寬苗帶小麥免耕施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

張寶昌，胡培杰，陳為鵬，邱田元，楊善東

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000)

0 引言

小麥?zhǔn)俏覈蠹Z食作物之一，2021年第一季度中國小麥進(jìn)口量為2 920 kt，同比增長131.2%，我國小麥的需求缺口仍很大，并且由于農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷深化，以及季節(jié)性休耕制度，導(dǎo)致我國小麥種植總面積呈總體減少的趨勢，在現(xiàn)有種植面積的基礎(chǔ)上增加小麥產(chǎn)量與我國糧食生產(chǎn)安全等問題有著密切的關(guān)系，在小麥生產(chǎn)過程中，播種環(huán)節(jié)是極其重要的一環(huán)，但是目前小麥播種機(jī)播種效率低，能源消耗較大，小麥產(chǎn)量得不到顯著提高[1-2]。

余松烈院士曾提出小麥寬幅精播的技術(shù)，認(rèn)為寬苗帶播種可以使小麥充分利用光合作用，并且還具有抗倒伏的效果，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的[3]；駱佳明[4]設(shè)計(jì)一種小麥勻播播種機(jī)，該機(jī)有兩個(gè)旋耕裝置，前部旋耕裝置正轉(zhuǎn)滅茬，后部旋耕裝置反轉(zhuǎn)對從勻播裝置排出的種子進(jìn)行覆土，從而達(dá)到勻播的效果；王志偉[5]設(shè)計(jì)一種小麥深松寬苗帶免耕播種機(jī)，對土地進(jìn)行深松分層施肥，并采用寬苗帶的種植模式；劉立晶等[6]設(shè)計(jì)一種氣流輸送式小麥免耕播種機(jī)，采用波紋圓盤施肥開溝器既能夠?qū)ξ锤貧埐邕M(jìn)行處理又能夠?yàn)槭┓首鳂I(yè)進(jìn)行開溝，施肥開溝器后部設(shè)計(jì)安裝錨式施肥鏟對肥料進(jìn)行覆土，避免種肥混合，為后續(xù)播種提供了良好的種床環(huán)境，從而提高小麥產(chǎn)量。

本文針對小麥玉米兩熟區(qū)，小麥播種時(shí)間緊張，播種作業(yè)效率低，功耗大等問題，設(shè)計(jì)一種寬苗帶小麥免耕施肥播種機(jī)，該機(jī)采用苗帶旋耕的方式進(jìn)行滅茬從而形成良好的種床環(huán)境，采用寬苗帶播種，提高小麥的光能利用率以及抗倒伏的性能，采用攪龍型覆土整平鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)，為寬苗帶播種進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

寬苗帶小麥免耕施肥播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三點(diǎn)懸掛、機(jī)架、限深輪、苗帶旋耕裝置、施肥裝置、播種裝置、攪龍型覆土整平裝置、傳動(dòng)裝置、鎮(zhèn)壓裝置以及種肥箱等組成。該播種機(jī)一次進(jìn)地同時(shí)完成苗帶滅茬、施肥、寬苗帶播種、覆土整平以及鎮(zhèn)壓等工作。其中苗帶滅茬裝置安裝在施肥裝置前部，采用長短刀交替分布，起到滅茬和防堵的作用；本機(jī)施肥播種裝置通過U型螺栓分別安裝在橫梁前部與后部，播種裝置底部安裝寬苗帶分布器；本機(jī)采用攪龍型覆土整平裝置，由兩個(gè)旋向相反的攪龍、攪龍支架、限位塊等組成，與側(cè)板上的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行鉸接；鎮(zhèn)壓裝置由兩組鎮(zhèn)壓輪組件構(gòu)成，鎮(zhèn)壓輪前部安裝預(yù)緊彈簧。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

該播種機(jī)的實(shí)物如圖2所示，通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接，通過限深輪接觸地面使整機(jī)隨地形浮動(dòng)，中間變速箱與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸連接，為苗帶旋耕裝置提供動(dòng)力；苗帶旋耕裝置對未作業(yè)土地進(jìn)行處理，營造良好的種床環(huán)境；施肥裝置將外槽輪式排肥器排出的肥料經(jīng)由鋤鏟式開溝器進(jìn)入地下，播種裝置采用寬苗帶分布器使小麥種子呈現(xiàn)“邊密中疏”的分布；攪龍型覆土整平裝置將播種機(jī)中間變速箱正下方處理不完全的土塊以及經(jīng)由寬苗帶分布器拖向兩側(cè)的土壤，向機(jī)具兩側(cè)分散，以實(shí)現(xiàn)覆土整平的作用；鎮(zhèn)壓裝置由兩組鎮(zhèn)壓輪組件構(gòu)成，通過鎮(zhèn)壓輪自身重力以及安裝在機(jī)架上的預(yù)緊彈簧彈力，為小麥種子提供足夠的壓實(shí)力。

圖2 播種機(jī)實(shí)物圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 苗帶滅茬裝置的設(shè)計(jì)

本機(jī)采用免耕播種，用苗帶旋耕的方式進(jìn)行滅茬。該滅茬裝置整體安裝在施肥裝置的前部，由20把短刀、20把長刀構(gòu)成，每一播種行對應(yīng)兩把長刀、兩把短刀，四把刀在圓周方向上間隔90°排列，其中兩把長刀安裝在施肥裝置兩側(cè)，兩把短刀安裝在施肥裝置正前方，其具體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[7]，在刀輥軸向投影圓周內(nèi)，總刀數(shù)等分排列，刀輥每轉(zhuǎn)過360°/z′有一把旋耕刀入土，使切土阻扭矩均勻分擔(dān)，減小波動(dòng)幅度，其中z′為旋耕刀總數(shù)，根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的滅茬方式，要求每一播種行所對應(yīng)的兩把長刀以及兩把短刀分別旋轉(zhuǎn)180°排布，并且該播種機(jī)所涉及的工作行數(shù)為10，因此z′取20，即刀輥軸向投影圓周內(nèi)每轉(zhuǎn)過18°有一把刀入土，其排布方式如圖3(b)所示。

(a) 滅茬裝置結(jié)構(gòu)

旋耕作業(yè)中土垡的水平縱向厚度稱為切土節(jié)距，切土節(jié)距的大小對碎土質(zhì)量和耕地平整度有直接的影響，切土節(jié)距過小會(huì)導(dǎo)致機(jī)具效率低下且功耗增大，切土節(jié)距過大會(huì)造成作業(yè)土地不平整，影響播種質(zhì)量。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，滅茬刀的轉(zhuǎn)速要求為300～500 r/min。

H=6 000vmqz

(1)

式中：H——切土節(jié)距，取14 cm；

vm——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s；

q——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min；

z——小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)量，取3。

機(jī)組前進(jìn)速度vm取9 km/h，即2.5 m/s，可得刀輥的旋轉(zhuǎn)速度357 r/min。

2.2 寬苗帶分布器的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的播種機(jī)采用寬苗帶播種方式，施肥方式為深施肥，施肥開溝器采用鋤鏟式開溝器，通過焊接在橫梁上的定位塊固定安裝施肥與播種裝置，播種管底部安裝寬苗帶分布器，其具體結(jié)構(gòu)以及安裝位置如圖4所示。寬苗帶分布器上部內(nèi)壁截面為40 mm×40 mm的正方形，底部是分散裝置，內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩塊分種板，將排種管在寬度上按照2∶1∶2[8]的比例劃分為三部分，即寬苗帶分布器左側(cè)分種板上部與左側(cè)內(nèi)壁距離為15 mm，右側(cè)分種板與右側(cè)內(nèi)壁距離為15 mm，中間部分所占寬度較小為10 mm，兩側(cè)寬度大是為了使小麥種子大部分向兩側(cè)排出，小部分從中間排出，從而使得小麥種子從寬苗帶分布器排出時(shí)形成“邊密中疏”的排布方式。

(a) 寬苗帶分布器結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1小麥種子與寬苗帶分布器的相關(guān)參數(shù)，通過EDEM軟件對寬苗帶分布器排種過程進(jìn)行仿真，首先通過Solidworks繪制一個(gè)1 000 mm×140 mm×50 mm 的無蓋容器，并在內(nèi)部按照寬度三等分的要求繪制兩個(gè)隔板，然后將容器與寬苗帶分布器轉(zhuǎn)存為.x_t 格式導(dǎo)入EDEM中，為簡化運(yùn)算，將小麥種子簡化為由三個(gè)球組成得顆粒，然后通過軟件的種子工廠功能在寬苗帶分布器上部設(shè)置種子工廠，按數(shù)量生成100粒小麥種子，使寬苗帶分布器靜止，容器以2.5 m/s的速度向后移動(dòng)，其仿真過程如圖5(a)所示，仿真結(jié)束后，根據(jù)仿真結(jié)果圖5(b)數(shù)出容器內(nèi)左、中、右分區(qū)內(nèi)種子數(shù)量，得到的試驗(yàn)結(jié)果為左∶中∶右=41∶19∶40，符合設(shè)計(jì)種子分布要求，因此，寬苗帶分布器上部通過分種板所形成的三個(gè)空間寬度依次為15 mm，10 mm，15 mm。

表1 小麥種子與寬苗帶分布器的相關(guān)參數(shù)

(a) 仿真過程

2.3 攪龍型覆土整平裝置的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的小麥播種機(jī)播種開溝器大多為鋤鏟式或者雙圓盤開溝器，其覆土效果多依靠土壤的回流作用以及后部鎮(zhèn)壓輪的擠壓作用實(shí)現(xiàn)，但對于寬苗帶播種方式，則需要專門的覆土部件進(jìn)行。本文所設(shè)計(jì)的播種機(jī)采用攪龍型覆土整平裝置，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，攪龍支架上部與側(cè)板上的旋轉(zhuǎn)軸鉸接，使得攪龍能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攪龍裝置的上下浮動(dòng)，本機(jī)側(cè)板內(nèi)部攪龍支架下側(cè)焊有限位裝置，對攪龍最低位置進(jìn)行限位。作業(yè)時(shí)，鎮(zhèn)壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過右側(cè)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)攪龍旋轉(zhuǎn)，鎮(zhèn)壓輪組件的旋轉(zhuǎn)中心與攪龍裝置的旋轉(zhuǎn)中心在同一條直線上，均安裝在側(cè)板的旋轉(zhuǎn)軸上，避免浮動(dòng)作業(yè)時(shí)對鏈條的傳動(dòng)產(chǎn)生干涉。

圖6 攪龍型覆土整平裝置結(jié)構(gòu)圖

對與攪龍葉片接觸的土壤顆粒進(jìn)行力學(xué)分析[9-12]，如圖7所示。

由圖7可得

(a) 土壤顆粒受力分析

(2)

式中：α——螺旋升角，(°)；

β——土壤顆粒與攪龍葉片的摩擦角，(°)；

f0——土壤顆粒之間的摩擦力，N；

F——攪龍葉片對土壤顆粒的合力，N；

Fz——攪龍葉片對土壤顆粒合力在軸向方向的分力，N；

Ft——攪龍葉片對土壤顆粒合力在圓周方向的分力，N；

μ0——土壤顆粒之間的摩擦系數(shù)。

注：Ff為攪龍葉片對土壤顆粒的摩擦力，N；FN為攪龍葉片對土壤顆粒的正壓力，N。

本文設(shè)計(jì)的攪龍覆土整平裝置是將土壤顆粒沿軸向朝播種機(jī)兩側(cè)輸送，因此攪龍葉片對土壤顆粒的軸向動(dòng)力應(yīng)大于軸向的阻力，即需滿足

FNcosα>Ffsinα+f0cos(α+β)

(3)

由于土壤顆粒之間的摩擦力方向與土壤顆粒運(yùn)動(dòng)方向相反，因此式中f0cos(α+β)>0，對式(3)進(jìn)行化簡得

FNcosα>Ffsinα

(4)

根據(jù)Ff=μ1FN=FNtanβ(μ1為攪龍葉片與土壤顆粒之間的摩擦系數(shù))得

cotα>tanβ

(5)

即

(6)

故β取24°，即當(dāng)螺旋升角α小于66°時(shí)，土壤顆粒會(huì)在攪龍葉片的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)下向播種機(jī)兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)螺旋升角過大時(shí)，土壤顆粒向兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度較小，無法實(shí)現(xiàn)對寬苗帶進(jìn)行覆土。因此對與攪龍葉片接觸的土壤顆粒進(jìn)行速度分析[13]，如圖8所示，土壤顆粒的牽連速度會(huì)使得土壤顆粒跳動(dòng)翻轉(zhuǎn)甚至隨攪龍一同圍繞攪龍軸旋轉(zhuǎn)，而其牽連速度

(a) 土壤顆粒速度分析

v0=ωr

(7)

式中：ω——攪龍整平裝置的角速度；

r——土壤顆粒與攪龍軸中心線的距離。

由圖8可求得土壤顆粒的軸向輸送速度

vz=vfcos(α+β)

(8)

由

得

(9)

式中：vf——土壤顆粒的絕對運(yùn)動(dòng)速度；

S——攪龍葉片的螺距；

n——攪龍整平裝置的轉(zhuǎn)速；

f——土壤顆粒與攪龍葉片的摩擦系數(shù)。

因?yàn)閿圐埲~片內(nèi)徑的螺旋升角最大，故確定時(shí)應(yīng)按此條件進(jìn)行校核。當(dāng)攪龍型覆土整平裝置的半徑和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，軸向運(yùn)動(dòng)vz是螺旋升角α的函數(shù)。

令

(10)

可求得土壤顆粒的軸向速度vz最大時(shí)的螺旋升角

(11)

即攪龍螺旋升角為33°時(shí)，土壤顆粒在攪龍葉片推動(dòng)下向播種機(jī)兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度最大，由于各地土壤參數(shù)不同，因此土壤的摩擦角會(huì)有些許差異，本文土壤顆粒與攪龍葉片的摩擦角取24°，地區(qū)不同該值不同，由于本機(jī)采用寬苗帶播種的方式，故需土壤顆粒軸向運(yùn)動(dòng)的距離較大，因此本機(jī)采用使得軸向運(yùn)動(dòng)速度最大時(shí)的螺旋升角即α取33°。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東淄博臨淄富群農(nóng)機(jī)合作社試驗(yàn)田，秸稈覆蓋量不小于40%，秸稈切碎合格率不小于85%，滿足試驗(yàn)條件。

3.2 試驗(yàn)方法

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播種機(jī)》[14]對小麥免耕播種機(jī)播種質(zhì)量的檢測指標(biāo)進(jìn)行測試，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求播深合格率應(yīng)大于等于80%、種肥高度差大于等于3 cm時(shí)合格，合格率應(yīng)大于等于90%，苗帶寬度合格率應(yīng)大于等于85%。主要試驗(yàn)內(nèi)容包括機(jī)具通過性、播種質(zhì)量、施肥質(zhì)量等。主要使用設(shè)備包括電子秤、卷尺、板尺、鐵鍬、塑料袋等。

3.2.1 機(jī)具通過性

拖拉機(jī)掛接本機(jī)按照設(shè)定速度9 km/h在不小于60 m作業(yè)長度內(nèi)進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，在一個(gè)往返行程里不發(fā)生重度堵塞，即為合格，本試驗(yàn)在前茬作物秸稈覆蓋的情況下進(jìn)行3次測試。

3.2.2 種肥深度

拖拉機(jī)以設(shè)定速度行進(jìn)，隨機(jī)選取6行，每行取10個(gè)點(diǎn)，將土層扒開進(jìn)行測定，分別測出麥種、肥料的深度以及苗帶寬度，并記錄數(shù)據(jù)后期計(jì)算得出種肥高度差。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 機(jī)具通過性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，該播種機(jī)在60 m測試作業(yè)區(qū)內(nèi)往返作業(yè)3次，均未出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞的情況，機(jī)具通過性良好。

3.3.2 種肥深度試驗(yàn)結(jié)果

在播種機(jī)作業(yè)完成后，根據(jù)測試方法對播種深度、施肥深度、苗帶寬度進(jìn)行測量記錄，通過計(jì)算得到播種深度、種肥高度差和苗帶寬度的合格率分別為93.1%、100%和94%。試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。通過式(12)、式(13)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求得其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。

表2 測試結(jié)果

(12)

(13)

式中：σ——標(biāo)準(zhǔn)差；

Cv——變異系數(shù)；

b——試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，取6；

xi——試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

由測試結(jié)果可知播種深度的平均值為3.1 cm，種肥高度差的平均值為6.1 cm，苗帶寬度的平均值為11.58 cm，其中播種深度的變異系數(shù)最大為8.1%，主要原因是播種深度除了受寬苗帶分布器深度影響還受到攪龍型覆土整平裝置覆土效果的影響，所以變異系數(shù)較大，但播深合格率達(dá)到93.1%；種肥高度差的變異系數(shù)與播種深度和施肥深度相關(guān)，但由于設(shè)計(jì)原因，施肥開溝器與寬苗帶分布器在高度上保持7 cm的高度差，因此種肥高度差的變異系數(shù)較小，為2.8%，且合格率達(dá)到100%，避免了燒種現(xiàn)象的發(fā)生；苗帶寬度主要依靠寬苗帶分布器出口處的寬度，因此變異系數(shù)最小為2.0%，合格率為94%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足播種機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1) 針對小麥播種機(jī)功耗高的問題，設(shè)計(jì)苗帶旋轉(zhuǎn)滅茬的方式，對苗帶滅茬裝置刀片分布排列進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得每一播種行對應(yīng)四把旋刀，在保證提供良好種床環(huán)境的基礎(chǔ)上減小功耗，并且確定刀輥的轉(zhuǎn)速為357 r/min。

2) 設(shè)計(jì)一種分種板式寬苗帶分布器，使得寬苗帶分布器在分種板的作用下所形成的三個(gè)空間寬度依次為15 mm,10 mm,15 mm，并且通過EDEM軟件仿真排種過程，數(shù)出容器中三個(gè)空間的種子數(shù)量，得到該寬苗帶分布器可使小麥種子呈現(xiàn)2∶1∶2的分布方式，證明該寬苗帶分布器的可行性。

3) 設(shè)計(jì)一種攪龍型覆土整平裝置，通過對與攪龍葉片接觸的土壤顆粒進(jìn)行力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定使得土壤顆粒不隨攪龍葉片旋轉(zhuǎn)只做軸向運(yùn)動(dòng)，并且軸向運(yùn)動(dòng)速度最大時(shí)的螺旋升角為33°。

4) 通過田間試驗(yàn)，得到播種深度，種肥高度差和苗帶寬度的合格率分別為93.1%，100%和94%，符合免(少)耕施肥播種機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足相關(guān)農(nóng)藝要求。