播种机多用途少耕刀轴及施肥播种系统理论研究

薄满如

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

1 研究背景

山西省地处黄土高原，是典型的干旱和半干旱地区，主要农作物为一年一熟小麦，一年一熟玉米，小麦、玉米、大豆一年两熟和两年三熟，一年一熟谷、黍等小杂粮。由于常年受水土流失和干旱等自然灾害影响，粮食产量低而不稳，严重地制约了农业的可持续发展。针对存在的实际问题，从1992 年开始，山西省从澳大利亚引进机械化保护性耕作技术，在临汾市尧都区城隍村丘陵旱地区，进行了一年一熟小麦保护性耕作技术和传统耕作技术对比试验，到2006 年，试验取得保土、保水、节本、增肥、增产和增效的试验效果，并通过了农业部技术鉴定。之后，保护性耕作技术在全国得到快速发展。到2016 年，山西省不同类型和不同作物种植地区，实施保护性耕作面积近113.3×104hm2，保护性耕作技术的推广应用已进入一个全面、快速的发展时期。但是，在保护性耕作技术推广过程中还存在很多问题，特别是现有保护性耕作关键配套机具——播种机生产用途单一、适应性不强，经济效益较差等问题尤为突出，保护性耕作播种机问题成为推广保护性耕作技术的难点、重点和热点问题。最近几年，我国各地研制开发了不少保护性耕作技术配套的播种机械。这些播种机针对性很强，一般针对一种农作物种植方式，在特定的保护性耕作技术条件下使用。比如，山西运城大渠播种机厂生产的2BMF-4 型、3 型、2 型玉米免耕播种机，仅适用于一年一熟玉米区；2BMF-11型、9型、7型小麦免耕播种机，仅适用于一年一熟小麦区；这些播种机利用率较低，价格较高（4 580～6 680 元/部），并受免耕播种后地表杂草难以控制和播种玉米用种量较大（2～2.5 kg/0.067 hm2）的影响，农民积极性不高，播种机年作业面积较少（10～20 hm2/部），农机户经济效益较差，严重地影响保护性耕作技术的推广应用；河北农哈哈生产的2BCYF 型仓转式和2BCYQF 型气吸式系列玉米播种机，解决了玉米精量播种问题，但只能在少耕处理的地表播种作业，当地表秸秆覆盖量较大时存在播种堵塞问题。在小麦玉米一年两熟地区，因玉米秸秆粉碎后地表秸秆覆盖量较大，播种只能应用圆盘开沟旋耕播种机播种小麦，旋耕深度较深，地表全部旋耕，作业后土壤较虚，而且不能进行化肥深施，出苗弱、抗旱保墒能力较差。

2 研究目标

多用途播种机研究的主要目标是：通过对保护性耕作技术中免耕播种和少耕播种技术的研究，将免耕和少耕播种技术优化统一到一种播种机上来完成，实现秸秆覆盖地表少免耕施肥播种联合作业，一机多能，一机多用，提高播种机的利用率和生产效益，提高播种机的作业质量，降低播种生产成本，完善不同地区和不同作物保护性耕作技术体系，提高保护性耕作业技术水平，规范播种机标准化生产。

播种机能够快捷方便地调整和更换作物排种器和播种开沟器，以适应玉米精量播种和多种农作物播种要求，扩大用途；能够方便调整播种行距，以适应多种作物种植制度的播种需要，扩大适用范围；能够方便调整耕作深度，选择条带免耕（旋耕深度10～18 cm）和少免耕（旋耕深度0～6 cm），以适应不同量的秸秆覆盖地表播种通过性要求，提高生产质量；能够选择高速播种作业（＞4 km/h），增加播种生产效益。

播种机总体结构要求紧凑、坚固、体积小、质量轻，适用于拖拉机液压全悬挂作业，传动部件安全可靠，操作技术容易掌握。具体的播种性能要求如下。

对小麦一年一熟地区，在小麦高茬秸秆地表覆盖量较大（产量＞200 kg/0.067 hm2）或深松后地表留有较大的深松沟，选择条带免耕播种小麦作业（见图1）；在小麦高茬秸秆地表覆盖量较小或小麦秸秆粉碎覆盖的地表或少耕后的地表选择少免耕播种小麦作业（见图2），播种质量符合高标准保护性耕作技术要求。

图2 播种机免耕播种后地表及土壤横断面示意图Fig.2 The schematic diagram of surface and soil cross section after no tillage sowing of planter

对玉米一年一熟地区，在玉米秸秆直立状态下选择直接条带免耕精量播种玉米作业；在玉米秸秆粉碎覆盖地表量较大（产量＞500 kg/0.067 hm2）的状态下选择条带免耕精量播种玉米作业；在玉米秸秆地表覆盖量较少或少耕过的地表选择少免耕精量播种玉米作业，播种质量符合高标准保护性耕作技术要求。

对小麦、玉米一年两熟和小麦、豆类、玉米两年三熟地区，在小麦留高茬覆盖地表状态下选择条带免耕精量播种玉米或大豆作业，在玉米秸秆直立（产量＜300 kg/0.067 hm2）或秸秆粉碎覆盖地表（产量＞500 kg/0.067 hm2）状态下选择条带免耕播种小麦作业，播种通过性好，适应性好，播种质量符合高标准保护性耕作技术要求。

对小杂粮一年一熟轮作倒茬地区，在根茬固土地表状态下或少耕地表选择条带免耕播种或选择少免耕播种播种谷黍、攸麦、胡麻等播种作业，播种质量符合保护性耕作技术要求。

3 创新研究

3.1 设计方案

重点阐述多用途播种机刀轴系统的设计。播种机机架为框架结构，前部中间安装变速箱体，变速箱两侧安装旋耕刀轴，旋耕刀轴按条带旋耕原理排列分布（见图3），在技术结构上保证了条带免耕和全部少免耕的应用选择；机架后部安装箭铲式施肥播种开沟器，硬茬入土开沟能力强，在技术结构上保证了免耕开沟施肥播种所需要件；施肥开沟器在前，播种开沟器在后，提高播种通过性；施肥播种开沟器分前后两排交叉错位配置，前排插入旋耕刀内，后排紧贴旋耕刀，缩短了播种机纵向尺寸，紧凑了播种机结构，在技术结构上解决了大量秸秆覆盖地表情况下播种机的通过性问题；开沟器能够调整到旋耕刀下方，实现播种机条带免耕或少免耕播种任务；根据需要卸掉箭铲式施肥播种开沟器，整体换装上玉米精量排种器和开沟器，保证玉米精量播种；机架后部安装为可调整为浮动或固定的整体镇压轮，根据作业土壤墒情选择固定镇压轮对播种行进行强镇压，同时对旋耕深度和播种深度进行限深，选择浮动镇压轮时，减轻对播种行的镇压强度；镇压轮对播种行进行对行镇压，解决播种行压实问题；机架上部安装肥箱、种箱和排肥器、排种器，排肥器为大槽轮排肥器，排种器为小槽轮多用途排种器，保证播种小麦、谷黍、胡麻、攸麦等小颗粒作物，同时能常量播种玉米、大豆；排种器、排肥器的驱动力在播种机两侧由镇压轮驱动，通过链条传动机构来传递。

图3 旋耕刀轴排列、施肥播种开沟器配置示意图Fig.3 The schematic diagram of rotary tillage knife shaft arrangement,fertilization and sowing ditcher configuration

播种机变速箱为速度可调变速箱，有3种速度可供选择，第1 种速度为旋耕刀转速为285 r/min，第2 种速度为旋耕刀转速为310 r/min，第3种速度为旋耕刀转速为345 r/min，不同的转速以适应地表墒情和地表秸秆覆盖量的大小，有效防止播种机作业堵塞现象的发生，保障作业质量，提高播种作业速度。

3.2 播种机关键技术

在生产技术上，解决播种机在秸秆直立或大量秸秆粉碎覆盖的免耕地表一次作业完成条带免耕施肥播种小麦、玉米、大豆或玉米精量播种的播种机通过性问题和作业质量问题；解决少量秸秆覆盖地表或少耕秸秆覆盖地表一次作业完成少免耕施肥播种小麦、玉米、大豆、谷黍、攸麦、胡麻或玉米精量播种的播种机通过性问题和作业质量问题；解决施肥播种同沟，种、肥有效分层问题；提高播种机作业速度到4～5 km/h；提高播种机的适应性，适用于小麦、玉米、杂粮一年一熟地区和小麦、玉米、大豆一年两熟和两年三熟地区多种农作物播种，适用于多种秸秆覆盖地表和少耕秸秆覆盖地表模式的农作物播种；提高播种机标准化生产水平，降低播种机作业故障率。

在播种机技术结构上，解决播种机多种用途、多种功能与结构紧凑的矛盾；完成旋耕刀条带旋耕分布排列，并与施肥播种开沟器合理配置，实现条带免耕播种和少免耕播种等多项作业模式选择；优化施肥开沟器和播种开沟器同沟配置结构形式，保障种、肥同沟有效分层；整体组合玉米精量排种器和开沟器，与播种机机架方便快捷整体配套安装。

3.3 技术创新点

3.3.1 旋耕刀排列

与一般旋耕机的旋耕刀排列不同，旋耕刀按条带耕作原理排列，提高作业后秸秆覆盖率和对秸秆、根茬的切碎率。作业时，旋耕刀条带旋耕深度10～18 cm，宽度18 cm，免耕带宽度7 cm，碎秸秆在旋耕刀的作用下有效地向免耕带集中覆盖，提高播种质量，降低动力消耗，施肥播种开沟器在条带旋耕带内施肥播种，实现条带免耕播种。见图4、图5。

图4 播种机旋耕刀条带排列示意图Fig.4 The schematic diagram of strip arrangement of rotary tillage knife of planter

3.3.2 开沟器与旋耕刀的配置

开沟器与旋耕刀按前后两排交错配置，第1 排播入旋耕刀内，第2 排紧贴旋耕刀，相对增大了开沟器间的距离，提高了播种机的通过性。作业时，旋耕刀旋转清理开沟器上挂草，有效地防止了堵塞。开沟器能够调整到旋耕刀之下4 cm，作业时，旋耕刀入土0～6 cm，开沟器入土7～9 cm施肥播种见图5。

4 播种机系统工作过程

播种机工作原理见图6。

作业时，拖拉机动力通过动力输出轴传递给播种机变速箱，旋耕刀旋转将地表部分秸秆或作物根茬切碎，当选择条带免耕播种作业时，条带旋耕部分入土10～18 cm、旋耕宽度为18 cm，在相邻两播种行间留有宽度为7 cm 的免耕秸秆覆盖带；当选择少免耕播种作业时，旋耕刀入土0～6 cm 进行地表处理、施肥播种。播种机工作中，地表碎秸秆在旋耕刀和开沟器的作用下向播种行间免耕带分流集中覆盖，减少播种行的秸秆覆盖量，增加非播种行间的秸秆覆盖量，并将没有切碎的秸秆通过旋耕刀的旋转带回到播种机前方进行二次切碎；插入旋耕刀内的施肥播种开沟器在两侧旋耕刀旋转的作用下防止开沟器挂草堵塞；紧随旋耕刀后的施肥播种开沟器，在旋耕刀的旋转作用下，清理开沟器前的挂草防止开沟器堵塞；施肥播种开沟器前后交叉错位，增大了开沟器间距，增大了土壤和秸秆通过空间，防止了开沟器堵塞。施肥播种开沟器随着播种机前进，开沟施肥、覆土覆肥，后拖磨播种开沟器在施肥行沟拖磨平沟，对施肥沟再次覆土覆肥，并磨平播种沟再进行排种覆土，完成施肥、播种、覆土任务。施肥播种开沟器出肥口与出肥口前后、上下都设计有一定间距，保证种、肥同沟上下有效分层，种、肥间距为4～6 cm。镇压轮为对行镇压，并对播种沟增加覆土，压实播种行土壤，使施肥、播种行土壤严实。镇压轮通过传动链将动力传递给排肥、排种器进行排肥、排种。根据播种农作物要求更换玉米精量排种器即可完成玉米精量播种任务。