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播种机作业!多功能稻麦免耕施肥播种机的设计试验

导读:本文是一篇播种机作业论文范文,可作为选题参考。

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(南京农业大学 工学院,江苏 南京 210031)

摘 要:江淮稻麦轮作区是我国粮食的主产区,针对该地区作物种植能耗高,温室气体排放多,秸秆焚烧极为严重等突出问题,结合节能减排机械化种植模式设计了多功能稻麦免耕施肥播种机.该机利用固定道进行播种作业,同时采用动力防堵机构,能够实现秸秆粉碎还田、开沟、施肥、播种等多项作业.田间试验表明,该机通过性能良好,减少作业能耗,实现一机两用.

关键词:稻麦免耕播种机;节能减排;设计

中图分类号:S 223.2

文献标识码: A文章编号: 1004-390X(2011)04-0543-06

Design of Multifunctional Notill Wheat and Paddy Planter

LI Wei, HE Ruiyin

(Faculty of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031,China)

Abstract: Jianghuai region is one of the major grain producing areas in China, where planting has high energy consumption. In addition, greenhouse gases displacement of planting is larger than ever, and the phenomenon of straw burned is extremely serious. To solve the problem, the multifunctional notill wheat and paddy planter was designed with the technique of mechanized cultivation of energysaving emission reduction. Combing with controlled traffic tillage and strip chopping antiblocking mechanism, it could be used to returning corn stalks to the filed, fertilizing, seeding, covering and so on. The filed experiment indicates that the machine can decrease operating power consumption, and its steering ability is outstanding.

Key words: notill wheat and paddy planter, energy conservation &, emission reduction, design

目前,我国温室气体排放总量已经超越美国,达到60亿t二氧化碳排量[1-2],成为全球排放温室气体量最多的国家,随着我国经济的高速发展,节能减排的国际压力也日益增大.在现有的技术水平和国民经济结构下,要保持经济的快速发展,除了调整能源结构、增加可再生能源、提高森林蓄积量等外,农田温室气体减排潜力巨大.我国农业源温室气体排放占全国总排量的17%左右[3],明显高于国际水平,其中稻田是主要的排放源之一.实现农田节能减排的有效手段之一在于推广新型的机械化种植模式,该模式实现秸秆还田、灭茬、施肥、开沟、播种等一体作业,能够减少作业次数,减少对土壤结构的破坏和压实,增加土壤有机质;减少化肥的使用量与秸秆的焚烧现象,有利于环境保护;提高拖拉机的工作效率,减少能源消耗,增加农民的收入.

江淮稻麦轮作区是我国粮食的主产区,由于该地区土壤含水率高,水稻秸秆量大,秸秆较难破碎,适宜该地区的复式播种机较少,因此限制了农田节能减排机械化种植模式的推广.目前该类机型,作业耗能大、作业费用高,容易发生阻塞,例如:盐城市汇丰农业装备有限公司生产的SGT-175Z12A12型旋耕施肥播种机工作前需要清理地表秸秆或者旋耕整地,工作效率较低;2BFG系列播种机适宜小麦、玉米、豆类等多种大小籽粒不同的种子的播种,但是该类机具在秸秆量超过3.5t/hm2作业条件下通过性能较差,容易发生堵塞,尤其是在江淮地区,潮湿的秸秆极易缠草.

针对以上考虑,结合水稻、小麦免耕旱直播,固定灌溉厢沟技术、化肥深施等技术,设计了一种适宜江淮稻麦轮作区的多功能稻麦免耕施肥播种机.

1整体机构

根据江淮地区稻麦旱直播的农艺要求,以及节能减排机械化种植模式的技术要求,结合现有的复式播种机[4-10]确定多功能稻麦免耕施肥播种机结构,如图1所示,采用3点悬挂方式与拖拉机挂接,由变速箱,种肥箱,深施肥开沟器、地轮、旋耕机构,种子深度调节装置等部件组成.机具一次作业能完成秸秆粉碎还田、开沟、深施肥、播种、施肥、覆土等多道工序.机具主要技术参数如表1所示.

工作原理:工作时,首先进行旋耕整地,耕深为12cm,旋耕刀辊由拖拉机输出轴驱动,采用中间传动的方式,通过地轮带动传动链驱动排肥器和排种器,种子、肥料通过排种管、排肥管落入开沟器开的种沟内,通过种子深度调节装置上的调节螺栓可以调整排种管的位置,从而实现种子深度的调节.在已耕地采用种肥侧向垂直分施,保证种子既不会发生烧苗的现象也有充足的养分供给.

如图2所示为固定道、种子及肥料在生长带上的分布情况.免耕播种机的作业幅宽为1500mm,生长带上种植12行水稻或者小麦,作物窄行行距为100mm,宽行行距为160mm.相邻固定道中心线之间的距离为1800mm,在固定道作业系统中,拖拉机车轮行使在固定道中,拖拉机轮距以及多功能免耕施肥播种机地轮要与固定道宽度要匹配,同时固定道可以作为灌溉水渠,实现对相邻固定道之间的作物进行浸润灌溉,提高水资源利用率,减少农田用水,进而降低灌溉能耗和温室气体排放.

2主要工作部件设计

2.1粉碎刀轴设计

多功能免耕施肥播种机粉碎刀轴采用中间传动,粉碎刀轴为大直径的空心管轴,能提高粉碎刀轴的动力性能,降低振动,又能防止秸秆及杂草的缠绕[11].刀片由销子固接在刀轴的刀座上,刀片的合理排列有利于耕作质量的提高,有利于降低能耗,使整机受力平衡,刀片磨损均匀,减少震动与冲击,因此刀片的合理排列是设计粉碎刀轴的关键.常见的排列方式有旋线排列、对称排列、交错平衡排列3种方式[12].该机刀轴采用中间传动方式,如图3a所示为刀轴一侧的布置图,另一侧与其对称布置,刀轴上有24把弯刀,24把直刀,其中弯刀用于破碎残茬,旋耕整地,直刀用于打碎秸秆,深施肥开沟器布置在直刀之间,且有一定的重叠,能有效地排除开沟器上的秸秆和泥土,防止秸秆阻塞排肥管和排种管.本机刀轴刀片布置采用类似的螺旋线排列,这种排列方式使得刀片在离心力的合力作用在同一平面内,平衡性能较好,机器振动较小.单刀排列的轴向间距和周向角度相等,刀轴负载均匀,工作时始终有一对刀片同时工作,刀轴受冲击载荷作用小.机具采用带状旋耕,旨在减少动土量和作业能耗,SGTNF200Z13A13型旋耕施肥播种机和2BFG系列播种机多采用全幅还田,旋耕刀均为弯刀,没有考虑防止秸秆缠绕、阻塞排种排肥管等问题,旋耕时动土量大,耗能高,如图3b所示为全幅还田播种机常用的旋耕刀轴的刀片布置示意图.

2.2深施肥开沟器的设计

常见的开沟器主要有圆盘开沟器、尖角开沟器、驱动式旋耕刀开沟器等.深施肥开沟器主要功能是在多功能免耕施肥播种机工作时开出种沟,引导种子和肥料进入种沟内,并使湿土覆盖种子和肥料[13].圆盘开沟器作业稳定,但结构复杂,在江淮地区土壤黏重,秸秆覆盖的地表上作业时易发生壅土堵塞现象,需要对田块进行旋耕整地.所以,根据作业要求,江淮地区气候条件和当地的土壤条件选用如图所示的尖角开沟器,该类型开沟器结构简单、轻便、容易制造,适用于墒情较好的地区.为增加开沟器的入土能力和提高防堵能力,对原有的开沟器进行了改进,在开沟器铲柄的前端增加了锋利的割刀(图4),有利于切断从刀辊抛向开沟器的杂草和泥块,防止开沟器阻塞,减少工作载荷.该开沟器能够清理出良好的种床,工作时,行走在旋耕刀辊翻耕过的疏松土壤上,减少土壤扰动和动力消耗.

2.3作业耗能

机组消耗功率为N等于Nk+Nx+Nb,其中NK为机组的空行功率,配套拖拉机额定功率为36.8kW,Nk等于 9.8kW;Nx,Nb分别为旋耕开沟、播种施肥的消耗功率.

影响旋耕开沟功率消耗的因素很多,可以用下列经验公式估算[14-15]:

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Nx等于0.1KλαVmB(kW)(1)

式中,B为耕幅(m),B等于1.5m;

Vm为机组前进速度(m/s),Vm等于1.3 m/s;

α为旋耕开沟深度,α等于12cm;

Kλ为旋耕比阻(N/cm2),Kλ等于15.54N/cm2,土壤为重黏土,含水率为26%.

得出Nx等于36.4kW.

根据图2固定道、作物及肥料分布情况可以看到旋耕机构实际作业的幅宽为60cm,实际旋耕开沟功率消耗Nλ等于Nx×(60/150)等于14.56kW,深施肥开沟器开沟深度在10cm范围以内,旋耕后的土质较为疏松,所受阻力较小,对功率消耗影响不大,所以机组总功率消耗略大于24.36kW,小于配套拖拉机额定功率36.9kW,满足多功能秸秆还田施肥播种机作业功率要求.

3田间试验

2009年6月、12月在江苏盐城黄海农场分别进行水稻和小麦的播种,试验面积均为3.33hm2,并进行了播种性能试验.农场地处黄海之滨,位于中纬度地带,气候温和雨量充沛,四季分明,霜期较短,年平均气温13.1℃,最高气温达39.9℃,最低气温达-16.4℃,年平均降雨雨量956.5mm,蒸发量1554.5mm,蒸发量大于降雨量.无霜期211d,全年日照时数历年平均2314.8h,日照率为58%.试验地为重黏土,地势平坦,属于稻麦轮作区.

根据农业部农机试验鉴定总站制定的关于免耕播种机播种质量的检测指标,播种性能试验主要包括常规的播种质量、种肥覆土状况、种肥间距、机具通过性能等,主要检验依据为《免耕播种机选型试验大纲》,《旋耕灭茬施肥播种机推广鉴定大纲》,小麦免耕播种机性能检测项目与检测方法.检测设备包括电子秤、钢尺、游标卡尺、秒表及卷尺等.

3.1种肥覆土深度测试

播种机在拖拉机的牵引下,以4~5km/h正常作业速度播种后,取12行,每行在50m内随机取10个点,共计120个采样点,人工扒开土层进行播种深度测量;施肥深度的测量方法与测种子深度方法相同,施肥行数为6行,每行在50m内随即取10个点,共计60个点.根据当地农艺要求,小麦播种深度与3~5cm为合格,水稻播种深度以1~2cm为合格,施肥深度均以7~10cm为合格.部分种肥覆土深度数据如表2,3所示.

试验数据表明,多功能免耕施肥播种机播种水稻(图5)和小麦(图6)时播种质量满足当地农艺要求.种肥深度结果如表4所示,种肥变异系数分别为44.0%, 27.2%,11.5%,11.2%,种子深度变异系数明显大于肥料深度的变异系数.当地常用播种机SGT175Z12A12型旋耕施肥播种机在旋耕整地后的农田作业播种深度合格率为84%,施肥深度合格率为92%(数据来源于盐城汇丰农业装备有限公司和黄海农场农科所),本机具播种小麦和水稻的深度合格率分别为85.8%, 79.25%,施肥深度合格率分别为86%, 84.6%.

3.2通过性

根据国家免耕播种机有关标准,分别在水稻秸秆残茬地和小麦秸秆残茬地进行了通过性能测试.残茬高度均为30cm,分别进行6次测试,在小麦秸秆残茬地机具通过性能良好,没有发生阻塞现象;在水稻秸秆地播种小麦时,通过性良好,没有发生堵塞.

3.3综合效益分析

该机可以实现在节能减排机械化种植模式下耕作水稻和小麦.与江淮地区现有的种植方式相比较,该地区拖拉机要进行秸秆全量还田和播种2次作业,旋耕作业费用为375~450元/ hm2,播种机作业费用为375~450元/hm2,使用本机具只需进地一次就可完成旋耕、开沟、施肥播种等多道工序,每公顷可以降低300~450元的农机作业费.经测算当地种植方式从旋耕整地到收获能耗约为978450kJ/ hm2,使用本机具的新型种植模式从旋耕整地到收获耗能约为386550kJ/ hm2,直接能耗减少50%以上.

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4讨论

多功能稻麦免耕施肥播种机,具有良好的防堵通过能力,可以满足江淮地区的种植需要,实现稻麦免耕播种,播种后秸秆覆盖地表,通过固定道进行浸润灌溉,减少了温室气体的排放,节水保墒效果好.秸秆粉碎、开沟、施肥、播种和覆土等联合作业减少投入成本和作业工序,降低作业费用,该机可以一机两用,提高机具的使用率.

该机满足江淮地区小麦、水稻的种植要求,田间试验表明种子、肥料覆土深度满足当地的农艺要求,为以后大面积推广打好基础.

机具作业时虽然采用了固定道技术,但是并未作深入探讨,对农田产生的影响亟须在以后的工作中进行研究.

样机试验表明种子深度变异系数明显大于肥料深度的变异系数,主要原因在于:肥料直接落入沟底,其深度只与开沟深度单一因素有关,而播种时,播深受到开沟深度、旋耕时覆土量和回土量等多因素的影响,所以需对播种机构进行改进.

由于农忙时间较短,江淮地区雨量充沛,作业环境恶劣,在秸秆还田时作业情况不够稳定,对比试验表明当地播种机具作业性能较优于本机具(由于试验条件和2BMF播种机形式多样等因素,故未和本机具作对比试验),所以需对样机进行改进,获得更为出色的性能.

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