秸秆覆盖型花生播种机的设计

毛天宇，尚书旗，王东伟，何晓宁，高 振，苏 鑫

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引言

花生作为我国主要的经济作物，随着农业结构和市场的调节作用的日益明显，山东、河北、河南、安徽及新疆等省份花生种植面积还将进一步增加，尤其是麦收后直播夏花生成为越来越多农民的选择。夏花生在播种过程中存在小麦秸秆残茬量大及播种均匀性难以控制等突出问题，严重制约了花生播种机械化产业的发展。目前，我国在夏花生播种机械化作业的研究尚处于初级阶段，无法满足夏花生主产区的市场需求，因此推行夏花生播种机械迫在眉睫。

当前我国夏花生在播种环节主要依靠人力将小麦秸秆和残茬抛洒在播种区域旁边，留出相对洁净的区域进行播种，在国家禁止秸秆焚烧这一大背景下，人工处理秸秆将增加大量劳动力，严重降低花生播种效率。因此，研制可实现秸秆综合利用、精量播种与适宜我国种植模式的夏花生播种联合作业机械极为迫切。本文对我国夏花生播种的现状，在借鉴国外先进花生播种技术的基础之上，对秸秆覆盖型花生播种技术进行研究，为我国秸秆覆盖型花生播种机械的开发和研制提供理论和技术支持。

1 整机结构及工作过程

1.1 整机设计思路

秸秆覆盖型花生播种机配套73.5～83.2 kW拖拉机使用，采用前悬挂与后悬挂组合式，既保证了在相对清洁地面播种的同时也提高了花生的播种效率。将秸秆抛洒装置放置在拖拉机前端，利用拖拉机液压系统进行动力输出，这种悬挂方式可以保证地面秸秆的清洁程度，亦可以缩短整机长度，避免后悬挂整机过长、过重带来的不便。旋耕机与播种机采用三点后悬挂式放置于拖拉机后方。由拖拉机通过万向传动轴提供动力，通过旋耕深翻，把剩余的部分秸秆和根茬翻埋到土层下面；播种机通过地轮传输动力，进行精量播种。

秸秆覆盖型花生播种机主要由秸秆侧抛装置中的限深轮、机架、秸秆侧抛刀、拖拉机前悬挂架，以及拖拉机、旋耕机、肥箱、施肥铲、双圆盘开沟器、起垄铲及镇压轮等部件组成，如图1所示。

其主要技术参数如下:

外形尺寸/mm：600×2 200×800(前部)

700×2 400×1 000(后部)

作业业幅宽/mm：2 100

播种行数/行：6

开沟深度/mm：40～80

播种垄距/mm：800～850

工作速度/km·h-1：2～3.6

刀轴转速/r·min-1：300

配套动力/kW：73.5～83.2

排种器形式：内充种式排种器

1.限深轮 2.机架 3.秸秆侧抛刀 4.拖拉机前悬挂架 5.拖拉机 6.旋耕机 7.肥箱 8.施肥铲 9.双圆盘开沟器 10.起垄铲 11.镇压轮图1 秸秆覆盖型花生播种机Fig.1 Straw mulching peanut seeder

1.2 工作过程

工作时，将拖拉机的液压操纵杆放下，通过液压马达驱动带轮，使侧抛刀高速旋转；竖直放下整机，避免机器与地表有夹角，造成秸秆拾取不净；侧抛刀共6组，每组3个交错排列，在高速旋转的作用下将秸秆捡拾并向侧面抛出进入秸秆侧抛轨道，将秸秆均匀抛洒到侧面，为后续花生播种留出洁净区域。为保证3垄6行花生播种，选用工作幅宽为2 300mm的旋耕机与播种机相匹配，将秸秆与土壤深翻，减少对播种的影响。花生播种机采用内充种式排种器，通过镇压轮转动提供动力，集起垄、施肥、开沟、播种、压实成垄等多道工序于一体，进行花生精量播种。

2 关键部件设计

2.1 秸秆抛洒装置的设计

秸秆抛洒装置是秸秆覆盖型花生播种机最为关键的装置，秸秆处理效果的好坏直接对夏花生的播种效果产生直接的影响，秸秆处理的好，可以起到保苗保墒的作用；秸秆处理不当则会出现晾种、架种等情况，不利于花生的前期生长。目前，我国对花生秸秆覆盖播种技术的研发仍处于起步状态，因此设计一种秸秆侧向排抛装置与成熟的花生播种技术相匹配，对于促进我国夏花生机械化播种水平具有重要的意义。

秸秆抛洒机的主要工作部件包括机架、拖拉机前悬挂连接架、带轮、秸秆侧抛轨道、秸秆侧抛刀及限深轮，如图2所示。其中，拖拉机前悬挂连接架与安装在拖拉机前端的前悬挂架连接；带轮放置在秸秆抛洒机前端，拖拉机的液压系统通过液压马达为机器提供动力；秸秆侧抛轨道放置在拖拉机前进方向的左侧，秸秆侧抛刀在高速旋转的作用下将提取的秸秆通过轨道均匀抛洒至侧面，为花生播种创造良好条件；秸秆侧抛刀共6组交错排列(见图3)，保证刀在旋转过程中不互相干涉且保证工作区域的相对完整性；限深轮左右对置安装在抛洒机前端。

1.机架 2.拖拉机前悬挂连接架 3.带轮 4.秸秆侧抛轨道 5.秸秆侧抛刀 6.限深轮图2 秸秆抛洒机主视图Fig.2 The main view of the straw throwing machine

图3 秸秆侧抛刀排列图Fig.3 Layout of straw side throwing blade

为了能够顺利地将秸秆抛洒到侧面，应当保证秸秆水平方向运动的时间小于在拖拉机前进方向上的运动时间，否则会造成秸秆在装置内的堵塞。小麦秸秆运动轨迹如图4所示。

由图4可知，小麦秸秆在x轴横向运动时间为

式中N—秸秆侧抛刀刀轴数量；

P—秸秆侧抛刀最大入土深度(mm)；

R—秸秆侧抛刀回转半径(mm)。

小麦秸秆在拖拉机前进方向的运动时间为

式中G—秸秆抛洒单体刀具数量；

V—秸秆抛洒单体刀距(mm)。

要将秸秆顺利抛洒至机具运动方向的左侧，要保证小麦秸秆在x轴方向运动的时间小于在y轴方向上的运动时间，即

带入得到

H.秸秆抛洒装置工作幅宽 M.秸秆抛洒单体工作宽度 K.轴距 w.秸秆侧抛刀转速 vx.小麦秸秆横向运送速度 vy.拖拉机前进速度图4 秸秆运动轨迹简图Fig.4 Sketch map of straw

2.2 双圆盘开沟器的设计

开沟器的功能是开出种沟，便于花生种子顺利进入种沟内。秸秆覆盖型花生播种机的开沟器选用双圆盘开沟器，这种开沟器的优点是两圆盘刀片之间有一定夹角，利用圆盘刀的刀刃把残余的小麦秸秆和残茬切断，降低其对播种效果的影响。双圆盘开沟器工作稳定，开沟阻力低，适用于高速型播种机的工作。

双圆盘开沟器的设计主要是解决圆盘刀交点A的位置与圆盘刀之间的夹角α和沟宽C之间的关系。A的位置主要取决于花生播种的沟宽，A点位置的高低与沟宽成正比例关系，通过资料可以查得花生种沟的宽度应在35cm左右，播种深度在4～8cm左右。A点相对地面的距离就是开沟深度，因此应将A点固定在6cm左右；两圆盘夹角α是保证开沟宽度的关键，由上文可知花生播种垄宽应在35cm左右，圆盘刀选择半径R为115mm，通过计算可以得到双圆盘开沟器的夹角α选取13°为最优参数。

图5 双圆盘开沟器示意图Fig.5 Schematic diagram of a double disk ditching device

2.3 镇压机构的设计

起垄铲在进行起垄作用后，通过镇压机构将垄面压实，以减少土壤中水分的蒸发，有利于花生的前期生长且镇压机构在工作过程中通过转动为花生播种机的排种、排肥装置提供动力，因此镇压机构在设计过程中要求必须灵活转动，不存在壅土黏土现象，压力一般为30～50kPa。

镇压机构转动的临界值为

式中R—镇压装置半径量；

φγ—力矩；

G—镇压机构重力；

φβ—排种、排肥装置转动的力矩；

f—镇压装置工作中的摩擦因数。

镇压发生滑移的临界值为

3 秸秆覆盖型花生播种机田间试验

3.1 试验基本条件

试验地点设在河南省驻马店市正阳县慎水乡王岗村，土壤为砂姜黑土，质地为黏壤，地势平坦，肥力均匀，排灌条件良好。试验用花生品种为豫花16号。

3.2 秸秆抛净率

秸秆抛净率是指机具工作后抛洒到机具侧面的秸秆质量与工作前区域内秸秆质量的比值。

将一定质量的秸秆平均铺放在机具工作区域内，机器工作后，依次对工作区域的残留秸秆质量进行测量，计算出秸秆抛净率，即

式中Si—第i块区域内小麦秸秆抛净率；

Mi—第i块区域内小麦秸秆处理后剩余质量；

Ni—第i块区域内小麦秸秆处理前质量。

在利用以上公式计算出单个区域内小麦秸秆抛净率的基础上，将5组不同质量的秸秆平均铺放在5个2 500mm×2 500mm 的正方形区域内，机器工作后，依次对工作区域的残留秸秆质量进行测量，计算出秸秆抛净率，求平均值，如表1所示

表1 田间检测的小麦秸秆抛净率原始数据Table 1 Raw date of wheat straw polishing rate detected in field

通过以上公式计算可得：秸秆覆盖型花生播种机的小麦秸秆抛净率为92.06%，秸秆抛洒性能良好。

3.3 种子播种均匀性测定

衡量1台花生播种机效果的指标主要有单/双粒率、漏播率及粒距合格率，本方案穴距设计误差为15mm。设定花生播种理论合格穴距为150mm，则其合格穴距范围为135～165mm。表2中列出了通过田间试验的穴粒数及穴距的原始数据。

表2 田间检测的穴粒数及穴距的原始数据Table 2 Raw date of cave space and number of peanut per cave measuring in the fields

续表2

对原始数据进行统计整理，得出播种均匀性的相关指标如表3所示。

表3 穴距及穴粒数田间检测结果Table 3 Result of cave space and number of peanut per cave measuring in the fields

试验表明：秸秆覆盖型花生播种机作业后的花生双粒率为95.30%，空穴率为1.45%，平均穴距为150.3mm，达到了国家相关标准。

3.4 起垄间距均匀性测定

起垄效果的好坏直接影响到花生出苗效果以及后续生长，秸秆覆盖型花生播种机设计垄距为800mm，通过测量20组花生起垄播种的垄距，计算垄距变异系数，数据如表4所示。

表4 花生播种垄距田间检测结果Table 4 Field detection results of peanut sowing ridges mm

续表4

标准差为

变异系数为

试验表明：秸秆覆盖型花生播种机作业后的垄距平均值为805mm，垄距变异系数为3.4%(合格标准为30%)，符合相关标准，起垄均匀程度较好。

4 结论

1) 秸秆覆盖型花生播种机可以在小麦收获后留有残茬和秸秆的田间直接进行花生播种作业，秸秆抛净率在90%以上，能够达到洁净区域花生播种的要求。

2) 秸秆覆盖型花生播种机采用前悬挂与后悬挂组合式，不仅能够避免拖拉机压过秸秆后难以捡拾并向侧面排抛，还可以缩短整机长度，避免后悬挂整机过长、过重带来的不便。

3) 秸秆抛洒后，花生播种的双粒率为95.30%，空穴率为1.45%，平均穴距为150.3mm，垄距变异系数为3.4%，达到了国家相关标准。