适应粘土地不同墒情的轻型反旋宽带播种一体机研制

柏安康，梁玉海，王礼俊，张帅，贾秋霜

（1.江苏省农垦农业发展股份有限公司宝应湖分公司，江苏金湖 211600；2.潍坊职业学院，山东潍坊 262737）

0 引言

苏垦农发宝应湖分公司及洪泽区共和基地水稻收获后稻茬小麦种植难题与产量问题急需解决。由于本地区小麦种植常年采用常规正旋耕播种机或悬挂式开口器播种机械，存在作业流程复杂，农机作业时间跨度大，对土地墒情要求高等不足的问题，当前老式播种流程和机械已不能满足苏垦农发宝应湖分公司对稻麦轮作时间节点和小麦高质量播种并且原墒出苗的要求。为适应苏垦农发宝应湖分公司粘土地为主的生产需要，需试验改进一种适应粘土地墒情的轻型反旋宽带播种机。

1 轻型反旋播种一体机设计

本文拟通过改进升级一种轻型适应粘土地小麦高质量播种的作业机具，着力解决粘土地小麦常规播种农机作业流程多，土壤灭茬效果不佳，细碎度、平整度差，播种深度不一致、露籽多等问题。

反旋宽带播种机的刀轴转动方向和拖拉机驱动轮转动方向相反。作业时，刀具从己耕地向未耕地进行旋切作业，从耕层底部开始向地面切削秸秆和土壤，旋切后秸秆—土壤混合物被向上抛起至罩壳并沿其内面滑动，向后输送抛掷，较大的土块及秸秆碎茬不能通过后上方的挡草栅，滑落于刀辊后方，先铺于耕底层，碎土则通过挡草栅稍后落于表层，因此秸秆与土壤落入被切出的沟底存在时间差，秸秆会先于土壤落入沟底，且秸秆会被随后落下的细碎土壤覆盖，从而实现埋茬功能，并使耕后土壤形成下粗上细的层次分布，透气性好，有利于作物生长。

相对正转旋耕作业方式，反转旋耕在性能上体现出很多突出优点。当反旋秸秆还田机作业时，机组切削下的土垡厚度小，切削量稳定。因此，刀具反馈给刀轴的力相对更加均匀、平稳，且工作部件所受土壤反馈的旋耕反力在竖直方向的分力自上而下，使得机组具有了更好的耕深稳定性。正、反转旋耕机具在相同理论旋耕切土进距情况下，采用反转旋耕作业形式的机具表现出切削下的土垡厚度小、切削量稳定的优点，从而提高了作业后的碎土质量，沟底不平度较小。因此，我国在秸秆还田机械化水平上对低工作能耗、髙作业质量的反旋秸秆还田机的需求更为迫切。相关研究表明，秸秆还田的作业能耗及作业质量一方面取决于还田机的耕作参数，如机组前进速度、刀辊转速，旋耕切土节距等，另一方面也取决于旋耕刀的结构参数，如刀具的弯折角、单刀工作宽幅等，此外刀具的排列方式、整机设计参数、田间实际情况也具有一定影响。

1.1 整体结构设计

轻型反旋宽带播种机主要由反转旋耕灭茬机、施肥播种装置、镇压、刮土与传动机构等组成，一次完成播肥、反旋、平地、播种（宽带）、镇压一体式作业。作业时，排肥装置将肥料均匀地播撒在旋耕刀前的未耕地表，后面的反转旋耕灭茬机旋耕刀逆向旋转切削土壤，被切削的根茬、土块经罩壳向后引抛，根茬秸秆和大土块被排种管挡住下落，细碎土壤从排种管飞出，覆盖在从施肥装置中排出的肥料和排种管排出的种子上，再由其后的镇压轮压实。轻型反旋宽带播种机的总体结构如图1所示，主要技术参数见表1。

1.2 排种装置的设计

轻型反旋宽带播种机，包括：播种机主体，所属播种机主体的上表面贯穿开设有安装槽；转动设置于所属安装槽相对的两个侧壁上的旋耕刀片；设置在所属安装槽相对的两个侧壁上的固定板，固定于所属固定板上表面的移动板，设置在移动板上的排种管，移动板上设置有用于控制排种管上下与前后移动的移动组件。移动板一侧的侧壁上贯穿开设有两个竖直设置且相互平行的第一滑槽；移动组件包括滑动设置在移动板一侧的侧壁上的滑动板、贯穿设置在滑动板远离移动板一侧侧壁上的螺杆以及与螺杆螺纹连接的螺母；滑动板远离移动板一侧侧壁上贯穿开设有两个水平设置且相互平行的第二滑槽，螺杆穿过第一滑槽和第二滑槽后与螺母螺纹连接，螺母靠近滑动板一侧的侧壁与移动板远离滑动板一侧的侧壁固定，排种管与滑动板相互固定。

图1 播种部分结构示意图

表1 主要技术参数

排种管与旋耕刀片之间的距离为1～2 cm，用于在播种时对排种管进行清理。固定板的上表面固定设置有安装板，安装板靠近滑动板一侧的侧壁上开设有平衡槽，平衡槽远离滑动板一侧的侧壁上开设有第三滑槽，安装板上设置有用于使滑动板的底面保持水平的平衡组件。平衡组件包括滑动设置在第三滑槽内的滑动块、设置在平衡槽内的平衡弹簧以及与平衡弹簧上端固定的平衡板，平衡板的上表面与滑动板的底面紧贴，平衡板远离移动板一侧的侧壁与滑动块相互固定，平衡弹簧的下端与平衡槽的内底壁固定。固定板的上表面开设有延伸方向与第二滑槽延伸方向相互平行的第四滑槽，固定板上设置有用于限制平衡板上下移动的限位组件。限位组件包括滑动设置在第四滑槽内的限位块以及固定设置在限位块上表面的限位板，限位板靠近平衡板一侧的侧壁上开设有用于容纳限位板的容纳槽。排种管为采用40 mm镀锌钢管制成的排种管。轻型反旋宽带播种机播种部分结构简图见图2。

图2 轻型反旋宽带播种机播种部分示意图

1.3 反旋刀轴设计以及运动分析

1.3.1 结构设计。反旋刀轴部分采用195型或225型加密旋耕刀双螺旋线布置，常规安装方法，旋耕深度5±2.5 cm，可调，主要起到碎土、抛土盖种的目的。

反旋刀轴轮廓线与正旋弧形板、平土板之间的间隙最小化。该设计目的同样是两方面：一是减少弧形板上的泥土堆积过多而增加刀轴的负荷；二是及时清除平土板上的缠草，保证了畦面平整度。为均匀盖种提供保证。

反旋刀具有优良埋茬功能，能及时清理竖沟壁上的秸秆，作业后沟壁光滑、畦面平整、秸秆少。

前后刀轴轴距最小化设计可减少两轴之间土块和反复作业，有效降低作业负荷。

1.3.2 运动分析。刀辊的工作参数对作业质量及功率消耗起着决定性作用。当刀辊反旋时，其运动数学模型及坐标系可简化为：将坐标系原点定义为刀辊回转中心并将机具前进方向设为x轴正方向，垂直地面向上设为y轴正方向，如图3所示，假设旋耕刀回转时最远的端点为Q（x，y），则Q（x，y）运动轨迹可用如下方程表示：

式中，vm-前进速度（m/s）；

R-刀辊回转半径（m）；

w-刀辑i旋转角速度（rad/s）；

t-刀辊运动时间（s）；

α-旋耕刀转动角度（°）。

图3 反旋旋耕刀运动轨迹

如图3所示，当机组前进时，刀辊自身做圆周运动，因此旋耕刀的绝对运动是旋转和前进运动的合成，反旋旋耕刀端点的运动轨迹与正旋刀头相反，为下端曲率小上端曲率大的摆线，旋耕刀反旋工作时，切土位置不同于正旋绕扣位置，而是位于下部曲率较小弓形段，旋耕刀自下而上进行切土，所以此时，刀刃沿x轴正向分速度一直存在，旋耕速比入取值情况也始终不影响反旋时的切土功能。

由式（1）可知，旋耕刀运动轨迹受到多种因素影响，对式（1）求导可得出刀具端点Q（x，y），在x和y方向的分速度为：

则刀具端点绝对速度v大小为：

将式（2）带入式（3）得：

由式（1）、式（4）可知，旋耕刀回转半径处的切线速度与作业机组运行速度的比值被定义为旋耕速比λ，λ的大小直接影响旋耕刀具的切土节距、运动轨迹、机具功率消耗以及耕后土层质量等重要作业性能。由式（3）、式（4）可知，刀具切土主要范围为（3π/2＜α＜2π），机组前进速度vm，方向与刀具端点水平分速度vx方向是相同的，所以当旋耕速比λ＜1或λ＞1时，刀具对土壤均起切削作用。

因此，与正旋方式相比，在刀具有相同的结构参数与运动参数情况下，λ可以取值较小，在同样结构条件下，反转切土速度更高，即反旋刀轴能以较低转速获得更高切削速度，切土效果好，且节约了功耗。针对反旋刀应尽量避免前方壅土，将破土引导至刀辊后方。

2 大田试验对比结果与分析

2018年以来，苏垦农发宝应湖分公司全面推广小麦反旋宽带播种。小麦产量呈逐年增长态势。2022年，夏熟小麦产量创历史新高，平均单产达572.9 kg/666m2。

2.1 轻型反旋宽带播种机对产量和播期的影响

苏垦农发宝应湖分公司及外拓基地集体种植3333.33 hm2，都采用稻麦轮作种植方式，且大部分水稻收割的时间都集中在10月下旬和11月上旬，小麦适期播种任务重，时间紧。同时，苏垦农发宝应湖分公司的土壤为重粘土，稻茬小麦种植土壤湿度较大。往年常规作业流程为：撒肥机抛肥→正旋头遍（晒垡2天）→正旋2遍（晒垡1天）→悬挂式开口器播种机播种（晒垡1天）→镇压→开沟。作业流程需5～7天，拖拉机需要在田间多次作业，轮胎对土壤的碾压造成土壤板结，而且面临土壤失墒无法原墒出苗等有利条件。采用轻型反旋宽带播种机旋耕头遍后，即可以进行反旋播种，作业流程1～2天，且大部分土壤垡块较小，播种深度一致性较好，大田较为平整。有利于小麦原墒出苗，为小麦高产创造了有利条件。表2为近几年苏垦农发宝应湖分公司的产量和播种时间表。

表2 2015—2022年小麦单产及秋播结束时间

2.2 等深种植，实现齐苗、壮苗

轻型反旋宽带播种机升级后，加粗排种管，排种管直径由常规25 mm升级为40 mm，种子分散更为均匀，由常规的条线状变为5～8 cm的带状播种。减少了常规开口器播种堆籽现象。同时，将排种管安装至旋耕刀后1～2 cm处，使排种管具有自清洁功能，减少了因土壤墒情过大、排种管与排种管之间堵塞而造成土壤无法后抛，出现露籽现象，如表3所示。

表3 种子入土深度对比试验

2.3 降低用种量

通过使用反旋宽带播种机高质量播种，可以有效降低播种量。同时通过提高成苗率，降低基本苗，争取单株多成穗，使个体发育健壮，控制高峰苗，提高成穗率，群体结构更加符合高产要求，如表4所示。

表4 2018—2022年度小麦播种量及产量三要素对比表

3 结语

本文为提高粘土地不同墒情的小麦播种质量，研究开发了一种适应粘土地稻茬麦作业条件的轻型反旋宽带播种机。经过三年田间不断试验改进升级，现机具一次作业可实现旋耕、平整、施肥、播种、镇压等功能，有利于提高效率、降低成本、改善播种质量、满足粘土地、播种、原墒出苗要求。同时，为小麦实现稳定高产、高质、高效提供了一条机械化生产路径。