大型免耕播种机开沟器结构研究

1 免耕播种机的开沟器
自从 20 世纪中期美国开发免耕播种技术获得成 功以来，世界 各 地 对 免 耕 技 术 给 予 了 极 大 的 重 视，许 多国家都在积极的试验和推广。免耕技术的基本内 容是在前茬 作 物 收 获 后，土 地 不 进 行 耕 翻，让 原 有 的 残茬、枯草覆盖地面，待下茬作物播种时，用特制的免 耕播种机直接在茬地上进行局部的松土播种，并在播 种前或播种后喷洒除草剂及农药。这种方法与常规 耕作法相 比，可 以 减 少 机 具 投 资 费 用 和 土 壤 耕 作 次 数，因而可降低生产成本、减少能耗、减轻对土壤的压 实和破坏，并 可 减 轻 风 蚀、水 蚀 和 土 壤 水 分 的 蒸 发 与 流失。免耕播种机是免耕播种的专用机具，能够完成 秸秆、残茬覆盖的免耕地上播种和施足作物生长期需 要的大量的肥料，免耕播种机除要有传统播种机的开 沟、下种、下肥、覆 土 和 镇 压 功 能 外，一 般 还 有 良 好 的 清草排堵、破茬入土、种肥分施和地面仿形能力，以满 足免耕覆盖地播种的特殊要求［1］。在免耕且有秸秆、 残茬覆盖的相对坚硬的土壤上播种施肥，需要有入土 能力强的开沟器，发达国家如美国、澳大利亚、加拿大 等开展的保护性耕作较早，已拥有相对成熟的保护性 耕作技术和机具。开沟器的样式因各个国家耕地的 情况、土质情况、地块的大小而不一样，开沟器的选择 类型也不一样，下面以美国、加拿大、中国的开沟器情 况为例进行分析研究。
2 单元盘开沟器
2． 1 单圆盘开沟器受力分析 三圆盘开沟器结 构 中 ，一 般 波 纹 圆 盘 破 茬 、开 沟 ，
双圆盘二次开沟播种、施肥。这种开沟器直接由上而 下对土壤进行切割开沟，波纹盘凹槽扰动土壤形成松 土带，双圆盘再挤出一个浅沟，种子、肥料混合播到土 壤中，然后覆土镇压。波纹圆盘开沟器圆盘受到 4 个 力的作用，即整机质量（ 包括开沟器自身质量） 通过 压缩弹簧均摊到开沟器上的作用力； 拖拉机对播种机 的牵引力； 圆盘两侧土壤的侧向挤压力； 土壤对圆盘 的接触摩擦力。波纹圆盘的侧向应力图如图 1 所示。 由于波纹圆盘与播种机的前进方向夹角为 0，所以圆 盘的侧向挤压力均匀对称。如果忽略土壤松紧不均 的影响，则可忽略开沟器轴承座的侧向力作用。波纹 圆盘对土壤的扰动作用以及对土壤竖直面的作用，使 得圆盘的波 纹 凹 槽 部 分 和 边 缘 部 位 磨 损 加 剧［3］。 目 前，国际上开 沟 圆 盘 的 类 型 主 要 有 波 纹 型 圆 盘、涡 轮 型圆盘。
2． 4 波纹盘安装 波纹盘开沟器根据机型不同安装方式也不一样，
一种是直接将波纹圆盘开沟器联接在免耕机的机架 的横梁上的分体式免耕播种机，如图 4 上图所示； 另
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第3 期
一种方式是将单圆盘开沟器和双圆盘开沟器同时固 定在刀梁上，再将刀梁连接到架体上的整体式免耕播 种机，如图 4 下图所示。
mail） buku0471@ yahoo． cn。
美国在研究保护 性 耕 作 技 术 方 面 起 步 较 早 ，产 品 的种类也较 多，以 大 型 的 免 耕 播 种 机 为 主，其 机 具 相 对比较成熟，生 产 免 耕 机 的 大 型 企 业 也 比 较 多，其 中 比较出名的有 Great Plain（ 大平原） 、John Deere（ 约翰 迪尔） 、Case（ 凯斯） ，机型较多，结构也比较复杂。开 沟器作为免耕播种机的关键部件之一，其功能是按照 播种深度要求开出沟槽，并且在保证种子发芽出苗的 前提下产生最小的土壤扰动，为种子发芽和作物的生 长提供良 好 的 种 床。在 传 统 耕 作 中，经 过 翻 耕 整 地 后，开沟器在疏松的耕层中开沟、播种，开沟阻力小， 刃口的锋利程度对开沟器的前进阻力没有明显的影 响。但免耕茬地，地表坚实且有大量的秸秆覆盖，开 沟器入土 困 难，阻 力 大，需 要 有 良 好 的 破 茬 入 土 性 能 ，因此免耕开沟 器 除 了 有 传 统 开 沟 器 的 性 能 外 ，还 应该具有锋利的刃口，以减少开沟器的前进阻力，降 低拖拉机的动力消耗； 表层土壤扰动小，以减少土壤 上下层干湿土混合，降低土壤墒情的损耗； 创造有利 于种子发芽和根 系 生 长 的 疏 松 种 床 ，提 高 播 种 质 量 ； 有良好的破茬或者切断秸秆性能，或者播种时配以其 他防堵装 置，以 提 高 防 堵 性 能［2］。 目 前 在 免 耕 条 件 下，免耕播种机多采用圆盘或锄铲式开沟器。美国大 型免耕播种机的开沟器均为三圆盘结构。三元盘开 沟器的结构是前排波纹盘犁刀切断残茬预开出小沟 松软种床，后 排 的 双 圆 盘 开 沟 器 开 出 播 种 的 沟 槽，同 时输种管将种子置于沟槽内，前边破茬圆盘入土比后 边双圆盘深，双圆盘开沟器走在破茬圆盘开出的窄沟 上，将土壤挤成 V 形槽，同时播入种子和肥料； 后面的 镇压轮再将土层进行适当的镇压，保证种子与土壤结
图 2 不同波纹数的波纹盘 Fig． 2 Different wave disk
2． 3 涡轮型开沟器 涡轮型开沟器在美国大平原生产的免耕播种机
上得到了广 泛 的 应 用，在 全 世 界 也 处 于 领 先 的 地 位。 涡轮式圆盘开沟器也有两种形式： 一种是 Turbo Coulter 这种形式的犁刀凹槽的边线是一条直线无曲率，如 图 3 左侧圆盘所示。这种新型的犁刀盘能够锋利的 切开残茬，开出均匀的小沟。这种犁刀盘直径有 16， 17，20 inch3 种形式，波纹盘犁刀的厚度 5mm，圆盘的 价格从 40 ～ 70 美元； 另一种犁刀盘 vortex Coulter 为漩 涡式犁刀盘，其形状如图 3 右侧所示。这种形式的犁 刀的凹槽的 边 线 是 轻 微 的 弧 形，有 一 定 的 曲 率，在 切 割和开槽方 面 更 优 越，切 槽 也 更 均 匀，能 力 更 好。 这 种类型的开沟犁刀外径有 16，17，18，20，22 inch，开沟 的宽度 3． 175mm，犁刀盘的厚度是 6． 33mm，所用的材 料为硼钢，生产厂商是 Osmundson Manufacturing。
于所配备的 免 耕 机 不 同、播 种 的 地 势 不 同，波 纹 盘 的 开沟宽度、直 径、波 纹 盘 的 厚 度 也 不 一 样。 国 外 的 波 纹盘的开沟宽度有 0． 75，1，2inch 等各种不同的开沟 宽度，圆盘 的 直 径 大 小 也 不 一 样，直 径 的 规 格 有 15， 16，17，18，20，22 inch，波纹盘犁刀的厚度也不一样， 厚度 0． 177，0． 236inch 等。由于开沟时圆盘的直径越 大刚度越小，容 易 受 到 压 力 的 作 用 下 发 生 形 变，为 了 防止犁刀盘 的 形 变，犁 刀 盘 的 厚 度 必 须 越 厚，才 能 保 证犁刀盘的 强 度，犁 刀 盘 的 价 格 根 据 盘 的 直 径 大 小、 盘的厚度制作工艺难度不同，其价格从 30 ～ 60 美元 不等。
收稿日期： 2011 － 05 － 22 基金项目： 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（ 2011） 作者简介： 万 其 号 （ 1980 － ） ，男，内 蒙 古 乌 海 人，助 理 研 究 员，（ E －
mail） wanqihao204@ sina． com。 通讯作者： 布 库（ 1961 － ） ，男（ 达斡尔族） ，呼和浩特人，研究员，（ E －
3 双圆盘开沟器的结构
双圆盘开沟器示意图如图 5 所示。双圆盘开沟 器的工作部件是两个平面圆盘，相互倾斜并相交于一 点。工作时在土壤反力作用下，圆盘及圆盘毂在内外 锥体所形成的 V 形槽内转动。双圆盘开沟器靠机器 质量和弹簧压力入土，改变施加弹簧压力可调整开沟 深度。开沟器用两个旋转的平面圆盘切开土壤，并将 土壤向两侧推挤而形成种沟。输种管将种子导入种 沟，然后靠沟壁塌下的土壤覆土，开沟时不搅乱土层， 且能用下层湿土覆盖种子。由于圆盘周边有刃口，滚 动时可切断根茎和残茬。因此，在整地条件较差和土 壤湿度较大时，也能正常工作，且性能稳定，能适用于 较高速作业［4］。 开 沟 时 圆 盘 旋 转 ，能 切 断 植 物 根 茎 ， 防止挂草壅土，还可以用刮土板刮去粘附在圆盘上的 泥土，所以双圆盘开沟器的适应性比较好，工作可靠， 在整地不很细、有作物根茬和杂草以及土壤比较潮湿 时均能使用。
摘 要： 介 绍 了 免 耕 播 种 机 的 关 键 部 件 开 沟 器 的 作 用 ，单 元 盘 、双 圆 盘 开 沟 器 的 类 型 ，对 国 际 上 应 用 比 较 广 的 单
元 盘 开 沟 器 和 双 圆 盘 开 沟 器 的 结 构 参 数 进 行 了 研 究 、总 结 ，对 其 他 形 式 的 开 沟 器 的 结 构 类 型 也 进 行 了 简 单 的 分
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合紧密，及时吸收土壤养分。三圆盘开沟器的通过性 良好，土壤扰动性小，种沟深度变异系数小，但在有秸 秆覆盖的免耕地中，圆盘开沟器容易把秸秆挤压到种 沟中，影响播种质量； 另一方面圆盘开沟器需要一垂 直压力来切断秸秆，产生沟槽，采用圆盘开沟器的免 耕播种机需要较大的结构质量。
图 1 波纹圆盘的侧向应力图 Fig． 1 Side stress sketch of wavy disc
2． 2 波纹圆盘的类型 不同波纹数的波纹盘如图 2 所示。波纹盘开沟
器波纹数有 8 波纹、13 波纹、25 波纹的 3 种类别，由
图 3 涡轮性圆盘开沟器 Fig． 3 Turbo Coulter and vortex coulter
圆盘式开沟器按结构不同有两种型式： 普通双圆 盘开沟器，其特点是两圆盘夹角为 14°，两圆盘开出一 个种沟，播种一行； 另外一个为窄行双圆盘开沟器，两 圆盘夹角较大，通常为 23°。工作时，两圆盘接触点位 置高，因此每 个 圆 盘 能 单 独 开 出 一 个 沟，可 同 时 形 成 两个种沟，由输种管落下的种子经分种管落入两个种 沟内，播成两 个 窄 行，种 子 流，分 别 落 在 两 个 小 沟 内， 形成两条 种 行。因 此，这 种 开 沟 器 同 时 可 播 两 行 种 子。交错型双圆盘开沟器是两圆盘在前下方处相互前 后错开（ 两圆盘中心错开 26mm） 。双圆盘式开沟器工 作适应性强，能在整地条件较差、土壤湿度较大、残茬 较多的情况下作业，工作稳定、可靠，能适于较高速度 作业； 但其结构较复杂，人土性能差，在高速下需较大 的压力作用 才 能 人 土，对 种 子 分 布 有 干 扰，所 开 沟 底 不平，不适于浅播作物，多用于谷物条播机，也可用于 中耕作物播种机。平面圆盘，这种类型圆盘开沟器是 三圆盘结构中播种盘，两个圆盘安装在一起共同起作 用进行工作，这种圆盘的开沟主要是为了播种和施肥 的作用，圆盘的直径为 16，18，20，22，24 inch 等，圆盘 的厚度 4mm 和 5mm。
析 研 究 ，对 免 耕 播 种 圆 盘 开 沟 器 的 研 制 有 指 导 意 义 。
关键词： 免耕播种机； 开沟器； 单元盘开沟器； 双圆盘开沟器； 锄铲式开沟器
中图分类号： S223． 2 + 3
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2012）பைடு நூலகம்03 － 0045 － 04
0 引言
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万其号1 ，布 库1 ，李 岩2 ，焦 巍3
（ 1． 中国农业科学院草原研究所 / 农业部草地资源与生态重点实验室，呼和浩特 010010； 2． 内蒙古电子技术 职业学院， 呼和浩特 014043； 3． 内蒙古农业大学，呼和浩特 010018 ）
图 4 犁刀盘安装方式 Fig． 4 The assembly of disc
这两种不同结构的安装圆盘在国外的免耕播种 机上应用 的 较 广 泛，当 圆 盘 开 沟 器 受 到 障 碍 物 的 压 力，可以按铰 接 点 处 旋 转，所 以 犁 刀 盘 在 遇 到 障 碍 物 时压力弹簧可以起到一个减压的作用。由于免耕机 的型号不同，生 产 的 厂 家 比 较 多，圆 盘 开 沟 器 的 安 装 方式也不一样，所以开沟器的安装方式也在不停地改 进、设计。