北方地區(qū)小地塊小麥-玉米通用免耕施肥播種機(jī)研發(fā)

摘 要 針對(duì)我國(guó)北方部分農(nóng)村地塊小且分散、大中型機(jī)械化作業(yè)難度大、配套動(dòng)力小等問(wèn)題，研發(fā)了一種小麥-玉米通用免耕施肥播種機(jī)，確定了整機(jī)總體設(shè)計(jì)方案與工作原理，并對(duì)旋耕裝置、離合器等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選用。在免耕小地塊分別對(duì)小麥、玉米進(jìn)行了播種試驗(yàn)，田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：玉米和小麥的種肥深度和種肥間距均能滿足播種質(zhì)量要求。該機(jī)一次作業(yè)能夠完成破茬防堵、種肥分施、覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)。旋耕裝置能夠解決播種時(shí)開(kāi)溝器堵塞問(wèn)題，離合器的使用提高了機(jī)具的工作效率，選用小麥玉米兩用外槽輪式排種器，提高了該機(jī)使用率，施肥播種質(zhì)量穩(wěn)定，基本滿足了地塊較小且分散的農(nóng)村地區(qū)保護(hù)性耕作下免耕作業(yè)的農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞 保護(hù)性耕作；小地塊；免耕播種機(jī)；離合器；北方地區(qū)

中圖分類號(hào)：S233.2+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.11.052

免耕播種是指在作物秸稈覆蓋的地塊進(jìn)行直接播種，其播種作業(yè)難度大，容易出現(xiàn)纏繞、堵塞機(jī)具的現(xiàn)象，對(duì)免耕播種機(jī)具的作業(yè)性能要求較高[1-3]。國(guó)外的免耕播種機(jī)具一般采用牽引式，與大功率拖拉機(jī)相配套，整機(jī)體積大，播種質(zhì)量較好，僅適于大地塊作業(yè)，而且價(jià)格昂貴，不易于在我國(guó)北方小地塊農(nóng)田地推廣。我國(guó)農(nóng)村拖拉機(jī)以中小型為主，考慮到農(nóng)村運(yùn)輸?shù)缆份^窄，田間作業(yè)地塊小且分散，不適合與大型播種機(jī)配套作業(yè)[4-5]。我國(guó)研究設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)比較成熟，但針對(duì)北方一年兩熟地區(qū)小地塊小型小麥-玉米通用免耕播種機(jī)研究較少。本研究結(jié)合北方小地塊地區(qū)保護(hù)性耕作的實(shí)際情況及農(nóng)村小型拖拉機(jī)配套動(dòng)力的實(shí)際情況，研發(fā)了一種適合北方一年兩熟地區(qū)7.35～8.82 kW小型手扶拖拉機(jī)配套使用的小麥-玉米通用免耕播種機(jī)，為我國(guó)北方小地塊小型免耕播種技術(shù)推廣提供了依據(jù)。

1" 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1" 整機(jī)結(jié)構(gòu)

小麥-玉米通用免耕施肥播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1，該機(jī)主要有開(kāi)溝施肥播種器、播種量調(diào)節(jié)手柄、種箱、肥箱、機(jī)架、旋耕防堵裝置、覆土鎮(zhèn)壓裝置等部分組成。

整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由旋耕裝置和施肥播種裝置組成。旋耕裝置可以將地面覆蓋的秸稈和雜草進(jìn)行打斷，為施肥播種創(chuàng)造有利條件。施肥播種裝置為安裝在拖拉機(jī)后輪內(nèi)側(cè)鏈輪提供動(dòng)力，通過(guò)雙齒鏈輪傳動(dòng)同時(shí)完成施肥、播種作業(yè)。根據(jù)農(nóng)藝參數(shù)和整機(jī)功能要求，小麥播種采用大壟雙行，寬窄行距離分別為30 cm、15 cm，行距可調(diào)；玉米采用50 cm等行距設(shè)計(jì)，行距可調(diào)。該機(jī)可播種4行小麥或2行玉米，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2" 工作原理

免耕條件下進(jìn)行小麥播種作業(yè)時(shí)，手動(dòng)將旋耕機(jī)檔位置于作業(yè)檔位，旋耕裝置將播種帶上的秸稈雜草打斷，進(jìn)行入土2 cm深度的微耕，避免作業(yè)過(guò)程中開(kāi)溝施肥播種器被堵，保證機(jī)具的通過(guò)性能。旋耕裝置的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)檔位進(jìn)行調(diào)節(jié)。免耕播種玉米時(shí)候，將旋耕刀更換成螺旋刀防堵裝置，該裝置不入土，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可將播種帶上及開(kāi)溝器頂出的碎土塊切斷并推向播種帶外側(cè)，防止纏繞堵塞機(jī)具。

拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)軸上安裝雙齒鏈輪，動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)經(jīng)播種施肥離合器傳遞給施肥鏈輪和播種鏈輪，完成施肥與播種。在旋耕裝置碎稈滅茬后，開(kāi)溝施肥播種器開(kāi)出10 cm左右寬、5～10 cm深的種床，保證順利施肥與播種。開(kāi)溝器開(kāi)出的溝底被回落的覆土蓋住，后經(jīng)覆土鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)，提高種子出芽率。為了適應(yīng)小麥、玉米不同地區(qū)，不同行距的變化，免耕施肥播種器能夠左右、上下調(diào)整位置，滿足不同的行距和施肥播種深度的要求。

2" 整機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)

本次設(shè)計(jì)的整機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)包括旋耕裝置傳動(dòng)和施肥播種裝置傳動(dòng)，其中排肥采取二級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)，排種采取三級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)。整機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)見(jiàn)圖2。

2.1" 旋耕裝置的動(dòng)力傳動(dòng)

拖拉機(jī)的后輸出軸與旋耕機(jī)輸入端相連，動(dòng)力直接傳遞給旋耕機(jī)。旋耕機(jī)下方輸出軸帶動(dòng)旋耕裝置旋轉(zhuǎn)。作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)手動(dòng)對(duì)旋耕機(jī)檔位的切換，達(dá)到不同旋耕速度作業(yè)目的。

2.2" 施肥播種作業(yè)的動(dòng)力傳動(dòng)

通過(guò)安裝在拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)的雙齒鏈輪傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到安裝在軸Ⅰ的離合器鏈輪處。通過(guò)手動(dòng)控制該離合器，可將動(dòng)力傳遞到軸Ⅰ上，軸Ⅰ兩端安裝雙齒鏈輪，通過(guò)鏈傳動(dòng)，軸Ⅰ一部分動(dòng)力傳遞給左右兩側(cè)的肥箱鏈輪上實(shí)現(xiàn)施肥作業(yè)，另一部分動(dòng)力通過(guò)右側(cè)鏈輪經(jīng)鏈傳動(dòng)傳遞給排種雙齒鏈輪上，該鏈輪帶動(dòng)軸Ⅱ，實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)。目前播種機(jī)普遍采用地輪轉(zhuǎn)動(dòng)為動(dòng)力，帶動(dòng)施肥播種作業(yè)，實(shí)際地面情況一般比較復(fù)雜，直接影響播種質(zhì)量。本設(shè)計(jì)中動(dòng)力傳遞直接由拖拉機(jī)后軸提供，作業(yè)過(guò)程中受地面平整情況影響很小，動(dòng)力傳遞效率高。

2.3" 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

本機(jī)具可以通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)的雙齒鏈輪與排肥、排種鏈輪的不同組合改變傳動(dòng)比，通過(guò)改變排肥、排種鏈輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制播量，實(shí)現(xiàn)不同播量下小麥、玉米的免耕播種。設(shè)計(jì)小麥播種時(shí)的傳動(dòng)比為1∶1，播種玉米時(shí)，拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)的雙齒鏈輪用齒數(shù)少的鏈輪與播種鏈輪齒數(shù)多的鏈輪相連，從而降低播種鏈輪速度，減少播量。雙齒鏈輪齒數(shù)分別選17/19，播種雙齒鏈輪齒數(shù)選19/21，傳動(dòng)比可在1∶1、1∶1.11、1∶1.12、1∶1.24中選取。

3" 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1" 旋耕裝置的設(shè)計(jì)

免耕作業(yè)下地表有雜草和秸稈殘?jiān)?，為保證順利播種，需要解決開(kāi)溝器的防堵問(wèn)題，可直接將拖拉機(jī)后輸出軸與旋耕機(jī)連接。根據(jù)農(nóng)村小地塊的特點(diǎn)，結(jié)合小麥玉米的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了左右對(duì)稱的兩組防堵裝置，見(jiàn)圖3。

旋耕裝置彎刀側(cè)切刃的刃口線型設(shè)計(jì)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的阿基米德螺線，刃口曲線加工制造簡(jiǎn)單，制造成本較低。彎刀的刀刃主要由正切刃與側(cè)切刃組成。其極坐標(biāo)方程為：[R=R0+K?θ]

式中，R為極徑（mm）；R0為起始半徑（mm）；K為比例系數(shù)；[θ]為極角（°）。

與常用旋耕機(jī)入土深度10 cm以上不同，本設(shè)計(jì)的旋耕刀正切刃部分入土深度為0～3 cm， 只要保證將播種帶地表秸稈、雜草、玉米根茬打斷即可，盡量減少動(dòng)土量，減少動(dòng)力消耗[6]。旋耕部分由安裝在旋耕刀軸上的兩組旋耕刀體組成，每組由6把旋耕刀和兩個(gè)碎土板組成，刀片均勻布置在刀軸上。中間的兩把旋耕刀為直刀，兩旁的兩把旋耕刀為彎刀。刀軸上兩側(cè)彎刀交替入土，降低刀具對(duì)機(jī)具的重心轉(zhuǎn)矩及側(cè)壓力?？紤]到滿足耕深的要求下，盡量選擇較小尺寸的刀片半徑，本設(shè)計(jì)刀片回轉(zhuǎn)半徑為130 mm，刀片材質(zhì)選擇常用的45鋼調(diào)質(zhì)處理。旋耕刀拋出的土塊或雜質(zhì)碰到碎土板會(huì)進(jìn)行再一次的碰撞粉碎，保證后續(xù)開(kāi)溝器順利作業(yè)。本設(shè)計(jì)機(jī)具作業(yè)速度Vm=2.5～5 km·h-1，刀軸轉(zhuǎn)速為280 r·min-1。根據(jù)地表實(shí)際情況，可調(diào)整刀軸轉(zhuǎn)速，提高工作效率。

在小麥地免耕播種玉米時(shí)，考慮到小麥秸稈相對(duì)較少，將旋耕機(jī)的旋耕刀部分取下來(lái)，換成圖3設(shè)計(jì)的螺旋刀防堵裝置。該裝置在刀軸上螺旋分布切削刀，由旋耕機(jī)變速箱帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)候不入土。 作業(yè)時(shí)左右兩側(cè)螺旋均向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，可將播種帶上及開(kāi)溝器頂出的碎土塊切斷并推向播種帶外側(cè)，防止機(jī)具堵塞。經(jīng)田間試驗(yàn)，該裝置防堵效果良好。

3.2" 開(kāi)溝施肥播種器的設(shè)計(jì)

由于免耕地表秸稈覆蓋量較大，開(kāi)溝器入土難度大，因此需要設(shè)計(jì)一種入土性能良好且對(duì)土壤擾動(dòng)小的開(kāi)溝裝置，保證肥料、種子的播種深度。根據(jù)實(shí)際作業(yè)地塊情況，結(jié)合農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)集開(kāi)溝施肥播種為一體的開(kāi)溝施肥播種器， 見(jiàn)圖4。

開(kāi)溝施肥播種器主要由開(kāi)溝器、鏟柄、肥管、連接板等組成。開(kāi)溝器的前進(jìn)阻力與入土角大小成正比[7-8]。合適的入土隙角可以提高開(kāi)溝器的入土能力。入土隙角一般為5°～10°[9]，本文選取入土隙角γ=5°，鏟面升角α=30°的銳角開(kāi)溝器，材質(zhì)為錳鋼。將開(kāi)溝器、鏟柄、鏟柄前刀焊接在一起。鏟柄前刀厚度為5 mm，采用錳鋼進(jìn)行刃角處理。鏟柄采用調(diào)質(zhì)45鋼，寬度為50 mm，厚度為28 mm，高度為530 mm，鏟柄的側(cè)面與排肥管相連。鏟柄用U型螺栓與機(jī)架相連，可以上下活動(dòng)來(lái)調(diào)整機(jī)具入土深度及施肥深度。

鏟柄后側(cè)焊接肥管連接板，其上加工長(zhǎng)槽孔，兩根種管左右對(duì)稱分布在連接板兩側(cè)，根據(jù)土壤的實(shí)際情況及播種深度的不同，兩側(cè)種管可以上下、左右調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)播種深度和行距。種管前段焊接前刀，刃角處理，厚度5 mm，材質(zhì)為45鋼調(diào)質(zhì)處理。

兩個(gè)種箱的底部各有2個(gè)出種孔，播種玉米時(shí)，如果有不需要的排種孔，可以將其用擋板擋上。設(shè)計(jì)施肥深度為80～100 mm，播種深度為0～80 mm，深度均可調(diào)。通過(guò)種肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變槽輪的有效工作長(zhǎng)度及改變傳動(dòng)比調(diào)整播量，以滿足符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求的種肥量。

3.3" 施肥播種離合器的設(shè)計(jì)

為提高機(jī)具工作效率，本文設(shè)計(jì)了一種離合器。該離合器主要由拉桿、L型撥叉連桿、預(yù)緊彈簧、活動(dòng)離合器片、固定離合器片等組成。 活動(dòng)離合器片與軸Ⅰ通過(guò)鍵連接，能夠在軸Ⅰ上短距離滑動(dòng)，固定離合器片與鏈輪做成一體，與軸Ⅰ通過(guò)軸承配合連接。 該離合器能在機(jī)具工作過(guò)程中，根據(jù)需要在不停機(jī)的情況下通過(guò)操作手動(dòng)拉桿，隨時(shí)切換動(dòng)力。 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

作業(yè)開(kāi)始前，離合器拉桿處于空檔位置，此時(shí)，拖拉機(jī)后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈條傳遞到固定離合器片，活動(dòng)離合器片在拉桿的預(yù)緊力下，壓縮彈簧，使其與固定離合器斷開(kāi)，動(dòng)力被切斷，不會(huì)進(jìn)行施肥和播種。作業(yè)開(kāi)始后，手動(dòng)將拉桿放下，活動(dòng)離合器片在彈簧的張力下與固定離合器片嚙合，動(dòng)力被傳遞到軸Ⅰ上，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)肥箱、種箱進(jìn)行作業(yè)。

3.4" 小麥玉米通用的播種裝置

為實(shí)現(xiàn)免耕播種小麥玉米，選用外槽輪式小麥-玉米通用排種器。 玉米和小麥種子大小不同，通過(guò)手輪調(diào)節(jié)施肥量，通過(guò)調(diào)節(jié)手柄調(diào)整播種量，外槽輪式播種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，種子、肥料播量穩(wěn)定。將拖拉機(jī)后輪內(nèi)側(cè)的鏈輪、施肥、播種器鏈輪設(shè)計(jì)成雙齒鏈輪，通過(guò)選擇不同鏈輪連接，形成不同的傳動(dòng)比，也可以對(duì)播量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4" 田間試驗(yàn)

為了測(cè)試該機(jī)工作性能，于2016年6月和10月，在河北邢臺(tái)地區(qū)一年兩熟小地塊分別就玉米和小麥進(jìn)行了田間試驗(yàn)，對(duì)種肥深度及間距進(jìn)行檢測(cè)。 檢測(cè)方法如下：播種后任意選擇5塊區(qū)域進(jìn)行測(cè)量[10]，每個(gè)區(qū)域選6行，一行取3個(gè)點(diǎn)，測(cè)出種肥深度及間距， 種深3～5 cm、肥深8～10 cm、種肥間距為3～6 cm為合格。

玉米播種的前茬作物為小麥，在收獲小麥后的麥茬地寬行上直接播種夏玉米，土壤類型為壤土，秸稈覆蓋量為695 g·m^-2。 土壤含水率10.2%，土壤堅(jiān)實(shí)度18.8 kg·cm^-2， 試驗(yàn)用化肥為尿素，無(wú)結(jié)塊，施肥量150 kg·hm^-2。 配套動(dòng)力為7.35～8.82 kW手扶拖拉機(jī)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，根據(jù)播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[11-12]，該機(jī)播種玉米后種肥深度和種肥間距均滿足播種質(zhì)量要求，符合農(nóng)藝要求。

在玉米播種1個(gè)月左右，為了解玉米苗的生長(zhǎng)情況，分別在免耕播種機(jī)播種和人工播種的玉米地里隨機(jī)分3個(gè)片區(qū)，每個(gè)片區(qū)就株高、株距、行距、苗粗各取20組數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。從圖6中可以看到，免耕播種機(jī)播種后，玉米的各項(xiàng)參數(shù)跟人工播種下除株高有所下降外，株距、行距、苗粗?jǐn)?shù)據(jù)沒(méi)有明顯差別，可以滿足農(nóng)藝要求。

小麥播種的前茬作物為玉米，行距為500 mm，秸稈還田。秸稈覆蓋量為2.75 kg·m^-2，土壤類型為壤土，0～10 cm土層的土壤含水率為10.1%，播種4行小麥，肥料為小麥復(fù)合肥，施肥量220 kg·hm^-2。配套動(dòng)力為7.35～8.82 kW手扶拖拉機(jī)。由表3可以看出，該機(jī)播種小麥后種肥深度和種肥間距均滿足播種質(zhì)量要求，符合農(nóng)藝要求。

5" 結(jié)論

1）提出了小地塊免耕施肥播種機(jī)的作業(yè)方案，完成了播種前的秸稈、雜草的處理，保證了后續(xù)施肥播種作業(yè)的順利進(jìn)行。該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、操作方便。

2）旋耕裝置的設(shè)計(jì)，解決了開(kāi)溝器堵塞問(wèn)題；播種離合器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)的情況下通過(guò)操作手動(dòng)拉桿，切換動(dòng)力，完成施肥播種，提高了作業(yè)效率；選用小麥玉米通用的外槽輪式排種器，通過(guò)手輪調(diào)節(jié)播量，同時(shí)配合調(diào)整開(kāi)溝播種器之間的行距，實(shí)現(xiàn)了小麥玉米的通用播種。

3）田間試驗(yàn)表明，玉米和小麥的種肥深度和間距均能滿足免耕播種的要求，符合農(nóng)藝要求。機(jī)具能夠一次作業(yè)完成多種工序，工作效率有所提高。

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（責(zé)任編輯：易" 婧）