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1、. . .第一章 前 言我国是一个干旱缺水的国家，水资源人均占有量仅占世界平均水平的1/4，在全国农耕面积中有一半左右的地区属于无灌溉条件的旱地，这些地区的农作物产量低而不稳，农村经济的发展受到了较大的制约1。因此，发展旱作节水农业已成为我国发展可持续农业生产中的一项重要战略任务，而旱作节水农业的根本出路在于农业机械化技术的大力推广。40多年来，几代农机工作者汲取传统抗旱耕作法的精华并结合现代耕作技术和区域特色，先后提出了大量的机械化旱地耕作体系，它们将逐步取代传统的耕作体系，形成适用于不同类型区域的机械化旱地耕作体系，随之也研制了大量适合不同地域的配套农机具，但在使用过程中还是会出现或多或少
2、的不足，有待于我们继续探讨。1.1穴播机械的研究现状 穴播机械化技术可分为开沟穴播和打孔穴播两类。 开沟穴播首先利用开沟器在土壤中开出一定截面形状的种沟，接着穴播排种装置将种子定点投入沟中，最后由覆土、镇压装置完成覆土和镇压工序。对于这类穴播机的研制，国外始于20世纪60年代。如前苏联生产的CKHK型播种机用来进行方形穴播和点播精选分级玉米，其特点是排种器采用单体传动，成穴机构靠阀门装置强制投种，增加附件后，还可播种向日葵、大豆、菜豆等。CTX型播种机有两种型号，一种是采用精密排种器定量播种分级脱绒棉籽、玉米和高粱；另一种是采用拨籽轮式排种器播种带绒棉籽。西德的一家公司生产的“曼诺参特”精密播
3、种机用于播种玉米、菜豆、大豆、豌豆等，其工作原理是由型孔轮旋转将种子带动到排种器下部，再由排种器将种子推入开沟器开出的种沟内，然后由覆土器覆土，表层土由V形镇压轮压实，仿形机构调节耕深。西德贝克公司生产的“埃罗马特”播种机可播玉米、菜豆、豌豆和甜菜，其排种器为气压式。西德汉斯公司生产的“莫尔齐塞木”播种机采用的排种器为气吸式与机械式组合原理，用来播种玉米、大豆、甜菜和蔬菜等作物。此外，较典型的机型还有英国生产的“斯坦翰”播种机、美国生产的“赛克洛一500”播种机等2。 我国开沟穴播机的研究始于20世纪70年代，进入80年代日臻完善。较典型机型有ZBT2型精量播种机，采用立式圆盘排种器，用于播大
4、豆、玉米、高粱。ZBJG6A型精密联合耕播机，排种器为垂直圆盘式，用于播玉米、大豆。2BQ3型气吸式精密播种机采用气吸式排种器，用于播玉米、大豆和高粱3。 打孔播种机播种工艺的主要特征是利用成穴器首先在投种点位置的土壤上形成穴孔，然后利用投种装置将待播种子投入穴孔中，因而对土壤的挠动较小。在有残茬及秸杆还田的土壤上播种时，成穴部件拨开残茬和桔杆，在土壤上形成穴孔；在地膜覆盖的土壤上播种时，成穴部件只是在播种位置将地膜切开，并在土壤上形成穴孔，因而有利于土壤的保温、保墒和抗旱。同时，打穴播种机也可在传统的土壤耕作方式下完成播种作业。 目前已有的打穴播种机，一般采用带有成穴部件(柱塞式、铲斗式或铲
5、式等)的滚轮作为成穴器。柱塞式成穴机构的工作原理是利用成穴柱塞对土壤挤压而形成穴孔；铲斗式成穴部件除对土壤进行挤压外，还依靠其在土壤上的挖掘作用形成穴孔，鸭嘴式成穴器亦属于此种成穴机构。铲式成穴器主要依靠打穴铲的特殊运动在土壤上挖掘成穴孔4。随着种植机械化水平的提高以及少耕和免耕种植工艺在生产上的推广应用，特别是地膜覆盖种植工艺的广泛应用，使得传统开沟播种作业方式已不适应生产要求，人们逐渐认识了打穴种植工艺的优点，并于20世纪60年代起展开了对不同种类打穴播种技术及机具的研制。 1961年,Hunt报道了一种能够在铺膜地面上进行蔬菜精密播种的打穴播种机。这种“蔬菜播种机”(VegetableS
6、eeder)与铺膜机联合作业,可播种南瓜、黄瓜和西瓜等种子。该打穴播种机是由排种器、持种盘和柱塞式成穴器等组成。播种的深度和行内种距可通过改变成穴柱塞的结构尺寸和数目进行调节。为克服蔬菜种子出土能力较弱造成的出苗困难,Cary在1967年改进了这种打穴播种工艺,利用销钉在土壤上形成60mm深的穴孔,将沙拉菜和胡萝卜等蔬菜种子投入到穴孔中,并且在穴孔的上面不实施覆土和镇压,使出苗率得到了提高5。Jafari和Fornstrom在1969年研制了一种用于播种甜菜的打穴播种机,这种播种机后来通常被人们称为“Jafari播种机”。这是一种典型的异步打穴播种机,它的成穴器是由一个在径向装有圆锥形凸起的滚
7、轮所组成。滚轮的后部配置有排种器。在成穴器打穴的同时,排种器将种子投入到已形成的穴孔中。这种播种机的特点是成穴器结构简单,但如果地面不平或播种机在工作中发生振动,就会影响投种的准确性；如果土壤水分过高还会造成土壤粘结在成穴器的滚轮上,使成穴器无法正常工作；如果土壤水分过低又会使形成的穴孔发生坍塌,造成排种器的种子不能投入到孔穴中而影响播种质量。1973年,Heinemann等人所研制了“气力打穴播种机”(PneumaticPunchMachine)。这种播种机由气动柱塞式成穴器和排种器组成。播种时,成穴器柱塞由气力驱动在土壤上打出穴孔,后面的排种器将种子投入到穴孔中。通过调节气动阀的开闭频率可
8、以改变成穴柱塞在土壤上形成穴孔的间距,并可以通过传动机构控制排种器的排种频率,在行内改变种距。该播种机的优点是播种时行内种距可调,但缺点是结构复杂,播种时参数的调整较困难。由Heinemann等人研制的另外一种打穴播种机称为“带式播种机”(Belt-typePlanter)。这种播种机的结构特点是有一条围绕播种机前后轮子的胶带,在胶带的上面,布置有与成穴器滚轮上分布的成穴柱塞相适应的长孔。这种异步播种机的结构优点是对投种的位置没有严格的要求。但是播种机结构过大,受胶带的限制,播种速度较低6。与上述播种原理相似,但是没有胶带的“冲压式播种机”(Tip-tapSaesystem)由Knoll在19
9、78年研制并申报了专利。在打穴播种机研制的最初阶段,主要研究的机型是异步打穴播种机。这类播种机的缺点是在土壤上形成穴孔和投种之间的配合相对较困难。特别是在地面条件较差时,播种机的滑移和振动都会导致排种器投出的种子不能落入成穴器形成的穴孔中。因此,人们逐渐将注意力转移到同步打穴播种机的研制上。1979年,Wilkins等人研制了一种称为“磁性播种机”(MagneticSeedPlanter)的打穴播种机。播种时,分种器将用Fe3O4包衣的种子送入磁化的中空成穴柱塞中,成穴柱塞在滚轮带动下在土壤上形成穴孔的同时,通过机构传动将柱塞内的种子挤压到土壤穴孔中。Leszczynski等人在1982年对“
10、磁性播种机”成穴轮驱动性能和柱塞的结构进行了改进,使得柱塞在土壤上形成较好的穴孔并提高了播种质量。根据柱塞式同步打穴播种机的工作原理,Flake等人在1980年至1983年间研制了一种用于播种包衣甜菜种子的“柱塞式精密播种机”(Stempeleinzelkornsaegeraet)。这种同步播种机的结构紧凑,但成穴部件对土壤状况要求较高。当土壤过粘而粘结在播种轮上时，将会造成成穴柱塞不能在土壤上成穴而导致无法播种。Shaw和Wijewardene在1978年分别提出了利用铲斗式成穴机构在土壤上形成穴孔，并同时将种子投入到穴孔中的同步播种机的基本工作原理，并设计制造了相应的打穴播种机“铲斗式播种
11、机”(Bucketseeder)。这种打穴播种机的成穴部件类似于铲斗径向安装在滚轮上。当机器前进时，铲斗在土壤上形成穴孔并同时打开铲斗的活门使预先输入到铲斗中的种子落入到穴孔中。Kromer等人在1980年进一步改进了这种“铲斗式播种机”，并将其用在塑料薄膜覆盖条件下蔬菜和玉米的播种。Krauland等人对这种播种机进行试验的结果表明，在土壤湿度达到18%20%(干基)时，成穴铲斗粘土现象严重并且压实在铲斗周围，严重时使得成穴铲斗根本不能进入土壤成穴。另外，成穴过程中土壤还会通过开启的活门进入铲斗使得铲斗关闭不严而发生漏种现象7。Wijewardene在1978年研制了一种称作“转动注射式播种
12、机”(RotaryinjectionPlanter)的打穴播种机。这是一种由人力推动或畜力牵引的小型播种机，用于在铺膜地面或免耕条件下的谷物播种。这种播种机的特点是结构简单紧凑，适合于机械化发展水平和机械制造水平不高的地区进行半机械化播种作业。为了在免耕的条件下播种，Srivastava等人在1981年研制了“冲孔式播种机”(PunchmeterPlanter)。这种播种机是由气力式排种器将种子投入到四棱锥型的成穴部件内，在成穴器滚轮在地面上滚动形成穴孔的同时打开成穴部件活门使种子落入土壤穴孔中8。1986年，Adekoya等人研制了一种“冲孔式精密播种机”(PrecisionPunchPla
13、nter)，用于在耕后和未耕地上播种。Hezroni等人在1986年设计的“管式播种机”(BucketseederPipe)的结构和工作原理与前面所述的播种机完全不同。当播种机在牵引力下前进时，排种器将种子送入伸缩套筒下部的成穴机构中，当套筒在偏心轮驱动和机器前进的作用下使得成穴部件以摆线运动方式在地面上形成穴孔时，控制机构打开活门使种子落入到穴孔中。这种播种机的特点是行内种距理论上可以通过改变偏心轮和排种器的转速在很大范围内调节，但成穴的质量受播种机前进速度的影响。同时成穴机构对土壤状况的要求较高。 近几年我国对地膜覆盖栽培机械化进行了一些研究，取得了一定的进展：1988年，江遵元等人发表了
14、“滚轮式膜上打孔精量播种机”一文9，这种播种机的成穴机构为转动注射式。马旭等人1989年在“地膜覆盖播种机成穴器的研究”一文中，对成穴鸭嘴的结构参数和工作参数进行了一定的探讨，使之在地膜上能以最小的穿孔在土壤上形成穴孔10。2001年，魏宏安、邵世禄等人发表了“垂直插入式小麦覆膜穴播机的研究”，重点研究了滚轮式小麦覆膜穴播机存在种穴与膜孔错位率高的问题11，吉林大学农业工程学院己对鸭嘴式打孔播种机、冲孔式打孔播种机、铲式打孔播种机进行理论研究和部件设计。山东临沂市农机所及莱阳谭格庄农机厂也对小麦等小粒种子作物的覆膜穴播机械化联合作业进行研究与机具试制。甘肃省农业机械推广站和甘肃省农科院于199
15、7年研制成功了垅西“2FBX-A型小麦覆膜穴播机”，在西北地区有较大的推广应用，取得了较大的经济效益，但只适用于西北大面积作物覆膜穴播，而对于很多山区和部分机械化不能推广的地区来说，研制一种小型、传统的穴播机具显得尤为重要。到目前为止，打穴播种机的研制仍然集中在成穴器的成穴原理和结构上，以及排种器投种与成穴之间相互配合的关系方面。异步打穴播种机由于其工作原理所限制的不足使得研究工作没有新的进展，而大部分的工作都是在进行同步打穴播种机的研制。特别是近年来秸秆还田种植工艺的推广应用，对播种机具提出了新的要求。目前人们试图通过对传统开沟播种作业方式所用机具的改进来适应在地面有残茬和杂草及秸秆还田的条件下进行谷物的播种。因此，研制新型的打穴播种机具是解决此问题的根本途径。 1.2研究任务和方法研究和分析以往打孔穴播机的结构和特点，结合我国西部山区和机械化不能大面积推广的地域经济、自然条件等因素，对以往的机具进行结构改进、优化，研究设计一台适合小面积种植方式下的小型、手推式玉米穴播机是本文的主要出发点。具体研究方法和技术路线如下：问题的提出背景调研研究目标的确定总体方案的构建关键参数的确定和关键部位的设计理论分析穴播机性能分析第二章 穴播机成穴器的理论分析覆膜穴播作业是一项针对干旱地区节水、保墒、提高作物产量的很有前途
