2BMFJ-3型麦茬地免耕覆秸大豆精密播种机的研究
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摘要
我国黄淮海一年两熟地区，冬小麦产量高，收获后大量的秸秆、根茬残留田间，而且没有休闲腐解过程，给下茬作物的播种造成很大难度。由于缺少适合的免耕播种机具，“三夏”时节，为抢农时和降低生产成本，于是产生了秸秆焚烧问题。针对这一现状，本研究根据生产实际的迫切需求，设计一种新型的麦茬地免耕覆秸大豆精密播种机，并对其进行深入的理论分析和系统的试验研究，理想地解决了堵塞问题，提高了作业质量，降低了作业成本，为保护性耕作技术的推广和应用提供了有效的装备技术支撑，具有重要的现实意义。本文主要研究内容及结论如下：
（1）清秸覆秸装置的设计：对清秸覆秸刀齿进行运动学分析，建立了刀齿端点的运动轨迹方程和速度方程；分析影响刀齿切茬节距的主要因素，建立了切茬节距与影响因素之间关系的数学模型，确定刀齿的主要结构参数；确定了刀齿合理的排列方式，完成了刀齿总成的结构设计和刀齿的总体布置方案；找出了满足刀齿总成切茬节距均匀性的条件，并建立了衡量清秸覆秸装置输送秸秆参数性能的数学方程；通过秸秆抛撒运动学分析，建立了秸秆运动轨迹方程。
（2）清秸覆秸装置参数优化试验：采用四因素三水平正交试验设计方法，以机组作业速度、刀轴转速、刀齿排布、覆秸控制板角度为影响因素，以清秸覆秸装置的秸秆清除率、根茬清除率、覆秸均匀度、覆秸宽度为目标函数，寻求清秸覆秸装置的最优结构与作业参数组合及各因素对指标的影响规律。试验结果表明：最优结构与参数组合为机组作业速度3.6~4.5km/h，刀轴转速400r/min，刀齿排布4-3-4，覆秸控制板角度75°，此时秸秆清除率90.82%~92.36%，根茬清除率92.13%~93.79%，覆秸均匀度14.88~15.13，覆秸宽度2.97~3.01m。
四因素对秸秆清除率影响的主次关系为：刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度、覆秸控制板角度；对根茬清除率影响的主次关系为：刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度、覆秸控制板角度；对覆秸均匀度影响的主次关系为：覆秸控制板角度、刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度；对覆秸宽度影响的主次关系为：覆秸控制板角度、刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度。
（3）清秸覆秸装置关键部件有限元分析：采用模块化设计原理，应用SolidWorks软件建立了虚拟样机，并采用ANSYS Workbench软件分别对清秸覆秸刀齿和机架进行了静力学分析和模态分析，结果表明：刀齿最大应力为497MPa，小于刀齿材料的最大许用应力667MPa，能够满足强度要求；各激振源的振动频率与机架固有频率不发生重合，机架不会发生共振现象，设计的机架能够满足实际作业对刚度和强度的要求。
（4）播种单元体及施肥装置设计：根据生产条件和农艺要求，设计了播种、施肥装置的关键部件；采用单因素对比试验方法，以作业速度为影响因素，以粒距合格指数、重播指数、漏播指数和变异系数为目标函数，对三种机械式大豆精密排种器进行选型试验。按照国标GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》测试要求，对排种性能进行评价。试验结果表明：在作业速度3~6km·h~(-1)、理论粒距8cm条件下，勺轮式排种器的排种性能优于垂直窝眼轮式与垂直圆盘勺式排种器，其合格指数87.8%~98.9%，重播指数0.5%~1.1%，漏播指数低于12%，变异系数小于16%。
（5）田间作业功耗试验：采用三因素五水平正交旋转中心组合设计方法，以机组作业速度、刀轴转速、刀齿切茬深度为影响因素，以功耗、燃油消耗率、滑转率为目标函数，寻求整机技术经济性最佳的作业参数组合及各因素对指标的影响规律。试验结果表明：最佳作业参数组合为作业速度4.2~4.6km/h、刀轴转速370~420r/min、刀齿切茬深度20mm，此时机组功耗18~20kW，燃油消耗率低于0.46，滑转率小于15%，且本机技术经济性最佳的配套动力为20~22.22kW。
三因素对功耗影响的主次关系为：刀轴转速、刀齿切茬深度、机组作业速度；对燃油消耗率影响的主次关系为：刀齿切茬深度、机组作业速度、刀轴转速；对滑转率影响的主次关系为：刀齿切茬深度、刀轴转速、机组作业速度。
（6）田间性能试验：依据《免耕播种机选型试验大纲》和免耕播种机性能检测项目与检测方法对样机进行田间性能试验，并根据中华人民共和国机械行业标准JB/T51017-1999《中耕作物精密播种机产品质量分等》对作业质量进行评定。结果表明：在作业速度4.5km/h，理论粒距6cm和8cm，理论播深3~5cm条件下，粒距合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数均达到国家标准优等品要求水平，播深合格率达到国家标准一等品要求水平；当清秸覆秸刀齿切茬深度20~30mm时，机具只发生一次轻微堵塞，播后地表秸秆覆盖率达98%以上；无晾籽现象发生，田间出苗率高达90%以上。
（7）生产考核：为检验样机在大面积作业条件下的播种质量、适应性及可靠性等指标，在河南许昌、北京顺义两地对其进行田间生产试验，结果表明：平均生产率为3.9mu/h，平均可靠性系数为0.955；与传统播种方式相比，平均单株粒数增加3粒，平均亩株数增加6668.5株，千粒重增加39.9g，平均实际亩产量增加141.15kg；节约成本35.5元/亩，产值增加564.6元/亩，净收益率高达88%以上。
In annual double cropping area of Huang-huai-hai, it is difficult for the next-crop to seed in wheatstubble fields, the reasons are that there are large amount of straws and higher stubbles, and there is notime for them to decay after wheat harvest. The problem of straw-burning has been caused by shortageof suitable no-till seeders, reducing cost and saving farming time. A new type of no-till precision planterwith straw-covering, used in wheat stubble field, has been designed with the purpose of solving aboveproblems and satisfying the requirement of actual production. Theoretical analysis in details andsystematic experimental research have been carried out, the purpose was not only to solvestraw-blocking, improve working quality but also to reduce cost. It has practical significance and couldprovide equipment and technologyl support for the promotion and application of conservation tillagetechnology. In this paper, the research contents and conclusions are as follow:
(1) Trajectory and velocity equations were established througn kinematic analysis of the cuttingblade; Major influencing factors of stubble-cutting pitch was finded out, then structural parameters ofcutting blade were determined according to the mathematical model of relationship betweenstubble-cutting pitch and influencing factors; The structural design of blade assembly and overall layoutof cutting blade were accomplished with balde reasonable arrangement; The qualification which wascontent to the uniformity of stubble-cutting pitch of blade assembly was obtained, and also,mathematical equation used for estimating the performance of straw transport of cleaning and coveringmechanism was set up; Trajectory equation was developed with the kinematic anlysis of straw scatter.
(2) The optimal structural and working parameters combination of cleaning and coveringmechanism was obtained, meanwhile, relationship between indexes and each factor was confirmed.The method of four factors and three levels orthogonal test was applied, of which working speed, shaftrotating speed, blade arrangement, angle of straw-covering baffle were selected as factors andstraw-cleaning rate, stubble-cleaning rate, straw-covering eveness, straw-covering width were asobjective function. The optimal combination has been obtained: working speed was3.6to4.5km/h,shaft rotating speed was400r/min, blade arrange was4-3-4, angle of straw-covering baffle was75°, inthe meantime, straw-cleaning rate was90.82%~92.36%, stubble-cleaning rate was92.13%~93.79%,straw-covering eveness was14.88~15.13, straw-covering width was2.97~3.01m. The important effectorders of factors on objective functions were as follow: for straw-cleaning and stubble-cleaning rate, thesequence was shaft rotating speed, blade arrangement, working speed, angle of straw-covering baffle;for straw-covering eveness and straw-covering width, the order was angle of straw-covering baffle, shaft rotating speed, blade arrangement, working speed.
(3) The virtual prototype was established using the software of SolidWorks and the principle ofmodular design, in addition, the statics analysis of blade and modal analysis of frame were completedwith the software of ANSYS Workbench. The analysis result indicated that the maximum stress of bladewas497MPa and that was less than the maximum allowable stress of667MPa of blade material;resonance of the frame would not occur for it’s inherent vibration was not consistent with that ofvibration source, so, it could be seen that the strength and stiffness of blade and frame could be fulfilledworking demand.
(4) The structural and major parameters of key parts of seeding and fertilizing mechanism weredetermined according to the production condition and agricultural demand. Optimization of threemechanical soybean precision metering devices was conducted with the method of single factorcomparative test, of which working speed was as influencing factor and qualified rate, multiple rate,missed rate, variant coefficient were chosen as objective function. Seeding performance of meteringdevice was assessed by the test requirement of GB/T6973-2005”Testing methods of single precisiondrills”. The experimental result indicated that the seeding performance of spoon-roller metering devicewas better than that of vertical socket-roller and vertical spoon-roller metering device, and qualified ratewas87.8%~98.9%, multiple rate was0.5%~1.1%, missed rate was lower than12%, variant coefficientwas less than16%, while working speed was3to6km/h, theory space was8cm.
(5) The optimal working parameters combination of technique-economic of cleaning and coveringmechanism was obtained, simultaneously, relationship between indexes and each factor was found. Acentral composite rotatable orthogonal experimental design was employed, of which working speed,shaft rotating speed, stubble-cutting depth of blade were as influencing factors and power, specific fuelconsumption, slippage rate were selected as objective function. The optimal combination has beenobtained: working speed was4.2to4.6km/h, shaft rotating speed was370~420r/min, stubble-cuttingdepth of blade was20mm, at the same time, power was18to20kW, specific fuel consumption was lessthan0.46, slippage rate was less than15%, furthermore, the best mating power was20~22.06kW. Theimportant effect orders of factors on objective functions were as follow: for power, the order was shaftrotating speed, stubble-cutting depth of blade, working speed; for specific fuel consumption, the orderwas stubble-cutting depth of blade, working speed, shaft rotating speed; for slippage rate, the order wasstubble-cutting depth of blade, shaft rotating speed, working speed.
(6) The performance test was put into effect refering to the “No-till Planter Type Selection Testsyllabus” and performance test projects and methods of no-till seeder, and JB/T51017-1999“QualityClassification of Precision Seeder for Intertilled Crop” was used to evaluate seeding performance. Theresult manifested that qualified rate, multiple rate, missed rate, variant coefficient satisfied therequirement of superior class, qualified rate of sowing depth attained the requirement of first class,under the condition that working speed was4.5km/h, theory space were6cm and8cm, theory sowingdepth was3to5cm; when stubble-cutting depth was20to30mm, only one time of slight blocking happened, and straw-covering rate of seeding field surface was more than98%; there was no seedswithout soil-covering, and field seedling rate was as high as90%above.
(7) Under the condition of large-scale working, field production test was conducted in Xuchangand Shunyi with the purpose of detecting the seeding quality, adaptability, reliability, and so on. Theresult showed that average productivity and reliability was3.9mu/h and0.955, respectively; Comparedwith traditional seeding mode, average seeds number per plant increased by3, average plant number permu increased by6668.5, average thousand kernel weight increased by39.9g, average actual yieldincreased by141.15kg, the cost per mu was saved by35.5yuan, yield value increased by564.6yuan/mu,net income ratio was as high88%above.
（1）清秸覆秸装置的设计：对清秸覆秸刀齿进行运动学分析，建立了刀齿端点的运动轨迹方程和速度方程；分析影响刀齿切茬节距的主要因素，建立了切茬节距与影响因素之间关系的数学模型，确定刀齿的主要结构参数；确定了刀齿合理的排列方式，完成了刀齿总成的结构设计和刀齿的总体布置方案；找出了满足刀齿总成切茬节距均匀性的条件，并建立了衡量清秸覆秸装置输送秸秆参数性能的数学方程；通过秸秆抛撒运动学分析，建立了秸秆运动轨迹方程。
（2）清秸覆秸装置参数优化试验：采用四因素三水平正交试验设计方法，以机组作业速度、刀轴转速、刀齿排布、覆秸控制板角度为影响因素，以清秸覆秸装置的秸秆清除率、根茬清除率、覆秸均匀度、覆秸宽度为目标函数，寻求清秸覆秸装置的最优结构与作业参数组合及各因素对指标的影响规律。试验结果表明：最优结构与参数组合为机组作业速度3.6~4.5km/h，刀轴转速400r/min，刀齿排布4-3-4，覆秸控制板角度75°，此时秸秆清除率90.82%~92.36%，根茬清除率92.13%~93.79%，覆秸均匀度14.88~15.13，覆秸宽度2.97~3.01m。
四因素对秸秆清除率影响的主次关系为：刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度、覆秸控制板角度；对根茬清除率影响的主次关系为：刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度、覆秸控制板角度；对覆秸均匀度影响的主次关系为：覆秸控制板角度、刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度；对覆秸宽度影响的主次关系为：覆秸控制板角度、刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度。
（3）清秸覆秸装置关键部件有限元分析：采用模块化设计原理，应用SolidWorks软件建立了虚拟样机，并采用ANSYS Workbench软件分别对清秸覆秸刀齿和机架进行了静力学分析和模态分析，结果表明：刀齿最大应力为497MPa，小于刀齿材料的最大许用应力667MPa，能够满足强度要求；各激振源的振动频率与机架固有频率不发生重合，机架不会发生共振现象，设计的机架能够满足实际作业对刚度和强度的要求。
（4）播种单元体及施肥装置设计：根据生产条件和农艺要求，设计了播种、施肥装置的关键部件；采用单因素对比试验方法，以作业速度为影响因素，以粒距合格指数、重播指数、漏播指数和变异系数为目标函数，对三种机械式大豆精密排种器进行选型试验。按照国标GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》测试要求，对排种性能进行评价。试验结果表明：在作业速度3~6km·h~(-1)、理论粒距8cm条件下，勺轮式排种器的排种性能优于垂直窝眼轮式与垂直圆盘勺式排种器，其合格指数87.8%~98.9%，重播指数0.5%~1.1%，漏播指数低于12%，变异系数小于16%。
（5）田间作业功耗试验：采用三因素五水平正交旋转中心组合设计方法，以机组作业速度、刀轴转速、刀齿切茬深度为影响因素，以功耗、燃油消耗率、滑转率为目标函数，寻求整机技术经济性最佳的作业参数组合及各因素对指标的影响规律。试验结果表明：最佳作业参数组合为作业速度4.2~4.6km/h、刀轴转速370~420r/min、刀齿切茬深度20mm，此时机组功耗18~20kW，燃油消耗率低于0.46，滑转率小于15%，且本机技术经济性最佳的配套动力为20~22.22kW。
三因素对功耗影响的主次关系为：刀轴转速、刀齿切茬深度、机组作业速度；对燃油消耗率影响的主次关系为：刀齿切茬深度、机组作业速度、刀轴转速；对滑转率影响的主次关系为：刀齿切茬深度、刀轴转速、机组作业速度。
（6）田间性能试验：依据《免耕播种机选型试验大纲》和免耕播种机性能检测项目与检测方法对样机进行田间性能试验，并根据中华人民共和国机械行业标准JB/T51017-1999《中耕作物精密播种机产品质量分等》对作业质量进行评定。结果表明：在作业速度4.5km/h，理论粒距6cm和8cm，理论播深3~5cm条件下，粒距合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数均达到国家标准优等品要求水平，播深合格率达到国家标准一等品要求水平；当清秸覆秸刀齿切茬深度20~30mm时，机具只发生一次轻微堵塞，播后地表秸秆覆盖率达98%以上；无晾籽现象发生，田间出苗率高达90%以上。
（7）生产考核：为检验样机在大面积作业条件下的播种质量、适应性及可靠性等指标，在河南许昌、北京顺义两地对其进行田间生产试验，结果表明：平均生产率为3.9mu/h，平均可靠性系数为0.955；与传统播种方式相比，平均单株粒数增加3粒，平均亩株数增加6668.5株，千粒重增加39.9g，平均实际亩产量增加141.15kg；节约成本35.5元/亩，产值增加564.6元/亩，净收益率高达88%以上。
In annual double cropping area of Huang-huai-hai, it is difficult for the next-crop to seed in wheatstubble fields, the reasons are that there are large amount of straws and higher stubbles, and there is notime for them to decay after wheat harvest. The problem of straw-burning has been caused by shortageof suitable no-till seeders, reducing cost and saving farming time. A new type of no-till precision planterwith straw-covering, used in wheat stubble field, has been designed with the purpose of solving aboveproblems and satisfying the requirement of actual production. Theoretical analysis in details andsystematic experimental research have been carried out, the purpose was not only to solvestraw-blocking, improve working quality but also to reduce cost. It has practical significance and couldprovide equipment and technologyl support for the promotion and application of conservation tillagetechnology. In this paper, the research contents and conclusions are as follow:
(1) Trajectory and velocity equations were established througn kinematic analysis of the cuttingblade; Major influencing factors of stubble-cutting pitch was finded out, then structural parameters ofcutting blade were determined according to the mathematical model of relationship betweenstubble-cutting pitch and influencing factors; The structural design of blade assembly and overall layoutof cutting blade were accomplished with balde reasonable arrangement; The qualification which wascontent to the uniformity of stubble-cutting pitch of blade assembly was obtained, and also,mathematical equation used for estimating the performance of straw transport of cleaning and coveringmechanism was set up; Trajectory equation was developed with the kinematic anlysis of straw scatter.
(2) The optimal structural and working parameters combination of cleaning and coveringmechanism was obtained, meanwhile, relationship between indexes and each factor was confirmed.The method of four factors and three levels orthogonal test was applied, of which working speed, shaftrotating speed, blade arrangement, angle of straw-covering baffle were selected as factors andstraw-cleaning rate, stubble-cleaning rate, straw-covering eveness, straw-covering width were asobjective function. The optimal combination has been obtained: working speed was3.6to4.5km/h,shaft rotating speed was400r/min, blade arrange was4-3-4, angle of straw-covering baffle was75°, inthe meantime, straw-cleaning rate was90.82%~92.36%, stubble-cleaning rate was92.13%~93.79%,straw-covering eveness was14.88~15.13, straw-covering width was2.97~3.01m. The important effectorders of factors on objective functions were as follow: for straw-cleaning and stubble-cleaning rate, thesequence was shaft rotating speed, blade arrangement, working speed, angle of straw-covering baffle;for straw-covering eveness and straw-covering width, the order was angle of straw-covering baffle, shaft rotating speed, blade arrangement, working speed.
(3) The virtual prototype was established using the software of SolidWorks and the principle ofmodular design, in addition, the statics analysis of blade and modal analysis of frame were completedwith the software of ANSYS Workbench. The analysis result indicated that the maximum stress of bladewas497MPa and that was less than the maximum allowable stress of667MPa of blade material;resonance of the frame would not occur for it’s inherent vibration was not consistent with that ofvibration source, so, it could be seen that the strength and stiffness of blade and frame could be fulfilledworking demand.
(4) The structural and major parameters of key parts of seeding and fertilizing mechanism weredetermined according to the production condition and agricultural demand. Optimization of threemechanical soybean precision metering devices was conducted with the method of single factorcomparative test, of which working speed was as influencing factor and qualified rate, multiple rate,missed rate, variant coefficient were chosen as objective function. Seeding performance of meteringdevice was assessed by the test requirement of GB/T6973-2005”Testing methods of single precisiondrills”. The experimental result indicated that the seeding performance of spoon-roller metering devicewas better than that of vertical socket-roller and vertical spoon-roller metering device, and qualified ratewas87.8%~98.9%, multiple rate was0.5%~1.1%, missed rate was lower than12%, variant coefficientwas less than16%, while working speed was3to6km/h, theory space was8cm.
(5) The optimal working parameters combination of technique-economic of cleaning and coveringmechanism was obtained, simultaneously, relationship between indexes and each factor was found. Acentral composite rotatable orthogonal experimental design was employed, of which working speed,shaft rotating speed, stubble-cutting depth of blade were as influencing factors and power, specific fuelconsumption, slippage rate were selected as objective function. The optimal combination has beenobtained: working speed was4.2to4.6km/h, shaft rotating speed was370~420r/min, stubble-cuttingdepth of blade was20mm, at the same time, power was18to20kW, specific fuel consumption was lessthan0.46, slippage rate was less than15%, furthermore, the best mating power was20~22.06kW. Theimportant effect orders of factors on objective functions were as follow: for power, the order was shaftrotating speed, stubble-cutting depth of blade, working speed; for specific fuel consumption, the orderwas stubble-cutting depth of blade, working speed, shaft rotating speed; for slippage rate, the order wasstubble-cutting depth of blade, shaft rotating speed, working speed.
(6) The performance test was put into effect refering to the “No-till Planter Type Selection Testsyllabus” and performance test projects and methods of no-till seeder, and JB/T51017-1999“QualityClassification of Precision Seeder for Intertilled Crop” was used to evaluate seeding performance. Theresult manifested that qualified rate, multiple rate, missed rate, variant coefficient satisfied therequirement of superior class, qualified rate of sowing depth attained the requirement of first class,under the condition that working speed was4.5km/h, theory space were6cm and8cm, theory sowingdepth was3to5cm; when stubble-cutting depth was20to30mm, only one time of slight blocking happened, and straw-covering rate of seeding field surface was more than98%; there was no seedswithout soil-covering, and field seedling rate was as high as90%above.
(7) Under the condition of large-scale working, field production test was conducted in Xuchangand Shunyi with the purpose of detecting the seeding quality, adaptability, reliability, and so on. Theresult showed that average productivity and reliability was3.9mu/h and0.955, respectively; Comparedwith traditional seeding mode, average seeds number per plant increased by3, average plant number permu increased by6668.5, average thousand kernel weight increased by39.9g, average actual yieldincreased by141.15kg, the cost per mu was saved by35.5yuan, yield value increased by564.6yuan/mu,net income ratio was as high88%above.
引文
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