谷子精量播種施肥鋪膜機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用

楊銳琴

(太原市種子管理站，山西 太原 030002)

0 引言

谷子在山西省種植歷史悠久，分布廣泛，是具有代表性的雜糧之一。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)部門(mén)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2018年，山西谷子播種面積19.78萬(wàn)hm2，谷子產(chǎn)量47.26萬(wàn)t，單位面積產(chǎn)量約2 390 kg/hm2。山西地處黃土高原，東西丘陵山區(qū)旱地種植區(qū)域率72%。谷子播種是整個(gè)生長(zhǎng)期的重要環(huán)節(jié)，控制谷子播種優(yōu)劣，直接影響谷子的產(chǎn)量與質(zhì)量，人工播種容易出現(xiàn)缺苗壟斷現(xiàn)象，并且人工間苗勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)成本高[1-4]。研發(fā)省時(shí)、省力、高效和便捷的谷子精播裝備，對(duì)促進(jìn)谷子機(jī)械化種植具有重要意義。軒昆鵬[5]研究開(kāi)發(fā)了一種可滿(mǎn)足小區(qū)播種要求的氣吸式小區(qū)谷子播種機(jī)。史毅偉[6]介紹了2MB-1/4型多功能覆土鋪膜播種機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)、主要零部件設(shè)計(jì)和創(chuàng)新點(diǎn)等，并對(duì)應(yīng)用該機(jī)產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及發(fā)展前景進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。樊立桃[7]改進(jìn)設(shè)計(jì)了3種排種器，包括一體周向型孔式、單圓盤(pán)聚集小孔式和雙圓盤(pán)槽縫式，并對(duì)3種排種器進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定以氣吸雙圓盤(pán)槽縫式排種器為核心部件應(yīng)用到整機(jī)。張世杰[8]著眼于解決谷物種植缺乏專(zhuān)用配套播種機(jī)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種精少量谷子播種機(jī)，對(duì)其核心工作部件排種器、鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化。許慧[9]研究了一種帶有定量播種勺的谷子播種機(jī)。山西華頓什貼農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司等[10]研發(fā)了一種谷子種植用勺式精量播種施肥機(jī)。

本文針對(duì)谷子精量播種施肥機(jī)組的研發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了5個(gè)關(guān)鍵零部件，可解決農(nóng)戶(hù)在谷子生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)間苗投入較多勞動(dòng)力的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)谷子免間苗及關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)豐產(chǎn)節(jié)本的最大效應(yīng)。

1 技術(shù)方案和技術(shù)路線

1.1 技術(shù)方案

根據(jù)高寒冷涼山區(qū)覆膜作物栽培農(nóng)藝要求，針對(duì)山西種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)谷子新品種播種技術(shù)特點(diǎn)，研發(fā)一種谷子精量播種施肥鋪膜機(jī)，該機(jī)與0.80～1.67 kW四輪拖拉機(jī)配套，可一次性完成刮土整形、鎮(zhèn)壓、溝施底肥、鋪膜、壓膜覆土、膜上播種、精量穴播和穴式/條式覆土等多項(xiàng)作業(yè)。主要由機(jī)架、平土裝置、施肥裝置、鋪膜裝置、膜上穴播裝置及覆土裝置組成，如圖1所示。其中，平土裝置由平土鐘和座卡組成；施肥裝置由肥箱、排肥器和導(dǎo)肥管組成；鋪膜裝置由圓盤(pán)開(kāi)溝器、掛膜架組成；膜上穴播裝置由播種滾筒、排種接種斗和鴨嘴組成；覆土裝置由圈土圓盤(pán)和覆土孔組成。

1.2 技術(shù)路線

谷子精量播種施肥鋪膜機(jī)工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引。平土鏟把表層平土及土塊推到兩側(cè)，完成畦面整形。鎮(zhèn)壓地輪通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)排種肥槽輪，使肥料通過(guò)導(dǎo)肥管流入開(kāi)溝器開(kāi)出的溝槽內(nèi)。鋪膜裝置把地膜放在整好的地面上，通過(guò)固定在播種滾筒外側(cè)的壓輪將地膜壓入溝槽，同時(shí)在膜面上滾動(dòng)的播種滾筒按一定的株距由鴨嘴開(kāi)穴并播種，隨后由圈土圓盤(pán)完成膜邊和種子帶覆土。滾筒上的覆土孔用于給種子孔穴覆土，穴式覆土可以保證膜面有充足的采光，并且防止覆土過(guò)多造成的雨水沖刷結(jié)痂。播種鴨嘴靠彈簧、壓板的接地壓強(qiáng)打開(kāi)，種子由排種器取出通過(guò)接種斗導(dǎo)入鴨嘴通道，播入穴內(nèi)。

2 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

按照農(nóng)藝要求，該機(jī)關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1)設(shè)計(jì)了可以方便調(diào)節(jié)谷子籽種播種量的裝置，滿(mǎn)足不同品種谷子的播種密度要求。

(2)根據(jù)不同丘陵、山區(qū)農(nóng)田復(fù)雜多變等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可以適應(yīng)不同地區(qū)作業(yè)的開(kāi)溝、鋪膜和覆土等關(guān)鍵部件，可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

(3)根據(jù)高寒丘陵、山區(qū)谷子種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了綜合集成部件。

(4)按照適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性系數(shù)基本標(biāo)準(zhǔn)，研究各個(gè)裝置的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化配置。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

谷子精量播種施肥鋪膜機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)了同軸變速器、定距播種器和前后變動(dòng)式覆土器等5項(xiàng)關(guān)鍵零部件，研究發(fā)明了技術(shù)組裝播種調(diào)節(jié)手輪等關(guān)鍵部件，包括帶有螺紋的旋轉(zhuǎn)軸、調(diào)節(jié)輪、鎖緊輪和固定輪。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下創(chuàng)新點(diǎn)。

(1)可以方便、快捷地調(diào)整播種開(kāi)口的大小，控制播種速度。

(2)通過(guò)標(biāo)尺觀察播種開(kāi)口的大小，達(dá)到精確控制的目的。

(3)通過(guò)鎖緊輪與固定輪卡鎖，可確保播種開(kāi)口在播種過(guò)程中大小不變。

(4)設(shè)計(jì)了兩種仿形結(jié)構(gòu)，用于多行播種的分別內(nèi)外側(cè)穴播覆土，可靈活調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的地形條件。

3 關(guān)鍵零部件創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 同軸變速器

為解決播種機(jī)的鏈條變速結(jié)構(gòu)笨重、容易斷裂和脫落等問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種同軸變速器，包括變速盤(pán)、齒輪Ⅰ、齒輪Ⅱ、齒輪Ⅲ、齒輪Ⅳ、主動(dòng)軸和被動(dòng)軸，如圖2所示。變速盤(pán)的一側(cè)設(shè)有齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ，齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ嚙合，齒輪Ⅰ上設(shè)有非同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪Ⅳ，齒輪Ⅱ一側(cè)設(shè)有同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪Ⅲ，齒輪Ⅲ與齒輪Ⅳ嚙合，主動(dòng)軸與齒輪Ⅰ連接，被動(dòng)軸與齒輪Ⅳ連接，被動(dòng)軸套在主動(dòng)軸內(nèi)。工作時(shí)，主動(dòng)軸與地輪連接，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)

1.齒輪Ⅲ 2.齒輪Ⅱ 3.變速盤(pán) 4.被動(dòng)軸 5.主動(dòng)軸 6.齒輪Ⅰ 7.齒輪Ⅳ圖2 同軸變速器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of coaxial transmission

與它連接的齒輪Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪Ⅰ驅(qū)動(dòng)與它嚙合的齒輪Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪Ⅱ驅(qū)動(dòng)與它同軸的齒輪Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)與它嚙合的齒輪Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng)，與齒輪Ⅳ連接的被動(dòng)軸在齒輪Ⅳ的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)?個(gè)齒輪大小不一，因此，主動(dòng)軸與被動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速不同，從而達(dá)到變速的效果。

3.2 前后變動(dòng)式覆土器

為了使谷子播種機(jī)在播種后能夠自行覆土，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了前后變動(dòng)式覆土器，包括連接架、連接座I、覆土桿、連接桿和覆土圓盤(pán)，如圖3所示。連接架上側(cè)設(shè)有連接座I，連接座通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接覆土桿，覆土桿一端連接有連接桿，連接桿下端焊接覆土圓盤(pán)。連接架一側(cè)焊接有鐵片，鐵片設(shè)有螺栓孔II，覆土桿上側(cè)設(shè)有螺栓孔IV，螺栓孔II和螺栓孔IV孔口重疊，中間設(shè)有螺栓。連接架上側(cè)設(shè)有連接座II和螺栓孔I，覆土桿上側(cè)設(shè)有螺栓孔III。覆土桿一端焊接鋼管，鋼管上打有螺栓孔，螺栓孔上擰有螺栓II，鋼管內(nèi)套有連接桿。工作時(shí)，覆土桿既可以與連接座I連接，也可以與連接座II連接。當(dāng)覆土桿與連接座I連接時(shí)，覆土桿上側(cè)的螺栓孔IV與鐵片上的螺栓孔II孔口重疊，用螺栓固定；當(dāng)覆土桿與連接座II連接時(shí)，覆土桿上側(cè)的螺栓孔III與支架上的螺栓孔I孔口重疊，用螺栓固定。連接桿可以在鋼管內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，用于調(diào)節(jié)覆土圓盤(pán)的角度，播種機(jī)前進(jìn)時(shí)，由于覆土圓盤(pán)與地輪之間的夾角可調(diào)，從而達(dá)到控制覆土量的目的。

3.3 取種盤(pán)

為使谷子播種機(jī)達(dá)到精播、單粒的要求，對(duì)取種盤(pán)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如圖4所示。取種盤(pán)主要包括種盤(pán)、種盤(pán)外殼I和種盤(pán)外殼II，種盤(pán)外殼I、種盤(pán)和種盤(pán)外殼II依次連接，種盤(pán)外殼I、種盤(pán)和種盤(pán)外殼II的圓盤(pán)中心穿設(shè)有轉(zhuǎn)軸，種盤(pán)外殼I和種盤(pán)外殼II相對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)有開(kāi)口。種盤(pán)包括舀種盤(pán)、隔板盤(pán)和儲(chǔ)種盤(pán)，舀種盤(pán)、隔板盤(pán)和儲(chǔ)種盤(pán)依次連接，舀種盤(pán)設(shè)有舀種爪，隔板盤(pán)上設(shè)有開(kāi)口，儲(chǔ)種盤(pán)上設(shè)有儲(chǔ)種室。轉(zhuǎn)軸上設(shè)有軸承，隔板盤(pán)設(shè)置有隔板調(diào)節(jié)手柄，種盤(pán)外殼I和種盤(pán)外殼II的開(kāi)口向下。工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶著種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。種子從種盤(pán)外殼I和種盤(pán)外殼II的開(kāi)口處進(jìn)入種盤(pán)，舀種盤(pán)上的舀種爪將種子舀入儲(chǔ)種盤(pán)上的儲(chǔ)種室。當(dāng)種盤(pán)轉(zhuǎn)到另一端時(shí)，由于重力作用，種子會(huì)從儲(chǔ)種室中掉落，進(jìn)入接種杯中，通過(guò)接種杯滑入播種器內(nèi)，從而把種子播種在農(nóng)田里。隔板調(diào)節(jié)手柄可以控制隔板盤(pán)開(kāi)口的大小，種子小時(shí)上移孔位，隔板盤(pán)開(kāi)口變小；種子大時(shí)下移孔位，隔板盤(pán)開(kāi)口變大，達(dá)到精播、單粒的要求。

3.4 定量覆土輪

為解決種穴覆土量不均勻的問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了定量覆土輪，包括定距播種器和覆土器，定距播種器的地輪上每一個(gè)播種鴨嘴后側(cè)均設(shè)有覆土孔，如圖5所示。工作時(shí)，定量覆土輪在牽引力的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，播種機(jī)上安裝的覆土器將覆土輪側(cè)面的土壤刮入定量覆土輪中，再?gòu)亩扛餐凛喌母餐量茁淙敕N穴內(nèi)。

1.定距播種器地輪 2.播種鴨嘴 3.覆土孔 4.覆土器圖5 定量覆土輪結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of quantitative overburden wheel

3.5 播種盤(pán)

為使播種機(jī)達(dá)到精密播種，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了播種盤(pán)，主要包括播種盤(pán)體、播種轉(zhuǎn)盤(pán)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸等。播種盤(pán)體中心位置設(shè)有聯(lián)動(dòng)軸，播種盤(pán)體上開(kāi)有種子進(jìn)口，播種盤(pán)體的聯(lián)動(dòng)軸正下方安裝有播種轉(zhuǎn)盤(pán)，種子進(jìn)口與播種轉(zhuǎn)盤(pán)之間通過(guò)種道連通。播種轉(zhuǎn)盤(pán)包括固定盤(pán)、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)和鋼絲，固定盤(pán)固定在播種盤(pán)體上，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在固定盤(pán)上，固定盤(pán)與轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)之間設(shè)有一定間隙，間隙上設(shè)有若干等距設(shè)置的種槽，鋼絲成Ω形套在間隙內(nèi)，鋼絲兩端分別固定在圓柱上，播種轉(zhuǎn)盤(pán)一側(cè)設(shè)有種刷，種刷一側(cè)緊貼播種轉(zhuǎn)盤(pán)，播種轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)鏈條與聯(lián)動(dòng)軸連接。鏈條安裝在密封殼體內(nèi)，密封殼體一側(cè)設(shè)置螺絲孔，螺絲孔內(nèi)設(shè)置有擰緊螺絲，擰緊螺絲內(nèi)側(cè)端部設(shè)有壓緊塊。播種轉(zhuǎn)盤(pán)一側(cè)設(shè)置有側(cè)板，種刷通過(guò)螺絲安裝在側(cè)板上，如圖6所示。

4 播種農(nóng)藝

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

配套動(dòng)力為8.8～13.2 kW四輪拖拉機(jī)，作業(yè)速度2.6 km/h，工作效率0.2～0.27 hm2/h，外形尺寸1 900 mm×1 200 mm×920 mm，結(jié)構(gòu)質(zhì)量165 kg。

4.2 品種選擇

旱地以張雜谷3號(hào)為宜，其次為張雜谷5號(hào)。

4.3 精細(xì)整地

清除全部根茬、秸稈和石塊，打碎坷拉，防止播種時(shí)扎破地膜，使土壤達(dá)到細(xì)透、平絨和上虛下實(shí)。

4.4 種植形式

地膜：寬800 mm×厚0.01 mm。行距55 cm，株距35～40 mm。播種深度：沙土壤3 cm；粘土壤2 cm。一膜兩行，播量4.5～6.0 kg/hm2，每穴下籽數(shù)4～5粒，留苗75 000穴/hm2左右，成穗28.5萬(wàn)～345.0萬(wàn)株/hm2。此外，應(yīng)達(dá)到覆膜平整、拉緊、壓嚴(yán)、緊貼地面及不漏氣。

4.5 施肥

底肥采用腐熟有機(jī)肥30 t/hm2、45%含量谷子配方肥1 125 kg/hm2，旋耕前撒施。孕穗期追施尿素225 kg/hm2。

4.6 田間管理

地溫15 ℃以上播后7 d時(shí)，或地溫10 ℃以上播后15 d時(shí)查苗，若遇出苗時(shí)高溫晴熱天氣出現(xiàn)燒苗現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)種或毀種。“張雜谷”屬大穗類(lèi)型雜交種，穗長(zhǎng)最高可達(dá)40 cm，且分蘗率較高。根據(jù)不同品種及多年實(shí)踐結(jié)果，旱地留苗以12萬(wàn)～15萬(wàn)株/hm2為宜，水地留苗以15萬(wàn)～18萬(wàn)株/hm2為宜。

5 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

經(jīng)與山西省五臺(tái)縣和壽陽(yáng)縣的生產(chǎn)企業(yè)、合作社、谷子種植大戶(hù)聯(lián)合試驗(yàn)考核，證明該機(jī)組可發(fā)揮以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5.1 省工省時(shí)

傳統(tǒng)露天谷子每公頃勞力投入：整地施肥19.5個(gè)(單畜力折成1個(gè)人工)、播種15個(gè)、鎮(zhèn)壓15個(gè)、間苗49.5個(gè)、除草15個(gè)、清壟15個(gè)、追肥3個(gè)、病蟲(chóng)害防治7.5個(gè)和收獲22.5個(gè)，總計(jì)需投入普通勞動(dòng)力162個(gè)工(每個(gè)人工以10 h計(jì))。而機(jī)械化地膜覆蓋谷子勞動(dòng)力投入是2人作業(yè)0.8 hm2/d。

5.2 提高播種質(zhì)量

地膜覆蓋機(jī)械化谷子播種均勻，深淺一致，覆土均勻，出苗較整齊，播后鎮(zhèn)壓完全，無(wú)缺苗斷壟現(xiàn)象。

5.3 增加群體生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)

因地膜覆蓋的增溫保墑效應(yīng)和耕地質(zhì)量高，加上比傳統(tǒng)露地谷子施肥水平高，地膜覆蓋機(jī)械化種植谷子長(zhǎng)勢(shì)比露地好，株高比露地的高8～10 cm，穗長(zhǎng)比露地的長(zhǎng)3～5 cm，有效穗比露地的多1倍以上。

5.4 豐產(chǎn)增收

傳統(tǒng)露地谷子產(chǎn)量3 750～4 500 kg/hm2，最高不超過(guò)350 kg/hm2，本機(jī)械地膜覆蓋谷子產(chǎn)6 750～9 000 kg/hm2，增產(chǎn)達(dá)50%以上。

地膜覆蓋機(jī)械化種植谷子增產(chǎn)1 500～2 250 kg/hm2，增收3 750～4 500元/hm2，節(jié)約勞動(dòng)力投入約7 500元/hm2，與傳統(tǒng)露地種植相比，可增收1.2萬(wàn)元/hm2以上。在干旱冷涼區(qū)，推廣谷子地膜覆蓋種植機(jī)械化技術(shù)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。

6 結(jié)論

該谷子精量播種施肥鋪膜機(jī)與國(guó)內(nèi)同類(lèi)技術(shù)或裝備相比具有以下5方面的先進(jìn)性，推廣應(yīng)用前景空間較大。①取種器設(shè)置在播種盤(pán)內(nèi)，與播種同步，保證下種的可靠性。②一次性可以完成機(jī)械化鋪膜、施肥和精量播種作業(yè)，作業(yè)效率高。③播種密度可精準(zhǔn)控制，無(wú)需人工間苗。④化肥施加量375～750 kg/hm2可調(diào)，較普通鋪膜播種機(jī)(播量30～37.5 kg/hm2)節(jié)種15 kg/hm2左右。⑤設(shè)計(jì)了兩種覆土裝置，即點(diǎn)穴式和條式覆土，可適應(yīng)不同地區(qū)、不同作播種作業(yè)，尤其是點(diǎn)穴式覆土，可增大地膜受光面積。