玉米免耕深松播種機的設計與試驗

鹿 瑤，呂釗欽,2，鄭文秀，劉正鐸，史文婷，程祥勛

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

保護性耕作是對農田實行免耕、少耕，盡可能減少土壤耕作，并用作物秸稈、殘茬覆蓋地表，減少土壤風蝕、水蝕，提高土壤肥力和抗旱能力的一項先進農業耕作方法[1]。在小麥—玉米兩熟制栽培條件下，小麥秸稈還田可顯著促進小麥、玉米的生長發育，提高土壤肥力。

免耕搶茬播種技術就是在小麥收獲后的地塊上，不耕翻土壤，采用玉米免耕播種機直接進行播種的技術[2],與傳統耕作種植方式相比具有節約機械成本、節水、節能、省工、省時、省肥，以及環保等優點。麥田機械直播玉米的難點是小麥收獲秸稈還田后地表覆蓋了大量麥秸，玉米直播很容易造成開溝器堵塞、驅動地輪打滑不轉進而導致玉米漏播；除此之外，常年淺耕造成犁底層變得堅硬，影響作物根系生長。所以，為打破犁底層、減少拖拉機進地對土壤的壓實作用，同時防止開溝器擁堵，播種機需一次性完成防堵開溝、深松、施肥、播種、覆土及鎮壓等作業工序[3-5]。

為解決以上問題，本文研制了一種新型玉米免耕深松播種機，為適合麥田玉米直播的新型玉米免耕深松播種機械，適用于玉米直播生產特點的增產、節能、高效的機械化生產體系，可實現玉米種植節本增效的目的，具有重要的社會效益和經濟效益。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構設計

玉米免耕深松播種機主要由機架、免耕防堵裝置、深松裝置、播種施肥裝置和傳動裝置等組成，如圖1所示。

其中，免耕防堵裝置主要由仿形挑桿裝置、撥禾裝置、輸送裝置和清理裝置組成；深松裝置采用新型S彈齒型振動深松鏟；播種施肥裝置由外槽輪排種器、外槽輪排肥器、排種排肥管、圓盤開溝器，以及鎮壓輪等組成；地輪位于排種單體之間，為排種排肥提供動力。

1.2 工作原理

玉米免耕深松播種機在拖拉機的牽引下前進，拖拉機通過萬向節傳遞動力給變速箱進行減速和換向，并橫向兩側輸出動力。其中，一側動力通過鏈輪向前傳輸到撥禾輪，機具前進，托板收集地表覆蓋的麥秸與雜草，撥禾輪將其后拋至輸送板。另一側動力向后輸送到輸送主軸上，通過輸送板上側鏈輪帶動麥秸輸送桿順時針轉動，麥秸輸送桿上的彈齒勾住撥禾輪向后拋撒的小麥秸稈及雜草，并向后輸送至輸送帶，通過輸送帶將麥秸拋至機具后方；在機具前方開出一條清潔的播種帶，解決了前茬小麥秸稈堵塞的難題，取代了機械化秸稈處理作業工序，同時實現秸稈還田。由拖拉機牽引，在開出的清潔播種帶上，振動深松鏟破茬入土，開始進行深松作業；與此同時，由地輪驅動的排種排肥裝置開始作業，地輪通過鏈傳動帶動排種軸和清種毛刷軸轉動，從而使玉米種經過外槽輪排種器、排種管到達圓盤開溝器開出的種溝里；排種軸上的齒輪帶動排肥器齒輪軸轉動，肥料經排肥器、排肥管掉入種溝外側，由鎮壓輪進行覆土鎮壓，完成深松播種施肥作業。

1.動力輸入軸 2.機架 3.變速箱 4.傳動鏈 5.輸送裝置 6.輸送皮帶 7.排肥總成 8.排種總成 9.鎮壓輪 10.地輪 11.圓盤開溝器 12.S型振動深松鏟 13.托板 14 仿形板 15.仿形彈簧 16.側板 17.撥禾輪 18.撥禾固定器 19.動力輸出軸 20.輸送桿 21.輸送主軸 22.秸稈還田輸送帶 23.傳動鏈圖1 玉米免耕精量施肥播種機結構圖Fig.1 Overall structure of no-tillage precision fertilization planter for corn

1.3 技術參數

玉米免耕深松播種機主要技術指標如表1所示。

表1 玉米免耕深松播種機主要技術指標Table 1 Main technical parameters of corn precise planter with chain

2 關鍵部件設計

2.1 防堵裝置的設計

防堵裝置主要由仿形挑桿裝置、撥禾裝置、輸送裝置和清理裝置4部分組成，作用是清理出干凈的苗帶，同時在播種施肥完畢后實現小麥秸稈還田。

2.1.1 仿形挑桿裝置

針對地面高低不平而秸稈清理不干凈的問題，本文設計了仿形挑桿裝置，具體結構如圖2所示。

圖2 仿形挑桿裝置結構示意圖Fig.2 Structure of ground-contour-following device

仿形挑桿裝置主要包括挑桿、托板、仿形板、彈簧和限位板。仿形挑桿裝置前部為5根平行的挑桿，挑桿前部與地面平行，后部呈25°向上彎曲并焊接在托板上；托板由前向后逐漸升高，與地面形成20°夾角，上部通過套管可活動地套接在機架軸上，套管的左右兩側安裝有兩片限位板，可以限制仿形挑桿裝置左右晃動；仿形板為一400cm×200cm×5cm的矩形鋼板，前端焊接在挑桿上，后面通過兩個彈簧與托板相連，起到支撐仿形作用。

2.1.2 鏈式輸送裝置

鏈式輸送裝置由兩條回轉的撥指輸送鏈組成，結構如圖3所示。其中，輸送裝置由輸送鏈、輸送桿、彈齒、側板、主旋轉軸、從動鏈輪、動力傳送鏈輪和導軌組成。輸送鏈安裝在導軌中回轉，且輸送鏈上等距離安裝有多根輸送桿，各輸送桿相互平行，輸送桿隨著輸送鏈沿環形凹槽循環轉動。

兩片側板分別焊接在機架左右兩側，且內部設有環形凹槽，兩條輸送鏈分別固定在左右兩個環形凹槽內部，為輸送鏈提供軌道。輸送桿上軸向等距離安裝有彈齒，主要用來勾取秸稈、配合輸送。

撥禾裝置包括撥禾輪、防護板、軸承和軸承座。撥禾輪通過軸承，軸承座固定在機架上。為防止秸稈太多造成堵塞，專門在撥禾輪表面設有防護板，其作用是前部讓撥禾齒伸出進行撥禾，后部無開槽，起到防纏繞作用。該防護板可以有效地防止秸稈雜草纏繞，提高撥禾質量。

清理裝置為簡單的傳送帶裝置，主要是將輸送裝置輸送過來的秸稈及雜草向后輸送，覆蓋至已播種施肥完畢的播種帶上，增強覆土效果。清種裝置側板與輸送裝置輸送擋板通過旋轉軸相連接，清種裝置可以繞旋轉軸掀起一定角度，目的是方便下部種箱肥箱加料。

2.2 振動深松裝置的設計

振動深松能夠有效地減少機具牽引阻力，與不振動狀態相比，最高能減少到30%。該深松鏟主要利用自激振動原理進行設計，自激振動不但可以消除強迫振動機具由于激勵傳動系統產生的功耗，而且可以產生與強迫振動機具相同的減阻效果[7]。

振動深松裝置主要包括S型彈齒、鏟尖及機架連接件，如圖4所示。鏟尖通過螺釘固定在S型彈齒上，S型彈齒上端通過機架連接件固定到機架上。與傳統深松鏟相比，該深松鏟動土量少，保墑效果好，且碎土效果好，能夠創造更好的種床條件，作業功耗低，作業效果更高。

1. 機架連接件 2.S型振動彈齒 3.鏟尖圖4 振動深松鏟結構簡圖Fig.4 Structure of vibrate sub-soiling shovel

2.3 播種施肥裝置的設計

播種施肥裝置通過機架與整機連接，主要包括種箱、肥箱、外槽輪式排種器、排肥器、圓盤開溝器、地輪，以及鎮壓輪，如圖5所示。圓盤開溝器固連在機架后端的中心軸線上，排肥管位于圓盤開溝器右側，兩者配合用以完成開溝作業。鎮壓輪連接在機架支撐裝置上,進行覆土鎮壓。地輪通過上端支撐架連接在機架上，地輪為現有裝置，結構簡單，主要為排種軸、排肥軸提供動力。

1. 肥箱 2.排肥軸 3.外槽輪排肥器 4.排肥管 5.種箱 6.排種軸 7.外槽輪排種器 8.排種管圖5 播種施肥裝置結構簡圖Fig.5 Structure of no-tillage precision fertilization planter for corn

2.4 動力傳動機構

動力傳動裝置主要由變速箱和鏈傳動組成。拖拉機通過萬向節將動力傳輸至變速箱，經變速箱減速后一路傳至撥禾輪，將秸稈由仿形鏟撥至輸送裝置；另一路傳至輸送裝置上方中心軸，帶動輸送裝置及皮帶輸送裝置運轉，完成秸稈還田。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

在山東農業大學農場試驗基地進行玉米免耕深松播種機試驗。試驗地為冬小麥夏玉米輪作區，前茬作物為小麥，6月份收獲，收獲后的小麥秸稈全部還田，田間留茬高度大約為10～15cm，殘茬覆蓋地表的厚度在5～10cm之間，機具配套動力為53kW。土層內土壤平均含水率為18.63%，土壤堅實度為17.92MPa。試驗種子為遼丹16號，千粒質重283g，種子含水率11.2%，播種量為300kg/hm2。播種速度為3～10km/h，播種行距為4～5.3cm，播種深度為3～5cm。

3.2 試驗方法

根據農業部農機試驗鑒定總站制定的對玉米免耕精密播種機播種質量的檢測指標，免耕精密播種機性能測試內容包括播種質量、播種深度合格率等，主要檢驗依據為《免耕播種機選型試驗大綱》和單粒(精密)播種機試驗方法[9]。

3.3 試驗結果及分析

3.3.1 機具通過性

根據農業部農機試驗鑒定總站的測試，機具合格標準為“在剛收獲的玉米地，植被覆蓋量為2.0～4.0kg/m2，測區長度為60m，往返一個行程，不發生堵塞或者有一次輕度堵塞。”本試驗在玉米秸稈覆蓋量為3.8kg/m2的條件下測試2次，每次測試長度為150m，未出現堵塞現象。

試驗表明：在秸稈量覆蓋較大時，由于采用了免耕防堵裝置，能夠有效地清理播種帶，防止開溝器堵塞。

3.3.2 播種均勻性及深松深度試驗

播種機按照規定的速度進行深松播種作業，播種距離540m，中途不停車，在設定的速度下隨機抽取5行測定，測定長度大于規定的250粒距長度，本文取87.5m，測定點選取在播種開始后20m后，最后測定點在播種結束前20m。

不同速度下播種均勻性及深松深度試驗結果，如圖6所示。

(a) 不同速度下播種合格率變化

(b) 不同速度下苗帶清潔率變化

(c) 不同速度下深松深度變化

(d) 不同速度下深松合格率變化圖6 不同速度下防堵深松播種質量變化率Fig.6 Working quality variation under different speed

1)田間試驗結果表明：在機具工作速度在3～8km/h時，該玉米免耕深松播種機播種合格率在90%以上，機具工作速度靈活，播種質量滿足農藝要求。

2)由于采用了免耕防堵裝置，在機具速度在3～7km/h時，苗帶清潔率可達到85%以上，實現了種前清理苗帶，據種后秸稈還田，大大提高了播種機的工作效率。同時，采用S彈齒型振動深松裝置，使深松深度基本處于30～35cm的深松范圍內，打破堅硬犁底層，保證深松合格率高于90%。

3)試驗表明：隨工作速度的增加，該玉米免耕深松播種機的播種合格率、苗帶清潔率及深松合格率均呈下降趨勢，在播種速度≤8km/h范圍內設計的播種機具有良好的作業效果。

4 結論

1)玉米免耕深松播種機有效地將深松和免耕播種兩大技術有機集成，采用免耕防堵裝置與S型振動深松鏟相結合，可一次性完成免耕防堵、全方位深松土壤、施種肥，畦土覆平及播種鎮壓等多道工序，實現了保護性耕作。

2)免耕防堵裝置可有效地將苗帶的雜草秸稈等清理干凈，從而在大量小麥秸稈覆蓋狀態下，實現免耕防堵播種玉米。同時，當播種施肥完畢，小麥秸稈通過輸送裝置拋灑覆蓋在已完成播種施肥的壟溝表面，實現秸稈還田。

3)田間試驗結果表明：該玉米免耕深松播種機可實現8km/h高速作業，播種質量、苗帶清理質量、深松質量完全滿足免耕深松播種的農藝要求。