免耕播種機秸稈處理裝置研究現狀與發展

林德志++胡志超++于昭洋等

摘要：概述了免耕播種機秸稈處理裝置的目的及意義，總結了現行免耕播種機秸稈處理裝置的種類，分析各種類的特點以及處理秸稈的原理，并總結概括了現行免耕播種機秸稈處理裝置存在的問題和不足。簡要分析了全秸稈覆蓋免耕播種機秸稈處理裝置的特點、工作原理，并通過田間試驗指出其存在的問題。

關鍵詞：秸稈；秸稈處理裝置；應用現狀；全秸稈覆蓋免耕播種機

中圖分類號： S223.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-013-04

收稿日期：2014-12-12

基金項目：國家現代農業產業技術體系建設專項（編號：CARS-14-08B）；中國農業科學研究院科技創新工程。

作者簡介：林德志（1989—），男，安徽六安人，碩士研究生，主要研究方向為耕種機械。E-mail：961369927@qq.com。

通信作者：吳努，教授，碩士生導師，研究方向為機械設計、紡織機械。E-mail： 653534738@qq.com。當前，我國的空氣污染問題日益突出，每逢秋末冬初，持續的霧霾天氣籠罩著全國多個省份，給人們的生產生活和身體健康造成了極大的危害。造成空氣污染的主要原因之一就是農村的農作物秸稈焚燒，收獲后的農作物秸稈廢棄在田間，基本無利用價值且不易清理，就地焚燒成了農民“最省事”的辦法。破解秸稈焚燒最有效的解決辦法就是采取保護性耕作，對農田實行免耕、少耕，讓作物秸稈、殘茬覆蓋地表，這樣既可以提高土壤肥力、抑制沙塵暴，又能夠避免秸稈焚燒[1]。而免耕播種機又是機械化保護耕作的核心。在免耕播種機作業播種的過程中，殘茬秸稈的處理是一個非常重要的關鍵環節，無論是播種種子還是播種后的施肥環節，作為免耕播種機作業的第一步，就是對殘茬秸稈的處理，將殘茬秸稈清理干凈，以利于后續免耕播種機的播種和施肥等作業，從而能夠保證作業的順暢性、高效率；如果殘茬秸稈清理不當，就會造成機具堵塞卡滯，架種、晾種等問題，不僅影響作業順暢性，而且影響播種質量[2]。因此，秸稈處理裝置的研究對提高免耕播種機作業的順暢性和勞動生產率有著重要的意義。

1國外免耕播種機秸稈處理裝置

國外目前免耕播種機上采用的秸稈處理裝置常見的有2種，即圓盤刀式秸稈處理裝置和尖鏟式秸稈處理裝置[3]。

1.1 圓盤刀式秸稈處理裝置

圓盤刀主要有3種形式：光盤圓盤刀、波紋圓盤刀和缺口圓盤刀。圓盤刀式秸稈處理裝置多數使用滾動圓盤切刀來破土切茬，其類型主要有平圓盤切刀、偏置鋸齒型圓盤切刀、偏置波紋型圓盤切刀、缺口圓盤切刀、帶限深輪緣的圓盤切刀和殘茬處理雙圓盤刀等類型。其工作原理是圓盤刀隨機架滾動，靠重力切茬，也可以靠液壓予以施加垂直向下的力增加圓盤刀的切茬效果。如果土壤表面比較硬，圓盤切刀可以將殘茬切斷，而當在松過或耕過的田地里工作時，它們會將殘茬壓進松軟的土壤里。從而播種機能夠順利地完成作業，播下的種子和施下的肥料不會裸露在秸稈上。直徑大的圓盤切刀相比直徑小的圓盤切刀切茬要容易，但其需要的垂直壓力也相對較大。動力驅動的圓盤切刀切茬效果較好，能使免耕播種機在殘茬覆蓋地順暢地播種而不發生堵塞現象，但是結構復雜。帶限深輪緣的圓盤切刀和殘茬處理雙圓盤刀切割殘茬要比普通圓盤切刀容易。國外的免耕播種機大多數采用圓盤刀式秸稈處理裝置，但是每個圓盤刀需要增加配重，結構龐大笨重，耗用鋼材多，制造成本高[3-4]。

美國Great Plains公司生產的3P605NT型免耕播種機（圖1）和巴西Baldan公司生產的SPD5000型小麥免耕播種機（圖2）都采用圓盤刀式秸稈處理裝置。3P605NT型免耕播種機采用大波紋圓盤破茬、松土，在地表可以開出10～20 mm寬的溝，其后用單體仿形的雙圓盤開溝器播種施肥，種、肥混施。作業時，重心位置在大波紋圓盤上，切茬能力較強，該機為懸掛式，質量為1 034 kg，工作幅寬為1.83 m，播種行距19.05 cm、行數9行[5]。SPD5000型小麥免耕播種機，同型號的還有SPD3000和SPD4000型，整機質量分別達到4 223、3 812、3 401 kg，牽引式，配套動力分別為85、70、55 kW以上拖拉機[3，6-7]。

1.2尖鏟式秸稈處理裝置

尖鏟式秸稈處理裝置的特點是質量輕而入土能力強，具有結構簡單、易制造和成本低等優點。其工作原理是靠自身和附加的重力，在牽引力作用下，它的前棱和兩側對稱曲面使土壤沿曲面上升側滑， 并將殘茬、表層干土塊、雜草等向兩側

拋出。對播前整地要求不高，可在壟作留茬地上開溝，有利于清除壟上殘茬和雜草。但作業時，下層濕土有上翻趨向，保墑性能較差，開溝阻力較大[3-4]。

加拿大Flexi-Coil公司生產的5000型免耕播種機采用非動力驅動鏟式開溝器破茬松土（圖3），鎮壓輪為多排結構且距開溝器有一定的距離，可以有效防止機具掛草。該機整機長為17.4 m，種行寬度可調，有18.3、22.9、30.5、36.6 cm 4種規格，播種方式為氣力式排種，壓縮空氣與種子箱系統在最后方，其重量由自身的輪子支撐以保證開溝器對土壤的壓力的穩定性，確保精確的開溝深度[4-5，8]。同樣采用非動力驅動鏟式開溝器破茬松土的還有澳大利亞John Shearer公司生產的4 Bin Direct Drills免耕條播種機（圖4），該機具有4個種箱，可以在1個工作行程播種4種作物，整機上可以裝4～6個開溝器，且每2個開溝器之間的間隔較大，可以很好地防止堵塞，增加作業的順暢性[3，6，8]。

國外對免耕播種機具的研究已取得較大成就，且其秸稈處理裝置的研究也相當成熟，能夠較順暢完成作業，但是當在秸稈量大或種植窄行作物時存在機具堵塞、秸稈覆蓋種行、種子可能播在秸稈上等問題且歐美發達國家多為單熟制、休耕制，田塊大、機具多以重型、大型設備為主，我國直接借鑒和應用可能性不大。

2國內免耕播種機秸稈處理裝置

國內目前免耕播種機上采用的秸稈處理裝置常見的有3種[3]：一是圓盤刀式秸稈處理裝置；二是尖鏟式秸稈處理裝置；三是帶狀旋割秸稈處理裝置。

2.1圓盤刀式秸稈處理裝置

國內免耕播種機上圓盤刀式秸稈處理裝置和國外的基本相同，但是由于我國的地塊小、經濟條件差，所以免耕播種機的質量相對較小，需通過液壓系統對其施以向下的垂直分力，以增加圓盤刀的切割能力。

中機美諾生產的6115型免耕播種機采用波紋圓盤刀破茬松土，切茬效果較強（圖5）[9]。該機整機質量為1 973 kg，配套動力55 kW，播種行數為15行、行距為19 cm，工作寬幅2.85 m，工作效率為2.28 hm2/h，能播種小麥、大豆、牧草、油菜等中、小粒種子作物，可一次完成破茬、開溝、播種、施肥、覆土、鎮壓作業[6，9]。另外，由中國農業大學參與的國家“十五”科技攻關課題組研制的斜置驅動缺口圓盤免耕播種機（圖6）[10]，該機采用動力驅動式圓盤破茬裝置，即在開溝器前裝有斜置缺口圓盤刀，利用圓盤刀在旋轉過程中切斷殘茬并將土壤向后拋灑。在實際作業過程中，由于軸端附近的圓盤刀與免耕播種機的側板距離較小，容易發生秸稈堵塞[6]。

2.2尖鏟式秸稈處理裝置

國內的尖鏟式秸稈處理裝置同國外的相仿，同樣由于我國的基本國情，其機具質量相對較小，需通過液壓系統增加其向下的垂直分力，以增加尖鏟的入土能力。

大連農牧機械制造廠生產的 2BQM-6A型免耕播種機（圖7）[11] 與河北農哈哈機械有限公司生產的農哈哈2BYF-4型玉米施肥播種機（圖8）都采用尖鏟式破茬松土裝置，能有效減小作業阻力，提高作業效率。2BQM-6A型免耕播種機在小麥秸稈量為965 kg/hm2、秸稈含水率為64.3%的地中播種，通過系數可達0.97，通過性較好[4-5]。2BYF-4型玉米施肥播種機整機質量為190 kg，配套動力11～13.2 kW，播種行距500～640 mm，播種行數3行[7]。

2.3帶狀旋割秸稈處理裝置

帶狀旋割秸稈處理裝置是在開溝器前設置有旋轉刀具，其工作原理是作業時，旋轉刀具將作物的秸稈、根茬打碎或打走，在播行形成種床，適用于直立玉米秸桿或秸桿還田地播種小麥，也可用于播種玉米[3]。河北省農機局組織河北農哈哈機械有限公司生產的2BMFS-5/10 型帶狀淺旋小麥覆蓋施肥播種機見圖9[12]。該機采用帶狀淺旋刀破茬松土裝置，可以將開溝器前的秸稈旋耕粉碎并與土壤混合，可在大量的玉米秸稈覆蓋地上作業，整機質量為600 kg，配套動力36.8～47.8 kW拖拉機，工作幅寬1 900 mm，播種行距范圍：玉米380 mm，小麥寬行260 mm、窄行120 mm[6，8]。農業部保護性耕作研究中心研制的2BMD-12 小麥對行免耕播種機見圖10[13]。其同樣采用帶狀旋耕刀破茬松土裝置，能夠用于玉米收獲后，在秸稈直立狀態下下地作業。該機配套動力為43 kW以上拖拉機，播種幅寬 2 800 mm，播種平均行距200～233 mm[8]。

我國對免耕播種機的研究起步較晚，主要是對國外免耕播種機的消化和吸收，研究適合我國國情的免耕播種機，并取得了不小的成就，但是當秸稈覆蓋量大、留茬較高時，易堵塞卡滯，影響作業質量。

3全秸稈覆蓋免耕播種機的秸稈處理裝置

針對現有的免耕播種機存在當地表秸稈量大或留茬高時極易造成機具入土部件掛草、壅堵和架種、晾種等問題，農業部南京農業機械化研究所創新性研制出了全秸稈覆蓋免耕播

種機（正處在試驗階段），該機可一次性完成碎秸、清秸、播種、施肥、播種后覆秸等作業工序。其作業過程為：首先利用秸稈處理裝置將待播區內的秸稈撿拾、粉碎，通過橫向推送及風力提升后向后拋撒，在秸稈未落下、地表無秸稈的空檔處播種施肥，粉碎后的秸稈再由拋灑裝置均勻地覆蓋于播種后的地面上。該機具不僅能夠解決現有免耕播種機的技術難題，而且覆蓋后的秸稈能夠起到很好的肥效以及達到“準地膜”的覆蓋效果；且通過更換部分作業部件，可播種不同的作物。

3.1工作原理

秸稈處理裝置是全秸稈覆蓋免耕播種機的核心，其主要作用是將待播區域內的秸稈清理干凈，為后續的播種、施肥等工作部件營造“潔凈”的工作環境，從而解決開溝器壅堵、架種、晾種等問題。其具體結構如圖11所示[14]。

全秸稈覆蓋免耕播種機的秸稈處理裝置是利用拖拉機動力輸出軸輸出動力，經萬向節帶動變速齒輪旋轉，通過變速齒輪加速后帶動三角帶傳動，從而帶動秸稈粉碎刀軸以及攪龍、風機高速旋轉。且在秸稈粉碎刀軸上裝有Y型甩刀，工作時甩刀離地有5 cm的高度，高速旋轉的的甩刀可以將直立或者倒伏的秸稈打成多段，同時由于甩刀的高速旋轉，在秸稈處理裝置入口處形成負壓區，斷秸以及未被打斷的秸稈被吸入機體內，與機體內安裝的定齒相遇，從而被剪切粉碎。粉碎后的秸稈被氣流送至粉碎刀軸后方設置的橫向輸送攪龍， 碎秸通

過旋轉的螺旋輸送攪龍推送至離心風機，并在風機葉片高速旋轉產生的離心力以及獲得能量的氣流聯合作用下，從設有秸稈拋灑機構的輸送管道出口拋出，越過種箱、肥箱，均勻地覆蓋于播后地表。

3.2田間試驗

該機于2014年11月4—13日（其間7、8日2 d下雨），在江蘇省農業科學院試驗基地（位于南京市六合區竹鎮）分別做了玉米茬小麥免耕播種與水稻茬小麥免耕播種的試驗。其中前茬作物為玉米的田地1.387 hm2，玉米茬秸稈高度 1 736 mm，株距345 mm，秸稈直徑從稈頂的5.3 mm到稈底的20.6 mm逐漸增大；前茬作物為水稻的田地0.96 hm2，先前收獲水稻時采用的是全喂入聯合收獲機，留茬高度400 mm，株距200 mm。試驗期間田間秸稈覆蓋效果如圖12、圖13所示，2幅圖都是左邊的是待播區域，右邊是已播區域。

3.3存在的問題

（1）當遇到田間不平整處，尤其是兩邊低中間高的地方，甩刀會將大量凸起的土壤甩至攪龍，并輸送到離心風機處，造成風機的堵塞卡滯。

（2）當秸稈的直徑較小，如水稻茬、小麥茬，且其含水量過高時，粉碎后的秸稈容易堆積成團狀，會造成風機出口段的管道堵塞卡滯。

（3）管道出口處的秸稈會纏繞在拋灑機構的旋轉軸上，當纏繞的量過多時，會造成拋灑機構由于摩擦阻力過大而旋轉速度變慢乃至停滯，從而影響秸稈的覆蓋均勻性。

4結語

隨著焚燒農作物秸稈造成的空氣污染、交通堵塞等問題日漸突出，對免耕播種機秸稈處理裝置的理論研究與創新顯得尤為重要；因此，需要重視對免耕播種機秸稈處理裝置的理論研究與創新。我國在總結吸收國外免耕播種機秸稈處理裝置的基礎上，研制出了許多適合我國國情的免耕播種機秸稈處理裝置，但是也存在不少問題，所以要對現有秸稈處理裝置進行優化，進一步改進和完善現有裝置，提高免耕播種的質量。同時，根據不同地區特點及廣大人民的需求，發展有利于免耕播種機播種的秸稈處理裝置，從而提高農民的積極性、減少乃至杜絕焚燒秸稈，進而能真正解決焚燒秸稈帶來的環境污染問題以及為全面實施保護性耕作提供有效的技術支撐。

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