東北水稻旱直播施肥一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔 波，張成亮

（哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150029）

0 引 言

東北是我國最重要的商品糧基地，是我國的大糧倉，擔(dān)負(fù)著國家糧食安全的重任[1]。傳統(tǒng)的水稻種植方式已經(jīng)嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。水稻直播是將稻種直接播入大田的一種稻作方式，無需育秧、拔秧、移栽等程序，具有省工、省力、省秧田等優(yōu)點(diǎn)，是一種輕型、簡化的低成本稻作新技術(shù)[2]。實(shí)際生產(chǎn)中水稻種植機(jī)械化程度較低，生產(chǎn)成本較高，而且農(nóng)業(yè)用水消耗量大且效率較低[3]。 我國旱直播種植技術(shù)近些年來發(fā)展迅速，遼寧和黑龍江都在推廣種植，市場上也出現(xiàn)了很多旱稻種子，相關(guān)配套機(jī)械也逐漸出現(xiàn)[4]。隨著我國農(nóng)機(jī)技術(shù)水平的提高，農(nóng)機(jī)形式的多樣化，已經(jīng)出現(xiàn)各種不同類型的水稻直播機(jī)械。這些旱直播機(jī)多數(shù)不適應(yīng)東北地區(qū)水稻旱直播需要，播種精量少，成穴率低，覆土效果較差，影響了作業(yè)效果[5]。本文研制一臺集旋耕、施肥、開溝、覆土、鎮(zhèn)壓、播種于一體的新型水稻旱直播機(jī)，以突破東北地區(qū)水稻旱直播技術(shù)推廣的瓶頸。

1 水稻直播機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 水稻旱直播機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求

根據(jù)東北地區(qū)水稻種植生產(chǎn)實(shí)際情況和土壤特性，研制的水稻旱直播機(jī)應(yīng)該滿足以下技術(shù)要求：旋耕整地效果好，保證播種需要；排種排肥順暢、不漏播，排種均勻、覆土均勻、平整度好；鎮(zhèn)壓效果好，能夠壓實(shí)覆土、確保后期出苗率、開溝整齊、保證種子播種深度一致。

1.2 水稻旱直播機(jī)的工作原理

該機(jī)設(shè)計(jì)工作幅寬3 660 mm，采用12 行條播的形式，對排種器、開溝器、鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)，配套采用110.25 kW 以上拖拉機(jī)。直播機(jī)旋耕裝置的動力由拖拉機(jī)通過傳動軸輸送，機(jī)具最前端的旋耕裝置對土壤進(jìn)行碎化，保證播種對土壤的要求。該直播機(jī)的施肥裝置與旋耕裝置相連, 施肥裝置動力來源于地輪轉(zhuǎn)動，地輪帶動鏈輪，通過鏈輪將動力傳給施肥裝置。施肥裝置主要由施肥開溝器、肥箱、肥管、排肥盒組成。左右兩邊肥箱通過聯(lián)軸器連接，同時(shí)又分前后兩排肥箱。第一排實(shí)現(xiàn)深施肥，采用外槽輪式排肥器；第二排實(shí)現(xiàn)側(cè)施肥，分別播撒不同成分的肥料。其工作過程是，施肥開溝器分別開出蓄水廂溝和施肥溝，肥料進(jìn)入排肥管落入施肥溝溝底，由拖板刮土將施肥溝覆蓋[6]。直播機(jī)的開溝裝置可以根據(jù)不同的開溝需要調(diào)節(jié)整體高度調(diào)節(jié)開溝深淺。直播機(jī)鎮(zhèn)壓裝置分為兩部分：第一部分為啞鈴狀鎮(zhèn)壓器，位于施肥裝置與排種裝置中間，可在旋耕施肥后的土壤上壓出一條溝，起壓實(shí)土壤的作用，播種時(shí)使種子均勻地落入溝內(nèi)；第二部分為橡膠鎮(zhèn)壓輪，壓后地表產(chǎn)生的鱗片狀裂紋較少，特別適合水稻旱直播，該鎮(zhèn)壓裝置位于機(jī)器的最后方與機(jī)架連接。

1.3 水稻旱直播機(jī)的總體布置和結(jié)構(gòu)組成

該直播機(jī)主要由旋耕裝置、開溝裝置、排種裝置、施肥裝置、鎮(zhèn)壓裝置組成。旋耕裝置在最前端，接著是施肥裝置，然后是排種裝置，最后是覆土鎮(zhèn)壓。水稻旱直播機(jī)整機(jī)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)功能全面、布局合理。相比于市場上出現(xiàn)的水稻旱直播機(jī)，該機(jī)型采用兩次施肥結(jié)構(gòu)，能夠保證種苗生長需要。加入液壓裝置進(jìn)行升降控制，操作方便。壓溝裝置深淺可調(diào)，應(yīng)用范圍廣。

圖1 水稻旱直播整機(jī)

1.4 水稻旱直播機(jī)性能參數(shù)

該機(jī)具采用寬窄行條播的播種形式，共12 行。配套動力110.25 kW 以上，具體性能參數(shù)如表1 所示。

表1 水稻旱直播機(jī)性能參數(shù)

2 水稻旱直播機(jī)各部件設(shè)計(jì)

該水稻旱直播機(jī)主要由牽引架、液壓裝置、開溝裝置、排種裝置、施肥裝置、覆土裝置組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 水稻旱直播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 旱直播機(jī)播種壓溝器的設(shè)計(jì)

該播種壓溝器通過一個四桿機(jī)構(gòu)連接到機(jī)架橫梁上，其原理是壓輥駛過，形成兩條溝。由于壓輥質(zhì)量大，能夠?qū)⑶岸耸┓屎蟮母餐翂簩?shí)，降低土壤空隙，減少水分蒸發(fā)，所以該壓輥起到鎮(zhèn)壓和開溝的作用。每條溝的寬度是50 mm，兩條溝間距是200 mm，壓溝深度為50 mm，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 播種壓溝器結(jié)構(gòu)

2.2 旱直播機(jī)施肥開溝器的設(shè)計(jì)

開溝器的作用主要是在作業(yè)時(shí)開出種溝或排肥溝，引導(dǎo)肥料和種子進(jìn)入種溝內(nèi)，并使土壤覆蓋肥料和種子。要求開溝器開出的溝深淺一致，深度能夠根據(jù)農(nóng)藝需要調(diào)節(jié)；同時(shí)，應(yīng)有一定的回土作用，還應(yīng)具有良好的入土能力和切土能力；工作穩(wěn)定，不容易堵塞等。根據(jù)開溝器的入土角不同分為銳角和鈍角兩種，常用的為銳角開溝器。根據(jù)需要本文選擇的開溝器如圖4 所示。

圖4 施肥開溝器設(shè)計(jì)

2.3 旱直播機(jī)種肥箱的設(shè)計(jì)

由于該機(jī)施兩次肥，所以采用雙排肥箱。肥箱的容積是由工作行程、播撒量、工作幅寬等決定的。通常情況下，在作業(yè)時(shí)不宜將箱內(nèi)種子或肥料全部播完，箱內(nèi)種子或肥料較少時(shí)排肥能力會降低，從而影響排種或排肥性能流暢性，影響效果。所以應(yīng)該至少留有10 %的余量。根據(jù)公式和實(shí)際要求，最終確定機(jī)長為1 600 mm、總寬為800 mm、深度為600 mm。

2.4 旱直播機(jī)旋耕裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)水稻旱直播農(nóng)藝的要求，采用在旋耕刀軸焊接刀庫進(jìn)而將刀具固定于刀庫內(nèi)的旋耕裝置。旋耕刀軸采用外徑為75 mm 的無縫鋼管，每組的兩把旋耕刀成180°分布。本文旋耕刀具用彎刀，型號為T245，該型號的旋耕刀使用最為廣泛，旋耕效果好。

2.5 旱直播機(jī)排種器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用的外槽輪式排種器，具有通用性好、播量穩(wěn)定、播量調(diào)節(jié)方便、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)[7]。因?yàn)槠洳圯喢哭D(zhuǎn)排量穩(wěn)定，能適用于大、中、小型的谷物、牧草、豆類及蔬菜種子的播種，廣泛應(yīng)用于谷物條播機(jī)，符合應(yīng)設(shè)計(jì)要求。排種器工作時(shí)，由于外槽輪結(jié)構(gòu)原因，排種過程不連續(xù)，有脈動現(xiàn)象，會導(dǎo)致排種不均勻，不符合谷物種子在行內(nèi)連續(xù)播種的要求。所以，在排種器設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下措施：將排種器的排種舌做成斜線狀，將排種器的直槽改為螺旋槽。外槽輪排種器在排種時(shí)，種子靠重力充滿槽輪凹槽，并被轉(zhuǎn)動的槽輪強(qiáng)制排種，被強(qiáng)制帶出的種子從排種舌上掉入輸種管，然后排入種溝。

2.6 旱直播機(jī)鎮(zhèn)壓器的設(shè)計(jì)

播種后鎮(zhèn)壓是該直播機(jī)工作比較關(guān)鍵的步驟。通過有效鎮(zhèn)壓可降低土壤孔隙，減少水分流失，為種子生長創(chuàng)造適宜環(huán)境，保證種子能發(fā)芽生長。這對干旱地區(qū)的作物種植尤為重要。本設(shè)計(jì)采用窄型橡膠鎮(zhèn)壓器，其連接方式是對著開溝器安裝在機(jī)架后梁的后方。為了在結(jié)構(gòu)上更合理，緊鄰的兩行采用前后交替安裝。該鎮(zhèn)壓器適用于谷物條播機(jī)，鎮(zhèn)壓器的兩個橡膠輪向前行駛時(shí)相互擠壓，能夠?qū)⒎N子完全覆蓋，覆土的同時(shí)又能壓實(shí)土壤。

2.7 旱直播機(jī)地輪的設(shè)計(jì)

該機(jī)具設(shè)計(jì)兩個地輪，在機(jī)架兩側(cè)對稱分布。它們是排種器和排肥器的動力供給，地輪設(shè)計(jì)應(yīng)減少附著力，減少打滑現(xiàn)象的發(fā)生。本文根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)計(jì)要求采用直徑為45 mm 的地輪。

3 旱直播機(jī)田間試驗(yàn)

對本文設(shè)計(jì)制作的旱直播機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，在氣候因素、地表濕度、地表平整度、清潔度、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率符合試驗(yàn)要求的前提下，檢驗(yàn)機(jī)具整體配置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的各種設(shè)備和材料，測定旋耕裝置碎土率、開溝深度和覆土厚度，測定排種性能、播種深度、鎮(zhèn)壓效果。試驗(yàn)時(shí)行走速度為0.8 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，耕深為10 cm。碎土率測定：通過試驗(yàn)計(jì)算得最終碎土率為89.3 %，表明旋耕效果滿足要求。開溝深度測定：設(shè)計(jì)的開溝器通過反復(fù)調(diào)試，可達(dá)到農(nóng)藝需求。排種均勻性測定：選擇2 m 的種帶,將種帶分成10 段,檢測每段內(nèi)排落的種子數(shù),轉(zhuǎn)動地輪，通過地輪轉(zhuǎn)動帶動排種器，最終測定符合要求。排種器傷種率測定：隨機(jī)選取5 個排種器，轉(zhuǎn)動地輪，把從這5 個排種器排出的五份種子進(jìn)行稱重，再從這些種子中挑選出破損的種子合并稱重，計(jì)算破損種子質(zhì)量占總質(zhì)量之比，重復(fù)5 次，取算術(shù)平均值，最終得出傷種率為0.65%，符合設(shè)計(jì)要求。各行排肥一致性測定：機(jī)具行駛過程中，將每行排出的肥料進(jìn)行稱重，其中測定行數(shù)為12 行，反復(fù)測定5 次，最后計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

該直播機(jī)完成一段作業(yè)后，用鐵鏟挖開播種后的覆土，測量種子與地表之間的垂直距離。在一條種床上分別選取5 個相距5 m 的地方作為測試區(qū)，該測試區(qū)內(nèi)，平行選取10 個測試點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該水稻旱直播機(jī)的平均播種深度為1.4 cm，滿足水稻播種深度1～2 cm 的要求；經(jīng)過計(jì)算播種深度合格率為87 %，符合農(nóng)學(xué)農(nóng)藝要求。在鎮(zhèn)壓效果方面：水稻播種后鎮(zhèn)壓效果好能夠提供良好的生長環(huán)境，且播種后有效地鎮(zhèn)壓能保證農(nóng)作物有較好的出苗率。通過測定該裝置的鎮(zhèn)壓器工作時(shí)不粘土、不壅土、地表不產(chǎn)生鱗狀裂紋。

4 結(jié) 語

在了解國內(nèi)外水稻旱直播機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上,為重點(diǎn)解決現(xiàn)有機(jī)型存在的缺點(diǎn)，并結(jié)合東北地區(qū)氣候和土壤環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制。對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型。對旋耕刀、排種器、液壓油缸、鎮(zhèn)壓器等進(jìn)行選型。對開溝器，壓溝器、排種（肥）箱等進(jìn)行設(shè)計(jì)。樣機(jī)制造完成并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。測定了旋耕、開溝、排種、排肥、鎮(zhèn)壓等相關(guān)性能，經(jīng)過測定各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足作業(yè)需要。該機(jī)具的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)是：首次針對我國北方寒地水稻旱直播機(jī)械化種植進(jìn)行系統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)及機(jī)具的研發(fā)。該機(jī)具一次作業(yè)可同時(shí)完成旋耕、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，能夠?yàn)檫m時(shí)播種提供保證，是農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相結(jié)合的技術(shù)，順應(yīng)了水稻旱直播機(jī)械化發(fā)展的需要。