適應(yīng)粘土地不同墑情的輕型反旋寬帶播種一體機(jī)研制

柏安康，梁玉海，王禮俊，張帥，賈秋霜

（1.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司寶應(yīng)湖分公司，江蘇金湖 211600；2.濰坊職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 262737）

0 引言

蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司及洪澤區(qū)共和基地水稻收獲后稻茬小麥種植難題與產(chǎn)量問(wèn)題急需解決。由于本地區(qū)小麥種植常年采用常規(guī)正旋耕播種機(jī)或懸掛式開(kāi)口器播種機(jī)械，存在作業(yè)流程復(fù)雜，農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)間跨度大，對(duì)土地墑情要求高等不足的問(wèn)題，當(dāng)前老式播種流程和機(jī)械已不能滿足蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司對(duì)稻麥輪作時(shí)間節(jié)點(diǎn)和小麥高質(zhì)量播種并且原墑出苗的要求。為適應(yīng)蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司粘土地為主的生產(chǎn)需要，需試驗(yàn)改進(jìn)一種適應(yīng)粘土地墑情的輕型反旋寬帶播種機(jī)。

1 輕型反旋播種一體機(jī)設(shè)計(jì)

本文擬通過(guò)改進(jìn)升級(jí)一種輕型適應(yīng)粘土地小麥高質(zhì)量播種的作業(yè)機(jī)具，著力解決粘土地小麥常規(guī)播種農(nóng)機(jī)作業(yè)流程多，土壤滅茬效果不佳，細(xì)碎度、平整度差，播種深度不一致、露籽多等問(wèn)題。

反旋寬帶播種機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向和拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。作業(yè)時(shí)，刀具從己耕地向未耕地進(jìn)行旋切作業(yè)，從耕層底部開(kāi)始向地面切削秸稈和土壤，旋切后秸稈—土壤混合物被向上拋起至罩殼并沿其內(nèi)面滑動(dòng)，向后輸送拋擲，較大的土塊及秸稈碎茬不能通過(guò)后上方的擋草柵，滑落于刀輥后方，先鋪于耕底層，碎土則通過(guò)擋草柵稍后落于表層，因此秸稈與土壤落入被切出的溝底存在時(shí)間差，秸稈會(huì)先于土壤落入溝底，且秸稈會(huì)被隨后落下的細(xì)碎土壤覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)埋茬功能，并使耕后土壤形成下粗上細(xì)的層次分布，透氣性好，有利于作物生長(zhǎng)。

相對(duì)正轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)方式，反轉(zhuǎn)旋耕在性能上體現(xiàn)出很多突出優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)反旋秸稈還田機(jī)作業(yè)時(shí)，機(jī)組切削下的土垡厚度小，切削量穩(wěn)定。因此，刀具反饋給刀軸的力相對(duì)更加均勻、平穩(wěn)，且工作部件所受土壤反饋的旋耕反力在豎直方向的分力自上而下，使得機(jī)組具有了更好的耕深穩(wěn)定性。正、反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)具在相同理論旋耕切土進(jìn)距情況下，采用反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)形式的機(jī)具表現(xiàn)出切削下的土垡厚度小、切削量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了作業(yè)后的碎土質(zhì)量，溝底不平度較小。因此，我國(guó)在秸稈還田機(jī)械化水平上對(duì)低工作能耗、髙作業(yè)質(zhì)量的反旋秸稈還田機(jī)的需求更為迫切。相關(guān)研究表明，秸稈還田的作業(yè)能耗及作業(yè)質(zhì)量一方面取決于還田機(jī)的耕作參數(shù)，如機(jī)組前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速，旋耕切土節(jié)距等，另一方面也取決于旋耕刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如刀具的彎折角、單刀工作寬幅等，此外刀具的排列方式、整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、田間實(shí)際情況也具有一定影響。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕型反旋寬帶播種機(jī)主要由反轉(zhuǎn)旋耕滅茬機(jī)、施肥播種裝置、鎮(zhèn)壓、刮土與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，一次完成播肥、反旋、平地、播種（寬帶）、鎮(zhèn)壓一體式作業(yè)。作業(yè)時(shí)，排肥裝置將肥料均勻地播撒在旋耕刀前的未耕地表，后面的反轉(zhuǎn)旋耕滅茬機(jī)旋耕刀逆向旋轉(zhuǎn)切削土壤，被切削的根茬、土塊經(jīng)罩殼向后引拋，根茬秸稈和大土塊被排種管擋住下落，細(xì)碎土壤從排種管飛出，覆蓋在從施肥裝置中排出的肥料和排種管排出的種子上，再由其后的鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)。輕型反旋寬帶播種機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 排種裝置的設(shè)計(jì)

輕型反旋寬帶播種機(jī)，包括：播種機(jī)主體，所屬播種機(jī)主體的上表面貫穿開(kāi)設(shè)有安裝槽；轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于所屬安裝槽相對(duì)的兩個(gè)側(cè)壁上的旋耕刀片；設(shè)置在所屬安裝槽相對(duì)的兩個(gè)側(cè)壁上的固定板，固定于所屬固定板上表面的移動(dòng)板，設(shè)置在移動(dòng)板上的排種管，移動(dòng)板上設(shè)置有用于控制排種管上下與前后移動(dòng)的移動(dòng)組件。移動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁上貫穿開(kāi)設(shè)有兩個(gè)豎直設(shè)置且相互平行的第一滑槽；移動(dòng)組件包括滑動(dòng)設(shè)置在移動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁上的滑動(dòng)板、貫穿設(shè)置在滑動(dòng)板遠(yuǎn)離移動(dòng)板一側(cè)側(cè)壁上的螺桿以及與螺桿螺紋連接的螺母；滑動(dòng)板遠(yuǎn)離移動(dòng)板一側(cè)側(cè)壁上貫穿開(kāi)設(shè)有兩個(gè)水平設(shè)置且相互平行的第二滑槽，螺桿穿過(guò)第一滑槽和第二滑槽后與螺母螺紋連接，螺母靠近滑動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁與移動(dòng)板遠(yuǎn)離滑動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁固定，排種管與滑動(dòng)板相互固定。

圖1 播種部分結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

排種管與旋耕刀片之間的距離為1～2 cm，用于在播種時(shí)對(duì)排種管進(jìn)行清理。固定板的上表面固定設(shè)置有安裝板，安裝板靠近滑動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有平衡槽，平衡槽遠(yuǎn)離滑動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有第三滑槽，安裝板上設(shè)置有用于使滑動(dòng)板的底面保持水平的平衡組件。平衡組件包括滑動(dòng)設(shè)置在第三滑槽內(nèi)的滑動(dòng)塊、設(shè)置在平衡槽內(nèi)的平衡彈簧以及與平衡彈簧上端固定的平衡板，平衡板的上表面與滑動(dòng)板的底面緊貼，平衡板遠(yuǎn)離移動(dòng)板一側(cè)的側(cè)壁與滑動(dòng)塊相互固定，平衡彈簧的下端與平衡槽的內(nèi)底壁固定。固定板的上表面開(kāi)設(shè)有延伸方向與第二滑槽延伸方向相互平行的第四滑槽，固定板上設(shè)置有用于限制平衡板上下移動(dòng)的限位組件。限位組件包括滑動(dòng)設(shè)置在第四滑槽內(nèi)的限位塊以及固定設(shè)置在限位塊上表面的限位板，限位板靠近平衡板一側(cè)的側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有用于容納限位板的容納槽。排種管為采用40 mm鍍鋅鋼管制成的排種管。輕型反旋寬帶播種機(jī)播種部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 輕型反旋寬帶播種機(jī)播種部分示意圖

1.3 反旋刀軸設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)分析

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。反旋刀軸部分采用195型或225型加密旋耕刀雙螺旋線布置，常規(guī)安裝方法，旋耕深度5±2.5 cm，可調(diào)，主要起到碎土、拋土蓋種的目的。

反旋刀軸輪廓線與正旋弧形板、平土板之間的間隙最小化。該設(shè)計(jì)目的同樣是兩方面：一是減少弧形板上的泥土堆積過(guò)多而增加刀軸的負(fù)荷；二是及時(shí)清除平土板上的纏草，保證了畦面平整度。為均勻蓋種提供保證。

反旋刀具有優(yōu)良埋茬功能，能及時(shí)清理豎溝壁上的秸稈，作業(yè)后溝壁光滑、畦面平整、秸稈少。

前后刀軸軸距最小化設(shè)計(jì)可減少兩軸之間土塊和反復(fù)作業(yè)，有效降低作業(yè)負(fù)荷。

1.3.2 運(yùn)動(dòng)分析。刀輥的工作參數(shù)對(duì)作業(yè)質(zhì)量及功率消耗起著決定性作用。當(dāng)?shù)遁伔葱龝r(shí)，其運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)系可簡(jiǎn)化為：將坐標(biāo)系原點(diǎn)定義為刀輥回轉(zhuǎn)中心并將機(jī)具前進(jìn)方向設(shè)為x軸正方向，垂直地面向上設(shè)為y軸正方向，如圖3所示，假設(shè)旋耕刀回轉(zhuǎn)時(shí)最遠(yuǎn)的端點(diǎn)為Q（x，y），則Q（x，y）運(yùn)動(dòng)軌跡可用如下方程表示：

式中，vm-前進(jìn)速度（m/s）；

R-刀輥回轉(zhuǎn)半徑（m）；

w-刀輯i旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；

t-刀輥運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）；

α-旋耕刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度（°）。

圖3 反旋旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖3所示，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)時(shí)，刀輥?zhàn)陨碜鰣A周運(yùn)動(dòng)，因此旋耕刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，反旋旋耕刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與正旋刀頭相反，為下端曲率小上端曲率大的擺線，旋耕刀反旋工作時(shí)，切土位置不同于正旋繞扣位置，而是位于下部曲率較小弓形段，旋耕刀自下而上進(jìn)行切土，所以此時(shí)，刀刃沿x軸正向分速度一直存在，旋耕速比入取值情況也始終不影響反旋時(shí)的切土功能。

由式（1）可知，旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡受到多種因素影響，對(duì)式（1）求導(dǎo)可得出刀具端點(diǎn)Q（x，y），在x和y方向的分速度為：

則刀具端點(diǎn)絕對(duì)速度v大小為：

將式（2）帶入式（3）得：

由式（1）、式（4）可知，旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑處的切線速度與作業(yè)機(jī)組運(yùn)行速度的比值被定義為旋耕速比λ，λ的大小直接影響旋耕刀具的切土節(jié)距、運(yùn)動(dòng)軌跡、機(jī)具功率消耗以及耕后土層質(zhì)量等重要作業(yè)性能。由式（3）、式（4）可知，刀具切土主要范圍為（3π/2＜α＜2π），機(jī)組前進(jìn)速度vm，方向與刀具端點(diǎn)水平分速度vx方向是相同的，所以當(dāng)旋耕速比λ＜1或λ＞1時(shí)，刀具對(duì)土壤均起切削作用。

因此，與正旋方式相比，在刀具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)情況下，λ可以取值較小，在同樣結(jié)構(gòu)條件下，反轉(zhuǎn)切土速度更高，即反旋刀軸能以較低轉(zhuǎn)速獲得更高切削速度，切土效果好，且節(jié)約了功耗。針對(duì)反旋刀應(yīng)盡量避免前方壅土，將破土引導(dǎo)至刀輥后方。

2 大田試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果與分析

2018年以來(lái)，蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司全面推廣小麥反旋寬帶播種。小麥產(chǎn)量呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2022年，夏熟小麥產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，平均單產(chǎn)達(dá)572.9 kg/666m2。

2.1 輕型反旋寬帶播種機(jī)對(duì)產(chǎn)量和播期的影響

蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司及外拓基地集體種植3333.33 hm2，都采用稻麥輪作種植方式，且大部分水稻收割的時(shí)間都集中在10月下旬和11月上旬，小麥適期播種任務(wù)重，時(shí)間緊。同時(shí)，蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司的土壤為重粘土，稻茬小麥種植土壤濕度較大。往年常規(guī)作業(yè)流程為：撒肥機(jī)拋肥→正旋頭遍（曬垡2天）→正旋2遍（曬垡1天）→懸掛式開(kāi)口器播種機(jī)播種（曬垡1天）→鎮(zhèn)壓→開(kāi)溝。作業(yè)流程需5～7天，拖拉機(jī)需要在田間多次作業(yè)，輪胎對(duì)土壤的碾壓造成土壤板結(jié)，而且面臨土壤失墑無(wú)法原墑出苗等有利條件。采用輕型反旋寬帶播種機(jī)旋耕頭遍后，即可以進(jìn)行反旋播種，作業(yè)流程1～2天，且大部分土壤垡塊較小，播種深度一致性較好，大田較為平整。有利于小麥原墑出苗，為小麥高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。表2為近幾年蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司的產(chǎn)量和播種時(shí)間表。

表2 2015—2022年小麥單產(chǎn)及秋播結(jié)束時(shí)間

2.2 等深種植，實(shí)現(xiàn)齊苗、壯苗

輕型反旋寬帶播種機(jī)升級(jí)后，加粗排種管，排種管直徑由常規(guī)25 mm升級(jí)為40 mm，種子分散更為均勻，由常規(guī)的條線狀變?yōu)?～8 cm的帶狀播種。減少了常規(guī)開(kāi)口器播種堆籽現(xiàn)象。同時(shí)，將排種管安裝至旋耕刀后1～2 cm處，使排種管具有自清潔功能，減少了因土壤墑情過(guò)大、排種管與排種管之間堵塞而造成土壤無(wú)法后拋，出現(xiàn)露籽現(xiàn)象，如表3所示。

表3 種子入土深度對(duì)比試驗(yàn)

2.3 降低用種量

通過(guò)使用反旋寬帶播種機(jī)高質(zhì)量播種，可以有效降低播種量。同時(shí)通過(guò)提高成苗率，降低基本苗，爭(zhēng)取單株多成穗，使個(gè)體發(fā)育健壯，控制高峰苗，提高成穗率，群體結(jié)構(gòu)更加符合高產(chǎn)要求，如表4所示。

表4 2018—2022年度小麥播種量及產(chǎn)量三要素對(duì)比表

3 結(jié)語(yǔ)

本文為提高粘土地不同墑情的小麥播種質(zhì)量，研究開(kāi)發(fā)了一種適應(yīng)粘土地稻茬麥作業(yè)條件的輕型反旋寬帶播種機(jī)。經(jīng)過(guò)三年田間不斷試驗(yàn)改進(jìn)升級(jí)，現(xiàn)機(jī)具一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)旋耕、平整、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等功能，有利于提高效率、降低成本、改善播種質(zhì)量、滿足粘土地、播種、原墑出苗要求。同時(shí)，為小麥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)、高質(zhì)、高效提供了一條機(jī)械化生產(chǎn)路徑。