趙永來 ，王利鶴 ，牛文學 ，高 偉 ，李 盼 ，樊 琦 ，馮瑞龍

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 014109）

0 引言

農(nóng)業(yè)機械化作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎、糧食安全的重要保證，逐步受到國家相關(guān)部門和地方各級政府的高度重視，農(nóng)機裝備在《中國制造2025》中被列入十大重點領(lǐng)域之一，其發(fā)展已被提升至國家戰(zhàn)略層面。因此，推進保護性耕作的發(fā)展，加快綠色智能農(nóng)機裝備研發(fā)和節(jié)本增效，加快農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣應用，促進農(nóng)機節(jié)能減排，助力實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達峰、碳中和具有至關(guān)重要的意義[1-3]。

目前，發(fā)展機械化玉米大豆帶狀復合種植技術(shù)是實現(xiàn)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(chǎn)環(huán)節(jié)的機械化率穩(wěn)步提升，已基本實現(xiàn)了單作全程機械化作業(yè)。然而，由于我國玉米和大豆耕整播作業(yè)機具研發(fā)起步較晚，發(fā)展水平相對于發(fā)達國家還比較落后，目前現(xiàn)有的玉米耕播機械功能單一、銜接性差、作業(yè)效率處于較低水平，且對耕層結(jié)構(gòu)破壞嚴重，機械化復合作業(yè)水平與農(nóng)藝要求難以深度融合。為提高深松整地作業(yè)效果，同時提升播種環(huán)境質(zhì)量，解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)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(xiāng)村振興戰(zhàn)略，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備應用技術(shù)團隊以先進適用的農(nóng)機裝備為載體，以綠色增產(chǎn)的農(nóng)藝要求為內(nèi)容，開發(fā)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(huán)節(jié)集成化作業(yè)模式，實現(xiàn)農(nóng)機農(nóng)藝深度融合，提高糧食生產(chǎn)效率，對提高一體機作業(yè)質(zhì)量、減少勞動成本、提高肥料利用率，實現(xiàn)玉米與大豆增產(chǎn)具有重要實踐意義[5]。

本研究針對內(nèi)蒙古沿黃地區(qū)保護性耕作技術(shù)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(xiàn)狀，圍繞智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，緊密結(jié)合農(nóng)機農(nóng)藝，研發(fā)保護性少耕作業(yè)耕整播一體機，對一體機作業(yè)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(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)與使用提供了科學的技術(shù)指導。

1 保護性少耕作業(yè)耕整播一體機設計要求

1.1 田間作業(yè)農(nóng)藝模式要求

本研究主要以內(nèi)蒙古包頭國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)核心區(qū)——“中國·敕勒川現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽園”為主要數(shù)據(jù)融合平臺和技術(shù)核心區(qū)，以包頭農(nóng)業(yè)科技園區(qū)為技術(shù)示范區(qū)，以內(nèi)蒙古整個沿黃區(qū)域農(nóng)業(yè)為主要的數(shù)據(jù)采集和技術(shù)輻射帶動區(qū)域，針對內(nèi)蒙古沿黃區(qū)域保護性耕作、科技示范和服務等方面，開展保護性耕作關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和應用，通過查閱文獻及調(diào)研，課題組所設計的耕整播一體機需要滿足以下農(nóng)藝要求[6-8]：

1）配合禾豆間作復合系統(tǒng)，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(nóng)藝要求所需的作業(yè)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(yè)后能快速完成鎮(zhèn)壓作業(yè)，提供上虛下實的種床環(huán)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(yè)要求

根據(jù)土默特右旗天惠農(nóng)民專業(yè)合作社4.8萬畝大豆玉米帶狀復合種植耕地的技術(shù)要求及生產(chǎn)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(zhì)量高的碎土整平能力，在不破壞原有保護性耕層土壤結(jié)構(gòu)的同時，能夠提供優(yōu)質(zhì)的種床條件與營養(yǎng)環(huán)境，實現(xiàn)多機具高效復合式作業(yè)，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(tǒng)工作模式，一次作業(yè)實現(xiàn)深松、碎土整平、溝播分層施肥、開溝播種等功能。

3）能夠?qū)崿F(xiàn)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(huán)境，提高田間出苗率。

4）通過優(yōu)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(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，在保證作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效率的情況下減少功耗損失、人力投入，操作方便可調(diào)，工作可靠性與穩(wěn)定性高。

2 耕整播一體機結(jié)構(gòu)設計與工作原理

2.1 耕整播一體機整機設計方案

緊密結(jié)合農(nóng)藝要求確定整機的作業(yè)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(yè)技術(shù)參數(shù)，根據(jù)選定參數(shù)進行一體機整體結(jié)構(gòu)及傳動方式的設計，保護性少耕作業(yè)耕整播一體機結(jié)構(gòu)設計思路圖如圖1所示。通過三維制圖軟件對深松鏟等關(guān)鍵工作部件進行參數(shù)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(guān)鍵部件的優(yōu)化設計，探究其對拋土及碎土性能的影響規(guī)律；根據(jù)JB/T 8401.1—2017《旋耕聯(lián)合作業(yè)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(xiàn)場測試與驗證，實施整機田間作業(yè)測試及作業(yè)質(zhì)量評定。

圖1 保護性少耕作業(yè)耕整播一體機結(jié)構(gòu)設計思路圖

2.2 一體機主要尺寸和技術(shù)參數(shù)確定

本研究以土默特右旗天惠農(nóng)民專業(yè)合作社耕地為試點，開展內(nèi)蒙古沿黃區(qū)保護性少耕作業(yè)技術(shù)的研發(fā)與示范，結(jié)合當?shù)剞r(nóng)藝模式及合作社生產(chǎn)要求，確定一體機主要尺寸和作業(yè)技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 耕整播一體機作業(yè)技術(shù)參數(shù)

2.3 一體機整機結(jié)構(gòu)與工作原理

課題組設計的耕整播一體機結(jié)構(gòu)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(qū)動電機和調(diào)肥機構(gòu)、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(zhèn)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(jié)處獲得工作動力，側(cè)輸出端連接驅(qū)動旋耕部分作業(yè)，后輸出軸通過聯(lián)軸器驅(qū)動風機，播種機利用風機產(chǎn)生負壓將種子吸附在排種盤上。

圖2 耕整播一體機結(jié)構(gòu)圖

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

3 耕整播一體機作業(yè)功率與配套動力

由耕整播一體機結(jié)構(gòu)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(yè)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(zhèn)壓整平以及禾豆間作鎮(zhèn)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(yè)，功率消耗計算公式為[12-13]：

式中，F(xiàn)T——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(shù)量；q0——深松比阻（kN/m2），一般取中等值46 kN/m2；A——松土區(qū)面積（m2），結(jié)合實際深松深度取0.164 m2。

根據(jù)一體機技術(shù)規(guī)格，作業(yè)速度為6 km/h，設計取Vm=1.67 m/s，深松鏟數(shù)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(shù)以及土壤環(huán)境，由《農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)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(yè)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(yè)受力面積，從而增加作業(yè)阻力，提高作業(yè)功耗損失；在其他工作參數(shù)不變情況下，功率損耗隨刀輥轉(zhuǎn)速增加而呈線性增加趨勢。目前，單項旋耕作業(yè)的功耗可根據(jù)旋耕比阻法[13]計算，公式如下：

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

由表1作業(yè)要求及聯(lián)合整地機技術(shù)規(guī)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(jīng)驗公式計算播種機的功率損耗如下[14]：

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

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(jù)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(zhì)量（kg），g=9.8 m/s2；f——滾動阻力系數(shù)，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(lián)合作業(yè)，深松鏟松土使旋耕阻力明顯降低，旋耕刀輥正轉(zhuǎn)產(chǎn)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(yè)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(jié)果可確定耕整播一體機所需的發(fā)動機功率為：

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

結(jié)合以上分析與計算，得出耕整播一體機所需發(fā)動機的功率為95.93 kW，根據(jù)當前內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗農(nóng)戶及合作社拖拉機的持有情況，并充分考慮到田間作業(yè)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(yè)參數(shù)如表2所示。

表2 6E-1404 型號拖拉機主要作業(yè)參數(shù)

4 結(jié)論

本研究針對內(nèi)蒙古沿黃地區(qū)保護性耕作技術(shù)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(xiàn)狀，通過圍繞智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，緊密結(jié)合農(nóng)機農(nóng)藝，研發(fā)保護性少耕作業(yè)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(nèi)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(nóng)藝模式要求及工作參數(shù)設計要求。

2）以實現(xiàn)田間作業(yè)為目標，提出了耕整播一體機的整體結(jié)構(gòu)設計方案，初步確定一體機作業(yè)技術(shù)參數(shù)并闡明其結(jié)構(gòu)與工作原理。

3）對一體機作業(yè)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(jù)所需工作功率及農(nóng)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(jié)合作業(yè)參數(shù)可知，選擇的拖拉機能夠滿足一體機的工作需要。