條帶深松清壟秸稈混埋聯合作業機的設計與試驗

林 靜,齊 林,薄鴻明，馬 鐵，王佳琦，張桐嘉，何倍倍，孟凡成

(沈陽農業大學 工程學院,沈陽 110866)

0 引言

東北平原中南部屬于高寒易旱區，氣溫低、無霜期短，冬春季寒冷風大，水土流失和春旱嚴重，不利于播種后種子的發芽。在農業生產上，該地區大型動力及機具的應用急劇下降，機械化深翻、深松作業面積越來越少，目前主要以小型動力作業為主，小四輪拖拉機滅茬起壟后壟上播種及小型動力淺旋耕后平播等方式在生產上占據了主導地位。長年采用小型動力作業，耕作層淺，且由于機械壓實，使土壤表層容重增加，從而造成了土壤板結，使耕地退化，生態環境惡化，土壤失墑嚴重，加速了水土流失及土壤肥力下降的進程。王立春等經過對東北春玉米耕作條件和方式研究，提出了苗帶緊、行間松、松緊兼備的合理耕層構建技術[1]。戰秀梅等提出秸稈還田和深松耕作相結合的作業模式可以改良土壤結構，且環保增產[2]。

針對條帶秸稈還田和合理耕層構建的聯合作業問題，國外的秸稈還田機械主要為大型收割機后方安裝的粉碎裝置，翻埋主要靠鏵式犁。帶狀耕作機械以美國為代表的主要有帶耕深松機和帶耕播種機，將傳統耕作和保護性耕作相結合，但沒有將秸稈混埋還田。

俄國學者研究的旋轉鍬式翻青機，雖然能進行帶狀還田但不能將秸稈與土壤充分混合。目前，我國推廣使用的秸稈切碎還田機械類型很多，但其基本結構和工作原理大體相同：基本是依靠秸稈粉碎錘爪和滅茬旋耕刀對秸稈粉碎還田于地表。對于玉米秸稈還田毛罕平等[3]研究的秸稈粉碎掩埋復式作業機，需要開溝的犁為其開道。陳翠化等[4]進行了帶狀滅茬組合機滅茬部分最佳參數的試驗研究，對帶狀滅茬機工作參數進行了優化組合。張燕梁等[6]對1ZMS-350深松型滅茬聯合整地機的研制，解決了傳統聯合整地機不能完成超深松的問題。鄭洪兵等[7]提出“苗帶緊行間松”合理耕層的概念及建立合理耕層構造的重要意義，以期為東北黑土保育、持續高效耕作及確保國家糧食安全提供一定理論參考依據。齊華等[8]提出了通過壟間隔行深松可以構建良好的耕層結構，有利于根系的固定和下扎，使根系更好地吸收水分和養分，倒伏率降低、產量增加的同時，較行行深松減少了機械動力消耗。

筆者結合公益性行業(農業)科研專項經費項目“旱地合理耕層構建技術指標研究”，根據東北棕壤土區耕層障礙性問題配套一種秸稈混埋還田機，可一次完成深松、清壟、混埋及鎮壓等多項聯合作業。通過耕法、秸稈還田措施創造虛實兼備的耕層結構，增加了耕作層厚度和有機質，增加了土壤顆粒孔隙度和透氣性等，有助于改善土壤耕層結構，提高農作物的產量和經濟效益。

1 整機的總體結構與工作機理

1.1 整機的總體結構與技術參數

由于生產上應用的秸稈還田機大部分都是全幅耕作，直接將粉碎的秸稈撒在地表，影響播種機作業。適于東北平原中南部棕壤土條帶秸稈混埋還田機是在壟溝進行深松后，將壟臺上秸稈收集入壟溝內混埋還田，而不動壟臺上的土，保證壟臺的水分不流失，使行間土壤虛實兼備。整機可以連續完成深松、秸稈收集、秸稈和土壤混埋還田等作業。其主要由清壟裝置，防堵深松裝置、混埋裝置和鎮壓器等組成。機具結構如圖1所示[9-10]。防堵深松裝置安置3組，主要由防堵圓盤和輕型深松鏟組成，安裝在機架橫梁的最前端分別位于各個混埋帶正前方。4個清壟裝置分別安裝在深松鏟的側后方，避免收集到溝內的秸稈被深松鏟工作時帶出。混埋刀軸位于機具中間，主要功能是混埋秸稈與土壤。3組鎮壓裝置分別裝在混埋帶的正后方，壓實耕作后的土壤，防止土壤風蝕。整個機具除混埋裝置外其余都由U型螺栓固定，方便調節。該機具切土節距、耕深、溝底不平度等作業參數需要達到東北棕壤土地區的農藝要求，據此確定為混埋深15cm，切土節距≤10cm(碎秸稈長度)，溝底不平凸起高度≤5cm，碎土率≥80%，無漏耕現象。整機與輸出功率為50kW的拖拉機懸掛連接，實際作業速度為46km/h。對于壟作玉米耕地，秸稈混埋的幅寬橫跨兩壟的3個壟溝內作業(壟距約550600mm)，分有3個混埋區間。每個混埋區間的寬度為320mm，在混埋區間內對稱放置2個刀盤，刀盤的中心距為140mm，刀盤厚度為10mm。其主要結構與性能參數如表1所示。

1.側傳動箱 2.側傳動軸 3.萬向節聯軸器 4.三點懸掛裝置 5.減速箱 6.罩殼 7.機架 8.鎮壓輥 9.刀軸固定板 10.限深輪 11.混埋刀軸 12.深松鏟 13.清壟器 14.波紋盤圖1 條帶深松清壟秸稈混埋聯合作業機的結構表1 條帶深松清壟秸稈混埋聯合作業機技術參數

1.2 工作機理

機具采用3點懸掛與拖拉機連接，深度由限深輪控制。拖拉機的動力輸出由萬向節聯軸器控制輸入主變速箱，再由聯軸器傳給側傳動箱。機具前方裝有限深輪控制和調節，清壟和混埋裝置采用間隔式布置。深松裝置的深松鏟和混埋裝置的刀盤組置于壟溝內，清壟裝置置于壟側位置。深松鏟前的防堵圓盤刀先入土將鏟前的秸稈割斷，防止深松過程中掛上秸稈和雜草而堵塞。混埋裝置采用通軸傳動且其只對壟溝進行作業，在不破壞原有壟臺情況下將碎秸稈與溝內土壤混埋。每個混埋區間上的混埋刀采用左右對稱布置。機具最后裝有鎮壓裝置對作業混埋區間鎮壓保墑。通過機具一次作業完成清壟、深松、秸稈與土壤混埋、旋耕碎土和鎮壓等功能，增強土壤有機質的作用，實現一機聯合作業，有效提高大、中型拖拉機的利用率，解決了耕層障礙等問題，為作物生長創造良好土壤環境。

2 關鍵部件的設計

2.1 清壟裝置的設計

玉米聯合收獲機工作后留下平均為10cm大小不等長度的碎秸稈層和3050cm高的根茬在田間，需要清壟裝置將田間秸稈收攏。由限位螺絲、彈簧、限深桿、固定板、清壟盤及固定連桿等幾部分組成，如圖2所示。清壟器必須在少動土的條件下，將壟頂的秸稈和土壤表層下的雜草種子清理到混埋區間內進行還田。為了起到理想的設計清壟作用，清壟裝置選用螺線型齒形的清壟爪，該清壟爪的齒形仿照阿基米德螺線設計，當刀刃轉過相同的角度時，其徑向切入土壤中的深度是相同的，使刀刃切土負荷的變化比較均勻，而其滑切角較大不易纏草。

1.彈簧支撐桿 2.增壓彈簧 3.固定板 4.清壟盤 5.清壟連桿圖2 清壟裝置結構圖

為了將碎秸稈推出壟臺外，需合理配置左右對稱的清壟盤。對清壟盤偏角和安裝位置進行優化設計，以機具前進方向為正方向，清壟器中心為圓心，建立空間坐標系，如圖3所示。設清壟刀盤的半徑為RQ，α為清壟盤平面與前進方向的夾角，LQ為清壟盤的清理長度，bQ為清壟盤在YOZ平面的投影，即清壟寬度。壟作條件下各地區壟頂的寬度有所不同，一般在160mm左右，單盤的清壟寬度至少要大于壟頂的1/2才能順利將秸稈清入壟溝內。確定壟距為600mm，壟頂寬為200mm，由于壟中間有立著秸稈根茬，防止其影響清壟盤轉動，左右兩盤距離壟中心的距離各為15mm。該清壟盤的設計半徑為RQ=165mm，且該清壟器與前進方向的夾角α的最佳值為30°。得出其單側清壟寬度為

(1)

式中hQ—刀齒的入土深度；

RQ—清壟刀盤的半徑；

α—清壟盤平面與前進方向的夾角；

bQ—清壟寬度；

LQ—清壟盤的清壟長度。

由式(1)得出：當清壟齒進入土壤深度20mm時，不僅可以清理秸稈，也可清理雜草。而左右清壟盤之間的最小距離需大于玉米高留茬的平均直徑30mm，防止其影響清壟盤的轉動，使清壟效果變差。清壟盤入土深度hQ為20mm，壟盤半徑165mm，兩壟盤安裝最近距離為30mm。其左右清壟最大寬度為204mm，大于壟頂的寬度，滿足機具工作中的清壟收攏秸稈要求。

圖3 清壟器工作參數幾何關系

由圖3可知：當增大入土深度時必定要增加它的動土面積，計算其擾動土壤面積是否符合設計要求。清壟盤在YOZ平面的投影面積為對于土壤擾動面積由式(2)、式(3)求得，即

(2)

其中，RQ

(3)

對式(3)求解得

與標準壟的在YOZ的截面面積的比值小于5%，符合動土量少的設計要求。

2.2 防堵深松裝置的設計

2.2.1 深松鏟的設計

由于機具作業時地面秸稈較多、土壤堅硬和雜草等情況，在深松鏟前方加裝圓盤刀防止纏草和減少深松鏟的入土阻力，故在其前方增加防堵裝置而構成防堵深松裝置，如圖4所示。其主要由波紋圓盤刀、鑿型深松鏟及固定裝置等組成。波紋圓盤刀通過刀架連接在深松鏟工作前端。深松鏟是對被混埋壟溝進行深松。根據標準JB/T 9788-1999規定不同形式的深松鏟頭的類型和參數，箭形鏟和雙翼鏟的鏟尖結構較為復雜，切土工作阻力大。通過比較采用矩形截面的鑿型深松鏟，該鏟不僅工作阻力小且動土量較低。鏟尖的耕寬稍大于刀盤的工作寬度，以免形成漏耕，有效避免了將收攏好的秸稈重新推到壟臺。深松鏟鏟尖寬40mm、工作深度為250mm,在壟溝作業，前方圓盤刀入土深度80mm，也可根據秸稈的堵塞情況進行上下調整。

1.固定裝置 2.波紋圓盤刀 3.圓盤刀架 4.深松鏟柄 5.鑿型深松鏟圖4 防堵深松裝置結構

2.2.2 防堵圓盤刀的設計

切碎秸稈能力和工作阻力大小關系為波紋盤>光面圓盤>缺口盤。圓盤刀直徑越大，切割的力矩就越大。通用圓盤刀直徑為400450mm，經優化波紋圓盤刀的直徑設計為400mm。圓盤刀的入土深度對其切割秸稈和深松鏟減阻有一定影響。所以在保證防堵的條件下，確定圓盤刀的入土深度。圓盤刀與橫置在其前進方向秸稈的受力關系如圖5所示。垂直于前進方向的秸稈對圓盤刀前進形成的阻力最大。圓盤刀與橫置在其前進方向秸稈的受力關系如圖5(a)所示。其中，F1、N1為玉米秸稈在土壤表層所受的摩擦力和支持力；F2、N2為玉米秸稈受到防堵刀盤的摩擦力和正壓力。

(a) 秸稈受力分析

(b) 刀盤、秸稈與土壤摩擦角關系圖5 秸稈受力與摩擦角分析

由圖5(b)所示：圓盤刀在機具的驅動下以轉速為ω1向前滾動，秸稈在地面上受到正壓力通過莖稈中心的垂直方向，其摩擦角為ψ1；秸稈對圓盤刀的正壓力通過圓心O點，其摩擦角為ψ2。當圓盤刀對秸稈的作用力F(沿ψ2的方向)作用于ψ1之外時，ψ3﹥ψ2+ψ1時秸稈產生滑動；當夾角ψ3≤ψ2+ψ1，秸稈在作用力F下不會產生水平滑移，圓盤刀可順利切割；若ψ3=α1，則α1≤ψ2+ψ1。遼寧省鐵嶺市張莊合作社一年一熟的玉米秸稈直徑平均為30mm，測得成熟玉米秸稈與鋼板的摩擦角度約為23°33°，計算摩擦角ψ2最小值為23°，秸稈與地面摩擦角ψ1為30°。為了減小深松阻力，圓盤刀入土深度應較大，所以取α1為50°。將秸稈假設為剛性體，切割時直徑不會由刀的擠壓發生變化，則圓盤刀入土深度h1為

(4)

式中ψ1—秸稈與地面的摩擦角；

ψ2—秸稈對圓盤刀的正壓力摩擦角；

D—圓盤刀的直徑；

d1—秸稈的直徑。

將數據帶入式(4)求得h1≥47mm，實際工作時要求圓盤刀最大入土深度達到80mm。

為了減小切割秸稈時圓盤刀對軸承口的沖擊，將圓盤刀架與豎直方向的夾角設計為50°。圓盤刀架需在作業過程保持穩定堅固的特性，利用SolidWorks中的Simulation功能對設計的圓盤刀架進行靜應力分析。分析時為該部分添加40#鋼，在最上方的兩螺絲孔用鉸接夾具同時固定；在下圓槽內添加935N法向載荷。加載中等網格化后進行運算，其結果如圖6所示。

圖6 圓盤刀架應力分布圖

由圖6中所顯示各部分應力均遠小于材料的屈服力7.0×106N/mm2，滿足設計強度要求。機具前進速度為5km/h、深松深度為25cm時，深松防堵裝置的工作阻力為935N。

2.3 混埋裝置的設計

混埋裝置結構(見圖7)，主要由通軸及在通軸上相同間隔設置的多個刀盤組，刀盤組由左、中、右3個刀盤構成。各刀盤為C型刀結構，左、右刀盤的刀片位于一側，相對交錯安裝；中刀盤的刀片分兩側間隔設置；3個刀盤刀片分別交錯安裝，形成螺旋線排列。混埋裝置的作用是將壟溝里的碎秸稈和土壤混埋，只在壟溝內安裝混埋混埋刀，作業深度為15cm以上，深度可隨限深輪進行調節。

混埋裝置采用臥軸式。由于機器作業時不能破壞原有壟臺，所以刀軸不能入土。為了混埋效果達到設計要求需采取正旋，但正旋后的地表不如反旋后平整。為了減少秸稈隨拋土一起向后拋飛時，造成秸稈不能混埋入土，需在混埋刀輥后方加裝柵欄，柵欄孔為正方形。拋飛的土塊從柵欄孔穿過，較長的秸稈沿柵欄下落被隨后在擋板上撞擊粉碎的土塊掩埋土壤。田間實測碎秸稈的長度平均為10cm，所以柵欄間的距離應不大于10cm。為了土塊順利通過，此時取10cm為本機柵欄間隙，同時在混埋后加裝鎮壓輥將土塊壓碎壓實，也能減少土壤風蝕。

1.混埋罩殼 2.C型混埋刀 3.柵欄 4.擋土托板圖7 混埋裝置結構

混埋區間的寬度根據農藝要求設計為壟溝工作，讓其對原有壟臺的破壞進行最小化。混埋區間的工作寬度為

(5)

式中L—溝底寬度；

h2—壟臺高度；

α2—土壤自然休止角；

S—混埋的作業寬度。

根據田間試驗測試得出，溝底寬度L為150mm，壟臺高度h2為150mm，土壤自然休止角為40°45°，壟距為550mm，壟頂寬為150mm。將數據代入式(5)中，求得單個混埋的幅寬為150mm≤S≤450mm，確定混埋寬度為320mm。

2.4 鎮壓器的設計

鎮壓器對土壤的壓實作用取決于它的質量和直徑等因素，其關系為

(6)

式中hz—鎮壓器的鎮壓深度；

Fz—鎮壓器對地壓力；

Ly—鎮壓器的工作幅寬；

Dz—鎮壓器的直徑。

鎮壓輪工作結構參數關系，如圖8所示。

圖8 鎮壓輪工作深度的確定

壓緊耕作層的通常選用質量和直徑大的鎮壓器。而直徑小的鎮壓器用于鎮壓表層土壤，直徑為160～500mm，單位壓力一般為0.05～0.2MPa。鎮壓器的最小直徑應滿足以下關系，即

(7)

式中Lz—鎮壓輪輪轍深度；

α2—鎮壓輪翻轉角(°)，保證鎮壓器工作正常，α2≤20°。

機具安裝了3個單體鎮壓裝置，混埋后的壟溝高度必須小于原壟頂高。混埋后的土壤較松散，在托板的作用下其高度一般與原壟臺保持一致，確定鎮壓輪直徑為400mm，鎮壓寬度為300mm，鎮壓深度為15mm。

3 田間試驗與分析

3.1 田間工況

2016年4月23日，在遼寧省鐵嶺市蔡牛鎮張莊合作社，在留有玉米根茬的壟作未耕地塊進行試驗。土壤條件為棕壤土，田間工況測定土壤平均含水率為15.50%，土壤堅實度平均為978kPa，秸稈平均長度為5cm，覆蓋量1.0kg/m2；行距平均為60cm，株距24cm，壟臺寬度平均為15cm，壟高平均為14cm。

3.2 動力配備

拖拉機對本機進行牽引和動力輸出。由牽引功耗的經驗公式，可知拖拉機的最大功率輸出為

(8)

式中Pmax—拖拉機最大輸出功率；

P1—動力輸出軸負載的功率消耗；

Fn—機具的牽引阻力；

Ms—拖拉機使用質量；

f—拖拉機的滾動阻力系數；

vm—拖拉機作業速度。

拖拉機動力輸出軸的功耗為

P1=0.1v·Kλ·H·B

(9)

式中H—耕深；

B—耕幅；

Kλ—旋耕比阻；

vm—機具的作業速度。

由式(9)計算可得,混埋機消耗功率P1=24.38kW；深松部件有3個，所以其阻力Fn=27.50kN。田間試驗動力選擇雷沃M700-A拖拉機，Ms=3 115kg，代入式(19)可得Pmax=40.66kW。

3.3 試驗方法

按照國家農業行業標準NYT500-2002規定了秸稈混埋質量的試驗方法和機械行業推薦標準JB/T8401.2-2007《旋耕聯合做業機 旋耕深松滅茬起壟機》對條帶秸稈混埋還田機的相關性能進行檢測，檢測內容主要包括混埋率、壟高、壟頂寬和碎土率等。在穩定工作區域內選擇具有代表性的測點進行測量，測點的選擇完全依照GB/T 5262-2008中4.2規定的五點法進行。

3.4 試驗方案與結果分析

制定試驗方案選用正交表L8(27)來安排試驗[38-39]。試驗因素為刀具類型、機器前進速度和工作深度；試驗指標為土壤與秸稈混埋率、碎土率。試驗因素水平編碼表如表2所示。

表2 正交試驗的因素與水平

1)秸稈混埋率的測定：機器作業后的地表秸稈混埋率Y1為

(10)

式中Y1—混埋率；

m1—取樣點作業前單位面積的秸稈質量；

m2—取樣點作業后的秸稈質量。

測試選取10個測點，每個測點隨機選擇。

2)碎土率的測定：沿著作業方向在已耕作過的地上測50cm×50cm樣區內的全耕層土塊，土塊由其最大邊長分為小于4cm、大于4cm小于8cm和大于8cm 3類土塊。測出各類土塊質量,并以小于4cm占總質量的百分比為碎土率Y2，則

(11)

式中Y2—碎土率；

M1—土塊總質量；

M2—大于4cm邊長的土塊質量。

機具田間試驗，如圖9所示。試驗方案及數據處理結果分析，如表3所示。

圖9 機具田間試驗表3 正交試驗結果

試驗號因素x1x 1x 3混埋率y1/%碎土率y2/%11119472211-1937431-11907241-1-l87755-11183866-11-181787-1-1185888-l-1-1727290009596

續表3

根據一次正交回歸設計實施方案與試驗結果，利用計算機Microsoft Excel求解得出混埋率與影響因素間的回歸方程為

(12)

碎土率與影響因素間的回歸方程為

(13)

根據回歸方程中每一個因素變量回歸系數的絕對值大小得出：秸稈覆蓋量對于混埋率和碎土率的影響最大，其次為工作深度，最后為機具的前進速度。根據12次試驗最佳作業效果的是零水平重復4次的第9次試驗條件為：秸稈覆蓋量為1.0kg/m2，混埋深度15cm，機具前進速度為5km/h。

對試驗指標混埋率進行回歸方程的顯著性檢驗，如表4所示。由表4可知：F1F0.25(6，5)=1.89，說明方程(22)在α=0.25水平上顯著。通過對試驗指標碎土率進行回歸方程的顯著性檢驗結果表面回歸方程(23)不顯著。

表4 方差分析結果

4 結論

1) 通過對條帶深松清壟秸稈混埋聯合作業機關鍵部件清壟裝置、防堵深松裝置、混埋裝置和鎮壓裝置等優化設計，確定了各關鍵部件的結構形式和參數。該機達到了一次作業完成破茬、深松、清壟、混埋和鎮壓等多功能聯合作業，減少了拖拉機進地作業次數。通過耕法、秸稈還田措施創造虛實兼備的耕層結構，增加了耕作層厚度和有機質，增加土壤顆粒孔隙度和透氣性等，建立了合理耕層結構。

2) 通過機具田間正交試驗分析，建立了試驗指標與因素間的數學模型。確定了影響混埋率和碎土率因素主次順序為：刀型工作深度機器前進速度。通過田間試驗驗證，確定了機具最佳作業條件：秸稈覆蓋量為1.0kg/m2時，機器前進速度5km/h，工作深度為15.43cm，混埋率為95.06%，碎土率為96.02%。