2BMF-3型麥茬地免耕精播機(jī)防堵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周春燁

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰　214416)

0　引言

隨著保護(hù)性耕作技術(shù)的更新與發(fā)展，以及國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備投入的加大，在麥茬地不進(jìn)行土壤翻新、直接進(jìn)行農(nóng)作物播種的免耕精播機(jī)得到廣泛應(yīng)用，一系列型號(hào)和功能的精播機(jī)根據(jù)作業(yè)土壤、作業(yè)場(chǎng)合、播種作物類型及作業(yè)田間寬度等來(lái)滿足不同的要求。針對(duì)2BMF-3型麥茬地免耕精播機(jī)實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用，筆者通過(guò)對(duì)該機(jī)型防堵裝置的深入分析與探討，加之其他關(guān)鍵構(gòu)件的同步配合，獲取了有一定參考價(jià)值的設(shè)計(jì)參數(shù)，以改善和優(yōu)化其防堵裝置的防堵效果，減少其作業(yè)過(guò)程中種子堵塞的現(xiàn)象發(fā)生，一定程度上提高了免耕精播機(jī)的播種效率和播種質(zhì)量，以達(dá)到最終提高農(nóng)作物產(chǎn)量的目標(biāo)。為此，對(duì)該免耕精播機(jī)的關(guān)鍵防堵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期提高其清除播種帶及周邊的秸稈或雜物的清除率。

1　免耕精播機(jī)及其防堵技術(shù)

免耕精播機(jī)實(shí)現(xiàn)了播種與施肥同時(shí)進(jìn)行，省去翻地這一環(huán)節(jié)，更為重要的是結(jié)合自身各部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以更好地實(shí)現(xiàn)精量化播種。該機(jī)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于播種的作物種子進(jìn)行有序化種入土壤，經(jīng)后續(xù)的覆土可達(dá)到出苗率較高的效果。2BMF-3型麥茬地免耕精播機(jī)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。播種過(guò)程中，注意拖拉機(jī)牽引力的擋數(shù)選取，強(qiáng)調(diào)種植時(shí)行與行之間的間距。其工作原理為：通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行牽引裝置與精播機(jī)器之間力的傳遞，之后精播機(jī)的防堵裝置起作用，拋開(kāi)播種帶不相關(guān)的秸稈與雜物；開(kāi)溝器相繼開(kāi)始動(dòng)作，排種器與排肥器同時(shí)開(kāi)始播種與施肥相應(yīng)的動(dòng)作，最后完成覆土保墑工作。

圖1　2BMF-3型麥茬地免耕精播機(jī)外觀圖

表1　2BMF-3型麥茬地免耕精播機(jī)主要參數(shù)表

續(xù)表1

防堵技術(shù)的主要原理體現(xiàn)在如何有效地為精播機(jī)進(jìn)行播種施肥提供便利條件，在未經(jīng)過(guò)翻新耕地的原茬地土壤進(jìn)行播種。由于小麥秸稈的覆蓋會(huì)影響鏟刀的入土深度，因此防堵技術(shù)的改進(jìn)在于：其防堵裝置對(duì)小麥原茬的秸稈進(jìn)行最大效率的清除，剝離出暴露的土壤；隨之，播種鏟刀與施肥鏟刀的深入，種子合理有序進(jìn)入土壤，通過(guò)地輪的鎮(zhèn)壓等后續(xù)作業(yè)，在良好的水分、土壤有機(jī)質(zhì)生長(zhǎng)保證的環(huán)境下，出芽生長(zhǎng)。此領(lǐng)域防堵技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要體現(xiàn)在硬件裝置、軟件控制及精播機(jī)機(jī)體互相構(gòu)件間的合理安排與設(shè)計(jì)、合理選型與匹配等方面。

2　關(guān)鍵防堵裝置設(shè)計(jì)

防堵裝置已由被動(dòng)的防堵轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)、有效的清潔秸稈模式，筆者主要通過(guò)對(duì)此型式的免耕精播機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵防堵裝置的設(shè)計(jì)與完善，來(lái)提高精播機(jī)的清除秸稈率、降低播種作業(yè)的堵塞率。對(duì)于齒刀的齒面形狀選取星形，研究其工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度及切割麥茬的軌跡和曲線，尋求刃口的設(shè)計(jì)參數(shù)，重點(diǎn)在于開(kāi)溝、覆土等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。該裝置在整機(jī)中安裝部位的合理性需保證與排種、排肥協(xié)調(diào)相一致。本文關(guān)注鏟刀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的切茬角度和刀的齒數(shù)組合，理論的刀具作用及運(yùn)動(dòng)模型為

(1)

(2)

(3)

式中θ—切茬角度；

r—鏟刀運(yùn)動(dòng)半徑(mm)；

h—刀齒入土深度(mm)；

α—刀齒周向角度；

z—刀齒的排數(shù)；

n—刀具轉(zhuǎn)速(r/min)；

s—刀齒的總有效長(zhǎng)度(mm)；

L—防堵裝置刀軸的相對(duì)距離(mm)；

vm—精播機(jī)的行進(jìn)速度(km/h)；

ρ—防堵性能參數(shù)。

在改善了防堵裝置鏟刀形狀、齒型、大小，以及與排種器、傳動(dòng)部件、施肥器、整個(gè)機(jī)架的相互位置關(guān)系之后，加入計(jì)算機(jī)，構(gòu)成機(jī)體播種的自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于操作者進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)轉(zhuǎn)換與控制。監(jiān)視系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　免耕精播機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)圖

3　精播機(jī)試驗(yàn)與分析

3.1　試驗(yàn)方法

從整體播種作業(yè)角度入手，為提高播種種子的均勻性，主要考慮以下方面的因素：①合理的免耕精播機(jī)行進(jìn)速度；②鏟刀進(jìn)行播種時(shí)播種的力度與深度；③播種帶之間的行距靈活調(diào)整性；④同步肥料的入土深度與種苗的間距等。

設(shè)計(jì)了精播機(jī)在播種之前的清除秸稈、防堵采取的試驗(yàn)方法。小麥原茬地的秸稈清除效率為

(4)

式中B1—未清除障礙之前的秸稈量(kg/m2)；

B2—清除障礙之后的秸稈量(kg/m2)。

通過(guò)傳感裝置測(cè)定刀具在清除秸稈時(shí)所消耗的刀片功率，選取能夠承載較強(qiáng)麥茬莖部、根部作用力的鋼結(jié)構(gòu)硬度成分比值的防堵組件。刀片運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，半徑值與旋耕深度存在一定的回歸響應(yīng)關(guān)系。

圖3、圖4為防堵裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)后刀盤(pán)與所受變形大小、刀齒與最大等效應(yīng)力之間的變化關(guān)系。由此參數(shù)的對(duì)比與試驗(yàn)可以得出防堵裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)的刀齒、刀盤(pán)厚度，以適應(yīng)麥茬地的土壤硬度，實(shí)現(xiàn)免耕地很好清除播種帶障礙物，以利于排種部件進(jìn)行排種、施肥部件進(jìn)行同步施肥。

圖3　防堵裝置的刀齒厚度與最大應(yīng)力關(guān)系圖

圖4　防堵裝置的刀盤(pán)厚度與相應(yīng)變形大小關(guān)系圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出精播機(jī)在模擬作業(yè)速度、防堵裝置起關(guān)鍵作用的刀具回轉(zhuǎn)半徑和小麥秸稈殘茬的切斷效率三者之間的響應(yīng)關(guān)系，如圖5～圖7所示。與設(shè)計(jì)的期望值相比，誤差控制在允許精度范圍內(nèi)，通過(guò)不斷調(diào)整與優(yōu)化，獲取最佳技術(shù)參數(shù)。

3.2　試驗(yàn)分析

選取具有代表性的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。表2中，記錄3種不同免耕精播機(jī)在拖拉機(jī)不同行進(jìn)速度帶動(dòng)下所產(chǎn)生的清除障礙效果，可得出：選取防堵裝置中的鏟刀分布排數(shù)為4，行進(jìn)速度在4.5km/h左右時(shí)可達(dá)到最佳的麥茬秸稈與麥茬根部最佳的清除效果，此時(shí)清除率較高；燃油的消耗率在此試驗(yàn)中消耗波動(dòng)不大，可以在進(jìn)行此防堵裝置試驗(yàn)改善及優(yōu)化結(jié)構(gòu)中作為次要因素考慮，刀具排數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)速度和精播機(jī)整機(jī)的行進(jìn)速度作為主要因素考慮。試驗(yàn)相關(guān)情況如表2～表4所示。

圖7　回轉(zhuǎn)半徑、播種深度、切斷率三者之間響應(yīng)關(guān)系

表2　試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)記錄與優(yōu)化

表3　試驗(yàn)與設(shè)計(jì)相關(guān)性能參數(shù)比較

表4播種擾動(dòng)與播種帶幅度關(guān)系

Table 4Relationship between seeding disturbance and sowing band amplitude

序號(hào)播種帶幅度/mm土壤跟隨擾動(dòng)變化率/%1589.326410.33538.6平均58.39.4

通過(guò)最終的試驗(yàn)與設(shè)計(jì)相關(guān)性能技術(shù)參數(shù)匯總對(duì)比發(fā)現(xiàn)：播種的入土深度需要控制在45cm左右，有利于種子的出芽。此土壤層位的墑度及水分良好，加之表土麥茬秸稈的覆蓋，可實(shí)現(xiàn)良好的出芽率；另外，對(duì)于排種的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行有序、單粒、精量化的組織，保證種子播種的全覆蓋。因此，可以利用氣吸或者關(guān)電感應(yīng)等對(duì)種子進(jìn)行感應(yīng)與控制，做到排種一致、有序，同步進(jìn)行的施肥做到均勻、適量。預(yù)設(shè)與試驗(yàn)兩者之間的吻合度較高，誤差不超過(guò)10%，說(shuō)明此設(shè)計(jì)改善理念成立，并可以在實(shí)際播種作業(yè)中實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)論

2BMF-3型麥茬地免耕精播機(jī)與傳統(tǒng)播種機(jī)具相比，具有更好的排種、播種、施肥等性能。通過(guò)對(duì)免耕精播機(jī)防堵裝置相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用此防堵裝置同時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)合理匹配和設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)較好的播種帶部位麥茬秸稈清除效果；選取合理的行進(jìn)作業(yè)速度、進(jìn)行刀具型號(hào)和性能的合理安裝，可達(dá)到適宜種子發(fā)芽和生長(zhǎng)的播種深度，保證作物種子所需的土壤墑度和含水量，是一款值得廣泛推廣和應(yīng)用的農(nóng)作物播種機(jī)具。