2BM-5型气吸式免耕播种机田间播种性能试验

刘月琴，赵满全，刘 飞，董 帅，张 旭

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特 010070)

2BM-5型气吸式免耕播种机田间播种性能试验

刘月琴1,2，赵满全1，刘 飞1，董 帅1，张 旭1

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特 010070)

为提高2BM-5型气吸式免耕播种机的播种精度，对该机关键部件改进优化后，进行了田间播种性能试验。结果表明：播种机传动轮的滑移率为5.7%，轮子下陷深度均值17mm，前进速度为3～5km/h的范围内播种深度保持在30～70mm之间，破土宽度在前进速度为3～5km/h的范围内保持在50～100mm之间，粒距合格指数为86.01%，重播指数7.74%，漏播指数6.33%，平均合格粒距变异系数4.86%，各行排肥量一致性变异系数均值为3.44%，总排肥量稳定性变异系数均值为0.26%，播种深度合格率均值为89.81%,排肥深度合格率均值为88.23%，均符合免耕播种技术指标。

免耕播种机；气吸式；田间播种；播种性能

0 引言

保护性耕作技术具有减少风蚀、保护环境及保墒等作用，在北方干旱地区得到了有效应用和推广[1-2]。保护性耕作是社会、生态和经济发展的需求[3],因其节本、增效、减能的功能得到了更加深入的研究[4-5]。免耕播种机是推广保护性耕作技术的关键装备[6-7]，经过多年的推广应用，一些装置得到进一步优化和提高[8-11]，尤其是破茬开沟和排种装置。为了提高秸秆覆盖地免耕播种作业后出苗的一致性，需提供一定深度和宽度的苗床[12]，所以采用何种破茬开沟装置是解决该问题的关键。但是，我国南北气候和耕作类型差异较大，免耕播种机的通用性较差，不同的免耕播种机只适用于某一区域[13-14]。内蒙古地处西北干旱高寒地区，所以破茬开沟装置必须能够快速切碎干燥的秸秆和根茬，同时开出合适的沟槽，便于施肥和播种。

2BM-5型免耕播种机是内蒙古农业大学自主开发研制的新产品，由内蒙古农业工程成套设备研究所负责设计，并由内蒙古农业大学机械厂负责试制、生产、试验与推广。其主要适用的作物是玉米、大豆、小麦及牧草等，可以在免耕地、草原、翻耕地上进行播种或牧草补播作业，一次完成破茬、开沟、播种、施肥、覆土及镇压等作业工序[15]，满足了内蒙古地区免耕播种的需求。

1 试验设备与试验条件

1.1 试验设备

2BM-5型气吸式免耕播种机的性能试验在内蒙古呼和浩特白塔试验地进行，如图1所示。试验配套动力为55kW拖拉机，播种行数为5行，行距为40～60cm，作业幅宽≤3m，整机质量为1 800kg，外形尺寸3 770mm×3 180mm×1 480mm；挂接形式为牵引式，排肥器形式为槽轮式，播种量为4.5～375kg/hm2，播种深度为20～70mm可调，排肥量为75～375kg/hm2，播深调节为液压式，开沟器形式为双圆盘式，生产率为0.9～1.5 hm2/h。

图1 2BM-5型气吸式免耕播种机Fig.1 2BM-5 type air suction no tillage planter

1.2 试验条件

试验地高寒干旱，年均降雨量300mm左右，无霜期短，约为110～120天，年均气温为3.3℃左右。试验各参数如下：内单4号玉米种子的千粒质量为291g，容积质量为775g/L，休止角为35.15°，破损率为0.24%，含水量为15%；施用化肥磷酸二氢铵的密度为1 060kg/m3，休止角为31.43°；试验地土壤类型为粘质土壤，地表为15～20cm玉米茬免耕地；耕作土壤层绝对含水率为27.23%，土壤容重为1.61g/cm3，地温为21.61°；空气湿度为31.72%；玉米秸秆覆盖率为0.60kg/m2；玉米秸秆含水量为17%；风速为6～13m/s。

2 工作原理及关键部件设计优化

2.1 2BM-5型气吸式免耕播种机的工作原理

气吸式免耕播种机集破茬、松土、施肥、单粒播种、覆土、镇压于一体[14-16],播种时为实现种肥分离，施肥开沟深度较播种深度多4～6cm左右，如图2所示。播种作业时，牵引架与拖拉机的牵引机构相连，使免耕播种机在地轮9的驱动下与拖拉机一起前进；破茬装置首先切断排种带上的秸秆和杂草，同时松碎土壤；接着施肥开沟器继续开出更深的沟槽，同时将施肥箱的肥料通过排肥装置施入开出的沟槽中；然后排种开沟器开出4～6cm深的沟槽，用限深轮调节排种沟的深度；风机通过各个风管为排种装置提供吸附种子的负压，种子在正压区沿导种管靠自重落入排种沟内，实现单粒精密播种，覆土装置对排种的垄沟进行覆土并镇压；划印器12在地面划出播种界线，避免重复播种。

1.牵引架 2.施肥箱 3.风机 4.种子箱 5.排种装置 6.覆土装置 7.限深轮 8.排种开沟器 9.地轮 10.施肥开沟器 11.破茬装置 12.划印器 13.支腿图2 2BM-5型气吸式免耕播种机的结构Fig.2 The structure of 2BM-5 type air suction no tillage planter

2.2 关键部件的设计优化

2.2.1 破茬装置

秸秆经过高寒干旱的冬季后，其含水量较低，秸秆干脆且韧性小，所以破茬装置采用防堵性较好的单圆盘刀，易于切断覆盖的秸秆和根茬，同时可松碎播种带上土壤，使施肥和排种开沟器顺利通过，地表破土量小。安装在刀轴上的圆盘刀倾斜固定安装在刀轴上，圆盘刀的盘面与刀轴轴线的垂线呈夹角α，为4°～8°，如图3所示。

图3 破茬装置Fig.3 Stubble breaking device

2.2.2 施肥开沟器

施肥开沟器(见图4)的圆盘刀成对安装，在刀轴上的倾斜方向相反。圆盘刀平面与刀轴轴线的垂线呈α角，为4°～8°。在刀轴末端安装防振弹簧。施肥作业过程中，1对旋转的圆盘刀切碎秸秆和根茬，同时可松碎深为8～10cm的耕作带土壤，推开耕作带上覆盖的秸秆，开出一定宽度和深度的施肥沟槽。

图4 施肥开沟器Fig.4 Fertilizing ditching device

2.2.3 排种开沟器

排种器开沟器在肥料上方4～6cm处开沟，如图5所示。在播种机作业过程中，排种器的开沟器也是成对的圆盘刀，在刀轴上倾斜的方向相反，产生的轴向力相互抵消。在排种作业过程中，排种开沟器旋转行进时仅有一侧受到轴向压力，致使土壤无法夹紧开沟圆盘，因此排种开沟器不易被土壤堵塞。由于成对圆盘倾斜安装，使得开沟圆盘在横向切入时是逐渐切削秸秆根茬土壤复合体的。同时，开沟圆盘旋转1个周期，相对地表沿开沟宽度方向有相对运动，前半周期和后半周期的相对运动方向相反，从而形成对秸秆根茬土壤复合体的方向相反的作用力，推动其向耕作带两侧运动。试验证明：本开沟器性能优越，地表破土量小于30%，为种子生长创造出良好的种床土壤环境，满足了保护性耕作的技术要求。

图5 排种开沟器Fig.5 Seeding ditching device

3 试验结果及评价指标

3.1 性能试验评价指标

试验内容根据国标《GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法》[17]和农业部农机试验鉴定总站发布的《免耕播种机质量评价技术规范》[18]进行试验。性能试验的评价指标是总排肥量稳定性、各行排肥量一致性，以及精密排种的粒距合格指数、重播指数及漏播指数等。

3.2 滑移率的测定

滑移率是播种机在田间作业，传动地轮运转时相对于地面的滑移程度。其计算公式为

(1)

其中，δ1为滑移率(%)；S为传动轮走过的实际距离(m)；R为传动轮半径(m)；n为传动轮在路程S内的转数(r)。

滑移率测定所表1所示。播种机传动轮的滑移率为5.7%，轮子下陷深度为为15～19mm，均值为17mm。

表1 播种机传动轮滑移率的测定

3.3 播种深度和破土宽度的测定

播种深度如图6所示。由图6可以看出：前进速度为3～5km/h的范围内播种深度保持在30～70mm之间，符合播种要求。

图6 播种深度Fig.6 Sowing depth

破土宽度如图7所示。由图7可以看出：破土宽度在前进速度为3～5km/h的范围内保持在50～100mm之间，符合免耕播种要求。

图7 破土宽度Fig.7 Ground breaking width

3.4 播种性能的测定

播种性能是衡量播种机质量优劣的重要指标，主要有精密排种的粒距合格指数、重播指数、漏播指数及变异系数。

(2)

(3)

(4)

根据文献[18]，变异系数的计算公式为

(5)

性能试验结果如表2所示。表2中，粒距合格指数为86.01%，重播指数7.74%，漏播指数6.33%，平均合格粒距变异系数4.86%。当排肥装置的槽轮工作长度大于30mm时，各行排肥量一致性变异系数均值为3.44%，总排肥量稳定性变异系数均值为0.26%。播种深度合格率均值为89.81%，排肥深度合格率均值为88.23%，上述指标均符合免耕播种技术要求。

表2 性能试验结果

图8 播种频率散点图Fig.8 Scatter plot of seeding frequency

播种性能试验结果表明：2BM-5型免耕播种机的总排肥量稳定性、各行排肥量一致性、精密排种的粒距合格指数、重播指数、漏播指数等指标均达到国家行业标准及免耕播种机质量评价技术规范。

4 结论

1)播种机传动轮的滑移率为5.7%≤8.0%，轮子下陷深度均值为17mm。前进速度为3～5km/h的范围内播种深度保持在30～70mm之间，破土宽度在前进速度为3～5km/h的范围内保持在50～100mm之间，符合免耕播种要求。

2)粒距合格指数为86.01%，重播指数7.74%，漏播指数6.33%，平均合格粒距变异系数4.86%，各行排肥量一致性变异系数均值为3.44%，总排肥量稳定性变异系数均值为0.26%，播种深度合格率均值为89.81%,排肥深度合格率均值为88.23%，均符合免耕播种技术指标。

[1] 蒋金琳，龚丽农，王东伟，等. 免耕播种机双刀盘有支撑切茬破茬装置的研制与试验[J].农业工程学报，2012,28(21):17-22.

[2] 张守德，杜健民，郝飞，等.2BQM-6型免耕播种机结构设计及开沟器的力学分析[J].农机化研究，2016,38(1):146-149.

[3] Six J， Callewaert，Lenders S，et al． Measuring and understanding carbon storage in afforested soil by physical fractionation[J]．Soil Science Society of America Joural，2002，66：1981-1987．

[4] 李林. 气吸式排种器理论及试验的初步研究[J].农业机械学报, 1979,10(3):56-63.

[5] Liao Q X，Gao H W，Shu C X．Design of sawing anti-blocking mechanism for no-tillage planter and its cutting mechanism[J]．Transaction of the CSAE，2003，19(5)：64-70．

[6] Wang H Y，Chen H T，Ji W Y．Design and experiment of cleaning and covering mechanism for no-till seeder in wheat stubble fields[J]．Transaction of the CSAE，2012，28(2)：7-12．

[7] 李安宁，范学民，吴传云，等．保护性耕作现状及发展趋势[J]．农业机械学报，2006，37(10)：177-180．

[8] 李洪文,高焕文,周兴祥, 等．旱地玉米保护性耕作经济效益分析[J]．干旱地区农业研究，2000，18(3)：44-49．

[9] Rochette P，Janzen H H．Towards a revised coefficient for estimating N2O emissions from legumes[J]．Nutrient Cycling in Agroecosystems，2005，73：171-179．

[10] 齐鹏，高富强，邱立春.基于Abaqus的缺口圆盘刀开沟作业有限元仿真及分析[J].农机化研究，2016,38(9)：64-68.

[11] 左彦军,马旭,齐龙,等. 窝眼窄缝式气吸滚筒排种装置的试验研究[J].农业工程学报,2010，26(11):141-144.

[12] 闫荆，朱龙图，于婷婷，等.免耕播种机播种深度实时监测系统[J]. 农机化研究，2016,38(9)：214-218.

[13] 廖庆喜，高焕文，舒彩霞. 免耕播种机防堵技术研究现状与发展趋势[J], 农业工程学报 2004, 20(1)：108-112.

[14] Zhao Manquan, Hu Yongwen, Liu Yueqin. Measurement and analysis on vibration characteristics of pneumatic seed metering device of no-till seeder[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(Supp.2):78-83.

[15] 赵满全，佘大庆，王春光，等.免耕播种机试验与应用研究[J]. 农机化研究，2006,28(5):134-138.

[16] 刘月琴，刘飞，赵满全，等.气吸式免耕播种机的振动测试与振动理论分析[J].中国农业大学学报，2016,21(10):109-116.

[17] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法[S].北京：中国标准出版社，2006.

[18] 农机试验鉴定总站.NY/T1768-2009免耕播种机质量评价技术规范[S].北京：中国标准出版社，2009.

Field Sowing Performance Test of 2BM-5 Type of Air Suction and no Tillage Planter

Liu Yueqin1,2, Zhao Manquan1, Liu Fei1, Dong Shuai1, Zhang Xu1

(1.College of Mechanical-electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018, China; 2.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics, Hohhot 010070, China)

In order to improve seeding accuracy of the 2BM-5 type of air suction and no tillage planter, after optimization of the key parts of the machine are improved, field seeding performance test was carried out. The experimental results show that the measured sowing machine driving wheel slip rate is 5.7%,the sinking depth of The wheels is 17mm, when the speed is 3～5 km/h, the sowing depth kept between 30～70mm in width,when forward speed is 3～5km/h, the ground breaking width is between 50～100mm, the particle distance qualified index is 86.01%, the repeat sowing index is 7.74%,the leakage sowing index is 6.33%,the average of qualified grain distance variation coefficient is 4.86%,the average of consistency variation coefficient of fertilizer quantity in each row is 3.44%, the Stability coefficient of variation of the total quantity of the fertilizer discharging is 0.26%,the average of sowing depth qualified rate is 89.81%, the average of fertilizer depth qualified rate is 88.23%, all indexes are in line with no tillage sowing technology index.

no tillage planter; air suction; field sowing; seeding performance

2016-10-09

国家自然科学基金项目(51365034)；中国博士后科学基金项目(2014M552532XB); 内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY327)

刘月琴(1977-)，女，内蒙古察右前旗人，副教授，博士研究生，(E-mail)liuyueqin103@126.com。

赵满全(1955-)，男，内蒙古土右旗人，教授，博士生导师，(E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S223.2+5；S157.4

A

1003-188X(2017)12-0125-05