保護性少耕作業耕整播一體機設計與配套動力研究*

趙永來 ，王利鶴 ，牛文學 ，高 偉 ，李 盼 ，樊 琦 ，馮瑞龍

（內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古 包頭 014109）

0 引言

農業機械化作為農業生產的重要基礎、糧食安全的重要保證，逐步受到國家相關部門和地方各級政府的高度重視，農機裝備在《中國制造2025》中被列入十大重點領域之一，其發展已被提升至國家戰略層面。因此，推進保護性耕作的發展，加快綠色智能農機裝備研發和節本增效，加快農業機械化技術推廣應用，促進農機節能減排，助力實現農業碳達峰、碳中和具有至關重要的意義[1-3]。

目前，發展機械化玉米大豆帶狀復合種植技術是實現時空集約化、集約利用資源的有效途徑[4]。玉米和大豆作為我國重要糧食作物，在耕、種、播等主要生產環節的機械化率穩步提升，已基本實現了單作全程機械化作業。然而，由于我國玉米和大豆耕整播作業機具研發起步較晚，發展水平相對于發達國家還比較落后，目前現有的玉米耕播機械功能單一、銜接性差、作業效率處于較低水平，且對耕層結構破壞嚴重，機械化復合作業水平與農藝要求難以深度融合。為提高深松整地作業效果，同時提升播種環境質量，解決現有農業裝備中存在的模式單一、機具銜接錯配等問題，加快實施國家糧食安全與鄉村振興戰略，內蒙古農業大學職業技術學院現代農業裝備應用技術團隊以先進適用的農機裝備為載體，以綠色增產的農藝要求為內容，開發出集深松、整地、施肥、播種于一體的綜合機具，簡稱耕整播一體機。通過耕、整、施、播環節集成化作業模式，實現農機農藝深度融合，提高糧食生產效率，對提高一體機作業質量、減少勞動成本、提高肥料利用率，實現玉米與大豆增產具有重要實踐意義[5]。

本研究針對內蒙古沿黃地區保護性耕作技術尚未成熟，播種機、施肥機、深松機等存在功能單一、智能化程度低等現狀，圍繞智慧農業關鍵核心技術，緊密結合農機農藝，研發保護性少耕作業耕整播一體機，對一體機作業過程中各功能部件的功率消耗進行了分析與計算，并給出了一體機動力匹配的要點與方案，為農業機械的生產與使用提供了科學的技術指導。

1 保護性少耕作業耕整播一體機設計要求

1.1 田間作業農藝模式要求

本研究主要以內蒙古包頭國家農業科技園區核心區——“中國·敕勒川現代農業博覽園”為主要數據融合平臺和技術核心區，以包頭農業科技園區為技術示范區，以內蒙古整個沿黃區域農業為主要的數據采集和技術輻射帶動區域，針對內蒙古沿黃區域保護性耕作、科技示范和服務等方面，開展保護性耕作關鍵技術的研發和應用，通過查閱文獻及調研，課題組所設計的耕整播一體機需要滿足以下農藝要求[6-8]：

1）配合禾豆間作復合系統，利用豆科固氮、保護性少耕免耕等方式，降低土壤碳損耗。

2）深松過程中保持深度一致，且滿足農藝要求所需的作業深度（≥200 mm）。

3）具備良好的碎土效果及植被埋覆效果，旋耕作業后能快速完成鎮壓作業，提供上虛下實的種床環境。

4）深松分層施肥要求第一層距離土地表面5 cm左右，第二層距離土地表面12 cm～15 cm，第三層距離地面20 cm左右，排種及排肥量均勻一致，肥料吸收利用率高，種肥施播能達到指定位置與播深。

5）種子播深一致，且在排出時破損率較低，整機功率消耗滿足使用要求。

1.2 一體機作業要求

根據土默特右旗天惠農民專業合作社4.8萬畝大豆玉米帶狀復合種植耕地的技術要求及生產條件，課題組所設計的耕整播一體機應滿足以下要求。

1）具備損耗低、質量高的碎土整平能力，在不破壞原有保護性耕層土壤結構的同時，能夠提供優質的種床條件與營養環境，實現多機具高效復合式作業，動力消耗分配更加合理。

2）集成深松、分層施肥、旋耕、播種等傳統工作模式，一次作業實現深松、碎土整平、溝播分層施肥、開溝播種等功能。

3）能夠實現種肥同播，大幅提高肥料的利用率及作物吸收效率，播種間距、深度一致，有效利用土壤環境，提高田間出苗率。

4）通過優化深松、分層施肥、播種方式，提高種肥、期肥、秋收前肥的施播精準度。

5）減少機組對保護性耕作土壤的壓實破壞，整機結構簡潔、緊湊，在保證作業質量及作業效率的情況下減少功耗損失、人力投入，操作方便可調，工作可靠性與穩定性高。

2 耕整播一體機結構設計與工作原理

2.1 耕整播一體機整機設計方案

緊密結合農藝要求確定整機的作業方式，提出了耕整播一體機整機設計方案并確定了一體機作業技術參數，根據選定參數進行一體機整體結構及傳動方式的設計，保護性少耕作業耕整播一體機結構設計思路圖如圖1所示。通過三維制圖軟件對深松鏟等關鍵工作部件進行參數化設計及模型搭建，在三維模型基礎上對主要工作部件進行仿真受力分析，獲得零件失效階段的測量值，用離散元法進行一體機關鍵部件的優化設計，探究其對拋土及碎土性能的影響規律；根據JB/T 8401.1—2017《旋耕聯合作業機械 第1部分：旋耕施肥播種機》評定標準對機具的耕深、碎土率、排種排肥量等指標進行現場測試與驗證，實施整機田間作業測試及作業質量評定。

圖1 保護性少耕作業耕整播一體機結構設計思路圖

2.2 一體機主要尺寸和技術參數確定

本研究以土默特右旗天惠農民專業合作社耕地為試點，開展內蒙古沿黃區保護性少耕作業技術的研發與示范，結合當地農藝模式及合作社生產要求，確定一體機主要尺寸和作業技術參數，如表1所示。

表1 耕整播一體機作業技術參數

2.3 一體機整機結構與工作原理

課題組設計的耕整播一體機結構如圖2所示，整機主要包括施肥裝置、旋耕機、風機、播種單體總成部分與傳動連接部分。施肥裝置主要包括肥箱、驅動電機和調肥機構、分層施肥鉤、排肥盒等；旋耕機部分主要包括旋耕機機架、齒輪箱及傳動裝置、旋耕刀、刮土板等；播種部分主要包括主梁、單體（含玉米種箱與大豆種箱、寬窄兩種限深輪、排種器總成以及寬窄兩種鎮壓輪、破茬波紋盤）、地輪、變速箱等。整機通過三點懸掛方式與拖拉機連接。齒輪箱輸入軸由拖拉機輸出萬向節處獲得工作動力，側輸出端連接驅動旋耕部分作業，后輸出軸通過聯軸器驅動風機，播種機利用風機產生負壓將種子吸附在排種盤上。

圖2 耕整播一體機結構圖

一體機作業過程中，首先由深松鏟對保護性農田土壤進行深松作業，由直流電機驅動肥箱下部階梯排肥盒，排肥輪轉動輸出肥料，經分層導肥管施入土壤中，實現階梯施肥（通過調節變頻電機轉速控制施肥量）；而后由旋耕機進行碎土整平并迅速鎮壓，為玉米與大豆種子生長提供良好的種床環境，最后進行播種作業。通過一體機一次入田，同時完成深松、施肥、整地、鎮壓、播種等多項作業。一體機作業過程中，地輪作為播種單元動力源，通過鏈輪、四方軸驅動變速箱，經過變速箱調整轉速后驅動排種器，進行送種播種。

3 耕整播一體機作業功率與配套動力

由耕整播一體機結構與工作原理可知，機組的功率由拖拉機克服滾動阻力消耗的功率及一體機作業消耗的功率兩部分組成，一體機在前進過程中存在的功率消耗主要包括深松鏟、旋耕機碎土整平以及播種機排種器開溝排種三部分，旋耕機碎土輥鎮壓整平以及禾豆間作鎮壓主要作用于土壤表層，損耗功率與整體相比可以忽略，因此不加入計算。綜上，得出一體機總功率消耗計算公式如下[9-11]：

式中，P0——一體機理論功率消耗（kW）；P1——深松機功率消耗（kW）；P2——旋耕機功率消耗（kW）；P3——播種機功率消耗（kW）。

3.1 深松機功率消耗

單項深松是一種純牽引性作業，功率消耗計算公式為[12-13]：

式中，FT——拖拉機額定牽引力（kN）；Vm——一體機前進速度（m/s）；n——深松部件數量；q0——深松比阻（kN/m2），一般取中等值46 kN/m2；A——松土區面積（m2），結合實際深松深度取0.164 m2。

根據一體機技術規格，作業速度為6 km/h，設計取Vm=1.67 m/s，深松鏟數量為4個，按公式（2）計算深松機功率消耗，得出P1=50.39 kW。

3.2 旋耕機功率消耗

旋耕機工作過程中，旋耕刀碎土整平是功率損耗的主要原因，功率損耗大小主要取決于機具自身工作參數以及土壤環境，由《農業機械設計手冊（上冊）》[13]可知，影響功率消耗的主要因素有前進速度、耕作深度、刀具轉速等。機具前進速度越快，受到的工作阻力也越大，在其他作業條件一定時，旋耕機損耗功率隨前進速度的增加而近似線性增大；耕作深度增加會加大旋耕刀作業受力面積，從而增加作業阻力，提高作業功耗損失；在其他工作參數不變情況下，功率損耗隨刀輥轉速增加而呈線性增加趨勢。目前，單項旋耕作業的功耗可根據旋耕比阻法[13]計算，公式如下：

式中，kλ——旋耕比阻（N/cm2）；B——作業幅寬（m）；h——耕作深度（cm）。

由表1作業要求及聯合整地機技術規格可知，h=12 cm，B=2.4 m，按設計手冊[13]取kλ=6.955 N/cm2，按公式（3）計算旋耕機功率消耗P2=33.45 kW。

3.3 播種機功率消耗

一體機播種部分采用雙圓盤式開溝器開溝播種，通過圓盤分割土壤，繼而通過排種器均勻播種，圓盤開溝器前進阻力的主要來源為土壤對圓盤的摩擦阻力。查閱資料可知，單個雙圓盤開溝器工作深度一般為4 cm～8 cm，單個開溝器工作平均阻力為80 N～160 N，課題組所設計的一體機共采用4個圓盤開溝器，通過經驗公式計算播種機的功率損耗如下[14]：

式中，FP——單個開溝器工作阻力（N）；B——作業幅寬（m）；B=bn，b——行距（m），n——行數；η——拖拉機牽引力利用系數，一般取0.8～0.9；l——開溝器個數。

選取最大開溝器平均阻力160 N，由公式（4）得出播種機功率消耗P3=4.75 kW。

3.4 拖拉機克服滾動阻力功率消耗

根據設計手冊，拖拉機前進克服滾動阻力消耗的功率計算公式為：

式中，Pf——克服滾動阻力功率（kW）；ms——拖拉機使用時質量（kg），g=9.8 m/s2；f——滾動阻力系數，取f=0.1[13]。

設計預采用約翰迪爾1404拖拉機進行牽引，ms=4 640 kg，按公式（5）計算滾動阻力功率消耗Pf=7.59 kW。

3.5 一體機配套動力選擇

由于耕整播一體機進行深松、旋耕施肥、播種的聯合作業，深松鏟松土使旋耕阻力明顯降低，旋耕刀輥正轉產生水平推力又使牽引力比單項深松時有所下降。因此，一體機理論消耗總功率低于各部分單獨作業功率消耗之和，約占各部分功率之和的75%～80%[15]。理論上最大功率消耗為：

取拖拉機傳動系的傳動效率為0.9，動力輸出到一體機的傳動效率為0.9，由以上計算結果可確定耕整播一體機所需的發動機功率為：

Pe=（P0/0.9+Pf)/0.9=(70.87/0.9+7.59)/0.9≈95.93 kW

結合以上分析與計算，得出耕整播一體機所需發動機的功率為95.93 kW，根據當前內蒙古包頭市土默特右旗農戶及合作社拖拉機的持有情況，并充分考慮到田間作業的復雜性，保留一定的功率儲備，選擇約翰迪爾（John Deere）6E啟航1404拖拉機為配套動力，該型號拖拉機主要作業參數如表2所示。

表2 6E-1404 型號拖拉機主要作業參數

4 結論

本研究針對內蒙古沿黃地區保護性耕作技術尚未成熟，播種機、施肥機、深松機等存在功能單一、智能化程度低等現狀，通過圍繞智慧農業關鍵核心技術，緊密結合農機農藝，研發保護性少耕作業耕整播智能一體機，并給出了一體機動力匹配的要點與方案。

1）明確了內蒙古沿黃流域保護性耕作豆禾間作背景下的耕整播一體機所需滿足的田間農藝模式要求及工作參數設計要求。

2）以實現田間作業為目標，提出了耕整播一體機的整體結構設計方案，初步確定一體機作業技術參數并闡明其結構與工作原理。

3）對一體機作業過程中各功能部件的功率消耗進行了分析與計算，得到一體機工作所需拖拉機功率為 95.93 kW，并根據所需工作功率及農戶與合作社的拖拉機持有情況，選擇約翰迪爾6E-1404 拖拉機作為配套動力機具，結合作業參數可知，選擇的拖拉機能夠滿足一體機的工作需要。