黏土地稻茬麥反旋條帶播種機設計與試驗

仇維佑,朱 松,李 玲,劉天星,卜永清,朱亞晨

(1.江蘇省農墾農業發展股份有限公司現代農業研究院,南京 210019;2.江蘇省農墾農業發展股份有限公司 黃海分公司,江蘇 鹽城 224000)

0 引言

小麥是我國主要的糧食作物之一,稻麥輪作也是我國南方地區主要的種植方式,故小麥播種機械是小麥播種必不可少的機械,其作業精度及穩定性直接影響著小麥的生長發育[1-3]。目前,有多種小麥播種復式作業機,且國外在一些適用性好的復式作業機械上有著非常領先的技術[4],如德國豪獅Express 4SD氣吹式免耕直播機[5]播種單元單體仿形;美國John Deere 1590牽引型條播機[6]性能可靠。國外的機具機型較大,適合國外大農場作業,難以適應國內農田作業。國內近幾年在聯合播種機方面也存在著較大的進步。江蘇大學設計研究了一款小麥雙軸旋耕播種機[7],用來解決播深控制不均的問題。揚州大學設計研究了雙軸旋耕施肥播種復式作業機[8]及雙軸旋耕壓槽播種開溝勻覆土作業機[9],用來解決現有農業機具作業單一、旋耕碎土不徹底的問題。河北省農機所設計的聯合整體小麥智能施肥播種機使得復式作業機施肥更加精準化[10],但這些機具都是針對沙土地設計的,不適合黏性土地稻麥茬輪種。

我國土壤主要分為沙土地、壤土地和黏土地,而江蘇蘇北地區部分土地性質為黏土地,稻茬地水分含量高,土壤板結,田塊較黏,甚至濕爛[11-12]。目前,針對黏土地小麥播種機械方面的研究幾乎為空白,南京農業大學設計了一種濕爛地稻茬麥旋耕滅茬施肥播種復式作業機[13],在一定程度上能夠解決濕爛地小麥播種難題,但滅茬覆土效果不是很理想,且排種管易堵,在一定程度上還需進一步改進。

針對黏土地小麥播種現存的問題,筆者設計了一種黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機,并對關鍵部位進行設計分析,完成整機建模且驗證其合理性,最后進行復式作業樣機試制和田間試驗,驗證其工作性能。

1 播種機總體方案設計

1.1 播種機整機結構設計

根據江蘇農墾黏土地小麥播種農藝設計參數(見表1),對黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機進行總體方案設計。該機具集反旋滅茬、開溝播種、覆土鎮壓于一體,如圖1所示。該機具主要由反旋刀軸總成、三點懸掛裝置、傳動總成、機架“V”型限深壓槽覆土一體輥、播后鎮壓輥、外槽輪式排種器、攔草柵、種箱、地輪及鏈輪等組成。其中,傳動總成由主減速器、二級減速齒輪箱以及側邊傳動箱構成,反旋刀軸總成、攔草柵、“V”型限深壓槽覆土一體輥、排種管、播后鎮壓輥從前往后依次排列,在“V”型限深壓槽輥上安裝正旋短刀,有效解決了黏土地小麥播種播深不一致、排種管易堵塞及種子漂種率高的缺陷。

1.反旋刀軸總成 2.三點懸掛裝置 3.主減速器 4.旋耕刀軸擋土板 5.二級減速齒輪箱 6.攔草柵 7.萬向節 8.側邊齒輪箱 9.“V”型限深壓槽覆土一體輥 10.擋土板 11.播后鎮壓輥 12.地輪 13.鎮壓輪刮土板 14.鏈輪 15.地輪減震裝置 16.前后機架緩沖連接裝置 17.外槽輪式排種器 18.種箱圖1 黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of light reverse rotary control deep stripe seeder for wheat following rice in clay soil

表1 小麥播種農藝參數Table 1 Agronomic parameters of wheat sowing

1.2 播種機工作原理

黏土地稻茬麥輕型反旋控深聯合播種機可一次性完成反旋滅茬、開溝播種、覆土鎮壓三大工序。工作時,機具配合三點懸掛裝置與拖拉機后液壓提升機構相連,拖拉機PTO將動力輸入至主減速器,帶動反旋刀軸轉動;主減速器右輸出軸將動力輸出至二級減速齒輪箱,再通過萬向節和側邊傳動箱傳遞至“V”型限深壓槽覆土一體輥,播后鎮壓輥在機具行走時自身轉動;黏土地設置播后鎮壓輥刮土板,去除鎮壓輥上的黏土,外槽輪式排種器由地輪及鏈輪帶動。在作業時,反旋刀軸總成進行秸稈滅茬,“V”型限深壓槽覆土一體輥將開溝覆土同時進行,小麥經過排種管落入溝內,焊接在輥上的正旋短刀給種子覆土,避免排種管堵塞,最后進行播后鎮壓。

2 播種機關鍵裝置設計

2.1 大直徑旋耕滅茬機構設計

目前,旋耕種類有雙軸旋耕和單軸旋耕。其中,單軸旋耕又分為反轉旋耕和正轉旋耕;雙軸旋耕碎土效果相比于單軸旋耕較好,但其所需功率高于單軸旋耕;而正旋所需功率較低,但碎土及耕后平整度不如反旋。由于反旋比正旋碎土率高出20%以上,故選擇功率適中且碎土滅茬效果好的反旋進行滅茬[14-16]。在此,選用大直徑IT265旋耕刀,切土節距直接影響著碎土質量和耕地平整度[17]。針對黏土地稻茬麥地,土壤黏性大,為防止堵泥纏草,選取切土節距為8cm。根據式(1)確定反旋刀軸轉速為300 r/min,符合反轉旋耕轉速范圍280～348r/min之間。

(1)

式中S—切土節距(cm);

vm—拖拉機前進速度,取vm=0.8m/s;

z—同一切土小區內旋耕刀數,取z=2;

n—旋耕軸刀輥轉速(r/min)。

將上述設計參數帶入式(2)中,算得旋耕速比λ=10.4>1,機具可以正常工作。

(2)

式中R—旋耕刀回轉半徑(mm);

λ—旋耕速比。

結合式(3)驗證其反旋過后的平整度,得出所設計的大直徑反旋滅茬機構碎土效果好且平整度高。λ=10.4時的運動軌跡如圖2所示。

圖2 反旋刀運動軌跡圖Fig. 2 Trajectory diagram of reverse rotary cutter

α1/R=1-cos[π/z(λ-1)]

(3)

式中α1—旋耕后突起高度(cm)。

大直徑旋耕滅茬機構設計如圖3所示。采用雙螺旋線排布方式,反旋刀軸每條螺旋線上有16個旋耕刀,兩根旋耕刀軸分別位于主減速器底端輸出軸兩側。

圖3 大直徑旋耕滅茬機構三維模型Fig.3 Three-dimensional model of large-diameter rotary tillage and stubble elimination mechanism

2.2 限深壓槽覆土機構設計

機具采用“V”型限深壓槽覆土一體輥,將正旋短刀焊接在壓槽輥上,位于兩個“V”型槽中間位置,呈上下兩列分布,其原理圖如圖4所示。正旋短刀根據旋耕深度為5cm進行設計,取“V”型限深壓槽覆土一體輥轉速為200r/min。

圖4 限深壓槽覆土機構原理圖Fig.4 Schematic diagram of soil covering mechanism with limited depth and pressure trough

該結構每列上有17個正旋短刀,集限深壓槽與正旋覆土于一體,可解決傳統機具播后設置覆土機構而導致的排種管堵塞和播深不一致問題。該新型機構使得整個機具更加輕量化,其三維模型如圖5所示。

圖5 限深壓槽覆土機構三維模型Fig.5 Three-dimensional model of soil covering mechanism with limited depth and pressure trough

2.3 傳動系統設計及功耗計算

2.3.1傳動系統設計

傳動系統在農業機具設計中非常關鍵,要保證聯合播種機作業效果好,必須保證各機構轉速達到設計標準[18]。由于大直徑反旋滅茬機構和限深壓槽覆土機構的動力都要通過拖拉機PTO動力輸出帶動,故根據實際作業需要設計播種機傳動裝置,其原理如圖6所示。

1.主減速器 2.二級減速齒輪箱 3.側邊齒輪箱 4.萬向節動力輸入軸圖6 傳動系統原理圖Fig. 6 Schematic diagram of transmission system

拖拉機動力通過萬向節輸入至主減速器,主減速器內有2個錐齒輪和4個直齒輪;主減速器通過第Ⅳ直齒輪將動力傳遞至大直徑反旋滅茬機構,通過第Ⅱ錐齒輪將動力傳遞至二級減速裝置,二級減速裝置第Ⅱ直齒輪通過萬向節將動力傳遞至側邊傳動箱;側邊傳動箱含有6個直齒輪,將動力傳遞限深壓槽覆土機構。由于齒輪傳動存在效率損失,所以在設計傳動比時要考慮傳動效率,主要包括萬向節傳動效率和齒輪傳動效率,計算公式為

(4)

(5)

式中η1—大直徑反旋滅茬機構傳動效率;

η2—限深壓槽覆土機構傳動效率;

η3—萬向節傳動效率,取η3=0.97;

η4—弧形錐齒輪傳動效率,取η4=0.96;

η5—圓柱直齒輪傳動效率,取η5=0.97。

根據傳動效率對機具傳動系統中主減速器和二級齒輪箱傳動比進行計算,將相關數據代入至式(6)和式(7)中,可得主減速器齒輪箱總傳動比設計為2.04,二級減速齒輪箱總傳動比設計為1.32。

(6)

(7)

式中i1—主減速器齒輪箱總傳動比;

i2—二級減速齒輪箱總傳動比;

n—拖拉機PTO輸出轉速,取n=720r/min;

n1—大直徑旋耕滅茬機構轉速(r/min);

n2—“V”型限深壓槽覆土一體輥轉速(r/min)。

2.3.2功耗計算

功耗是聯合播種機設計重要的參數之一,對選取拖拉機型號有著重要的作用,拖拉機的型號輕重也對機具在黏土地上作業有著非常重要的影響[19]。該播種機功率主要包括反旋滅茬機構功率P1、限深壓槽覆土機構功率P2以及機具前進功率P3,則播種機總功率為

(8)

大直徑反旋刀軸的功率與多個因素有關,主要包括耕深、土壤的性質以及機具前進速度等,計算公式為

P1=0.1krBhVm

(9)

式中kr—旋耕比阻(N/cm2),由理論旋耕比阻、耕深修正、濕度修正、殘茬修正以及作業方式修正計算得出,根據黏土地實際土壤情況結合農業機械手冊選取合適的參數,則kr=13×1.2×0.95×1.2×0.66=11.73;

B—工作幅寬(m);

h—旋耕深度(cm);

Vm—行進速度(m/s)。

機具工作幅寬B=2.3m,旋耕深度為h=15cm,行進速度Vm=0.8m/s,帶入式(9)中可得大直徑反旋刀軸的功率為32.37kW。

限深壓槽覆土機構功率由正旋覆土刀功率和開溝鎮壓輥功率兩部分組成,正旋覆土刀功率根據式(9)進行計算。機具工作幅寬B=2.3m,旋耕深度h=5cm,行進速度Vm=0.8m/s,代入可得正旋覆土刀功率為10.78kW。

開溝鎮壓輥功率可根據開溝機功率的計算公式(10)算得功率為0.08kW,則限深壓槽覆土機構總功率12.06kW。

(10)

式中B1—開溝深度,取B1=0.04m;

H1—開溝寬度,取H1=5cm;

Vm—拖拉機前進速度,取Vm=0.8m/s;

ke—切土比阻,取ke=1N/cm2;

Vd—開溝刀外圓線速度,取Vd=3.14m/s;

δ—拋土面積,取δ=2.6g/cm3。

另外,還有由于重力、阻力帶來的機具前進功耗,可根據式(11)進行計算得出P3=1.2kW。

P3=μFVm

(11)

式中μ—比例系數,μ=0.4;

F—牽引力,F=3856N;

Vm—拖拉機前進速度,Vm=0.8m/s。

綜上黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機總功率P=54.65kW,所以應選取80馬力以上的拖拉機作為黏土地稻茬麥輕型反旋控深聯合播種機的動力牽引機械。

3 機具田間試驗研究

將設計好重要參數的樣機進行三維虛擬裝配,接著依據二維圖紙進行零部件的加工,最終樣機如圖7所示。

圖7 黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機Fig.7 Light reverse rotary control deep stripe seeder for wheat following rice in clay soil

3.1 試驗方案設計

播種機主要從4方面進行試驗,分別是碎土率、耕深、播深及覆土率。試驗地點選取江蘇農墾黃海中德示范園黏土地田塊,分別取3個稻茬田塊,每個田塊選取5個點。試驗前,利用儀器分別測量其含水率大小,測得3個田塊平均含水率為32.4%,機具前進速度為0.8m/s;以點為中心取邊長50cm的正方形區域,采取土塊及種子樣本,得出15個點的碎土率、耕深、播深以及覆土率相關數據,并跟蹤出苗情況,看有無缺苗斷壟的情況,如圖8所示。

圖8 機具田間試驗Fig.8 Testofmachine tool inthefield

3.2 試驗結果分析

將機具試驗樣品數據代入相關公式(12)和公式(13)進行計算,得出碎土率和漂種率,則

(12)

式中α—碎土率;

Ea—樣本中最長邊大于4cm的土塊質量(g);

Eb—樣本中樣本總質量(g)。

(13)

式中β—覆土率;

ma—樣本中暴露的種子質量(g);

mb—樣本中種子總質量(g)。

試驗結果如表2所示。

表2 試驗數據Table 2 Testdata

結合試驗數據可得:黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機平均耕深為13.9cm,平均播深為2.7cm,平均碎土率為78.56%,平均漂種率為2.55%;通過后期的出苗跟蹤,幾乎沒有出現缺苗斷壟的現象,說明機具排種管防堵效果好。作業測試數據和現場作業以及后期出苗情況表明所研制的機具完全適用于黏土地大小麥的播種作業,各項數據指標都達到了農藝要求。

4 結論

1)設計了一種新型的黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機,集反旋滅茬,開溝播種、覆土鎮壓于一體,可解決傳統黏土地播種機械旋耕碎土不徹底、種管易堵漏、播深不一致的問題。

2)提出播種機整體結構方案,確定關鍵部件大直徑旋耕滅茬機構的參數,設計了一種限深壓槽覆土機構,集播前開溝鎮壓播后覆土一體。確定其轉速為200r/min,并對機具的傳動系統進行設計,選取合適的齒輪箱,確定齒輪箱傳動比分別為2.04和2.70,根據功耗計算結果對拖拉機進行機型選取,為機具播種作業提供了可靠的技術參考。

3)對黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機進行機具的制造加工與試驗,結果表明:機具適合黏土地稻麥茬播種作業,耕深為13.9cm,播深為2.7cm,碎土率平均值達到78.56%,漂種率平均值控制在2.55%以內;通過后期的出苗跟蹤,幾乎沒有出現缺苗斷壟的現象,排種管防堵漏效果好。所設計的黏土地稻茬麥輕型反旋控深條帶播種機完全符合設計要求,為今后黏土地地區的小麥播種作業機具設計提供了寶貴意見。