免耕播种机缺口圆盘刀与开沟器设计和改进

2023-11-19李肖婷

农业开发与装备 2023年9期

李肖婷

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030000）

0 引言

我国人均耕地面积较为稀缺，全国大量耕地退化较为严重，干旱少雨地区较多，近年来，气候恶化导致土壤沙化现象有所回升。因此，进行保护性耕作、减少对土壤扰动、实现保水保墒，有着重要的意义。当前，在农业发达国家免耕播种机实现了长足的发展，较为先进的公司包括John Deere、Great Plains、Flexi-Coil，John Shear等，生产的免耕播种机智能化水平高，幅宽最高可达6.2 m，其中多数应用的是圆盘开沟器，刀具破土性和防堵性都较好。和美洲、澳洲大田作业环境相比，我国土地大多作业环境为复杂的小田，加之免耕播种本身较为复杂，需要在镇压外做好破茬和防堵工作，在地表有大量秸秆覆盖的情况下，需要播种机刀具具备较强的切割能力。因此，需要研究破茬、开沟和镇压的关键技术，做好缺口圆盘刀和双圆盘开沟器的性能优化设计，并针对实际应用进行技术改进。

1 免耕播种机缺口圆盘刀与开沟器相关概述

1.1 免耕播种机的典型机型

第一，1590型播种机不仅技术先进，且功能强大。采用向下的液压压力系统，对残茬切割效果好，能够监测地表复杂状况，最高可达1800 N。第二，605NT机型加载的是双圆盘开沟器，使用波纹圆盘破茬，为控制播种深度，引入了限深调节功能。而且宽度能够调节，同公司研制的3S-4000HD机型宽幅可达12.2 m。第三，5500型播种机采用气力式排种器，播种速度非常快，幅宽最大可以达到24.4 m。配备多梁结构圆盘开沟器，并使用多排覆土轮，有效避免了堵塞问题。同公司生产的PD5700机型具有地面仿形功能，确保了播深的一致性。第四，SPD系列机型在秸秆覆盖率高达30 t/hm2的土地上，能够实现良好作业，和北美国家相比，成本更低。第五，MF9510-20型号，宽幅达7 m以上，配有种箱和肥箱，能够调整施肥量，具有良好的节能效应。以上这些机器多是大田作业，只在我国东北地区适用，在情况复杂的小田块，作业性能较差，因此多数采用轻型机械。

1.2 免耕播种机的破茬方式和圆盘刀种类

1.2.1 破茬方式

目前，主要有主动破茬和被动破茬两种方式。由于机械自重较大，因此，依靠自身质量的被动破茬应用较多。

1.2.2 圆盘刀种类

1）平面圆盘刀。形状是平面形，呈现标准圆盘状，中间有孔。优势在于加工工艺简单，适应性加强。由于与土壤接触面积小，因此对土壤扰动较小，也降低了工作阻力。但是，在复杂的环境中，免耕工作效率较低，容易将秸秆推开，切割能力较差。特别是在秸秆覆盖率大的环境中性能劣势体现较明显，而且大牵引力下切断效果较差。

2）波纹圆盘刀。圆盘刀表面呈现波纹状，一般中间空隙较大。圆盘表面的波纹增加了与土壤的接触面积，前进阻力更大，对土壤扰动性大。但不利于保水保墒，对秸秆及残茬的切断性也相应降低。

3）缺口圆盘刀。整体为圆形，边缘部分有缺口，对结构质量要求不高，在同切割能力下，比波纹圆盘和平面圆盘的成本要低。缺口秸秆有聚拢作用，有利于切断茎秆，比起波纹圆盘，配重明显降低，与土壤接触面积更小，通过性强，切断性好。总之，缺口圆盘刀的性能更优越。

1.3 缺口圆盘刀和双圆盘开沟器的相关研究

研究显示，缺口圆盘刀中心垂直线与刀轴轴线夹角为7°时性能较好，采用阿基米德螺线形缺口，对破茬效率提升较快。Kushwaha对不同秸秆覆盖率的综合研究发现，目前最优工作直径是460 mm。Ahmad在对工作直径、深度和速度综合研究的基础上发现，450 mm工作效率最佳。

双圆盘开沟器，保水保墒性能更好，对土壤扰动更小。夹角和圆盘直径对开沟器性能影响较大，一般，圆盘倾角为6°～7°、夹角12°时，性能较佳。圆盘直径对播深稳定性影响较大，直径减小，回土量也随之减小。在300 mm直径时，随着双圆盘夹角的增大，回土量随之增长。

2 免耕播种机缺口圆盘刀与开沟器的设计

2.1 测定土壤参数

1）在设计之前，需对土壤参数进行测定，了解土壤的物理特性，探究规律。取3个取样点，1个取样点取3份，共9份，取平均值。

2）测定土壤基本参数。由于在破茬同时还要进行施肥，因此要增大入土的深度，将取样深度最大值设置为30 mm。首先，测定含水率。采用烘箱干燥法，用环刀消减成型后，将样本按照编号分别放入铝盒中，称重后放入恒温干燥箱，温度在108℃下烘干24 h，再次称重。然后，测定土壤容重。对不同深度的土壤取样，同样按照编号进行称重测量。最后，测定土壤坚实度，获取0～400 mm深度的参数，以判定坚实度是否适合出苗，是否会造成跑水跑墒。

3）测定土壤力学性质。首先，进行直剪试验，使用直剪试验仪进行测试，为简化试验程序，工作深度不超过10 cm，反复进行4次试验。施加100 kpa、200 kap、300 kpa、400 kpa的不同压力，根据秒表确定剪切位移，得到剪力数值。然后，进行三轴试验，反复敲打将土壤填满圆柱形模具，将土壤样本装到橡胶套内，密封后注水。初始围压为100 KPa，轴向形变设定每增加5%，增加50 KPa，最终形成应力应变关系图和强度包线图。最后，测定土壤摩擦系数。随着深度增大，含水率增大，堆积角也相应增大。以65号锰钢为材料，测定土壤在钢板中的堆积角，土壤深度包括3个值，即0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm。之后，使用简易实验台和电子量角仪对静摩擦角进行测定。

2.2 整机结构设计

播种机采用V型镇压装置。设置限深轮，双圆盘开沟器，配置缺口圆盘破茬刀，安装肥箱和种箱。采用多行免耕播种，使用液压支撑系统，先由单圆盘缺口破茬刀进行破茬，破茬过程中通过肥箱直接进行施肥。施肥深度要大于播种深度，避免烧苗现象发生。在破茬刀后方使用双圆盘开沟器开出种沟，同时由种箱完成播种。最后，采用V型镇压装置进行镇压，减小对土壤的扰动（图1）。

图1 V型镇压轮示意图

镇压轮采用橡胶轮，安装在开沟器限深轮之后，通过手柄或者垫片调节挡位，即可调整镇压强度。镇压轮与土壤出现一定倾角，从而产生挤压和覆土作用，种子沉入湿土中，顶部松土有助于出苗。因为镇压轮是滚动作业，可同时完成覆土、仿形、限深、镇压作业，也可有效防止拖堆。如果是沙质土壤，需要增加镇压强度，提升保水保墒的能力。如果土壤本身较硬，而且残茬较多，那么需要降低镇压力。同时，设置偏心调节机构，将偏差控制3 mm内，避免焊接偏置现象。

2.3 破茬圆盘刀设计

选择缺口圆盘刀，使用65号锰钢，应对秸秆较多和复杂的作业环境，提高硬度和耐磨性。圆盘刀缺口有锋利的刃口，依靠机器自重进行被动作业。首先，对圆盘刀作业进行受力分析（图2）。F为地表和秸秆之间的作用力，F1和N1为水平和垂直方向的分力，F2为摩擦力。h为工作深度，d为秸秆直径，D为缺口圆盘刀直径。φ1和φ2分别为秸秆与土壤以及圆盘刀和秸秆之间的摩擦角。破茬条件为：

图2 缺口圆盘受力分析图

由受力分析可知，cos α=1-（2 h+d）/D，F2=N2tanφ2，代入公式1和公式2，得到：

以玉米作为前茬，取30 mm为高度，摩擦角选择30°，代入数值，得到圆盘刀直径为410 mm，根据相关研究选整体高度为420 mm。本文为简化设计，选择传统圆弧形缺口，由于缺口数量越大阻力越大，综合考虑选择12个缺口，直径为84 mm。刃口角度数为38°，并且在圆弧形缺口处增加刃口，提升破茬率，提升精干切断能力，有效防止堵塞现象。

根据受力分析确定滑切角（图2），圆盘刀在工作过程中切割的是土壤和根茬。除了圆盘刀的滚动之外，还有滑动，将秸秆的非接触部分压入土壤。由于圆盘刀的工作深度相对深于播种深度，本文选择80 mm，选择滑切角在10°至15°之间。工作偏角的增大，会造成土壤扰动增大，与秸秆的接触面积和摩擦增大，因此，需要将偏角适当增大。

2.4 双圆盘开沟器的设计

开沟器设计应满足需求：播种深浅一致，种子不飞散，沟型整齐平直，种子均匀分布（图3）。对土壤扰动小，干湿土不混合，具体回土能力，让种子覆盖湿土，提升入土能力和切土能力，避免堵塞现象。种沟满足多种作物需求，同时可实现宽窄幅不同播种。将圆盘聚点位置β确定为65°。工作直径确定为300 mm，入土深度确定为40 mm，转速为440 r/min，前进速度为4.4 km/h。根据公式4计算回土量b，其中，D为双圆盘直径，β为聚点夹角，为圆盘夹角。

图3 双圆盘开沟器示意图

双圆盘开沟器比起单圆盘开沟器，结构更加复杂，因此应对双圆盘进行有限元分析。应用Workbench模块进行网格划分，其最大应力在固定孔处。此外，还应进行作业实验，验证双圆盘开沟器的性能，检验其通过性与可靠性，考察开沟深度是否满足要求，测量施肥量与施肥稳定性，观察镇压是否稳定，测定覆土厚度。选择20 m距离进行测试，在土槽内竖立钢尺，取4个试验区，隔1 m取1个测量点，增加取样点。当排肥均匀、稳定时，开沟沟深138 mm以上，即为符合要求。进行双圆盘开沟器实验，覆土完成后，隔0.5 m测量覆土厚度，覆土厚度平均在35 mm以上时，即为稳定。

3 缺口圆盘刀和双圆盘开沟器的技术改进

提高智能化控制水平，引入智能监测设备，对播种和施肥系统情况实时监测，有条件的可以在驾驶室设置监视系统。大型机器，可引入开沟液压系统和行走液压回路，底盘使用履带行走，方便行走和转向。对于一些作业环境二类的区域，可采用远程遥控的方案，配合定位系统，实现智能化作业。可应用强击式精密排种器，提升精量排种水平。

为提升切断残茬和秸秆能力，可采用复杂工艺技术，引入阿基米德螺旋线，对刀具进行优化，还可以在圆盘刀刃处进行锯刀式处理。同时，对材料进行创新。比如在湿度较大的土壤中，可采用木质开沟器，能够提升其耐磨性。采用陶瓷开沟器，能够减阻降黏。尽量通过田块连片等方式推广大型免耕播种机，可以使用被动破茬方式，降低能耗。如果采用轻量化小型农机，需要使用主动驱动系统，并使用仿地设计，提升整体性能。