小麥深松分層施肥寬苗帶免耕播種機的設計與試驗

王志偉，張銀平，刁培松，刁懷龍

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

0 引言

目前，我國黃淮海小麥玉米輪作區機械化作業已經基本實現，但仍有部分地區在機械化播種技術方面缺乏升級換代，導致在農業作業和作物生長期間出現一些列問題，直接影響到小麥的生長及其產量和質量。其中，主要表現方面是土壤板結形成較硬的犁底層，使得活土層變淺不利于小麥根系生長，因此對土壤是適度擾動和深松是必要的。種肥同層混播的常規播種方式解決不了“施肥足則肥料燒種、施肥不足則后勁不足”的矛盾，無法解決小麥不同生長期間對肥料的需求。此外，為了達到單純增產的目的，農民施肥方式和施肥量不合理，往往導致導致肥料使用效率低下，一方面使得農業生產投入成本大幅增加，另一方面造成資源浪費和環境污染現象，直接影響到農作物品質與食品安全。綜上所述，改變小麥施肥方式，提高肥料的利用率，是生態農業發展的必然要求。

基于上述問題，設計了小麥深松分層施肥寬苗帶精量免耕播種機。根據《免耕施肥播種機標準GB/T 20865-2007》國家標準及技術要求，深松深度定為30cm以上，采用分層側施肥的方式；深松過后旋耕刀進行苗帶淺旋，機體后側鎮壓輪對相對應的播種行苗帶進行鎮壓，使高發芽率得到保證。

1 整機結構及工作原理

1.1 總體結構簡圖

小麥深松分層施肥寬苗帶精量免耕播種機主要由肥箱、種箱、鎮壓輪、擋土板、排種開溝器、苗帶清整裝置、分層施肥機構、限深輪、懸掛支架和機架等組成，如圖1所示。

1.肥箱 2.種箱 3.鎮壓輪 4.擋土板 5.播種開溝器 6.苗帶清整裝置 7.分層施肥深松鏟 8.限深輪 9.懸掛支架

主要技術參數如下：

播種幅寬/m：2

行距/cm：28

行數/行：8

配套動力/ kW：≥73.5

生產率/ hm2·h-1：≥0.8

深松深度/ cm：≥30

深松深度穩定性/%：≥85

碎土率/%：≥30

播種深度合格率/%：≥80

種肥間距合格率/%：≥98

銜接行距合格率/%：≥90

小麥深松分層施肥寬苗帶精量免耕播種機已經研制生產出樣機并投入使用，如圖2所示。

圖2 小麥深松分層施肥寬苗帶精量免耕播種機

1.2 工作原理及工作過程

小麥深松分層施肥寬苗帶精量免耕播種機與拖拉機連接方式采用三點浮動懸掛。工作時，拖拉機的動力傳出軸將動力傳遞給播種機變速箱，變速箱的兩端左右輸出軸上的偏心軸承通過連桿帶動分層施肥深松鏟震動，同時分層施肥深松鏟上的施肥機構分別在幾個不同的深度完成基肥和底肥的施放工作。在分層施肥深松鏟上底部分別為變速箱的傘齒輪和直齒輪帶動旋耕刀軸正旋，鎮壓輪通過鏈輪和鏈條與排種機構和排肥機構鏈接驅動排種器和排肥器工作。

機構前后配置工作順序為：分層施肥深松鏟完成深松種植帶和分層側施肥過程；旋耕刀軸帶動旋耕刀片正旋運動，高速轉動的刀片可以將前方的雜草和秸稈存等切碎并撥向開溝器兩側和周圍，使得開溝器在阻力相對較小，在土質松軟的地表環境中完成開溝作業，防止開溝器阻塞。當帶有轉筒的開溝器在有雜草和秸稈覆蓋的地表開溝時，其鋒利的刀刃可切斷雜物并在轉筒的作用下將雜物撥向兩側而后完成播種作業；梯形的鎮壓輪著地部分會對8個播種行進行鎮壓。

2 主要工作部件設計

2.1 分層施肥深松鏟

如圖3所示，分層施肥深松鏟由深松部分和分層施肥器兩部分組成。其中，深松部分主要由鏟尖和鏟柄組成；分層施肥器共有有4個排肥口，由肥料輸入管、基層施肥管、主體施肥管及固定施肥片等組成。

圖3 分層施肥深松鏟三維示意圖

分層施肥深松鏟將深松和分層深施肥兩個功能結合在一起，深松的同時通過固定燕尾施肥口將小麥生長后期用的底肥分3層施放在小麥種行之間的地下12～20cm，通過基層施肥管將小麥前期生長所用的種肥肥施放在小麥種行之間的地下5～10cm。分層施肥一方面避免了集中施肥燒種燒苗的情況，另一方面能夠在播種時一次施足控釋肥，滿足小麥各個生長期的需要，省去了后期追肥作業環節，提高了作業效率和肥料利用率[4]。

分層施肥深松鏟參數示意圖如圖4所示。圖4中，鏟柄高度h=835mm，鏟柄長度b=102mm，鏟尖長度S1=77.5mm，鏟柄曲率半徑R=300mm，入土角α=37°，鏟尖頂端距施肥器頂部h1=620mm，鏟尖頂端距基層施肥管出口中心h2=220mm，鏟尖頂端距第一固定燕尾施肥片h3=190，兩固定燕尾施肥片距離S2=42mm。

圖4 參數示意圖

為了分析分層施肥深松鏟所受應力情況，通過Pro/E和ANSYS軟件將其進行有限元分析。

分層施肥深松鏟的鏟體、鏟尖由合金鋼(65Mn)制成，鏈接用的螺栓、螺母均為中碳高合金鋼(35CrMo)，其材料主要性能參數如表1所示。

表1 深松鏟零件材料性能參數

深松作業以破壞犁底層為原則，深松深度范圍為300～500mm。本例設定深度為350mm，分別向鏟體施加2 000、2 500、3 000N的力，得出應力云圖分別如圖5～圖7所示。由此可知：當深松鏟受力較小時，鏟柄彎曲處承受較大應力；隨著外界阻力的加大，鏟頭開始承受較大應力；當外界阻力到達一定程度時，鏟柄垂直部分承受大部分應力。

圖5 2 000N應力云圖

圖6 2 500N應力云圖

圖7 3 000N應力云圖

2.2 苗帶清整裝置的設計

苗帶清理裝置主要由刀軸、刀片、刀盤、變速箱上體、變速箱下體和軸承座組成。旋耕刀直徑為500mm，旋耕深度為10cm，旋耕方向為正旋(見圖8)，轉速為190r/min。

圖8 苗帶清整裝置運動方向示意圖

苗帶清理裝置的功率消耗主要集中在刀片的土壤切削、土塊拋擲和傳動上。其中，切土和拋土消耗功率占消耗總功率的80%以上，其它方面功率消耗可忽略不計[5]。

功率消耗計算公式為

式中Kr—旋耕土壤比阻(kg/cm2)，與土壤和耕深有關，耕深越大其數值越大，因為耕作環境為旱地，作物秸稈和雜草較多，取Kr=1.12；

B—工作幅寬(m)，取B=2；

H—耕深(cm)，取H=10；

Vm—播種機速度(m/s)，取Vm=1.1。

帶入各項參數，得出苗帶清理裝置消耗：N=24.64kW，小于約翰迪爾-1204拖拉機動力輸出軸標定功率75.02kW。此部分功率占據著拖拉機有效動力的33%，因此整個苗帶清理裝置符合設計要求。

2.3 播種開溝器

該播種機采用的開溝器是尖角式開溝器，主要由鏟尖、鏟體、轉筒、鏟柄及護板等部件組成，如圖9所示。其中，鏟尖和鏟體是可拆卸的，以便于使用過程中更換。開溝器鏟尖尖銳，入土能力強，能輕松切斷土壤中的殘根；鏟柄后側配有護板，可以有效地避免開出的土壤過早滑到種溝內。鏟柄前端配有轉筒，如果遇到雜草和秸稈較多的情況，在轉筒撥指作用下，雜草和秸稈被撥離到開溝器兩側，一方面可以減小開溝阻力，另一方面可以有效避免阻塞和后續覆土量不足的情況發生，從而提高了播種質量。

圖9 開溝器三維示意圖

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

2016年10月，試驗在德州慶云一小麥玉米輪作農業推廣示范基地進行。該地區年降水量750～870mm，7、8月份降水量集中，年均氣溫12.3 ℃，土壤為棕褐土，屬典型的北溫帶大陸性氣候。試驗地點已玉米聯合收獲，地表滅茬秸稈粉碎合格率大于90%。播種方式為免耕直播，配套動力大于73.5kW，作業速度為0.5～2km/h，播種行數為8行。

試驗用小麥品種為新中9號，千粒質量為43.5g，種子含水率為11.2%，播種量為300kg/hm2；試驗用肥料為尿素，施肥量為225kg/hm2。

3.2 試驗方法

本試驗參照GB/T200865-2007《免耕施肥播種機國家標準》進行相關試驗。播種機播種性能測試內容包括深松深度及穩定性、播種深度及穩定性、土壤擾動系數、肥料覆蓋厚度和種肥間距合格率等。檢測設備有小鏟、秒表、卷尺及游標卡尺等。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 通過性試驗

根據國家農業部農機試驗鑒定總站的測試標準和要求，取試驗測區長度為200m。測定時，拖拉機以正常行駛標準行駛，播種機以正常播種速度作業，如圖10所示。按照行業規定標準，該機器進行10次免耕直播測試。結果顯示：機器通過性良好，沒有出現堵塞狀況，符合播種的需要。

圖10 樣機進行田間試驗

3.3.2 種肥和深松情況

播種機完成播種作業后，在多個播種行中隨機抽取10行，每行在200m內隨機取20個點，檢測人員用小鏟扒開土層對播種深度、施肥深度、種肥距離及深松深度等參數進行測量，結果如表2、表3所示。

表2 種肥測試結果

表3 深松情況

續表3

4 結論

設計的小麥深松分層施肥寬苗帶精量免耕播種機，能夠一次性完成小麥播種過程中的深松，以及根據小麥不同生長階段分層施肥、播種、覆土、鎮壓等作業。設計的分層施肥深松鏟、苗帶清理裝置和開溝器等部件結構合理，強度符合作業要求。整機配套合理，可靠性和適應性高，且該播種機的施肥量、播種量、穴距等參數都可根據不同實際需要進行調整，能夠滿足黃淮海地區小麥播種農業生產的需要。

參考文獻：

[1] 刁培松,杜瑞城.小麥深松免耕播種機的研制[J].農機化研究,2013,35(11):103-106.

[2] 王云霞,梁志杰,崔濤，等.玉米分層施肥器結構設計與試驗[J].農業機械學報,2016,47(S1):163-169.

[3] 張晉國,高煥文.免耕播種機新型防堵裝置的研究[J].農業機械學報,2000,31(4):33-35.

[4] 尹博,張曉輝.淺談小麥深松分層施肥精播機械化技術的推廣應用—以山東省日照市為例[J].中國農機化, 2016,37(8):242-247.

[5] 滕悅江,楊自棟.苗帶清整型夏棉精量免耕播種機設計[J].農機化研究,2014,36(10):88-91.

[6] 張喜瑞,何 進,李洪文，等.小麥免耕播種機驅動鏈式防堵裝置設計[J].農業機械學報,2009, 40(10):44-48.

[7] 王宏立，張 偉.基于Pro/E和ANSYS的深松鏟有限元分析[J].農機化研究,2010,32(12):33-36.