顧宸嘉，奚小波,2，韓連杰，張翼夫，張寶峰，張瑞宏,2

(1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127；2.南京沃楊機(jī)械科技有限公司，南京市，211200)

0 引言

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一，其總面積、總產(chǎn)量及總貿(mào)易額均居糧食作物前列[1-4]。世界上以小麥為主要糧食的人口數(shù)量占到世界人口總數(shù)量的1/3[5-7]。在我國(guó)，小麥?zhǔn)俏覈?guó)人民廣泛食用的主要糧食，在全國(guó)糧食消費(fèi)總額中占比達(dá)到1/5左右，小麥的播種面積和總產(chǎn)量居前三，是世界上最大的小麥生產(chǎn)國(guó)家，但每年仍需要大量進(jìn)口小麥[8-9]。隨著我國(guó)小麥產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，小麥成本投入偏高、種植空間布局分散，機(jī)械化程度低、播種技術(shù)落后、種槽種溝不穩(wěn)定導(dǎo)致小麥產(chǎn)量不能提高等許多問(wèn)題暴露了出來(lái)[10]。

傳統(tǒng)條播種植絕大多數(shù)采用管式輸送排種，由于小麥種植密度高，且種子從排種器排出在管內(nèi)下落過(guò)程中處于不可控狀態(tài)，極易發(fā)生碰撞、滾動(dòng)、彈跳，導(dǎo)致均勻種子流受到破壞，致使播種的均勻性較差，影響種子出苗及后續(xù)生長(zhǎng)[11]。與此同時(shí)，種槽深度及穩(wěn)定性也是決定出苗效果的關(guān)鍵因素之一，然而在現(xiàn)行種植方式極度追求生產(chǎn)效率的背景下，多功能復(fù)式作業(yè)播種機(jī)正大規(guī)模推廣使用，其作業(yè)田地大量秸稈留茬，播種深度難以控制，嚴(yán)重影響播深的穩(wěn)定性，造成種子的低出苗率，進(jìn)而影響作物后期的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。因此，小麥的播種均勻性與播深穩(wěn)定性問(wèn)題亟待解決。

目前，我國(guó)對(duì)于小麥播種質(zhì)量在播種方式、基于PLC定量控制以及精量排種器等方面進(jìn)行了研究。如李軍宇等設(shè)計(jì)了一種小麥寬幅種機(jī)種肥開(kāi)溝裝置，種肥深度均滿(mǎn)足農(nóng)藝要求；謝海明等對(duì)播種機(jī)定量控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了播種機(jī)的作業(yè)效率與作物產(chǎn)量；孫欽華等[12]對(duì)于2BMG-7型小麥免耕條播機(jī)的研制與試驗(yàn)，機(jī)具滿(mǎn)足播種要求；張順等[13]對(duì)于氣力滾筒式水稻直播精量排種器排種性能方面的分析與試驗(yàn)，提高了排種器的排種性能等等。國(guó)外學(xué)者Barr等[14]設(shè)計(jì)了一種高速免耕播種系統(tǒng)，通過(guò)DEM法和田間試驗(yàn)優(yōu)化了排肥器的空間位置，實(shí)現(xiàn)播深穩(wěn)定控制。Burce等[15]開(kāi)發(fā)一種播種系統(tǒng)在減少壓實(shí)和耕作操作的同時(shí)保持作物產(chǎn)量水平，提高了播種效率；Wilson等[16]改進(jìn)一種谷物播種機(jī)，以提供谷物播種機(jī)的種子料斗中種子重量的精確測(cè)定的方法，提高了播種的精確性。

上述研究方面為小麥播種技術(shù)提供了參照，但未能涉及到復(fù)式作業(yè)機(jī)作業(yè)質(zhì)量改善和如何提高種槽種溝穩(wěn)定性等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種特型的開(kāi)槽輪和勻覆土裝置，并完成雙軸旋耕壓槽播種開(kāi)溝勻覆土作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行樣機(jī)與普通播種機(jī)的田間對(duì)比試驗(yàn)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

雙軸旋耕壓槽播種開(kāi)溝勻覆土作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩部分組成，分別為雙軸旋耕機(jī)構(gòu)，播種機(jī)構(gòu)。旋耕機(jī)構(gòu)包括兩組旋耕刀組、前傳動(dòng)裝置以及兩個(gè)四孔齒輪箱，每一組旋耕刀組分為兩部分，分別安裝在一個(gè)四孔齒輪箱的兩則，兩組旋耕刀組位置布置為前后布置，前刀組比后刀組高10 cm，四孔齒輪箱安裝在前傳動(dòng)裝置兩側(cè)。種肥箱安裝在播種機(jī)構(gòu)的前端，通過(guò)左右兩個(gè)支架焊接在機(jī)架上，種肥箱底部開(kāi)有矩形洞口，分別通過(guò)螺栓螺母連接一個(gè)外槽輪排種器和種肥盒，種肥盒底部距離地面10～12 cm，外槽輪排種器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)落種。開(kāi)槽輪安裝在播種機(jī)構(gòu)的前端下部分，由地輪帶動(dòng)，開(kāi)槽輪斜上方安裝絞龍進(jìn)行清泥；播種機(jī)構(gòu)中間為后傳動(dòng)裝置，后傳動(dòng)裝置兩側(cè)安裝開(kāi)溝刀盤(pán)；鎮(zhèn)壓輪安裝在播種機(jī)構(gòu)機(jī)架的后部，分為兩段，中間安裝開(kāi)溝器；在鎮(zhèn)壓輪斜上方安裝絞龍清泥裝置；在兩個(gè)輥輪之間設(shè)置勻覆土裝置；輔助輪安裝在機(jī)架最后端，通過(guò)液壓裝置進(jìn)行升降。

圖1 機(jī)具總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the machine1.輔助輪 2.后清土裝置 3.后齒輪箱 4.后傳動(dòng)裝置 5.種肥盒 6.外槽輪排種器 7.種肥箱 8.機(jī)架 9.地輪 10.雙軸旋耕機(jī)構(gòu) 11.前旋耕刀組 12.前傳動(dòng)裝置 13.四孔齒輪箱 14.后旋耕刀組 15.開(kāi)槽輪 16.前清土裝置 17.開(kāi)溝盤(pán) 18.勻覆土裝置 19.鎮(zhèn)壓輪

1.2 工作原理

機(jī)具工作時(shí)，動(dòng)力由拖拉機(jī)輸出軸傳遞給前傳動(dòng)裝置，再由前傳動(dòng)裝置通過(guò)四孔齒輪箱傳遞給旋耕刀組，驅(qū)動(dòng)旋耕刀組進(jìn)行旋耕作業(yè)，由于前后兩個(gè)旋耕刀組高度相差10 cm，可將旋耕深度提升至20 cm，實(shí)現(xiàn)雙軸深旋耕作業(yè)；旋耕作業(yè)之后，開(kāi)槽輪由地輪帶動(dòng)滾動(dòng)，開(kāi)槽輪將土面壓平，并為后續(xù)播種進(jìn)行開(kāi)槽，槽寬5 cm，槽深1～3 cm，再由絞龍型清土裝置對(duì)開(kāi)槽輪進(jìn)行表面清土；然后種肥箱通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)外槽輪排種器進(jìn)行排種，種子和肥料經(jīng)由種肥盒直接落入種槽中，實(shí)現(xiàn)播種和施肥，保證落種的準(zhǔn)確性；同時(shí)，開(kāi)溝盤(pán)由后傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)松土拋土和初步開(kāi)溝，為后續(xù)開(kāi)溝器進(jìn)行穩(wěn)定開(kāi)溝提供基礎(chǔ)；接著勻覆土裝置進(jìn)行勻土覆土作業(yè)，同時(shí)將開(kāi)溝盤(pán)開(kāi)出的泥土輸送至兩側(cè)，保證土壤均勻，地面平整，提高種子表面泥土覆蓋率，改善播種質(zhì)量；接著，鎮(zhèn)壓輪通過(guò)地輪驅(qū)動(dòng)，對(duì)土面進(jìn)行鎮(zhèn)壓平整，同時(shí)后清土裝置對(duì)鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行清土作業(yè)，鎮(zhèn)壓輪中間開(kāi)溝器進(jìn)行后續(xù)穩(wěn)定開(kāi)溝，作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 雙軸旋耕壓槽播種開(kāi)溝勻覆土作業(yè)機(jī)作業(yè)流程圖Fig.2 Operation flow chart of double axis rotary tillage and pressing trough sowing,ditching and even covering soil machine1.未耕土壤 2.前旋耕刀軸 3.后旋耕刀軸 4.開(kāi)槽輪 5.前清土裝置 6.種肥箱 7.開(kāi)溝盤(pán) 8.開(kāi)溝勻覆土裝置 9.后鎮(zhèn)壓輪 10.后清土裝置

2 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)具傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)必不可少的組成部分。一個(gè)合理的良好的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)能大幅度提高機(jī)具的性能和質(zhì)量[17]。本機(jī)具為復(fù)式作業(yè)機(jī)械，工序較多，且動(dòng)力來(lái)源于拖拉機(jī)，根據(jù)作業(yè)要求，傳動(dòng)系統(tǒng)分為雙軸旋耕機(jī)構(gòu)傳動(dòng)與播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。

圖3為雙軸旋耕機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖，動(dòng)力由拖拉機(jī)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳入前傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳送給左右兩個(gè)四孔齒輪箱，四孔齒輪箱分別帶動(dòng)安裝在兩側(cè)的旋耕刀組進(jìn)行旋耕作業(yè)。

圖3 雙軸旋耕機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖Fig.3 Transmission diagram of double axis rotary tillage mechanism1.前旋耕刀軸 2.后旋耕刀軸

旋耕機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率n1可表達(dá)成

(1)

式中：P1——錐形齒輪的傳動(dòng)效率，取0.98[18]；

P2——萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)效率，取0.98[18]；

P3——軸承傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，取0.98[18]；

P4——圓柱齒輪的傳動(dòng)效率，取0.98[18]。

圖4為播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖，播種機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由前傳動(dòng)裝置通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳遞到后傳動(dòng)裝置，后傳動(dòng)裝置通過(guò)左右傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給開(kāi)溝盤(pán)進(jìn)行初步開(kāi)溝，并通過(guò)后齒輪箱帶動(dòng)傳動(dòng)軸從而驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)，通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)清泥裝置與勻覆土裝置。

圖4 播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of transmission device of seeding mechanism1.前清土裝置 2.開(kāi)溝盤(pán) 3.勻覆土裝置 4.傳動(dòng)軸 5.后清土裝置

播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率

(2)

式中：P5——帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，取0.96[18]。

則整個(gè)機(jī)具的傳動(dòng)效率

n=(n1+n2)÷2

(3)

經(jīng)計(jì)算n1為0.724，n2為0.708，n為0.716。

3 開(kāi)槽輪設(shè)計(jì)

播種深度是影響種子出苗的重要參數(shù)，而開(kāi)槽質(zhì)量是影響播種深度的關(guān)鍵因素，因此對(duì)播種開(kāi)槽裝置的設(shè)計(jì)十分重要。目前絕大多數(shù)小麥播種機(jī)械采用開(kāi)溝刀或圓盤(pán)開(kāi)溝器開(kāi)種槽，其開(kāi)出的種槽寬度與深度不夠，且種槽內(nèi)碎土較多，導(dǎo)致種槽寬度及深度的穩(wěn)定性較差，試驗(yàn)證明壓槽作業(yè)優(yōu)于普通播種機(jī)的開(kāi)溝刀作業(yè)[19]。本文設(shè)計(jì)一種帶有鎮(zhèn)壓效果的開(kāi)槽輪，在開(kāi)槽的同時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓，提高土壤平整度，利于后續(xù)播種作業(yè)，如圖5所示。

(a)開(kāi)槽輪結(jié)構(gòu)示意圖

為保證足夠的土壤壓實(shí)程度，并使槽底中存在的碎土大大減少，在鎮(zhèn)壓輪圓周面上設(shè)置凸臺(tái)，用于壓制出5 cm左右寬、1～3 cm深的成型播種槽，但是由于可能存在土壤擠壓以及坍塌等情況，留有1 cm寬度余量，因此設(shè)計(jì)開(kāi)槽輪凸臺(tái)寬L為6 cm，凸臺(tái)高度d為3 cm，軸半徑R為15 cm。為使種肥準(zhǔn)確落入種槽中，設(shè)計(jì)時(shí)將排種口與開(kāi)槽輪凸臺(tái)處前后對(duì)齊，為了保證離地高度參數(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)槽輪中心軸與種肥盒排種口水平距離為5～10 cm。開(kāi)槽輪與鎮(zhèn)壓輪結(jié)合，使機(jī)具結(jié)構(gòu)更加緊湊，也使土壤有足夠的壓實(shí)程度，種槽中碎土大大減少，保證播種深度，提高播深與播寬穩(wěn)定性，符合播種要求。

4 開(kāi)溝勻覆土裝置設(shè)計(jì)

開(kāi)溝勻覆土裝置主要由開(kāi)溝裝置以及勻覆土裝置組成，如圖6所示。左右覆土裝置由軸承固定，開(kāi)溝裝置連接在后傳動(dòng)裝置上，動(dòng)力由旋耕結(jié)構(gòu)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)輸送到后傳動(dòng)裝置帶動(dòng)開(kāi)溝裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)溝裝置設(shè)計(jì)為雙圓盤(pán)式開(kāi)溝盤(pán)，開(kāi)溝盤(pán)上開(kāi)溝刀為弧形曲線，以反向旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行初步松土，土壤被拋送至兩側(cè)，為后續(xù)開(kāi)溝器穩(wěn)定開(kāi)溝提供基礎(chǔ)，覆土裝置由側(cè)邊皮帶傳動(dòng)提供動(dòng)力進(jìn)行勻覆土作業(yè)。

圖6 開(kāi)溝勻覆土裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of ditching soil leveling device

由于水溝深度要求大于20 cm，根據(jù)安裝位置設(shè)計(jì)開(kāi)溝盤(pán)入土深度為22～26 cm。其中，開(kāi)溝盤(pán)周?chē)捎倚镀c左旋刀片交替安裝，避免出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，保證良好的工作質(zhì)量，示意圖如圖7所示。

圖7 開(kāi)溝盤(pán)示意圖Fig.7 Schematic diagram of ditching tray

開(kāi)溝作業(yè)過(guò)程當(dāng)中，不少碎土被擠壓拋出，導(dǎo)致水溝附近土壤較多，宜造成水溝坍塌，且土壤不平整，出現(xiàn)影響種子出苗等問(wèn)題。而普通播種機(jī)的覆土方式為開(kāi)溝刀覆土，具有不確定性，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種絞龍型勻覆土裝置，可在原本覆土裝置的功能基礎(chǔ)上，將土壤均勻運(yùn)送至兩側(cè)，較普通播種機(jī)土壤平整度更好，可以更好地輔助種槽水溝穩(wěn)定并提高種子發(fā)苗率。整機(jī)作業(yè)幅寬為3 500 mm，為保證土壤推送幅寬，設(shè)計(jì)絞龍長(zhǎng)度L1為1 600 mm左右，葉片厚度l為2 mm，示意圖如圖8所示。為保證良好的拋送土壤的效果，使土壤勻土厚度達(dá)到理想效果，根據(jù)安裝高度以及小麥播種深度，絞龍外徑D確定為270 mm。絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑d1取0.18倍的絞龍外徑，為48.6 mm。

圖8 勻覆土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of soil spreading device

由于勻覆土裝置長(zhǎng)度與直徑由作業(yè)需要已經(jīng)確定，因此接下來(lái)只需確定絞龍螺距即可，最大螺距應(yīng)滿(mǎn)足下列兩個(gè)要求[20-23]。

1)土壤在絞龍葉片面軸向作用力P1>0。

P1=Pcos(α+β)>0

(4)

式中：P1——土壤沿絞龍軸向所受到的力，N；

P——土壤收到的合力，N；

α——絞龍的螺旋升角，(°)；

β——土壤摩擦角，這里取28°。

為了使P1>0，需滿(mǎn)足

(5)

在絞龍螺旋葉片根部軸處，絞龍螺旋升角α為最大值，軸向作用力最小。依據(jù)此條件，絞龍螺距最大值公式如式(6)所示。

(6)

式中：S——絞龍螺距，mm；

d——絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑，取0.18倍的絞龍外徑，為48.6 mm。

可得出螺距最大值小于287 mm。

2)土壤具有合理的拋出速度。土壤應(yīng)該有較快的軸向推送速度，同時(shí)絞龍螺旋葉片上軸向推送速度大于圓周旋轉(zhuǎn)速度，來(lái)防止碎土大量飛濺。

(7)

式中：D——絞龍外徑，mm。

可得出螺距最大值應(yīng)小于260 mm。絞龍螺距增大時(shí)，軸向推送速度增加，但圓周旋轉(zhuǎn)隨之增加，使得土壤出現(xiàn)飛濺的可能，從而降低了勻覆土裝置的覆土能力，造成地面土壤不平整，出現(xiàn)堆壟現(xiàn)象，因此本機(jī)具設(shè)計(jì)絞龍型勻覆土裝置的螺距S取值為180 mm。

清土裝置按照勻覆土裝置機(jī)構(gòu)，也設(shè)計(jì)為左右兩段絞龍型結(jié)構(gòu)，示意圖如圖9所示，長(zhǎng)度與勻覆土裝置相同，為1 600 mm，葉片厚度為2 mm，為使機(jī)具結(jié)構(gòu)更加緊湊同時(shí)保證清土效果，絞龍外徑不易過(guò)大，也不能過(guò)小，設(shè)計(jì)為130 mm。絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑取0.18倍的絞龍外徑，為23.4 mm。最終得出螺距為110 mm，實(shí)物圖如圖10所示。

圖9 前后清土裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of front and rear soil cleaning device

圖10 樣機(jī)內(nèi)部絞龍部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.10 Structure of the internal winch of the prototype1.后清土裝置 2.開(kāi)溝盤(pán) 3.勻覆土裝置 4.前清土裝置 5.開(kāi)槽輪

5 田間試驗(yàn)

2020年11月8日進(jìn)行樣機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)，如圖11所示，為驗(yàn)證雙軸旋耕壓槽播種開(kāi)溝勻覆土作業(yè)機(jī)的作業(yè)效果，在相鄰地塊采用目前普遍使用的2BFX-16播種機(jī)進(jìn)行小麥播種對(duì)比試驗(yàn)，機(jī)具的主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)場(chǎng)地條件及種植技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of machines

表2 試驗(yàn)場(chǎng)地條件及種植技術(shù)參數(shù)Tab.2 Test site conditions and planting technical parameters

田間試驗(yàn)時(shí)，以播種準(zhǔn)確性、離散度、均勻性為播種質(zhì)量指標(biāo)來(lái)衡量機(jī)具的作業(yè)效果[24]。機(jī)具以135 kg/hm2作為播量條件進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)完成后，隨機(jī)挑選10處測(cè)區(qū)，根據(jù)機(jī)具設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)具的作業(yè)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)定方法參照 NY/T996—2006《小麥精少量播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，最后取平均值作為田間試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果如表3所示。

(a)樣機(jī)作業(yè)效果圖

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Field test results

2021年1月27日，對(duì)小麥的出苗效果進(jìn)行了觀察，如圖12所示，可以看出，本機(jī)具的小麥出苗整齊，長(zhǎng)勢(shì)良好，群體充足，單株強(qiáng)壯，出苗率高，無(wú)斷苗、漏苗現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)了本機(jī)具良好的播種作業(yè)質(zhì)量。

(a)本機(jī)具

6 結(jié)論

1)在分析雙軸旋耕壓槽播種開(kāi)溝勻覆土作業(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)和工作原理基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了機(jī)具的傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)效率為0.716。

2)對(duì)播種開(kāi)槽裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用鎮(zhèn)壓與開(kāi)槽結(jié)合模式，可穩(wěn)定壓制5 cm寬、1～3 cm深的成型播種槽，優(yōu)于普通播種機(jī)開(kāi)溝作業(yè)方式，滿(mǎn)足小麥播種需要。

3)設(shè)計(jì)了開(kāi)溝勻覆土裝置，根據(jù)小麥作業(yè)幅寬為3 500 mm，設(shè)計(jì)絞龍長(zhǎng)度L1為1 600 mm，葉片厚度l為2 mm，絞龍外徑D為270 mm，旋轉(zhuǎn)主軸直徑d1為48.6 mm，螺距S為180 mm，可提高耕幅內(nèi)的土壤平整度，有利于實(shí)現(xiàn)播種覆土厚度的一致性，并同樣分左右兩段絞龍機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種清土裝置，外徑為130 mm，螺距為110 mm。

4)進(jìn)行樣機(jī)與普通播種機(jī)的田間對(duì)比試驗(yàn)，以播種準(zhǔn)確性、離散度、均勻性為播種質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果表明：樣機(jī)的準(zhǔn)確度為88.67%、離散度為45.45%、均勻度為73.74%，普通播種機(jī)的準(zhǔn)確度為78.72%、離散度為39.38%、均勻度為44.83%，樣機(jī)優(yōu)于普通播種機(jī)，且出苗效果良好，無(wú)斷苗、漏苗等現(xiàn)象出現(xiàn)。