2MBG—1/2A 型壟溝集雨鋪膜精量播種機的設計和試驗

山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心

□ 閆志文

我國西北地區(qū)干旱頻發(fā)，水資源嚴重缺乏，天然降水就成為可利用的主要水資源，由于降水時空分布不勻，降水期與作物需水期錯位，能被作物利用的降水不足，導致農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)。在玉米種植過程中，覆膜播種能夠有效集蓄自然降雨，特別是對于≤5mm的無效和微效降雨，起到改善玉米根際土壤水分狀況、增溫、增產(chǎn)效果，是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)的一項重大農(nóng)藝措施。

目前玉米鋪膜播種過程中存在以下問題，對玉米鋪膜種植的推廣應用和玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)等都造成不利影響：（1）由于地膜緊貼壟土，膜孔中錯位的種子發(fā)芽出土容易頂在地膜上，造成地膜燒苗；（2）春季播種后正逢大風天氣增多，容易將地膜吹起，造成跑溫跑墑；（3）幼苗期如遇下雨，雨水沿膜面流于膜側(cè)兩邊，得不到有效利用，造成浪費，還容易使幼苗上方的土壤板結(jié)，影響出苗率和出苗后整齊度。

針對上述問題，研發(fā)了2MBG—1/2A 型壟溝集雨鋪膜精量播種機（以下簡稱樣機），能有效避免雨后土壤板結(jié)，擴大膜孔直徑，避免人工放苗，提高出苗率和出苗整齊度，并能增加膜邊和膜面覆土量，增強地膜保溫保墑和抗風能力，適合我國西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)玉米機械化鋪膜種植作業(yè)。

一、整機結(jié)構(gòu)原理及主要技術(shù)參數(shù)

（一）整機結(jié)構(gòu)

樣機由機架、膜前開溝圓盤、平地鏟、整形鎮(zhèn)壓輥、施肥開溝器、展膜輥、覆土滾筒、覆土圓盤、播種單體、穴播器、種箱、肥箱等部分組成，如圖1 所示。

圖1 樣機結(jié)構(gòu)

（二）工作原理

在鏵式犁、旋耕機、聯(lián)合整地機等耕整地機械對地表進行耕作、平整后，輪式拖拉機通過三點懸掛架牽引樣機向前行駛，人字形平地鏟將樣機前方地表進行二次平整，兩個膜前開溝圓盤在鋪膜前的種床上開出兩條小壟溝，整形鎮(zhèn)壓輥上兩條整形帶分別對兩條壟溝進行整形鎮(zhèn)壓，同時整形鎮(zhèn)壓輥通過鏈條驅(qū)動肥料箱下方的外槽輪式排肥器轉(zhuǎn)動，肥料通過單圓盤式施肥開溝器施在地表下方。

樣機前部的兩個開溝圓盤在鋪膜前地膜兩側(cè)邊緣的地表分別豁出一條溝并將土壤向外翻，展膜輥隨著地面轉(zhuǎn)動將地膜拉展鋪開，左右兩個覆土圓盤分別將前面開溝圓盤向外翻起的土壤向內(nèi)翻壓，一部分土壤埋壓住地膜兩側(cè)，另一部分土壤被覆土滾筒向內(nèi)輸運到膜面上，成條狀壓在經(jīng)整形鎮(zhèn)壓輥整形壓實的兩條小壟溝中形成兩條土帶。

配有勺輪式排種器的穴播器沿著膜面上兩條土帶滾動，鴨嘴在扎穿土帶后將地膜扎破并將種子單粒點播在膜下土壤中，鎮(zhèn)壓輪將土壤壓實，從而完成整個鋪膜施肥播種作業(yè)過程。

（三）主要技術(shù)參數(shù)

樣機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

（四）關(guān)鍵部件設計

1.膜前開溝圓盤的設計。為了在膜面上形成兩條土帶，樣機平地鏟和整形鎮(zhèn)壓輥中間設置了兩個對稱布置的開溝圓盤，并與提升桿組合成一個整體用卡箍固定在樣機上，在平地鏟平整后的種床上豁開兩條壟溝?？紤]地膜的寬度限制以及農(nóng)藝要求的播種行距等因素，設計左右兩個提升桿之間的距離為450mm，提升桿連同開溝圓盤可同時進行上下和左右調(diào)節(jié)。開溝圓盤外輪廓面設計成球面狀，直徑D 為235mm，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 膜前開溝圓盤結(jié)構(gòu)示意圖

樣機作業(yè)時，通過調(diào)整提升桿高度，可以調(diào)節(jié)開溝圓盤與地面的距離，從而調(diào)節(jié)開溝深度，一般以40mm—50mm 為宜，通過調(diào)整圓盤與前進方向夾角B 可以調(diào)節(jié)開溝寬度，具體應根據(jù)地表狀況進行調(diào)整，使開出兩條壟溝的深淺和寬窄一致，并適宜隨后整形鎮(zhèn)壓，從而形成寬度和厚度均適宜的兩條土帶。

2. 整形鎮(zhèn)壓輥設計。為了使膜前開溝圓盤開出的兩條壟溝適宜形成兩條土帶，需要進行整形鎮(zhèn)壓，在膜前開溝圓盤后面設計了帶有防滑齒和整形帶的整形鎮(zhèn)壓輥，整形帶套裝在鎮(zhèn)壓輥筒壁上用螺栓固定，位置可根據(jù)播種行距進行左右調(diào)整。整形鎮(zhèn)壓輥總長850mm，整形帶寬280mm，截面為弧形，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 整形鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)示意圖

隨著樣機向前行進，兩條整形帶分別對膜前開溝圓盤開出的兩條壟溝進行整形鎮(zhèn)壓，形成兩條溝底略帶弧度、近似為倒梯形的壟溝，壟溝結(jié)構(gòu)如圖4 所示；整形鎮(zhèn)壓輥在種床上滾動，通過鏈條將動力傳給排肥機構(gòu)排肥作業(yè)，整形鎮(zhèn)壓輥兩端的防滑齒具有良好抓地能力，能減少滾動過程中的滑移，保證排肥效果。

圖4 壟溝結(jié)構(gòu)示意圖

3.膜面覆土機構(gòu)設計

該機構(gòu)是在機架中部下方左右兩側(cè)分別配置一個覆土圓盤，每個覆土圓盤內(nèi)側(cè)設置一個覆土滾筒。主要作用是覆土圓盤將土壤向內(nèi)翻起，一部分土壤覆蓋在膜兩側(cè)封住膜邊，另一部分土壤被覆土滾筒輸運至膜面，覆蓋在壟溝中形成兩條土帶。膜面覆土機構(gòu)工作質(zhì)量的好壞直接影響種子出苗率、地膜抗風能力及地膜覆蓋消滅雜草的效果。

（1）覆土圓盤及覆土調(diào)節(jié)機構(gòu)設計

覆土圓盤及覆土調(diào)節(jié)機構(gòu)組合成一個整體，是膜面兩側(cè)覆土以及為覆土滾筒供土的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)是影響膜邊覆土效果和膜面兩條土帶形成的重要因素。本設計中覆土圓盤外輪廓面設計成球面狀，外徑D 為310mm，覆土圓盤與前進方向夾角B 為15°～20°，外傾角C 為18°～25°，入土深度為50mm ～70mm，其工作示意圖如圖5 所示。覆土調(diào)節(jié)機構(gòu)是與覆土圓盤固連在一起的兩根拉桿，拉桿套裝在機架上的套筒內(nèi)，可以繞軸自由轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)拉桿在套筒內(nèi)的角度和上下位置，可以調(diào)節(jié)膜邊翻土和供土的效果。

圖5 覆土圓盤工作示意圖

樣機作業(yè)時，固定在機架兩側(cè)的覆土圓盤沿著表土層滾動，將土壤覆蓋在地膜兩側(cè)并輸送到覆土滾筒內(nèi)，土壤在覆土滾筒內(nèi)導土板推動下向出口排出。覆土圓盤與前進方向夾角和入土深度可根據(jù)作業(yè)速度、土壤堅實度、整地效果等實際情況進行調(diào)整，保證有合適的翻土量，可以順利壓住膜兩側(cè)，并保證合適的供土量，覆土滾筒內(nèi)導土板能順利將足量的土壤向內(nèi)輸送，在膜面上形成覆土量均勻且覆土寬度、厚度適中的兩條土帶。

（2）覆土滾筒設計

覆土滾筒的作用是將覆土圓盤推入的土壤向膜面輸送。當覆土滾筒沿著地面滾動時，進入滾筒的土壤在滾筒內(nèi)壁摩擦力和導土板的共同作用下，隨著滾筒內(nèi)壁上升，并產(chǎn)生向內(nèi)的軸向移動，以實現(xiàn)土壤向內(nèi)推送，導土板的結(jié)構(gòu)直接影響覆土滾筒軸向輸送土壤的能力，因此應該滿足一定的條件?，F(xiàn)對導土板上土壤受力情況進行分析。

如圖6 所示，導土板上某點的土壤處于臨界滑動狀態(tài)時主要受以下幾個作用力：沿該點螺旋面切線方向土壤與導土板間摩擦力1F，導土板對土壤的支撐作用力N，土壤自身重力及其他作用力的合力F，方向沿著圓周切向，與螺旋切線夾角為θ。

圖6 導土板上土壤受力分析

式中，φ——導土板表面與土壤的摩擦角。

分析可知，土壤沿導土板螺旋面滑動的條件為

假設土壤沿軸向運動的函數(shù)變量為Z，則土壤運動微分方程為

式中，m——土壤質(zhì)量。

由公式（6）可知，在覆土滾筒直徑和滾動速度一定時，軸向輸送土壤量是螺旋角的函數(shù)。實際作業(yè)中，覆土滾筒表面與地膜接觸產(chǎn)生相對滑動，可能會撕扯破壞地膜。為了減少地膜撕扯，本設計增加滾筒對地壓力，以減少相對滑動，并優(yōu)化設計滾筒直徑和邊緣曲面形狀。根據(jù)樣機長度和機架高度的尺寸要求，覆土滾筒外緣直徑為410mm，直筒部分直徑320mm，外緣和直筒部分的過渡部分為弧面。試驗表明，覆土滾筒內(nèi)部圓周均布導土板數(shù)量為3，螺旋角為25°，覆土滾筒軸向送土量能滿足要求。

4.穴播器的設計

作為播種機的核心部件，播種單體性能的好壞直接影響播種性能，主要由穴播器和勺輪式排種器組成，每個穴播器上方配置一個種箱。如圖7所示。

圖7 播種單體

播種單體中的穴播器是保證播種質(zhì)量的重要因素，其設計在參考現(xiàn)有設備的基礎上進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，工作過程如圖8 所示。

圖8 穴播器工作示意圖

播種過程中，穴播盤在地面轉(zhuǎn)動，種子在勺輪式排種器內(nèi)經(jīng)歷舀種、清種、遞種和投種四個步驟后，進入穴播盤的鴨嘴口，當鴨嘴穿膜打孔達到下死點時，打開活動鴨嘴，使種子落入穴孔，鴨嘴出土后，彈簧推動活動鴨嘴關(guān)閉，完成播種過程。本研究還優(yōu)化設計了鴨嘴形狀，能更加順利扎破膜面，并增大膜孔直徑，減少膜孔錯位率，有利于種子破土出苗。

綜合考慮當?shù)赜衩撞シN株距和深度等農(nóng)藝要求以及穴播盤滑移等因素，最終確定穴播器直徑為400 mm，圓周均布8 個鴨嘴，鴨嘴設計長度70 mm， 穴 距17.5 cm， 播 深40mm—50 mm，每穴播種1 粒種子。

三、田間試驗與結(jié)論

（一）試驗條件和方法

樣機田間性能試驗在山西省呂梁市嵐縣王獅鄉(xiāng)新村進行。試驗選用玉米種為沃育178，主要技術(shù)指標：百粒質(zhì)量34.1g，含水率10.4%，原始破損率0.8%。肥料為顆粒狀復合肥。樣機配套東方紅ME454 輪式拖拉機，標定功率33.1 kW，田間試驗作業(yè)速度3.2km/h，地膜寬度800mm。

依據(jù)行業(yè)標準JB/T 7732—2006《鋪膜播種機》對樣機作業(yè)性能進行檢測，測定穴距、播種深度、膜邊覆土厚度合格率、膜邊覆土寬度合格率、地膜破損程度、采光面寬度合格率、膜孔全覆土率、播種深度合格率、單粒率、空穴率、穴距合格率等11 個作業(yè)指標性能。田間試驗如圖9 所示。

圖9 田間試驗

（二）試驗結(jié)果與結(jié)論

田間測試結(jié)果如表2 所示。

表2 田間測試結(jié)果

由田間測試結(jié)果可得以下結(jié)論：

1.針對鋪膜種植中雨后土壤板結(jié)人工放苗、膜面覆土量少、出苗整齊度差、地膜燒苗等技術(shù)難題，設計了一種壟溝集雨鋪膜精量播種機，適合我國西北內(nèi)陸地區(qū)玉米機械化鋪膜種植作業(yè)的農(nóng)藝要求。

2.覆土滾筒優(yōu)化設計后，膜邊覆土和土壤輸送量充足，膜面覆土量大，能形成土帶并將膜孔全部覆蓋住，使地膜有足夠的抗風能力，并起到消滅雜草、保溫保墑的作用；覆土滾筒邊緣曲面優(yōu)化設計后，對地膜撕扯大大減少，使膜面更完整。

3.勺輪式排種器與穴播器組合使用，能滿足玉米鋪膜播種對播種精密性和深度的要求。

4.試驗中發(fā)現(xiàn)，播種作業(yè)時穴播盤在地面滾動產(chǎn)生振動影響勺輪式排種器的取種、清種等作業(yè)，造成空穴，后續(xù)設計中計劃更換指夾式排種器進行改進試驗。Θ