东北水稻旱直播施肥一体机的设计与试验

崔 波，张成亮

（哈尔滨市农业科学院，黑龙江 哈尔滨 150029）

0 引 言

东北是我国最重要的商品粮基地，是我国的大粮仓，担负着国家粮食安全的重任[1]。传统的水稻种植方式已经严重制约着农业的可持续发展。水稻直播是将稻种直接播入大田的一种稻作方式，无需育秧、拔秧、移栽等程序，具有省工、省力、省秧田等优点，是一种轻型、简化的低成本稻作新技术[2]。实际生产中水稻种植机械化程度较低，生产成本较高，而且农业用水消耗量大且效率较低[3]。 我国旱直播种植技术近些年来发展迅速，辽宁和黑龙江都在推广种植，市场上也出现了很多旱稻种子，相关配套机械也逐渐出现[4]。随着我国农机技术水平的提高，农机形式的多样化，已经出现各种不同类型的水稻直播机械。这些旱直播机多数不适应东北地区水稻旱直播需要，播种精量少，成穴率低，覆土效果较差，影响了作业效果[5]。本文研制一台集旋耕、施肥、开沟、覆土、镇压、播种于一体的新型水稻旱直播机，以突破东北地区水稻旱直播技术推广的瓶颈。

1 水稻直播机的总体设计

1.1 水稻旱直播机的总体设计要求

根据东北地区水稻种植生产实际情况和土壤特性，研制的水稻旱直播机应该满足以下技术要求：旋耕整地效果好，保证播种需要；排种排肥顺畅、不漏播，排种均匀、覆土均匀、平整度好；镇压效果好，能够压实覆土、确保后期出苗率、开沟整齐、保证种子播种深度一致。

1.2 水稻旱直播机的工作原理

该机设计工作幅宽3 660 mm，采用12 行条播的形式，对排种器、开沟器、镇压轮进行了选型和设计，配套采用110.25 kW 以上拖拉机。直播机旋耕装置的动力由拖拉机通过传动轴输送，机具最前端的旋耕装置对土壤进行碎化，保证播种对土壤的要求。该直播机的施肥装置与旋耕装置相连, 施肥装置动力来源于地轮转动，地轮带动链轮，通过链轮将动力传给施肥装置。施肥装置主要由施肥开沟器、肥箱、肥管、排肥盒组成。左右两边肥箱通过联轴器连接，同时又分前后两排肥箱。第一排实现深施肥，采用外槽轮式排肥器；第二排实现侧施肥，分别播撒不同成分的肥料。其工作过程是，施肥开沟器分别开出蓄水厢沟和施肥沟，肥料进入排肥管落入施肥沟沟底，由拖板刮土将施肥沟覆盖[6]。直播机的开沟装置可以根据不同的开沟需要调节整体高度调节开沟深浅。直播机镇压装置分为两部分：第一部分为哑铃状镇压器，位于施肥装置与排种装置中间，可在旋耕施肥后的土壤上压出一条沟，起压实土壤的作用，播种时使种子均匀地落入沟内；第二部分为橡胶镇压轮，压后地表产生的鳞片状裂纹较少，特别适合水稻旱直播，该镇压装置位于机器的最后方与机架连接。

1.3 水稻旱直播机的总体布置和结构组成

该直播机主要由旋耕装置、开沟装置、排种装置、施肥装置、镇压装置组成。旋耕装置在最前端，接着是施肥装置，然后是排种装置，最后是覆土镇压。水稻旱直播机整机如图1 所示。该结构功能全面、布局合理。相比于市场上出现的水稻旱直播机，该机型采用两次施肥结构，能够保证种苗生长需要。加入液压装置进行升降控制，操作方便。压沟装置深浅可调，应用范围广。

图1 水稻旱直播整机

1.4 水稻旱直播机性能参数

该机具采用宽窄行条播的播种形式，共12 行。配套动力110.25 kW 以上，具体性能参数如表1 所示。

表1 水稻旱直播机性能参数

2 水稻旱直播机各部件设计

该水稻旱直播机主要由牵引架、液压装置、开沟装置、排种装置、施肥装置、覆土装置组成，具体结构如图2 所示。

图2 水稻旱直播机整机结构简图

2.1 旱直播机播种压沟器的设计

该播种压沟器通过一个四杆机构连接到机架横梁上，其原理是压辊驶过，形成两条沟。由于压辊质量大，能够将前端施肥后的覆土压实，降低土壤空隙，减少水分蒸发，所以该压辊起到镇压和开沟的作用。每条沟的宽度是50 mm，两条沟间距是200 mm，压沟深度为50 mm，结构如图3 所示。

图3 播种压沟器结构

2.2 旱直播机施肥开沟器的设计

开沟器的作用主要是在作业时开出种沟或排肥沟，引导肥料和种子进入种沟内，并使土壤覆盖肥料和种子。要求开沟器开出的沟深浅一致，深度能够根据农艺需要调节；同时，应有一定的回土作用，还应具有良好的入土能力和切土能力；工作稳定，不容易堵塞等。根据开沟器的入土角不同分为锐角和钝角两种，常用的为锐角开沟器。根据需要本文选择的开沟器如图4 所示。

图4 施肥开沟器设计

2.3 旱直播机种肥箱的设计

由于该机施两次肥，所以采用双排肥箱。肥箱的容积是由工作行程、播撒量、工作幅宽等决定的。通常情况下，在作业时不宜将箱内种子或肥料全部播完，箱内种子或肥料较少时排肥能力会降低，从而影响排种或排肥性能流畅性，影响效果。所以应该至少留有10 %的余量。根据公式和实际要求，最终确定机长为1 600 mm、总宽为800 mm、深度为600 mm。

2.4 旱直播机旋耕装置的设计

根据水稻旱直播农艺的要求，采用在旋耕刀轴焊接刀库进而将刀具固定于刀库内的旋耕装置。旋耕刀轴采用外径为75 mm 的无缝钢管，每组的两把旋耕刀成180°分布。本文旋耕刀具用弯刀，型号为T245，该型号的旋耕刀使用最为广泛，旋耕效果好。

2.5 旱直播机排种器的设计

设计选用的外槽轮式排种器，具有通用性好、播量稳定、播量调节方便、结构简单等特点[7]。因为其槽轮每转排量稳定，能适用于大、中、小型的谷物、牧草、豆类及蔬菜种子的播种，广泛应用于谷物条播机，符合应设计要求。排种器工作时，由于外槽轮结构原因，排种过程不连续，有脉动现象，会导致排种不均匀，不符合谷物种子在行内连续播种的要求。所以，在排种器设计时采取了如下措施：将排种器的排种舌做成斜线状，将排种器的直槽改为螺旋槽。外槽轮排种器在排种时，种子靠重力充满槽轮凹槽，并被转动的槽轮强制排种，被强制带出的种子从排种舌上掉入输种管，然后排入种沟。

2.6 旱直播机镇压器的设计

播种后镇压是该直播机工作比较关键的步骤。通过有效镇压可降低土壤孔隙，减少水分流失，为种子生长创造适宜环境，保证种子能发芽生长。这对干旱地区的作物种植尤为重要。本设计采用窄型橡胶镇压器，其连接方式是对着开沟器安装在机架后梁的后方。为了在结构上更合理，紧邻的两行采用前后交替安装。该镇压器适用于谷物条播机，镇压器的两个橡胶轮向前行驶时相互挤压，能够将种子完全覆盖，覆土的同时又能压实土壤。

2.7 旱直播机地轮的设计

该机具设计两个地轮，在机架两侧对称分布。它们是排种器和排肥器的动力供给，地轮设计应减少附着力，减少打滑现象的发生。本文根据实际需要和设计要求采用直径为45 mm 的地轮。

3 旱直播机田间试验

对本文设计制作的旱直播机进行田间试验，在气候因素、地表湿度、地表平整度、清洁度、土壤坚实度、土壤含水率符合试验要求的前提下，检验机具整体配置和结构设计的合理性。准备好试验所需的各种设备和材料，测定旋耕装置碎土率、开沟深度和覆土厚度，测定排种性能、播种深度、镇压效果。试验时行走速度为0.8 m/s，刀轴转速为300 r/min，耕深为10 cm。碎土率测定：通过试验计算得最终碎土率为89.3 %，表明旋耕效果满足要求。开沟深度测定：设计的开沟器通过反复调试，可达到农艺需求。排种均匀性测定：选择2 m 的种带,将种带分成10 段,检测每段内排落的种子数,转动地轮，通过地轮转动带动排种器，最终测定符合要求。排种器伤种率测定：随机选取5 个排种器，转动地轮，把从这5 个排种器排出的五份种子进行称重，再从这些种子中挑选出破损的种子合并称重，计算破损种子质量占总质量之比，重复5 次，取算术平均值，最终得出伤种率为0.65%，符合设计要求。各行排肥一致性测定：机具行驶过程中，将每行排出的肥料进行称重，其中测定行数为12 行，反复测定5 次，最后计算相关参数。

该直播机完成一段作业后，用铁铲挖开播种后的覆土，测量种子与地表之间的垂直距离。在一条种床上分别选取5 个相距5 m 的地方作为测试区，该测试区内，平行选取10 个测试点进行统计。该水稻旱直播机的平均播种深度为1.4 cm，满足水稻播种深度1～2 cm 的要求；经过计算播种深度合格率为87 %，符合农学农艺要求。在镇压效果方面：水稻播种后镇压效果好能够提供良好的生长环境，且播种后有效地镇压能保证农作物有较好的出苗率。通过测定该装置的镇压器工作时不粘土、不壅土、地表不产生鳞状裂纹。

4 结 语

在了解国内外水稻旱直播机械发展现状和趋势的基础上,为重点解决现有机型存在的缺点，并结合东北地区气候和土壤环境的基础上进行研制。对关键部件进行设计与选型。对旋耕刀、排种器、液压油缸、镇压器等进行选型。对开沟器，压沟器、排种（肥）箱等进行设计。样机制造完成并进行了田间试验。测定了旋耕、开沟、排种、排肥、镇压等相关性能，经过测定各项指标均达到设计要求，能够满足作业需要。该机具的技术创新点是：首次针对我国北方寒地水稻旱直播机械化种植进行系统的、标准的技术及机具的研发。该机具一次作业可同时完成旋耕、施肥、播种、镇压等作业，能够为适时播种提供保证，是农机和农艺相结合的技术，顺应了水稻旱直播机械化发展的需要。