雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機設計與試驗*

顧宸嘉，奚小波,2，韓連杰，張翼夫，張寶峰，張瑞宏,2

(1.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州，225127；2.南京沃楊機械科技有限公司，南京市，211200)

0 引言

小麥是世界上最重要的糧食作物之一，其總面積、總產量及總貿易額均居糧食作物前列[1-4]。世界上以小麥為主要糧食的人口數量占到世界人口總數量的1/3[5-7]。在我國，小麥是我國人民廣泛食用的主要糧食，在全國糧食消費總額中占比達到1/5左右，小麥的播種面積和總產量居前三，是世界上最大的小麥生產國家，但每年仍需要大量進口小麥[8-9]。隨著我國小麥產業的不斷發展，小麥成本投入偏高、種植空間布局分散，機械化程度低、播種技術落后、種槽種溝不穩定導致小麥產量不能提高等許多問題暴露了出來[10]。

傳統條播種植絕大多數采用管式輸送排種，由于小麥種植密度高，且種子從排種器排出在管內下落過程中處于不可控狀態，極易發生碰撞、滾動、彈跳，導致均勻種子流受到破壞，致使播種的均勻性較差，影響種子出苗及后續生長[11]。與此同時，種槽深度及穩定性也是決定出苗效果的關鍵因素之一，然而在現行種植方式極度追求生產效率的背景下，多功能復式作業播種機正大規模推廣使用，其作業田地大量秸稈留茬，播種深度難以控制，嚴重影響播深的穩定性，造成種子的低出苗率，進而影響作物后期的生長發育和產量。因此，小麥的播種均勻性與播深穩定性問題亟待解決。

目前，我國對于小麥播種質量在播種方式、基于PLC定量控制以及精量排種器等方面進行了研究。如李軍宇等設計了一種小麥寬幅種機種肥開溝裝置，種肥深度均滿足農藝要求；謝海明等對播種機定量控制系統進行了優化，提高了播種機的作業效率與作物產量；孫欽華等[12]對于2BMG-7型小麥免耕條播機的研制與試驗，機具滿足播種要求；張順等[13]對于氣力滾筒式水稻直播精量排種器排種性能方面的分析與試驗，提高了排種器的排種性能等等。國外學者Barr等[14]設計了一種高速免耕播種系統，通過DEM法和田間試驗優化了排肥器的空間位置，實現播深穩定控制。Burce等[15]開發一種播種系統在減少壓實和耕作操作的同時保持作物產量水平，提高了播種效率；Wilson等[16]改進一種谷物播種機，以提供谷物播種機的種子料斗中種子重量的精確測定的方法，提高了播種的精確性。

上述研究方面為小麥播種技術提供了參照，但未能涉及到復式作業機作業質量改善和如何提高種槽種溝穩定性等問題。針對上述問題，本文設計了一種特型的開槽輪和勻覆土裝置，并完成雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機設計，同時進行樣機與普通播種機的田間對比試驗。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機結構如圖1所示，由兩部分組成，分別為雙軸旋耕機構，播種機構。旋耕機構包括兩組旋耕刀組、前傳動裝置以及兩個四孔齒輪箱，每一組旋耕刀組分為兩部分，分別安裝在一個四孔齒輪箱的兩則，兩組旋耕刀組位置布置為前后布置，前刀組比后刀組高10 cm，四孔齒輪箱安裝在前傳動裝置兩側。種肥箱安裝在播種機構的前端，通過左右兩個支架焊接在機架上，種肥箱底部開有矩形洞口，分別通過螺栓螺母連接一個外槽輪排種器和種肥盒，種肥盒底部距離地面10～12 cm，外槽輪排種器由電機驅動落種。開槽輪安裝在播種機構的前端下部分，由地輪帶動，開槽輪斜上方安裝絞龍進行清泥；播種機構中間為后傳動裝置，后傳動裝置兩側安裝開溝刀盤；鎮壓輪安裝在播種機構機架的后部，分為兩段，中間安裝開溝器；在鎮壓輪斜上方安裝絞龍清泥裝置；在兩個輥輪之間設置勻覆土裝置；輔助輪安裝在機架最后端，通過液壓裝置進行升降。

圖1 機具總體結構圖Fig.1 Overall structure of the machine1.輔助輪 2.后清土裝置 3.后齒輪箱 4.后傳動裝置 5.種肥盒 6.外槽輪排種器 7.種肥箱 8.機架 9.地輪 10.雙軸旋耕機構 11.前旋耕刀組 12.前傳動裝置 13.四孔齒輪箱 14.后旋耕刀組 15.開槽輪 16.前清土裝置 17.開溝盤 18.勻覆土裝置 19.鎮壓輪

1.2 工作原理

機具工作時，動力由拖拉機輸出軸傳遞給前傳動裝置，再由前傳動裝置通過四孔齒輪箱傳遞給旋耕刀組，驅動旋耕刀組進行旋耕作業，由于前后兩個旋耕刀組高度相差10 cm，可將旋耕深度提升至20 cm，實現雙軸深旋耕作業；旋耕作業之后，開槽輪由地輪帶動滾動，開槽輪將土面壓平，并為后續播種進行開槽，槽寬5 cm，槽深1～3 cm，再由絞龍型清土裝置對開槽輪進行表面清土；然后種肥箱通過電機驅動來帶動外槽輪排種器進行排種，種子和肥料經由種肥盒直接落入種槽中，實現播種和施肥，保證落種的準確性；同時，開溝盤由后傳動裝置驅動，進行旋轉松土拋土和初步開溝，為后續開溝器進行穩定開溝提供基礎；接著勻覆土裝置進行勻土覆土作業，同時將開溝盤開出的泥土輸送至兩側，保證土壤均勻，地面平整，提高種子表面泥土覆蓋率，改善播種質量；接著，鎮壓輪通過地輪驅動，對土面進行鎮壓平整，同時后清土裝置對鎮壓輪進行清土作業，鎮壓輪中間開溝器進行后續穩定開溝，作業流程如圖2所示。

圖2 雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機作業流程圖Fig.2 Operation flow chart of double axis rotary tillage and pressing trough sowing,ditching and even covering soil machine1.未耕土壤 2.前旋耕刀軸 3.后旋耕刀軸 4.開槽輪 5.前清土裝置 6.種肥箱 7.開溝盤 8.開溝勻覆土裝置 9.后鎮壓輪 10.后清土裝置

2 傳動設計

機具傳動系統的設計是機械設計工作中的一個必不可少的組成部分。一個合理的良好的機械傳動系統能大幅度提高機具的性能和質量[17]。本機具為復式作業機械，工序較多，且動力來源于拖拉機，根據作業要求，傳動系統分為雙軸旋耕機構傳動與播種機構傳動。

圖3為雙軸旋耕機構傳動示意圖，動力由拖拉機通過萬向節傳入前傳動裝置，傳動裝置通過傳動軸將動力傳送給左右兩個四孔齒輪箱，四孔齒輪箱分別帶動安裝在兩側的旋耕刀組進行旋耕作業。

圖3 雙軸旋耕機構傳動示意圖Fig.3 Transmission diagram of double axis rotary tillage mechanism1.前旋耕刀軸 2.后旋耕刀軸

旋耕機構傳動效率n1可表達成

(1)

式中：P1——錐形齒輪的傳動效率，取0.98[18]；

P2——萬向節的傳動效率，取0.98[18]；

P3——軸承傳動的傳動效率，取0.98[18]；

P4——圓柱齒輪的傳動效率，取0.98[18]。

圖4為播種機構傳動示意圖，播種機構的動力由前傳動裝置通過萬向節傳遞到后傳動裝置，后傳動裝置通過左右傳動軸將動力傳遞給開溝盤進行初步開溝，并通過后齒輪箱帶動傳動軸從而驅動帶傳動，通過帶傳動驅動兩個清泥裝置與勻覆土裝置。

圖4 播種機構傳動示意圖Fig.4 Schematic diagram of transmission device of seeding mechanism1.前清土裝置 2.開溝盤 3.勻覆土裝置 4.傳動軸 5.后清土裝置

播種機構傳動效率

(2)

式中：P5——帶傳動的傳動效率，取0.96[18]。

則整個機具的傳動效率

n=(n1+n2)÷2

(3)

經計算n1為0.724，n2為0.708，n為0.716。

3 開槽輪設計

播種深度是影響種子出苗的重要參數，而開槽質量是影響播種深度的關鍵因素，因此對播種開槽裝置的設計十分重要。目前絕大多數小麥播種機械采用開溝刀或圓盤開溝器開種槽，其開出的種槽寬度與深度不夠，且種槽內碎土較多，導致種槽寬度及深度的穩定性較差，試驗證明壓槽作業優于普通播種機的開溝刀作業[19]。本文設計一種帶有鎮壓效果的開槽輪，在開槽的同時對土壤進行鎮壓，提高土壤平整度，利于后續播種作業，如圖5所示。

(a)開槽輪結構示意圖

為保證足夠的土壤壓實程度，并使槽底中存在的碎土大大減少，在鎮壓輪圓周面上設置凸臺，用于壓制出5 cm左右寬、1～3 cm深的成型播種槽，但是由于可能存在土壤擠壓以及坍塌等情況，留有1 cm寬度余量，因此設計開槽輪凸臺寬L為6 cm，凸臺高度d為3 cm，軸半徑R為15 cm。為使種肥準確落入種槽中，設計時將排種口與開槽輪凸臺處前后對齊，為了保證離地高度參數，設計開槽輪中心軸與種肥盒排種口水平距離為5～10 cm。開槽輪與鎮壓輪結合，使機具結構更加緊湊，也使土壤有足夠的壓實程度，種槽中碎土大大減少，保證播種深度，提高播深與播寬穩定性，符合播種要求。

4 開溝勻覆土裝置設計

開溝勻覆土裝置主要由開溝裝置以及勻覆土裝置組成，如圖6所示。左右覆土裝置由軸承固定，開溝裝置連接在后傳動裝置上，動力由旋耕結構通過萬向節輸送到后傳動裝置帶動開溝裝置轉動，開溝裝置設計為雙圓盤式開溝盤，開溝盤上開溝刀為弧形曲線，以反向旋轉的方式進行初步松土，土壤被拋送至兩側，為后續開溝器穩定開溝提供基礎，覆土裝置由側邊皮帶傳動提供動力進行勻覆土作業。

圖6 開溝勻覆土裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of ditching soil leveling device

由于水溝深度要求大于20 cm，根據安裝位置設計開溝盤入土深度為22～26 cm。其中，開溝盤周圍由右旋刀片與左旋刀片交替安裝，避免出現壅土現象，保證良好的工作質量，示意圖如圖7所示。

圖7 開溝盤示意圖Fig.7 Schematic diagram of ditching tray

開溝作業過程當中，不少碎土被擠壓拋出，導致水溝附近土壤較多，宜造成水溝坍塌，且土壤不平整，出現影響種子出苗等問題。而普通播種機的覆土方式為開溝刀覆土，具有不確定性，現設計一種絞龍型勻覆土裝置，可在原本覆土裝置的功能基礎上，將土壤均勻運送至兩側，較普通播種機土壤平整度更好，可以更好地輔助種槽水溝穩定并提高種子發苗率。整機作業幅寬為3 500 mm，為保證土壤推送幅寬，設計絞龍長度L1為1 600 mm左右，葉片厚度l為2 mm，示意圖如圖8所示。為保證良好的拋送土壤的效果，使土壤勻土厚度達到理想效果，根據安裝高度以及小麥播種深度，絞龍外徑D確定為270 mm。絞龍旋轉主軸直徑d1取0.18倍的絞龍外徑，為48.6 mm。

圖8 勻覆土裝置結構示意圖Fig.8 Structure diagram of soil spreading device

由于勻覆土裝置長度與直徑由作業需要已經確定，因此接下來只需確定絞龍螺距即可，最大螺距應滿足下列兩個要求[20-23]。

1)土壤在絞龍葉片面軸向作用力P1>0。

P1=Pcos(α+β)>0

(4)

式中：P1——土壤沿絞龍軸向所受到的力，N；

P——土壤收到的合力，N；

α——絞龍的螺旋升角，(°)；

β——土壤摩擦角，這里取28°。

為了使P1>0，需滿足

(5)

在絞龍螺旋葉片根部軸處，絞龍螺旋升角α為最大值，軸向作用力最小。依據此條件，絞龍螺距最大值公式如式(6)所示。

(6)

式中：S——絞龍螺距，mm；

d——絞龍旋轉主軸直徑，取0.18倍的絞龍外徑，為48.6 mm。

可得出螺距最大值小于287 mm。

2)土壤具有合理的拋出速度。土壤應該有較快的軸向推送速度，同時絞龍螺旋葉片上軸向推送速度大于圓周旋轉速度，來防止碎土大量飛濺。

(7)

式中：D——絞龍外徑，mm。

可得出螺距最大值應小于260 mm。絞龍螺距增大時，軸向推送速度增加，但圓周旋轉隨之增加，使得土壤出現飛濺的可能，從而降低了勻覆土裝置的覆土能力，造成地面土壤不平整，出現堆壟現象，因此本機具設計絞龍型勻覆土裝置的螺距S取值為180 mm。

清土裝置按照勻覆土裝置機構，也設計為左右兩段絞龍型結構，示意圖如圖9所示，長度與勻覆土裝置相同，為1 600 mm，葉片厚度為2 mm，為使機具結構更加緊湊同時保證清土效果，絞龍外徑不易過大，也不能過小，設計為130 mm。絞龍旋轉主軸直徑取0.18倍的絞龍外徑，為23.4 mm。最終得出螺距為110 mm，實物圖如圖10所示。

圖9 前后清土裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of front and rear soil cleaning device

圖10 樣機內部絞龍部結構實物圖Fig.10 Structure of the internal winch of the prototype1.后清土裝置 2.開溝盤 3.勻覆土裝置 4.前清土裝置 5.開槽輪

5 田間試驗

2020年11月8日進行樣機田間作業試驗，如圖11所示，為驗證雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機的作業效果，在相鄰地塊采用目前普遍使用的2BFX-16播種機進行小麥播種對比試驗，機具的主要參數如表1所示。試驗場地條件及種植技術參數如表2所示。

表1 機具主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of machines

表2 試驗場地條件及種植技術參數Tab.2 Test site conditions and planting technical parameters

田間試驗時，以播種準確性、離散度、均勻性為播種質量指標來衡量機具的作業效果[24]。機具以135 kg/hm2作為播量條件進行作業，作業完成后，隨機挑選10處測區，根據機具設計要求，對機具的作業性能進行了測試，測定方法參照 NY/T996—2006《小麥精少量播種機作業質量》，最后取平均值作為田間試驗結果，結果如表3所示。

(a)樣機作業效果圖

表3 田間試驗結果Tab.3 Field test results

2021年1月27日，對小麥的出苗效果進行了觀察，如圖12所示，可以看出，本機具的小麥出苗整齊，長勢良好，群體充足，單株強壯，出苗率高，無斷苗、漏苗現象，進一步證實了本機具良好的播種作業質量。

(a)本機具

6 結論

1)在分析雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機總體結構和工作原理基礎之上，設計了機具的傳動系統，其傳動效率為0.716。

2)對播種開槽裝置進行了優化設計，采用鎮壓與開槽結合模式，可穩定壓制5 cm寬、1～3 cm深的成型播種槽，優于普通播種機開溝作業方式，滿足小麥播種需要。

3)設計了開溝勻覆土裝置，根據小麥作業幅寬為3 500 mm，設計絞龍長度L1為1 600 mm，葉片厚度l為2 mm，絞龍外徑D為270 mm，旋轉主軸直徑d1為48.6 mm，螺距S為180 mm，可提高耕幅內的土壤平整度，有利于實現播種覆土厚度的一致性，并同樣分左右兩段絞龍機構，設計了一種清土裝置，外徑為130 mm，螺距為110 mm。

4)進行樣機與普通播種機的田間對比試驗，以播種準確性、離散度、均勻性為播種質量指標，結果表明：樣機的準確度為88.67%、離散度為45.45%、均勻度為73.74%，普通播種機的準確度為78.72%、離散度為39.38%、均勻度為44.83%，樣機優于普通播種機，且出苗效果良好，無斷苗、漏苗等現象出現。