星形齿刀防堵式小麦免耕播种机设计与试验

王 彬，马 蕾，周 进

(1.江苏财经职业技术学院 机械电子与信息工程学院，江苏 淮安 223003；2.山东省农业机械科学研究院，济南 250100)



星形齿刀防堵式小麦免耕播种机设计与试验

王 彬1，马 蕾1，周 进2

(1.江苏财经职业技术学院 机械电子与信息工程学院，江苏 淮安 223003；2.山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

我国北方的一年两熟种植区，经常玉米地播种小麦，但由于收获后田间玉米秸秆残渣量大、根茬粗且韧性强，容易导致小麦免耕播种机通过性能差，极易出现堵塞。为此，设计了一种星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机。同时，描述了该机的总体设计方案及星形齿刀式锯切防堵装置、锐角短翼型开沟器和双圆盘开沟播种器等关键部件的结构，并确定了主要结构参数。田间试验证明：该防堵装置不仅可以很好地切断玉米秸秆，还能及时预防堵塞，以保证小麦免耕播种机的田间通过性。该机具的研制丰富了我国北方一年两熟区免耕播种机具的多样性，对免耕播种技术的推广具有积极意义。

小麦；免耕播种机；星形齿刀；保护性耕作

0 引言

保护性耕作是建立在农业机械化基础上的，如秸秆粉碎、农田深松、免耕播种等关键作业，只能依靠机器来完成[1-3]。当前，全球已有70多个国家推广应用保护性耕作[4]。将农作物秸秆碎片及其根茬作为地表覆盖物的处理方式是保护性耕作技术的具体体现之一；但是覆盖地表的秸秆和根茬会给免耕播种带来较大的困难[5]。尤其在我国北方一年两熟区，小麦的免耕播种由于前轮作物玉米收获后地表玉米秸秆覆盖量大，且其根茬粗、韧性强，导致小麦免耕播种机在作业过程中很容易出现堵塞。要使其避免秸秆的堵塞，实现较好的防堵及通过性能，采用主动式防堵装置是不可或缺的关键技术[6-7]。

当前，在国内一年两熟种植区广泛使用的动力驱动式防堵装置主要有带状旋耕式、带状粉碎式及带状破茬式3种，主要利用“击”“抛”等原理，起到防堵的效果；但存在土壤扰动大、土壤破坏严重及动力消耗大等问题[8-10]。因此，需要设计新型小麦免耕防堵装置，既能减少地表的土壤扰动和单位面积消耗，又能降低播种带上的秸秆[11-14]。

针对以上问题，在设计新型小麦免耕播种机防堵装置时，利用“切”断秸秆的原理，研究设计了一种星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机。该机采用主动锯切式防堵装置，刀片为星形齿刀，利用动力驱动该刀片将覆盖于地表的秸秆和根茬切断，防止秸秆对后续开沟器的缠堵，此刀片具有不易缠草及滑切能力强的特点。

1 整体结构与工作原理

1.1 整机结构及主要技术参数

根据我国北方一年两熟区玉米秸秆量大、根茬粗、韧性强的特点，所设计的星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机主要由防堵装置、开沟器、种箱、开沟播种器、镇压轮、地轮、变速箱及机架等构成，如图1所示。

1.变速箱 2.星形齿刀式主动锯切防堵装置 3.锐角短翼型开沟器 4.双圆盘开沟播种器 5.镇压轮 6.地轮 7.机架 8.种肥箱图1 星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Active Attempts to Prevent the Blade Sawing

Star Style No-till Planter for Wheat

1.2 主要技术参数

整机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1.3 工作原理

星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机通过三点悬挂装置悬挂于拖拉机后方。作业过程中，首先拖拉机经后传动输出轴和变速箱将动力传递给防堵装置，防堵装置的星形齿刀在动力驱动下旋转并对开沟器前方的地表秸秆与根茬进行切断，以保证机具的通过性能；然后,锐角短翼型开沟器在机具的牵引带动下对小麦播种行进行开沟，为后续工序准备种沟；随之,种肥箱通过双圆盘开沟播种器的引导作用在种沟中进行施肥和小麦播种；最后,由镇压轮对已播种地表完成覆土和镇压工序。该机具一次作业可以依次实现切茬防堵、开沟、种肥播种、覆土及镇压等多道工序。

2 关键部件的设计

2.1 星形齿刀的结构设计

作为免耕播种机的重要组成部件，防堵装置的主要作用是切碎地表杂草和茎秆残渣，有效避免开沟器作业过程中出现缠绕堵塞现象。

本文防堵装置采用链传动式，将其设计为星形锯齿状。星形齿刀圆周有若干星齿，星齿刃口长，刀刃顶部小，根部大，且带有一定凹度，相比直形锯齿而言，其滑切作用大，切茬和碎茬能力强，且不易缠草。星形动刀片刀尖与开沟器之间最小距离设计为20mm，与地面之间最小距离设计为20mm，在实现防堵的同时可以保证刀片不入土，减少动土量，进而减小动力消耗。

刀片的主要参数直接决定了防堵装置的作业效果，包括刀片直径D、刀片宽度B及刀齿的刃口曲线。

1)刀片直径及厚度。设计中，若星形动刀片的回转半径过小，会导致刀轴过低而缠绕秸秆和杂草，进而引起防堵装置自身的堵塞，因此动刀片的回转半径不能太小；若其回转半径过大，虽然刀轴避免了缠草堵塞，但作业过程中刀片与秸秆的接触面积会增加，阻力也随之增加，从而增大刀轴所受的扭矩和机具功率的消耗。综合考虑免耕播种机的田间通过性能与功率消耗，结合其结构要求，本设计取刀片直径为D=400mm，刀片厚为B=5mm。

2)星形刀齿的刃口曲线。本设计将星形刀齿的齿数设计为6个，沿圆周方向等角度分布。星形刀齿刃口曲线的形状应保证工作时的滑切作用和星齿有足够的强度和刚度。星形刀齿刃口曲线是环面上的一条空间曲线，设计时可以在展开图上作出，如图2所示。

图2 星齿刀片刃口曲线Fig.2 Cutting curve of star gear type blade

刃口曲线的曲率中心位于以刀片中心为圆心、Q为半径的圆周上，曲率半径为R，齿底圆半径为r，刃口曲线上任意一点的滑切角τ与Q、R及θ角之间的关系为

(1)

以刃口P点所在曲线为研究对象(见图2)，其展开图轨迹方程为

(2)

式中 τ—滑切角(°)；

θ—刃口曲线上任意一点与刀片中心连线和水平线之间的夹角(°)；

Q—刃口曲线曲率中心所在轨迹圆半径(mm)；

R—刃口曲线曲率圆半径(mm)；

r—锯齿底圆半径(mm)；

D—刀片直径(mm)。

由式(1)可知：当Q/R为定值时，最小滑切角是在θ=0°的情况下即为保持土壤在刀刃上的滑切，应使刃口刃线上各点对应的τ角均大于其与土壤的摩擦角(本设计取35°)，即τ≥35°。经试验得：Q/R≤0.82时，锯状齿刀在切破能力和强度上能达到一个较优平衡。本设计取r=120mm，R=150mm，Q/R=0.7，故Q=105mm，代入式(2)有

(3)

其中，y的取值范围为13.928 mm≤y≤135.83 mm；非刃口段直线与刃尖端部到刀片圆心连线之间呈20°夹角。

2.2 防堵装置星形齿刀转速的确定

主动锯齿防堵装置是利用安装在开沟器前方旋转刀轴上的刀片将小麦播种行上的玉米秸秆和根茬切破、粉碎，进而实现防堵的目的。其秸秆切碎装置由星形齿刀、驱动链条及链轮等部件构成。防堵装置中的星形锯齿粉碎刀在离地面20mm处通过，不入土，因此不会对土壤造成扰动破坏；高速旋转的星形齿刀对开沟器前方的秸秆和根茬有很强的粉碎和后抛能力，因此防堵性好。本设计只在开沟器对应前方安装星形齿刀，粉碎必要地表秸秆及杂草，如此可以有效地减少粉碎时动力消耗。

主动锯切防堵装置的运动参数与耕作质量密切相关，其运动参数主要为刀轴旋转速度n。确定转速的原则是：在满足耕作质量的前提下，尽可能取最佳值，以获得较好的节能效果。星形齿刀其运动受力分析如图3所示。

图3 星齿刀片速度分析Fig.3 Schematic diagram of motion analysis for star gear type blade

星形齿刀绕着刀轴作圆周运动，其转速n等于刀轴的转速，星形齿刀工作时的绝对速度是由机组的前进速度vm和其自身的角速度w合成，如图3所示。选取星齿刀末端任意一点O的坐标为(x,y)，该点运动轨迹为余摆线，其运动方程为

(4)

式中x—刀片末端某点O运动轨迹的瞬时横坐标；

y—刀片末端某点O运动轨迹的瞬时纵坐标；

Vm—机器前进速度，作业速度取5～6 km/h；

d—O点到刀片中心的距离即回转半径(mm)；

t—时间。

将式(4)两边对时间t进行求导，可得

(5)

因此，锯齿刀端点O的绝对速度为

(6)

式中vc—锯齿刀端点O绝对速度(mm/s)；

vx—O点水平分速度(mm/s)；

vy—O点竖直分速度(mm/s)；

w—刀片旋转角速度(rad/s)。

室内秸秆切割试验表明[15]：玉米根茬直径d1范围为4～6 mm，含水率为10.2%～68.8%；根茬秸秆在有支撑情况下的临界切断速度vc取值范围为0.83～7.7 m/s。试验中，机具前进速度vm=5～6 km/h，代入式(6)计算可得星形刀片端点角速度w=29.31～34.54 rad/s。角速度w与转速n之间满足公式为

(7)

式中w—刀片旋转角速度(rad/s)；

n—刀轴转速(r/min)。

代入数据到式(7)，得刀轴转速n=280～330 r/min。

设计时，在满足机具功率消耗标准要求的前提下，星形齿刀旋转速度越快，开沟器前方的地表覆盖秸秆和根茬被切破、粉碎得越彻底，则开沟器越不容易被秸秆缠绕堵塞，机具的通过性能越好。本设计确定星形齿刀转速为330 r/min，即动刀轴转速n=330r/min。

2.3 开沟器的设计

保护性耕作技术要求尽量减少对土壤的扰动，防止破坏土壤结构而造成较大的损失。免耕播种是保护性耕作的一种重要形式，也应遵循这个原则。

开沟器的主要作用是在田间开出种沟，方便后续的播种及施肥，是播种机的关键部件之一。播种机作业时，地轮在垄沟中行走；播种时，垄上秸秆覆盖较多，开沟器除满足播种质量的要求外，还必须适应收获后不翻耕的土壤特性。 免耕地表较传统翻耕整地后的地表坚实，且有大量的秸秆覆盖，开沟器入土困难、阻力大，要求开沟器在具有良好的破茬入土性能的同时还应尽量减少对土壤的扰动。

因锐角短翼型开沟器遇到阻力增大时朝下扎且入土能力强，无需很大的配重，且其开出的沟与深松的沟形相似，即土壤上下松动，原地放回，不翻土，不乱土层。基于对比，本文将开沟器设计为锐角短翼型，其铲面升角为α=30°，翼板升角为β=25°，入土隙角为γ=5°，开沟宽度为H=20mm，如图4所示。

图4 锐角短翼型开沟器示意图Fig.4 Schematic diagram of the acute angle colter

2.4 双圆盘开沟播种器

星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机采用双圆盘开沟播种器，设计为两圆盘下边缘接触，盘面成一定夹角，功用为切开并转移土壤，为播种机在种沟进行播种和施肥创造有利条件。作业时，成一定夹角的双圆盘开沟播种器在拖拉机的牵引下滚动，前行过程中不断将土壤向后向外翻起，形成“V”型种沟。工作过程中，当圆盘的后翼离开土壤之前，小麦种子和肥料通过位于两圆盘中间的导种管及导肥管依次播种到种沟。圆盘直径和圆盘夹角是双圆盘开沟播种器的两个主要参数，直接影响开沟阻力及播种施肥的效果[15]。通过试验，播种器圆盘直径选取为350mm，两圆盘盘面夹角为12°。

3 田间试验

3.1 试验条件

田间播种试验选择在山东省农机研究院的科研试验基地进行，选用泰山—30拖拉机作为配套动力。主要测试指标为：星形齿刀式主动锯切防堵装置的防堵效果、播种机的播种施肥深度及覆土效果等。田间播种试验地为一年两熟免耕播种地，前茬作物是种植行距为600mm的玉米，收获后的玉米秸秆全部粉碎还田。其秸秆覆盖量为3.75kg/m2，留茬高度为300～400mm，土壤类型为壤土，土壤紧实度为1.58×104Pa，土壤含水率为10.2%(0～5 cm)、14.8%(5～10 cm)。

3.2 试验结果与分析

麦种、肥料及种肥间距的试验结果如表2所示。

表2 样机试验结果

由表2可以看出：星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机在一年两熟区玉米秸秆粉碎还田地作业后，小麦种子平均播深为42 mm，合格率为96.4%，变异系数为8.91%；施肥平均播深为91 mm，合格率为90.2%，变异系数为5.43%；种肥间垂直距离为49 mm，合格率为92.3%，变异系数为6.24%。其中，肥料播深大概为种子播深的2倍，合格率均在90%以上，变异系数在5%～10%之间。这表明，星形齿刀主动锯切防堵式小麦免耕播种机具有良好的播种施肥效果，完全符合小麦免耕播种机的设计及农艺要求。

4 结论

1)星形齿刀主动锯齿式小麦免耕播种机一次作业可依次实现切茬防堵、开沟、种肥播种、覆土及镇压等多道工序。其中，防堵装置采用主动锯切式，刀片设计为星形齿刀，具有不易缠草、滑切能力强的特点；开沟器设计为锐角短翼型，能够开出85～105mm的种肥沟，种肥可直接播进土壤，避免晾籽情况的出现，保证出苗率。

2)作业过程中，该机器采用的星形齿刀主动锯齿式防堵装置及锐角短翼型开沟器相配合，能够有效解决由秸秆、杂草等缠绕而造成的堵塞现象，而且通过性能良好，适用于我国一年两熟区的玉米免耕秸秆覆盖地。

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Experiment and Design of the Anti-blocking Star-gear Blade Type of No-till Planter for Wheat

Wang Bin1， Ma Lei1，Zhou Jin2

(1.Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering，Jiangsu Vocational and Technical College of Finance & Economics, Huai'an 223003,China；2.Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

According to the problem of straw blocking of no-till wheat planting in heavy corn residue and weed cover fields in annual double cropping areas of China, the active attempts to prevent the blade sawing star style no-till planter for wheat was designed. This paper mainly analyzed star gear type blade opener, the active short wings type mechanism and double disc for seeding. The field experiment showed that the machine could solve the residue and weed blocking effectively, has a good performance of passing and cutting stubble, that this new planter is an ideal no-till planter for wheat in annual double cropping areas of China.

wheat; no-till planter； star serrated knife; conservation tillage

2016-05-13

山东省科学技术发展计划项目(2014GNC113003)

王 彬(1982-),男，山东日照人，硕士研究生，(E-mail) binau@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)06-0135-05