小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機的設(shè)計與試驗

位國建，史嵩，周紀(jì)磊，劉虎，張榮芳

（山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，山東濟南 250100）

我國人均糧食占有量持續(xù)高于世界平均水平，對于我國糧食安全具有重要意義［1］。2019-nCoV新冠肺炎疫情對世界各國糧食安全的沖擊，進一步證明糧食是中國生存發(fā)展的國之重器。作為影響小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，機械化播種質(zhì)量的提升已經(jīng)成為小麥生產(chǎn)“藏糧于技”戰(zhàn)略的重要一環(huán)［2，3］。

為提高播深一致性和播種均勻性，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)出不同形式的小麥播種機［4，5］。小麥播前科學(xué)整地是實現(xiàn)小麥苗齊苗壯的基礎(chǔ)。玉米秸稈還田能夠增加土壤有機質(zhì)含量、改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，已成為重要的小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)措施［6-9］。但若配套技術(shù)不到位，會使土壤變得疏松、空隙增大、失墑較快，且易導(dǎo)致小麥播種深淺不一致、根系扎不牢等不良現(xiàn)象發(fā)生，不利于小麥的正常生長［10］。目前對于播前土壤壓實大多采用滾筒或壓實機具進行，尚沒有播前整地同時鎮(zhèn)壓、播后二次鎮(zhèn)壓的復(fù)合機具，以致播種苗床不整齊，影響小麥出苗及后期生長［11-13］。

針對以上問題，本研究設(shè)計了一種具有良好播深一致性、播量均勻性、作業(yè)高效性，且適應(yīng)于黃淮海地區(qū)小麥種植的小麥播種機。相對于傳統(tǒng)小麥播種機，該機采用驅(qū)動耙碎土整地，在犁耕后同整地機具聯(lián)合播種，可一次性完成碎土、整平、鎮(zhèn)壓、播種、覆土、再次鎮(zhèn)壓等作業(yè)。播前鎮(zhèn)壓可增加土壤密實度，形成整齊苗床，播種后二次鎮(zhèn)壓，土壤被壓實，墑情得到保護，利于后續(xù)小麥正常生長。該機播量均勻，播深一致，能促進小麥產(chǎn)量的提升［14］。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

該機主要由驅(qū)動耙和播種機組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動耙和播種機由折疊架連接，驅(qū)動耙部分包括機架、肥箱、驅(qū)動耙和前鎮(zhèn)壓輪，前鎮(zhèn)壓輪與驅(qū)動耙體采取分體式結(jié)構(gòu)，用拉板固定連接；播種機部分包括種箱、排種器、圓盤開溝器和后鎮(zhèn)壓輪，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 工作原理

在播種作業(yè)時，驅(qū)動耙通過三點懸掛機構(gòu)與配套拖拉機進行連接。拖拉機動力輸出軸輸出動力，由變速箱強制帶動驅(qū)動耙做回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動耙刀齒將表土細碎，前鎮(zhèn)壓輪進一步破壞土塊、壓實土壤，為實現(xiàn)精量播種等機械化播種作業(yè)創(chuàng)造良好條件，滿足播前整地農(nóng)藝要求。排種器將種箱內(nèi)種子排出，經(jīng)導(dǎo)種管進入開溝器，開溝器內(nèi)前后交錯布置散種管，實現(xiàn)小麥寬苗帶播種。播種后通過后鎮(zhèn)壓輪二次鎮(zhèn)壓，壓實播種苗帶，實現(xiàn)株距、播深一致。播前鎮(zhèn)壓可增加土壤密實度，形成整齊苗床，播種后二次鎮(zhèn)壓，土壤被壓實，墑情得到保護，利于后續(xù)小麥的正常生長。

表1 2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機主要技術(shù)指標(biāo)

2 關(guān)鍵工作部件設(shè)計及工作過程分析

2.1 驅(qū)動耙設(shè)計

驅(qū)動耙是一種先進的整地機械［15］，是秸稈滅茬還田的最佳選擇，主要由機架、變速箱、耙刀及鎮(zhèn)壓輥等組成。驅(qū)動耙可一次性完成深度碎土和播前鎮(zhèn)壓作業(yè)，打破犁底層而不破壞土層結(jié)構(gòu)，耙后鎮(zhèn)壓形成“上實下虛”的種床［16］。驅(qū)動耙的運動軌跡為余擺線，是以耙刀刀盤中心為軸心的回轉(zhuǎn)運動和機具前進的直線運動的合成，其運動軌跡示意圖見圖2。

圖2 耙刀運動軌跡示意圖

設(shè)耙刀回轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)系原點、耙刀繞刀盤中心線做半徑為R的回轉(zhuǎn)運動，x軸正方向為機具前進方向，垂直向下為y軸正方向。設(shè)刀刃點M的坐標(biāo)為M（x，y），則建立耙刀的運動軌跡參數(shù)方程為：

式中：R—刀齒轉(zhuǎn)動半徑，m；t—時間，s；ω—耙刀回轉(zhuǎn)角速度，rad／s；Vm—機具前進速度，m／s。

將上式對t求導(dǎo)得到：

則耙刀的切削速度為：

按照機具整地要求和前人設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)?shù)毒咔邢蛩俣妊豖軸負方向時，耙刀的切削速度應(yīng)大于機具前進速度，即V＞Vm，為達到較好的碎土效果，要求耙刀的圓周速度要大于機具前進速度的2倍。本機耙刀回轉(zhuǎn)半徑 R為155 mm，機組前進速度為4～8 km／h，計算可得耙刀旋轉(zhuǎn)切向線速度67～333 m／min。

2.2 排種裝置

2.2.1 排種裝置的選型 小麥播種技術(shù)與裝備的提升，其核心內(nèi)容是排種裝置的優(yōu)化創(chuàng)新［17-20］。小麥排種裝置作為播種機關(guān)鍵技術(shù)載體，其工作性能直接決定了播種機的工作效率及播種質(zhì)量的優(yōu)劣［21］。槽輪式排種器是谷物條播機上廣泛采用的一種排種裝置，主要由排種盒、排種軸、槽輪及隔板等組成。槽輪轉(zhuǎn)動時，凹槽內(nèi)和帶動層的種子均被排出，排種量比較穩(wěn)定［22］。外槽輪排種裝置的排種量大小主要決定于槽輪的轉(zhuǎn)速和長度，故一般條播機在前進速度一定的前提下，通過調(diào)節(jié)槽輪的工作長度來實現(xiàn)播量變化。

2.2.2 排種裝置參數(shù)確定 小麥適宜播量是協(xié)調(diào)好群體和單株發(fā)育的關(guān)鍵，根據(jù)農(nóng)藝要求計算條播小麥播種量 Qb為 300～420 kg／hm2。

槽輪直徑 d由排種量公式（4）計算［23］：

式中：L—槽輪有效工作長度，cm；γ—麥種密度，為 0.82 g／cm3；α0—麥種填充系數(shù)，取 0.8；k—帶動層特性系數(shù)，取0.3；D—多功能行走輪直徑，為0.48 m；b—每組槽輪機構(gòu)對應(yīng)的播寬，為 0.12 m；δ—行走輪滑移系數(shù)，取 0.03～0.07；i—排種槽輪與多功能行走輪的傳動比，為0.12。

將數(shù)值代入式（4）可得：

16.44 cm2≤dL≤23.91 cm2。

播量一定時，槽輪有效工作長度過小會阻礙種子流動，槽輪直徑過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低，影響排種均勻性；直徑過小又必須提高轉(zhuǎn)速，會增加麥種損傷率［24］。綜上所述，取 d為42 mm，L為40～57 mm，從而得理論排種量 Ql為11.33～13.22 g／r。

2.3 鎮(zhèn)壓輪設(shè)計

鎮(zhèn)壓輪的作用是增強土壤與種子的密接程度，播后鎮(zhèn)壓可以壓實畦面，減少土壤中的空隙，有利保水、保墑［25］。

鎮(zhèn)壓輪正常轉(zhuǎn)動的條件：

式中：f—土壤對鎮(zhèn)壓輪的摩擦系數(shù)；ωr—軸套中的摩擦力矩（N·m）；R—鎮(zhèn)壓輪半徑（m）；Q—鎮(zhèn)壓輪重力及其附加載荷（N）。

為了使它有較大翻越性，增大土壤的壓碎率，減少土壤的移動，使播種后種行較平整，覆土一致，將鎮(zhèn)壓輪直徑設(shè)計為350 mm。

3 田間試驗設(shè)計

3.1 試驗條件

2019 年，在德州市齊河縣齊立新農(nóng)業(yè)合作社對設(shè)計的2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機進行田間試驗（圖3）。該地塊墑情較有代表性，符合農(nóng)業(yè)機械試驗條件。土壤質(zhì)地為壤土，地勢平坦，全耕層土壤含水率為16.5%。試驗種子濟麥26，千粒重為45 g左右。播種量設(shè)定為195 kg／hm2，播種深度3～5 cm。試驗區(qū)長度為50 m，前后兩端各保留20 m準(zhǔn)備區(qū)。

圖3 樣機田間試驗

3.2 試驗方法

根據(jù)GB／T 9478《谷物條播機試驗方法》和NY／T 1143—2006《播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》對2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機的技術(shù)參數(shù)和工作指標(biāo)進行現(xiàn)場檢測。試驗測試內(nèi)容主要包括整地質(zhì)量、麥種分布情況和機具通過性等，測試設(shè)備有鋼卷尺、鋼直尺、電子秒表、電子天平、數(shù)顯卡尺、土壤水分速測儀、環(huán)刀組件等。

3.2.1 整地質(zhì)量 耙深與耙深穩(wěn)定性系數(shù)用來表征驅(qū)動耙整地質(zhì)量。利用鋼直尺沿機具前進方向間隔2 m左、右各測定一個點，單次行程共測25點，重復(fù)3次。耙深計算式：

式中：aj—第 j個行程的耙深平均值，cm；aji—第 j個行程中第i個點的耙深，cm；nj—第 j個行程中的測定點數(shù)，為25。

耙深穩(wěn)定性系數(shù)Uj：

3.2.2 麥種分布情況 苗帶內(nèi)小麥種子分布均勻性通過麥種橫向、縱向分布頻率直方圖來表達［26］。小麥播種機作業(yè)后，利用10 cm ×25 cm的矩形框沿機具前進方向每隔2 m測定幅寬內(nèi)

式中：C—播種深度合格率，%；Ns—播種深度滿足要求測試點數(shù)；Nt—總測試點數(shù)。

3.2.3 機具通過性 評價播種機的通過性，通過測試播種機在全量玉米秸稈還田下連續(xù)作業(yè)250 m行程，試驗3次，往返行程內(nèi)均不發(fā)生堵塞或者僅有一次輕度堵塞，視為合格［27］。不同位置麥種坐標(biāo)及數(shù)量，測試3個行程，每個行程測25點，繪制麥種橫向、縱向分布頻率直方圖，并計算麥種深度合格率。麥種播深合格率計算式：

4 結(jié)果與分析

田間播種均勻性試驗時，試驗樣機工作速度在6 km／h，各可調(diào)節(jié)工作部件均調(diào)整至最佳，田間試驗效果如圖4。

圖4 種子分布情況

由試驗結(jié)果（表2）分析可知，該播種機各行排量一致性變異系數(shù)3.0%，播種均勻性變異系數(shù)為14.2%，播深合格率為 93.6%，斷條率0，土壤容重較之前提升0.193 g／cm3。根據(jù)測試情況，機具作業(yè)速度在6 km／h時作業(yè)效果良好，主要技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于評價要求。

表2 檢測過程中各項指標(biāo)的測試結(jié)果

從圖5、圖6可知，在設(shè)置的75個檢測點內(nèi)麥種數(shù)量集中分布在29～30粒，播種深度集中分布在3.0～3.5 cm，說明該機作業(yè)后麥種的橫向、縱向分布均勻性較好，利于后續(xù)小麥的正常生長。

圖5 麥種數(shù)量橫向分布對比頻率

圖6 麥種數(shù)量縱向分布對比頻率

5 結(jié)論

（1）根據(jù)小麥種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計了2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機。該機結(jié)構(gòu)緊湊合理、性能優(yōu)良，可實現(xiàn)小麥寬苗帶播種。該機主要由機架、肥箱、驅(qū)動耙、前鎮(zhèn)壓輪、種箱、排種器、后鎮(zhèn)壓輪等部分組成，可實現(xiàn)播前播后雙鎮(zhèn)壓。

（2）針對小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機關(guān)鍵工作部件設(shè)計及工作過程分析，分別對驅(qū)動耙、排種裝置和鎮(zhèn)壓輪進行了設(shè)計計算，耙刀回轉(zhuǎn)半徑為155 mm，槽輪直徑為36 mm，槽輪長度為36～42 mm，鎮(zhèn)壓輪直徑設(shè)計為350 mm。

（3）田間試驗結(jié)果表明：2BF-25小麥寬苗帶前后雙鎮(zhèn)壓播種機主要技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于評價要求，各行排量一致性變異系數(shù)3.0%，播種均勻性變異系數(shù)14.2%，播深合格率93.6%，斷條率0，土壤容重較之前提升了0.193 g／cm3。該機工作穩(wěn)定，排種均勻性良好，種子在田間分布均勻合理，滿足國家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求和地區(qū)的農(nóng)藝要求。