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)正旋耕播種機或懸掛式開口器播種機械，存在作業(yè)流程復雜，農(nóng)機作業(yè)時間跨度大，對土地墑情要求高等不足的問題，當前老式播種流程和機械已不能滿足蘇墾農(nóng)發(fā)寶應(yīng)湖分公司對稻麥輪作時間節(jié)點和小麥高質(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，需試驗改進一種適應(yīng)粘土地墑情的輕型反旋寬帶播種機。

1 輕型反旋播種一體機設(shè)計

本文擬通過改進升級一種輕型適應(yīng)粘土地小麥高質(zhì)量播種的作業(yè)機具，著力解決粘土地小麥常規(guī)播種農(nóng)機作業(yè)流程多，土壤滅茬效果不佳，細碎度、平整度差，播種深度不一致、露籽多等問題。

反旋寬帶播種機的刀軸轉(zhuǎn)動方向和拖拉機驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動方向相反。作業(yè)時，刀具從己耕地向未耕地進行旋切作業(yè)，從耕層底部開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，向后輸送拋擲，較大的土塊及秸稈碎茬不能通過后上方的擋草柵，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間差，秸稈會先于土壤落入溝底，且秸稈會被隨后落下的細碎土壤覆蓋，從而實現(xiàn)埋茬功能，并使耕后土壤形成下粗上細的層次分布，透氣性好，有利于作物生長。

相對正轉(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。當反旋秸稈還田機作業(yè)時，機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，使得機組具有了更好的耕深穩(wěn)定性。正、反轉(zhuǎn)旋耕機具在相同理論旋耕切土進距情況下，采用反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)形式的機具表現(xiàn)出切削下的土垡厚度小、切削量穩(wěn)定的優(yōu)點，從而提高了作業(yè)后的碎土質(zhì)量，溝底不平度較小。因此，我國在秸稈還田機械化水平上對低工作能耗、髙作業(yè)質(zhì)量的反旋秸稈還田機的需求更為迫切。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的耕作參數(shù)，如機組前進速度、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、整機設(shè)計參數(shù)、田間實際情況也具有一定影響。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

輕型反旋寬帶播種機主要由反轉(zhuǎn)旋耕滅茬機、施肥播種裝置、鎮(zhèn)壓、刮土與傳動機構(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，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。輕型反旋寬帶播種機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 排種裝置的設(shè)計

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

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，用于在播種時對排種管進行清理。固定板的上表面固定設(shè)置有安裝板，安裝板靠近滑動板一側(cè)的側(cè)壁上開設(shè)有平衡槽，平衡槽遠離滑動板一側(cè)的側(cè)壁上開設(shè)有第三滑槽，安裝板上設(shè)置有用于使滑動板的底面保持水平的平衡組件。平衡組件包括滑動設(shè)置在第三滑槽內(nèi)的滑動塊、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板的底面緊貼，平衡板遠離移動板一側(cè)的側(cè)壁與滑動塊相互固定，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的限位組件。限位組件包括滑動設(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播種部分結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 輕型反旋寬帶播種機播種部分示意圖

1.3 反旋刀軸設(shè)計以及運動分析

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)計目的同樣是兩方面：一是減少弧形板上的泥土堆積過多而增加刀軸的負荷；二是及時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)計可減少兩軸之間土塊和反復作業(yè)，有效降低作業(yè)負荷。

1.3.2 運動分析。刀輥的工作參數(shù)對作業(yè)質(zhì)量及功率消耗起著決定性作用。當?shù)遁伔葱龝r，其運動數(shù)學模型及坐標系可簡化為：將坐標系原點定義為刀輥回轉(zhuǎn)中心并將機具前進方向設(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)時最遠的端點為Q（x，y），則Q（x，y）運動軌跡可用如下方程表示：

式中，vm-前進速度（m/s）；

R-刀輥回轉(zhuǎn)半徑（m）；

w-刀輯i旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；

t-刀輥運動時間（s）；

α-旋耕刀轉(zhuǎn)動角度（°）。

圖3 反旋旋耕刀運動軌跡

如圖3所示，當機組前進時，刀輥自身做圓周運動，因此旋耕刀的絕對運動是旋轉(zhuǎn)和前進運動的合成，反旋旋耕刀端點的運動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，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，旋耕刀自下而上進行切土，所以此時，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的切土功能。

由式（1）可知，旋耕刀運動軌跡受到多種因素影響，對式（1）求導可得出刀具端點Q（x，y），在x和y方向的分速度為：

則刀具端點絕對速度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)機組運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、運動軌跡、機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），機組前進速度vm，方向與刀具端點水平分速度vx方向是相同的，所以當旋耕速比λ＜1或λ＞1時，刀具對土壤均起切削作用。

因此，與正旋方式相比，在刀具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動參數(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。針對反旋刀應(yīng)盡量避免前方壅土，將破土引導至刀輥后方。

2 大田試驗對比結(jié)果與分析

2018年以來，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)量呈逐年增長態(tài)勢。2022年，夏熟小麥產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，平均單產(chǎn)達572.9 kg/666m2。

2.1 輕型反旋寬帶播種機對產(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，時間緊。同時，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：撒肥機拋肥→正旋頭遍（曬垡2天）→正旋2遍（曬垡1天）→懸掛式開口器播種機播種（曬垡1天）→鎮(zhèn)壓→開溝。作業(yè)流程需5～7天，拖拉機需要在田間多次作業(yè)，輪胎對土壤的碾壓造成土壤板結(jié)，而且面臨土壤失墑無法原墑出苗等有利條件。采用輕型反旋寬帶播種機旋耕頭遍后，即可以進行反旋播種，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)量和播種時間表。

表2 2015—2022年小麥單產(chǎn)及秋播結(jié)束時間

2.2 等深種植，實現(xiàn)齊苗、壯苗

輕型反旋寬帶播種機升級后，加粗排種管，排種管直徑由常規(guī)25 mm升級為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)開口器播種堆籽現(xiàn)象。同時，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大、排種管與排種管之間堵塞而造成土壤無法后拋，出現(xiàn)露籽現(xiàn)象，如表3所示。

表3 種子入土深度對比試驗

2.3 降低用種量

通過使用反旋寬帶播種機高質(zhì)量播種，可以有效降低播種量。同時通過提高成苗率，降低基本苗，爭取單株多成穗，使個體發(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)量三要素對比表

3 結(jié)語

本文為提高粘土地不同墑情的小麥播種質(zhì)量，研究開發(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。經(jīng)過三年田間不斷試驗改進升級，現(xiàn)機具一次作業(yè)可實現(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，為小麥實現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)、高質(zhì)、高效提供了一條機械化生產(chǎn)路徑。