玉米垄作深施肥免耕播种机关键部件设计与试验

赵淑红，周勇，刘宏俊，杨悦乾，曹秀振

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

玉米垄作深施肥免耕播种机关键部件设计与试验

赵淑红，周勇，刘宏俊，杨悦乾，曹秀振

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对免耕播种条件下，播种机易于拖堆、堵塞，难以保证播种均匀性和深施肥，设计玉米垄作深施肥免耕播种机。该机利用切割圆盘刀对土壤及秸秆切割开沟，锐角入土施肥铲利用该沟开沟施肥，双圆盘开沟器利用施肥铲开出沟带，再次开沟，可有效增加开沟器入土能力且减小开沟阻力。田间试验结果表明，在秸秆全量还田地和垄体深松免耕地作业速度为4 km·h-1，播种过程中无堵塞，通过性好；播种深度合格率均达到86.8%以上，变异系数小于7.5%，种肥间距合格率均大于91.3%，变异系数均小于23.8%，播种均匀性变异系数小于8.8%，秸秆全量还田地与垄体深松免耕地晾种情况分别为0.34、0粒·m-1，平均出苗速率为0.49、0.58棵·d-1·m-1。

玉米；免耕播种机；圆盘刀；锐角施肥铲

东北地区的玉米垄作与保护性耕作相结合方式，具有防止水土流失、增加土壤肥力、减少水分蒸发、提高雨水利用率和保持土壤温度等优点[1-2]。但地表秸秆和残茬使播种机易于拖堆、堵塞，需人工排堵，影响作业效率和播种质量；秸秆、残茬影响施肥铲入土能力，难以实现深施肥。

免耕播种机是保护性耕作机具。由于免耕地地表坚硬，玉米秸秆覆盖量大，要求免耕播种机具有较好开沟和防堵性能。近年来，学者针对免耕播种机切断根茬[3-4]、防堵[5-6]和开沟[7-8]功能开展大量研究。玉米垄作免耕播种机防堵性能提高后，土壤扰动大，难以实现种下深施肥和保证播种均匀性。因此本文针对东北玉米垄作免耕播种机存在机具堵塞、播种均匀性差及难以实现深施肥等问题，设计一种利用锐角施肥铲保证入土深度、避免播种时二次开新沟的种下深施肥免耕播种机，为玉米免耕播种机设计提供参考。

1 整机设计

1.1 整机结构

玉米垄作深施肥免耕播种机整机结构如图1所示。

图1 玉米垄作深施肥免耕播种机结构Fig.1Schematic diagram of ridge-till and deep fertilization no-till corn seeder

主要由主梁、单体梁、切割圆盘刀、锐角施肥铲、播种开沟圆盘、覆土圆盘、镇压轮、地轮、种箱、肥箱等组成。单体梁采用独立单体式，每个单体梁与主梁利用U型卡子连接，可方便调节单体梁间距。每个单体可独立随地仿形。主梁采用拖拉机三点悬挂结构。整机作业时可一次完成土壤及秸秆切割、种下深施肥、播种、覆土、镇压工序，主要技术参数如表1所示。

表1 整机主要技术参数Table 1Main technical parameters of the whole machine

1.2 工作原理

在机器作业时，首先利用切割圆盘刀将土壤和秸秆切开，锐角施肥铲沿切割圆盘刀切出沟带入土，随后双圆盘开沟器将施肥铲开出沟带内回土拨开播种，在减少开沟阻力同时保证种下施肥，最后通过覆土圆盘及镇压轮覆土镇压，压力通过弹簧调节，实现保土保墒，为种子萌芽提供良好条件。

2 关键部件设计

2.1 切割圆盘刀

切割圆盘刀由圆盘刀、刀架、限位装置组成，结构如图2所示。

为减少切割阻力，避免工作过程中受力过大引起刀架变形、折断、圆盘刀侧向移动等问题，切割圆盘刀架在设计上采用单自由度机构，可在一定范围内左右摆动。

图2 切割圆盘刀结构Fig.2Structure of cutting disc

圆盘刀采用入土性能和切断秸秆残茬性能较好的平面圆盘刀[9]。平面圆盘刀以钝角入土，防堵性能好，秸秆不易缠绕。圆盘刀安装角与前进方向一致，有利于减小阻力和提高秸秆切断率。圆盘刀直径是影响破茬能力重要因素，切割秸秆受力情况如图3所示。

图3 玉米秸秆受力Fig.3Schematic diagram of forces acting on stalk

秸秆在竖直方向上平衡条件[10]为：

式中，f2-圆盘刀对秸秆摩擦力（N）；N1-地面对秸秆支撑力（N）；N2-圆盘刀对秸秆正压力（N）；θ-圆盘刀对秸秆压力角（°）。

秸秆在水平方向上平衡条件为：

切割圆盘刀工作时，秸秆被切断、弯折、压入土壤或推开：

①秸秆切断条件是：

②秸秆弯折或压入土壤条件是：

③秸秆推开条件是：

秸秆被推开导致播种机易堵塞、拖堆，因此本文分析秸秆被圆盘刀切断、弯折或压入土壤而不被推开的临界条件为：

式中，f1为地面对秸秆摩擦力，N。

式中，φ1-地面与秸秆摩擦角（°）；φ2-圆盘刀与秸秆摩擦角（°）。

由式（1）、式（6）、式（4）整理得出：

由三角函数关系得：

式中，D-圆盘刀直径（mm）；d-秸秆直径（mm）；h-入土深度（mm）。

由式（8）、式（9）整理得：

经实地测量玉米秸秆直径平均为10～25 mm，选取d=25 mm，由式（9）可知，当d为常数，D越大，θ越小；h越大，θ越大。为保证圆盘刀完全破茬，h不宜太小，取h=90 mm。根据文献[11-12]，取φ1=30°、φ2=33°。由式（10）计算得D≥394 mm，综合考虑圆盘刀切割秸秆能力和机器整体结构要求，选取切割圆盘刀直径为400 mm。

2.2 锐角施肥铲

入土角α及入土隙角β是影响开沟器入土性能主要指标，开沟阻力随入土角增大而增加[13]，为保证良好入土性能，入土角应尽量小，但角度过小时，开沟器刚度过低，加工困难。本文设计施肥铲采用锐角式，前端为固定入土角，后端为圆弧曲线结构，圆弧段入土角范围均在前端固定入土角以下，此结构（如图4所示）能保证铲尖前部刚度，同时降低开沟阻力。为最大限度降低圆弧部分平均入土角，设计圆弧段与固定入土角段衔接处起始入土角为零，铲尖最上部与前端固定入土

角度相同α=40°。入土隙角小有助于施肥铲入土，但过小会引起土壤提前回落，影响施肥深度，一般取β为5～10°为宜，因本施肥铲宽度小，取入土隙角为β=5°。因施肥铲与土壤接触位置高度为入土深度，铲尖高度大于入土深度会造成浪费，小于入土深度会降低性能，因此铲尖总高度选择施肥深度90 mm。为得到圆弧段轨迹方程，建立直角坐标系，以圆弧开始端为原点，如图5所示。

图4 锐角施肥铲结构参数Fig.4Structure parameter of acute fertilizer

图5 锐角施肥铲铲尖结构Fig.5Schematic of acute fertilization shovel tip

由图5可知，因圆心位置在坐标原点O正上方，因此可假设圆弧段所在圆轨迹方程为：

式中，R-圆半径（mm）

取∠α1=∠α2=2∠AOB=40°

可得∠AOB=20°

因为坐标原点距离铲尖最底部距离为20 mm，所以AB=90-20=70 mm，代入式（12）中可得OB= 192.3 mm，为加工方便，取整数OB=192 mm。因此A点坐标为（192，70），将A点坐标代入式（11）

解得R=298.3 mm。

2.3 双圆盘开沟器

免耕播种机开沟器要求开沟阻力小，对土壤扰动小，具备防堵性能，因此选用双圆盘播种开沟器，采用种下深施肥。为保证双圆盘开沟器利用施肥铲开出沟带，要求双圆盘开沟器开沟宽度小于施肥铲开沟宽度，因此需对双圆盘之间夹角β以及圆盘直径D进行设计。

如图6所示，双圆盘之间夹角β是影响开沟性能重要参数，夹角越小，开沟宽度越小，开沟阻力越小，但过小会影响导种管配置，一般双圆盘夹角β取12～16°[14]。双圆盘聚点m与垂直于地面之间夹角α也是影响开沟宽度及播种深度重要参数，α越大，开沟器向外推土阻力越大，影响切割能力，在秸秆还田免耕地，要求开沟器有较强切割残茬、秸秆等能力，因此设定α=0°。

图6 双圆盘开沟器开沟原理Fig.6Structure of double-disc opener

开沟宽度B为：

将公式（14）代入公式（13）中可得

式中，B-开沟宽度（mm）；D-圆盘直径（mm）；β-双圆盘之间夹角。

根据施肥铲采用铲柄为30 mm×50 mm方管，可得出施肥铲开出沟宽为30 mm，根据公式（15）得，

整理得圆盘半径为

根据玉米播种深度30～50 mm要求，据点m与圆盘最低点D竖直距离A应大于播种深度，因此，

一般情况下，β取14°，代入式（17）、（19）可得100＜D≤338。

根据结构配置需要，选择D为220 mm，代入公式（15）可得开沟宽度B=19.5 mm，满足播种要求。

3 试验验证

3.1 试验条件

在东北农业大学香坊实验实习基地进行田间试验，试验地分为秸秆全量还田地和垄体深松免耕地，秸秆全量还田地土壤含水率为21.8%，土壤容重为1.6 g·cm-3，垄台土壤坚实度为728.3 kPa，垄沟土壤坚实度879.3 kPa，秸秆覆盖率为100%；垄体深松免耕地土壤含水率为20.4%，土壤容重为1.3 g·cm-3，垄台土壤坚实度为187 kPa，垄沟土壤坚实度为758 kPa，秸秆覆盖率为46.06%。

3.2 试验方法

根据农业部农机试验鉴定总站制定的玉米免耕播种机播种质量检测指标，对播种机播种均匀性、种肥深度及间距、机器通过性等进行试验测定并检验。

3.2.1 播种深度合格率

随机选取6行，每行在50 m内随机选取10点，人工扒土测量播种深度。播种深度在30～60 mm范围内为合格，计算公式为：

式中，α-播种深度合格率（%）；h1-播种深度合格点数（粒）；h0-测定总点数（粒）。

3.2.2 播种均匀性

随机取3个测区，每区选取2行，每3 m为一段，每行连续等分3段，测定每段种子粒数。

式中，S-标准差（粒）；V-变异系数（%）；X-各段内种子粒数（粒）

3.2.3 种肥间距合格率

随机选取6行，每行测试长度为50 m，在段内随机取10个测点，测定种子、化肥至地表距离，种肥间距80～120 mm为合格。

式中，η-种肥间距合格率（%）；E1-种肥间距合格点数（粒）；E0-测定总点数（粒）。

3.2.4 播种作业通过性测定

按设计播种速度4～5 km·h-1作业，测区长度60 m，往返作业一个行程，观察机具在作业过程中是否连续正常作业，残茬对机具堵塞程度是否影响播种质量。

3.2.5 晾籽情况

晾籽指播种后种子裸露在地表或播在秸秆上。测试采用观测法，轻拨秸秆观测秸秆下种子数量，随机取5行，每行取10 m，计算平均晾种数量。

3.2.6 种子出苗速率测定

在田间随机选取5个测区，每个测区选取2行，每行长度为3 m，共10行。从播种日期开始，播种后第20、22、24、27 d分别查苗，并记录出苗数。出苗速率计算公式[15]为：

式中，SE-种子出苗速率（棵·d-1·m-1）；Ni-出苗数（棵）；di-间隔查苗天数（d）；L-被查行长度（m）。

3.3 结果与分析

试验结果如表2所示，秸秆全量还田地播种深度、种肥间距合格率和播种均匀性均低于垄体深松免耕地，原因是垄体深松免耕地种沟带附近土壤易形成整齐沟形，避免土块干扰，落种准确；锐角施肥铲开沟窄，垄体深松免耕地疏松土壤容易提前回落，影响施肥深度。

表2 秸秆全量还田地及垄体深松免耕地试验结果Table 2Testing results for whole quantity of straw return field plot and ridge subsoiling no-tillage plot

秸秆全量还田地平均晾种情况为0.34粒·m-1，垄体深松免耕地无晾种情况。原因是垄体深松免耕地在前一年秋天深松灭茬处理使播种带区域土质较秸秆全量还田地松软，易回土，播种带区域秸秆覆盖率相对减少，降低秸秆对覆土影响；而秸秆全量还田地土质较硬，开出沟附近出现土块，不易回土，同时秸秆容易架起覆土圆盘和镇压轮，导致覆土圆盘和镇压轮无法接近土壤。秸秆全量还田地出苗速率低于垄体深松免耕地，说明秸秆覆盖量对出苗速率有影响。机器在秸秆全量还田地及垄体深松免耕地田间作业时通过率为100%，均无发生堵塞现象，切割圆盘刀能顺利切断播种带秸秆，防止锐角施肥铲等部件堵塞秸秆，整机防堵性能良好。秸秆全量还田地和垄体深松免耕地平均种肥间距均达92.3 mm以上，实现深施肥。

4 结论

a.整机达到一次作业完成切土断秸、种下深施肥、播种、覆土及镇压工序，整机配置能有效降低开沟阻力，防止秸秆堵塞，实现深施肥。

b.秸秆全量还田地和垄体深松免耕地播种深度合格率均达86.8%以上，变异系数小于19.3%，种肥距离合格率均大于91.3%，变异系数均小于23.8%，播种均匀性变异系数均小于8.8%，表明平面圆盘开沟器和锐角施肥铲入土性能优越，开沟性能稳定；晾种情况为0.34、0粒·m-1，种子出苗速率为0.49、0.58棵·d-1·m-1，通过性均为100%，整机工作性能符合农艺要求，达到预期效果。

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Design and experiment on ridge-till and deep fertilization no-till corn seeder

ZHAO Shuhong,ZHOU Yong,LIU Hongjun,YANG Yueqian,CAO Xiuzhen
(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Aiming at seeder was difficult to solve the matter of keep the consistency of seed and get deep fertilization,easy to drag and heap,as well as plug.No-till corn seeder was designed.To reduce subsequent furrowing resistance and straw blockage.In seeding operation,after cutting disc cut soil and straw,Acute fertilization shovel ditched furrow fertilization in the furrow of cutting disc which could reduce trenching resistance.After soil dropped in the furrow,the double disc opener furrowed seeding again so as to realize keep fertilizing death.Finally covering disc and press wheel made the soil repression.The results of the fields tests showed that no matter under the whole quantity of straw return field plot or ridge subsoiling no-till plot,there was no blockage in the seeding process at 4 km·h-1speed,It was strong in ditching buried performance and the amount back to soil was good.The qualification rate of sowing depth was more than 86.8%with the coefficient of variation was less than 19.3%.Seed fertilizer distance qualification rate was greater than 91.3%,the coefficient of variation was less than 23.8%.The sunning seed count were 0 and 0.34 grain·m-1,speed of crop emergence were 0.49 and 0.58 plants·d-1·m-1,and the passing efficiency was 100%.

corn;no-till seeder;disc opener;acute fertilizer

S223.2+6

A

1005-9369（2015）11-0102-07

时间2015-11-26 8:24:39 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151126.0824.020.html

2015-04-09

“十二五”农村领域国家科技计划项目（2012BAD14B06）

赵淑红（1969-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为田间农业机械及力学特性。E-mail:shhzh091@sina.com

赵淑红,周勇,刘宏俊,等.玉米垄作深施肥免耕播种机关键部件设计与试验[J].东北农业大学学报,2015,46(11):102-108.

Zhao Shuhong,Zhou Yong,Liu Hongjun,et al.Design and experiment on ridge-till and deep fertilization no-till corn seeder [J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(11):102-108.(in Chinese with English abstract)