长江流域是我国水稻与小麦的集中产区,因此在此地区,形成了世界上并不多见的稻麦轮作种植模式,此地区作物超高产导致秸秆量过大,因而易采用秸秆集中入沟还田的处理方式。本课题组已研制的稻麦联合收割开沟埋草多功能一体机(以下简称一体机)能够完成联合收割、开沟和填草的复式作业,达到收获后秸秆集沟还田的目的,整个过程几乎无动土,不破坏土壤结构,为下茬作物提供原茬地免耕播种环境,针对此播种环境,设计播种系统与一体机相结合,以完成秸秆集沟还田后的原茬地播种机械化作业。本研究以一体机为平台,以匹配于一体机的播种系统为研究对象,以提高一体机播种系统播种质量为目标,使一体机匹配播种系统后达到减少机器作业次数、简化作业工序、增加作业经济效益、缩短收获期播种农时的目的。播种系统的研究包括对其关键机构的参数化设计、理论研究、作业仿真、性能试验,并通过两试验地多季连续田间试验考察设计播种系统的作业质量。主要研究内容如下:(1)一体机播种系统排种机构设计与试验针对一体机稻、麦原茬地免耕播种需要,对其播种系统排种机构进行设计与试验。基于一体机的工作原理与安装空间,选型外槽轮排种器作为排种机构排种器,其与种箱一同安装于割台上方上梁处。设计姜堰一体机排种机构动力来源于直流电机,链轮链条传动,其具有不占用机器动力与空间、故障率低的特点,通过排种机构播量试验可知,槽轮开度在2～9mm,排种器槽轮转速在10～60r/min,对应水稻播量范围为2.61～24.17kg/亩;槽轮开度在3～10mm,排种器槽轮转速在10～60r/min,对应小麦播量范围为3.35～28.67kg/亩,满足作物播种的播量范围,此外播量试验表明姜堰一体机排种机构总排量稳定性变异系数较大,在此结果基础上,设计黄海一体机排种机构动力来源于前进履带,连杆机构传动,保证排种起停与收获起停一致;排种器转速与机器前进速度保持一致,此外对倾斜输送槽上方排种器排种管弯曲状态进行优化,确定排种管理想弯曲状态。黄海一体机排种机构播量试验表明,槽轮开度在2～9mm,对应水稻播量范围为2.82～25.12kg/亩,槽轮开度在3～10mm,对应小麦播量范围为7.90～40.01kg/亩,此外试验结果表明总排量稳定性变异系数相比于姜堰一体机有所下降,达到标准要求值,田间试验结果同样表明黄海一体机实际播量与理论播量差值小于姜堰一体机,提升了播种质量,满足了实际播种需求。(2)一体机播种系统种沟开沟机构设计与试验针对播种系统原茬地开沟破茬需要,黄海一体机以滚动式开沟器为主线,姜堰一体机以移动式开沟器为主线,对播种系统种沟开沟机构进行设计与试验。通过理论分析,在安装空间受限的条件下,黄海一体机设计直径为160mm的弧形齿式圆盘开沟器、缺口式圆盘开沟器、圆盘开沟器,并对3种单圆盘式开沟器工作过程中对秸秆作用力进行分析,分析结果表明弧形齿式圆盘开沟器刃口曲线的设计,可以增大刃口对秸秆作用力垂直分力的最大值,使开沟器更容易切断秸秆残茬。此外为使用成品200mm直径双圆盘开沟器与黄海一体机相匹配,重新设计机架与安装方式,打破原有开沟器安装空间的制约,使用电动升降装置控制开沟器升降,达到方便控制开沟器入土深度的目的,通过蚁群算法优化可知开沟器聚点位置角为72.3°,升降装置上连接点至地面距离为661mm,可保证开沟器最大入土深度达60mm。通过对升降装置伸缩杆所受轴向力的RecurDyn动力学仿真可知,其入土过程所受轴向力最大值为2165.8N,小于其可承受最大轴向力4000N,满足开沟器的入土要求。使用离散元法对黄海一体机开沟器进行开沟破茬仿真试验,试验结果表明双圆盘开沟器沟深与沟宽分别为3.98cm、3.51cm,破茬率为38.3%,160mm直径带有缺口刃口的单圆盘式开沟器沟型尺寸均在3～4cm之间,160mm直径弧形齿式圆盘开沟器、缺口式圆盘开沟器、圆盘开沟器破茬率分别为31.5%、27.3%、20.6%。通过场地性能试验进一步考察开沟器开沟破茬性能,试验结果表明双圆盘开沟器所开沟深与沟宽分别为3.21cm、3.05cm,破茬率为37.8%,160mm直径单圆盘式开沟器沟型尺寸均在2～3cm之间,160mm直径弧形齿式圆盘开沟器、缺口式圆盘开沟器、圆盘开沟器破茬率分别为25.6%、20.3%、13.2%;双圆盘开沟器所开沟型尺寸、破茬率均大于任意一款单圆盘式开沟器。在双圆盘开沟机构匹配于一体机的情况下,通过正交试验进一步优化影响黄海一体机播种质量的因素值,优化结果表明,机器前进速度为0.46m/s;开沟器入土深度为3.25cm;开沟器固定孔横向距离为16.16mm时,播种质量达到最优。姜堰一体机设计滑刀式开沟器作为播种系统种沟开沟器,滑刀式开沟器入土角为36°,入土隙角为10°。通过性能试验考察滑刀式开沟器开沟破茬性能,试验结果表明,滑刀式开沟器沟型尺寸均在3～4cm之间,残茬移除率为32.9%。(3)一体机播种系统其它机构设计与试验为实现播种系统对种子的覆土功能,设计抛土装置位于集草沟开沟器上方,使开沟器抛出土壤与抛土装置相撞击后,覆盖在已播种区域。抛土装置设计由一对对称的导流板与延伸板构成,导流板宽度为199.5mm,内圆半径为450mm,外圆半径为800mm;延伸板长度范围为10.6～14.2cm,通过场地试验最终确定其最优长度12.0cm。为了实现播种系统的镇压功能,设计镇压轮安装于集草沟开沟器后方,其重量为60kg,半径为125mm,长度为1900mm。(4)一体机播种系统田间试验黄海一体机与姜堰一体机分别在两地进行多年连续田间试验考察设计播种系统的播种质量,夏播水稻、秋播小麦。黄海试验地2016年与2014年秋季小麦播种试验整个田块的播深合格率、播种均匀性变异系数、断条率、晾籽率分别为58.1%、28.7%、0.18%、1.46%;57.8%、32.7%、0.29%、1.60%,2016 年各指标均优于 2014 年,说明播种系统在种沟开沟器、抛土装置、镇压轮上的改进均对播种质量具有促进作用。2016年整个田块出苗率为79.17%,比对照组高出0.48%,最高产量可达到478.7kg/亩,高于当地生产田块。试验结果说明黄海一体机满足小麦原茬地播种需求。姜堰试验地2016年与2015年秋季小麦播种试验整个田块的播深合格率、播种均匀性变异系数、断条率、晾籽率分别为60.0%、36.9%、1.01%、1.61%;53.3%、35.4%、2.20%、1.71%,2016年播深合格率、断条率、晾籽率标均优于2015年,说明播种系统在种沟开沟器、排种器动力传动装置、抛土装置、镇压轮上的改进对播种质量具有一定促进作用。2016年整个田块出苗率为70.46%,仅比对照组低1.36%,最高产量为298.2kg/亩。试验结果说明姜堰一体机基本满足小麦原茬地播种需求。黄海试验地2017年、2016年与2015年夏季水稻干种播种试验整个田块的播深合格率、播种均匀性变异系数、断条率、晾籽率分别为75.5%、27.9%、0.58%、1.56%;73.3%、33.7%、0.56%、1.81%;51.1%、27.6%、0.71%、2.38%,2017 年与 2016 年播深合格率、断条率、晾籽率指标优于2015年,说明播种系统在种沟开沟器、抛土装置上的改进对播种质量具有一定促进作用。2017年整个田块播深合格率、晾籽率优于2016年,说明使用200mm直径成品双圆盘开沟器相比于160mm直径弧形齿式圆盘开沟器,使播深合格率与晾籽率有所提高。2016年整个田块出苗率为75.88%,最高产量为417.62kg/亩。试验结果说明黄海一体机基本满足水稻原茬地播种需求。姜堰试验地2017年夏季水稻干种播种、2016年夏季水稻干种播种、2016年夏季水稻湿种播种与2015年夏季水稻干种播种试验整个田块的播深合格率、播种均匀性变异系数、断条率、晾籽率分别为66.7%、26.1%、0.62%、1.21%;66.6%、33.6%、0.56%、1.63%;66.7%、24.7%、0.75%、1.54%;62.2%、35.5%、0.67%、1.72%,对于干种播种,2016年与2017年各指标均优于2015年,说明播种系统在种沟开沟器、排种器动力传动装置、抛土装置上的改进对播种质量具有一定促进作用。2016年干种播种整个田块出苗率为79.12%,湿种播种整个田块出苗率为70.9%,干种播种最高产量为435.49kg/亩,湿种播种最高产量为434.00kg/亩。以上试验结果说明姜堰一体机基本满足水稻原茬地播种需求。2016年秋季黄海农场试验结果表明,从收获到播种一体机作业每亩总费用为166.7元,低于当地田块的每亩210.9元,节约了作业成本。