高效稻麥多功能復式播種機設計與試驗

于曉陽，楊善東，刁培松，杜瑞成，張銀平

(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

水稻和小麥是我國最主要的糧食作物，其種植面積和總產量位居全國糧食作物前兩位，在糧食生產和消費中處于主導地位。江淮地區和黃淮海部分地區是我國主要的稻麥輪作區，該地區傳統的水稻種植方式是插秧。在進行插秧作業之前需要對小麥秸稈及殘茬進行粉碎還田處理，還要進行耕翻和打漿平地等工序，最后通過人工插秧或機插秧的方式進行插秧，整個過程工序繁雜，作業成本高，勞動強度大。該地區在播種小麥前，需要對水稻秸稈及殘茬進行粉碎還田處理，對土地進行1～2次旋耕整平后再進行播種，整個過程動力消耗大、生產成本高且不滿足保護性耕作要求。

近年來，稻麥免耕旱直播技術受到了廣泛的關注，該技術具有土壤結構破壞少,作物根系發育好、耐旱抗病產量高及播種環節工序少等優點。美國、德國、意大利等發達國家對稻麥免耕旱直播技術研究較早，且取得了一系列先進的研究成果。以美國約翰迪爾公司(John Deere)、德國雷肯公司(Lemken)、意大利馬斯奇奧公司(Maschio)等為代表，其研發制造的系列免耕播種機，如1590型谷物條播機、Solitair系列免耕播種機、MT系列免耕播種機等具有作業穩定可靠、智能化程度高、作業效率高等優勢，因而一直在該領域處于國際領先地位。但國外的機型存在整機結構龐大、機動性能差，機具價格昂貴等問題，且國外和國內在耕作制度及水稻和小麥的種植技術上還存在一定差異，因此國外的機型難以在我國進行廣泛的推廣和應用。國內對稻麥免耕播種機也進行了相關研究，在積極借鑒國外先進技術的同時，根據國內水稻和小麥的種植特點不斷地進行技術創新，取得了多項科研成果。

針對我國稻麥輪作區在播種作業時存在作業工序多、生產成本高、智能化程度低等問題，設計了一種智能、高效的稻麥多功能復式播種機，可一次完成滅茬、耕整、施肥、播種及鎮壓5道作業工序。該播種機播種性能穩定、作業效率高、使用調整方便并且增產效果顯著。

1 整機設計及主要技術參數

1.1 整機結構設計

該播種機采用三點懸掛方式與拖拉機掛接，由機架、傳動部分、限深輪、反轉滅茬裝置、種肥箱、施肥播種裝置、主動防擁堵裝置、整平裝置，以及鎮壓輪等部分組成，如圖1所示。其中，限深輪安裝在機架前側的橫梁上；反轉滅茬裝置安裝在限深輪和施肥播種裝置之間；主動防擁堵裝置安裝在施肥播種裝置中間，由主變速箱通過傳動鏈條驅動；整平裝置安裝在施肥播種裝置和鎮壓輪之間；排肥器和排種器由鎮壓輪通過傳動鏈條驅動。整機總體結構緊湊，各部件布局合理，傳動方式選擇恰當，并且集多功能于一體。

1.懸掛架 2.主變速箱 3.種肥箱 4.傳動鏈條 5.鎮壓輪 6.整平裝置 7.播種裝置 8.主動防擁堵裝置 9.施肥裝置 10.齒輪箱 11.反轉滅茬裝置 12.限深輪圖1 播種機結構示意圖Fig.1 Structural schematic of the paddy and wheat seeder

1.2 工作原理

作業時，播種機前部的反轉滅茬裝置將地表上殘留的秸稈及根茬進行切碎，并且與土壤進行充分混合，同時向后方拋送一定量的土壤對種子進行覆土；鎮壓輪帶動傳動鏈條驅動排種器和排肥器，種子和肥料分別通過排種管、排肥管和施肥播種裝置落入各深度的土壤中；主動防擁堵裝置由主變速箱通過傳動鏈條驅動，采用正旋方式，避免秸稈、雜草等在施肥播種裝置上發生擁堵；整平裝置對播種后的地表土壤進行平整，并且對土壤進行進一步細碎；鎮壓輪對播種行進行鎮壓后完成整個播種作業過程。

1.3 主要技術參數

該播種機與功率為90kW以上的拖拉機配套使用，其旋耕深度、施肥深度、播種深度及施肥播種量均可調節。該播種機播種性能穩定、作業效率高，能滿足稻麥免耕直播的播種要求，其主要技術參數如表1所示。

表1 播種機技術參數Table 1 Technical parameters of seeding machine

續表1

2 主要部件設計

2.1 施肥播種裝置設計

施肥播種裝置通過U型螺栓固定在機架橫梁上，其結構如圖2所示。其中，施肥部分和播種部分采用了分體式設計，能夠方便該裝置在生產制作過程中的裝配以及播種作業時施肥深度的調整；排種口與排種管采用分體式設計并且通過兩個緊固螺栓固定在排種管上，能夠方便播種深度的調整；排種管的側面安裝有刻度尺，能夠實現播種深度的精確調整并且保證各行播種深度一致。排肥口與排種口的高度差為80mm左右，能夠保證種子既不會發生燒苗現象又有充足的養分供給。

1.限位板 2.U型螺栓 3.排肥管 4.開溝器 5.排種口 6.緊固螺栓 7.刻度尺 8.排種管圖2 施肥播種裝置結構示意圖Fig.2 Structural schematic of fertilizing and seeding device

2.1.1 排種口設計

傳統的稻麥直播機一般采用窄幅條播的播種方式，即圓盤式開溝器開出種溝，然后排種管將種子成條狀撒布到種溝內。該播種方式種溝內的種子分布密集并且作物生長后期容易出現倒伏現象。通過對寬幅精播技術的研究發現，寬苗帶播種能夠減少作物個體之間水分、養分的爭奪，有利于作物分蘗和根系發育，增加穗粒質量，提高抗倒伏能力，進而實現糧食增產增收。根據該技術設計了一種燕尾式排種口，結構如圖3所示。排種口寬度為140mm，高度為15mm，底面傾角為40°，底面中間凸起高度為6mm，凸起寬度為60mm。該排種口能夠形成同一苗帶截面上種子分布兩側多、中間少的寬苗帶。種子分布規律曲線如圖4所示。

(a) 主視圖 (b) 左視圖圖3 排種口結構示意圖Fig.3 Structural schematic of seeding device

圖4 種子分布規律曲線Fig.4 Distribution rules of seeds

2.1.2 開溝器有限元分析

開溝器是施肥排種裝置的重要部件之一，該部件的作用是開出溝型整齊、溝寬合適的種溝,引導肥料(種子)落入,并覆蓋濕土，其工作質量直接影響到播種質量。通過SimulationXpress軟件對開溝器進行靜應力分析和靜態位移分析，結果表明：該部件滿足設計要求。分析結果如圖5所示。

(a) 應力分析圖

(b) 位移分析圖圖5 有限元分析圖Fig.5 Finite element analysis

2.2 主動防擁堵裝置設計

主動防擁堵裝置安裝在施肥排種裝置中間，由刀軸、軸頭、旋耕刀及刀座等部件組成，主要用來清理開溝器和排種口兩側堆積的秸稈和土壤等，保證施肥排種裝置作業順暢。

2.2.1 防堵結構設計

防堵刀軸主體采用φ80mm的無縫鋼管，鋼管兩端焊接實心軸頭，防擁堵裝置安裝有16把旋耕刀，左、右彎刀各8把，對應的每行開溝器和排種口左右各1把，左右兩把彎刀交替作業，秸稈殘茬可以及時從行間流走，使機具具有良好的通過性。其結構如圖6所示。

圖6 防擁堵結構示意圖Fig.6 Structural schematic of anti-blocking device

2.2.2 刀片排列設計

防擁堵裝置的刀片采用雙螺旋線左右對稱的方式安裝,刀片的軸向間距和周向角度相等，這種排列方式使得刀片離心力的合力作用在同一平面內，刀軸負載均勻，振動及受沖擊載荷作用小。刀片排列順序如圖7所示。

圖7 刀片排列順序Fig.7 Arrangement order of rotary blade

3 田間試驗與結果

3.1 試驗條件

試驗在山東省濟南市章丘區相公莊鎮的試驗田進行，樣機現場作業情況如圖8所示。試驗地屬于稻麥兩熟丘陵地區。

相公莊鎮地處中緯度，屬暖溫帶季風區的大陸性氣候。該地區四季分明，雨熱同季；年均日照2 647.6h，日照率60%；年均氣溫12.8℃，年平均降水量600.8mm；地勢較為平坦，水源充足，灌溉便利；土壤以潮褐土、潮土為主，土體深厚，構型好，土壤肥力高，保水肥性強，適種水稻、小麥、玉米等糧食作物。

3.2 試驗規則與方法

播種機作業性能試驗主要包括排種和排肥性能、種肥深度穩定性、播種均勻性、機具通過性，以及種肥距離合格率等，主要測試依據為中華人民共和國農業部發布的NY/T 1768-2009《免耕播種機 質量評價技術規范》，GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機》等。檢測設備包括電子秤、游標卡尺、刻度尺及秒表等。

3.2.1 機具通過性

機具通過性是指免耕播種作業時機具排除作物秸稈和雜草堵塞，滿足播種農藝要求的能力。根據試驗規范，選取長度為60m，兩端預備長度不小于10m，寬度滿足試驗要求的測試區。播種機以正常作業速度往返測試區一次，觀察機具在作業過程中是否能夠連續正常作業以及殘茬、土壤等對機具的堵塞情況。在播種作業時，機具出現少量堵塞，堵塞物可以從行間流走，基本能正常作業的情況下屬于輕度堵塞；機具出現被秸稈殘茬纏繞堵塞，地表出現長距離拖痕，甚至機具無法行走的情況下屬于重度堵塞。播種機在測試區內往返一次的過程中如果未出現重度堵塞情況，則表明機具通過性良好。

3.2.2 種肥深度測試

在測試區內隨機選取8行，每行隨機選取10個測試點，扒開土層對播種深度和施肥深度進行測量。根據試驗規范，當地農藝播種(施肥)深度為h：當h≥3cm時，(h±1.0)cm為合格；當h<3cm時，(h±0.5)cm為合格；播種深度合格率≥75%，施肥深度合格率≥75%，種肥距離合格率≥80%。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 機具通過性

在測試區內進行了3次測試，播種機的主動防擁堵裝置能夠及時將開溝器和排種口周圍的秸稈殘茬進行清理，使得秸稈殘茬可以從行間流走，播種機能夠正常進行作業，符合機具通過性測試要求，表明了播種機的機具通過性良好。

3.3.2 種肥深度測試

測量的水稻、小麥的播種深度和施肥深度數據如表2所示。測試數據表明：該播種機的播種深度、施肥深度及種肥距離滿足農藝播種要求及相關技術要求。

表2 水稻和小麥播種施肥深度Table 2 Depth of fertilizer and seed in paddy and wheat planting

4 結論

通過對播種機進行播種性能測試的結果分析表明：該播種機播種性能穩定、作業效率高、機具通過性好，能夠滿足當地農藝的播種要求，而且該播種機一次作業可完成滅茬、耕整、施肥、播種及鎮壓5道作業工序，能夠減輕勞動強度，降低作業成本。由于不同地區在土壤結構、種植模式、氣候環境及秸稈覆蓋量等方面存在一定差異，因此該播種機需要針對以上方面做進一步優化改進，以便更好地滿足不同地區的播種要求。