yīng)地面的起伏變化，是鎮(zhèn)壓輪可靠鎮(zhèn)壓并提供驅(qū)動力的前提。

本文小麥采用機(jī)械條播，采用整體傳動即可滿足對粒距的控制要求。由于整機(jī)的幅寬較大，考慮到地表的不平整和輪軸的強(qiáng)度剛度等問題，故設(shè)計(jì)為左右兩鎮(zhèn)壓輪總成，分別驅(qū)動排種器和排肥器作業(yè)。傳動方案如圖8所示。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

為考核固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)的作業(yè)性能，于2017年11月3日在河南省洛陽市鑫樂機(jī)械設(shè)備有限公司試驗(yàn)地進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖9所示。該地區(qū)年降水670mm，土壤類型為壤土，為小麥玉米一年兩熟種植區(qū)。測得地表秸稈粉碎平均長度為6cm，玉米留茬高度平均為34cm，玉米秸稈量為0.37kg/m2，秸稈含水率為42.9%，且地表含有一定量的整稈，土壤含水率為18.9%。作業(yè)所選拖拉機(jī)為東方紅LX1204，試驗(yàn)選取的作業(yè)速度為1.2m/s。

1.排肥器 2.排種器 3.右鎮(zhèn)壓輪總成 4.左鎮(zhèn)壓輪總成圖8 鎮(zhèn)壓輪總成傳動方案Fig.8 The transmission project of the press wheel assembly

圖9 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.9 The field experiment of the prototype

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《GB/T20865-2007》免耕施肥播種機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)對設(shè)計(jì)的固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)的通過性能、種肥深度和距離等性能指標(biāo)進(jìn)行測量。同時(shí)，為考核播種后的種床清理效果，試驗(yàn)對種床秸稈殘留率進(jìn)行了測量。試驗(yàn)所用的設(shè)備主要包括卷尺、電子秤、烘干箱、自封袋和轉(zhuǎn)速計(jì)等。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 通過性試驗(yàn)

按照相關(guān)作業(yè)要求，試驗(yàn)中通過性測定距離以60m為基準(zhǔn)，若出現(xiàn)秸稈堵塞，不停機(jī)無法繼續(xù)作業(yè)的情況，則定義為嚴(yán)重堵塞；若出現(xiàn)秸稈堵塞，不需停機(jī)即可清堵的情況，則定義為一般堵塞；若出現(xiàn)秸稈堵塞，但秸稈之后能從開溝器間流過，則定義為輕度堵塞；只有不堵塞或者輕度堵塞定義為合格。

由于秸稈量較大，土壤濕度大粘附力較強(qiáng)，作業(yè)5個(gè)測試長度后，機(jī)具出現(xiàn)一次輕度堵塞；當(dāng)作業(yè)速度增加至約1.6m/s時(shí)，堵塞消失。

3.3.2 種床秸稈殘留率

在播種后的地表隨機(jī)選取3個(gè)取樣點(diǎn)，在該取樣點(diǎn)所在的幅寬內(nèi)分別選取左、中、右各兩行種帶，種帶長度為10cm，將各行種帶壟溝和壟背上的秸稈裝袋，之后烘干秸稈至含水率不大于25%為止，稱重并記錄。種床秸稈殘留率為

(3)

式中Wi—某樣點(diǎn)的種床秸稈殘留率 (%)；

Gi—某行壟溝秸稈量 (g)；

Bi—某行壟背秸稈量 (g)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：種床秸稈殘留率在13.9%～23.7%之間，種床清理效果較好。

3.3.3 種肥深度和距離

播種覆土后挖開土層，測定種子和肥料上部所覆蓋土層的厚度，即為種深和肥深。以當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求播種深度為hcm，則種深為(h±1)cm時(shí)定義為合格。種肥間距在3cm以上時(shí)為合格。同時(shí)，以種子和肥料的中心為基準(zhǔn)，測出種子與肥料的橫向間距。在往返各單一行程內(nèi)測6行，每行隨機(jī)選取3點(diǎn)測量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。開溝器的設(shè)計(jì)為一溝雙行，即兩種行中間深施一行化肥，因此可同時(shí)測量左側(cè)種子Ⅰ、右側(cè)種子Ⅱ與化肥的相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 種肥深度和距離

Table 3 Depth and distance of the seed and the fertilizer

指標(biāo)種子Ⅰ深度/cm種子Ⅱ深度/cm肥深/cm平均值4.945.318.03變異系數(shù)0.1620.1390.115合格率/%8282100

4 結(jié)論

1)研制的固定道小麥免耕寬幅播種機(jī)集固定道技術(shù)、保護(hù)性耕作技術(shù)及大幅寬播種機(jī)的優(yōu)勢于一體，主要由種肥箱、變速箱、機(jī)架、破茬開溝裝置、施肥播種單體、行走機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓輪總成等組成，結(jié)構(gòu)較為緊湊。

2)在秸稈受力分析的基礎(chǔ)上，對破茬開溝裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該裝置可實(shí)現(xiàn)良好的開溝、滅茬和秸稈拋撒作用，在秸稈量較大時(shí)仍具有較好的通過性。破茬開溝裝置可實(shí)現(xiàn)對部分秸稈的砍切分段，并采用梯形刀將覆蓋在壟溝上的秸稈分?jǐn)n至壟背，以形成清潔的種床。

3)施肥開溝器的后端設(shè)有四連桿仿形機(jī)構(gòu)，熱彎種管可產(chǎn)生良好仿形限深效果，鎮(zhèn)壓輪設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對種床的可靠鎮(zhèn)壓，播種深度一致性較好，種肥間距等測試指標(biāo)均遠(yuǎn)高于《GB/T20865-2007》免耕施肥播種機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另外，所設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間和承載能力均可滿足不同工況下的實(shí)際作業(yè)需求。