星形齒刀防堵式小麥免耕播種機設計與試驗

王 彬，馬 蕾，周 進

(1.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院 機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安 223003；2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南 250100)

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星形齒刀防堵式小麥免耕播種機設計與試驗

王 彬1，馬 蕾1，周 進2

(1.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院 機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安 223003；2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南 250100)

我國北方的一年兩熟種植區(qū)，經(jīng)常玉米地播種小麥，但由于收獲后田間玉米秸稈殘渣量大、根茬粗且韌性強，容易導致小麥免耕播種機通過性能差，極易出現(xiàn)堵塞。為此，設計了一種星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機。同時，描述了該機的總體設計方案及星形齒刀式鋸切防堵裝置、銳角短翼型開溝器和雙圓盤開溝播種器等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，并確定了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。田間試驗證明：該防堵裝置不僅可以很好地切斷玉米秸稈，還能及時預防堵塞，以保證小麥免耕播種機的田間通過性。該機具的研制豐富了我國北方一年兩熟區(qū)免耕播種機具的多樣性，對免耕播種技術(shù)的推廣具有積極意義。

小麥；免耕播種機；星形齒刀；保護性耕作

0 引言

保護性耕作是建立在農(nóng)業(yè)機械化基礎上的，如秸稈粉碎、農(nóng)田深松、免耕播種等關(guān)鍵作業(yè)，只能依靠機器來完成[1-3]。當前，全球已有70多個國家推廣應用保護性耕作[4]。將農(nóng)作物秸稈碎片及其根茬作為地表覆蓋物的處理方式是保護性耕作技術(shù)的具體體現(xiàn)之一；但是覆蓋地表的秸稈和根茬會給免耕播種帶來較大的困難[5]。尤其在我國北方一年兩熟區(qū)，小麥的免耕播種由于前輪作物玉米收獲后地表玉米秸稈覆蓋量大，且其根茬粗、韌性強，導致小麥免耕播種機在作業(yè)過程中很容易出現(xiàn)堵塞。要使其避免秸稈的堵塞，實現(xiàn)較好的防堵及通過性能，采用主動式防堵裝置是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)[6-7]。

當前，在國內(nèi)一年兩熟種植區(qū)廣泛使用的動力驅(qū)動式防堵裝置主要有帶狀旋耕式、帶狀粉碎式及帶狀破茬式3種，主要利用“擊”“拋”等原理，起到防堵的效果；但存在土壤擾動大、土壤破壞嚴重及動力消耗大等問題[8-10]。因此，需要設計新型小麥免耕防堵裝置，既能減少地表的土壤擾動和單位面積消耗，又能降低播種帶上的秸稈[11-14]。

針對以上問題，在設計新型小麥免耕播種機防堵裝置時，利用“切”斷秸稈的原理，研究設計了一種星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機。該機采用主動鋸切式防堵裝置，刀片為星形齒刀，利用動力驅(qū)動該刀片將覆蓋于地表的秸稈和根茬切斷，防止秸稈對后續(xù)開溝器的纏堵，此刀片具有不易纏草及滑切能力強的特點。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)我國北方一年兩熟區(qū)玉米秸稈量大、根茬粗、韌性強的特點，所設計的星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機主要由防堵裝置、開溝器、種箱、開溝播種器、鎮(zhèn)壓輪、地輪、變速箱及機架等構(gòu)成，如圖1所示。

1.變速箱 2.星形齒刀式主動鋸切防堵裝置 3.銳角短翼型開溝器 4.雙圓盤開溝播種器 5.鎮(zhèn)壓輪 6.地輪 7.機架 8.種肥箱圖1 星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Active Attempts to Prevent the Blade Sawing

Star Style No-till Planter for Wheat

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 工作原理

星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機通過三點懸掛裝置懸掛于拖拉機后方。作業(yè)過程中，首先拖拉機經(jīng)后傳動輸出軸和變速箱將動力傳遞給防堵裝置，防堵裝置的星形齒刀在動力驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)并對開溝器前方的地表秸稈與根茬進行切斷，以保證機具的通過性能；然后,銳角短翼型開溝器在機具的牽引帶動下對小麥播種行進行開溝，為后續(xù)工序準備種溝；隨之,種肥箱通過雙圓盤開溝播種器的引導作用在種溝中進行施肥和小麥播種；最后,由鎮(zhèn)壓輪對已播種地表完成覆土和鎮(zhèn)壓工序。該機具一次作業(yè)可以依次實現(xiàn)切茬防堵、開溝、種肥播種、覆土及鎮(zhèn)壓等多道工序。

2 關(guān)鍵部件的設計

2.1 星形齒刀的結(jié)構(gòu)設計

作為免耕播種機的重要組成部件，防堵裝置的主要作用是切碎地表雜草和莖稈殘渣，有效避免開溝器作業(yè)過程中出現(xiàn)纏繞堵塞現(xiàn)象。

本文防堵裝置采用鏈傳動式，將其設計為星形鋸齒狀。星形齒刀圓周有若干星齒，星齒刃口長，刀刃頂部小，根部大，且?guī)в幸欢ò级?，相比直形鋸齒而言，其滑切作用大，切茬和碎茬能力強，且不易纏草。星形動刀片刀尖與開溝器之間最小距離設計為20mm，與地面之間最小距離設計為20mm，在實現(xiàn)防堵的同時可以保證刀片不入土，減少動土量，進而減小動力消耗。

刀片的主要參數(shù)直接決定了防堵裝置的作業(yè)效果，包括刀片直徑D、刀片寬度B及刀齒的刃口曲線。

1)刀片直徑及厚度。設計中，若星形動刀片的回轉(zhuǎn)半徑過小，會導致刀軸過低而纏繞秸稈和雜草，進而引起防堵裝置自身的堵塞，因此動刀片的回轉(zhuǎn)半徑不能太?。蝗羝浠剞D(zhuǎn)半徑過大，雖然刀軸避免了纏草堵塞，但作業(yè)過程中刀片與秸稈的接觸面積會增加，阻力也隨之增加，從而增大刀軸所受的扭矩和機具功率的消耗。綜合考慮免耕播種機的田間通過性能與功率消耗，結(jié)合其結(jié)構(gòu)要求，本設計取刀片直徑為D=400mm，刀片厚為B=5mm。

2)星形刀齒的刃口曲線。本設計將星形刀齒的齒數(shù)設計為6個，沿圓周方向等角度分布。星形刀齒刃口曲線的形狀應保證工作時的滑切作用和星齒有足夠的強度和剛度。星形刀齒刃口曲線是環(huán)面上的一條空間曲線，設計時可以在展開圖上作出，如圖2所示。

圖2 星齒刀片刃口曲線Fig.2 Cutting curve of star gear type blade

刃口曲線的曲率中心位于以刀片中心為圓心、Q為半徑的圓周上，曲率半徑為R，齒底圓半徑為r，刃口曲線上任意一點的滑切角τ與Q、R及θ角之間的關(guān)系為

(1)

以刃口P點所在曲線為研究對象(見圖2)，其展開圖軌跡方程為

(2)

式中 τ—滑切角(°)；

θ—刃口曲線上任意一點與刀片中心連線和水平線之間的夾角(°)；

Q—刃口曲線曲率中心所在軌跡圓半徑(mm)；

R—刃口曲線曲率圓半徑(mm)；

r—鋸齒底圓半徑(mm)；

D—刀片直徑(mm)。

由式(1)可知：當Q/R為定值時，最小滑切角是在θ=0°的情況下即為保持土壤在刀刃上的滑切，應使刃口刃線上各點對應的τ角均大于其與土壤的摩擦角(本設計取35°)，即τ≥35°。經(jīng)試驗得：Q/R≤0.82時，鋸狀齒刀在切破能力和強度上能達到一個較優(yōu)平衡。本設計取r=120mm，R=150mm，Q/R=0.7，故Q=105mm，代入式(2)有

(3)

其中，y的取值范圍為13.928 mm≤y≤135.83 mm；非刃口段直線與刃尖端部到刀片圓心連線之間呈20°夾角。

2.2 防堵裝置星形齒刀轉(zhuǎn)速的確定

主動鋸齒防堵裝置是利用安裝在開溝器前方旋轉(zhuǎn)刀軸上的刀片將小麥播種行上的玉米秸稈和根茬切破、粉碎，進而實現(xiàn)防堵的目的。其秸稈切碎裝置由星形齒刀、驅(qū)動鏈條及鏈輪等部件構(gòu)成。防堵裝置中的星形鋸齒粉碎刀在離地面20mm處通過，不入土，因此不會對土壤造成擾動破壞；高速旋轉(zhuǎn)的星形齒刀對開溝器前方的秸稈和根茬有很強的粉碎和后拋能力，因此防堵性好。本設計只在開溝器對應前方安裝星形齒刀，粉碎必要地表秸稈及雜草，如此可以有效地減少粉碎時動力消耗。

主動鋸切防堵裝置的運動參數(shù)與耕作質(zhì)量密切相關(guān)，其運動參數(shù)主要為刀軸旋轉(zhuǎn)速度n。確定轉(zhuǎn)速的原則是：在滿足耕作質(zhì)量的前提下，盡可能取最佳值，以獲得較好的節(jié)能效果。星形齒刀其運動受力分析如圖3所示。

圖3 星齒刀片速度分析Fig.3 Schematic diagram of motion analysis for star gear type blade

星形齒刀繞著刀軸作圓周運動，其轉(zhuǎn)速n等于刀軸的轉(zhuǎn)速，星形齒刀工作時的絕對速度是由機組的前進速度vm和其自身的角速度w合成，如圖3所示。選取星齒刀末端任意一點O的坐標為(x,y)，該點運動軌跡為余擺線，其運動方程為

(4)

式中x—刀片末端某點O運動軌跡的瞬時橫坐標；

y—刀片末端某點O運動軌跡的瞬時縱坐標；

Vm—機器前進速度，作業(yè)速度取5～6 km/h；

d—O點到刀片中心的距離即回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

t—時間。

將式(4)兩邊對時間t進行求導，可得

(5)

因此，鋸齒刀端點O的絕對速度為

(6)

式中vc—鋸齒刀端點O絕對速度(mm/s)；

vx—O點水平分速度(mm/s)；

vy—O點豎直分速度(mm/s)；

w—刀片旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)。

室內(nèi)秸稈切割試驗表明[15]：玉米根茬直徑d1范圍為4～6 mm，含水率為10.2%～68.8%；根茬秸稈在有支撐情況下的臨界切斷速度vc取值范圍為0.83～7.7 m/s。試驗中，機具前進速度vm=5～6 km/h，代入式(6)計算可得星形刀片端點角速度w=29.31～34.54 rad/s。角速度w與轉(zhuǎn)速n之間滿足公式為

(7)

式中w—刀片旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

n—刀軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

代入數(shù)據(jù)到式(7)，得刀軸轉(zhuǎn)速n=280～330 r/min。

設計時，在滿足機具功率消耗標準要求的前提下，星形齒刀旋轉(zhuǎn)速度越快，開溝器前方的地表覆蓋秸稈和根茬被切破、粉碎得越徹底，則開溝器越不容易被秸稈纏繞堵塞，機具的通過性能越好。本設計確定星形齒刀轉(zhuǎn)速為330 r/min，即動刀軸轉(zhuǎn)速n=330r/min。

2.3 開溝器的設計

保護性耕作技術(shù)要求盡量減少對土壤的擾動，防止破壞土壤結(jié)構(gòu)而造成較大的損失。免耕播種是保護性耕作的一種重要形式，也應遵循這個原則。

開溝器的主要作用是在田間開出種溝，方便后續(xù)的播種及施肥，是播種機的關(guān)鍵部件之一。播種機作業(yè)時，地輪在壟溝中行走；播種時，壟上秸稈覆蓋較多，開溝器除滿足播種質(zhì)量的要求外，還必須適應收獲后不翻耕的土壤特性。 免耕地表較傳統(tǒng)翻耕整地后的地表堅實，且有大量的秸稈覆蓋，開溝器入土困難、阻力大，要求開溝器在具有良好的破茬入土性能的同時還應盡量減少對土壤的擾動。

因銳角短翼型開溝器遇到阻力增大時朝下扎且入土能力強，無需很大的配重，且其開出的溝與深松的溝形相似，即土壤上下松動，原地放回，不翻土，不亂土層?；趯Ρ龋疚膶㈤_溝器設計為銳角短翼型，其鏟面升角為α=30°，翼板升角為β=25°，入土隙角為γ=5°，開溝寬度為H=20mm，如圖4所示。

圖4 銳角短翼型開溝器示意圖Fig.4 Schematic diagram of the acute angle colter

2.4 雙圓盤開溝播種器

星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機采用雙圓盤開溝播種器，設計為兩圓盤下邊緣接觸，盤面成一定夾角，功用為切開并轉(zhuǎn)移土壤，為播種機在種溝進行播種和施肥創(chuàng)造有利條件。作業(yè)時，成一定夾角的雙圓盤開溝播種器在拖拉機的牽引下滾動，前行過程中不斷將土壤向后向外翻起，形成“V”型種溝。工作過程中，當圓盤的后翼離開土壤之前，小麥種子和肥料通過位于兩圓盤中間的導種管及導肥管依次播種到種溝。圓盤直徑和圓盤夾角是雙圓盤開溝播種器的兩個主要參數(shù)，直接影響開溝阻力及播種施肥的效果[15]。通過試驗，播種器圓盤直徑選取為350mm，兩圓盤盤面夾角為12°。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

田間播種試驗選擇在山東省農(nóng)機研究院的科研試驗基地進行，選用泰山—30拖拉機作為配套動力。主要測試指標為：星形齒刀式主動鋸切防堵裝置的防堵效果、播種機的播種施肥深度及覆土效果等。田間播種試驗地為一年兩熟免耕播種地，前茬作物是種植行距為600mm的玉米，收獲后的玉米秸稈全部粉碎還田。其秸稈覆蓋量為3.75kg/m2，留茬高度為300～400mm，土壤類型為壤土，土壤緊實度為1.58×104Pa，土壤含水率為10.2%(0～5 cm)、14.8%(5～10 cm)。

3.2 試驗結(jié)果與分析

麥種、肥料及種肥間距的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 樣機試驗結(jié)果

由表2可以看出：星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機在一年兩熟區(qū)玉米秸稈粉碎還田地作業(yè)后，小麥種子平均播深為42 mm，合格率為96.4%，變異系數(shù)為8.91%；施肥平均播深為91 mm，合格率為90.2%，變異系數(shù)為5.43%；種肥間垂直距離為49 mm，合格率為92.3%，變異系數(shù)為6.24%。其中，肥料播深大概為種子播深的2倍，合格率均在90%以上，變異系數(shù)在5%～10%之間。這表明，星形齒刀主動鋸切防堵式小麥免耕播種機具有良好的播種施肥效果，完全符合小麥免耕播種機的設計及農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)星形齒刀主動鋸齒式小麥免耕播種機一次作業(yè)可依次實現(xiàn)切茬防堵、開溝、種肥播種、覆土及鎮(zhèn)壓等多道工序。其中，防堵裝置采用主動鋸切式，刀片設計為星形齒刀，具有不易纏草、滑切能力強的特點；開溝器設計為銳角短翼型，能夠開出85～105mm的種肥溝，種肥可直接播進土壤，避免晾籽情況的出現(xiàn)，保證出苗率。

2)作業(yè)過程中，該機器采用的星形齒刀主動鋸齒式防堵裝置及銳角短翼型開溝器相配合，能夠有效解決由秸稈、雜草等纏繞而造成的堵塞現(xiàn)象，而且通過性能良好，適用于我國一年兩熟區(qū)的玉米免耕秸稈覆蓋地。

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Experiment and Design of the Anti-blocking Star-gear Blade Type of No-till Planter for Wheat

Wang Bin1， Ma Lei1，Zhou Jin2

(1.Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering，Jiangsu Vocational and Technical College of Finance & Economics, Huai'an 223003,China；2.Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

According to the problem of straw blocking of no-till wheat planting in heavy corn residue and weed cover fields in annual double cropping areas of China, the active attempts to prevent the blade sawing star style no-till planter for wheat was designed. This paper mainly analyzed star gear type blade opener, the active short wings type mechanism and double disc for seeding. The field experiment showed that the machine could solve the residue and weed blocking effectively, has a good performance of passing and cutting stubble, that this new planter is an ideal no-till planter for wheat in annual double cropping areas of China.

wheat; no-till planter； star serrated knife; conservation tillage

2016-05-13

山東省科學技術(shù)發(fā)展計劃項目(2014GNC113003)

王 彬(1982-),男，山東日照人，碩士研究生，(E-mail) binau@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)06-0135-05