doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.05.007
摘" 要：【目的】研发作业可靠且适应新疆玉米种植模式的免耕播种机具。
【方法】采用运动分析及结构设计方法，设计免耕播种机清茬机构、排种器及滴灌带铺设机构，并进行田间试验验证。
【结果】机具前进速度在5 km/h时通过性良好，秸秆清理率达到79.44%，满足免耕播种作业要求；播种合格指数为91.33%，漏播指数为3.18%，重播指数为5.49%，播种均匀性满足行业标准。
【结论】滴灌区玉米精量免耕播种机满足设计要求，可以有效清茬、播种及铺设滴灌带。
关键词：免耕播种机；清茬机构；玉米排种器；滴灌带铺设
中图分类号：S223.2""" 文献标志码：A""" 文章编号：1001-4330（2024）05-1094-08
收稿日期（Received）：
2023-09-22
基金项目：
新疆维吾尔自治区重大科技专项（2022A02003-3）；新疆农机研发制造推广应用一体化项目（YTHSD2022-14）
作者简介：
付浩（1997-），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为农业机械化与装备工程，（E-mail）foch71@163.com
通讯作者：
张学军（1966-），男，四川渠县人，教授，博士，硕士生/博士生导师，研究方向为农业机械化装备，（E-mail）tuec@163.com
0" 引 言
【研究意义】新疆春季干旱、秋季缺水、冬季断水［1-2］，也是我国最大的荒漠区［1-3］，土壤瘠薄、保墒及抗旱能力较弱［4-5］。为提高农业生产效率、节约水土资源并增加土壤肥力，研发作业可靠且适应新疆地区种植模式的免耕播种机具，解决免耕播种机播种质量不高的问题，设计滴灌带铺设机构实现免耕播种同时进行滴灌带铺设，对于提高新疆地区玉米全程机械化生产水平具有重要意义。【前人研究进展】河北农哈哈2BMFS型免耕播种机［6］，采用旋耕机构与播种机构一体式设计，运用带状旋耕的方法在播种作业前，将残茬旋耕粉碎并与土壤混合，疏松种床并防止开沟器堵塞，尤其是对于地表作业条件复杂依然有较强的适应能力，但作业时对土壤扰动量大，功率消耗较大；王汉羊等［7］研究了2BMFJ型麦茬地清秸覆秸式免耕播种机，该机型核心防堵原理是侧向抛送秸秆，即在机具前进时通过秸秆清理覆盖装置将种床覆盖秸秆向机具侧面抛送，从而清理出无覆盖物的种床，完成清秸作业，将秸秆抛回上一个种床，完成覆秸作业，机具作业后，可使秸秆均匀覆盖地表，利于保水保墒、提高田间出苗率；朱存玺等［8］基于秸秆移位防堵余摆线原理，设计了一件立式环绕驱动式清茬装置，其在拖拉机传动轴驱动下做等角速度旋转运动产生环量扰流，带动表层秸秆和杂草流向侧后方，完成清茬作业，其田间作业秸秆移除率达到87.91%，但作业能耗高、造价昂贵。【本研究切入点】新疆玉米免耕播种作业中，尚存在前茬作物收获并秸秆粉碎还田后秸秆覆盖量大、排种器结构复杂等问题，影响了作业效率和播种质量。需研发作业可靠且适应新疆滴灌区种植模式的免耕播种机具。【拟解决的关键问题】采用运动分析及结构设计方法，设计免耕播种机清茬机构、排种器及滴灌带铺设机构，并进行田间试验验证。
1" 材料与方法
1.1" 材 料
1.1.1" 整机结构
免耕播种机是由多个播种单体组成，各个播种单体按照一定的行距固定在免耕播种机机架上。图1
注：1.机架;2.双圆盘施肥开沟器;3.地轮机构;4.滴灌带铺设机构;5.播种单体;6.摩擦轮传动机构;7.肥料箱;8.机架连接座;9.连杆仿形机构;10.清茬机构;11.双圆盘播种开沟器;12.播种单体限深轮;13.覆土镇压机构;14.播种单体架;15.扰种侧充槽盘式玉米精量排种器;16.种箱
Note：1.Frame; 2.Double disc fertilizer opener; 3.Ground wheel mechanism; 4.Drip irrigation belt laying mechanism; 5.Sowing monomer; 6.Friction wheel transmission mechanism; 7.Fertilizer box; 8.Frame connection seat; 9.Linkage imitation mechanism; 10.Stubble clearing mechanism; 11.Double disc sowing opener; 12.Sowing monomer depth limiting wheel; 13.Mulching suppression mechanism; 14.Sowing monomer frame; 15.Seed-disturbing side-channel-filling disc-type corn precision seed metering device; 16.Seed box
免耕播种机机架为主要承载部件，播种单体通过连杆仿形机构与前端机架相连，其主要由清茬防堵机构、限深轮、双圆盘开沟装置、种箱、扰种侧充槽盘式玉米精量排种器和覆土镇压机构组成，可一次性完成破茬、清茬、开沟、播种、镇压等工序。滴灌带铺设机构与播种单体前后错位布置。
1.1.2" 工作原理
免耕播种机由拖拉机牵引作业，播种单体通过连杆仿形机构的上下仿形摆动适应地面的起伏变化，以保证播种深度的一致性；双圆盘播种开沟器在播种单体重力的作用下，进行破土并嵌入土层中，而限深轮则留在地表，防止双圆盘播种开沟器开沟过深，保证限深轮与开沟器两者底端高度差符合播种深度，提高播深一致性，满足免耕播种农艺要求；破茬圆盘刀与清茬轮随机具前进转动，切断秸秆与根茬并清理至种床两侧，提高后续播种开沟圆盘作业质量；种箱中玉米籽粒堆积在扰种侧充槽盘式玉米精量排种器取种室，取种盘对其进行分拨取种后，通过排种管排入种沟，对种床覆土镇压，完成免耕播种作业；滴灌带铺设机构在机具牵引力的作用下，通过护板开沟器、压簧四杆仿形机构、倾斜双圆盘覆土装置和滴灌带悬挂盘相互配合，实现滴灌带的悬挂、开沟、铺设以及覆土的功能。
1.1.3" 免耕播种
于2021年在新疆焉耆县进行免耕播种与铺膜播种对照试验。将试验田左右均分为地块A、B，在前茬小麦收获后对地块A进行秸秆还田、对地块B进行耕整，并于同期进行保护性免耕播种和常规铺膜播种，持续观测并记录数据。免耕播种较铺膜播种出苗早，且出苗率增加5%，苗高增加8～13 mm，叶片数平均增加0.5片。免耕播种单位面积产量相比铺膜播种方式减少8%，但在成本测算中，免耕播种节约机耕费40元/667m2、地膜费50元/667m2、残膜机械回收费25元/667m2，滴灌带采用二次利用，节约滴灌带和接头费用以及滴灌带机收费80元/667m2，扣除除草剂费用20元/667m2后，总计节本175元/667m2。图2
1.2" 方 法
1.2.1" 直指型清茬机构
清茬机构是免耕播种机的关键部件之一［9］。前茬作物进行秸秆还田后，残留地表的秸秆、根茬和杂草等总称残茬，清茬机构通过对地表残茬进行扰动侧抛，清理出一条播种带，减少机具在播种作业过程中发生壅堵的概率，提升免耕播种机的通过性，提高播种质量［10］。
清茬机构根据工作原理的不同主要分为驱动式和从动式［11］。驱动式清茬机构通常需要连接拖拉机动力输出轴，其工作部件转速快，具有清茬效果好、通过性稳定的优势，但存在作业过程中土壤扰动量大、作业能耗高、造价昂贵、工作部件易磨损等问题；从动式清茬机构多是依靠拖拉机牵引力带动清茬部件转动，对土壤的扰动小，其通过对清茬部件结构、安装设计等以提高清茬效果，具有结构简单、加工便捷、田间适应性好等优势。选用从动式直指型清茬机构进行相关参数设计。
清茬机构安装在免耕播种机播种单体前端，清茬机构由收敛支撑架、清茬轮组成。清茬轮依托多齿拨禾星轮设计原理，2个清茬轮呈八字型安装在收敛支撑架上。工作时，清茬轮在播种机正压力作用下始终与农田地表接触，受到拖拉机前进产生牵引力与土壤接触产生摩擦阻力形成力偶使自身转动。随着清茬轮的转动，轮齿进行压草，插入秸秆覆盖层中并入土，将前方种带上的秸秆拨起、抛向侧后方，随着机具的前进连续运转清理出一条秸秆覆盖量较少的播种带。图3
设清茬轮齿与地面的接触点为坐标原点o，x轴和y轴分别平行和垂直清茬轮平面，z轴垂直于
xoy平面向上建立坐标系，分析清茬轮齿齿端作用点的空间运动轨迹，分别向xoy、xoz投影，可得出清茬轮齿齿端作用点的运动轨迹是一条空间螺旋线，其运动可视为一种沿x轴滑移、沿y轴纯滚动的复合运动，其运动轨迹方程：
x=vntcosξ+rsinωty=vntsinξz=r（1－cosωt）.（1）
式中，vn为机具前进速度（m/s）；t为运动时间（s）；ξ为清茬轮转动偏角（°）；ω为清茬轮转动角速度（rad/s）；r为回转半径（mm）。
将式（1）对时间t求导，得清茬轮齿齿端作用点的绝对速度在直角坐标系各个坐标的分量：
vx=dxdt=vncosξ+ωrsinωt.vy=dydt=vnsinξ.vz=dzdt=ωrcosωt.（2）
则清茬轮齿齿端作用点的绝对速度v：
v=v2x+v2y+v2z.=v2n+ω2r2+2vnωrcosωtcosξ.（3）
清茬轮齿齿端作用点的绝对速度与机具前进速度vn、清茬轮转动偏角ξ、回转半径r、角速度ω有关。在机具作业过程中前进速度vn、回转半径r、角速度ω为定值，当转动偏角增加时，清茬轮齿齿端作用点的绝对速度增大，清茬轮对秸秆的侧抛作用也随之变强，清茬效果提升。但当转动偏角过大时，轮齿转动会受影响；转动偏角过小，轮齿对秸秆侧抛能力减弱，清茬效果不好。根据免耕播种农艺要求［12］，选取清茬轮转动偏角ξ为30°。
清茬轮安装在收敛支撑架上，随机具前进并收敛于啮合点，啮合点与清茬轮底端的高度h是影响清茬效率的关键参数之一。清茬轮啮合点高度h应等于或略小于秸秆覆盖厚度，结合新疆免耕播种生产经验，取啮合点高度h为80 mm。设计齿长lz为85 mm。工作幅宽lb的计算公式：
lb=2lMNsinξ=4sinξr2－（r－h）2=4sinξ2rh－h2.（4）
清茬轮工作幅宽lb与转动偏角ξ和回转半径r有关。新疆玉米种植行距一般为45 cm等宽，为预留20 cm秸秆抛撒区，清茬轮作业幅宽应小于25 cm。保护性耕作模式下清茬轮作业幅宽参考条耕或带耕的耕作幅宽在15～25 cm范围内［13］，取作业幅宽为250 mm。将参数带入式（4）可得清茬轮回转半径r为140 mm，即清茬轮直径d为280 mm。图4，图5
1.2.2" 扰种侧充槽盘式玉米精量排种器
针对现有机械式玉米精量排种器作业效果不稳定、结构复杂、故障率高的问题［14］，提出了一种扰种侧充式取种结构，采用集成简化式取种盘设计方式，将扰种结构、导种结构和取种结构简化设计为独立取种单元，并集成于取种盘上，实现在充种的同时调姿扰种与导种。
扰种侧充槽盘式玉米精量排种器的总体结构主要包括前盖、取种盘、取种室壳、法兰、排种室壳、叶片轮、排种器轴、后盖。各部件相互配合，通过螺栓轴向固定，组成排种器整体。各个部件相互配合将扰种侧充槽盘式玉米精量排种器分为双室一仓结构，取种盘安装于排种器取种室内部，通过轴键与排种器轴连接；装于排种室的叶片轮将排种室分为12个独立的投种仓。取种盘与叶片轮通过轴键连接限位，共速转动，实现取种槽与投种仓的同步对应。图6
扰种侧充槽盘式玉米精量排种器按工作区域划分为预充种区、二次充种区、清种区、递种区、携种区、投种区。
玉米籽粒由前盖进种口进入排种器并在取种室底部无序堆积，随着取种盘扰种台的扰动作用打破种群固有堆积状态，玉米籽粒随之调整姿态并构成差速圆周种子层，种群流动性增加，种间作用力活跃性增大。导种槽附近的玉米籽粒在种群相互作用力、重力、离心力以及籽粒粒形特征共同影响下滑入导种槽空白空间，完成预充种过程。长轴平行于导种斜面的种子姿态稳定，并随取种盘转动产生速度差，被引导充入取种槽空白空间，完成二次充种。图7
导种槽内未充入取种槽的玉米籽粒以及取种槽中多余的玉米籽粒，在随取种盘转动到清种区时由于自身力系方向变化导致受力失衡落回种群；取种槽中的玉米籽粒在稳定运动到递种区时，取种室壳面支持力瞬间消失，籽粒在重力、取种槽面支持力的共同作用下落入同步对应的投种仓内；投种仓内籽粒随叶片轮回转运动被运往投种区完成投种作业。
1.2.3" 滴灌带铺设机构
滴灌带铺设机构主要由机架连接杆、压簧四杆仿形机构、护板开沟器、倾斜双圆盘覆土装置和滴灌带悬挂盘组成，实现滴灌带的悬挂、开沟、铺设以及覆土的功能。通过机架连接杆将滴灌带铺设机构与播种单体前后错位布置。图8
选择尖角式锐角护板开沟器，此种护板开沟器入土角度为锐角，在机具前进时受牵引力作用，有自行入土的趋势，且结构简单。
其主要由开沟器主体、护板和滴灌带导向轮组成，其主要结构参数有入土角、入土隙角、护板幅宽、护板高度和护板迎面角。图9
入土角α取40°。入土隙角β是开沟器刃尖底面与水平面间夹角，入土隙角增大，有利于提高开沟器破土性能，减少土壤摩擦阻力；但当入土隙角过大时，会造成土壤提前回填，从而影响沟面平整性，导致开沟深度一致性差。开沟器的入土隙角一般为5～10°，结合实际作业环境研究入土隙角β取9°。护板幅宽b是决定开沟宽度、影响土壤扰动量和动力消耗的重要因素。应在满足开沟器结构尺寸要求以及常规滴灌带宽度的情况下，尽可能减小开沟宽度，护板幅宽b取30 mm。由于开沟器刃口越窄破土效果越好，但护板幅宽在满足设计要求的情况下必然与开沟器存在宽度差，护板迎面角γ是开沟器与两侧护板的过度角，其大小是影响开沟阻力的重要因素，护板迎面角γ取30°。新疆地区免耕播种作业时滴灌带铺设深度一般为80～100 mm，为防止垄沟侧土回填过快，本文护板高度h取100 mm。
选用倾斜双圆盘式覆土装置，通过将两个覆土圆盘倾斜布置，提升横向覆土宽度，且覆土圆盘在施加正压力下有一定的入土能力，可有效回填地表残茬，提高地表秸秆覆盖率，保水保墒［15］。
覆土圆盘在机具牵引力与地面摩擦力形成的力矩下旋转，将两侧翻出的土壤与残茬向中部推送，完成覆土作业。图10
1.2.4" 田间试验
试验设在新疆巴音郭楞蒙古自治州焉耆县七个星镇试验田进行，试验田前期作物为2020年9月冬小麦播种，2021年7月收获后粉碎秸秆均匀覆盖，2021年7月种植夏玉米，2021年10月收获后粉碎秸秆均匀覆盖。试验于2022年4月进行，属于收获后休闲2～6个月内的留茬地，秸秆覆盖量为0.92 kg/m2，满足0.7～1.8 kg/m2免耕作业标准。通过拖拉机牵引控制免耕播种机平均前进速度为5 km/h。
1.3" 数据处理
按GB/T20865-2017《少（免）耕施肥播种机》、NY/T1768-2009《免耕播种机质量评价技术规范》和NY/T1628-2008《玉米免耕播种机作业质量》的测试要求，选取机具通过性、秸秆清理率、播种均匀性对滴灌区玉米精量免耕播种机进行综合评价。
播种均匀性是衡量播种机播种性能的重要指标之一，其通过合格指数Y1、漏播指数Y2、重播指数Y3三个指标进行评价。
2" 结果与分析
2.1" 机具通过性试验设计要求
研究表明，试验号1、2、3、4和5的机具通过性分别为
轻度堵塞、无堵塞、无堵塞、轻度堵塞和无堵塞。机具作业时较少出现壅堵情况，大多数情况下只是触土部件轻微挂有秸秆，并在机具的持续行进过程中能通过自身结构解除壅堵，且滴灌带铺设作业过程未出现滴灌带与秸秆缠绕雍堵、断带情况，铺设质量高，满足滴灌带铺设要求，机具通过性满足设计要求。
2.2" 秸秆清理率比较及平均值
研究表明，试验前，采用五点取样法选取单位面积测区（1 m×1 m），测量各测区内秸秆质量并取平均值作为试验前秸秆覆盖量；试验后，选取稳定工作区域内间隔为2m的连续5个单位长度清茬机构作业宽度测点，测量其中秸秆质量并进行单位面积换算作为试验后秸秆覆盖量，则秸秆清理率：
η=X1－X2X1×100%.（5）
式中，η为秸秆清理率（%）；X1为试验前单位面积内秸秆覆盖量（kg/m2）；X2为试验后单位面积内秸秆覆盖量（kg/m2）。
测得试验前秸秆覆盖量为0.92 kg/m2。试验时在试验区内进行清茬及排种。秸秆清理率试验记录显示，试验号1、2、3、4和5的秸秆清理率分别为77.48%、82.54%、80.2%、78.64%和78.32%，试验平均值为79.44%。清茬机构平均秸秆清理率为79.44%，且未产生晾种、断垄现象，从动式直指型清茬机构能很好地将播种机前方秸秆清除。
2.3" 播种均匀性评价
研究表明，对试验测得实际粒距进行区间划分统计，区间划分统计方式如下：
N1=∑NiX∈0.5Xr，1.5Xr.（6）
N2=∑NiX∈1.5Xr，2.5Xr.（7）
N3=∑NiX∈0，0.5Xr.（8）
式中，X为实际粒距（cm）；Xr为理论粒距（cm）；N1为粒距合格数（个）；N2为漏播数（个）；N3为重播数（个）。
设理论粒距总数为N，播种均匀性评价指标合格指数Y1、漏播指数Y2、重播指数Y3由式（9）计算。
Y1=N1N×100%.Y2=N2N×100%.Y3=N3N×100%.（9）
播种合格指数为91.33%，漏播指数为3.18%，重播指数为5.49%，播种均匀性满足行业标准，扰种侧充槽盘式玉米排种器满足作业要求。表1
3" 讨 论
目前较多试验是围绕在抗旱性鉴定方面［12-15］。试验研究表明，在清茬作业方面，直指型清茬机构在作业过程中既可以将种床覆盖的残茬清除，又可以保证不被秸秆缠绕后造成壅堵；在播种作业方面，对于现有玉米精量排种器存在的问题，提出了一种扰种侧充式玉米精量排种器，其播种合格率较高，实现了通过调姿扰种与导种的方式提高作业稳定性的目的；在滴灌带铺设方面，滴灌带铺设装置结构简单、设计合理，作业过程未出现滴灌带与秸秆缠绕雍堵、断带情况，实现了滴灌带铺设作业的同时不影响整体机具通过性。
4" 结 论
4.1
滴灌区玉米精量免耕播种机清茬效果良好，整机作业顺畅，在秸秆覆盖下能够高效播种，提高了作业效率，其秸秆清理率达到79.44%，且作业过程中未出现晾种、断垄现象，满足免耕播种作业要求。
4.2
扰种侧充槽盘式玉米精量排种器田间作业稳定性较好，播种合格指数为91.33%，漏播指数为3.18%，重播指数为5.49%，播种均匀性满足行业标准。
4.3" 滴灌带铺设机构实现了免耕播种作业的同时进行滴灌带铺设，减少了多次作业对土壤的扰动，降低了作业成本。
4.4" 滴灌区玉米精量免耕播种机实现了清茬、播种、滴灌带铺设等工序的一次性作业，且在新疆地区种植模式及秸秆覆盖量下机具通过性好，田间播种作业稳定性好。
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Design and experiment of corn precision no-till planter in drip irrigation area
FU Hao1，ZHANG Xuejun1，2，SHI Zenglu1，2，CHENG Jinpeng1，WU Haifeng1，YU Yongliang3，RAO Zhiqiang3
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China;2.Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi 830052， China;3.Xinjiang Tiancheng Agricultural Equipment Manufacturing Co.， Tiemenguan Xinjiang 841007， China）
Abstract：【Objective】 In the hope of developing no-till seeding machines with reliable operation and adaptable to the cropping pattern in Xinjiang.
【Methods】" The no-till planter stubble clearing mechanism， seed rower and drip irrigation belt laying mechanism were designed by means of motion analysis and structural design， and field verification tests were conducted.
【Results】" The machine had good trafficability characteristic at the forward velocity of 5 km/h， and the stubble clearing rate reached 79.44%， meeting the requirements of no-till seeding operation; The seeding pass index was 91.33%， the missed seeding index was 3.18%， the reseeding index was 5.49%， and the seeding uniformity met the industry standard.
【Conclusion】" The corn precision no-till planter in drip irrigation area meets the design requirements and can effectively carry out stubble clearing， seeding and drip irrigation belt laying operations.
Key words：no-till planter; stubble clearing mechanism; corn seeder; drip irrigation belt laying
Fund projects： Major Science and Technology Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region （2022A02003-3）; Xinjiang Agricultural Machinery Ramp;D， Manufacturing， Promotion and Application Integration Project （YTHSD2022-14）
Correspondence author：ZHANG Xuejun （1966 -）， male， from Sichuan，professor，doctor，research direction： agricultural mechanization equipment， （E-mail）tuec@163.com
