垄作免耕播种机三维模型研究

罗红旗 孟宇 李晓晴 石矛

[摘要]垄作与保护性耕作相结合是一项重要技术，有助于抵御春旱，控制风蚀，逐步培肥地力。播种时利用机械装置处理播种带杂草，秸秆覆盖可抑制垄沟杂草的生长，消除对除草剂的依赖。根据技术结合特性，分别建立了垄作免耕播种机的机架、开沟器、镇压器、地轮、修垄装置等三维模型，总装成整体播种机。本播种机可一次性完成开沟、施肥、播种、覆土、镇压等多项作业，减少机器进地次数。研究垄作免耕播种机的三维模型，可对其机械性能进行分析，为样机制造提供理论支撑，有利于推广垄作免耕播种技术。

[关键词]垄作;免耕;播种机;建模

[中图分类号]S223.2[文献标识码]A

垄作技术中的土垄的形状由垄台和垄沟形成，地表总面积比平地耕作增加20%～30%，地温能够增高2～3℃，而且垄作技术中土壤温差昼夜变化大，更便于光合产物积累，利用垄沟排水防涝。垄作与保护性耕作技术在我国实际应用中还未能很好地结合，主要影响要素是机械耕作设备不过关，特别是适合垄作免耕技术的播种机还有待于进一步研究开发。目前国外的垄作免耕播种机一般是依靠机具重量驱使根茬处理装置进行破茬处理，但由于国内的播种机一般属于中小型，机身重量偏小，不适合直接使用国外的免耕播种机。国内各地区实行垄作免耕地区的条件差异明显，各自有着独特的土壤条件、种植制度以及气候条件，导致保护性耕作的作业实施体系也存在较大差异，各种研发的机具适应能力较差，需要有针对性地开发研制相应的垄作免耕播种机。通过研究垄作免耕播种机的三维模型，可对其性能进行力学分析，为不同的样机制造提供理论分析，有利于推广垄作免耕播种技术，更好地体现垄作与保护性耕作相结合的优势。

1 国内外垄作免耕播种技术发展现状

垄作免耕播种技术是一项先进的耕作技术，作业过程为收割上茬作物之后一般不处理秸秆，用垄作免耕播种机在具有秸秆覆盖的地表直接起垄，并在原来的垄上进行开沟播种、施肥、镇压等工作，整个作物生长周期一般不需要进行其它中耕作业。该技术具有节能、增产、抗涝、省工、抗旱、保持水土、抗倒伏、增加土壤有机物质等优势，具有显著的社会效益、经济效益和生态效益。

国外从20世纪40年代初开始研究免耕方法，研究开发了各种类型的免耕机具，并且随着相关机具和化学除草剂的发展，垄作免耕技术得以不断推广。但由于土壤条件、种植农艺方式以及经济发展等多种因素的差异影响，国外的垄作免耕播种机在结构设计和性能特点等方面均不符合国内条件，因此需要根据国内实际情况进行自行开发。国内免耕技术是从20世纪60年代开始研究，主要划分为三个阶段：第一阶段是20世纪70年代，本阶段主要是进行试验探索，在新疆农垦六团开始相关试验，再在各地开展免耕技术的试验和示范;第二阶段是20世纪80～90年代进行试验示范，由此积累了一些免耕种植经验，但由于缺少相关的配套机具，而且各地农民认识上存在误区，免耕技术推广速度比较缓慢;第三阶段是20世纪末至今，属于免耕技术不断完善提高和全面推广阶段，各地区积极推广免耕种植技术，并结合垄作技术，在玉米、小麦、大豆、水稻、油菜等主要农作物上推广应用。

2 垄作免耕播种机主要零件建模

2.1 播种机配置方案

根据垄作免耕播种机具设计的各项要求，整机主要由机架、切草圆盘、种肥箱、开沟器、地轮、镇压轮、修垄装置等组成。机架主要是安装各类部件，切草圆盘是针对需要处理播种带覆盖秸秆和杂草等农艺条件，开沟器是在未经处理过的地表进行直接开沟，为施肥、播种提供条件。地轮装置主要是起到支撑整机的作用，同时用以驱动排肥器、排种器进行周期运动，镇压器用以压实土壤松软的播种带，为种子发芽提供条件。修垄装置是针对垄作免耕播种技术中的被破环的原垄，对其进行修复，为播种质量提供保证。

2.2 机架

机架采用三梁悬挂框架结构（见图1），与拖拉机能够实行有效结合，播种时依靠拖拉机驱动播种机前行，空行时可以通过悬挂装置悬挂在拖拉机上。机架上的竖梁与横梁用方管（80mm×80mm×5mm）焊接而成，机架由三根横梁组成，可以根据实际农艺条件进行调整，对于小麦等行距窄的作物，横梁上的开沟器距离过小容易在两开沟器之间堆积秸秆，导致堵塞，这时可以把相邻的开沟器错开安装在不同横梁上，扩大相邻开沟器之间的横向距离。而前梁主要用于衔接悬挂架，并可安装切草圆盘等其它部件。

2.3 修垄装置

由于垄作免耕播种机是在未经处理过的原垄上作业，在种植上茬作物时，原垄一般都会有所破坏，严重时整垄都会坍塌。为了保证在原垄进行免耕播种时的质量，需要设计开发配套的修垄装置，对破坏的原垄进行修复。垄作免耕播种时地表有秸秆覆盖，犁式起垄器容易产生秸秆堆积堵塞，而圆盘式起垄装置的通过性能和越障性能强大，不容易被秸秆和杂草等堵塞，而且圆盘滚动前进时与土壤摩擦力阻力小，因此修垄装置设计成圆盘式结构更符合垄作免耕播种的情形。

2.4 地轮

在垄作免耕播种机中，地轮属于从动轮，依靠地面的摩擦力驱动其旋转前进。本播种机是在垄作免耕地进行作业，地轮沿着垄沟行走，通过链传动驱动排种器和排肥器进行工作。为保证排肥、排种质量，在地轮上安装弹簧加压装置，可以确保

地轮始终与垄沟接触，从而避免發生因地表高低不平导致地轮悬空造成不排肥、不排种现象（见图3）。橡胶地轮在土壤中行走时的滑移均值和方差都比较小，有利于保证播种质量，但橡胶轮在秸秆上行走时更容易产生滑移。综合考虑作业条件，垄作免耕播种机的地轮是在垄沟行走，秸秆相对较少，因此选用橡胶轮更有利于保证施肥和播种质量。地轮直径对播种机的性能影响较大，大直径地轮的转动性能好，打滑率小，播种更均匀，根据机架实际空间，本播种机将地轮直径定为500mm，宽度为50mm。

2.5 开沟器

开沟器是垄作免耕播种机的关键部件之一，其结构及布局是否合理会直接影响开沟效果，而且会影响播种机防堵效果，从而影响播种质量。由于垄作免耕播种时开沟器是在未经处理的地表工作，而且有作物残茬、秸秆及杂草等覆盖的田地工作，作业条件恶劣，工作难度较大。开沟器由播种和施肥部件组成，包括施肥开沟器、播种开沟器，以及相应的排种器和排肥器等。开沟器的结构直接影响动土量，保护性耕作技术要求尽可能动土少，而开沟器的开沟性能对种床、施肥和播种质量影响较大，特别是针对种肥分施要求的中国国情，因此开发合适的开沟器至关重要，不仅影响播种机的性能要求，同时影响作物的出苗质量。

根据农艺要求及相关试验结果，窄翼型尖角式开沟器是目前较为理想的结构，开沟宽度一般在30mm～40mm，动土量小，适合保护性耕作技术。设计的开沟器结构模型图见图4，通过尖角式开沟铲进行开沟，其后通过管道直接进行施肥、播种，能够实现种肥垂直分施。在垄作免耕播种机的实际工作中，开沟器的安装可以根据实际需要，在机架上安装适合的数量，满足行距要求。播种小麦等窄行作物时，开沟器可以错开安装在不同横梁上，增大同根横梁上两开沟器之间的横向距离，有利于防止堵塞。

2.6 镇压器

由于实行垄作免耕播种，地表未经翻耕，因此播种时将产生大量土块，而且受到残茬、秸秆及杂草等影响，播种后种子可能不会很好的与土壤保持接触，而且大块的土壤保水能力较差，容易跑墒，从而导致种子吸水难，容易导致发芽不整齐，出苗困难，甚至发生缺苗断垄。通过镇压器的作用，播种作业的同时进行土壤镇压可减少土壤中的大孔隙，减少水分蒸发，有利于保墒。同时能够促使种子与土壤更好地保持接触，有利于吸收水分。进行垄作免耕播种时，选用的尖角式开沟器开沟较窄，而且垄作免耕种植中土层的颗粒偏大，土壤与种子的接触程度受到较大影响，因此需要设计性能好的镇压器，确保镇压效果。本设计采用浮动式镇压机构，镇压部位的外圆直径为400mm，宽度为50mm。镇压器的连接杆上安装有弹簧，有利于更好保证压紧作用，促使镇压部位始终能够与地表接触，避免镇压部位被架空不转动，影响压实效果（镇压器结构见图5）。作业时两边的压实轮沿着垄沟滚动，对垄沿进行压实，依靠镇压轮上的圆环部件镇压播种带，圆环设计成活动式，可以根据需要确定圆环部件的数量及镇压位置。

3 垄作免耕播种机整机三维模型

垄作免耕播种机整机结构设计及建模见图6。播种时播种机与驱动的拖拉机通过悬挂装置实行三点连接，地轮行走时，同时驱动排种器、排肥器工作，通过排种盒、排肥盒中的传动系统，化肥从肥箱通过外槽轮、排肥管下落到沟中，种子通过排种管以及开沟器后面的播种管部件进入土壤，自行回土后再通过镇压器镇压。可一次性完成开沟、施肥、播种、镇压等多项作业，有利于减少机器进地次数，解决原垄破坏导致的播种质量问题。

4 结论

垄作与保护性耕作相结合是目前发展迅速的一项重要技术，本文针对两项技术结合发展过程中的问题，研究垄作免耕播种机的三维建模技术，对垄作免耕播种机的机架、开沟器、种肥箱、镇压器、地轮、修垄装置等主要部件进行三维模型建立，为开发适应不同农艺条件的播种机提供技术支撑，有利于推广垄作与免耕相结合的技术。

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