壟作免耕播種機(jī)三維模型研究

羅紅旗 孟宇 李曉晴 石矛

[摘要]壟作與保護(hù)性耕作相結(jié)合是一項(xiàng)重要技術(shù)，有助于抵御春旱，控制風(fēng)蝕，逐步培肥地力。播種時利用機(jī)械裝置處理播種帶雜草，秸稈覆蓋可抑制壟溝雜草的生長，消除對除草劑的依賴。根據(jù)技術(shù)結(jié)合特性，分別建立了壟作免耕播種機(jī)的機(jī)架、開溝器、鎮(zhèn)壓器、地輪、修壟裝置等三維模型，總裝成整體播種機(jī)。本播種機(jī)可一次性完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù)。研究壟作免耕播種機(jī)的三維模型，可對其機(jī)械性能進(jìn)行分析，為樣機(jī)制造提供理論支撐，有利于推廣壟作免耕播種技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]壟作;免耕;播種機(jī);建模

[中圖分類號]S223.2[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

壟作技術(shù)中的土壟的形狀由壟臺和壟溝形成，地表總面積比平地耕作增加20%～30%，地溫能夠增高2～3℃，而且壟作技術(shù)中土壤溫差晝夜變化大，更便于光合產(chǎn)物積累，利用壟溝排水防澇。壟作與保護(hù)性耕作技術(shù)在我國實(shí)際應(yīng)用中還未能很好地結(jié)合，主要影響要素是機(jī)械耕作設(shè)備不過關(guān)，特別是適合壟作免耕技術(shù)的播種機(jī)還有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。目前國外的壟作免耕播種機(jī)一般是依靠機(jī)具重量驅(qū)使根茬處理裝置進(jìn)行破茬處理，但由于國內(nèi)的播種機(jī)一般屬于中小型，機(jī)身重量偏小，不適合直接使用國外的免耕播種機(jī)。國內(nèi)各地區(qū)實(shí)行壟作免耕地區(qū)的條件差異明顯，各自有著獨(dú)特的土壤條件、種植制度以及氣候條件，導(dǎo)致保護(hù)性耕作的作業(yè)實(shí)施體系也存在較大差異，各種研發(fā)的機(jī)具適應(yīng)能力較差，需要有針對性地開發(fā)研制相應(yīng)的壟作免耕播種機(jī)。通過研究壟作免耕播種機(jī)的三維模型，可對其性能進(jìn)行力學(xué)分析，為不同的樣機(jī)制造提供理論分析，有利于推廣壟作免耕播種技術(shù)，更好地體現(xiàn)壟作與保護(hù)性耕作相結(jié)合的優(yōu)勢。

1 國內(nèi)外壟作免耕播種技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

壟作免耕播種技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的耕作技術(shù)，作業(yè)過程為收割上茬作物之后一般不處理秸稈，用壟作免耕播種機(jī)在具有秸稈覆蓋的地表直接起壟，并在原來的壟上進(jìn)行開溝播種、施肥、鎮(zhèn)壓等工作，整個作物生長周期一般不需要進(jìn)行其它中耕作業(yè)。該技術(shù)具有節(jié)能、增產(chǎn)、抗?jié)?、省工、抗旱、保持水土、抗倒伏、增加土壤有機(jī)物質(zhì)等優(yōu)勢，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

國外從20世紀(jì)40年代初開始研究免耕方法，研究開發(fā)了各種類型的免耕機(jī)具，并且隨著相關(guān)機(jī)具和化學(xué)除草劑的發(fā)展，壟作免耕技術(shù)得以不斷推廣。但由于土壤條件、種植農(nóng)藝方式以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種因素的差異影響，國外的壟作免耕播種機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能特點(diǎn)等方面均不符合國內(nèi)條件，因此需要根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行自行開發(fā)。國內(nèi)免耕技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開始研究，主要劃分為三個階段：第一階段是20世紀(jì)70年代，本階段主要是進(jìn)行試驗(yàn)探索，在新疆農(nóng)墾六團(tuán)開始相關(guān)試驗(yàn)，再在各地開展免耕技術(shù)的試驗(yàn)和示范;第二階段是20世紀(jì)80～90年代進(jìn)行試驗(yàn)示范，由此積累了一些免耕種植經(jīng)驗(yàn)，但由于缺少相關(guān)的配套機(jī)具，而且各地農(nóng)民認(rèn)識上存在誤區(qū)，免耕技術(shù)推廣速度比較緩慢;第三階段是20世紀(jì)末至今，屬于免耕技術(shù)不斷完善提高和全面推廣階段，各地區(qū)積極推廣免耕種植技術(shù)，并結(jié)合壟作技術(shù)，在玉米、小麥、大豆、水稻、油菜等主要農(nóng)作物上推廣應(yīng)用。

2 壟作免耕播種機(jī)主要零件建模

2.1 播種機(jī)配置方案

根據(jù)壟作免耕播種機(jī)具設(shè)計的各項(xiàng)要求，整機(jī)主要由機(jī)架、切草圓盤、種肥箱、開溝器、地輪、鎮(zhèn)壓輪、修壟裝置等組成。機(jī)架主要是安裝各類部件，切草圓盤是針對需要處理播種帶覆蓋秸稈和雜草等農(nóng)藝條件，開溝器是在未經(jīng)處理過的地表進(jìn)行直接開溝，為施肥、播種提供條件。地輪裝置主要是起到支撐整機(jī)的作用，同時用以驅(qū)動排肥器、排種器進(jìn)行周期運(yùn)動，鎮(zhèn)壓器用以壓實(shí)土壤松軟的播種帶，為種子發(fā)芽提供條件。修壟裝置是針對壟作免耕播種技術(shù)中的被破環(huán)的原壟，對其進(jìn)行修復(fù)，為播種質(zhì)量提供保證。

2.2 機(jī)架

機(jī)架采用三梁懸掛框架結(jié)構(gòu)（見圖1），與拖拉機(jī)能夠?qū)嵭杏行ЫY(jié)合，播種時依靠拖拉機(jī)驅(qū)動播種機(jī)前行，空行時可以通過懸掛裝置懸掛在拖拉機(jī)上。機(jī)架上的豎梁與橫梁用方管（80mm×80mm×5mm）焊接而成，機(jī)架由三根橫梁組成，可以根據(jù)實(shí)際農(nóng)藝條件進(jìn)行調(diào)整，對于小麥等行距窄的作物，橫梁上的開溝器距離過小容易在兩開溝器之間堆積秸稈，導(dǎo)致堵塞，這時可以把相鄰的開溝器錯開安裝在不同橫梁上，擴(kuò)大相鄰開溝器之間的橫向距離。而前梁主要用于銜接懸掛架，并可安裝切草圓盤等其它部件。

2.3 修壟裝置

由于壟作免耕播種機(jī)是在未經(jīng)處理過的原壟上作業(yè)，在種植上茬作物時，原壟一般都會有所破壞，嚴(yán)重時整壟都會坍塌。為了保證在原壟進(jìn)行免耕播種時的質(zhì)量，需要設(shè)計開發(fā)配套的修壟裝置，對破壞的原壟進(jìn)行修復(fù)。壟作免耕播種時地表有秸稈覆蓋，犁式起壟器容易產(chǎn)生秸稈堆積堵塞，而圓盤式起壟裝置的通過性能和越障性能強(qiáng)大，不容易被秸稈和雜草等堵塞，而且圓盤滾動前進(jìn)時與土壤摩擦力阻力小，因此修壟裝置設(shè)計成圓盤式結(jié)構(gòu)更符合壟作免耕播種的情形。

2.4 地輪

在壟作免耕播種機(jī)中，地輪屬于從動輪，依靠地面的摩擦力驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。本播種機(jī)是在壟作免耕地進(jìn)行作業(yè)，地輪沿著壟溝行走，通過鏈傳動驅(qū)動排種器和排肥器進(jìn)行工作。為保證排肥、排種質(zhì)量，在地輪上安裝彈簧加壓裝置，可以確保

地輪始終與壟溝接觸，從而避免發(fā)生因地表高低不平導(dǎo)致地輪懸空造成不排肥、不排種現(xiàn)象（見圖3）。橡膠地輪在土壤中行走時的滑移均值和方差都比較小，有利于保證播種質(zhì)量，但橡膠輪在秸稈上行走時更容易產(chǎn)生滑移。綜合考慮作業(yè)條件，壟作免耕播種機(jī)的地輪是在壟溝行走，秸稈相對較少，因此選用橡膠輪更有利于保證施肥和播種質(zhì)量。地輪直徑對播種機(jī)的性能影響較大，大直徑地輪的轉(zhuǎn)動性能好，打滑率小，播種更均勻，根據(jù)機(jī)架實(shí)際空間，本播種機(jī)將地輪直徑定為500mm，寬度為50mm。

2.5 開溝器

開溝器是壟作免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)及布局是否合理會直接影響開溝效果，而且會影響播種機(jī)防堵效果，從而影響播種質(zhì)量。由于壟作免耕播種時開溝器是在未經(jīng)處理的地表工作，而且有作物殘茬、秸稈及雜草等覆蓋的田地工作，作業(yè)條件惡劣，工作難度較大。開溝器由播種和施肥部件組成，包括施肥開溝器、播種開溝器，以及相應(yīng)的排種器和排肥器等。開溝器的結(jié)構(gòu)直接影響動土量，保護(hù)性耕作技術(shù)要求盡可能動土少，而開溝器的開溝性能對種床、施肥和播種質(zhì)量影響較大，特別是針對種肥分施要求的中國國情，因此開發(fā)合適的開溝器至關(guān)重要，不僅影響播種機(jī)的性能要求，同時影響作物的出苗質(zhì)量。

根據(jù)農(nóng)藝要求及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，窄翼型尖角式開溝器是目前較為理想的結(jié)構(gòu)，開溝寬度一般在30mm～40mm，動土量小，適合保護(hù)性耕作技術(shù)。設(shè)計的開溝器結(jié)構(gòu)模型圖見圖4，通過尖角式開溝鏟進(jìn)行開溝，其后通過管道直接進(jìn)行施肥、播種，能夠?qū)崿F(xiàn)種肥垂直分施。在壟作免耕播種機(jī)的實(shí)際工作中，開溝器的安裝可以根據(jù)實(shí)際需要，在機(jī)架上安裝適合的數(shù)量，滿足行距要求。播種小麥等窄行作物時，開溝器可以錯開安裝在不同橫梁上，增大同根橫梁上兩開溝器之間的橫向距離，有利于防止堵塞。

2.6 鎮(zhèn)壓器

由于實(shí)行壟作免耕播種，地表未經(jīng)翻耕，因此播種時將產(chǎn)生大量土塊，而且受到殘茬、秸稈及雜草等影響，播種后種子可能不會很好的與土壤保持接觸，而且大塊的土壤保水能力較差，容易跑墑，從而導(dǎo)致種子吸水難，容易導(dǎo)致發(fā)芽不整齊，出苗困難，甚至發(fā)生缺苗斷壟。通過鎮(zhèn)壓器的作用，播種作業(yè)的同時進(jìn)行土壤鎮(zhèn)壓可減少土壤中的大孔隙，減少水分蒸發(fā)，有利于保墑。同時能夠促使種子與土壤更好地保持接觸，有利于吸收水分。進(jìn)行壟作免耕播種時，選用的尖角式開溝器開溝較窄，而且壟作免耕種植中土層的顆粒偏大，土壤與種子的接觸程度受到較大影響，因此需要設(shè)計性能好的鎮(zhèn)壓器，確保鎮(zhèn)壓效果。本設(shè)計采用浮動式鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)，鎮(zhèn)壓部位的外圓直徑為400mm，寬度為50mm。鎮(zhèn)壓器的連接桿上安裝有彈簧，有利于更好保證壓緊作用，促使鎮(zhèn)壓部位始終能夠與地表接觸，避免鎮(zhèn)壓部位被架空不轉(zhuǎn)動，影響壓實(shí)效果（鎮(zhèn)壓器結(jié)構(gòu)見圖5）。作業(yè)時兩邊的壓實(shí)輪沿著壟溝滾動，對壟沿進(jìn)行壓實(shí)，依靠鎮(zhèn)壓輪上的圓環(huán)部件鎮(zhèn)壓播種帶，圓環(huán)設(shè)計成活動式，可以根據(jù)需要確定圓環(huán)部件的數(shù)量及鎮(zhèn)壓位置。

3 壟作免耕播種機(jī)整機(jī)三維模型

壟作免耕播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及建模見圖6。播種時播種機(jī)與驅(qū)動的拖拉機(jī)通過懸掛裝置實(shí)行三點(diǎn)連接，地輪行走時，同時驅(qū)動排種器、排肥器工作，通過排種盒、排肥盒中的傳動系統(tǒng)，化肥從肥箱通過外槽輪、排肥管下落到溝中，種子通過排種管以及開溝器后面的播種管部件進(jìn)入土壤，自行回土后再通過鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓?？梢淮涡酝瓿砷_溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，有利于減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù)，解決原壟破壞導(dǎo)致的播種質(zhì)量問題。

4 結(jié)論

壟作與保護(hù)性耕作相結(jié)合是目前發(fā)展迅速的一項(xiàng)重要技術(shù)，本文針對兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合發(fā)展過程中的問題，研究壟作免耕播種機(jī)的三維建模技術(shù)，對壟作免耕播種機(jī)的機(jī)架、開溝器、種肥箱、鎮(zhèn)壓器、地輪、修壟裝置等主要部件進(jìn)行三維模型建立，為開發(fā)適應(yīng)不同農(nóng)藝條件的播種機(jī)提供技術(shù)支撐，有利于推廣壟作與免耕相結(jié)合的技術(shù)。

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