大型小麦小垄沟免耕施肥播种机研制与试验

2020-02-07李增宏

农业工程 2020年12期

李增宏

(山西省农机发展中心，山西太原 030002)

0 引言

随着我国现代农业的快速发展，为配合“十四五”发展规划，以土地流转为代表的大型家庭农场越来越多，以土地代管、托管等形式的土地经营规模越来越大。引导农户依法自愿有序流转土地经营权，鼓励农民通过互换承包地、联耕联种等多种方式，实现打掉田埂、连片耕种，解决农村土地细碎化等系列问题，以适应当前大中型农业机械耕种模式，成为当务之急。

近年来，农业规模化与农机配备种类不同步，现有农机产品种类少、机型小、作业性能较差、作业效率偏低且生产成本高，在一定程度上制约了规模生产与现代农业建设进程[1-5]。小麦播种过程中应解决的难点包括以下4个方面。一是小麦播种行距窄，处理结构紧凑与播种行距窄的矛盾和通过性的矛盾。二是大型农机具质量大，如何处理全悬挂与拖拉机悬挂臂强度和升降力度的矛盾及拖拉机前后平衡问题。三是小垄沟播种技术，处理土壤虚实条带并存，沟底中间施肥、肥侧播种小麦，一沟一行肥、两行种等小麦栽培技术问题。四是镇压轮与施肥播种开沟器距离近，如何处理施肥播种开沟器与仿形镇压轮构成单体仿形机构，完成播种行内秸秆含量少，满足播种覆土严实的技术要求问题。

于兴瑞等[6]设计了小麦气力式高效免耕施肥播种机，采用集排式气流排种/肥装置，利用同一风道对排出的种子和肥料进行同时输送，在保证种/肥同步的同时提高排种/肥的效率和均匀性，利用燕尾槽式布种器进行布种作业，达到宽苗带效果。周辉[7]对开沟破茬装置和镇压装置进行理论分析和设计，取代了小麦免耕施肥播种机的动力灭茬装置，直接利用开沟器进行破茬，完成播种。刁培松等[8]在深松施肥播种机的前端，增加两排深松铲，采用四三布置结构，实现隔年交替深松作业，从而达到两年全幅深松的目的；同时采用图解法对机组的牵引力进行了求解。杨艳山[9]通过研究确定了影响旋耕刀耕作质量的关键因素，结合仿真与试验研究结果为小麦带状旋耕播种机设计了一款适用于带状旋耕耕作的旋耕刀具。王志伟等[10]研发了一种同时完成深松、分层施肥、播种、覆土及镇压等作业的小麦深松分层施肥宽苗带精量播种机。

为促进大型全悬挂式农机具在农业生产中发挥专业化、集约化和规模化经营优势，本文研发了多用途播种机少耕刀轴，创新小麦小垄沟丰产新技术，开启了农机农艺融合技术与发展现代农业新模式。

1 确定技术研究方案

该播种机总体结构与拖拉机全悬挂连接，解决大型牵引式农机具体积大、机动灵活性差和使用不便的问题。①一次完成土壤条带耕作、施肥、播种和镇压等多项作业，降低作业成本，提高生产效率。②优化部件结构，解决体积大、质量大、重心偏后，以及与拖拉机难以全悬挂连接等技术问题。③采用少免耕土壤耕作部件技术，进一步切碎秸秆和根茬，实现土壤虚实并存，种床土壤耕作，非种床土壤免耕、秸秆覆盖、蓄水和保墒。

为防止秸秆堵塞，采用土壤耕作刀贴近施肥播种开沟器两侧转动，形成动定刀剪切技术，剪切掉挂在施肥播种开沟器上的秸秆、杂草和泥土，解决秸秆根茬堵塞播种机问题，有效提高播种机在秸秆覆盖地表情况下作业的通过性能。机械作业质量与小麦丰产密切相关，完成播种垄带土壤耕作、化肥深施、探墒沟播、小麦宽窄行种植和播种垄沟镇压；非播种垄带土壤免耕、秸秆集垄覆盖，形成小麦小垄沟丰产配套栽培技术，提高小麦通风透光性能，实现抗旱保水。

机架前两侧安装地轮限深、传动机构，使机具重心前移，镇压轮与施肥播种开沟器仿形机构浮动连接，形成施肥播种开沟和浮动仿形镇压一体机构，缩短纵向尺寸，使机具重心前移，保证机具与拖拉机全悬挂连接。

2 设备组成和工作原理

2.1 设备组成

该播种机由机架、悬挂架、变速箱、少耕刀轴、耕作刀片、地轮、种肥箱体、排种排肥器、施肥播种开沟器、镇压轮机构、刀轴动力传动机构和排肥排种器动力传动机构等部件组成。机具样机如图1所示。

机架上的三点悬挂架与拖拉机悬挂架连接，实现机具与拖拉机全悬挂配套。机架前两侧安装地轮，地轮上下位置可调，改变耕作刀轴对土壤的耕作深度，确保土壤耕作深度一致。地轮通过链传动驱动排肥排种器转动，完成排种、排肥任务。

拖拉机动力输出轴驱动传动轴带动变速箱转动，从而驱动少耕刀轴转动。少耕刀轴安装在机架前下部，刀轴上按照小垄沟播种技术要求，排列安装土壤耕作刀片。对施肥播种行的土壤进行耕作时，耕作宽度15 cm，形成耕作带，建立良好的种床。对两个相邻施肥播种开沟器之间的非播种行的土壤进行免耕时，形成免耕带，免耕带宽度18 cm，建立秸秆覆盖和免耕保墒垄。在少耕刀轴耕作刀片后面对应横向安装多个施肥播种开沟器，间距33 cm，上下位置能够调整，改变播种施肥深度。每个施肥播种开沟器，1个施肥管在前，施1行肥，2个下种管在后，上部并拢，下部分开，播种2行种。施肥管出肥口较下种管出种口低6～7 cm。在1个小麦施肥播种小垄沟内，沟底中间化肥深施10～12 cm，肥料两侧播种2行小麦，行距6～7 cm，播种深度3～4 cm，种肥水平间距3～4 cm，上下间距6～7 cm。

施肥播种开沟器后面安装浮动仿形镇压轮，通过弹簧调节镇压轮镇压，对施肥播种小垄沟进行土壤压实。机架上部安装种肥箱体，存放肥料和种子。种肥箱体下面安装排肥排种器，肥料和种子通过塑料管道一端分别与排肥排种器连接，另一端分别与播种施肥开沟器下肥下种管连接。

2.2 工作原理

在农作物秸秆直接粉碎覆盖地表情况下，拖拉机通过上拉杆和下悬挂臂与小麦小垄沟免耕施肥播种机三点悬挂架连接，拖拉机动力输出轴通过传动轴与变速箱动力输入轴连接，实现拖拉机与机具全悬挂连接。根据农艺要求和土壤墒情，调整播种量和施肥量大小；调整播种和施肥深度；调整镇压力度大小；通过调整拖拉机中央拉杆长度、左右下悬挂臂位置和拖拉机液压升降限位装置来调整旋耕刀入土深度，保证机组作业时的条带旋耕深度。

拖拉机动力输出轴驱动刀轴转动，随着拖拉机油门增大，旋耕刀转速达到作业转速，入土深度达到10～12 cm时进行条带旋耕，形成耕作带，在耕作带内的地表秸秆、残茬和土壤被旋耕刀切碎和混合后，向后抛出，通过播种施肥开沟器分流到两个相邻播种施肥开沟器之间的免耕带地表上，在碎秸秆、根茬和土壤混合物向后分流过程中，由于土壤较秸秆重，先于秸秆落地，保证了播种后免耕带秸秆覆盖率高，耕作带内土壤混入的碎秸秆、根茬量少，为播种提供了良好的种床。在两个相邻的施肥播种开沟器之间，前面对应的刀轴上没有安装旋耕刀，随着拖拉机前进，在两个相邻的播种施肥开沟器之间的地表免耕，形成免耕带。

旋耕刀在播种施肥开沟器两侧贴近旋转，及时清理掉播种施肥开沟器前的挂草和泥土，有效防止了秸秆在开沟器前堆积造成堵塞。播种施肥开沟器入土深度在8～12 cm时进行开沟施肥，播种入土深度在3～4 cm时进行排种，种肥行垂直间距4 cm，镇压轮对播种行进行镇压，保证播种覆土严实。镇压轮与播种施肥开沟器为仿形浮动连接，在播种沟内压实土壤过程中，上下浮动仿形，保证了播种后土壤压实度一致。另外，镇压轮在播种沟内镇压，镇压轮带动播种沟两侧土壤向沟内回落，形成2次覆土，保证播种覆土严实。

安装在机架前面的地轮通过链传动驱动排种、排肥器转动排种、排肥，种子和肥料通过塑料管道进入下种、下肥管完成排种、排肥任务。

3 关键技术

该播种机可实现大型施肥播种机与拖拉机全悬挂连接，在大量秸秆残茬覆盖地表情况下，一次作业完成土壤垄带少免耕、小垄沟播种施肥、镇压等多道生产工序。

3.1 主要设计参数

播种机主要设计参数如表1所示。

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表1 主要设计参数

3.2 技术创新点

(1)将直型旋耕刀变为直扭形旋耕刀，保留了直旋耕刀滑切土壤与地表秸秆残茬的技术特性，增加土壤左右分流装置，提高播种沟复土功能，减小耕作阻力，对土壤扰动小，播种覆土效果好。

(2)施肥开沟器增加了曲面开沟覆土翼板，开沟平顺性好，防堵塞能力强。

(3)在施肥开沟器上安装弹性仿形镇压机构(图2)，实现施肥开沟器与仿形镇压机构一体化。保证种床宽度和深度一致，覆土镇压严实。缩短了播种机纵向尺寸，减小播种机体积，使播种机重心前移，确保大型播种机与拖拉机全悬挂连接。

(4)种子在肥料下方5～7 cm，两侧3～4 cm处，形成18 cm+15 cm的宽窄行播种模式，窄行15 cm为沟，宽行18 cm为垄，形成小垄沟小麦丰产栽培模式。

4 田间试验

4.1 地块选择

选择不同地域进行生产考核。试验考核面积共15.33 hm2，播种作物为春小麦和冬小麦，试验地块为旱地和水地，地表条件为秸秆残茬覆盖。

2019年4月6—20日，在运城市空港区选择杂草较多、玉米根茬和玉米秸秆覆盖地表3种不同地块，进行多次试验。试验结果表明，作业速度5～7 km/h，小麦试验播种面积0.2 hm2，播种量225～270 kg/hm2，无堵塞现象发生，小垄沟成型，播种质量达到农艺技术要求。5月8日进行出苗监测，出苗率>93%，苗全、苗齐和苗壮，未出现缺苗断垄现象。

2019年5月7日，在呼伦贝尔农垦集团牙克石农场进行春小麦实地播种试验，选择小麦根茬和秸秆覆盖地块，春小麦根茬高度12～18 cm，秸秆残茬量1 500～2 250 kg/hm2，土壤性质为黑粘土，土壤含水率15%左右，播种作业速度7.2 km/h，施肥量225～300 kg/hm2，播种量225～300 kg/hm2，耕作深度12～14 cm，完成春小麦播种试验面积4.2 hm2。播种作业后，地表小垄沟明显，垄上秸秆覆盖率较高，小垄沟内土壤中秸秆含量较少，小垄沟土壤压实规范，播种深度一致，下种均匀，种肥分离间距稳定。5月22日，进行查苗监测，出苗率90%～95%，苗高4～6 cm，苗壮、苗齐和苗全，明显好于平播春小麦的出苗率。2019年9月25日，进行收获测产，小垄沟播种小麦产量4 980 kg/hm2，较平播春小麦增产15～20 kg/hm2，增产率5%～7%。

2019年9月28日，在运城市盐湖区进行旱地冬小麦实地播种试验，试验地表为前茬小麦根茬秸秆覆盖，残茬覆盖量1 500～2 250 kg/hm2，土壤含水率13%～15%，施肥量600 kg/hm2，播种量187.5 kg/hm2，作业速度7 km/h，测试作业面积0.53 hm2。从开始试验播种到结束，一切比较顺利，播种质量和生产效率用户比较满意。10月16日查苗，出苗率92%，播种深度一致，苗全、苗壮和苗齐。在旱地小麦区共服务作业面积5.73 hm2。

2019年10月10日，在运城市盐湖区进行水地冬小麦实地播种试验，试验地表为前茬玉米根茬秸秆覆盖。残茬覆盖量350～450 kg/hm2，玉米秸秆经过还田机粉碎，土壤含水率15%～18%，施肥量750 kg/hm2，播种量225 kg/hm2，作业速度5～6 km/h，测试作业面积共1.07 hm2。播种作业中，没有发生堵塞现象，播种沟内存在少量秸秆，播种深度一致，垄上秸秆覆盖较多，播种质量比较满意。10月25日查苗监测，出苗率>90%，苗高4～6 cm，苗全、苗壮和苗齐，没有缺苗断垄现象。在水地小麦区，共播种小麦面积5.4 hm2。2020年3月10日监测，小麦株高10～15 cm，平均分蘖2～3头，苗数825万～900万株/hm2，较传统播种小麦苗壮、苗齐。