0 引言

農業機械化是指運用先進適用的農業機械裝備農業,改善農業生產經營條件,不斷提高農業的生產技術水平和經濟效益、生態效益的過程[1].農業機械化水平是農業現代化的衡量標準[2],農藝水平是農業現代化的重要保障,農業現代化離不開農機與農藝的有機融合.

農機農藝融合的實質是現代工程技術和現代農藝\\( 生物\\) 技術的融合,其采用現代工程技術改變傳統的生產技術.農機農藝融合要按照因地制宜、經濟有效、促進發展的原則,實現優勢互補、互促共進.農機技術要為農業的增產增收、高效優質、低耗安全服務,農藝技術\\( 育種、栽培、土肥、植保、灌溉等\\) 的研發則要優先考慮機械化生產實施的可行性[3].農機農藝有機融合的關鍵不是農機適應農藝的問題,也不是農藝適應農機作業要求的問題,而是把農機農藝的研究放到整個現代化農業生產的全周期中去考慮,統籌優化農業生產的各個環節,在全程機械化的背景下設計農藝規格和農機裝備基本規格,從而實現全局最優.

工業生產中有工藝過程,每個環節叫作機制工藝; 農業生產中也有工藝過程,與工業生產相比較,應叫作農藝過程,相應地每個由機械來完成的環節應當叫作機械化農藝.整個機械化生產過程包含的相互關聯的所有機械化農藝構成一個體系,稱之為機械化農藝體系.研究或組織實施農業機械化,一定要有體系的概念,要把每一個機械化農藝環節都作為整個體系的有機組成部分,要特別重視前后環節的必然聯系和它們的相互影響,不能只管一個或幾個環節.

那么,實現全局最優的技術路線是什么呢? 古人云: "自古不謀萬世者,不足謀一時; 不謀全局者,不足謀一域"\\( 清,陳澹然《寤言二遷都建藩議》\\) .山東理工大學國家"十二五"項目課題組和山東省玉米產業體系創新團隊在研究玉米免耕播種機和玉米聯合收獲機關鍵裝備時發現: 在黃淮海小麥玉米輪作區,解決農機農藝有機融合問題絕不只是玉米機械化生產的問題,它與小麥如何種植、灌溉和收獲關聯度極高.

例如,井灌區小麥畦子寬度是玉米播種機設計的關鍵基礎參數.因此,必須把農業生產機械化放在一個具有完整周期的生產體系中去研究,而不能就事論事地研究一個環節的機械化.為此,需要用系統工程的方法,構建機械化生產體系,在體系的框架下研究農機農藝結合的問題,逐步實現有機結合.例如,小麥玉米輪作機械化生產體系、小麥花生輪作機械化生產體系、棉花小麥"玉米兩年三作"機械化生產體系等都需要在全程機械化的背景下統籌優化,構建各自的機械化農藝體系,從而更好地促進全程機械化關鍵裝備的研發.

根據小麥玉米一年兩熟輪作區保護性耕作條件下的全程機械化生產,構建了"井灌區小麥玉米保護性輪作機械化生產體系",主要機械化生產環節為: 玉米秸稈還田→小麥深松免耕施肥播種→小麥追肥→小麥灌溉→小麥病蟲害防治→小麥聯合收獲→小麥干燥與倉儲→玉米免耕施肥播種→玉米追肥→玉米灌溉→玉米病蟲害防治→玉米聯合收獲→玉米干燥與倉儲.影響這個體系的共性技術是什么? 不是機器,是農藝.更具體地說是種植規格-小麥種植畦子寬度、播種行數、苗帶寬度、深松方式、玉米種植畦埂保留、畦內玉米播種行數等.決定種植規格中的關鍵參數畦子寬度的決定性因素是什么.不是農藝,而是拖拉機的輪距.這是農機與農藝的內在聯系.因此,設計了一個既符合農學要求又符合機械化作業要求的小麥玉米機械化保護性輪作基本種植規格,如圖 1所示.這是一個適合大馬力拖拉機機械化作業的基本規格,非常有利于小麥、玉米播種和聯合收獲機械化,對本體系各環節機械裝備的研制與生產提出了明確的農藝參數要求.同時,在淄博市傅家鎮的 4. 7hm2試驗田進行了試驗,取得了滿意的效果.

山東屬于黃淮海井灌區,是我國主要的產糧地區之一.山東的主要種植模式是小麥玉米輪作一年兩熟和小麥棉花一年兩熟輪作制度.在山東井灌區建立小麥玉米和小麥棉花輪作機械化農藝體系,不僅能夠實行標準化播種、標準化管理、標準化收獲,節省人力、物力以及財力,而且還有利于農業現代化的快速發展.

機械化農藝體系中,不僅要有適應機械化作業的標準種植體系,還需要適用于本體系各作業環節的農業機械裝備.2BYM-12 型折疊式動力防堵智能免耕玉米精量免耕播種機、2BYFJ-4 滅茬型智能免耕玉米精量播種機、2BMFS-A1/A2 型玉米精量免耕施肥播種機、4YZFP-4 橫輥摘穗式輕型玉米收獲機、2BSMF-8 小麥深松免耕播種機等都是根據井灌區小麥玉米輪作機械化農藝體系研制出來的相應機具.本文旨在建立井灌區小麥玉米輪作機械化農藝體系,并基于全程農機化對關鍵裝備研發過程中的基本結構性能參數進行研究.

1 井灌區小麥玉米輪作機械化農藝體系

1. 1 機械化農藝體系采用的耕作方法

采用保護性耕作方法和機械化作業進行作物輪作,稱之為機械化保護性輪作.在黃淮海一年兩熟區,有小麥玉米輪作、小麥水稻輪作、小麥花生輪作等,最近出現了小麥棉花輪作,都需要機械化保護性輪作.

1. 2 保護性耕作的特點和作用

保護性耕作是用作物秸稈殘茬覆蓋地表,最低限度地耕作,采用化學和生物方法控制雜草和病蟲害的一種耕作技術.它的主要特點是秸稈覆蓋、免耕播種、深松少翻、化學除草.實施保護性耕作能夠提高土壤有機質含量、保持水土、保護土壤生物多樣性、逐步減少化肥用量,促進農業可持續發展.

1. 3 小麥玉米機械化保護性輪作的特殊性

1\\) 作業環節多,時間要求緊迫.小麥玉米輪作是在三夏、三秋的換茬季節,既要搶收,又要搶種.

2\\) 秸稈量大,處理難,免耕播種難.小麥玉米輪作的每季秸稈量大約為 9 000 ~12 000kg/hm2[5],造成小麥玉米的播種困難.

3\\) 采用畦作,畦寬規格繁多.井灌區的小麥玉米輪作的種植模式多為畦作,為了方便農民作業,畦寬很小,對機械化作業限制最大.

4\\) 有深松要求.小麥播前深松和玉米行間深松的技術要求高,能耗大.

5\\) 畦內種植要求特殊.保留畦埂,畦內小麥、玉米行數和行距要系統考慮拖拉機輪距,播種機、秸稈還田機、田間作業機寬度及收獲機輪距等行走機器要系統考慮.

1. 4 機械化保護性輪作面臨三大關鍵技術問題

1\\) 作業環節多.機械化農藝體系需要考慮的主要環節: 玉米秸稈還田、小麥播前深松、小麥免耕施肥播種、小麥追肥、小麥聯合收獲、小麥干燥與倉儲; 玉米免耕施肥播種、玉米追肥、玉米施農藥、玉米聯合收獲、玉米干燥與倉儲.

2\\) 統一種植規格的要素.畦寬、行數、行距、苗帶寬、深松行距等都是標準化種植體系中種植規格需要考慮的因素.

3\\) 關鍵裝備和核心技術問題.井灌區小畦種植要求苛刻,要保證畦內作業不破壞畦埂,必須系統考慮畦寬,畦內小麥、玉米行數和行距,小麥苗帶寬度,拖拉機輪距,播種機、秸稈還田機、田間作業機寬度,收獲機輪距及深松行距等.同時,在此基礎上設計相應的小麥免耕深松施肥播種機、玉米免耕施肥播種機、玉米聯合收獲機\\( 可收獲玉米秸稈的\\) 、干燥與倉儲技術與裝備等.

1. 5 機械化農藝體系的種植規格

構建機械化農藝體系,在體系的柜架下研究農機與農藝的結合,逐步實現有機結合是農機農藝結合的內在要求.針對本課題所研究的小麥玉米輪作機械化農藝體系,設計了一個既符合農學要求又符合機械化作業要求的小麥玉米機械化保護性輪作基本種植規格: 畦子寬度 2 400mm,壟背寬 300mm,播種 8 行小麥,行距 280mm,苗帶寬度 120 ~140 mm,小麥播種行間深松、深松行距 560mm; 對深松鏟實行兩排分布、四三布置,第 1 年深松 4 行,第 2 年深松另外 3 行,第 3年可不深松; 播種 4 行玉米,行距 600mm,為防澇,不深松.

標準化種植的優點: ①規格定型是制定農機設計和生產標準的基礎; ②規格定型有利于拖拉機的選型配備; ③種植規格設計必須考慮的基本因素.井灌區小畦種植要求最苛刻,要保證畦內作業不破壞畦埂,必須系統考慮畦寬,畦內小麥、玉米行數和行距,小麥苗帶寬度,拖拉機輪距,播種機、秸稈還田機、田間作業機寬度,收獲機輪距及深松行距.

這是一個適合大馬力拖拉機機械化作業的基本規格,非常有利于井灌區小麥、玉米輪作的播種和聯合收獲機械化.對本體系各環節機械裝備的研制與生產提出了明確的農藝參數要求,以下農業裝備就是適應上述作業體系而研發的.

2 玉米播種機械關鍵裝備

小麥玉米一年兩作輪作區玉米免耕播種時地表秸稈覆蓋量大、播種時容易產生堵塞,并且現有的玉米免耕播種機動力消耗高、缺少播種監測功能.目前,播種機的監測功能主要集中在種肥箱容量、漏播和重播上.采用勺盤式排種器的播種機由于勺盤距地面很低,光電傳感器一方面工作不可靠,另一方面也很難監測刮土板間土壤的堵塞問題,影響了監測效果.目前,常見播種機的播種、排肥分別需要兩個開溝器進行作業.施肥開溝器安裝在播種開溝器之前,造成在免耕播種機上播種、排肥兩個開溝器間隔很近,不僅動力消耗高,增加了播種機的材料消耗和生產成本,而且容易產生秸稈以及雜草的擁堵,嚴重影響播種質量.另外,現有的動力防堵裝置只將開溝器立柱上的秸稈打散撥下,旋刀的設計未考慮對小麥根茬的粉碎處理,因此當開溝器正對小麥根茬時,播種和施肥的覆土效果較差,對播種質量造成了一定的影響.結合小麥玉米輪作機械化農藝體系 2. 4m 畦寬和600mm 行距,設計出了以 2. 4m 為基本規格尺寸的 4種玉米播種機械.

2. 1 2BYM-12 型智能免耕玉米精量播種機

2BYM-12 型折疊式動力防堵智能免耕玉米精量播種機整機方案如圖 2 所示.其結構主要有劃行器部分、左側播種單元、前拉桿、機架折疊液壓裝置、中間播種單元、懸掛裝置、農藥噴灑裝置、右側播種單元和劃行器等.

針對玉米免耕播種機在秸稈覆蓋量較大的情況下開溝器易被擁堵的技術難題,對開溝器的防擁堵技術進行多方案設計,每臺樣機采用采用不同的防擁堵和開溝方式.通過試驗防擁堵效果對比,在秸稈覆蓋量較大的情況下三段離合式動力防堵裝置具有良好的防擁堵效果,解決了玉米免耕播種機開溝器的防擁堵技術.

2. 1. 1 三段離合式動力防堵裝置

通過對夏玉米播種機市場調查和播種現場跟蹤實地考察,在小麥秸稈覆蓋量較大\\( 干基含水率>0. 6kg / m2\\) 、秸稈長度較長\\( >22cm\\) 、秸稈拋撒不均勻時,播種機開溝犁極易造成秸稈擁堵現象,影響播種機的正常工作.為解決夏玉米區小麥收獲后機械播種過程中出現的秸稈擁堵現象、適合播種機液壓折疊時的動力自動分離與結合需要、提高播種機的適應性和可靠性,本文設計了 3 段離合式動力防堵裝置,如圖 3 所示.

該裝置具有動力防堵功能和滅茬功能,可以實現折疊時兩側防堵單元自動分離、工作時自動結合的功能.每段動力防堵裝置包括安裝在機架上的兩軸承座板、經軸承安裝在兩軸承座板之間的旋刀軸和固定安裝在旋刀軸上的多組旋刀及牙嵌式離合器.旋刀組數與種肥開溝器數量等同,每個種肥開溝器的立柱前端均設有一組旋刀,每組旋刀包括呈 180°對稱安裝的旋刀.改型后的 2BYM-12 型折疊式智能免耕玉米精量播種機,樣機播種質量穩定,完善了播種機的整機性能,提高了播種機的適應性和可靠性.

2. 1. 2 應用領域

2BYM-12 型折疊式智能免耕玉米精量播種機適用于黃淮海小麥玉米輪作區小麥收獲后玉米機械化免耕播種,也可用于大豆免耕播種及其他地區相似農藝條件下的玉米機械化免耕播種.該機整機寬度7. 2m,適合 73. 5kW 以上大馬力拖拉機配套作業,尤其適合種糧大戶、家庭農場等規?；洜I的大地塊作業.實踐表明,在我國冬小麥-夏玉米一年兩熟地區進行免耕播種有蓄水保墑、減少地下水消耗、培肥地力、改善生態環境和減少作業環節的綜合效應[6-8].

2. 1. 3 技術原理

整機采用模塊化設計,從前向后依次是: 仿形地輪、播種深度調節裝置及排肥排肥傳動裝置\\( 包括株距無級調節器\\) 、苗帶清理與防擁堵裝置、一體化種肥開溝器[9]、施肥裝置、精量播種裝置、智能化播種監測裝置和鎮壓覆土裝置.基本工作原理是: 拖拉機牽引浮動播種機作業,拖拉機動力輸出軸經萬向節驅動動力防堵裝置旋轉,動力防堵裝置將種肥開溝器前方的秸稈切碎,每行兩把平面彎刀做滑切和前拋運動,清理苗帶、劃破地表,同時剔除開溝器立柱掛草,保證不發生麥草擁堵.4 個種肥開溝器經立柱垂直固定在前機架后端的橫梁上.播種作業時,肥料沿著每個種肥開溝器的立柱下落,肥料落入開溝犁鏟開好的溝槽內; 肥料入土后,前刮土板將溝槽兩側的部分土壤刮回溝槽內,形成對肥料的覆蓋,并刮出一定深度平整的種床; 兩塊護種板形成的空腔護持排種器排下的種子落入種床,在護種板上鉸接的后刮土板在彈簧力的作用下刮撥土壤形成對種子的覆蓋,鎮壓輪在彈簧緊牙下完成后續覆土鎮壓作業.播種監控系統自動采集滑移率、排種排肥堵塞情況及播量,并實時數顯和自動報警.

2. 2 2BYFJ-4 滅茬型智能免耕玉米精量播種機

2. 2. 1 應用領域

2BYFJ-4 滅茬型智能免耕玉米精量播種機\\( 見圖4\\) 將秸稈粉碎還田與玉米免耕施肥播種功能集成一體,一次完成秸稈粉碎還田和玉米免耕施肥播種作業,具有獨特的秸稈粉碎還田滅茬功能、開溝器防擁堵功能、株距調節功能、播種施肥量精密監測功能、播種深度調節功能和作業仿形功能,智能化程度高、作業質量好,尤其適于大面積平整地塊高效作業.

2. 2. 2 技術方案

1\\) 將秸稈粉碎還田與玉米免耕施肥播種功能集成一體,一次完成秸稈粉碎還田和玉米免耕施肥播種作業,具有獨特的秸稈粉碎還田滅茬功能.其既避免了秸稈堵塞,提高了播種作業的質量和效率,又改善了玉米播種苗床的條件,有利于玉米根系的生長,增強作物抗倒伏能力; 同時,減少了作物秸稈病蟲害對作物生長的影響,具有一定的生態保護意義,經濟效益較明顯.

2\\) 開溝器防擁堵功能.在開溝器立柱前部的轉輪式防堵裝置,能夠有效地將開溝器前部的秸稈撥開,防止開溝器擁堵,提高了播種和施肥的作業質量.

3\\) 播種施肥量精密監測功能.該機集成了模塊化播種性能監測系統,可實時完成播種工況的監測,對種子重播、漏播、堵塞、缺種故障均發出聲光警示,顯示故障點位置; 對化肥堵塞、缺肥故障均發出聲光警示,顯示故障點所在的行數.

4\\) 該機集成了株距調節器,首次實現了玉米精量播種對株距精確調節的要求,具有較高的智能化水平.該裝置裝卸非常方便,可以很方便地作為模塊化配件推廣到其他播種機.

2. 3 2BMFS-A1 /A2 型玉米精量免耕施肥播種機

2. 3. 1 應用領域

黃三角生態區免耕播種機研制與示范適用于黃三角小麥玉米輪作區小麥收獲后玉米免耕精量施肥播種,也可用于大豆免耕精量播種及其他地區相似農藝條件下的玉米免耕精量播種,如圖 5 所示.

2. 3. 2 技術原理

每個播種單元由仿形地輪、播種深度調節裝置及排肥傳動裝置、苗帶清理與防擁堵裝置、一體化種肥開溝器、施肥裝置、精量播種裝置\\( 包括株距調節器\\)和鎮壓覆土裝置等組成.其基本工作原理是: 拖拉機牽引浮動播種機作業,拖拉機動力輸出軸經萬向節驅動動力防堵裝置旋轉; 動力防堵裝置將種肥開溝器前方的秸稈切碎,每行兩把平面彎刀作滑切和前拋運動,清理苗帶、劃破地表,同時剔除開溝器立柱掛草,保證不發生麥草擁堵.播種作業時,肥料沿著每個種肥開溝器的立柱下落,肥料落入開溝犁鏟開好的溝槽內; 肥料入土后,將溝槽兩側的部分土壤刮回溝槽內,形成對肥料的覆蓋,并刮出一定深度平整的種床; 兩塊護種板形成的空腔護持排種器排下的種子落入種床,在護種板上鉸接的后刮土板在彈簧力的作用下刮撥土壤形成對種子的覆蓋,鎮壓輪在彈簧緊壓下完成后續覆土鎮壓作業.

3 玉米收獲機械

3. 1 4YZFP-4 橫輥摘穗式輕型玉米收獲機

橫輥摘穗式輕型玉米收獲機如圖 6 所示.

3. 1. 1 設計方案

采用多組用于橫向摘穗的玉米收獲割臺,包括兩個軸向相互平行的長短摘穗輥和莖稈導向裝置; 莖稈導向裝置位于橫輥摘穗裝置前部,包括分禾器和配合撥禾鏈完成莖稈導向輸送的八角星輪; 摘穗輥后方設有果穗橫向輸送裝置,可以將摘穗輥摘下的果穗橫向送入果穗升運器的入口; 果穗經果穗升運器送往果穗剝皮裝置,其中剝皮后的果穗落入果穗收集箱; 剝下的苞葉經逐稿輪除草裝置排出機外,而在剝皮過程脫落并混雜在苞葉中的籽粒落入籽?；厥障?以減少收獲過程的籽粒損失.

1\\) 總體方案設計與布局.根據橫輥摘穗式玉米收獲機的功能要求,對橫輥摘穗式玉米收獲割臺、果穗橫向輸送裝置、果穗升運裝置、果穗剝皮裝置、籽?；厥昭b置及果穗收集箱等核心部件進行合理的布局研究和傳動路線分配.

2\\) 研制橫輥摘穗式玉米摘穗技術,形成橫輥摘穗式玉米收獲單元體.該單元體包括兩個軸向平行且長輥位置略低于短輥的摘穗單元.其中,長、短摘穗輥前部為葉片高度較大的凸棱,便于將導入的玉米莖稈強制快速向一側推送; 摘穗輥中部為相互錯位、螺距逐漸加大的反向螺旋凸棱,有利于抓取莖稈,并快速橫向輸送,摘下果穗; 摘穗輥后部為帶有平行于摘輥軸線方向的直凸棱,可以將未摘下果穗的莖稈直接擠斷,防止莖稈在此的堵塞; 摘下的果穗由于長摘穗輥低于短摘穗輥而落入位于長摘穗輥后方的橫向輸送裝置,由輸送裝置橫向輸送至果穗升運器的入口.

3\\) 研制玉米莖稈的喂入裝置.莖稈喂入裝置位于橫向摘穗輥前部,包括分禾器、撥禾鏈和八角星輪.分禾器首先將莖稈分開并導向撥禾鏈,接著在撥禾鏈撥指的作用下,與被動轉動的八角星輪一起將玉米莖稈喂入橫向摘穗輥的入口.在此過程,八角星輪的星齒配合撥禾鏈的撥指,使每個玉米莖稈處于一個封閉空間,防止了莖稈的滑脫和折斷,既減少了果穗的漏摘損失,又保證了工作的可靠性.

4\\) 研制苞葉排出與籽?；厥昭b置.為了提高剝皮效率,剝皮輥轉速較高,加之果穗生長存在一定的不一致性,導致剝皮過程存在一定的籽粒脫落.為了減少收獲損失,研制了氣流-逐稿輪式苞葉排出與籽?；厥昭b置,可以將夾雜在苞葉中的籽粒分離出來,并收集在位于其下的籽?；厥障?

3. 1. 2 與機械化農業體系結合點

1\\) 研制的結構緊湊的輕型玉米聯合收獲機,適合種植行距為 600mm 的玉米種植模式,直接對行收獲,收獲效率高.

2\\) 摘穗輥結構為兩個長短軸相平行,螺旋錯位嚙合、旋向相反的結構組成,減小了秸稈的擠壓變形量,降低了功率消耗\\( 由原來的 9kW/行減到 7. 8kW/行,果穗啃傷率 1. 3% \\) ; 采用星輪-撥禾鏈式導向裝置,傳動簡單\\( 星輪被動轉動\\) ,且形成了莖稈導向封閉區,防止了莖稈滑脫和折斷.

3\\) 氣流-逐稿輪式籽?；厥昭b置,使苞葉處于蓬松狀態下分離夾帶的籽粒,故回收效果好.

4 小麥播種機械

4. 1 整機方案的確定

按照小麥深松技術、旋耕設計、深施肥技術、苗帶清整技術[11-12]進行整機研究.本機具將深松技術和苗帶清整技術作為整機研究的重點.圖 7 為小麥深松免耕播種機整體設計方案.

4. 2 工作原理

小麥播種機在拖拉機的牽引下前進,在機具前進過程中使深松鏟深入地下,完成深松過程; 拖拉機動力通過變速箱傳遞給旋耕裝置,該裝置在高速旋轉的同時對播種苗帶行的土壤進行旋耕,同時開出播種苗帶; 鎮壓輪通過鏈傳動驅動上位外槽輪排種器和排肥器,排出的種子通過導管進入燕尾分種器實現均勻苗帶播種,排出的肥料通過施肥裝置施入土壤中; 旋耕起的土壤被甩至擋土板后落入播種后的苗帶上,經鎮壓輪壓實后完成整個深松免耕播種過程.

4. 3 與機械化農業體系結合點

1\\) 充分滿足畦子寬度 2 400mm、壟背寬 300mm,播種 8 行小麥、行距 280mm、苗帶寬度 120mm,小麥播種行間深松、深松行距 560mm,對深松鏟實行兩排分布、四三布置,第 1 年深松 4 行、第 2 年深松另外 3 行第 3 年可不深松的機械化農藝規格.

2\\) 將深松和動力防堵免耕播種結合了起來,可一次性完成深松、施肥播種作業,符合發展大中馬力拖拉機配套機具的技術趨勢.

3\\) 有明顯的節能、保墑、增產等綜合效果.

5 結論

機械化農藝體系是在農機農藝融合前提下提出的一個新概念,在機械化農藝體系中,基于全程農業機械化作業,統籌優化出了標準化的種植規格.根據標準化種植規格,可優化和促進小麥玉米輪作區全程機械化關鍵裝備的開發.結合小麥玉米輪作機械化農藝體系 2.4m 畦寬和 600mm 行距,設計出了以 2. 4m為基本規格尺寸的 3 種玉米免耕播種機和 1 種小麥免耕播種機具及 1 種新型玉米聯合收獲機.經過兩輪大田試驗,整個全程機械化裝備適合大馬力拖拉機作業,裝備規格得到優化,作業效果好.

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