壟間套播冬小麥免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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壟間套播冬小麥免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曹秀振，趙淑紅，劉宏俊，楊?lèi)偳?，周?/p>

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為滿(mǎn)足高寒地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)的越冬要求，針對(duì)在低矮作物(如大豆等)未成熟時(shí)壟間套播冬小麥種植模式的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了壟間套播冬小麥機(jī)械式排種免耕播種機(jī)。為了保證冬小麥開(kāi)溝器不在壟臺(tái)上傷害農(nóng)作物，設(shè)計(jì)了雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，能同時(shí)完成上下、左右仿形。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：平均播種深度為45.9mm，合格率為86.7%；平均施肥深度為76.45mm；冬小麥出苗速率SE為4.88(株/天)/m，在次年返青期冬小麥的返青率為85.3%，能夠滿(mǎn)足壟間(壟溝兩側(cè))套播冬小麥的播種要求。

關(guān)鍵詞：壟間套播；冬小麥；機(jī)械式；免耕播種；雙向仿形

0引言

黑龍江省地處高緯度，冬季嚴(yán)寒持續(xù)期長(zhǎng)，最低溫度可達(dá)到-30℃[1]?！皷|農(nóng)冬麥1號(hào)”的培育打破了我國(guó)高寒地區(qū)不能種植冬小麥的歷史，改寫(xiě)了黑龍江省傳統(tǒng)的一年一熟的種植制度,將冬小麥的種植范圍擴(kuò)大到了北緯47°[2-3]。近幾年，推廣的溝播種植較平播出苗返青率高，降雪覆于壟體內(nèi)，起到提高地溫和保墑作用，可提高寒地冬麥的安全越冬性[4-9]。

在耕作形式以壟作為主的高寒地區(qū)，冬小麥須在結(jié)凍前生長(zhǎng)出5～6片葉子,3～4個(gè)分蘗,才能保證冬小麥順利過(guò)冬[9-10]。所以，播種要求在8月底至9月初進(jìn)行,而此時(shí)前茬作物還沒(méi)有成熟,須在有前茬作物的壟間套播，即在壟溝兩側(cè)播種冬小麥，在壟溝內(nèi)進(jìn)行施肥[11]。

該種植模式還沒(méi)有相應(yīng)配套的農(nóng)機(jī)具，因此針對(duì)低矮作物(如大豆等)未成熟時(shí)壟間套播冬小麥種植模式的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種具有單體上下、左右仿形功能、冬小麥開(kāi)溝器上不到壟臺(tái)的壟間套播冬小麥機(jī)械式排種免耕播種機(jī)。

1壟間套播種植模式

壟間套播冬小麥的種植模式將冬小麥播種在壟溝兩側(cè)，在壟溝內(nèi)進(jìn)行施肥，壟臺(tái)上保留原有作物，免耕1年，對(duì)耕地起到保護(hù)作用，如圖1所示。

1.種床　2.未收獲的低矮作物　3.肥床　4.拖拉機(jī)行走輪

2整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

壟間套播冬小麥免耕播種機(jī)主要由機(jī)架、雙向仿形機(jī)構(gòu)、地輪、分草施肥部件、播種開(kāi)溝器、種肥箱和鎮(zhèn)壓輪等組成(見(jiàn)圖2)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。播種機(jī)跨兩壟作業(yè)，機(jī)具橫梁上有3組播種單體，每組播種單體在壟溝施肥，壟溝兩側(cè)播兩行冬小麥，側(cè)向施肥。

2.2工作原理

為實(shí)現(xiàn)種、肥分施, 該播種機(jī)采用分草施肥部件和銳角播種開(kāi)溝器組合。采用分草施肥部件主要起到對(duì)壟間散落的秸稈及雜草清理的作用。播種開(kāi)溝器采用弧形開(kāi)溝器,其入土效果好、動(dòng)土量少、開(kāi)溝深度穩(wěn)定性好、不攬動(dòng)土層,可滿(mǎn)足保護(hù)性耕作的要求。

該播種機(jī)與拖拉機(jī)配套使用,釆用三點(diǎn)懸掛式。作業(yè)時(shí)，在拖拉機(jī)牽引和機(jī)器自重的作用下,地輪通過(guò)鏈條帶動(dòng)傳動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械式排種、排肥裝置。地輪同時(shí)起到仿形地輪的作用, 當(dāng)?shù)孛娓叩推鸱鼤r(shí),平行四桿上下仿形機(jī)構(gòu)起作用；當(dāng)壟形有彎曲狀時(shí),平行四桿左右仿形機(jī)構(gòu)起作用。隨后，開(kāi)溝器劃開(kāi)土壤，種子和肥料通過(guò)導(dǎo)種、導(dǎo)肥管落入開(kāi)溝器所開(kāi)的溝內(nèi)，通過(guò)覆土器、鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土、鎮(zhèn)壓，完成播種全過(guò)程。

1.主梁　2.雙向仿形機(jī)構(gòu)　3.傳動(dòng)鏈輪　4.種肥箱

參數(shù)單位數(shù)值整機(jī)質(zhì)量kg200外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm1400×1500×1300配套動(dòng)力kW17～30作業(yè)行數(shù)行6適應(yīng)壟距cm65～75播種行距cm25～30施肥深度cm7～8播種深度cm4～5作業(yè)速度km/h4排種器形式外槽輪式排肥器形式外槽輪式

3主要工作部件的設(shè)計(jì)

3.1雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)

控制好播種機(jī)開(kāi)溝深度和確保在壟溝兩側(cè)播種冬小麥?zhǔn)遣シN機(jī)單體的關(guān)鍵，所以仿形機(jī)構(gòu)是播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一[12]。雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1.機(jī)架　2.上下仿形桿　3.仿形架　4.左右仿形桿　5.主梁連接板

3.1.1左右仿形角的確定

播種單體左右仿形有助于播種機(jī)根據(jù)壟形變化在壟溝兩側(cè)播種冬小麥，可以確保開(kāi)溝器不能上到壟臺(tái)上傷害作物。左右仿形四連桿的主要參數(shù)如圖4所示。

圖4　左右平行四連桿結(jié)構(gòu)示意圖

從圖3可知：左右仿形量與左右仿形桿長(zhǎng)度的關(guān)系為

x=L1sinα′

(1)

式中α′—左右仿形角 (°)；

L1—左右仿形桿的長(zhǎng)度(mm)；

x—左右總仿形量(mm)。

為確保播種單體工作穩(wěn)定，左右仿形量按照仿形量大小為50～70mm即x=50～70mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用不限制仿形角度的工作方式，初始工作角為0。取左右仿形桿長(zhǎng)度L1=220mm，則左右仿形角為

(2)

取左右仿形桿長(zhǎng)L1為220mm，橫向?qū)抋為200mm。

3.1.2上下仿形角的確定

播種單體上下仿形有助于播種機(jī)控制好開(kāi)溝深度。上下仿形四連桿的主要參數(shù)如圖5所示。

圖5　上下平行四連桿結(jié)構(gòu)示意圖

由圖5可知：上下總仿形量與上下仿形桿長(zhǎng)度的關(guān)系為

y=L2sinα

(3)

式中α—上下仿形角 (°)；

L2—上下仿形拉桿的長(zhǎng)度(mm)；

y—上下總仿形量(mm)。

由式(3)可知：上下仿形量一定時(shí)，上下仿形拉桿與仿形角成反比，上下仿形拉桿越長(zhǎng)，仿形角越小，表明仿形角α變化范圍越??；上下仿形拉桿越短，仿形角越大，表明仿形角α變化范圍越大。但是，上下仿形拉桿越長(zhǎng)，仿形結(jié)構(gòu)變長(zhǎng)，使機(jī)具重心后移，導(dǎo)致懸掛式播種機(jī)機(jī)組的縱向穩(wěn)定性變差[13-14]。

由于冬小麥在秋天播種，田間土壤硬度較大，為了能夠滿(mǎn)足開(kāi)溝器開(kāi)溝深度，播種機(jī)仿形量為50～70mm，即y=100～140mm。取上下仿形拉桿L=350mm，則上、下仿形角為

(4)

3.2銳角播種開(kāi)溝器

開(kāi)溝器主要由入土開(kāi)溝部分和鏟柄組成，如圖6所示。入土開(kāi)溝部分設(shè)計(jì)成銳角圓弧式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起土方便、主要參數(shù)有入土角α、入土隙角β及曲率半徑R。這種開(kāi)溝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)銳角部分能夠保證鏟子順利入土，圓弧部分可以降低土壤對(duì)鏟子的行進(jìn)阻力。

在參數(shù)選擇時(shí)，入土角過(guò)大不易于入土，過(guò)小強(qiáng)度不夠，一般在25°～55°范圍內(nèi)，取α=36°；入土隙角過(guò)大土壤提前回落，影響播深，過(guò)小入土能力差，一般在5°～10°范圍內(nèi)，取β=5°；曲率半徑過(guò)小行進(jìn)阻力增加，過(guò)大鏟子結(jié)構(gòu)過(guò)長(zhǎng)，強(qiáng)度降低，取R=100mm。鏟柄采用30mm×50mm中空方管，中空方管可兼做導(dǎo)種通道，連接處采用套管形式與單體機(jī)架聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用。

1.入土開(kāi)溝部分　2.鏟柄

3.3分草施肥部件

由于壟間套播時(shí)，壟溝內(nèi)會(huì)有雜草生長(zhǎng)，在播種作業(yè)時(shí)纏繞在播種開(kāi)溝器上，造成兩個(gè)開(kāi)溝器之間推拖。因此，設(shè)計(jì)一種分草施肥部件，它能夠?qū)艤蟽?nèi)的雜草分到壟臺(tái)上，同時(shí)在壟溝內(nèi)開(kāi)溝施肥，實(shí)現(xiàn)冬小麥的種、肥分施。分草施肥部件由除草鏟、分草板、施肥管等組成，如圖7所示。

1.除草鏟鏟尖　2.分草板　3.除草鏟鏟柄　4.施肥管

4田間試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)條件

壟間套播冬小麥免耕播種機(jī)田間試驗(yàn)于2014年9月23日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)地的前茬作物是未成熟的大豆作物，平均壟距為650mm，土壤含水率為16.08%(0～5cm)、16.52%(5～10cm)；壟臺(tái)土壤堅(jiān)實(shí)度為0.44MPa(5cm)、0.87MPa(10cm)、1.41MPa(15cm)，壟溝土壤堅(jiān)實(shí)度為0.78MPa(5cm)、1.41MPa(5cm)、2.26MPa(5cm)；作業(yè)速度為4km/h。試驗(yàn)所用冬小麥品種為東農(nóng)冬麥1號(hào)，種子千粒質(zhì)量平均為35.3g。

4.2試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20865-2007的檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法進(jìn)行試驗(yàn),本次田間試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容主要包括播種深度、施肥深度、出苗情況、麥苗干重及冬小麥返青率等。

4.2.1播種深度合格率的測(cè)定

播種深度合格率是指覆土深度在30～60 mm范圍內(nèi)的點(diǎn)占總測(cè)定點(diǎn)的百分?jǐn)?shù)。壟距700 mm，隨機(jī)選取6行，每行在10m內(nèi)隨機(jī)選取5點(diǎn)，人工扒土進(jìn)行播種深度的測(cè)量。播種深度在30～60 mm范圍內(nèi)為合格，計(jì)算公式為

(5)

式中α—播種深度合格率(%)；

h1—播種深度合格點(diǎn)數(shù)(粒)；

h0—測(cè)定總點(diǎn)數(shù)(粒)。

4.2.2施肥深度的測(cè)定

隨機(jī)選取4行，每行隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，人工扒土，測(cè)量壟溝底面與肥料之間的垂直距離。

4.2.3種子出苗速率的測(cè)定

在田間隨機(jī)選取4個(gè)測(cè)區(qū)并做標(biāo)記，每個(gè)測(cè)區(qū)選取6行，每行長(zhǎng)度為0.6m，共24行。從首次出苗日期開(kāi)始，第1、3、7、13、21天進(jìn)行查苗直到出苗數(shù)不變?yōu)橹梗⒂涗洺雒鐢?shù)。出苗速率計(jì)算公式為[15]

(6)

式中SE—種子出苗速率[(株·d-1)/m]；

Ni—出苗數(shù)(株)；

di—查苗間隔天數(shù)(d)；

L—被查行長(zhǎng)度(m)。

4.2.4麥苗干重的測(cè)定

在出苗穩(wěn)定后，隨機(jī)選取5行，每行隨機(jī)選取5株苗，測(cè)其分葉數(shù)，放入已稱(chēng)重烘干后的信封中并稱(chēng)總重；將信封放入干燥箱內(nèi)在80C。溫度下烘干48h，并稱(chēng)烘干后的總重，測(cè)得麥苗干重，公式為

G=G1-G2

(7)

式中G—麥苗干重(g)；

G1—烘干后裝有麥苗的信封的質(zhì)量(g)；

G2—烘干后信封的質(zhì)量(g)。

4.2.5冬小麥返青率的測(cè)定

越冬期過(guò)后，在冬小麥處于次年返青期時(shí)，測(cè)其返青率。在冬小麥返青期時(shí)，對(duì)測(cè)定出苗速率時(shí)標(biāo)記的4個(gè)測(cè)區(qū)，進(jìn)行查苗，并記錄返青數(shù)。返青率的計(jì)算公式為

(8)

式中R—冬小麥返青率(%)；

Ni—出苗數(shù)(株);

Nj—返青數(shù)(株)。

4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

免耕播種后，測(cè)試結(jié)果表明：播種機(jī)播種深度平均值為45.9mm，合格率為86.7%；肥料平均覆土深度為76.5mm，合格率為91.2%(見(jiàn)表2)；能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)地區(qū)播種深度在40～60mm，側(cè)向施肥深度在70～90mm左右的農(nóng)藝要求。試驗(yàn)地區(qū)每0.6m出苗數(shù)平均值為40株，出苗速率平均值為每米每天4.88株，冬小麥次年返青率平均值為85.3%，如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：播種機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠適應(yīng)高寒地區(qū)冬小麥的種植要求。

表2　播種和施肥深度測(cè)定結(jié)果

表3　出苗情況和返青率測(cè)定結(jié)果

5結(jié)論

1)為滿(mǎn)足高寒地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)的越冬要求，提出了在低矮作物未成熟時(shí)壟間(壟溝兩側(cè))套播冬小麥的播種方式。研制了壟間套播冬小麥免耕播種機(jī)，可在壟間一次完成施肥、播種、鎮(zhèn)壓及覆土作業(yè)。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)能夠滿(mǎn)足壟間(壟溝兩側(cè))套播冬小麥的播種要求。

2)為了解決播種開(kāi)溝器播種時(shí)既不能上壟臺(tái)，又不能在壟溝內(nèi)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)上下、左右仿形功能。根據(jù)上下、左右仿形量等要求確定了仿形機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)：上下仿形拉桿長(zhǎng)度為350mm，左右仿形拉桿為220mm，仿形機(jī)構(gòu)橫向?qū)挾葹?00mm。

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Design and Experiment of Winter-wheat No-tillage Seeder for Inter-planting

Cao Xiuzhen， Zhao Shuhong，Liu Hongjun， Yang Yueqian，Zhou Yong

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Winter wheat no-tillage seeder for inter-planting was designed to meet the agro-technical requirements of ridge (both sides in the furrow) inter-planting winter wheat cultivation technique when the low crop is still not mature, which can perform inter-ridge operations including fertilizing, seeding, covering and rolling at a time. As the previous crop is still growing, winter wheat is sowed at both sides in the furrow. In order to protect the growing crops on the ridge, bidirectional parallelogram linkage profiling mechanism was designed, which can simultaneously achieve upper and lower, left and right profiling functions. Field test results show that: the average value of seeding depth is 45.9 mm and the passing rate is 86.7 %; the average value of fertilizer depth is 76.45 mm and the passing rate of 80%; the average value of emergence rate SE of winter wheat is 4.88 daily in one meter; the average value of seedling emergence is 65.92 in one meter and the average over-wintering rate is 85.3%.

Key words：inter-planting； winter wheat； no-tillage seeder； bidirectional profiling

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0157-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：曹秀振(1992-)，男，河南濮陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)1050609312@qq.com。通訊作者：趙淑紅(1969-)，女，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)shhzh091@sina.com。

基金項(xiàng)目：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2010RCB45)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275086)

收稿日期：2015-08-25