黏土地稻茬麦反旋条带播种机设计与试验

仇维佑,朱 松,李 玲,刘天星,卜永清,朱亚晨

(1.江苏省农垦农业发展股份有限公司现代农业研究院,南京 210019;2.江苏省农垦农业发展股份有限公司 黄海分公司,江苏 盐城 224000)

0 引言

小麦是我国主要的粮食作物之一,稻麦轮作也是我国南方地区主要的种植方式,故小麦播种机械是小麦播种必不可少的机械,其作业精度及稳定性直接影响着小麦的生长发育[1-3]。目前,有多种小麦播种复式作业机,且国外在一些适用性好的复式作业机械上有着非常领先的技术[4],如德国豪狮Express 4SD气吹式免耕直播机[5]播种单元单体仿形;美国John Deere 1590牵引型条播机[6]性能可靠。国外的机具机型较大,适合国外大农场作业,难以适应国内农田作业。国内近几年在联合播种机方面也存在着较大的进步。江苏大学设计研究了一款小麦双轴旋耕播种机[7],用来解决播深控制不均的问题。扬州大学设计研究了双轴旋耕施肥播种复式作业机[8]及双轴旋耕压槽播种开沟匀覆土作业机[9],用来解决现有农业机具作业单一、旋耕碎土不彻底的问题。河北省农机所设计的联合整体小麦智能施肥播种机使得复式作业机施肥更加精准化[10],但这些机具都是针对沙土地设计的,不适合黏性土地稻麦茬轮种。

我国土壤主要分为沙土地、壤土地和黏土地,而江苏苏北地区部分土地性质为黏土地,稻茬地水分含量高,土壤板结,田块较黏,甚至湿烂[11-12]。目前,针对黏土地小麦播种机械方面的研究几乎为空白,南京农业大学设计了一种湿烂地稻茬麦旋耕灭茬施肥播种复式作业机[13],在一定程度上能够解决湿烂地小麦播种难题,但灭茬覆土效果不是很理想,且排种管易堵,在一定程度上还需进一步改进。

针对黏土地小麦播种现存的问题,笔者设计了一种黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机,并对关键部位进行设计分析,完成整机建模且验证其合理性,最后进行复式作业样机试制和田间试验,验证其工作性能。

1 播种机总体方案设计

1.1 播种机整机结构设计

根据江苏农垦黏土地小麦播种农艺设计参数(见表1),对黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机进行总体方案设计。该机具集反旋灭茬、开沟播种、覆土镇压于一体,如图1所示。该机具主要由反旋刀轴总成、三点悬挂装置、传动总成、机架“V”型限深压槽覆土一体辊、播后镇压辊、外槽轮式排种器、拦草栅、种箱、地轮及链轮等组成。其中,传动总成由主减速器、二级减速齿轮箱以及侧边传动箱构成,反旋刀轴总成、拦草栅、“V”型限深压槽覆土一体辊、排种管、播后镇压辊从前往后依次排列,在“V”型限深压槽辊上安装正旋短刀,有效解决了黏土地小麦播种播深不一致、排种管易堵塞及种子漂种率高的缺陷。

1.反旋刀轴总成 2.三点悬挂装置 3.主减速器 4.旋耕刀轴挡土板 5.二级减速齿轮箱 6.拦草栅 7.万向节 8.侧边齿轮箱 9.“V”型限深压槽覆土一体辊 10.挡土板 11.播后镇压辊 12.地轮 13.镇压轮刮土板 14.链轮 15.地轮减震装置 16.前后机架缓冲连接装置 17.外槽轮式排种器 18.种箱图1 黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of light reverse rotary control deep stripe seeder for wheat following rice in clay soil

表1 小麦播种农艺参数Table 1 Agronomic parameters of wheat sowing

1.2 播种机工作原理

黏土地稻茬麦轻型反旋控深联合播种机可一次性完成反旋灭茬、开沟播种、覆土镇压三大工序。工作时,机具配合三点悬挂装置与拖拉机后液压提升机构相连,拖拉机PTO将动力输入至主减速器,带动反旋刀轴转动;主减速器右输出轴将动力输出至二级减速齿轮箱,再通过万向节和侧边传动箱传递至“V”型限深压槽覆土一体辊,播后镇压辊在机具行走时自身转动;黏土地设置播后镇压辊刮土板,去除镇压辊上的黏土,外槽轮式排种器由地轮及链轮带动。在作业时,反旋刀轴总成进行秸秆灭茬,“V”型限深压槽覆土一体辊将开沟覆土同时进行,小麦经过排种管落入沟内,焊接在辊上的正旋短刀给种子覆土,避免排种管堵塞,最后进行播后镇压。

2 播种机关键装置设计

2.1 大直径旋耕灭茬机构设计

目前,旋耕种类有双轴旋耕和单轴旋耕。其中,单轴旋耕又分为反转旋耕和正转旋耕;双轴旋耕碎土效果相比于单轴旋耕较好,但其所需功率高于单轴旋耕;而正旋所需功率较低,但碎土及耕后平整度不如反旋。由于反旋比正旋碎土率高出20%以上,故选择功率适中且碎土灭茬效果好的反旋进行灭茬[14-16]。在此,选用大直径IT265旋耕刀,切土节距直接影响着碎土质量和耕地平整度[17]。针对黏土地稻茬麦地,土壤黏性大,为防止堵泥缠草,选取切土节距为8cm。根据式(1)确定反旋刀轴转速为300 r/min,符合反转旋耕转速范围280～348r/min之间。

(1)

式中S—切土节距(cm);

vm—拖拉机前进速度,取vm=0.8m/s;

z—同一切土小区内旋耕刀数,取z=2;

n—旋耕轴刀辊转速(r/min)。

将上述设计参数带入式(2)中,算得旋耕速比λ=10.4>1,机具可以正常工作。

(2)

式中R—旋耕刀回转半径(mm);

λ—旋耕速比。

结合式(3)验证其反旋过后的平整度,得出所设计的大直径反旋灭茬机构碎土效果好且平整度高。λ=10.4时的运动轨迹如图2所示。

图2 反旋刀运动轨迹图Fig. 2 Trajectory diagram of reverse rotary cutter

α1/R=1-cos[π/z(λ-1)]

(3)

式中α1—旋耕后突起高度(cm)。

大直径旋耕灭茬机构设计如图3所示。采用双螺旋线排布方式,反旋刀轴每条螺旋线上有16个旋耕刀,两根旋耕刀轴分别位于主减速器底端输出轴两侧。

图3 大直径旋耕灭茬机构三维模型Fig.3 Three-dimensional model of large-diameter rotary tillage and stubble elimination mechanism

2.2 限深压槽覆土机构设计

机具采用“V”型限深压槽覆土一体辊,将正旋短刀焊接在压槽辊上,位于两个“V”型槽中间位置,呈上下两列分布,其原理图如图4所示。正旋短刀根据旋耕深度为5cm进行设计,取“V”型限深压槽覆土一体辊转速为200r/min。

图4 限深压槽覆土机构原理图Fig.4 Schematic diagram of soil covering mechanism with limited depth and pressure trough

该结构每列上有17个正旋短刀,集限深压槽与正旋覆土于一体,可解决传统机具播后设置覆土机构而导致的排种管堵塞和播深不一致问题。该新型机构使得整个机具更加轻量化,其三维模型如图5所示。

图5 限深压槽覆土机构三维模型Fig.5 Three-dimensional model of soil covering mechanism with limited depth and pressure trough

2.3 传动系统设计及功耗计算

2.3.1传动系统设计

传动系统在农业机具设计中非常关键,要保证联合播种机作业效果好,必须保证各机构转速达到设计标准[18]。由于大直径反旋灭茬机构和限深压槽覆土机构的动力都要通过拖拉机PTO动力输出带动,故根据实际作业需要设计播种机传动装置,其原理如图6所示。

1.主减速器 2.二级减速齿轮箱 3.侧边齿轮箱 4.万向节动力输入轴图6 传动系统原理图Fig. 6 Schematic diagram of transmission system

拖拉机动力通过万向节输入至主减速器,主减速器内有2个锥齿轮和4个直齿轮;主减速器通过第Ⅳ直齿轮将动力传递至大直径反旋灭茬机构,通过第Ⅱ锥齿轮将动力传递至二级减速装置,二级减速装置第Ⅱ直齿轮通过万向节将动力传递至侧边传动箱;侧边传动箱含有6个直齿轮,将动力传递限深压槽覆土机构。由于齿轮传动存在效率损失,所以在设计传动比时要考虑传动效率,主要包括万向节传动效率和齿轮传动效率,计算公式为

(4)

(5)

式中η1—大直径反旋灭茬机构传动效率;

η2—限深压槽覆土机构传动效率;

η3—万向节传动效率,取η3=0.97;

η4—弧形锥齿轮传动效率,取η4=0.96;

η5—圆柱直齿轮传动效率,取η5=0.97。

根据传动效率对机具传动系统中主减速器和二级齿轮箱传动比进行计算,将相关数据代入至式(6)和式(7)中,可得主减速器齿轮箱总传动比设计为2.04,二级减速齿轮箱总传动比设计为1.32。

(6)

(7)

式中i1—主减速器齿轮箱总传动比;

i2—二级减速齿轮箱总传动比;

n—拖拉机PTO输出转速,取n=720r/min;

n1—大直径旋耕灭茬机构转速(r/min);

n2—“V”型限深压槽覆土一体辊转速(r/min)。

2.3.2功耗计算

功耗是联合播种机设计重要的参数之一,对选取拖拉机型号有着重要的作用,拖拉机的型号轻重也对机具在黏土地上作业有着非常重要的影响[19]。该播种机功率主要包括反旋灭茬机构功率P1、限深压槽覆土机构功率P2以及机具前进功率P3,则播种机总功率为

(8)

大直径反旋刀轴的功率与多个因素有关,主要包括耕深、土壤的性质以及机具前进速度等,计算公式为

P1=0.1krBhVm

(9)

式中kr—旋耕比阻(N/cm2),由理论旋耕比阻、耕深修正、湿度修正、残茬修正以及作业方式修正计算得出,根据黏土地实际土壤情况结合农业机械手册选取合适的参数,则kr=13×1.2×0.95×1.2×0.66=11.73;

B—工作幅宽(m);

h—旋耕深度(cm);

Vm—行进速度(m/s)。

机具工作幅宽B=2.3m,旋耕深度为h=15cm,行进速度Vm=0.8m/s,带入式(9)中可得大直径反旋刀轴的功率为32.37kW。

限深压槽覆土机构功率由正旋覆土刀功率和开沟镇压辊功率两部分组成,正旋覆土刀功率根据式(9)进行计算。机具工作幅宽B=2.3m,旋耕深度h=5cm,行进速度Vm=0.8m/s,代入可得正旋覆土刀功率为10.78kW。

开沟镇压辊功率可根据开沟机功率的计算公式(10)算得功率为0.08kW,则限深压槽覆土机构总功率12.06kW。

(10)

式中B1—开沟深度,取B1=0.04m;

H1—开沟宽度,取H1=5cm;

Vm—拖拉机前进速度,取Vm=0.8m/s;

ke—切土比阻,取ke=1N/cm2;

Vd—开沟刀外圆线速度,取Vd=3.14m/s;

δ—抛土面积,取δ=2.6g/cm3。

另外,还有由于重力、阻力带来的机具前进功耗,可根据式(11)进行计算得出P3=1.2kW。

P3=μFVm

(11)

式中μ—比例系数,μ=0.4;

F—牵引力,F=3856N;

Vm—拖拉机前进速度,Vm=0.8m/s。

综上黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机总功率P=54.65kW,所以应选取80马力以上的拖拉机作为黏土地稻茬麦轻型反旋控深联合播种机的动力牵引机械。

3 机具田间试验研究

将设计好重要参数的样机进行三维虚拟装配,接着依据二维图纸进行零部件的加工,最终样机如图7所示。

图7 黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机Fig.7 Light reverse rotary control deep stripe seeder for wheat following rice in clay soil

3.1 试验方案设计

播种机主要从4方面进行试验,分别是碎土率、耕深、播深及覆土率。试验地点选取江苏农垦黄海中德示范园黏土地田块,分别取3个稻茬田块,每个田块选取5个点。试验前,利用仪器分别测量其含水率大小,测得3个田块平均含水率为32.4%,机具前进速度为0.8m/s;以点为中心取边长50cm的正方形区域,采取土块及种子样本,得出15个点的碎土率、耕深、播深以及覆土率相关数据,并跟踪出苗情况,看有无缺苗断垄的情况,如图8所示。

图8 机具田间试验Fig.8 Testofmachine tool inthefield

3.2 试验结果分析

将机具试验样品数据代入相关公式(12)和公式(13)进行计算,得出碎土率和漂种率,则

(12)

式中α—碎土率;

Ea—样本中最长边大于4cm的土块质量(g);

Eb—样本中样本总质量(g)。

(13)

式中β—覆土率;

ma—样本中暴露的种子质量(g);

mb—样本中种子总质量(g)。

试验结果如表2所示。

表2 试验数据Table 2 Testdata

结合试验数据可得:黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机平均耕深为13.9cm,平均播深为2.7cm,平均碎土率为78.56%,平均漂种率为2.55%;通过后期的出苗跟踪,几乎没有出现缺苗断垄的现象,说明机具排种管防堵效果好。作业测试数据和现场作业以及后期出苗情况表明所研制的机具完全适用于黏土地大小麦的播种作业,各项数据指标都达到了农艺要求。

4 结论

1)设计了一种新型的黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机,集反旋灭茬,开沟播种、覆土镇压于一体,可解决传统黏土地播种机械旋耕碎土不彻底、种管易堵漏、播深不一致的问题。

2)提出播种机整体结构方案,确定关键部件大直径旋耕灭茬机构的参数,设计了一种限深压槽覆土机构,集播前开沟镇压播后覆土一体。确定其转速为200r/min,并对机具的传动系统进行设计,选取合适的齿轮箱,确定齿轮箱传动比分别为2.04和2.70,根据功耗计算结果对拖拉机进行机型选取,为机具播种作业提供了可靠的技术参考。

3)对黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机进行机具的制造加工与试验,结果表明:机具适合黏土地稻麦茬播种作业,耕深为13.9cm,播深为2.7cm,碎土率平均值达到78.56%,漂种率平均值控制在2.55%以内;通过后期的出苗跟踪,几乎没有出现缺苗断垄的现象,排种管防堵漏效果好。所设计的黏土地稻茬麦轻型反旋控深条带播种机完全符合设计要求,为今后黏土地地区的小麦播种作业机具设计提供了宝贵意见。