北方地区小地块小麦-玉米通用免耕施肥播种机研发

北方地区小地块小麦-玉米通用免耕施肥播种机研发
作者：张小丽高峰韩伟
来源：《南方农业·上》2024年第06期
摘要針对我国北方部分农村地块小且分散、大中型机械化作业难度大、配套动力小等问题，研发了一种小麦-玉米通用免耕施肥播种机，确定了整机总体设计方案与工作原理，并对旋耕装置、离合器等关键部件进行了设计与选用。

在免耕小地块分别对小麦、玉米进行了播种试验，田间试验数据表明：玉米和小麦的种肥深度和种肥间距均能满足播种质量要求。

该机一次作业能够完成破茬防堵、种肥分施、覆土镇压作业。

旋耕装置能够解决播种时开沟器堵塞问题，离合器的使用提高了机具的工作效率，选用小麦玉米两用外槽轮式排种器，提高了该机使用率，施肥播种质量稳定，基本满足了地块较小且分散的农村地区保护性耕作下免耕作业的农艺要求。

关键词保护性耕作；小地块；免耕播种机；离合器；北方地区
中图分类号：S233.2+6 文献标志码：A DOI：10.19415/ki.1673-890x.2024.11.052
免耕播种是指在作物秸秆覆盖的地块进行直接播种，其播种作业难度大，容易出现缠绕、堵塞机具的现象，对免耕播种机具的作业性能要求较高[1-3]。

国外的免耕播种机具一般采用牵引式，与大功率拖拉机相配套，整机体积大，播种质量较好，仅适于大地块作业，而且价格昂贵，不易于在我国北方小地块农田地推广。

我国农村拖拉机以中小型为主，考虑到农村运输道路较窄，田间作业地块小且分散，不适合与大型播种机配套作业[4-5]。

我国研究设计的免耕播种机比较成熟，但针对北方一年两熟地区小地块小型小麦-玉米通用免耕播种机研究较少。

本研究结合北方小地块地区保护性耕作的实际情况及农村小型拖拉机配套动力的实际情况，研发了一种适合北方一年两熟地区7.35～8.82 kW小型手扶拖拉机配套使用的小麦-玉米通用免耕播种机，为我国北方小地块小型免耕播种技术推广提供了依据。

1 整机结构与工作原理
1.1 整机结构
小麦-玉米通用免耕施肥播种机结构如图1，该机主要有开沟施肥播种器、播种量调节手柄、种箱、肥箱、机架、旋耕防堵装置、覆土镇压装置等部分组成。

整机结构主要由旋耕装置和施肥播种装置组成。

旋耕装置可以将地面覆盖的秸秆和杂草进行打断，为施肥播种创造有利条件。

施肥播种装置为安装在拖拉机后轮内侧链轮提供动力，通过双齿链轮传动同时完成施肥、播种作业。

根据农艺参数和整机功能要求，小麦播种采用大垄双行，宽窄行距离分别为30 cm、15 cm，行距可调；玉米采用50 cm等行距设计，行距可调。

该机可播种4行小麦或2行玉米，其主要技术参数见表1。

1.2 工作原理
免耕条件下进行小麦播种作业时，手动将旋耕机档位置于作业档位，旋耕装置将播种带上的秸秆杂草打断，进行入土2 cm深度的微耕，避免作业过程中开沟施肥播种器被堵，保证机具的通过性能。

旋耕装置的转速可以通过档位进行调节。

免耕播种玉米时候，将旋耕刀更换成螺旋刀防堵装置，该装置不入土，旋转过程中可将播种带上及开沟器顶出的碎土块切断并推向播种带外侧，防止缠绕堵塞机具。

拖拉机右后轮内侧轴上安装双齿链轮，动力通过链传动经播种施肥离合器传递给施肥链轮和播种链轮，完成施肥与播种。

在旋耕装置碎秆灭茬后，开沟施肥播种器开出10 cm左右宽、5～10 cm深的种床，保证顺利施肥与播种。

开沟器开出的沟底被回落的覆土盖住，后经覆土镇压装置作业，提高种子出芽率。

为了适应小麦、玉米不同地区，不同行距的变化，免耕施肥播种器能够左右、上下调整位置，满足不同的行距和施肥播种深度的要求。

2 整机动力传动
本次设计的整机动力传动包括旋耕装置传动和施肥播种装置传动，其中排肥采取二级传动系统，排种采取三级传动系统。

整机的动力传动见图2。

2.1 旋耕装置的动力传动
拖拉机的后输出轴与旋耕机输入端相连，动力直接传递给旋耕机。

旋耕机下方输出轴带动旋耕装置旋转。

作业过程中，通过手动对旋耕机档位的切换，达到不同旋耕速度作业目的。

2.2 施肥播种作业的动力传动
通过安装在拖拉机右后轮内侧的双齿链轮传动，将动力传递到安装在轴Ⅰ的离合器链轮处。

通过手动控制该离合器，可将动力传递到轴Ⅰ上，轴Ⅰ两端安装双齿链轮，通过链传动，轴Ⅰ一部分动力传递给左右两侧的肥箱链轮上实现施肥作业，另一部分动力通过右侧链轮经链传动传递给排种双齿链轮上，该链轮带动轴Ⅱ，实现播种作业。

目前播种机普遍采用地轮转动为动力，带动施肥播种作业，实际地面情况一般比较复杂，直接影响播种质量。

本设计中动力传递直接由拖拉机后轴提供，作业过程中受地面平整情况影响很小，动力传递效率高。

2.3 传动比设计
本机具可以通过调节拖拉机右后轮内侧的双齿链轮与排肥、排种链轮的不同组合改变传动比，通过改变排肥、排种链轮的转速来控制播量，实现不同播量下小麦、玉米的免耕播种。

设计小麦播种时的传动比为1∶1，播种玉米时，拖拉机右后轮内侧的双齿链轮用齿数少的链轮与播种链轮齿数多的链轮相连，从而降低播种链轮速度，减少播量。

双齿链轮齿数分别选
17/19，播种双齿链轮齿数选19/21，传动比可在1∶1、1∶1.11、1∶1.12、1∶1.24中选取。

3 关键部件的设计
3.1 旋耕装置的设计
免耕作业下地表有杂草和秸秆残渣，为保证顺利播种，需要解决开沟器的防堵问题，可直接将拖拉机后输出轴与旋耕机连接。

根据农村小地块的特点，结合小麦玉米的农艺要求，设计了左右对称的两组防堵装置，见图3。

旋耕装置弯刀侧切刃的刃口线型设计为国家标准推荐的阿基米德螺线，刃口曲线加工制造简单，制造成本较低。

弯刀的刀刃主要由正切刃与侧切刃组成。

其极坐标方程为：
[R=R0+K⋅θ]
式中，R为极径（mm）；R0为起始半径（mm）；K为比例系数；[θ]为极角（°）。

与常用旋耕机入土深度10 cm以上不同，本设计的旋耕刀正切刃部分入土深度为0～3 cm，只要保证将播种带地表秸秆、杂草、玉米根茬打断即可，尽量减少动土量，减少动力消耗[6]。

旋耕部分由安装在旋耕刀轴上的两组旋耕刀体组成，每组由6把旋耕刀和两个碎土板组成，刀片均匀布置在刀轴上。

中间的两把旋耕刀为直刀，两旁的两把旋耕刀为弯刀。

刀轴上两侧弯刀交替入土，降低刀具对机具的重心转矩及侧压力。

考虑到满足耕深的要求下，尽量选择较小尺寸的刀片半径，本设计刀片回转半径为130 mm，刀片材质选择常用的45钢调质处理。

旋耕刀抛出的土块或杂质碰到碎土板会进行再一次的碰撞粉碎，保证后续开沟器顺利作业。

本设计机具作业速度Vm=2.5～5 km·h-1，刀轴转速为280 r·min-1。

根据地表实际情况，可调整刀轴转速，提高工作效率。

在小麦地免耕播种玉米时，考虑到小麦秸秆相对较少，将旋耕机的旋耕刀部分取下来，换成图3设计的螺旋刀防堵装置。

该装置在刀轴上螺旋分布切削刀，由旋耕机变速箱带动旋转，工作时候不入土。

作业时左右两侧螺旋均向外侧旋转，可将播种带上及开沟器顶出的碎土块切断并推向播种带外侧，防止机具堵塞。

经田间试验，该装置防堵效果良好。

3.2 开沟施肥播种器的设计
由于免耕地表秸秆覆盖量较大，开沟器入土难度大，因此需要设计一种入土性能良好且对土壤扰动小的开沟装置，保证肥料、种子的播种深度。

根据实际作业地块情况，结合农艺要求，设计集开沟施肥播种为一体的开沟施肥播种器，见图4。

开沟施肥播种器主要由开沟器、铲柄、肥管、连接板等组成。

开沟器的前进阻力与入土角大小成正比[7-8]。

合适的入土隙角可以提高开沟器的入土能力。

入土隙角一般为5°～10°[9]，本文选取入土隙角γ=5°，铲面升角α=30°的锐角开沟器，材质为锰钢。

将开沟器、铲柄、铲柄前刀焊接在一起。

铲柄前刀厚度为5 mm，采用锰钢进行刃角处理。

铲柄采用调质45钢，宽度为50 mm，厚度为28 mm，高度为530 mm，铲柄的侧面与排肥管相连。

铲柄用U型螺栓与机架相连，可以上下活动来调整机具入土深度及施肥深度。

铲柄后侧焊接肥管连接板，其上加工长槽孔，两根种管左右对称分布在连接板两侧，根据土壤的实际情况及播种深度的不同，两侧种管可以上下、左右调节，从而调节播种深度和行距。

种管前段焊接前刀，刃角处理，厚度5 mm，材质为45钢调质处理。

两个种箱的底部各有2个出种孔，播种玉米时，如果有不需要的排种孔，可以将其用挡板挡上。

设计施肥深度为80～100 mm，播种深度为0～80 mm，深度均可调。

通过种肥量调节机构改变槽轮的有效工作长度及改变传动比调整播量，以满足符合当地农艺要求的种肥量。

3.3 施肥播种离合器的设计
为提高机具工作效率，本文设计了一种离合器。

该离合器主要由拉杆、L型拨叉连杆、预紧弹簧、活动离合器片、固定离合器片等组成。

活动离合器片与轴Ⅰ通过键连接，能够在轴Ⅰ上短距离滑动，固定离合器片与链轮做成一体，与轴Ⅰ通过轴承配合连接。

该离合器能在机具工作过程中，根据需要在不停機的情况下通过操作手动拉杆，随时切换动力。

结构见图5。

作业开始前，离合器拉杆处于空档位置，此时，拖拉机后轮的转动，通过链条传递到固定离合器片，活动离合器片在拉杆的预紧力下，压缩弹簧，使其与固定离合器断开，动力被切断，不会进行施肥和播种。

作业开始后，手动将拉杆放下，活动离合器片在弹簧的张力下与固定离合器片啮合，动力被传递到轴Ⅰ上，通过链传动带动肥箱、种箱进行作业。

3.4 小麦玉米通用的播种装置
为实现免耕播种小麦玉米，选用外槽轮式小麦-玉米通用排种器。

玉米和小麦种子大小不同，通过手轮调节施肥量，通过调节手柄调整播种量，外槽轮式播种器结构简单，成本低，种子、肥料播量稳定。

将拖拉机后轮内侧的链轮、施肥、播种器链轮设计成双齿链轮，通过选择不同链轮连接，形成不同的传动比，也可以对播量进行调节。

4 田间试验
为了测试该机工作性能，于2016年6月和10月，在河北邢台地区一年两熟小地块分别就玉米和小麦进行了田间试验，对种肥深度及间距进行检测。

检测方法如下：播种后任意选择5块区域进行测量[10]，每个区域选6行，一行取3个点，测出种肥深度及间距，种深3～5 cm、肥深8～10 cm、种肥间距为3～6 cm为合格。

玉米播种的前茬作物为小麦，在收获小麦后的麦茬地宽行上直接播种夏玉米，土壤类型为壤土，秸秆覆盖量为695 g·m-2。

土壤含水率10.2%，土壤坚实度18.8 kg·cm-2，试验用化肥为尿素，无结块，施肥量150 kg·hm-2。

配套动力为7.35～8.82 kW手扶拖拉机。

试验数据见表2，根据播种机质量评价技术规范[11-12]，该机播种玉米后种肥深度和种肥间距均满足播种质量要求，符合农艺要求。

在玉米播种1个月左右，为了解玉米苗的生长情况，分别在免耕播种机播种和人工播种的玉米地里随机分3个片区，每个片区就株高、株距、行距、苗粗各取20组数据，并对数据进行汇总。

从图6中可以看到，免耕播种机播种后，玉米的各项参数跟人工播种下除株高有所下降外，株距、行距、苗粗数据没有明显差别，可以满足农艺要求。

小麦播种的前茬作物为玉米，行距为500 mm，秸秆还田。

秸秆覆盖量为2.75 kg·m-2，土壤类型为壤土，0～10 cm土层的土壤含水率为10.1%，播种4行小麦，肥料为小麦复合肥，施
肥量220 kg·hm-2。

配套动力为7.35～8.82 kW手扶拖拉机。

由表3可以看出，该机播种小麦后种肥深度和种肥间距均满足播种质量要求，符合农艺要求。

式中，R为极径（mm）；R0为起始半径（mm）；K为比例系数；[θ]为极角（°）。

与常用旋耕机入土深度10 cm以上不同，本设计的旋耕刀正切刃部分入土深度为0～3 cm，只要保证将播种带地表秸秆、杂草、玉米根茬打断即可，尽量减少动土量，减少动力消耗[6]。

旋耕部分由安装在旋耕刀轴上的两组旋耕刀体组成，每组由6把旋耕刀和两个碎土板组成，刀片均匀布置在刀轴上。

中间的两把旋耕刀为直刀，两旁的两把旋耕刀为弯刀。

刀轴上两侧弯刀交替入土，降低刀具对机具的重心转矩及侧压力。

考虑到满足耕深的要求下，尽量选择较小尺寸的刀片半径，本设计刀片回转半径为130 mm，刀片材质选择常用的45钢调质处理。

旋耕刀抛出的土块或杂质碰到碎土板会进行再一次的碰撞粉碎，保证后续开沟器顺利作业。

本设计机具作业速度Vm=2.5～5 km·h-1，刀轴转速为280 r·min-1。

根据地表实际情况，可调整刀轴转速，提高工作效率。

在小麦地免耕播种玉米时，考虑到小麦秸秆相对较少，将旋耕机的旋耕刀部分取下来，换成图3设计的螺旋刀防堵装置。

该装置在刀轴上螺旋分布切削刀，由旋耕机变速箱带动旋转，工作时候不入土。

作业时左右两侧螺旋均向外侧旋转，可将播种带上及开沟器顶出的碎土块切断并推向播种带外侧，防止机具堵塞。

经田间试验，该装置防堵效果良好。

3.2 开沟施肥播种器的设计
由于免耕地表秸秆覆盖量较大，开沟器入土难度大，因此需要设计一种入土性能良好且对土壤扰动小的开沟装置，保证肥料、种子的播种深度。

根据实际作业地块情况，结合农艺要求，设计集开沟施肥播种为一体的开沟施肥播种器，见图4。

开沟施肥播种器主要由开沟器、铲柄、肥管、连接板等组成。

开溝器的前进阻力与入土角大小成正比[7-8]。

合适的入土隙角可以提高开沟器的入土能力。

入土隙角一般为5°～10°[9]，本文选取入土隙角γ=5°，铲面升角α=30°的锐角开沟器，材质为锰钢。

将开沟器、铲柄、铲柄前刀焊接在一起。

铲柄前刀厚度为5 mm，采用锰钢进行刃角处理。

铲柄采用调质45钢，宽度为50 mm，厚度为28 mm，高度为530 mm，铲柄的侧面与排肥管相连。

铲柄用U型螺栓与机架相连，可以上下活动来调整机具入土深度及施肥深度。

铲柄后侧焊接肥管连接板，其上加工长槽孔，两根种管左右对称分布在连接板两侧，根据土壤的实际情况及播种深度的不同，两侧种管可以上下、左右调节，从而调节播种深度和行距。

种管前段焊接前刀，刃角处理，厚度5 mm，材质为45钢调质处理。

两个种箱的底部各有2个出种孔，播种玉米时，如果有不需要的排种孔，可以将其用挡板挡上。

设计施肥深度为80～100 mm，播种深度为0～80 mm，深度均可调。

通过种肥量调节机构改变槽轮的有效工作长度及改变传动比调整播量，以满足符合当地农艺要求的种肥量。

3.3 施肥播种离合器的设计
为提高机具工作效率，本文设计了一种离合器。

该离合器主要由拉杆、L型拨叉连杆、预紧弹簧、活动离合器片、固定离合器片等组成。

活动离合器片与轴Ⅰ通过键连接，能够在轴Ⅰ上短距离滑动，固定离合器片与链轮做成一体，与轴Ⅰ通过轴承配合连接。

该离合器能在机具工作过程中，根据需要在不停机的情况下通过操作手动拉杆，随时切换动力。

结构见图5。

作业开始前，离合器拉杆处于空档位置，此时，拖拉机后轮的转动，通过链条传递到固定离合器片，活动离合器片在拉杆的预紧力下，压缩弹簧，使其与固定离合器断开，动力被切断，不会进行施肥和播种。

作业开始后，手动将拉杆放下，活动离合器片在弹簧的张力下与固定离合器片啮合，动力被传递到轴Ⅰ上，通过链传动带动肥箱、种箱进行作业。

3.4 小麦玉米通用的播种装置
为实现免耕播种小麦玉米，选用外槽轮式小麦-玉米通用排种器。

玉米和小麦种子大小不同，通过手轮调节施肥量，通过调节手柄调整播种量，外槽轮式播种器结构简单，成本低，种子、肥料播量稳定。

将拖拉机后轮内侧的链轮、施肥、播种器链轮设计成双齿链轮，通过选择不同链轮连接，形成不同的传动比，也可以对播量进行调节。

4 田间试验
为了测试该机工作性能，于2016年6月和10月，在河北邢台地区一年两熟小地块分别就玉米和小麦进行了田间试验，对种肥深度及间距进行检测。

检测方法如下：播种后任意选择5块区域进行测量[10]，每个区域选6行，一行取3个点，测出种肥深度及间距，种深3～5 cm、肥深8～10 cm、种肥间距为3～6 cm为合格。

玉米播种的前茬作物为小麦，在收获小麦后的麦茬地宽行上直接播种夏玉米，土壤类型为壤土，秸秆覆盖量为695 g·m-2。

土壤含水率10.2%，土壤坚实度18.8 kg·cm-2，试验用化肥为尿素，无结块，施肥量150 kg·hm-2。

配套动力为7.35～8.82 kW手扶拖拉机。

试验数据见表2，根据播种机质量评价技术规范[11-12]，该机播种玉米后种肥深度和种肥间距均满足播种质量要求，符合农艺要求。

在玉米播种1个月左右，为了解玉米苗的生长情况，分别在免耕播种机播种和人工播种的玉米地里随机分3个片区，每个片区就株高、株距、行距、苗粗各取20组数据，并对数据进
行汇总。

从图6中可以看到，免耕播种机播种后，玉米的各项参数跟人工播种下除株高有所下降外，株距、行距、苗粗数据没有明显差别，可以满足农艺要求。

小麦播种的前茬作物为玉米，行距为500 mm，秸秆还田。

秸秆覆盖量为2.75 kg·m-2，土壤类型为壤土，0～10 cm土层的土壤含水率为10.1%，播种4行小麦，肥料为小麦复合肥，施肥量220 kg·hm-2。

配套动力为7.35～8.82 kW手扶拖拉机。

由表3可以看出，该机播种小麦后种肥深度和种肥间距均满足播种质量要求，符合农艺要求。