垄间套播冬小麦免耕播种机设计与试验

曹秀振，赵淑红，刘宏俊，杨悦乾，周　勇

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



垄间套播冬小麦免耕播种机设计与试验

曹秀振，赵淑红，刘宏俊，杨悦乾，周勇

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：为满足高寒地区冬小麦生长的越冬要求，针对在低矮作物(如大豆等)未成熟时垄间套播冬小麦种植模式的农艺要求，设计了垄间套播冬小麦机械式排种免耕播种机。为了保证冬小麦开沟器不在垄台上伤害农作物，设计了双向平行四杆仿形机构，能同时完成上下、左右仿形。田间试验结果表明：平均播种深度为45.9mm，合格率为86.7%；平均施肥深度为76.45mm；冬小麦出苗速率SE为4.88(株/天)/m，在次年返青期冬小麦的返青率为85.3%，能够满足垄间(垄沟两侧)套播冬小麦的播种要求。

关键词：垄间套播；冬小麦；机械式；免耕播种；双向仿形

0引言

黑龙江省地处高纬度，冬季严寒持续期长，最低温度可达到-30℃[1]。“东农冬麦1号”的培育打破了我国高寒地区不能种植冬小麦的历史，改写了黑龙江省传统的一年一熟的种植制度,将冬小麦的种植范围扩大到了北纬47°[2-3]。近几年，推广的沟播种植较平播出苗返青率高，降雪覆于垄体内，起到提高地温和保墒作用，可提高寒地冬麦的安全越冬性[4-9]。

在耕作形式以垄作为主的高寒地区，冬小麦须在结冻前生长出5～6片叶子,3～4个分蘖,才能保证冬小麦顺利过冬[9-10]。所以，播种要求在8月底至9月初进行,而此时前茬作物还没有成熟,须在有前茬作物的垄间套播，即在垄沟两侧播种冬小麦，在垄沟内进行施肥[11]。

该种植模式还没有相应配套的农机具，因此针对低矮作物(如大豆等)未成熟时垄间套播冬小麦种植模式的农艺要求，设计了一种具有单体上下、左右仿形功能、冬小麦开沟器上不到垄台的垄间套播冬小麦机械式排种免耕播种机。

1垄间套播种植模式

垄间套播冬小麦的种植模式将冬小麦播种在垄沟两侧，在垄沟内进行施肥，垄台上保留原有作物，免耕1年，对耕地起到保护作用，如图1所示。

1.种床　2.未收获的低矮作物　3.肥床　4.拖拉机行走轮

2整机结构及工作原理

2.1整机结构与技术参数

垄间套播冬小麦免耕播种机主要由机架、双向仿形机构、地轮、分草施肥部件、播种开沟器、种肥箱和镇压轮等组成(见图2)，主要技术参数如表1所示。播种机跨两垄作业，机具横梁上有3组播种单体，每组播种单体在垄沟施肥，垄沟两侧播两行冬小麦，侧向施肥。

2.2工作原理

为实现种、肥分施, 该播种机采用分草施肥部件和锐角播种开沟器组合。采用分草施肥部件主要起到对垄间散落的秸秆及杂草清理的作用。播种开沟器采用弧形开沟器,其入土效果好、动土量少、开沟深度稳定性好、不揽动土层,可满足保护性耕作的要求。

该播种机与拖拉机配套使用,釆用三点悬挂式。作业时，在拖拉机牵引和机器自重的作用下,地轮通过链条带动传动链轮驱动机械式排种、排肥装置。地轮同时起到仿形地轮的作用, 当地面高低起伏时,平行四杆上下仿形机构起作用；当垄形有弯曲状时,平行四杆左右仿形机构起作用。随后，开沟器划开土壤，种子和肥料通过导种、导肥管落入开沟器所开的沟内，通过覆土器、镇压轮进行覆土、镇压，完成播种全过程。

1.主梁　2.双向仿形机构　3.传动链轮　4.种肥箱

参数单位数值整机质量kg200外形尺寸(长×宽×高)mm1400×1500×1300配套动力kW17～30作业行数行6适应垄距cm65～75播种行距cm25～30施肥深度cm7～8播种深度cm4～5作业速度km/h4排种器形式外槽轮式排肥器形式外槽轮式

3主要工作部件的设计

3.1双向平行四杆仿形机构

控制好播种机开沟深度和确保在垄沟两侧播种冬小麦是播种机单体的关键，所以仿形机构是播种机的关键部件之一[12]。双向平行四杆仿形机构如图3所示。

1.机架　2.上下仿形杆　3.仿形架　4.左右仿形杆　5.主梁连接板

3.1.1左右仿形角的确定

播种单体左右仿形有助于播种机根据垄形变化在垄沟两侧播种冬小麦，可以确保开沟器不能上到垄台上伤害作物。左右仿形四连杆的主要参数如图4所示。

图4　左右平行四连杆结构示意图

从图3可知：左右仿形量与左右仿形杆长度的关系为

x=L1sinα′

(1)

式中α′—左右仿形角 (°)；

L1—左右仿形杆的长度(mm)；

x—左右总仿形量(mm)。

为确保播种单体工作稳定，左右仿形量按照仿形量大小为50～70mm即x=50～70mm进行设计，采用不限制仿形角度的工作方式，初始工作角为0。取左右仿形杆长度L1=220mm，则左右仿形角为

(2)

取左右仿形杆长L1为220mm，横向宽a为200mm。

3.1.2上下仿形角的确定

播种单体上下仿形有助于播种机控制好开沟深度。上下仿形四连杆的主要参数如图5所示。

图5　上下平行四连杆结构示意图

由图5可知：上下总仿形量与上下仿形杆长度的关系为

y=L2sinα

(3)

式中α—上下仿形角 (°)；

L2—上下仿形拉杆的长度(mm)；

y—上下总仿形量(mm)。

由式(3)可知：上下仿形量一定时，上下仿形拉杆与仿形角成反比，上下仿形拉杆越长，仿形角越小，表明仿形角α变化范围越小；上下仿形拉杆越短，仿形角越大，表明仿形角α变化范围越大。但是，上下仿形拉杆越长，仿形结构变长，使机具重心后移，导致悬挂式播种机机组的纵向稳定性变差[13-14]。

由于冬小麦在秋天播种，田间土壤硬度较大，为了能够满足开沟器开沟深度，播种机仿形量为50～70mm，即y=100～140mm。取上下仿形拉杆L=350mm，则上、下仿形角为

(4)

3.2锐角播种开沟器

开沟器主要由入土开沟部分和铲柄组成，如图6所示。入土开沟部分设计成锐角圆弧式，其结构简单、起土方便、主要参数有入土角α、入土隙角β及曲率半径R。这种开沟部分的结构设计锐角部分能够保证铲子顺利入土，圆弧部分可以降低土壤对铲子的行进阻力。

在参数选择时，入土角过大不易于入土，过小强度不够，一般在25°～55°范围内，取α=36°；入土隙角过大土壤提前回落，影响播深，过小入土能力差，一般在5°～10°范围内，取β=5°；曲率半径过小行进阻力增加，过大铲子结构过长，强度降低，取R=100mm。铲柄采用30mm×50mm中空方管，中空方管可兼做导种通道，连接处采用套管形式与单体机架联接，结构简单、实用。

1.入土开沟部分　2.铲柄

3.3分草施肥部件

由于垄间套播时，垄沟内会有杂草生长，在播种作业时缠绕在播种开沟器上，造成两个开沟器之间推拖。因此，设计一种分草施肥部件，它能够将垄沟内的杂草分到垄台上，同时在垄沟内开沟施肥，实现冬小麦的种、肥分施。分草施肥部件由除草铲、分草板、施肥管等组成，如图7所示。

1.除草铲铲尖　2.分草板　3.除草铲铲柄　4.施肥管

4田间试验

4.1试验条件

垄间套播冬小麦免耕播种机田间试验于2014年9月23日在东北农业大学试验田进行。试验地的前茬作物是未成熟的大豆作物，平均垄距为650mm，土壤含水率为16.08%(0～5cm)、16.52%(5～10cm)；垄台土壤坚实度为0.44MPa(5cm)、0.87MPa(10cm)、1.41MPa(15cm)，垄沟土壤坚实度为0.78MPa(5cm)、1.41MPa(5cm)、2.26MPa(5cm)；作业速度为4km/h。试验所用冬小麦品种为东农冬麦1号，种子千粒质量平均为35.3g。

4.2试验方法

根据国家标准GB/T 20865-2007的检测项目和检测方法进行试验,本次田间试验的测试内容主要包括播种深度、施肥深度、出苗情况、麦苗干重及冬小麦返青率等。

4.2.1播种深度合格率的测定

播种深度合格率是指覆土深度在30～60 mm范围内的点占总测定点的百分数。垄距700 mm，随机选取6行，每行在10m内随机选取5点，人工扒土进行播种深度的测量。播种深度在30～60 mm范围内为合格，计算公式为

(5)

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)。

4.2.2施肥深度的测定

随机选取4行，每行随机选取5个点，人工扒土，测量垄沟底面与肥料之间的垂直距离。

4.2.3种子出苗速率的测定

在田间随机选取4个测区并做标记，每个测区选取6行，每行长度为0.6m，共24行。从首次出苗日期开始，第1、3、7、13、21天进行查苗直到出苗数不变为止，并记录出苗数。出苗速率计算公式为[15]

(6)

式中SE—种子出苗速率[(株·d-1)/m]；

Ni—出苗数(株)；

di—查苗间隔天数(d)；

L—被查行长度(m)。

4.2.4麦苗干重的测定

在出苗稳定后，随机选取5行，每行随机选取5株苗，测其分叶数，放入已称重烘干后的信封中并称总重；将信封放入干燥箱内在80C。温度下烘干48h，并称烘干后的总重，测得麦苗干重，公式为

G=G1-G2

(7)

式中G—麦苗干重(g)；

G1—烘干后装有麦苗的信封的质量(g)；

G2—烘干后信封的质量(g)。

4.2.5冬小麦返青率的测定

越冬期过后，在冬小麦处于次年返青期时，测其返青率。在冬小麦返青期时，对测定出苗速率时标记的4个测区，进行查苗，并记录返青数。返青率的计算公式为

(8)

式中R—冬小麦返青率(%)；

Ni—出苗数(株);

Nj—返青数(株)。

4.3试验结果与分析

免耕播种后，测试结果表明：播种机播种深度平均值为45.9mm，合格率为86.7%；肥料平均覆土深度为76.5mm，合格率为91.2%(见表2)；能够满足试验地区播种深度在40～60mm，侧向施肥深度在70～90mm左右的农艺要求。试验地区每0.6m出苗数平均值为40株，出苗速率平均值为每米每天4.88株，冬小麦次年返青率平均值为85.3%，如表3所示。试验结果表明：播种机各项指标符合国家相关标准的要求，能够适应高寒地区冬小麦的种植要求。

表2　播种和施肥深度测定结果

表3　出苗情况和返青率测定结果

5结论

1)为满足高寒地区冬小麦生长的越冬要求，提出了在低矮作物未成熟时垄间(垄沟两侧)套播冬小麦的播种方式。研制了垄间套播冬小麦免耕播种机，可在垄间一次完成施肥、播种、镇压及覆土作业。田间试验表明：该机能够满足垄间(垄沟两侧)套播冬小麦的播种要求。

2)为了解决播种开沟器播种时既不能上垄台，又不能在垄沟内的问题，设计了双向平行四杆仿形机构，可同时实现上下、左右仿形功能。根据上下、左右仿形量等要求确定了仿形机构的主要参数：上下仿形拉杆长度为350mm，左右仿形拉杆为220mm，仿形机构横向宽度为200mm。

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Design and Experiment of Winter-wheat No-tillage Seeder for Inter-planting

Cao Xiuzhen， Zhao Shuhong，Liu Hongjun， Yang Yueqian，Zhou Yong

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Winter wheat no-tillage seeder for inter-planting was designed to meet the agro-technical requirements of ridge (both sides in the furrow) inter-planting winter wheat cultivation technique when the low crop is still not mature, which can perform inter-ridge operations including fertilizing, seeding, covering and rolling at a time. As the previous crop is still growing, winter wheat is sowed at both sides in the furrow. In order to protect the growing crops on the ridge, bidirectional parallelogram linkage profiling mechanism was designed, which can simultaneously achieve upper and lower, left and right profiling functions. Field test results show that: the average value of seeding depth is 45.9 mm and the passing rate is 86.7 %; the average value of fertilizer depth is 76.45 mm and the passing rate of 80%; the average value of emergence rate SE of winter wheat is 4.88 daily in one meter; the average value of seedling emergence is 65.92 in one meter and the average over-wintering rate is 85.3%.

Key words：inter-planting； winter wheat； no-tillage seeder； bidirectional profiling

文章编号：1003-188X(2016)07-0157-05

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：曹秀振(1992-)，男，河南濮阳人，硕士研究生，(E-mail)1050609312@qq.com。通讯作者：赵淑红(1969-)，女，哈尔滨人，教授，博士生导师，(E-mail)shhzh091@sina.com。

基金项目：东北农业大学科研启动基金项目(2010RCB45)；国家自然科学基金项目(51275086)

收稿日期：2015-08-25