小麥高低畦寬苗帶播種機設計與試驗*

宋德平，李偉，李明軍，于家川，孫冬霞

(濱州市農業機械化科學研究所，山東濱州，256600)

0 引言

小麥是我國主要糧食作物之一，在農業生產中占據重要地位。傳統的小麥條播種植方式由于行間裸露，不能充分利用土地資源，以及麥行間株間擁擠，麥苗爭水、爭肥弊端逐漸突顯，已經不太適應小麥高產穩產的要求[1]。提高小麥產量主要途徑有優化育種、提高土地利用率和水肥利用率等[2]。寬苗帶播種技術作為一種新型的小麥種植方式，具有較好的節水增產效果，是傳統條播和無壟撒播的有機結合。孫中偉[3]通過條播、撒播的對比試驗，發現撒播種植有利于增產；翟云龍等[4]研究發現機械化的撒播有利于優化小麥群體質量，提高整體的產量水平，是目前冬小麥較理想的種植方式。小麥寬苗帶種植模式逐漸得到廣大種植戶的認可。

當前畦作栽培模式，整個畦面全部澆水，澆水的地表表面形成毛細水管，水分蒸發快，地表易板結，畦埂占地面積較大(據統計，一個畦埂的寬度不低于50 cm)，土地利用率較低。為實現寬苗帶種植方式，中國的農機裝備企業設計開發了多種相關裝備，如：山東某公司生產的2BFJ系列小麥寬苗帶施肥精量播種機，河北某公司生產的2BMGF系列旋播施肥機，盡管這些裝備已經被應用于實際生產中，但是關于寬苗帶播種核心部件的研發還相對不足。

本文通過基礎理論研究與試驗研究相結合的方法，設計了一種新型的小麥高低畦寬苗帶播種機，主要對浮動式平行四桿仿形、錯位式雙圓盤開溝器撒種、“凸”形螺旋絞龍高低畦成形、懸浮式播種施肥驅動等關鍵部件進行設計。該機實現將傳統畦作條播種植模式中的畦埂整平，形成低畦與高畦間步的地表結構，高畦與低畦均種植作物，低畦過水，高畦滲灌。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

小麥高低畦寬苗帶播種機的整體結構如圖1所示。其主要由機架、變速箱、高低畦成形機構、高低畦整形機構、施肥開溝器、錯位組合式雙圓盤開溝器、浮動式播種單體、懸浮式播種施肥驅動裝置、低畦鎮壓輪、高畦鎮壓輪、種肥排量調整裝置、種肥箱等組成。機架由三點懸掛裝置、前后梁體、連接側板、鉸鏈軸座等組成。

圖1 小麥高低畦寬苗帶播種機示意圖

1.2 工作原理

作業時，播種機通過三點懸掛裝置與拖拉機連接，由其牽引前進；拖拉機的后輸出軸經萬向節軸把動力傳遞給變速箱的動力輸入軸，再通過萬向節軸傳遞給機架上的V形帶輪，動力通過V形帶傳遞給高低畦成形機構，在動力驅動下“凸”形螺旋絞龍作順時針旋轉，疏松土壤在大絞龍螺旋葉片的作用下，沿導線方向分向兩側，當螺旋葉片轉速超過臨界轉速時，土壤所受的離心力大于摩擦力，在兩者合力的作用下，土壤在高畦位置拋灑、堆積[5]。拋灑與堆積過來的土壤在小螺旋絞龍葉片的作用下繼續沿導線方向輸送，完成土壤的攪勻，形成剖面呈“凹”形的高低畦地表結構。然后施肥開溝器破土施下底肥，被擾動的土壤部分自然回流溝內，覆蓋底肥；“凸”形高低畦整形輪在拖拉機牽引下，隨播種機旋轉前進，把施肥開溝器開溝過程中形成的溝整平壓實形成“上虛下實”的種床，并把高低畦側壁壓實，防止高畦塌陷造成出苗困難。錯位組合式雙圓盤開溝器二次開溝，在開溝過程中雙圓盤開溝器能夠將秸稈雜草推開，將種子直接播進土壤中，能夠創造良好種床[6]。低畦鎮壓輪對低畦種溝進行鎮壓，高畦鎮壓輪對高畦種溝進行鎮壓。小麥高低畦寬苗帶播種機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 浮動式播種單體設計

高低畦播種地表高低畦間布，對播種機的地面仿形與施肥、播種的驅動提出了新要求[7]。針對上述問題，本文設計了一種浮動式播種單體(圖2)，主要由播種單體固定座、平行四桿機構、錯位組合式雙圓盤開溝器組、浮動拉桿、仿形彈簧座組成。浮動式播種單體采用平行四連桿機構仿形，每個播種單體均可上下浮動，工作部件的入土角保持不變，工作部件隨仿形輪模擬地表起伏，使溝底與地表大致平行，開溝深度比較穩定，播深一致性好，為種子提供了良好的發芽、出苗生長環境。

圖2 浮動式播種單體示意圖

2.1.1 雙圓盤開溝器設計

雙圓盤開溝器由開溝器柄、圓盤、圓盤轂、散種板、開溝器軸、軸承總成、軸承外殼等組成。雙圓盤開溝器的兩圓盤刃口在前下方相交于一點(聚點m)如圖3所示。

圖3 雙圓盤聚點位置圖

形成一夾角Φ時，靠自重及附加彈簧壓力入土，圓盤滾動前進，將土層切開并推向兩側而形成種溝。輸種管將種子導入種溝，靠回土及溝壁塌下的土壤覆土。圓盤周邊有刃口，滾動時可切斷根莖和殘茬。雙圓盤開溝器工作時不易粘土、堵塞、干濕土混合現象較少，可在整地條件差和土壤濕度較大的情況下正常作業，且性能穩定，適用于較高速度作業；開溝時不擾亂土層，并且能用下層濕土覆蓋種子。圓盤直徑過小，易發生轉動不靈活和壅土，增加阻力，圓盤直徑D′常用范圍300～380 mm[8]。

雙圓盤開溝器的設計主要解決兩圓盤聚點m的位置以及兩圓盤夾角Φ和開溝寬度k之間的關系。聚點m的位置主要取決于開溝寬度。聚點位置越高，開出的溝越大，種溝中的尖越高，聚點位置越低，開出溝寬越小，但會使土壤從聚點上面進入兩個圓盤之間，造成圓盤夾土和堵塞，而且會使軸承磨損加快。因此聚點m的位置β應大于開溝深度為宜，輸種管直徑一般在20～40 mm之間，所以一般β取50°～75°。雙圓盤夾角Φ是保證雙圓盤開溝器工作性能穩定的關鍵。一般來說圓盤夾角越小開出的溝越小，工作阻力越小，但是夾角Φ過小，會使雙圓盤之間的空間無法容納輸種管，經過反復的田間試驗雙圓盤夾角Φ取10°～15°時滿足田間作業要求。

開溝器開溝寬度

(1)

1)圓盤直徑D′太小，易發生轉動不靈和壅土，增加阻力等，經過大量試驗以及整機尺寸布置需要，采用圓盤直徑D′=320 mm。

2)聚點位置m用β角表示，β角越大，開出溝越寬；β角太小，m點太低，容易使土壤從聚點上面進入雙圓盤之間，造成圓盤夾土和堵塞。選取β=50°符合作業要求。

3)圓盤夾角Φ，圓盤夾角越小，開出的溝越小，工作阻力小。但過小，會使兩圓盤之間的空間無法容納輸種管，選取Φ=10°符合作業要求。

將上述參數代入式(1)得，開溝寬度k=99.9 mm。

2.1.2 錯位組合式雙圓盤開溝器組設計

機械化的寬苗帶撒播與傳統的條播不同，需要將小麥種子盡可能均勻地投放在寬度大于6 cm的條帶上[9]，為了達到這種播種效果，中國的農業機械裝備生產企業參照其農藝要求，設計開發了多種相關裝備，橫向勻種裝置作為小麥寬苗帶播種的核心部件，目前研究還較少，牛琪等[10]基于籽粒自流打散原理設計了勻種裝置，雖然達到了較好的種子橫向均布效果，但其結構過于復雜，易出現堵塞和斷條現象，因此開展與該裝置相關的改進研究非常必要。根據田間生產試驗驗證，采用雙圓盤開溝器播種形成的苗帶寬度在≤40 mm 時種子覆土效果符合作業要求，為了實現寬苗帶播種不小于60 mm的要求，采用兩個雙圓盤開溝器形成的苗帶疊加而成的苗帶可以實現上述要求，但是雙圓盤開溝器外側有軸承座，把兩個雙圓盤開溝器并排安裝，由于外形尺寸所限兩個苗帶無法實現疊加，為解決上述問題把兩組雙圓盤開溝器前后錯位形成錯位組合式雙圓盤開溝器組，錯位組合式雙圓盤開溝器組包括焊接在連接板上的吊耳，兩個直徑320 mm的雙圓盤開溝器前后錯位安裝在連接板矩形套側壁上，距離為一個雙圓盤開溝器半徑的尺寸。

2.2 高低畦成形機構設計

高低畦成形機構主要由變速箱、動力傳送機構、“凸”形螺旋絞龍機構等組成(圖4)。“凸”形螺旋絞龍機構主要由絞龍軸、可調心型軸承座、大絞龍葉片、小絞龍葉片、V形帶輪等組成。螺旋絞龍葉片在絞龍軸上呈“凸”形布置，大螺旋絞龍葉片在軸的中間，小螺旋絞龍葉片對稱分布在大絞龍葉片兩側，采用側傳動方式。高低畦成形機構土壤輸送量的大小直接影響到高低畦成形效果是否符合農藝要求[11]，土壤輸送量的大小與轉速、葉片直徑、導程、高低畦寬度等有著密切關系，通過試驗驗證螺旋絞龍式成形機構的轉速n=380 r/min、大葉片直徑D=365 mm、導程P1=140 mm、小葉片直徑d=110 mm、導程P2=120 mm、低畦寬度=400 mm、高畦寬度=300 mm時滿足高低畦種植農藝要求，高低畦成形效果好。

圖4 “凸”形螺旋絞龍機構示意圖

絞龍葉片的葉寬

(2)

內螺旋線實長

(3)

外螺旋線實長

(4)

內圓半徑

r=(l×h)÷(L-l)

(5)

外圓半徑

R=r+h

(6)

切缺角度

(7)

切口弦長

(8)

由上述公式計算出主要技術參數如表2所示。

表2 “凸”形螺旋絞龍機構主要技術參數

2.3 懸浮式播種施肥驅動裝置設計

該裝置僅作為傳遞播種和排肥動力輸入，機具前進時地輪跟隨播種機旋轉前進，同時帶動施肥軸和排肥軸工作。懸浮式播種施肥裝置由驅動輪、驅動輪軸、驅動鏈輪、懸浮輪柄、過橋輪軸座、過橋輪軸、過橋鏈輪等組成(圖5)。機架中梁上安裝有懸浮式播種施肥驅動輪鉸鏈座，懸浮式驅動輪輪緣周邊均布抓地爪，大大降低了打滑率，防止漏播。驅動輪輪柄通過鉸鏈軸與鏈接軸座鏈接，驅動輪輪柄通過拉緊彈簧與機架連接，在拉緊彈簧的作用下使驅動輪始終緊貼地面，驅動輪軸上裝有鏈輪與鉸鏈軸上的鏈輪通過鏈條傳遞動力，驅動輪輪柄可繞鉸鏈軸旋轉，這樣無論驅動輪如何浮動，傳動鏈條的張緊度不會改變，保障傳動的可靠性，鉸鏈軸上的過橋鏈輪把動力傳給種肥箱軸上的鏈輪完成種肥箱動力的傳遞。播種機工作時，機具前進懸浮式播種施肥驅動裝置就會帶動施肥播種軸轉動，機具停止時停止施肥播種避免重播多播[12]。

圖5 懸浮式播種施肥驅動裝置

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2019年10月5日，在山東省濱州市博興縣店子鎮小麥高低畦試驗示范基地進行小麥高低畦寬苗帶播種機的田間作業性能試驗。播種試驗前地面先進行耕整，使地表平整、土塊均勻，無障礙物，試驗地測定區長度在兩端預備區不小于10 m，寬度不小于所試播種機工作幅寬的12倍，試驗地塊玉米單產7 350 kg/hm2，在玉米聯合收獲后用旋耕機旋耕兩遍后，進行小麥高低畦播種、施肥作業。配套動力為福田雷沃350拖拉機，作業速度3～5 km/h。

3.2 試驗方法

由于高低畦種植模式的播種機暫無標準，依據JB/T 8401.1—96《旋耕聯合作業機械旋耕施肥播種機》、GB/T 9478—2005和NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規范》對高低畦寬苗帶小麥播種機進行測試，對該機播種質量、機具通過性、種肥間距、苗幅寬度、高低畦高度差等作業性能進行測試。

3.2.1 測區的測定

在播種作業區內任取對角線中的一條，將對角線分為6段，分別以兩個端點外的其他5個等分點為中心點選取測區，測區寬度為1個工作幅寬，長度為5 m，共選定5個測區。

3.2.2 苗幅寬度的測定

苗幅寬度是指每一行種子(苗)在縱向30 cm為一段內，分布在最外兩側種子(苗)之間的橫向寬度。在種子出苗整齊后測定。往返兩個單程，每單程每行測5點，每點相隔2 m。計算出平均苗幅寬度。

3.2.3 種子覆土深度的測定

各小區內每行測5點，計算各行與整機的平均覆土深度的合格率。合格率是指覆土深度在h±1 cm(播深小于3 cm時為h±0.5 cm)范圍內的點占總測定點的百分數。h為當地播種要求的覆土深度，覆土深度也可在出苗整齊后進行測定。

3.2.4 播種均勻性的測定

用播種均勻性變異系數cv評價。測量方法：從5個測區中隨機抽取1個測區，在所選取得測區中隨機選取6行，以10 cm為分段，每個播種行選取10段，測定每段的種子粒數。拾取種子時，先去掉覆蓋在種子上面的大部分覆土，在接近種子深度時，連同種子和土壤一起取出，篩去土壤，撿出種子，數其粒數，則每行的變異系數

(9)

式中：X——各段內種子的粒數；

n1——測定段數。

最后求出6行播種均勻性變異系數的平均值為最后結果。

3.2.5 高低畦高度差

在測區內，沿機組前進方向每隔2 m左右各測1個點，各測11次按式(10)計算高低畦高度差平均值

(10)

式中：ai——第i個點的高低畦高度差值，cm；

n2——測定點數。

3.2.6 高低畦高度差穩定性

高低畦高度差標準值

(11)

高低畦高度差變異系數

(12)

高低畦高度差穩定性系數

u=1-v

(13)

這里選擇高低畦高度差穩定性系數作為評價整機工作穩定性的指標，u值越大說明工作越穩定。

3.2.7 地輪滑移率

(14)

3.3 試驗結果與分析

依據上述測試計算方法，分別以每10個作業區的測定平均值為測試結果，采集數據匯總分析結果見表3。

表3 試驗數據統計表

由表3可知，高低畦高度差為10.32 cm，高低畦高度差變異系數為5.23%，播深合格率為93.6%，播種深度為3.2 cm，地輪滑移率為0.8%，各項性能指標均達到了設計要求和相關農業行業標準要求，機具在田間試驗整體作業效果良好。在播種10天后測得苗帶寬度平均為9.85 cm，高低畦高度差無明顯變化(圖6)，高低畦無明顯坍塌現象，符合小麥高低畦寬苗帶種植的農藝要求，且該機具操作方便，作業性能穩定、工作效率高。

圖6 小麥出苗后田間效果圖

3.4 小麥高低畦寬苗帶種植模式與傳統畦作栽培模式對比試驗分析

2019—2020年山東省博興縣小麥高低畦寬苗帶種植與畦作栽培模式對比試驗情況見表4和圖7，綜合2019年和2020年的實測產量，高低畦寬苗帶種植比對照區增產約969.45 kg/hm2，增幅9.94%。節水約399.98 m3/hm2，減幅32.91%，有效穗數增加13.05%。

表4 小麥高低畦寬苗帶種植與畦作種植對比試驗情況表

圖7 高低畦小麥生長狀況與傳統小畦對照

4 結論

1)本文設計的浮動式寬苗帶播種單體，每個播種單體均與機架浮動鏈接，播種單體隨地表變化浮動，播深一致性好；設計的錯位式寬苗帶雙圓盤開溝器組，實現了小麥的寬苗帶種植，苗帶寬度可達到9 cm以上，有效提高小麥對光、熱、水、肥和土地的利用率；設計的絞龍式高低畦成形機構，采用“凸”形螺旋絞龍結構，大絞龍葉片將低畦的疏松土壤輸送到高畦，小絞龍葉片將輸送來的土壤攪勻，最終形成剖面呈“凹”形的地表構造，實現了小麥高低畦種植，節約了灌溉用水，提高了土地利用率；設計的懸浮式播種施肥驅動裝置，滑移率減小到2%以下，減少漏播率。

2)通過田間試驗可知，高低畦高度差為10.32 cm，播深合格率為93.6%，播種深度平均為3.2 cm，各項性能指標達到了設計要求和相關農業行業標準要求，為小麥高低畦寬苗帶種植技術推廣提供了機具保障，也為推進節水農業發展，有效減輕勞動強度、提高生產效率提供了技術支撐。