稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草一體機(jī)播種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

秦 寬 丁為民 方志超 杜濤濤 趙思琪 王 朕

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草一體機(jī)播種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

秦 寬 丁為民 方志超 杜濤濤 趙思琪 王 朕

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

目前免耕播種機(jī)多為收獲后免耕播種作業(yè)，未有將免耕播種系統(tǒng)與收獲、秸稈還田相結(jié)合的復(fù)式機(jī)型，為了滿足此種集成作業(yè)需要，達(dá)到搶農(nóng)時(shí)、提高作業(yè)效率、減少機(jī)器下地次數(shù)的目的，設(shè)計(jì)了一種免耕播種系統(tǒng)與稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草一體機(jī)相結(jié)合的機(jī)型，該播種系統(tǒng)主要由排種裝置、種溝開(kāi)溝裝置、拋土裝置構(gòu)成。性能試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的小型免耕開(kāi)溝器開(kāi)溝深度為3.1 cm，開(kāi)溝寬度為3.6 m，破茬率為83.4%；延伸板長(zhǎng)度為12 cm的拋土裝置單側(cè)拋土幅寬為105 cm，覆土厚度為2.2 cm，碎土率為97.8%，拋土均勻性為91.7%。播種系統(tǒng)水稻旱直播田間試驗(yàn)表明：當(dāng)播種系統(tǒng)播種水稻干種、濕種播量分別為112.5 kg/hm2、135 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量分別為6 532.4、6 510.0 kg/hm2，滿足一體機(jī)免耕旱直播的播種需求。

免耕播種； 聯(lián)合作業(yè)； 水稻直播； 種溝開(kāi)溝器； 拋土裝置； 試驗(yàn)

引言

江淮稻麥輪作區(qū)是我國(guó)糧食的主要產(chǎn)區(qū)，在保護(hù)性耕作推廣的大背景下，稻、麥免耕直播種植方式發(fā)展迅速[1-3]，國(guó)內(nèi)外均有成熟免耕直播機(jī)，例如美國(guó)凱斯公司研制的CaseSDX30免耕播種機(jī)，其開(kāi)溝器為單圓盤(pán)式,排種器為氣力式,可適應(yīng)高留茬覆蓋地多種作物的播種。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的2BMG-18型免耕施肥精少量播種機(jī)[4]，采用控制式密齒型排種器、波紋圓盤(pán)和雙圓盤(pán)組合式開(kāi)溝器，一次性完成切茬、開(kāi)溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)小麥精量播種。除單獨(dú)針對(duì)免耕播種作業(yè)設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)外，將免耕播種與秸稈還田相結(jié)合的復(fù)式作業(yè)機(jī)已有成熟機(jī)型，例如薛惠嵐等[5]研制的9QBF-150/8型秸稈覆蓋免耕施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)，在完成秸稈粉碎還田的基礎(chǔ)上進(jìn)行免耕播種。但針對(duì)水旱輪作，稻麥?zhǔn)斋@后破茬免耕旱直播并與收獲后秸稈集溝還田相結(jié)合的復(fù)式機(jī)型未見(jiàn)報(bào)道，本文針對(duì)此種免耕播種復(fù)式作業(yè)模式進(jìn)行研究。

為了收獲后可即時(shí)完成秸稈集溝還田及稻、麥的破茬免耕播種作業(yè)，以達(dá)到搶農(nóng)時(shí)，提高作業(yè)效率，減少機(jī)器下地次數(shù)，節(jié)約作業(yè)成本的目的，本文設(shè)計(jì)一套免耕播種系統(tǒng)，與本課題組設(shè)計(jì)的稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草多功能一體機(jī)相結(jié)合[6-9]，完成功能融合，為收獲后秸稈集溝還田與免耕播種相結(jié)合的復(fù)式作業(yè)模式提供研究思路。

1 播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

在稻麥輪作免耕直播的種植環(huán)境下，本課題組研制的稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草一體機(jī)[8-10](簡(jiǎn)稱(chēng)一體機(jī))可一次性完成收獲、集草溝開(kāi)溝、秸稈入溝[10-12]。本文在一體機(jī)原有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套播種系統(tǒng)與之相匹配，同時(shí)完成稻、麥旱直播。

一體機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由收獲機(jī)(4LL-1.8 型全喂入聯(lián)合收獲機(jī))、機(jī)器后方導(dǎo)草通道與集草溝開(kāi)溝器組成，導(dǎo)草通道安裝于集草溝開(kāi)溝器上方。以此為基礎(chǔ)集成播種系統(tǒng)，播種系統(tǒng)包括種箱、排種器、種溝開(kāi)溝器與拋土裝置。播種系統(tǒng)與一體機(jī)集成后結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)、安裝位置說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖1 一體機(jī)播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Seeding system structural diagram of harvest ditch and stalk-disposing machine1.排種器 2.種箱 3.收獲機(jī) 4.導(dǎo)草通道 5.集草溝開(kāi)溝器6.拋土裝置 7.谷物輸送槽 8.種溝開(kāi)溝器 9.排種管 10.割臺(tái)

表1 一體機(jī)主要參數(shù)及各部件安裝位置Tab.1 Main parameters and installing location of machine

一體機(jī)對(duì)上季作物進(jìn)行收獲時(shí)，秸稈通過(guò)導(dǎo)草通道落入集草開(kāi)溝器所開(kāi)集草溝內(nèi)。排種器同時(shí)對(duì)下季作物進(jìn)行直播，排種器播出種子通過(guò)排種管落入種溝開(kāi)溝器所開(kāi)種溝內(nèi)，集草溝開(kāi)溝器開(kāi)溝拋出土壤與拋土裝置相撞擊后，落在播種區(qū)域土表，對(duì)種子進(jìn)行覆土，一次性完成種溝開(kāi)溝、排種入溝、覆土的播種過(guò)程。

2 排種裝置起停機(jī)構(gòu)工作原理

播種系統(tǒng)選用外槽輪排種器對(duì)小麥、水稻進(jìn)行收獲后直播。為了給排種器提供工作動(dòng)力且方便控制排種器工作閉合與收獲作業(yè)起停一致，設(shè)計(jì)一套排種裝置起停機(jī)構(gòu)，使收獲機(jī)行走履帶為排種器提供工作動(dòng)力且使排種器作業(yè)閉合與收獲作業(yè)起停一致，當(dāng)收獲機(jī)割臺(tái)放下進(jìn)行收獲時(shí)，排種器同時(shí)進(jìn)行排種作業(yè)，反之則停止排種作業(yè)。

圖2 播種系統(tǒng)排種連桿控制機(jī)構(gòu)Fig.2 Seeding connecting rod control mechanism of seeding system1.連桿Ⅰ 2.連桿Ⅱ 3.連桿Ⅲ 4.傳動(dòng)鏈輪 5.履帶驅(qū)動(dòng)盤(pán) 6.行走履帶 7.傳動(dòng)軸 8.排種鏈輪 9.種箱 10.外槽輪排種器

如圖2a所示，排種裝置起停機(jī)構(gòu)為三連桿機(jī)構(gòu)，其工作原理如圖2b所示，連桿Ⅰ的A點(diǎn)與一體機(jī)割臺(tái)相連接，割臺(tái)升降沿軌跡弧線G1G2運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)連桿Ⅰ同步運(yùn)動(dòng)，連桿Ⅰ通過(guò)B點(diǎn)帶動(dòng)連桿Ⅱ沿J1方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿Ⅱ通過(guò)C點(diǎn)帶動(dòng)連桿Ⅲ的D點(diǎn)沿J2方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一體機(jī)放下割臺(tái)進(jìn)行收獲時(shí)，連桿Ⅰ的A點(diǎn)隨割臺(tái)向G1端靠近，此時(shí)連桿Ⅰ的B點(diǎn)與連桿Ⅱ共同向下做直線運(yùn)動(dòng)，連桿Ⅱ向下運(yùn)動(dòng)使連桿Ⅲ的D點(diǎn)向上做直線運(yùn)動(dòng)，連桿Ⅲ的D點(diǎn)連接傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸一端安裝履帶驅(qū)動(dòng)盤(pán)，另一端安裝傳動(dòng)鏈輪，連桿Ⅲ的D點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)使履帶驅(qū)動(dòng)盤(pán)與履帶嚙合，履帶驅(qū)動(dòng)盤(pán)被履帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)履帶驅(qū)動(dòng)盤(pán)通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)鏈輪，傳動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)排種鏈輪工作，從而達(dá)到使排種器工作的目的；反之，當(dāng)一體機(jī)割臺(tái)升起停止收獲作業(yè)時(shí)，履帶驅(qū)動(dòng)盤(pán)與履帶分離，排種動(dòng)力被切斷，排種器停止工作。

3 小型免耕開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

一體機(jī)收獲后直接在免耕地上進(jìn)行破茬播種，此時(shí)地表土壤板結(jié)且多茬[14]，特別是夏季水稻旱直播，田間麥秸稈殘茬較多，為避免種子落在殘茬表面[15]，保證種子可以與土壤接觸且具有一定入土深度，播種前需要使用種溝開(kāi)溝器進(jìn)行開(kāi)溝破茬[16]，為種子提供良好種床環(huán)境[17]。一體機(jī)機(jī)構(gòu)多，種溝開(kāi)溝器安裝空間小，因此在保證作業(yè)質(zhì)量的情況下，開(kāi)溝器自身體積應(yīng)盡量減小。開(kāi)溝器安裝于排種器下方、割臺(tái)與履帶之間，一體機(jī)播種幅寬為1.8 m，為保證稻、麥播種行距20 cm的農(nóng)藝要求，種溝開(kāi)溝器安裝9個(gè)，為等距離安裝。

3.1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的小型免耕開(kāi)溝器如圖3所示，為提高開(kāi)溝器在免耕留茬地入土性能，開(kāi)溝器設(shè)計(jì)為銳角式[18]。底端尖角點(diǎn)O為入土初始點(diǎn)，以圓柱為開(kāi)溝器主體，通過(guò)工作面圓弧過(guò)渡至安裝軸。開(kāi)溝器底端尖角易于打破板結(jié)地表而入土，減少動(dòng)力消耗，開(kāi)溝器工作面弧線便于后期入土，開(kāi)出一定深度的種溝，且不易于纏草。出種口位于開(kāi)溝器后方，可以保證種子順利入溝。

圖3 小型免耕開(kāi)溝器示意圖Fig.3 Diagram of small size no-tillage opener1.底端尖角 2.出種口 3.圓柱主體 4.安裝軸 5.圓弧翼鏟6.工作面圓弧 7.圓弧翼鏟外側(cè)曲線

3.1.1 入土角

入土角α為開(kāi)溝器工作面圓弧與開(kāi)溝器底面之間的夾角。α過(guò)大，入土性能變差，阻力增加，土層抬高，不利于保墑；過(guò)小，則底端尖角變長(zhǎng)，強(qiáng)度減弱,α應(yīng)該在20°～60°范圍內(nèi)。假設(shè)開(kāi)溝器工作面弧線所在圓方程為

(X-a)2+(Y-b)2=R2

(1)

式中a、b——圓心坐標(biāo)R——圓半徑，mm

如圖3所示，設(shè)開(kāi)溝器工作面圓弧底端尖角點(diǎn)O坐標(biāo)為(0，0)，端點(diǎn)與安裝軸連接點(diǎn)E坐標(biāo)為(40，100)，角α1、α2分別為O、E點(diǎn)的入土角，為滿足開(kāi)溝器入土性能，適應(yīng)不同土層的破茬開(kāi)溝，取α1=25°、α2=60°。M為工作面圓弧所在圓的圓心，P為圓弧上O、E點(diǎn)的切線交點(diǎn)。在四邊形OEMP和△OMP、△OEM中，有關(guān)系式

(2)

式中l(wèi)OE——O點(diǎn)與E點(diǎn)之間距離，mm

由E點(diǎn)坐標(biāo)得出lOE=108 mm。將α1、α2代入式(2)得R=180 mm。將O點(diǎn)(0，0)、E點(diǎn)(40，100)以及R代入式(1)，得開(kāi)溝器工作面弧線曲線方程為

(x+140)2+(y-114)2=1802

(3)

則工作面圓弧OE上任意一點(diǎn)的入土角α計(jì)算式為

(4)

式中l(wèi)——入土角α所對(duì)應(yīng)工作面圓弧上的點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，mm

小型免耕開(kāi)溝器入土深度為40 mm的I點(diǎn)，其坐標(biāo)為(40，70)，代入式(4)，得到I點(diǎn)的入土角α為36°。

3.1.2 圓弧翼鏟

小型免耕開(kāi)溝器采用尖角入土，開(kāi)溝時(shí)工作面自下而上起土，為了保證開(kāi)溝器起出的土壤和殘茬被撥向兩側(cè)，避免種溝上方留有殘茬及產(chǎn)生大量回土現(xiàn)象，在開(kāi)溝器上表面設(shè)計(jì)一對(duì)圓弧翼鏟。如圖3所示，圓弧翼鏟兩條外側(cè)曲線采用漸開(kāi)線設(shè)計(jì)，保證開(kāi)溝器起出的土壤與殘茬沿圓弧翼鏟外側(cè)曲線順利滑至種溝兩側(cè)。翼鏟外側(cè)曲線由兩條上下對(duì)稱(chēng)漸開(kāi)線A1、B1組成，A1、B1相交于E點(diǎn)，A1極坐標(biāo)方程為

(5)

式中r——漸開(kāi)線向徑，mmδ——漸開(kāi)線展角，(°)Rj——漸開(kāi)線基圓U半徑，mmθ——漸開(kāi)線壓力角，(°)

圖4 開(kāi)溝深度與寬度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experiment results of furrow depth and width

為確保圓弧翼鏟外側(cè)曲線與工作表面圓弧更好結(jié)合，基圓U半徑Rj與工作面圓弧半徑R同為180 mm，基圓U圓心與起始入土點(diǎn)O點(diǎn)重合，壓力角θ為50°，根據(jù)式(5)，得向徑r為278 mm，展角δ為18°，漸開(kāi)線軌跡端點(diǎn)與圓柱主體表面圓弧相交于K點(diǎn)。另一條圓弧翼鏟外側(cè)曲線由漸開(kāi)線A2、B2組成，與A1、B2以中心線相對(duì)稱(chēng)。

3.2 性能試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件

2015年3月25日在江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)真武鎮(zhèn)楊莊村對(duì)設(shè)計(jì)的小型免耕開(kāi)溝器進(jìn)行開(kāi)溝性能試驗(yàn)，試驗(yàn)田為免耕留茬地，土質(zhì)為黏土，試驗(yàn)田環(huán)境特性參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)田環(huán)境特性參數(shù)Tab.2 Characteristics parameters of experimental field environment

將9個(gè)小型免耕開(kāi)溝器等距離安裝在排種器下方，一體機(jī)作業(yè)速度為0.3 m/s，牽引開(kāi)溝器進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)，開(kāi)溝器入土深度為40 mm，以30 m為試驗(yàn)行程。一體機(jī)其它機(jī)構(gòu)不進(jìn)行工作，試驗(yàn)過(guò)程考察開(kāi)溝深度與寬度、破茬率。

3.2.2 開(kāi)溝深度與寬度

開(kāi)溝器開(kāi)溝后，在一個(gè)行程內(nèi)連續(xù)選取100個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量開(kāi)溝深度和寬度。

3.2.3 破茬率

在試驗(yàn)地開(kāi)溝播種帶上隨機(jī)選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置選取長(zhǎng)1 m、寬3 cm區(qū)域，試驗(yàn)前測(cè)量該區(qū)域內(nèi)的根茬數(shù)量；試驗(yàn)后，再次測(cè)量此區(qū)域內(nèi)的根茬數(shù)量。破茬率計(jì)算公式為

(6)

式中Ni——試驗(yàn)前第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)區(qū)域內(nèi)根茬數(shù)量，株

ni——試驗(yàn)后第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)區(qū)域內(nèi)根茬數(shù)量，株

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖4可知，30 m行程內(nèi)開(kāi)溝深度最大值與最小值相差1.3 cm，開(kāi)溝寬度最大值與最小值相差1.4 cm，通過(guò)計(jì)算可知，開(kāi)溝深度平均值為3.1 cm，開(kāi)溝寬度平均值為3.6 cm，開(kāi)溝深度變異系數(shù)為7.14%，開(kāi)溝寬度變異系數(shù)為7.85%；通過(guò)式(6)計(jì)算可知，開(kāi)溝器破茬率達(dá)到83.4%。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，開(kāi)溝器所開(kāi)種溝溝深在3 cm上下浮動(dòng)，溝寬在3.5 cm上下浮動(dòng)，溝型滿足種子入土深度與寬度要求，開(kāi)溝深度與寬度變異系數(shù)均小于10%，說(shuō)明溝深與溝寬穩(wěn)定。開(kāi)溝器破茬率達(dá)到83.4%，說(shuō)明開(kāi)溝器可以有效切斷秸稈殘茬且將殘茬移出播種帶位置。試驗(yàn)結(jié)果表明小型免耕開(kāi)溝器滿足一體機(jī)播種系統(tǒng)免耕地種溝開(kāi)溝破茬的需要。

4 拋土裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

一體機(jī)播種后，利用集草開(kāi)溝器開(kāi)溝作業(yè)拋出土壤并對(duì)已播種子進(jìn)行覆蓋，為滿足種子覆土需求，在集草溝開(kāi)溝器上方加裝拋土裝置，使開(kāi)溝器拋出土壤與拋土裝置相撞擊后，落入已播種區(qū)域，達(dá)到種子覆土目的。設(shè)計(jì)的拋土裝置要求拋出土壤與其碰撞后，土壤細(xì)碎、拋土均勻、覆土厚度與拋土幅寬適中。

集草溝開(kāi)溝器工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)方向與前進(jìn)方向相反，刀片由溝底向地表切土的過(guò)程中，將溝中土壤拋出，土壤拋出位置多集中在開(kāi)溝器圓盤(pán)上半部分邊緣處，為了使拋出土壤與拋土板發(fā)生碰撞后落入理想?yún)^(qū)域內(nèi)，使土壤細(xì)碎，增加拋土均勻性，重新設(shè)計(jì)的拋土裝置由一對(duì)對(duì)稱(chēng)的導(dǎo)流板與延伸板構(gòu)成[19]。

4.1 拋土裝置導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)

如圖5所示，為了使圓盤(pán)開(kāi)溝器銑切碎土能拋出一定距離，與土壤初步接觸的導(dǎo)流板主體設(shè)計(jì)為圓弧形狀。一體機(jī)集草溝開(kāi)溝器半徑RD為350 mm，為了保證拋土均勻，設(shè)計(jì)導(dǎo)流板內(nèi)圓、外圓與開(kāi)溝器同心，為了防止導(dǎo)流板與開(kāi)溝器相干涉，且為土壤拋出留出空間，設(shè)計(jì)導(dǎo)流板內(nèi)圓與開(kāi)溝器邊緣距離l為100 mm，因此內(nèi)圓半徑R1為450 mm。由于開(kāi)溝器拋出土壤多從開(kāi)溝器上半部分邊緣拋出，因此設(shè)計(jì)整個(gè)導(dǎo)流板張角γ為150°。為了使大部分碎土拋出一定距離，與延伸板相撞擊后落入理想?yún)^(qū)域，避免在開(kāi)溝器附近落下，設(shè)計(jì)導(dǎo)流板過(guò)渡弧線為最速降線LA，使拋出碎土容易沿LA過(guò)渡至延伸板。LA參數(shù)方程式為[20]

(7)

式中x——導(dǎo)流板寬度，cmy——導(dǎo)流板縱向最高點(diǎn)至內(nèi)圓豎直距離，mm

rp——滾圓半徑，mm

β——滾圓半徑所經(jīng)過(guò)的角度，即滾動(dòng)角，(°)

圖5 拋土裝置示意圖Fig.5 Schematic diagrams of throwing soil device1.拋土裝置 2.導(dǎo)流板 3.延伸板 4.集草溝開(kāi)溝器 5.導(dǎo)流板內(nèi)圓 6.導(dǎo)流板外圓

由于開(kāi)溝器拋出土壤多從開(kāi)溝器邊緣位置飛出，為了使拋出土壤可以沿導(dǎo)流板最速降線LA移動(dòng)，令滾圓半徑與開(kāi)溝器半徑RD一致，即rp為350 mm。導(dǎo)流板最速降線LA在與延伸板銜接點(diǎn)Z處切線為水平線，即此點(diǎn)處β角度為90°，將rp、β值代入公式(7)，可得x為199.5 mm，y為350 mm，即導(dǎo)流板寬度為199.5 mm，導(dǎo)流板外圓半徑R2為y、l與RD之和，即導(dǎo)流板外圓半徑R2為800 mm。

4.2 拋土裝置延伸板的設(shè)計(jì)

拋土裝置在原有導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)延伸板，以控制拋土裝置的拋土距離，延伸板是以導(dǎo)流板外圓為基礎(chǔ)向外延伸的水平板。

圖6 土垡與拋土裝置碰撞示意圖Fig.6 Schematic diagram of collision soil with throwing soil device1.土壤顆粒 2.延伸板 3.拋土裝置 4.導(dǎo)流板 5.集草溝開(kāi)溝器 6.田間土壤

如圖6所示，假設(shè)開(kāi)溝器拋出土壤顆粒從開(kāi)溝器邊緣位置被拋出，即土壤顆粒沿虛線拋出，與延伸板碰撞后落在土壤表面，延伸板長(zhǎng)度L計(jì)算式為

L=S-N-x

(8)

式中S——最大拋土幅寬,cmL——延伸板長(zhǎng)度，cmN——與延伸板最外端碰撞后土壤顆粒飛行距離，cm

N=vxt

(9)

式中vx——土壤顆粒與延伸板碰撞后水平速度，m/s

t——土壤顆粒與延伸板碰撞后下落時(shí)間，s

vx=vacosγ

(10)

式中va——土壤從集草溝開(kāi)溝器邊緣拋出速度，m/s

γ——土壤顆粒飛出點(diǎn)與延伸板撞擊點(diǎn)連線與延伸板夾角，(°)

(11)

式中h——延伸板與開(kāi)溝器中心距離，cm

(12)

式中H——延伸板離地距離，cmvy——土垡與延伸板碰撞后垂直速度，m/s

vy=vasinα

(13)

根據(jù)拋土幅寬要求，最大拋土幅寬范圍在100～110 cm，已知拋土裝置導(dǎo)流板寬度x為20 cm，土壤從集草溝開(kāi)溝器邊緣拋出速度va為6.7 m/s，延伸板與開(kāi)溝器中心距離h為45 cm，延伸板離地距離H為115 cm，將已知數(shù)據(jù)代入各式，可得延伸板長(zhǎng)度范圍應(yīng)為10.6～14.2 cm。

4.3 拋土裝置性能試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)條件

2015年3月27日在江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)真武鎮(zhèn)楊莊村對(duì)設(shè)計(jì)的拋土裝置進(jìn)行拋土性能試驗(yàn)，試驗(yàn)田環(huán)境特性與種溝開(kāi)溝器試驗(yàn)田相同，見(jiàn)表2。

分別將延伸板長(zhǎng)度L為11、12、13、14 cm的拋土裝置安裝在集草溝開(kāi)溝器上方，進(jìn)行拋土性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，一體機(jī)以0.3 m/s速度前進(jìn)，30 m為一個(gè)行程，其它機(jī)構(gòu)不進(jìn)行工作，集草溝開(kāi)溝器以350 r/min反轉(zhuǎn)進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)，開(kāi)溝深度為20 cm，拋土量為每轉(zhuǎn)拋土570 g，開(kāi)溝器作業(yè)拋出土壤與拋土裝置撞擊后覆蓋在土壤表面。試驗(yàn)后，考察單側(cè)拋土幅寬、覆土厚度、拋土均勻性、碎土率，試驗(yàn)方法參照NY/T 740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》，具體試驗(yàn)方法如下。

4.3.2 單側(cè)拋土幅寬

沿行程方向每3 m取一點(diǎn)，共取5點(diǎn)，沿垂直集草溝溝壁方向，測(cè)量拋土區(qū)域外沿至溝邊距離，共測(cè)3個(gè)行程。

4.3.3 覆土厚度

在4.3.2節(jié)測(cè)試方法對(duì)應(yīng)的各測(cè)量點(diǎn)處，沿垂直于集草溝溝壁方向，由內(nèi)向外依次分別收集測(cè)定20 cm×20 cm區(qū)域內(nèi)所拋土垡體積、質(zhì)量，并依據(jù)體積計(jì)算各區(qū)域覆土厚度。

4.3.4 拋土均勻性

依據(jù)4.3.3節(jié)測(cè)量方法所收集稱(chēng)量的各區(qū)域內(nèi)土垡質(zhì)量，計(jì)算拋土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差Q及拋土均勻性a。

(14)

(15)

式中Q——拋土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差M——拋土質(zhì)量，gn——測(cè)定點(diǎn)數(shù)，個(gè)m1——平均拋土質(zhì)量，ga——拋土均勻性，%

4.3.5 碎土率

將4.3.3節(jié)測(cè)試方法所收集的各區(qū)域內(nèi)土垡，按邊長(zhǎng)小于5 cm和大于等于5 cm分2級(jí)，并分別稱(chēng)量，計(jì)算碎土率E。

(16)

式中Wa——邊長(zhǎng)小于5 cm的土垡質(zhì)量，gWb——邊長(zhǎng)大于等于5 cm的土垡質(zhì)量，g

4.3.6 拋土裝置試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3結(jié)果可知，4種不同延伸板長(zhǎng)度L的拋土裝置覆土厚度均在2～3 cm之間；碎土率均在95%以上；拋土均勻性均在90%以上，滿足種子覆土農(nóng)藝要求。已知單側(cè)播種幅寬為100 cm，為了完全覆蓋播種區(qū)域，單側(cè)拋土幅寬應(yīng)大于單側(cè)播種幅寬，但過(guò)大會(huì)造成拋出土壤污染未收獲作物，且拋土重疊區(qū)域覆土厚度過(guò)大。因此單側(cè)拋土幅寬為105 cm、延伸板長(zhǎng)度L為12 cm的拋土裝置最適合一體機(jī)覆土需求。

表3 拋土裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment result of throwing soil device

5 播種系統(tǒng)水稻田間試驗(yàn)

一體機(jī)播種系統(tǒng)在稻麥輪作地區(qū)對(duì)于小麥免耕旱直播技術(shù)相對(duì)成熟，且產(chǎn)量穩(wěn)定，而此種輪作模式下水稻旱直播難點(diǎn)較多，包括收獲后田間麥秸稈殘茬較多，易造成稻種與土壤接觸不夠充分，難以為水稻出芽提供適宜種床環(huán)境。一體機(jī)播種系統(tǒng)小型免耕開(kāi)溝器可以破除播種帶上秸稈殘茬并推向兩側(cè)，使稻種可以播至播種帶種溝內(nèi)，達(dá)到種子入土的目的，后續(xù)拋土裝置對(duì)種子進(jìn)行覆土，使稻種具有一定播深，且和土壤充分接觸的情況下，具有適宜的土壤孔隙度及濕度。為考察一體機(jī)播種系統(tǒng)播種質(zhì)量及探究播量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，進(jìn)行播種系統(tǒng)水稻播種田間試驗(yàn)。

圖7 播種系統(tǒng)田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Field experiment of seeding system

5.1 試驗(yàn)條件

對(duì)設(shè)計(jì)完成的一體機(jī)播種系統(tǒng)于2016年6月10—12日在江蘇省泰州市姜堰區(qū)沈高鎮(zhèn)河橫村宏昌家庭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行水稻免耕播種試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。試驗(yàn)田為南北走向，長(zhǎng)141.3 m，寬50.9 m，面積為7 192.17 m2，土質(zhì)為砂土。具體試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 田間試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Parameters of field experiment

5.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)將田塊均分為6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)為70.7 m，寬為17.0 m，面積為1 201.9 m2，小區(qū)設(shè)置如圖8所示。播種試驗(yàn)時(shí)每個(gè)小區(qū)設(shè)置不同播量及干、濕稻種對(duì)比，濕種水稻提前浸種約一天時(shí)間，各小區(qū)播種方式設(shè)置如表5所示。試驗(yàn)時(shí)，一體機(jī)平均作業(yè)速度0.3 m/s，在一體機(jī)收獲的基礎(chǔ)上，播種系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行種溝開(kāi)溝、播種、拋土、覆土協(xié)同作業(yè)，進(jìn)行水稻免耕旱直播作業(yè)。播種系統(tǒng)播種時(shí)，調(diào)節(jié)開(kāi)溝器入土深度穩(wěn)定在2 cm左右，固定排種器轉(zhuǎn)速為35 r/min，通過(guò)調(diào)節(jié)排種器槽輪開(kāi)度控制播種量，在一個(gè)小區(qū)內(nèi)完成指定播量播種后，調(diào)節(jié)槽輪開(kāi)度，進(jìn)入下一個(gè)小區(qū)進(jìn)行指定播量播種，機(jī)器按圖8中虛線路徑依次進(jìn)行6個(gè)小區(qū)播種作業(yè)，播種時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)際播量略小于理論播量，播種后通過(guò)少量補(bǔ)種以達(dá)到理論播量值。待水稻成熟后，分別測(cè)量6個(gè)小區(qū)中水稻產(chǎn)量。

圖8 一體機(jī)播種系統(tǒng)播種試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置與作業(yè)路徑圖Fig.8 Experimental plot setting and routed drawing of harvest ditch and stalk-disposing machine

為更好說(shuō)明一體機(jī)播種系統(tǒng)水稻旱直播播種質(zhì)量，將當(dāng)?shù)貎蓧K不同水稻種植模式生產(chǎn)田塊作為對(duì)照組，生產(chǎn)田塊1(CK1)種植模式為旋耕整地后條播，旋耕機(jī)為姜堰新科機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的1ZSD-230型旋耕機(jī)，播種機(jī)為欣天農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)的2BGF-200型條耕施肥播種機(jī)，所播稻種為干種，實(shí)際播量為137.25 kg/hm2，播種品種與試驗(yàn)田播種品種一致，播種時(shí)間為2016年6月11日，播種后田間管理與試驗(yàn)田相同；生產(chǎn)田塊2(CK2)種植方式采用傳統(tǒng)機(jī)插秧形式，插秧機(jī)型為江蘇東洋機(jī)械有限公司生產(chǎn)的P600型插秧機(jī)，插秧時(shí)間為2016年6月12日。

表5 試驗(yàn)小區(qū)播量設(shè)置Tab.5 Seeding rate design of experimental plots

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

一體機(jī)播種系統(tǒng)水稻田間試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知，播種系統(tǒng)對(duì)水稻干種進(jìn)行旱直播，播量由90 kg/hm2增加至112.5 kg/hm2，產(chǎn)量增加320 kg/hm2，增幅為5.2%，產(chǎn)量增幅較明顯，播量由112.5 kg/hm2增加至135 kg/hm2，產(chǎn)量減少了7.4 kg/hm2，減幅為0.1%，產(chǎn)量未有明顯變化。播種系統(tǒng)對(duì)水稻濕種進(jìn)行旱直播，播量由90 kg/hm2增加至112.5 kg/hm2，產(chǎn)量增加387 kg/hm2，增幅為6.5%，產(chǎn)量增幅較明顯，播量由112.5 kg/hm2增加至135 kg/hm2，產(chǎn)量增加178.5 kg/hm2，增幅為2.8%，產(chǎn)量增幅較小。當(dāng)播量同為90、112.5、135 kg/hm2時(shí)，播干種小區(qū)較播濕種小區(qū)產(chǎn)量分別提高4.5%、3.2%、0.2%。在播量基本一致時(shí)，干種播種田塊與濕種播種田塊同旋耕整地后條播田塊相比，產(chǎn)量分別低11.9%與12.1%。干種播種田塊與濕種播種田塊同插秧田塊相比，產(chǎn)量分別低28.3%與28.5%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)播量值在合理范圍內(nèi)時(shí)，一體機(jī)播種系統(tǒng)對(duì)干、濕稻種的免耕旱直播產(chǎn)量穩(wěn)定，其中對(duì)于水稻干種旱直播，播量為112.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高，為6 532.4 kg/hm2；對(duì)于水稻濕種旱直播，播量為135 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高，為6 510.0 kg/hm2。在播量相同時(shí)，播種系統(tǒng)播種水稻干種產(chǎn)量高于播種水稻濕種產(chǎn)量。一體機(jī)播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量雖低于旋耕條播田塊產(chǎn)量，但差值小于900 kg/hm2；一體機(jī)播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量低于插秧田塊產(chǎn)量，但差值小于2 600 kg/hm2。

表6 一體機(jī)播種系統(tǒng)水稻田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Field experiment rice planting result of seeding system of harvest ditch and stalk-disposing machine

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的一體機(jī)播種系統(tǒng)包括排種裝置、種溝開(kāi)溝裝置、拋土裝置。排種裝置動(dòng)力來(lái)源于行走履帶，通過(guò)一組三連桿機(jī)構(gòu)控制排種閉合與收割作業(yè)起停同步；小型免耕開(kāi)溝器具有圓弧翼鏟結(jié)構(gòu)，在免耕地平均開(kāi)溝深度為3.1 cm，平均開(kāi)溝寬度為3.6 cm，破茬率為83.4%；拋土裝置具有延伸板結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度為12 cm時(shí)，單側(cè)拋土幅寬為105 cm，覆土厚度為2.2 cm，碎土率為97.8%，拋土均勻性為91.7%。

(2)使用一體機(jī)播種系統(tǒng)對(duì)水稻進(jìn)行免耕旱直播田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，在播量相同時(shí)，播種系統(tǒng)播種干種產(chǎn)量高于播種濕種產(chǎn)量。一體機(jī)播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量雖低于旋耕條播田塊產(chǎn)量，但差值小于900 kg/hm2；一體機(jī)播種系統(tǒng)免耕旱直播最高產(chǎn)量低于插秧田塊，但差值小于2 600 kg/hm2。當(dāng)播種系統(tǒng)播種水稻干種播量為112.5 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為6 532.4 kg/hm2，當(dāng)播種系統(tǒng)播種水稻濕種播量為135 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量為6 510.0 kg/hm2，此播種系統(tǒng)可滿足一體機(jī)免耕旱直播的播種需求。

(3)此套播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，與一體機(jī)其它機(jī)構(gòu)相匹配，一次性下地可以完成收獲、開(kāi)溝、集草、噴施、播種、覆土作業(yè)，減少機(jī)具下地次數(shù)，提高作業(yè)效率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，具有連收帶播搶農(nóng)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。

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19 陳玉侖，丁為民，方志超，等. 聯(lián)合收獲免耕直播機(jī)開(kāi)溝分土裝置拋土性能研究[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(6)：135-140. CHEN Yulun,DING Weimin,FANG Zhichao, et al. Soil dispersing performance research of ditcher and reflector of machine with combinative harvesting and no-till planting[J]. Journal of Nanjing Agricultural University,2013,36(6):135-140. (in Chinese)

20 老大中. 變分法基礎(chǔ)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

Design and Experiment of Seeding System for Harvest Ditch and Stalk-disposing Machine

QIN Kuan DING Weimin FANG Zhichao DU Taotao ZHAO Siqi WANG Zhen
(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

With the aim to reach the requirement of combined work harvest with no-tillage seeding, the seeding system matching with harvest ditch and stalk-disposing machine was designed. The seeding system designed included seeding device, furrow opener and throwing soil device. The seeding system used external force feed for sowing of crop and through a set of three link mechanism controlled start-stop. Furrow opener was designed small size no-tillage opener that had arc shovel. The throwing soil device designed included guide plate and extension plate. The experimental results of furrow opener showed that furrow width was 3.1 cm, furrow depth was 3.6 cm and straw of broken rate was 83.4%, and the furrow opener reached requirement of ditching and breaking straw. The experimental results of designed throwing soil device showed that when length of extension board was 12 cm, throwing soil width was 105 cm, thickness of covering soil was 2.2 cm, rate of breaking soil was 97.8% and uniformity of throwing soil was 91.7%, and throwing soil device reached requirement of seed covering. The paddy direct seeding field experiment of seeding system was done in Hongchang farm, Shengao town, Jiangyan district, Taizhou city, Jiangsu province and in the experiment the sowing in line after rotary tillage(CK1) and the traditional transplant rice seedlings(CK2) was done as control group. The experiment result showed that to dry direct-seeding of dry seed rice, the yield peak was 6 532.4 kg/hm2, when seeding rate was 112.5 kg/hm2. To dry direct-seeding of soaking seed rice, the yield peak was 6 510.0 kg/hm2, when seeding rate was 135 kg/hm2. The yield of paddy direct seeding field was less than that of CK1, but it had no significant difference compared with the yield of CK1. The yield of paddy direct seeding field was less than that of CK2, but the difference value of yield was within a rational range.

no-tillage seeding; integration of operation; paddy direct seeding; furrow opener; throwing soil device; experiment

2016-07-20

2016-08-22

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203059)

秦寬(1989—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究，E-mail: qinkuan_njau@163.com

丁為民(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究，E-mail: wmding@njau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.006

S225.3

A

1000-1298(2017)05-0054-09