聯合整地作業機具的研究現狀

鄭　侃，何　進，王慶杰，李問盈，章志強

(中國農業大學 工學院/現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室，北京　100083)

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聯合整地作業機具的研究現狀

鄭侃，何進，王慶杰，李問盈，章志強

(中國農業大學 工學院/現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室，北京100083)

摘要：聯合整地作業機具有保護土壤、效率高、成本低、空氣污染少等優點，對于促進保護性耕作及發展可持續農業具有重要的意義。為此，總結了國內外典型的聯合整地作業機的研究現狀，詳細介紹了旋耕聯合整地作業機與圓盤耙聯合整地機的主要結構特點，并對同類機器進行了對比分析，指出了現有的聯合整地作業機存在的缺陷和研究不足等問題，為聯合整地作業機的研究提供參考依據。

關鍵詞：農業工程；聯合整地機；現狀

0引言

土壤是農作物生長的最基礎條件，機械耕整地作業是指使用各種農業機械對土壤進行翻耕、疏松、細碎、平整和壓實等處理，以改善土壤的物理性質和自然條件，為下一步播種施肥和種子生長提供良好的土壤環境條件，從而達到提高農作物產量的目的[1-6]。傳統的機械耕整農田，拖拉機需要掛接犁、深松鏟、旋耕機、耙、鎮壓器及起壟機等不同機具多次作業才能加工出合格的苗床。拖拉機和機具進地次數多，對土壤壓實程度團粒結構破壞嚴重，長期以往會導致土壤肥沃性退化和沙化，農作物產量和質量逐年降低，且作業效率低、周期長，不利于搶農時[7-8]。

隨著大馬力動力機械的研制、傳統單一整地機械的逐漸淘汰，聯合整地作業機成為整地機械發展的重要方向，機具能在土壤適宜的條件下只需一次下地作業即可達到種子播前整地的要求。美國、加拿大、前蘇聯及日本等國的農業機械發展起步早，從20世紀60年代開始研制推廣聯合整地機械，現已擁有性能結構較成熟的大型聯合整地機械。我國從20世紀70年代中期，從國外引進并自主研發聯合整地機械，相比國外先進的聯合整地機具有一定的差距，仍需要長期開發研制符合我國國情的先進聯合整地機[9-10]。因此，了解和掌握聯合整地機具作業技術的主要特點、國內外發展現狀，以及探討其存在的主要問題，對我國聯合整地作業機的研究和推廣具有重要的意義。

1聯合整地作業機主要技術特點

聯合整地作業機能使土壤形成一個由細碎土壤構成且表層覆蓋有粗土的理想苗床，奠定了種子生長的基礎。一般的聯合整地機都有深松部件，可打破板結層加深耕作層，促進作物根系生長，增加植物的抗倒伏和產量[11]。與目前農業生產中大量使用的傳統整地方法比較，聯合整地機具有以下主要技術特點[12-14]：①保護土壤。減少農機具進地作業次數，從而降低拖拉機對土壤的破壞，保護土壤中的團粒結構，降低土壤板結。②作業效率提高。有利于搶農時，使整地時間相對縮短了7～10天，相對增加作物生長周期以及年有效積溫。③節省油料降低作業成本。與傳統的翻、耙、壓單項依次作業工序相比可節省油料15kg/hm2左右，降低油耗21.7%～40%。④減少環境污染。聯合整地機作業次數減少，即減少了拖拉機廢氣排放量。

2旋耕聯合整地作業機研究現狀

目前，各國所使用的聯合整地作業機種類繁多，按照主要工作的部件可以分為兩大類：旋耕聯合整地作業機；圓盤耙聯合整地機[15-16]。所謂旋耕聯合整地作業機是指在旋耕機上附加上滅茬、深松、粉碎、起壟或者鎮壓器等部件，通過旋耕機與1個及以上不同工作部件的組合搭配，可以組合成不同種類的旋耕聯合整地作業機，這類機器機身較短，一般與拖拉機懸掛連接，主要適用于北方干旱、半干旱地區壟作或平作聯合整地作業。按照主要工作部件的作業順序可以將旋耕聯合整地作業機分為：深松旋耕聯合整地作業機、滅茬旋耕起壟聯合作業機、滅茬深松旋耕起壟聯合作業機及秸稈粉碎還田旋耕機。

2.1深松旋耕聯合整地作業機

深松旋耕聯合整地作業機采用深松、旋耕兩項核心技術，主要的工作部件有深松鏟、旋耕刀輥和平整鎮壓裝置。機器的特點是深松鏟安裝在旋耕刀輥前方的機架上，旋耕刀輥后方設有平土拖板或者鎮壓輥，旋耕刀輥轉速一般為200～400r/min。工作時，機具前方的深松鏟對中下層土壤疏松，以打破堅硬的犁底層，增加土壤的透氣性和透水性，拖拉機驅動旋耕刀將深松后凹凸不平的地表松碎平整，機具后方的平土拖板或者鎮壓輥對細碎的土壤壓實，為種子生長創造良好的土壤環境。

現有這類機器主要代表有約翰·迪爾公司研制的1SL系列深松整地聯合作業機[17]，如圖1所示。該機主要組成部件：懸掛架、傳動箱、深松鏟總成、臥式旋耕裝置、IT245旋耕彎刀、平土拖板和限深輪。其中，1SL-200B型深松旋耕機幅寬為2m，深松鏟機架前面3個、后面2個對稱分布，旋耕刀對稱安裝在刀輥上，需要動力74.6～89.5kW；而1SL-230A型與1SL-200B型參數不同的在于深松鏟有6個，旋耕刀有62把，需要動力為78.3～100.7kW。庫恩公司生產的DC301型聯合整地機[18]，如圖2所示。

圖1　約翰·迪爾1SL系列深松整地聯合作業機

圖2　庫恩DC301聯合整地機

該機需要89.5～111.9kW的動力，幅寬為3m，由4個深松鏟對稱分布安裝在三角形懸掛架上，在深松鏟的后方是由10個旋轉刀軸20把旋耕刀組成的HR303型立式旋耕機。立式旋耕機的動力由中間齒輪向兩側齒輪傳動，鎮壓器為帶齒鎮壓輥。山東大華機械有限公司生產的1SZL-230深松整地聯合作業機[19]，如圖3所示。該機對稱分布的4個深松鏟均采用弧面倒梯型設計，作業時不亂土層，作業阻力減小，能夠實現全方位深松；松土作業后地表平整，形成貫通作業行的鼠道，機器作業面較廣，尤其適用于秸稈覆蓋量較大的地塊。

圖3　1SZL-230深松整地聯合作業機

2.2滅茬旋耕起壟聯合作業機

滅茬旋耕起壟聯合作業機在滅茬旋耕機的后部增設起壟裝置，可以一次完成滅茬、旋耕、起壟及鎮壓等多項作業。該機通常是在機器前面設置滅茬刀輥，后面設置旋耕刀輥，起壟鎮壓部件放在機器的最后部。其滅茬刀輥轉速在300r/min左右，轉向一般與旋耕刀輥轉向相同且為正轉，并在土壤里進行有支撐切割；旋耕刀的排列常用多頭螺旋排列，有效地避免了旋耕后地表不平的現象。機器的工作原理：拖拉機驅動滅茬刀輥旋耕刀輥旋轉，滅茬刀將作物的根茬打碎；旋耕刀進行碎土平整并混合作物有機質，最后對作業過的土壤起壟、鎮壓完成田間整地，特別適用玉米、棉花等粗大根茬作物。若田間整地無需起壟，可以將起壟裝置拆除用做滅茬旋耕機使用。

現有的機型有鐵嶺壟上行機械有限公司研制的1GZM-180型聯合整地機[20]，如圖4所示。其主要由滅茬裝置、旋耕裝置、起壟裝置及鎮壓輥組成。機器的結構特點是動力由拖拉機主軸傳輸給傳動箱，傳動箱中的錐形齒輪通過左右兩側的傳輸軸及齒輪組將動力分別傳輸給旋耕裝置和滅茬裝置，機器后方配有鎮壓輥。機器采用齒輪傳動，增加了機器的可靠性和穩定性，同時增加了機器的成本。張欣悅、李連豪等人研究設計的1GSZ-350型滅茬旋耕聯合整地機[21]，機器的動力輸入先經過一個主變速箱后經過由旋耕變速箱和滅茬變速箱組成的兩個副變速箱，經過副變速箱變速驅動滅茬刀輥和旋耕刀輥轉動，傳動更為可靠；但機器較為復雜，后部的深松起壟鏟，既能起到深松作用打破犁底層，又能同時起壟，實現了一機多用。

圖4　1GZM-180型聯合整地機

2.3滅茬深松旋耕起壟聯合作業機

滅茬深松旋耕起壟聯合作業機在滅茬旋耕起壟聯合作業機的基礎上增設深松鏟，以減少土壤的耕作次數，深松鏟安裝在旋耕刀輥的前方或后方，并在相鄰兩個起壟鏵中線的前方。

比較典型的機器有黑龍江省農業機械運用研究所研制的SGTN-490型滅茬旋耕聯合整地機[22]，如圖5所示。

圖5　SGTN-490型滅茬旋耕聯合整地機

其主要工作部件包括采用正轉的滅茬、旋耕部件、深松部件、翼鏟式起壟鏵及壟體鎮壓輥。機器滅茬傳動裝置采用內置設計，可以有效避免兩側設計出現的破壞壟溝現象。哈爾濱市農業機械化研究所與黑龍江八一農墾大學聯合研制的1ZQHF-350/5型前后分置懸掛式聯合整地機[23]，其主要的特點是滅茬裝置與深松裝置懸掛在拖拉機前方，并通過滅茬傳動機構將動力傳輸給滅茬裝置中，松土鏟、旋耕裝置、起壟鏵及鎮壓裝置依次掛接在拖拉機后部，這樣設計可以減少機器后懸掛對拖拉機穩定性的影響，減少了作物殘茬對拖拉機輪胎的損傷，降低了整機的質量；但由于滅茬裝置前置，作業時易揚起灰塵影響駕駛員視野，影響作業質量。車剛、張偉等人設計的1ZLZQ-4.2型聯合作業機[24]，主要由自驅動弧形齒盤式破茬器、深松鏟、旋耕部件、起壟器、壟體整形板組成。該機設計以節省能耗為目的，將直徑為1 400mm的盤式破茬裝置的滑動阻力變為滾動阻力，并作為驅動軸將其產生的扭矩用以驅動旋耕刀軸的轉動，從而實現機器的滅茬旋耕功能。

2.4秸稈粉碎還田旋耕機

秸稈粉碎還田旋耕機采用秸稈粉碎、旋耕兩項技術，一般用于小麥、水稻等作物秸稈的粉碎還田旋耕，機器一般屬于無支撐切割，粉碎刀的轉速在1 200r/min以上，且為反轉。工作原理：粉碎裝置先將秸稈粉碎成長度在100mm以下，旋耕裝置將粉碎得秸稈與土壤均勻混合還田。

徐州市農機技術推廣站研制的1JHG-180型秸稈粉碎還田旋耕機[25-26]，如圖6所示。其主要結構包括懸掛架、中間傳動箱、側邊齒輪箱、粉碎裝置、旋耕裝置及扶平板。該機的工作原理：拖拉機動力傳輸給中間傳動箱，中間傳動箱一路經降速帶動旋耕刀軸正轉；另一路通過左側的萬向節將動力傳給側邊齒輪箱，經加速后帶動粉碎刀輥高速反向旋轉，高速旋轉的粉碎刀將秸稈粉碎，旋耕刀旋轉切碎土壤與粉碎的秸稈混合。

圖6　1JHG-180型秸稈粉碎還田旋耕機

表1為旋耕聯合整地作業機性能對比。由表1可知：深松旋耕聯合整地作業及滅茬深松旋耕起壟聯合整地作業機都安裝有深松部件，因此適用于常年使用翻耕的田地，有利于增加耕作層；但機器需要的動力在74.6kW以上，作業成本較高，作業幅寬2～5m之間，作業效率較高。滅茬旋耕起壟聯合整地作業以及秸稈粉碎還田旋耕聯合整地作業，機器所需動力較小為74.6kW左右，適應我國北方拖拉機動力配備情況。滅茬深松旋耕起壟聯合整地作業機與滅茬旋耕起壟聯合整地作業由于有滅茬裝置更適應秸稈粗大作物，如玉米、棉花等；另外，兩種較常用小麥及水稻作物。

3圓盤耙聯合整地機研究現狀

圓盤耙聯合整地機指的是采用圓盤耙組、深松鏟、淺松鏟、合墑器及鎮壓碎土輥等部件，一次田間作業便可完成松土、碎土、平整和鎮壓等工序，相當于常規耙地整地機具3～4遍的作業效果。由于機器的長、寬度較大，多采用牽引式或半懸掛式與拖拉機連接。根據安裝結構可以分為：耙—松聯合整地機、松-耙聯合整地機與耙—松—耙聯合整地機3大類。

表1　旋耕聯合整地作業機性能對比

3.1耙—松聯合整地機

耙—松聯合整地機主要結構包括單排或者X形雙排的圓盤耙組在機器前方，圓盤耙組采用對置安裝，耙組偏角為11°～20°，松土鏟在中間，合墑裝置與碎土輥在機器后方。主要工作原理：首先，圓盤耙組滅茬碎土并使秸稈與土壤均勻混合；隨后，松土鏟鏟斷雜草根莖，并打破犁底層加深耕作層，合墑裝置整平前兩道工序形成的凹凸地表，防止松后跑墑；最后，碎土輥進一步壓碎土塊，并壓實土壤，有利于保墑。如約翰·迪爾公司生產的2730系列聯合整地機有7、9把深松鏟剛性機架，9、11、13把深松鏟折疊機架5種型號[27]，如圖7所示。其主要工作部件有X形圓盤耙組、深松鏟、圓盤式合墑器及碎土輥，圓盤耙可以通過液壓控制圓盤耙組的耙深。針對土壤粘性較大的地塊，圓盤耙安裝為個體，相鄰之間距離為460mm，以防止堵塞；對于較干燥的土壤，圓盤耙安裝為兩個圓盤耙組成的組合圓盤耙，相鄰圓盤耙之間距離為280mm，更能充分均勻地混合土壤。圓盤式合墑器有全緣、缺口兩種，碎土輥安裝在合墑器后方。黑龍江省農業機械工程科學研究院與黑龍江融拓北方機械制造有限公司設計研制的IDF-7760型復式少耕聯合整地機[28-30]，如圖8所示。其主要工作部件有耙組部件總成、淺松部件總成、深松部件、合墑部件及碎土部件。其特點是碎土輥采用獨立的籠式鎮壓結構，掛接機器后方，可與機器分開單獨使用。

3.2耙—松—耙聯合整地機

耙—松—耙聯合整地機主要特點是松土鏟位于前后兩排圓盤耙組之間，相比耙-松聯合整地機，有效避免了松土鏟松土后地面出現的凹凸不平現象，可以省去合墑部件，減輕機器質量和長度。如貝松公司研制的液壓折疊聯合整地機[31]，主要型號有DXRV II、DXRV HD及DXRVL HD。該機的特點是圓盤耙組與松土鏟采用交錯對置排列，可以解決對稱對置圓盤耙作業后中間形成的土埂；全緣圓盤耙與缺口圓盤耙交替安裝，更能有效地滅茬碎土和混合土壤。凱斯紐荷蘭公司生產的CONSER-TILL690 整地機[32]，如圖10所示。該機的型號有5鏟及7鏟。其中，7鏟分為液壓折疊和不折疊兩種，前排圓盤耙組偏角為18°，后排圓盤耙組偏角為16°；前排的偏角大推土、翻土和碎土能力強，后排偏角較小耙深變淺，不易堵塞利用整平。整機省去合墑部件及碎土輥，因此質量較小，便于運輸，但作業質量偏低。

圖7　約翰·迪爾2730系列聯合整地機

圖8　IDF-7760型復式少耕聯合整地機

圖9　貝松液壓折疊聯合整地機

圖10　凱斯CONSER-TILL690整地機

3.3松—耙聯合整地機

此類聯合整地機深松鏟在機器的最前方， 圓盤耙組在機器后方，圓盤耙既能滅茬粉碎，又可碎土鎮壓，圓盤耙組一般采用雙排偏置安裝。機器工作時，深松鏟對土壤間隔深松，打破犁地層，之后圓盤耙對深松過的地表滅茬碎土平整。機器可根據作業性質和土壤條件，選用鎮壓碎土輥。整機的幅寬及長度較小、質量輕，一般與拖拉機懸掛連接。如圖11所示，貝松公司生產的COMBIMIX聯合整地機[33]，5把深松鏟對稱安裝在機器前部對土壤進行松碎，兩排圓盤耙對深松后的溝塹整平，并有碎土滅茬混合作用；根據作業要求選擇是否使用鎮壓，鎮壓碎土輥通過機器中間的液壓裝置調節深度。鎮壓碎土輥有3種： V形、籠型、網環形。黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的1DSL-3600型松耙聯合整地機[34]，如圖12所示。機器前方共有兩排彈性深松鏟，彈性深松鏟有加大動土范圍提高深松效果；為了防止機器通過性能差，出現堵塞現象，可以通過機器中間的兩個深度調節結構調節圓盤耙耕深。

圖11　貝松COMBIMIX聯合整地機

圖12　1DSL-3600型深松碎土聯合整地機

表2為圓盤耙聯合整地機性能對比。表2中，耙—松聯合整地機與耙—松—耙聯合整地機圓盤耙是第1道工序，適用于秸稈粗大的作物及秸稈覆蓋量較大的地塊；但機器結構龐大，需要動力較大；松-耙聯合整地機適用于小麥、水稻等作物，以及秸稈量較少的地塊，機器長度短、質量輕，一般與拖拉機懸掛易于運輸。

表2　圓盤耙聯合整地機性能對比

4結束語

1)現有的聯合整地機主要適用地勢較平的田地，對于坡度較大的地塊，機器的適應性較差，作業質量下降。國內外對聯合整地機對震動和噪聲的研究較少，震動和噪聲會降低機器的壽命和作業效率。因此，應進一步加強機器各個工作部件對田間地形的仿形功能，以及機器震動和噪聲的研究。

2)國外的聯合整地機研究起步較早，聯合整地機的相關配套技術裝備較為成熟；又因和國內的機具設計參數標準不統一，導致國外引入的聯合整地機對我國田間的基本情況的適應性不強。另外，由于受技術的限制，國外先進機構不能采用，如耕深和水平自控調節、快速換刀結構和快速掛接裝置等[10]。在綜合考慮我國田間農藝要求、土壤特性及氣候等因素的基礎上，應吸收外國成功的經驗研制針對我國農業生產基本國情的聯合整地機。

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The Current Research Status of Combined Tillage Machine

Zheng Kan， He Jin， Wang Qingjie， Li Wenying， Zhang Zhiqiang

(College of Engineering/Beijing Key Laboratory of Design and Optimization in Modern Agricultural Equipment,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：The combined tillage machine has the advantage in protecting soil，increasing working efficiency，decreasing costs，reducing air pollution，etc，which has a significant influence on the development of conservation and sustainable agriculture. In this paper current research status of some typical domestic and foreign combined tillage machines were concluded. Analyses were made to some machines to study the defects.Our efforts were made with the purpose of providing some references for further researches on combined tillage machine.

Key words：agricultural engineering; combined tillage machine; current situation

文章編號：1003-188X(2016)01-0257-07

中圖分類號：S233.1

文獻標識碼：A

作者簡介：鄭侃(1987-)，男，河南上蔡人，博士研究生，(E-mail)zhengkan0219@163.com。通訊作者：何進(1979-)，男，湖南婁底人，副教授，博士，博士生導師，(E-mail)hejin@cau.edu.cn。

基金項目：教育部創新團隊發展計劃資助項目(IRT13039)

收稿日期：2014-12-15