保护性少耕作业耕整播一体机设计与配套动力研究*

2023-02-16赵永来王利鹤牛文学冯瑞龙

南方农机 2023年5期

赵永来，王利鹤，牛文学，高伟，李盼，樊琦，冯瑞龙

（内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古包头 014109）

0 引言

农业机械化作为农业生产的重要基础、粮食安全的重要保证，逐步受到国家相关部门和地方各级政府的高度重视，农机装备在《中国制造2025》中被列入十大重点领域之一，其发展已被提升至国家战略层面。因此，推进保护性耕作的发展，加快绿色智能农机装备研发和节本增效，加快农业机械化技术推广应用，促进农机节能减排，助力实现农业碳达峰、碳中和具有至关重要的意义[1-3]。

目前，发展机械化玉米大豆带状复合种植技术是实现时空集约化、集约利用资源的有效途径[4]。玉米和大豆作为我国重要粮食作物，在耕、种、播等主要生产环节的机械化率稳步提升，已基本实现了单作全程机械化作业。然而，由于我国玉米和大豆耕整播作业机具研发起步较晚，发展水平相对于发达国家还比较落后，目前现有的玉米耕播机械功能单一、衔接性差、作业效率处于较低水平，且对耕层结构破坏严重，机械化复合作业水平与农艺要求难以深度融合。为提高深松整地作业效果，同时提升播种环境质量，解决现有农业装备中存在的模式单一、机具衔接错配等问题，加快实施国家粮食安全与乡村振兴战略，内蒙古农业大学职业技术学院现代农业装备应用技术团队以先进适用的农机装备为载体，以绿色增产的农艺要求为内容，开发出集深松、整地、施肥、播种于一体的综合机具，简称耕整播一体机。通过耕、整、施、播环节集成化作业模式，实现农机农艺深度融合，提高粮食生产效率，对提高一体机作业质量、减少劳动成本、提高肥料利用率，实现玉米与大豆增产具有重要实践意义[5]。

本研究针对内蒙古沿黄地区保护性耕作技术尚未成熟，播种机、施肥机、深松机等存在功能单一、智能化程度低等现状，围绕智慧农业关键核心技术，紧密结合农机农艺，研发保护性少耕作业耕整播一体机，对一体机作业过程中各功能部件的功率消耗进行了分析与计算，并给出了一体机动力匹配的要点与方案，为农业机械的生产与使用提供了科学的技术指导。

1 保护性少耕作业耕整播一体机设计要求

1.1 田间作业农艺模式要求

本研究主要以内蒙古包头国家农业科技园区核心区——“中国·敕勒川现代农业博览园”为主要数据融合平台和技术核心区，以包头农业科技园区为技术示范区，以内蒙古整个沿黄区域农业为主要的数据采集和技术辐射带动区域，针对内蒙古沿黄区域保护性耕作、科技示范和服务等方面，开展保护性耕作关键技术的研发和应用，通过查阅文献及调研，课题组所设计的耕整播一体机需要满足以下农艺要求[6-8]：

1）配合禾豆间作复合系统，利用豆科固氮、保护性少耕免耕等方式，降低土壤碳损耗。

2）深松过程中保持深度一致，且满足农艺要求所需的作业深度（≥200 mm）。

3）具备良好的碎土效果及植被埋覆效果，旋耕作业后能快速完成镇压作业，提供上虚下实的种床环境。

4）深松分层施肥要求第一层距离土地表面5 cm左右，第二层距离土地表面12 cm～15 cm，第三层距离地面20 cm左右，排种及排肥量均匀一致，肥料吸收利用率高，种肥施播能达到指定位置与播深。

5）种子播深一致，且在排出时破损率较低，整机功率消耗满足使用要求。

1.2 一体机作业要求

根据土默特右旗天惠农民专业合作社4.8万亩大豆玉米带状复合种植耕地的技术要求及生产条件，课题组所设计的耕整播一体机应满足以下要求。

1）具备损耗低、质量高的碎土整平能力，在不破坏原有保护性耕层土壤结构的同时，能够提供优质的种床条件与营养环境，实现多机具高效复合式作业，动力消耗分配更加合理。

2）集成深松、分层施肥、旋耕、播种等传统工作模式，一次作业实现深松、碎土整平、沟播分层施肥、开沟播种等功能。

3）能够实现种肥同播，大幅提高肥料的利用率及作物吸收效率，播种间距、深度一致，有效利用土壤环境，提高田间出苗率。

4）通过优化深松、分层施肥、播种方式，提高种肥、期肥、秋收前肥的施播精准度。

5）减少机组对保护性耕作土壤的压实破坏，整机结构简洁、紧凑，在保证作业质量及作业效率的情况下减少功耗损失、人力投入，操作方便可调，工作可靠性与稳定性高。

2 耕整播一体机结构设计与工作原理

2.1 耕整播一体机整机设计方案

紧密结合农艺要求确定整机的作业方式，提出了耕整播一体机整机设计方案并确定了一体机作业技术参数，根据选定参数进行一体机整体结构及传动方式的设计，保护性少耕作业耕整播一体机结构设计思路图如图1所示。通过三维制图软件对深松铲等关键工作部件进行参数化设计及模型搭建，在三维模型基础上对主要工作部件进行仿真受力分析，获得零件失效阶段的测量值，用离散元法进行一体机关键部件的优化设计，探究其对抛土及碎土性能的影响规律；根据JB/T 8401.1—2017《旋耕联合作业机械第1部分：旋耕施肥播种机》评定标准对机具的耕深、碎土率、排种排肥量等指标进行现场测试与验证，实施整机田间作业测试及作业质量评定。

图1 保护性少耕作业耕整播一体机结构设计思路图

2.2 一体机主要尺寸和技术参数确定

本研究以土默特右旗天惠农民专业合作社耕地为试点，开展内蒙古沿黄区保护性少耕作业技术的研发与示范，结合当地农艺模式及合作社生产要求，确定一体机主要尺寸和作业技术参数，如表1所示。

表1 耕整播一体机作业技术参数

2.3 一体机整机结构与工作原理

课题组设计的耕整播一体机结构如图2所示，整机主要包括施肥装置、旋耕机、风机、播种单体总成部分与传动连接部分。施肥装置主要包括肥箱、驱动电机和调肥机构、分层施肥钩、排肥盒等；旋耕机部分主要包括旋耕机机架、齿轮箱及传动装置、旋耕刀、刮土板等；播种部分主要包括主梁、单体（含玉米种箱与大豆种箱、宽窄两种限深轮、排种器总成以及宽窄两种镇压轮、破茬波纹盘）、地轮、变速箱等。整机通过三点悬挂方式与拖拉机连接。齿轮箱输入轴由拖拉机输出万向节处获得工作动力，侧输出端连接驱动旋耕部分作业，后输出轴通过联轴器驱动风机，播种机利用风机产生负压将种子吸附在排种盘上。

图2 耕整播一体机结构图

一体机作业过程中，首先由深松铲对保护性农田土壤进行深松作业，由直流电机驱动肥箱下部阶梯排肥盒，排肥轮转动输出肥料，经分层导肥管施入土壤中，实现阶梯施肥（通过调节变频电机转速控制施肥量）；而后由旋耕机进行碎土整平并迅速镇压，为玉米与大豆种子生长提供良好的种床环境，最后进行播种作业。通过一体机一次入田，同时完成深松、施肥、整地、镇压、播种等多项作业。一体机作业过程中，地轮作为播种单元动力源，通过链轮、四方轴驱动变速箱，经过变速箱调整转速后驱动排种器，进行送种播种。

3 耕整播一体机作业功率与配套动力

由耕整播一体机结构与工作原理可知，机组的功率由拖拉机克服滚动阻力消耗的功率及一体机作业消耗的功率两部分组成，一体机在前进过程中存在的功率消耗主要包括深松铲、旋耕机碎土整平以及播种机排种器开沟排种三部分，旋耕机碎土辊镇压整平以及禾豆间作镇压主要作用于土壤表层，损耗功率与整体相比可以忽略，因此不加入计算。综上，得出一体机总功率消耗计算公式如下[9-11]：

式中，P0——一体机理论功率消耗（kW）；P1——深松机功率消耗（kW）；P2——旋耕机功率消耗（kW）；P3——播种机功率消耗（kW）。

3.1 深松机功率消耗

单项深松是一种纯牵引性作业，功率消耗计算公式为[12-13]：

式中，FT——拖拉机额定牵引力（kN）；Vm——一体机前进速度（m/s）；n——深松部件数量；q0——深松比阻（kN/m2），一般取中等值46 kN/m2；A——松土区面积（m2），结合实际深松深度取0.164 m2。

根据一体机技术规格，作业速度为6 km/h，设计取Vm=1.67 m/s，深松铲数量为4个，按公式（2）计算深松机功率消耗，得出P1=50.39 kW。

3.2 旋耕机功率消耗

旋耕机工作过程中，旋耕刀碎土整平是功率损耗的主要原因，功率损耗大小主要取决于机具自身工作参数以及土壤环境，由《农业机械设计手册（上册）》[13]可知，影响功率消耗的主要因素有前进速度、耕作深度、刀具转速等。机具前进速度越快，受到的工作阻力也越大，在其他作业条件一定时，旋耕机损耗功率随前进速度的增加而近似线性增大；耕作深度增加会加大旋耕刀作业受力面积，从而增加作业阻力，提高作业功耗损失；在其他工作参数不变情况下，功率损耗随刀辊转速增加而呈线性增加趋势。目前，单项旋耕作业的功耗可根据旋耕比阻法[13]计算，公式如下：

式中，kλ——旋耕比阻（N/cm2）；B——作业幅宽（m）；h——耕作深度（cm）。

由表1作业要求及联合整地机技术规格可知，h=12 cm，B=2.4 m，按设计手册[13]取kλ=6.955 N/cm2，按公式（3）计算旋耕机功率消耗P2=33.45 kW。

3.3 播种机功率消耗

一体机播种部分采用双圆盘式开沟器开沟播种，通过圆盘分割土壤，继而通过排种器均匀播种，圆盘开沟器前进阻力的主要来源为土壤对圆盘的摩擦阻力。查阅资料可知，单个双圆盘开沟器工作深度一般为4 cm～8 cm，单个开沟器工作平均阻力为80 N～160 N，课题组所设计的一体机共采用4个圆盘开沟器，通过经验公式计算播种机的功率损耗如下[14]：