深松少耕棉花施肥覆膜播种机的设计与试验

刘立辉，杨然兵，尚书旗，连政国，崔功佩，杨红光，许鹏晓



深松少耕棉花施肥覆膜播种机的设计与试验

刘立辉，杨然兵，尚书旗，连政国，崔功佩，杨红光，许鹏晓

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109；2.山东省农业机械技术推广站，济南 250013；3.山东德农农业机械制造有限责任公司，山东 德州 253400)

针对山东棉花产区的抗旱播种和免耕播种的种植条件，研制了采用≥66.2kW拖拉机提供动力的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机。该播种机采用深耕单轴旋耕犁、可控施肥装置、株距可调式仿形播种装置和一体化覆膜装置，可一次性完成耕整地、灭茬、定量施肥、平整地、精密播种、覆膜和膜上覆土等田间作业。在山东省利津农机专业合作社进行田间试验，结果表明：该播种机作业稳定性高，漏播率1.875%，重播率3.45%，株距合格率94.68%，播深合格率89.5%，作业效率0.53～0.8hm2/h，各项技术指标满足铺膜播种机行业标准的要求。

棉花；播种机；少耕；施肥装置；覆膜装置

0 引言

棉花具有较强的耐盐碱性，被认为是开发利用盐碱地的先锋作物，盐碱地棉花也早已成为中国棉花主要生态类型之一[1]。2014年，山东省棉花种植面积多达5.929×105hm2，棉花总产量6.650×105t，单产1.122×105kg/hm2。[2]但是棉花生产用工量大，种植管理复杂，从种到收有40多道工序。其中，播种环节最为重要，不仅直接影响棉花的产量和质量，而且与田间管理和收获等后续作业有关，直接决定了棉花种植的经济效益。

山东棉花产区主要分布在鲁西北地区，多为盐碱地，土质硬、土块多、播种季干旱少雨、土壤水分流失严重、作物发芽率低及全程机械化水平低是困扰该地区棉花产业发展的难题。近年来，该地区不断引进棉花播种机械，但引进的免耕播种机没有专门的碎土、平土装置，联合作业机具少，导致作业质量不高，覆膜和膜上覆土效果差，达不到预期效果。

针对上述问题，分析了山东棉花产区的种植特点，设计了2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机，可一次性完成耕整地、灭茬、定量施肥、平整地、精密播种、覆膜和膜上覆土等作业，减少了机具进地作业的次数，保护了棉花生长的土壤条件。同时，针对性设计了碎土、平土镇压辊，为后续施肥、播种作业提供很好的种床条件。在山东利津棉花产区进行了田间试验，对相关作业指标做了试验验证。

1 整机结构和工作原理

1.1 技术要求

1)适应山东省棉花产区的种植特点，多项作业一次完成，提高棉花机械化程度。

2)一次性完成耕整地、灭茬、定量施肥、平整地、精密播种、覆膜和膜上覆土等作业。

3)施肥量可控，施肥深度可调，实现肥料效益最大化。

4)播种量可调，保证种植密度。

5)一体化覆膜和膜上覆土，保护土壤温度、水分和养分，提高发芽率。

1.2 整机结构与技术参数

山东棉花产区，土质多为盐碱地，旋耕作业后会有较大土块，土壤间隙较大，导致播种开沟器作业前方容易出现土埂，土壤保温效果差；同时，受作物残茬的影响，造成排种器工作阻力大。为优化播种条件，提高播种质量，设计了带有仿形装置的碎土镇压辊，起到镇压、平土、碎土的作用，优选了带有防缠绕转筒的铲式开沟器，避免了受作物残茬缠绕引起的排种器工作阻力大的问题。

设计的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机主要由机架、悬挂引架、万向挂接机构、深耕单轴旋耕犁、施肥装置、碎土镇压辊、排种装置、地轮驱动机构、覆膜和膜上覆土装置等部分构成(见图1)。主要技术参数如表1所示。

表1 播种机主要技术参数

1.机架 2.牵引架 3.变速箱 4.旋耕犁 5.施肥开沟器 6.镇压辊 7.播种开沟器 8.驱动轮 9.覆膜和膜上覆土装置

1.3 工作原理

播种机通过悬挂架与拖拉机悬挂装置联接，利用万向节连杆，将拖拉机输出动力传动到变速箱，为深耕单轴旋耕犁提供动力。镇压辊安置在耕单轴旋耕犁后，通过铰接曲杆和高压力弹簧进行仿形，保证碎土和平土作业质量。作业时，通过地轮带动传动链轮，驱动可调式螺旋施肥器及带变速箱的转勺分离内侧攮种精量排种器，肥料通过导肥管进入施肥开沟器作业的沟槽中；种子通过排种口进入排钟开沟器作业的种沟内，通过镇压轮进行播种镇压。机器被牵引作业，压膜轮将薄膜压在铺膜开沟铲作业的铺膜沟内，覆土圆盘完成压膜作业，同时将土送到覆土滚筒内，滚筒壁的螺旋片完成膜上覆土作业。整机结构紧凑，传动简单，作业流畅，提高了棉花播种作业的效率和质量。

2 播种机关键装置的设计

2.1 仿形镇压辊装置的设计

通过实地考察和参阅相关文献，山东棉花产区以滨州地区为例，土地不平、土壤硬度较大、盐碱地易在高处积盐形成盐斑[3]，因而耕作后平整土地对盐碱地区植棉极为重要。本文在旋耕、施肥作业后设计了有仿形装置的镇压辊(见图2)，选用的材质为聚酰胺，具有良好的综合性能，包括力学性能、耐磨损性和自润滑性，且摩擦因数低，易于加工。

1.镇压辊 2.仿形装置

镇压辊由多个独立的镇压轮安装在镇压轮轴上，其结构简图如图3所示。设计的镇压轮为双凹曲面轮，相邻两镇压轮之间形成一个弧形凹面，两凹面交界处有凸峰，减少碎土阻力；碎土后，土壤沿着双凹面像两侧移动，凸峰和曲面最低点的纵向距离为20mm，两凸峰之间的横向距离为100mm，避免了局部土壤压实，提高了碎土后土地的平整度；安装时镇压辊最低点高于旋耕刀纵向最低点100mm；该镇压辊带，通过控制压力弹簧调整镇压辊的镇压强度，使镇压辊作业过程中同步完成土壤的平、碎、镇压，实现棉花种床的整理，改善棉花播种的土壤条件，提高播种作业质量，增加出芽率。

1.镇压轮 2.轮轴 3.镇压辊 4.凹曲面 5.凸峰

2.1.2 仿形装置的结构设计

镇压仿形装置通过槽口护板固定在机架上，槽口护板和镇压轮支板铰接，镇压轮支板上螺栓连接有高压力弹簧的浮动支杆。机器工作时，通过镇压辊的自重和压力弹簧张力的作用完成碎土，且控制镇压辊不被轻易拖起；同时，由于压力弹簧的可压缩性，作业遇到较大土埂或土块时，镇压辊可以向上浮动，实现仿形作业，既避免了机具的刚性破损，又提高了作业质量。镇压仿形装置的结构示意图如图4所示。

1.支板 2.铰接孔 3.槽口护板 4.支杆 5.压簧 6.轴承座

2.2 深耕单轴旋耕犁的设计

深耕单轴旋耕犁装置主要由变速箱、旋耕刀轴、旋耕刀片、刀座及刀轴轴承座板等组成，如图5所示。根据棉花种植模式要求，播种深度为20～40mm，种子和肥料的横向间距为60～80mm，纵向间距为50～80mm，既保证施肥效益最大又避免烧种。因此，设计的旋耕刀刀柄长度为180mm，刀头长度为46mm，旋耕作业深度为120mm，转速为188r/min。旋耕机作业功率的消耗包括旋耕转动、刀片切削土壤和残茬、刀片翻动土块和抛掷等过程。其中，切土、翻土和抛土消耗的功率占总消耗功率的80%以上，其它方面的消耗可以忽略不计[4]。作业选用功率大于66.2kW的拖拉机提供动力，动力输出轴标定功率大于53kW，保证旋耕作业和机具播种作业动力需求。

1.动力输入轴 2.变速箱 3.旋耕刀 4.刀轴 5.刀轴轴承座

2.3 播种装置的设计

2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机选用的是转勺分离内侧攮种精量排种装置，由排种器壳体、排种器盖、排种盘、攮种送种盘和变速箱等组成，如图6所示。排种盘上均布有18个按照包衣棉花种子的外形尺寸设计的种勺，排种器壳体上有投种角度调节口，通过调整投种角度保证每个种勺将单粒棉花种子送到攮种送种盘，实现单粒精量播种。通过排种器试验台的多次试验，调整投种角度后，单粒播种率可达93.5%以上。设计的排种器带有变速箱，可实现7级变速，通过调整手柄控制变速挡位，实现棉花播种作业的株距在180～360mm内可调，播量在5 000～10 000株/667hm2内可调，操作简单，大大提高了作业效率。

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1.排种器盖 2.排种器壳体 3.变速箱 4.调节把手 5.链轮

3 田间试验分析

3.1 试验条件

2015年4月下旬，在山东利津县春喜农机专业合作社试验田进行了试播，作业情况如图7所示。试验田均是免耕地，100～150mm玉米留茬，土质为具有代表性的山东盐碱地。试验选用的是73.5kW的拖拉机，选用包衣机播棉1号棉花种子及红四方缓释肥料，试播面积为0.01hm2。

3.2 试验方法

在播种后的试验田进行不同行取样，取样长度900mm，每行取样2段。取样方法：选定取样基点，定在播种作业开始后6m后第1粒种子处，长度上每900mm取样1次，记录相邻种子的间距，一组记录完成，检验株距合格率和漏播率；在种子穴粒处的纵向覆土层每10mm取样1次，记录覆盖层内种子深度，检验播深合格率；对采集的数据进行汇总，按照国家播种机行业标准计算方法计算2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机的作业指标，将结果与行业标准对比，得出结论。

图7 田间试验

3.3 试验结果及数据处理

根据棉花铺膜播种机的相关行业标准《JB/T 7732-2006 铺膜播种机》，播种株距合格率的计算公式为

式中 θ—播种株距的合格率(%)；

L—取样范围内测量的株距样本的总个数(个)；

l—测量结果符合行业标准的总数，0.5t﹤l≤1.5t为合格株距， l≤0.5t为重播，l>1.5t为漏播，t为理论株距(个)。

相关测量结果如表2所示。

表2 株距测量统计表

分析统计结果并计算可知：设计的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机实际田间作业的漏播率为1.875%，优于行业标准要求的漏播率≤2.0%；重播率为3.45%，优于行业标准要求的漏播率≤8.0%;株距合格率为94.68%，优于行业标准要求的株距合格率≥90%。

参照国家行业标准《GB/T 6973-2005 单粒(精密)播种机试验方法》的计算方式，2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机播深合格率计算为

式中 ω—播种株距的合格率(%)；

H—取样范围内测量的株距样本的总个数(个)；

h—测量结果符合行业标准的总数，0.5t﹤h≤1.5t为合格株距， l≤0.5t为重播，l>1.5t为漏播，t为理论播种深度(个)。

相关测量结果如表3所示。

表3 播深测量统计表

分析统计结果并计算可知：设计的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机实际田间作业的播深合格率为89.5%，优于行业标准要求的株距合格率≥85%。

4 结论

1)研制的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机创新性设计了带有仿形装置的镇压辊，镇压辊作业集碎土、平土和镇压为一体，有效解决土质硬及耕作后土壤保温性差的难题，符合山东棉花产区的的土壤种植状况。

2)研制的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机一次性完成耕地、整地、开沟、施肥、播种、镇压、覆膜和膜上覆土等多项田间作业。多项作业同时进行, 可以提高地温, 保持土壤水分, 减少盐分向棉苗根系移动, 有利于一播全苗。同时，简化棉花生产过程，提高棉花生产的自动化程度，节约生产成本，增加棉花产业的经济效益。

3)设计的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机，从种植方式上看，播种行距为760mm，符合现有棉花收获机械的作业要求；从播种装备方面看，实现了棉花播种株距可调，可以确定不同种植区域的最佳株距。

4)田间试验表明：设计的2MBJ-2型深松少耕棉花施肥覆膜播种机，整机结构紧凑，作业稳定可靠，漏播率1.875%，重播率3.45%，株距合格率94.68%，播深合格率89.5%，各项指标均优于现有的棉花铺膜播种机作业的国家行业标准。

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Design and Experiment of 2MBJ-2 Subsoiling Tillage Fertilizer Coated Cotton Planter

Liu Lihui, Yang Ranbing, Shang Shuqi, Lian Zhengguo, Cui Gongpei, Yang Hongguang, Xu Pengxiao

(1.Mechanical and Electrical Engineering College, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2.Agro-machinery Technical Extension Station of Shandong Province, Jinan 250013, China; 3.Shandong Denong Agricultural Machinery Manufacturing Co.Ltd.， Dezhou 253400, China)

For Shandong cotton-producing areas for drought sowing and planting no-till planting conditions, Developed 2MBJ-2 subsoiling tillage fertilizer coated cotton planter, which needed more than or equal to 66.2kw tractor provides power. The seeding machine adopts deep single shaft rotary plow, controllable device for fertilization, plant spacing adjustable copying seeding device and integration of the film coating device. Complete tillage, stubble, quantitative fertilization, flatly, precision seeding, film and film casing through one field work. Field test was carried out in Shandong Lijin agricultural cooperatives. The experiment showed that he high stability of the planter, leakage sowing rate 1.875%, replay rate of 3.45%, qualified spacing 94.68% rate, sowing depth qualified rate of 89.5%, operation efficiency of 0.53～ 0.8hm2/h, the technical indicators met the Paving Membrane planter industry standard requirements.

cotton; sowing machine; less tillage; fertilization device; film mulching device

2016-04-18

山东省农机装备研发创新项目(2015YZ202)；山东省农业重大应用技术创新项目(2214009)

刘立辉(1989-)，男，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail) llihwfu@163.com。

连政国(1964-)，男，山东荣成人，教授，硕士生导师，(E-mail)Zglian64@126.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)04-0134-05