小麦宽苗带前后双镇压播种机的设计与试验

位国建，史嵩，周纪磊，刘虎，张荣芳

（山东省农业机械科学研究院，山东济南 250100）

我国人均粮食占有量持续高于世界平均水平，对于我国粮食安全具有重要意义［1］。2019-nCoV新冠肺炎疫情对世界各国粮食安全的冲击，进一步证明粮食是中国生存发展的国之重器。作为影响小麦稳产、高产的关键因素，机械化播种质量的提升已经成为小麦生产“藏粮于技”战略的重要一环［2，3］。

为提高播深一致性和播种均匀性，国内外学者研发出不同形式的小麦播种机［4，5］。小麦播前科学整地是实现小麦苗齐苗壮的基础。玉米秸秆还田能够增加土壤有机质含量、改善土壤团粒结构，已成为重要的小麦增产稳产措施［6-9］。但若配套技术不到位，会使土壤变得疏松、空隙增大、失墒较快，且易导致小麦播种深浅不一致、根系扎不牢等不良现象发生，不利于小麦的正常生长［10］。目前对于播前土壤压实大多采用滚筒或压实机具进行，尚没有播前整地同时镇压、播后二次镇压的复合机具，以致播种苗床不整齐，影响小麦出苗及后期生长［11-13］。

针对以上问题，本研究设计了一种具有良好播深一致性、播量均匀性、作业高效性，且适应于黄淮海地区小麦种植的小麦播种机。相对于传统小麦播种机，该机采用驱动耙碎土整地，在犁耕后同整地机具联合播种，可一次性完成碎土、整平、镇压、播种、覆土、再次镇压等作业。播前镇压可增加土壤密实度，形成整齐苗床，播种后二次镇压，土壤被压实，墒情得到保护，利于后续小麦正常生长。该机播量均匀，播深一致，能促进小麦产量的提升［14］。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构及技术指标

该机主要由驱动耙和播种机组成，整机结构如图1所示。驱动耙和播种机由折叠架连接，驱动耙部分包括机架、肥箱、驱动耙和前镇压轮，前镇压轮与驱动耙体采取分体式结构，用拉板固定连接；播种机部分包括种箱、排种器、圆盘开沟器和后镇压轮，其主要技术指标见表1。

1.2 工作原理

在播种作业时，驱动耙通过三点悬挂机构与配套拖拉机进行连接。拖拉机动力输出轴输出动力，由变速箱强制带动驱动耙做回转运动，驱动耙刀齿将表土细碎，前镇压轮进一步破坏土块、压实土壤，为实现精量播种等机械化播种作业创造良好条件，满足播前整地农艺要求。排种器将种箱内种子排出，经导种管进入开沟器，开沟器内前后交错布置散种管，实现小麦宽苗带播种。播种后通过后镇压轮二次镇压，压实播种苗带，实现株距、播深一致。播前镇压可增加土壤密实度，形成整齐苗床，播种后二次镇压，土壤被压实，墒情得到保护，利于后续小麦的正常生长。

表1 2BF-25小麦宽苗带前后双镇压播种机主要技术指标

2 关键工作部件设计及工作过程分析

2.1 驱动耙设计

驱动耙是一种先进的整地机械［15］，是秸秆灭茬还田的最佳选择，主要由机架、变速箱、耙刀及镇压辊等组成。驱动耙可一次性完成深度碎土和播前镇压作业，打破犁底层而不破坏土层结构，耙后镇压形成“上实下虚”的种床［16］。驱动耙的运动轨迹为余摆线，是以耙刀刀盘中心为轴心的回转运动和机具前进的直线运动的合成，其运动轨迹示意图见图2。

图2 耙刀运动轨迹示意图

设耙刀回转中心O为坐标系原点、耙刀绕刀盘中心线做半径为R的回转运动，x轴正方向为机具前进方向，垂直向下为y轴正方向。设刀刃点M的坐标为M（x，y），则建立耙刀的运动轨迹参数方程为：

式中：R—刀齿转动半径，m；t—时间，s；ω—耙刀回转角速度，rad／s；Vm—机具前进速度，m／s。

将上式对t求导得到：

则耙刀的切削速度为：

按照机具整地要求和前人设计经验，当刀具切向速度沿X轴负方向时，耙刀的切削速度应大于机具前进速度，即V＞Vm，为达到较好的碎土效果，要求耙刀的圆周速度要大于机具前进速度的2倍。本机耙刀回转半径 R为155 mm，机组前进速度为4～8 km／h，计算可得耙刀旋转切向线速度67～333 m／min。

2.2 排种装置

2.2.1 排种装置的选型 小麦播种技术与装备的提升，其核心内容是排种装置的优化创新［17-20］。小麦排种装置作为播种机关键技术载体，其工作性能直接决定了播种机的工作效率及播种质量的优劣［21］。槽轮式排种器是谷物条播机上广泛采用的一种排种装置，主要由排种盒、排种轴、槽轮及隔板等组成。槽轮转动时，凹槽内和带动层的种子均被排出，排种量比较稳定［22］。外槽轮排种装置的排种量大小主要决定于槽轮的转速和长度，故一般条播机在前进速度一定的前提下，通过调节槽轮的工作长度来实现播量变化。

2.2.2 排种装置参数确定 小麦适宜播量是协调好群体和单株发育的关键，根据农艺要求计算条播小麦播种量 Qb为 300～420 kg／hm2。

槽轮直径 d由排种量公式（4）计算［23］：

式中：L—槽轮有效工作长度，cm；γ—麦种密度，为 0.82 g／cm3；α0—麦种填充系数，取 0.8；k—带动层特性系数，取0.3；D—多功能行走轮直径，为0.48 m；b—每组槽轮机构对应的播宽，为 0.12 m；δ—行走轮滑移系数，取 0.03～0.07；i—排种槽轮与多功能行走轮的传动比，为0.12。

将数值代入式（4）可得：

16.44 cm2≤dL≤23.91 cm2。

播量一定时，槽轮有效工作长度过小会阻碍种子流动，槽轮直径过大导致转速降低，影响排种均匀性；直径过小又必须提高转速，会增加麦种损伤率［24］。综上所述，取 d为42 mm，L为40～57 mm，从而得理论排种量 Ql为11.33～13.22 g／r。

2.3 镇压轮设计

镇压轮的作用是增强土壤与种子的密接程度，播后镇压可以压实畦面，减少土壤中的空隙，有利保水、保墒［25］。

镇压轮正常转动的条件：

式中：f—土壤对镇压轮的摩擦系数；ωr—轴套中的摩擦力矩（N·m）；R—镇压轮半径（m）；Q—镇压轮重力及其附加载荷（N）。

为了使它有较大翻越性，增大土壤的压碎率，减少土壤的移动，使播种后种行较平整，覆土一致，将镇压轮直径设计为350 mm。

3 田间试验设计

3.1 试验条件

2019 年，在德州市齐河县齐立新农业合作社对设计的2BF-25小麦宽苗带前后双镇压播种机进行田间试验（图3）。该地块墒情较有代表性，符合农业机械试验条件。土壤质地为壤土，地势平坦，全耕层土壤含水率为16.5%。试验种子济麦26，千粒重为45 g左右。播种量设定为195 kg／hm2，播种深度3～5 cm。试验区长度为50 m，前后两端各保留20 m准备区。

图3 样机田间试验

3.2 试验方法

根据GB／T 9478《谷物条播机试验方法》和NY／T 1143—2006《播种机质量评价技术规范》对2BF-25小麦宽苗带前后双镇压播种机的技术参数和工作指标进行现场检测。试验测试内容主要包括整地质量、麦种分布情况和机具通过性等，测试设备有钢卷尺、钢直尺、电子秒表、电子天平、数显卡尺、土壤水分速测仪、环刀组件等。

3.2.1 整地质量 耙深与耙深稳定性系数用来表征驱动耙整地质量。利用钢直尺沿机具前进方向间隔2 m左、右各测定一个点，单次行程共测25点，重复3次。耙深计算式：

式中：aj—第 j个行程的耙深平均值，cm；aji—第 j个行程中第i个点的耙深，cm；nj—第 j个行程中的测定点数，为25。

耙深稳定性系数Uj：

3.2.2 麦种分布情况 苗带内小麦种子分布均匀性通过麦种横向、纵向分布频率直方图来表达［26］。小麦播种机作业后，利用10 cm ×25 cm的矩形框沿机具前进方向每隔2 m测定幅宽内

式中：C—播种深度合格率，%；Ns—播种深度满足要求测试点数；Nt—总测试点数。

3.2.3 机具通过性 评价播种机的通过性，通过测试播种机在全量玉米秸秆还田下连续作业250 m行程，试验3次，往返行程内均不发生堵塞或者仅有一次轻度堵塞，视为合格［27］。不同位置麦种坐标及数量，测试3个行程，每个行程测25点，绘制麦种横向、纵向分布频率直方图，并计算麦种深度合格率。麦种播深合格率计算式：

4 结果与分析

田间播种均匀性试验时，试验样机工作速度在6 km／h，各可调节工作部件均调整至最佳，田间试验效果如图4。

图4 种子分布情况

由试验结果（表2）分析可知，该播种机各行排量一致性变异系数3.0%，播种均匀性变异系数为14.2%，播深合格率为 93.6%，断条率0，土壤容重较之前提升0.193 g／cm3。根据测试情况，机具作业速度在6 km／h时作业效果良好，主要技术指标均优于评价要求。

表2 检测过程中各项指标的测试结果

从图5、图6可知，在设置的75个检测点内麦种数量集中分布在29～30粒，播种深度集中分布在3.0～3.5 cm，说明该机作业后麦种的横向、纵向分布均匀性较好，利于后续小麦的正常生长。

图5 麦种数量横向分布对比频率

图6 麦种数量纵向分布对比频率

5 结论

（1）根据小麦种植的农艺要求，设计了2BF-25小麦宽苗带前后双镇压播种机。该机结构紧凑合理、性能优良，可实现小麦宽苗带播种。该机主要由机架、肥箱、驱动耙、前镇压轮、种箱、排种器、后镇压轮等部分组成，可实现播前播后双镇压。

（2）针对小麦宽苗带前后双镇压播种机关键工作部件设计及工作过程分析，分别对驱动耙、排种装置和镇压轮进行了设计计算，耙刀回转半径为155 mm，槽轮直径为36 mm，槽轮长度为36～42 mm，镇压轮直径设计为350 mm。

（3）田间试验结果表明：2BF-25小麦宽苗带前后双镇压播种机主要技术指标均优于评价要求，各行排量一致性变异系数3.0%，播种均匀性变异系数14.2%，播深合格率93.6%，断条率0，土壤容重较之前提升了0.193 g／cm3。该机工作稳定，排种均匀性良好，种子在田间分布均匀合理，满足国家相关的标准要求和地区的农艺要求。