宋明翰孫萌萌徐勇何瑞銀魏清

0 引言

江蘇省是我國(guó)油菜生產(chǎn)的主要省份，是農(nóng)業(yè)部規(guī)劃的優(yōu)勢(shì)“雙低”油菜產(chǎn)品的重要生產(chǎn)區(qū)之一，油菜種植面積在33.33萬hm2左右。近幾年隨著油菜用途的拓展、種植效益的提高，農(nóng)民種植油菜的積極性逐年提高，油菜種植面積多年持續(xù)下滑的局面得到改善。但是油菜生產(chǎn)過程中還存在如下問題[1]：油菜的遲播、晚播，以及漬害、草害、凍害的影響都會(huì)導(dǎo)致油菜產(chǎn)量減少[2]；油菜播種時(shí)田間秸稈量大、地表土壤含水率高影響油菜機(jī)械化播種效率[3]，土壤板結(jié)會(huì)造成生產(chǎn)成本的增加[4]；在秸稈還田條件下，土壤中秸稈疊加堆積，播種過程缺少覆土鎮(zhèn)壓環(huán)節(jié)，使土壤顆粒之間粘結(jié)不緊實(shí)，油菜種子與土壤接觸不緊密，會(huì)造成出苗率低、苗弱、死苗現(xiàn)象[5]。

目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家油菜種植已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化，但國(guó)外機(jī)械并不適用于我國(guó)油菜田土壤含水率高、秸稈殘留量大等實(shí)際情況。針對(duì)江蘇地區(qū)稻茬地秸稈還田、土壤含水率高、粘性大的條件，本課題設(shè)計(jì)一套新型的適宜高濕地塊油菜播種的機(jī)具，可一次完成秸稈位移、帶狀旋耕、開溝、精量播種等工序。

1 高濕地塊油菜復(fù)式播種機(jī)設(shè)計(jì)方案

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于油菜濕地的播種機(jī)具的研究未見闡述，本文為了能夠?qū)崿F(xiàn)油菜播種機(jī)在極端條件下順利作業(yè)，本課題對(duì)整機(jī)布局以及部件設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。整機(jī)功能主要分為四個(gè)部分：秸稈移位、帶狀旋耕、開溝、精量播種。機(jī)具總體結(jié)構(gòu)見圖1。插秧機(jī)機(jī)頭通過懸掛架牽引播種

圖1機(jī)具總體結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)。機(jī)具前進(jìn)過程中，輪齒式秸稈位移裝置隨著機(jī)具前進(jìn)開始回轉(zhuǎn)工作，完成秸稈位移的功能。帶狀旋耕裝置的動(dòng)力來自選配的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過中間齒輪傳動(dòng)箱傳遞給旋耕刀軸，帶動(dòng)安裝在旋耕刀軸上的旋耕刀高速回轉(zhuǎn)，完成帶狀旋耕作業(yè)。擋土板防止旋耕時(shí)產(chǎn)生的土塊飛濺。在插秧機(jī)啟動(dòng)之前，打開柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，使旋耕刀軸正常工作；打開播種控制系統(tǒng)電源開關(guān)，通過按鍵和旋鈕輸入所需播種量等參數(shù)。機(jī)具作業(yè)時(shí)，開啟播種控制系統(tǒng)開關(guān)，光電式編碼器采集測(cè)速輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖信號(hào)和當(dāng)前的排種電機(jī)轉(zhuǎn)速傳遞給單片機(jī)，經(jīng)過PID算法處理計(jì)算得到目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速，再通過輸出相應(yīng)的PWM波來控制排種電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜籽播量控制。由于油菜易受漬害，因此，通過開溝犁開出一條排水溝，為油菜播種后排出多余水分提供保障。

2 秸稈位移裝置設(shè)計(jì)

水稻收割留茬過高、秸稈量過大導(dǎo)致油菜出苗率較低。因此在整機(jī)研制中設(shè)計(jì)了輪齒式秸稈位移裝置來降低秸稈對(duì)機(jī)具播種質(zhì)量的影響。本課題設(shè)計(jì)的輪齒式秸稈位移裝置，12個(gè)輪齒均勻分布于輪盤周圍，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的壓、挑、撥、排放等作業(yè)。輪齒式秸稈位移裝置呈現(xiàn)“八”字型排列，具有撥草與分草兩種功能。該裝置由齒盤、連接臂、限位螺桿、限位彈簧等部件組成，其中限位彈簧是為了保證該裝置在實(shí)際工作中遇到地表起伏不平時(shí)能夠具有一定的入土深度和仿形作用，保證種床清秸質(zhì)量。該裝置通過限位螺母安裝在機(jī)架上，隨著機(jī)具前進(jìn)而開始回轉(zhuǎn)作業(yè)，達(dá)到清理種床的功能。秸稈位移裝置如圖2所示。

圖2秸稈位移裝置

3 旋耕裝置的設(shè)計(jì)

復(fù)式作業(yè)機(jī)作業(yè)時(shí)，旋耕刀片在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下繞刀軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)具有良好的耕整地效果。針對(duì)土壤含水率超過30%的作業(yè)條件[6]，為使機(jī)具達(dá)到松土效果，滿足油菜生長(zhǎng)條件，本課題選用的旋耕刀軸方案如下：

旋耕刀的種類以及刀片數(shù)量往往會(huì)影響旋耕作業(yè)效果，前進(jìn)速度也是影響旋耕作業(yè)效果的重要因素[7]，當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí)，刀片數(shù)量會(huì)影響旋耕作業(yè)質(zhì)量。切土節(jié)距、前進(jìn)速度與刀片數(shù)量的關(guān)系如式（1）所示：

式中：S——切土節(jié)距，m；

Z——切割單元刀片數(shù)目，個(gè)；

v——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；

n——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min。

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》設(shè)計(jì)要求，土壤含水率高于30%時(shí)，切土節(jié)距一般為6～9 cm，本文取節(jié)距為6 cm，插秧機(jī)的前進(jìn)速度一般在0～1.8 m/s無級(jí)變速，依據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，機(jī)具的前進(jìn)速度為0.41～0.61 m/s。本文前進(jìn)速度取0.6 m/s，故Z取值為3。旋耕刀軸三維模型如圖3所示。

圖3旋耕刀軸三維模型

本文選用的旋耕彎刀作業(yè)幅寬可達(dá)到50 mm，故本文刀盤的布置間距為80 mm[8]，拉裂土壤寬度按經(jīng)驗(yàn)值選為20 mm，因此種帶旋耕寬度為10 cm，本文設(shè)計(jì)的油菜帶狀播種機(jī)的工作幅寬為180 cm，排水溝寬度為20 cm，帶狀旋耕作業(yè)幅寬為40 cm，刀盤數(shù)為8個(gè)，總刀片數(shù)目為24把，具體的刀片排列方式如圖4所示。

4 播種開溝裝置的選型

圖4旋耕刀片排列方式

排種器是油菜播種機(jī)的核心部件，對(duì)播種機(jī)的播種性能影響最為突出。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于油菜播種機(jī)的研究主要集中于油菜排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，保證播種機(jī)作業(yè)過程中排種均勻穩(wěn)定、不傷種，提高播種質(zhì)量。本文通過對(duì)比三種常見的油菜排種器（中心強(qiáng)推式排種器、窩眼輪式排種器、正負(fù)氣壓組合式排種器）進(jìn)行理論選型。經(jīng)綜合考慮，選用安裝便捷、精度較高、種子損傷率較低的窩眼輪式排種器，配套智能化播種控制系統(tǒng)。

我國(guó)對(duì)于開溝器的研究起步較晚，開溝器的主要類型有犁鏵式開溝器、圓盤式開溝器、鏈?zhǔn)介_溝器等。由于播種機(jī)懸掛于插秧機(jī)后，插秧機(jī)的液壓提升系統(tǒng)以及動(dòng)力輸出系統(tǒng)對(duì)整機(jī)質(zhì)量、動(dòng)力分配方案要求較高，故主動(dòng)式開溝裝置不適用于本課題開溝器的選型。綜合考慮江蘇稻油輪作區(qū)的田間作業(yè)條件等因素，本課題選用犁鏵式開溝器。

5 樣機(jī)的加工與田間試驗(yàn)

在各部件設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)于樣機(jī)進(jìn)行了加工研制。圖5為樣機(jī)實(shí)物圖。

圖5樣機(jī)實(shí)物圖

田間試驗(yàn)是檢驗(yàn)機(jī)具能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過田間試驗(yàn)可以進(jìn)一步檢驗(yàn)樣機(jī)在田間的實(shí)際工作狀態(tài)，檢驗(yàn)機(jī)具設(shè)計(jì)的合理性和生產(chǎn)適用性，從中發(fā)現(xiàn)樣機(jī)存在的問題，進(jìn)而為樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)建議[9]。

5.1 試驗(yàn)條件

1）試驗(yàn)時(shí)間及天氣條件：2020年6月7日，晴。

2）試驗(yàn)地點(diǎn)：南京市高淳區(qū)下壩鎮(zhèn)禾田坊谷物種植家庭農(nóng)場(chǎng)。

3）土壤類型：重粘土。

4）地表狀況：人工鋪設(shè)秸稈平整地后上水泡田。

5）田塊處理：田塊泡水處理，上水泡田24 h后排出田間積水。

6）試驗(yàn)前，在0～20 cm土層中測(cè)得的物理參數(shù)（每5 cm為1層，每層取1點(diǎn)）：土壤含水率分別為32.4%、38.39%、37.24%、32.43%；土壤堅(jiān)實(shí)度分別為266 kPa、195 kPa、1 995 kPa、2 623 kPa；土壤容重分別為1.66 g/cm3、1.78 g/cm3、1.98 g/cm3、1.97g/cm3。

7）試驗(yàn)前測(cè)量的秸稈物理特性：秸稈平均長(zhǎng)度8 cm；秸稈平均含水率54.1%；秸稈平均密度1.63 kg/m2。

8）試驗(yàn)田塊結(jié)構(gòu)：試驗(yàn)前規(guī)劃試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)區(qū)總長(zhǎng)60 m、寬15 m，可分為機(jī)具掉頭區(qū)域、怠速區(qū)域、測(cè)量區(qū)3個(gè)部分，詳見圖6。

9）油菜種子：寧雜1818。10）電子稱：精度0.01 g。

11）配套動(dòng)力：洋馬YR60D插秧機(jī)（15.36 kW）。

12）前進(jìn)速度：設(shè)計(jì)速度為0.6 m/s，三個(gè)行程中實(shí)際測(cè)量的速度平均值分別為0.55 m/s、0.51 m/s、0.49 m/s，試驗(yàn)中總平均速度為0.52 m/s。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

田間作業(yè)試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示，油菜出苗情況見圖9。試驗(yàn)結(jié)果表明：本課題設(shè)計(jì)的高濕地塊油菜復(fù)式播種機(jī)在土壤高濕、田間秸稈量大的條件下可以完成播種作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

圖6試驗(yàn)田塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖7田間試驗(yàn)

圖8試驗(yàn)結(jié)果

圖9油菜出苗狀況

針對(duì)江蘇地區(qū)稻油輪作區(qū)域秸稈量大、土壤含水率高及極端氣候?qū)е掠筒诉t播晚播現(xiàn)象，結(jié)合南京市高淳地區(qū)油菜種植的農(nóng)藝要求以及條帶耕作模式的要求，本課題設(shè)計(jì)了一臺(tái)適宜高濕地塊作業(yè)的油菜復(fù)式播種機(jī)，可實(shí)現(xiàn)秸稈移位、帶狀旋耕、開溝、播種功能，能夠解決極端條件下的油菜播種問題。