玉米免耕分段式播种开沟器的设计与试验

窦金莲

(乾安县赞字乡综合服务中心，吉林 乾安 131400)

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物之一[1]，同时也是畜禽饲料和工业原料之一，具有广泛的应用价值。我国玉米主要分布在东北地区、华北地区和西南地区[2]。保护性耕作技术是目前应用最为广泛和应用效果最好的耕地保护技术，主要是指通过对土壤进行少耕和免耕，结合秸秆覆盖等技术，实现减少土壤侵蚀，保护生态环境，提高农业生产的生态效益、经济效益和社会效益。玉米免耕播种技术主要是在玉米秸秆残茬覆盖的地表上，利用免耕播种机进行玉米播种。玉米免耕播种技术对配套农机具要求较高，因此，提高免耕播种机工作质量是实现玉米免耕播种技术推广应用的关键和保障[3]。

开沟器是玉米免耕播种机的关键部件之一，主要作用是根据农艺要求，开出深浅一致、整齐的种沟，为玉米播种提供良好的土壤环境。但是目前玉米免耕播种机普遍存在播深不一致、均匀性差等问题，严重限制了玉米免耕播种机的应用与推广。

目前，在国内外相关研究中，主要集中在开沟器的结构参数优化及各种理论模型分析中，研究目标主要集中在降低开沟阻力和减少对土壤扰动，但是针对提高玉米免耕播种机开沟器播深一致性的研究较少。播种一致性直接影响玉米的出苗率和后期产量，是限制玉米免耕播种技术大面积推广应用的关键问题与技术，因此，对玉米免耕播种机开沟器进行结构参数优化对于提高免耕播种机的工作效率具有重要意义。

1 开沟器国内外研究现状

国内外相关学者对免耕播种技术研究较早，对开沟器的参数优化和实际应用效果等开展了大量研究。

1.1 参数优化

为了构建良好的种床环境，付彦涛等[4]研发一种气吸式玉米免耕播种开沟器，可以显著提高对土壤的输送能力，同时可以提高作物出苗率。王勇[5]提出一种在深施肥状态下玉米免耕机开沟器，并对开沟器田间作业性能和工作阻力的影响进行分析验证。李荣峰[6]为了提高开沟器田间作业性能，针对黏湿土壤设计一种玉米高效免耕播种机，对开沟器进行结构参数优化，在播种开沟过程中可以减少对土壤的扰动。

1.2 作业效果

针对开沟器田间作业效果主要从开沟器入土角度、刀片几何形状等因素分析对开沟器田间作业效果的影响，赵淑红等[7]研究表明，开沟器在田间的入土角度越大，其土壤翻耕能力越低，入土角度越小，翻耕能力越高，可以显著降低对土壤的扰动。在此基础上，赵淑红、谭贺文等[8]以理论模型与田间试验相结合研制出一种多功能集成的免耕播种开沟装置，田间工作阻力较小，综合性能较优。

2 分段式播种开沟器结构设计

2.1 开沟器未入土部分斜刃设计

玉米秸秆残茬还田后覆盖在表面，在进行玉米免耕播种时，地表覆盖的秸秆会大量集中在开沟器前端，严重时会造成机器堵塞与开沟器损坏，因此，将开沟器未入土部分设计为斜刃，在玉米免耕播种过程中切割地表秸秆，提高机器的田间通过性。相关研究表明，造成免耕播种机堵塞的主要问题是地表横向秸秆，并且随着机器的行进，堵塞的秸秆会越来越多。取横向秸秆为研究目标，秸秆与开沟器未入土的部分斜刃AB接触，紧接着，开沟器沿着X轴平行移动，斜刃AB对秸秆的切割沿着τ方向移动，沿着X方向进行秸秆切割，开沟器斜刃AB对秸秆的受力分析和位移如图1和图2所示。

图1 秸秆受力分析图

图2 秸秆位移分析图

秸秆动力学方程为

FN-Ffcosφ=maecosφ

(1)

Ffsinφ-Fτ=maτ-maesinφ

(2)

Fτ=FNtanθ

(3)

式中FN—秸秆受到开沟器斜刃法向力，N；

Fτ—秸秆受到开沟器沿斜刃摩擦力，N；

Ff—秸秆受到与前进方向反向摩擦力，N；

ae—秸秆的牵连加速度,m·s-2；

aτ—秸秆的相对加速度,m·s-2；

m—秸秆的质量,kg；

φ—开沟器斜刃滑切角,(°)；

θ—秸秆与开沟器斜刃滑动摩擦角，(°)。

由图2可知

(4)

(5)

(6)

式中v—开沟器作业速度，m·s-1；

t—斜刃AB对秸秆M切割所用时间，s：

d—秸秆M的直径,mm;

h—秸秆相对斜刃AB的运动距离，mm；

s—相对加速度a使秸秆M相对斜刃AB运动产生的滑移距离，mm。

由图1和图2可知，对开沟器斜刃AB切割秸秆的功耗W1可以表示为

W1=FN·d+Ff·h+Fτ·S

(7)

假设开沟器在田间匀速前进，则ae=0，秸秆相对于开沟器斜刃开始加速移动

Ff=FNcosφ

(8)

假设秸秆在地表均匀排列，则斜刃AB每次在田间切割的秸秆总量n为

(9)

式中l—斜刃AB的高度，mm。

联立上式求解得，开沟器斜刃AB切割秸秆总功耗W2为

(10)

由公式(10)可知，开沟器斜刃AB切割秸秆总消耗与滑切角φ有关，开沟器作业速度为4 km·h-1，开沟器斜刃AB高度为140 mm，秸秆与AB的滑动摩擦角为27°，带入公式(10)可知，最优开沟器滑切角为32.24°，在此选择为32°。

2.2 其他参数设计

当开沟器入土时，入土间隙角过小会影响开沟器入土性能，入土间隙角过大，则不能达到相应的开沟深度，选择开沟器开沟器入土间隙角为5°；当开沟器横向宽度较小时(小于铲柄横向宽度)，可以降低对土壤的扰动。开沟器的横向宽度选取为15 mm，沟铲柄采用20 mm×40 mm的钢管，长度选择为450 mm。

3 田间试验

为了评估玉米免耕分段式播种开沟器田间工作性能，选取尖角式、滑刀式、双圆盘式开沟器进行田间对比试验。

3.1 试验材料

试验地块为玉米秸秆还田免耕地，试验区域面积为3 000 m2，基本土壤及秸秆理化性质如表1所示。试验所需拖拉机为约翰迪尔354。

表1 土壤及玉米秸秆基本性质

3.2 试验方法

选取不同开沟器下播种变异系数为评价指标，设置开沟器田间前进速度为4.8 km·h-1，开沟器配重为0.08 kN，田间秸秆覆盖量为0.8 kg·m-2。每个开沟器田间试验面积为宽度20 m，长度50 m。

3.3 结果与分析

不同类型开沟器的播深变异系数结果如表2所示。由表2可知，播种变异系数大小分别为双圆盘式开沟器>滑刀式开沟器>尖角式开沟器>分段式开沟器，结果表明，分段式播种开沟器播种变异系数最小，播深一致性较优。

表2 不同开沟器播深变异系数 单位：%

4 结论与展望

4.1 结论

本研究提出一种玉米免耕分段式播种开沟器，并对分段式播种开沟器进行结构优化与设计，最后开展田间试验，选取尖角式、滑刀式、双圆盘式开沟器进行田间对比试验，结果表明，分段式播种开沟器播种变异系数最小，播深一致性较优。

4.2 展望

未来在进行免耕播种机开沟器设计时，应该考虑复杂环境下对开沟器作业性能的影响，如开沟器的减粘、脱附等条件下参数优化。

(05)