寬苗帶小麥免耕施肥播種機設計與試驗*

張寶昌，胡培杰，陳為鵬，邱田元，楊善東

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000)

0 引言

小麥是我國三大糧食作物之一，2021年第一季度中國小麥進口量為2 920 kt，同比增長131.2%，我國小麥的需求缺口仍很大，并且由于農業供給側結構性改革的不斷深化，以及季節性休耕制度，導致我國小麥種植總面積呈總體減少的趨勢，在現有種植面積的基礎上增加小麥產量與我國糧食生產安全等問題有著密切的關系，在小麥生產過程中，播種環節是極其重要的一環，但是目前小麥播種機播種效率低，能源消耗較大，小麥產量得不到顯著提高[1-2]。

余松烈院士曾提出小麥寬幅精播的技術，認為寬苗帶播種可以使小麥充分利用光合作用，并且還具有抗倒伏的效果，從而達到增產的目的[3]；駱佳明[4]設計一種小麥勻播播種機，該機有兩個旋耕裝置，前部旋耕裝置正轉滅茬，后部旋耕裝置反轉對從勻播裝置排出的種子進行覆土，從而達到勻播的效果；王志偉[5]設計一種小麥深松寬苗帶免耕播種機，對土地進行深松分層施肥，并采用寬苗帶的種植模式；劉立晶等[6]設計一種氣流輸送式小麥免耕播種機，采用波紋圓盤施肥開溝器既能夠對未耕地殘茬進行處理又能夠為施肥作業進行開溝，施肥開溝器后部設計安裝錨式施肥鏟對肥料進行覆土，避免種肥混合，為后續播種提供了良好的種床環境，從而提高小麥產量。

本文針對小麥玉米兩熟區，小麥播種時間緊張，播種作業效率低，功耗大等問題，設計一種寬苗帶小麥免耕施肥播種機，該機采用苗帶旋耕的方式進行滅茬從而形成良好的種床環境，采用寬苗帶播種，提高小麥的光能利用率以及抗倒伏的性能，采用攪龍型覆土整平鎮壓機構，為寬苗帶播種進行覆土鎮壓。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

寬苗帶小麥免耕施肥播種機整機結構如圖1所示，主要由三點懸掛、機架、限深輪、苗帶旋耕裝置、施肥裝置、播種裝置、攪龍型覆土整平裝置、傳動裝置、鎮壓裝置以及種肥箱等組成。該播種機一次進地同時完成苗帶滅茬、施肥、寬苗帶播種、覆土整平以及鎮壓等工作。其中苗帶滅茬裝置安裝在施肥裝置前部，采用長短刀交替分布，起到滅茬和防堵的作用；本機施肥播種裝置通過U型螺栓分別安裝在橫梁前部與后部，播種裝置底部安裝寬苗帶分布器；本機采用攪龍型覆土整平裝置，由兩個旋向相反的攪龍、攪龍支架、限位塊等組成，與側板上的旋轉軸進行鉸接；鎮壓裝置由兩組鎮壓輪組件構成，鎮壓輪前部安裝預緊彈簧。

圖1 整機結構

1.2 工作原理

該播種機的實物如圖2所示，通過三點懸掛與拖拉機連接，通過限深輪接觸地面使整機隨地形浮動，中間變速箱與拖拉機動力輸出軸連接，為苗帶旋耕裝置提供動力；苗帶旋耕裝置對未作業土地進行處理，營造良好的種床環境；施肥裝置將外槽輪式排肥器排出的肥料經由鋤鏟式開溝器進入地下，播種裝置采用寬苗帶分布器使小麥種子呈現“邊密中疏”的分布；攪龍型覆土整平裝置將播種機中間變速箱正下方處理不完全的土塊以及經由寬苗帶分布器拖向兩側的土壤，向機具兩側分散，以實現覆土整平的作用；鎮壓裝置由兩組鎮壓輪組件構成，通過鎮壓輪自身重力以及安裝在機架上的預緊彈簧彈力，為小麥種子提供足夠的壓實力。

圖2 播種機實物圖

2 關鍵部件設計

2.1 苗帶滅茬裝置的設計

本機采用免耕播種，用苗帶旋耕的方式進行滅茬。該滅茬裝置整體安裝在施肥裝置的前部，由20把短刀、20把長刀構成，每一播種行對應兩把長刀、兩把短刀，四把刀在圓周方向上間隔90°排列，其中兩把長刀安裝在施肥裝置兩側，兩把短刀安裝在施肥裝置正前方，其具體結構如圖3(a)所示，根據農業機械設計手冊[7]，在刀輥軸向投影圓周內，總刀數等分排列，刀輥每轉過360°/z′有一把旋耕刀入土，使切土阻扭矩均勻分擔，減小波動幅度，其中z′為旋耕刀總數，根據本文所設計的滅茬方式，要求每一播種行所對應的兩把長刀以及兩把短刀分別旋轉180°排布，并且該播種機所涉及的工作行數為10，因此z′取20，即刀輥軸向投影圓周內每轉過18°有一把刀入土，其排布方式如圖3(b)所示。

(a) 滅茬裝置結構

旋耕作業中土垡的水平縱向厚度稱為切土節距，切土節距的大小對碎土質量和耕地平整度有直接的影響，切土節距過小會導致機具效率低下且功耗增大，切土節距過大會造成作業土地不平整，影響播種質量。根據農業機械設計手冊，滅茬刀的轉速要求為300～500 r/min。

H=6 000vmqz

(1)

式中：H——切土節距，取14 cm；

vm——機組前進速度，m/s；

q——刀輥轉速，r/min；

z——小區內旋耕刀數量，取3。

機組前進速度vm取9 km/h，即2.5 m/s，可得刀輥的旋轉速度357 r/min。

2.2 寬苗帶分布器的設計

本文所設計的播種機采用寬苗帶播種方式，施肥方式為深施肥，施肥開溝器采用鋤鏟式開溝器，通過焊接在橫梁上的定位塊固定安裝施肥與播種裝置，播種管底部安裝寬苗帶分布器，其具體結構以及安裝位置如圖4所示。寬苗帶分布器上部內壁截面為40 mm×40 mm的正方形，底部是分散裝置，內部設計有兩塊分種板，將排種管在寬度上按照2∶1∶2[8]的比例劃分為三部分，即寬苗帶分布器左側分種板上部與左側內壁距離為15 mm，右側分種板與右側內壁距離為15 mm，中間部分所占寬度較小為10 mm，兩側寬度大是為了使小麥種子大部分向兩側排出，小部分從中間排出，從而使得小麥種子從寬苗帶分布器排出時形成“邊密中疏”的排布方式。

(a) 寬苗帶分布器結構

根據表1小麥種子與寬苗帶分布器的相關參數，通過EDEM軟件對寬苗帶分布器排種過程進行仿真，首先通過Solidworks繪制一個1 000 mm×140 mm×50 mm 的無蓋容器，并在內部按照寬度三等分的要求繪制兩個隔板，然后將容器與寬苗帶分布器轉存為.x_t 格式導入EDEM中，為簡化運算，將小麥種子簡化為由三個球組成得顆粒，然后通過軟件的種子工廠功能在寬苗帶分布器上部設置種子工廠，按數量生成100粒小麥種子，使寬苗帶分布器靜止，容器以2.5 m/s的速度向后移動，其仿真過程如圖5(a)所示，仿真結束后，根據仿真結果圖5(b)數出容器內左、中、右分區內種子數量，得到的試驗結果為左∶中∶右=41∶19∶40，符合設計種子分布要求，因此，寬苗帶分布器上部通過分種板所形成的三個空間寬度依次為15 mm，10 mm，15 mm。

表1 小麥種子與寬苗帶分布器的相關參數

(a) 仿真過程

2.3 攪龍型覆土整平裝置的設計

傳統的小麥播種機播種開溝器大多為鋤鏟式或者雙圓盤開溝器，其覆土效果多依靠土壤的回流作用以及后部鎮壓輪的擠壓作用實現，但對于寬苗帶播種方式，則需要專門的覆土部件進行。本文所設計的播種機采用攪龍型覆土整平裝置，其具體結構如圖6所示，攪龍支架上部與側板上的旋轉軸鉸接，使得攪龍能夠圍繞旋轉軸旋轉實現攪龍裝置的上下浮動，本機側板內部攪龍支架下側焊有限位裝置，對攪龍最低位置進行限位。作業時，鎮壓輪轉動，通過右側傳動裝置帶動攪龍旋轉，鎮壓輪組件的旋轉中心與攪龍裝置的旋轉中心在同一條直線上，均安裝在側板的旋轉軸上，避免浮動作業時對鏈條的傳動產生干涉。

圖6 攪龍型覆土整平裝置結構圖

對與攪龍葉片接觸的土壤顆粒進行力學分析[9-12]，如圖7所示。

由圖7可得

(a) 土壤顆粒受力分析

(2)

式中：α——螺旋升角，(°)；

β——土壤顆粒與攪龍葉片的摩擦角，(°)；

f0——土壤顆粒之間的摩擦力，N；

F——攪龍葉片對土壤顆粒的合力，N；

Fz——攪龍葉片對土壤顆粒合力在軸向方向的分力，N；

Ft——攪龍葉片對土壤顆粒合力在圓周方向的分力，N；

μ0——土壤顆粒之間的摩擦系數。

注：Ff為攪龍葉片對土壤顆粒的摩擦力，N；FN為攪龍葉片對土壤顆粒的正壓力，N。

本文設計的攪龍覆土整平裝置是將土壤顆粒沿軸向朝播種機兩側輸送，因此攪龍葉片對土壤顆粒的軸向動力應大于軸向的阻力，即需滿足

FNcosα>Ffsinα+f0cos(α+β)

(3)

由于土壤顆粒之間的摩擦力方向與土壤顆粒運動方向相反，因此式中f0cos(α+β)>0，對式(3)進行化簡得

FNcosα>Ffsinα

(4)

根據Ff=μ1FN=FNtanβ(μ1為攪龍葉片與土壤顆粒之間的摩擦系數)得

cotα>tanβ

(5)

即

(6)

故β取24°，即當螺旋升角α小于66°時，土壤顆粒會在攪龍葉片的旋轉推動下向播種機兩側運動，但當螺旋升角過大時，土壤顆粒向兩側的運動速度較小，無法實現對寬苗帶進行覆土。因此對與攪龍葉片接觸的土壤顆粒進行速度分析[13]，如圖8所示，土壤顆粒的牽連速度會使得土壤顆粒跳動翻轉甚至隨攪龍一同圍繞攪龍軸旋轉，而其牽連速度

(a) 土壤顆粒速度分析

v0=ωr

(7)

式中：ω——攪龍整平裝置的角速度；

r——土壤顆粒與攪龍軸中心線的距離。

由圖8可求得土壤顆粒的軸向輸送速度

vz=vfcos(α+β)

(8)

由

得

(9)

式中：vf——土壤顆粒的絕對運動速度；

S——攪龍葉片的螺距；

n——攪龍整平裝置的轉速；

f——土壤顆粒與攪龍葉片的摩擦系數。

因為攪龍葉片內徑的螺旋升角最大，故確定時應按此條件進行校核。當攪龍型覆土整平裝置的半徑和轉速一定時，軸向運動vz是螺旋升角α的函數。

令

(10)

可求得土壤顆粒的軸向速度vz最大時的螺旋升角

(11)

即攪龍螺旋升角為33°時，土壤顆粒在攪龍葉片推動下向播種機兩側的運動速度最大，由于各地土壤參數不同，因此土壤的摩擦角會有些許差異，本文土壤顆粒與攪龍葉片的摩擦角取24°，地區不同該值不同，由于本機采用寬苗帶播種的方式，故需土壤顆粒軸向運動的距離較大，因此本機采用使得軸向運動速度最大時的螺旋升角即α取33°。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗地點為山東淄博臨淄富群農機合作社試驗田，秸稈覆蓋量不小于40%，秸稈切碎合格率不小于85%，滿足試驗條件。

3.2 試驗方法

按國家標準GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播種機》[14]對小麥免耕播種機播種質量的檢測指標進行測試，試驗標準要求播深合格率應大于等于80%、種肥高度差大于等于3 cm時合格，合格率應大于等于90%，苗帶寬度合格率應大于等于85%。主要試驗內容包括機具通過性、播種質量、施肥質量等。主要使用設備包括電子秤、卷尺、板尺、鐵鍬、塑料袋等。

3.2.1 機具通過性

拖拉機掛接本機按照設定速度9 km/h在不小于60 m作業長度內進行連續作業，在一個往返行程里不發生重度堵塞，即為合格，本試驗在前茬作物秸稈覆蓋的情況下進行3次測試。

3.2.2 種肥深度

拖拉機以設定速度行進，隨機選取6行，每行取10個點，將土層扒開進行測定，分別測出麥種、肥料的深度以及苗帶寬度，并記錄數據后期計算得出種肥高度差。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 機具通過性試驗結果

根據國家標準，該播種機在60 m測試作業區內往返作業3次，均未出現嚴重堵塞的情況，機具通過性良好。

3.3.2 種肥深度試驗結果

在播種機作業完成后，根據測試方法對播種深度、施肥深度、苗帶寬度進行測量記錄，通過計算得到播種深度、種肥高度差和苗帶寬度的合格率分別為93.1%、100%和94%。試驗相關數據見表2。通過式(12)、式(13)對試驗數據進行計算求得其標準差和變異系數。

表2 測試結果

(12)

(13)

式中：σ——標準差；

Cv——變異系數；

b——試驗數據個數，取6；

xi——試驗數據；

由測試結果可知播種深度的平均值為3.1 cm，種肥高度差的平均值為6.1 cm，苗帶寬度的平均值為11.58 cm，其中播種深度的變異系數最大為8.1%，主要原因是播種深度除了受寬苗帶分布器深度影響還受到攪龍型覆土整平裝置覆土效果的影響，所以變異系數較大，但播深合格率達到93.1%；種肥高度差的變異系數與播種深度和施肥深度相關，但由于設計原因，施肥開溝器與寬苗帶分布器在高度上保持7 cm的高度差，因此種肥高度差的變異系數較小，為2.8%，且合格率達到100%，避免了燒種現象的發生；苗帶寬度主要依靠寬苗帶分布器出口處的寬度，因此變異系數最小為2.0%，合格率為94%，試驗數據滿足播種機國家標準及相關農藝要求。

4 結論

1) 針對小麥播種機功耗高的問題，設計苗帶旋轉滅茬的方式，對苗帶滅茬裝置刀片分布排列進行設計，使得每一播種行對應四把旋刀，在保證提供良好種床環境的基礎上減小功耗，并且確定刀輥的轉速為357 r/min。

2) 設計一種分種板式寬苗帶分布器，使得寬苗帶分布器在分種板的作用下所形成的三個空間寬度依次為15 mm,10 mm,15 mm，并且通過EDEM軟件仿真排種過程，數出容器中三個空間的種子數量，得到該寬苗帶分布器可使小麥種子呈現2∶1∶2的分布方式，證明該寬苗帶分布器的可行性。

3) 設計一種攪龍型覆土整平裝置，通過對與攪龍葉片接觸的土壤顆粒進行力學分析和運動學分析，確定使得土壤顆粒不隨攪龍葉片旋轉只做軸向運動，并且軸向運動速度最大時的螺旋升角為33°。

4) 通過田間試驗，得到播種深度，種肥高度差和苗帶寬度的合格率分別為93.1%，100%和94%，符合免(少)耕施肥播種機的國家標準，滿足相關農藝要求。