免耕播種機缺口圓盤刀與開溝器設(shè)計和改進

李肖婷

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西太原 030000）

0 引言

我國人均耕地面積較為稀缺，全國大量耕地退化較為嚴(yán)重，干旱少雨地區(qū)較多，近年來，氣候惡化導(dǎo)致土壤沙化現(xiàn)象有所回升。因此，進行保護性耕作、減少對土壤擾動、實現(xiàn)保水保墑，有著重要的意義。當(dāng)前，在農(nóng)業(yè)發(fā)達國家免耕播種機實現(xiàn)了長足的發(fā)展，較為先進的公司包括John Deere、Great Plains、Flexi-Coil，John Shear等，生產(chǎn)的免耕播種機智能化水平高，幅寬最高可達6.2 m，其中多數(shù)應(yīng)用的是圓盤開溝器，刀具破土性和防堵性都較好。和美洲、澳洲大田作業(yè)環(huán)境相比，我國土地大多作業(yè)環(huán)境為復(fù)雜的小田，加之免耕播種本身較為復(fù)雜，需要在鎮(zhèn)壓外做好破茬和防堵工作，在地表有大量秸稈覆蓋的情況下，需要播種機刀具具備較強的切割能力。因此，需要研究破茬、開溝和鎮(zhèn)壓的關(guān)鍵技術(shù)，做好缺口圓盤刀和雙圓盤開溝器的性能優(yōu)化設(shè)計，并針對實際應(yīng)用進行技術(shù)改進。

1 免耕播種機缺口圓盤刀與開溝器相關(guān)概述

1.1 免耕播種機的典型機型

第一，1590型播種機不僅技術(shù)先進，且功能強大。采用向下的液壓壓力系統(tǒng)，對殘茬切割效果好，能夠監(jiān)測地表復(fù)雜狀況，最高可達1800 N。第二，605NT機型加載的是雙圓盤開溝器，使用波紋圓盤破茬，為控制播種深度，引入了限深調(diào)節(jié)功能。而且寬度能夠調(diào)節(jié)，同公司研制的3S-4000HD機型寬幅可達12.2 m。第三，5500型播種機采用氣力式排種器，播種速度非?？?，幅寬最大可以達到24.4 m。配備多梁結(jié)構(gòu)圓盤開溝器，并使用多排覆土輪，有效避免了堵塞問題。同公司生產(chǎn)的PD5700機型具有地面仿形功能，確保了播深的一致性。第四，SPD系列機型在秸稈覆蓋率高達30 t/hm2的土地上，能夠?qū)崿F(xiàn)良好作業(yè)，和北美國家相比，成本更低。第五，MF9510-20型號，寬幅達7 m以上，配有種箱和肥箱，能夠調(diào)整施肥量，具有良好的節(jié)能效應(yīng)。以上這些機器多是大田作業(yè)，只在我國東北地區(qū)適用，在情況復(fù)雜的小田塊，作業(yè)性能較差，因此多數(shù)采用輕型機械。

1.2 免耕播種機的破茬方式和圓盤刀種類

1.2.1 破茬方式

目前，主要有主動破茬和被動破茬兩種方式。由于機械自重較大，因此，依靠自身質(zhì)量的被動破茬應(yīng)用較多。

1.2.2 圓盤刀種類

1）平面圓盤刀。形狀是平面形，呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓盤狀，中間有孔。優(yōu)勢在于加工工藝簡單，適應(yīng)性加強。由于與土壤接觸面積小，因此對土壤擾動較小，也降低了工作阻力。但是，在復(fù)雜的環(huán)境中，免耕工作效率較低，容易將秸稈推開，切割能力較差。特別是在秸稈覆蓋率大的環(huán)境中性能劣勢體現(xiàn)較明顯，而且大牽引力下切斷效果較差。

2）波紋圓盤刀。圓盤刀表面呈現(xiàn)波紋狀，一般中間空隙較大。圓盤表面的波紋增加了與土壤的接觸面積，前進阻力更大，對土壤擾動性大。但不利于保水保墑，對秸稈及殘茬的切斷性也相應(yīng)降低。

3）缺口圓盤刀。整體為圓形，邊緣部分有缺口，對結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求不高，在同切割能力下，比波紋圓盤和平面圓盤的成本要低。缺口秸稈有聚攏作用，有利于切斷莖稈，比起波紋圓盤，配重明顯降低，與土壤接觸面積更小，通過性強，切斷性好?？傊笨趫A盤刀的性能更優(yōu)越。

1.3 缺口圓盤刀和雙圓盤開溝器的相關(guān)研究

研究顯示，缺口圓盤刀中心垂直線與刀軸軸線夾角為7°時性能較好，采用阿基米德螺線形缺口，對破茬效率提升較快。Kushwaha對不同秸稈覆蓋率的綜合研究發(fā)現(xiàn)，目前最優(yōu)工作直徑是460 mm。Ahmad在對工作直徑、深度和速度綜合研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，450 mm工作效率最佳。

雙圓盤開溝器，保水保墑性能更好，對土壤擾動更小。夾角和圓盤直徑對開溝器性能影響較大，一般，圓盤傾角為6°～7°、夾角12°時，性能較佳。圓盤直徑對播深穩(wěn)定性影響較大，直徑減小，回土量也隨之減小。在300 mm直徑時，隨著雙圓盤夾角的增大，回土量隨之增長。

2 免耕播種機缺口圓盤刀與開溝器的設(shè)計

2.1 測定土壤參數(shù)

1）在設(shè)計之前，需對土壤參數(shù)進行測定，了解土壤的物理特性，探究規(guī)律。取3個取樣點，1個取樣點取3份，共9份，取平均值。

2）測定土壤基本參數(shù)。由于在破茬同時還要進行施肥，因此要增大入土的深度，將取樣深度最大值設(shè)置為30 mm。首先，測定含水率。采用烘箱干燥法，用環(huán)刀消減成型后，將樣本按照編號分別放入鋁盒中，稱重后放入恒溫干燥箱，溫度在108℃下烘干24 h，再次稱重。然后，測定土壤容重。對不同深度的土壤取樣，同樣按照編號進行稱重測量。最后，測定土壤堅實度，獲取0～400 mm深度的參數(shù)，以判定堅實度是否適合出苗，是否會造成跑水跑墑。

3）測定土壤力學(xué)性質(zhì)。首先，進行直剪試驗，使用直剪試驗儀進行測試，為簡化試驗程序，工作深度不超過10 cm，反復(fù)進行4次試驗。施加100 kpa、200 kap、300 kpa、400 kpa的不同壓力，根據(jù)秒表確定剪切位移，得到剪力數(shù)值。然后，進行三軸試驗，反復(fù)敲打?qū)⑼寥捞顫M圓柱形模具，將土壤樣本裝到橡膠套內(nèi)，密封后注水。初始圍壓為100 KPa，軸向形變設(shè)定每增加5%，增加50 KPa，最終形成應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖和強度包線圖。最后，測定土壤摩擦系數(shù)。隨著深度增大，含水率增大，堆積角也相應(yīng)增大。以65號錳鋼為材料，測定土壤在鋼板中的堆積角，土壤深度包括3個值，即0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm。之后，使用簡易實驗臺和電子量角儀對靜摩擦角進行測定。

2.2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

播種機采用V型鎮(zhèn)壓裝置。設(shè)置限深輪，雙圓盤開溝器，配置缺口圓盤破茬刀，安裝肥箱和種箱。采用多行免耕播種，使用液壓支撐系統(tǒng)，先由單圓盤缺口破茬刀進行破茬，破茬過程中通過肥箱直接進行施肥。施肥深度要大于播種深度，避免燒苗現(xiàn)象發(fā)生。在破茬刀后方使用雙圓盤開溝器開出種溝，同時由種箱完成播種。最后，采用V型鎮(zhèn)壓裝置進行鎮(zhèn)壓，減小對土壤的擾動（圖1）。

圖1 V型鎮(zhèn)壓輪示意圖

鎮(zhèn)壓輪采用橡膠輪，安裝在開溝器限深輪之后，通過手柄或者墊片調(diào)節(jié)擋位，即可調(diào)整鎮(zhèn)壓強度。鎮(zhèn)壓輪與土壤出現(xiàn)一定傾角，從而產(chǎn)生擠壓和覆土作用，種子沉入濕土中，頂部松土有助于出苗。因為鎮(zhèn)壓輪是滾動作業(yè)，可同時完成覆土、仿形、限深、鎮(zhèn)壓作業(yè)，也可有效防止拖堆。如果是沙質(zhì)土壤，需要增加鎮(zhèn)壓強度，提升保水保墑的能力。如果土壤本身較硬，而且殘茬較多，那么需要降低鎮(zhèn)壓力。同時，設(shè)置偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)，將偏差控制3 mm內(nèi)，避免焊接偏置現(xiàn)象。

2.3 破茬圓盤刀設(shè)計

選擇缺口圓盤刀，使用65號錳鋼，應(yīng)對秸稈較多和復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，提高硬度和耐磨性。圓盤刀缺口有鋒利的刃口，依靠機器自重進行被動作業(yè)。首先，對圓盤刀作業(yè)進行受力分析（圖2）。F為地表和秸稈之間的作用力，F(xiàn)1和N1為水平和垂直方向的分力，F(xiàn)2為摩擦力。h為工作深度，d為秸稈直徑，D為缺口圓盤刀直徑。φ1和φ2分別為秸稈與土壤以及圓盤刀和秸稈之間的摩擦角。破茬條件為：

圖2 缺口圓盤受力分析圖

由受力分析可知，cos α=1-（2 h+d）/D，F(xiàn)2=N2tanφ2，代入公式1和公式2，得到：

以玉米作為前茬，取30 mm為高度，摩擦角選擇30°，代入數(shù)值，得到圓盤刀直徑為410 mm，根據(jù)相關(guān)研究選整體高度為420 mm。本文為簡化設(shè)計，選擇傳統(tǒng)圓弧形缺口，由于缺口數(shù)量越大阻力越大，綜合考慮選擇12個缺口，直徑為84 mm。刃口角度數(shù)為38°，并且在圓弧形缺口處增加刃口，提升破茬率，提升精干切斷能力，有效防止堵塞現(xiàn)象。

根據(jù)受力分析確定滑切角（圖2），圓盤刀在工作過程中切割的是土壤和根茬。除了圓盤刀的滾動之外，還有滑動，將秸稈的非接觸部分壓入土壤。由于圓盤刀的工作深度相對深于播種深度，本文選擇80 mm，選擇滑切角在10°至15°之間。工作偏角的增大，會造成土壤擾動增大，與秸稈的接觸面積和摩擦增大，因此，需要將偏角適當(dāng)增大。

2.4 雙圓盤開溝器的設(shè)計

開溝器設(shè)計應(yīng)滿足需求：播種深淺一致，種子不飛散，溝型整齊平直，種子均勻分布（圖3）。對土壤擾動小，干濕土不混合，具體回土能力，讓種子覆蓋濕土，提升入土能力和切土能力，避免堵塞現(xiàn)象。種溝滿足多種作物需求，同時可實現(xiàn)寬窄幅不同播種。將圓盤聚點位置β確定為65°。工作直徑確定為300 mm，入土深度確定為40 mm，轉(zhuǎn)速為440 r/min，前進速度為4.4 km/h。根據(jù)公式4計算回土量b，其中，D為雙圓盤直徑，β為聚點夾角，為圓盤夾角。

圖3 雙圓盤開溝器示意圖

雙圓盤開溝器比起單圓盤開溝器，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此應(yīng)對雙圓盤進行有限元分析。應(yīng)用Workbench模塊進行網(wǎng)格劃分，其最大應(yīng)力在固定孔處。此外，還應(yīng)進行作業(yè)實驗，驗證雙圓盤開溝器的性能，檢驗其通過性與可靠性，考察開溝深度是否滿足要求，測量施肥量與施肥穩(wěn)定性，觀察鎮(zhèn)壓是否穩(wěn)定，測定覆土厚度。選擇20 m距離進行測試，在土槽內(nèi)豎立鋼尺，取4個試驗區(qū)，隔1 m取1個測量點，增加取樣點。當(dāng)排肥均勻、穩(wěn)定時，開溝溝深138 mm以上，即為符合要求。進行雙圓盤開溝器實驗，覆土完成后，隔0.5 m測量覆土厚度，覆土厚度平均在35 mm以上時，即為穩(wěn)定。

3 缺口圓盤刀和雙圓盤開溝器的技術(shù)改進

提高智能化控制水平，引入智能監(jiān)測設(shè)備，對播種和施肥系統(tǒng)情況實時監(jiān)測，有條件的可以在駕駛室設(shè)置監(jiān)視系統(tǒng)。大型機器，可引入開溝液壓系統(tǒng)和行走液壓回路，底盤使用履帶行走，方便行走和轉(zhuǎn)向。對于一些作業(yè)環(huán)境二類的區(qū)域，可采用遠(yuǎn)程遙控的方案，配合定位系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化作業(yè)?？蓱?yīng)用強擊式精密排種器，提升精量排種水平。

為提升切斷殘茬和秸稈能力，可采用復(fù)雜工藝技術(shù)，引入阿基米德螺旋線，對刀具進行優(yōu)化，還可以在圓盤刀刃處進行鋸刀式處理。同時，對材料進行創(chuàng)新。比如在濕度較大的土壤中，可采用木質(zhì)開溝器，能夠提升其耐磨性。采用陶瓷開溝器，能夠減阻降黏。盡量通過田塊連片等方式推廣大型免耕播種機，可以使用被動破茬方式，降低能耗。如果采用輕量化小型農(nóng)機，需要使用主動驅(qū)動系統(tǒng)，并使用仿地設(shè)計，提升整體性能。

4 結(jié)語

研究表明，采用缺口圓盤刀和雙圓盤開溝器結(jié)合，配合相應(yīng)的鎮(zhèn)壓措施，能夠提升入土能力、切割能力和防堵性。同時，種子播深一致性高，施肥穩(wěn)定性好，工作性能良好。在未來的工作中，還可以進一步予以改進。比如破茬后，再增加一道圓盤刀的開溝程序，開出一條松軟的溝渠，為雙圓盤刀開溝器打下基礎(chǔ)。