驅動犁翻與反轉旋耕組合式油菜直播種床整理機設計與試驗

孫文成，廖慶喜,2，張青松,2，卜祥利，魏國粱，何坤

1.華中農業大學工學院，武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070

油菜是我國重要的油料作物，其種植面積及總產量均居世界首位，且兼有飼用、菜用、肥用、花用、蜜用等多功能開發利用價值[1-2]。在長江中下游冬油菜區，油菜種植以稻-油輪作為主[3]，該地區土壤板結、秸稈量大、濕潤多雨，冬油菜直播對種床碎土率、廂面平整度要求高，且需秸稈還田、排水防漬[4]。針對該地區油菜機械化直播的實際生產需求，相關學者已在耕整地和開畦溝方面開展了大量研究[5-9]，但考慮到現有耕作機械功能相對單一，難以通過一次進地作業加工出適宜直播油菜生長的合理耕層結構，迫切需要設計合理有效的種床整理工藝方案，并開展配套種床整理機具[10-12]的研制。

驅動犁翻可實現地表秸稈殘茬與病蟲害的翻埋處理，具有牽引阻力小、覆蓋能力強的優點，但由于其作業后土壤與秸稈細碎不充分、分布不均勻，難以滿足油菜播種所需細碎平整的種床廂面。反轉旋耕可實現土壤與殘茬的細碎混合，具有碎土能力強、平整效果好的優點[13-14]，但由于其作業耕深淺、刀輥易纏草，不適于直接應用在水稻留茬耕層。在稻-油輪作區油菜直播種床整理時，以聯合作業的方式實現驅動犁翻與反轉旋耕等耕作技術的優勢互補，并輔以相適應的開畦溝部件，能通過一次進地作業整備出適宜于油菜直播的合理耕層結構。

針對稻-油輪作區土壤板結、秸稈量大、濕潤多雨的作業工況，結合冬油菜直播對種床碎土率、廂面平整度要求高，且需秸稈還田、排水防漬的農藝要求，本研究提出一種以驅動犁翻與反轉旋耕為核心的種床整理工藝方案，并研制一種適用于稻-油輪作區油菜直播種床整理的組合式耕整機，通過集成犁翻、旋耕、開畦溝等傳統耕作技術，一次作業實現廂面平整、種床細碎、秸稈還田、開溝作畦等功能，形成適宜直播油菜生長的合理耕層結構，旨在減少油菜直播種床整理機械的進地作業次數、縮短耕種作業周期，進一步提高油菜直播機械的作業效率。

1 材料與方法

1.1 整理機結構組成及傳動方案

驅動犁翻與反轉旋耕組合式油菜直播種床整理機(以下簡稱“整理機”)主要由驅動圓盤犁組、反轉旋耕刀輥、開畦溝前犁、開畦溝后犁、平土托板等耕作部件組成，可實現廂面平整、種床細碎、秸稈還田、開溝作畦等作業功能，其結構組成如圖1所示。

1.懸掛 Suspension frame; 2.T型齒輪箱 T gear box; 3.機架 Frame; 4.開畦溝前犁 Front trench plow; 5.L型齒輪箱 L gear box; 6.驅動圓盤犁組 Drive disc plough group; 7.反轉旋耕刀輥 Reverse rotary tiller roller; 8.開畦溝后犁 Back trench plow; 9.平土托板 Flat soil pallet.圖1 油菜直播種床整理機結構組成Fig.1 Structural composition of preparation machine

該機核心耕作部件為驅動圓盤犁組與反轉旋耕刀輥，兩者均由動力驅動，拖拉機動力首先經T型齒輪箱分流至機具兩側，其左側動力依次通過萬向節Ⅲ、L型齒輪箱Ⅳ、套筒連接軸以及L型齒輪箱Ⅲ，輸送至驅動圓盤犁組；其右側動力依次通過萬向節Ⅰ、L型齒輪箱Ⅰ、萬向節Ⅱ以及L型齒輪箱Ⅱ，輸送至反轉旋耕刀輥；通過錐齒輪間的穩定嚙合與花鍵軸間的對中連接，可在滿足犁旋間的結構布局與轉速轉向要求的基礎上保證傳動的可靠性與穩定性，其傳動方案如圖2所示。

1.T型齒輪箱T gear box; 2.萬向節Ⅰ Universal joint Ⅰ; 3.L型齒輪箱Ⅰ L gear box Ⅰ; 4.萬向節Ⅱ Universal joint Ⅱ; 5.L型齒輪箱Ⅱ L gear box Ⅱ; 6.反轉旋耕刀輥 Reverse rotary tiller roller; 7.驅動圓盤犁組 Drive disc plough group; 8.L型齒輪箱Ⅲ L gear box Ⅲ; 9.套筒連接軸 Sleeve connecting shaft; 10.L型齒輪箱Ⅳ L gear box Ⅳ; 11.萬向節Ⅲ Universal joint Ⅲ.圖2 油菜直播種床整理機傳動方案Fig.2 Transmission scheme of preparation machine

1.2 整理機工藝方案及技術參數

整理機作業時，采用“犁組左翻埋茬、刀輥反轉碎土、犁鏵兩側開溝”的種床整理工藝方案(圖3)。左翻式驅動圓盤犁組直接作用于水稻留茬耕層，與對稱安裝于其前方兩側的開畦溝前犁同步作業，通過低速滑切、抬升撕扯、扭轉鋪放，完成上、下土層交換的同時可配合開畦溝前犁對廂面內的秸稈殘茬進行初步翻埋，形成由犁翻埋茬耕層與初步畦溝溝型組成的初步耕層結構，以利于后續旋耕作業的進行。反轉旋耕刀輥作用于犁翻埋茬耕層上部，與對稱安裝于其后方兩側的開畦溝后犁同步作業，通過高速旋切、沖擊破碎、滑移拋撒，進一步破碎混合土壤與殘茬的同時可對開畦溝后犁犁體曲面上黏附的土壤與秸稈進行主動清理，旋耕后的膨松土壤經平土托板托壓平整后形成油菜種床廂面，與畦溝溝型共同構成適宜直播油菜生長的合理耕層結構。

圖3 油菜直播種床整理機工藝方案Fig.3 Technology scheme for preparation machine

為實現驅動犁翻與反轉旋耕等耕作技術的優勢互補，設計反轉旋耕刀輥在結構布局與工作參數上與驅動圓盤犁組相匹配，其主要技術參數如表1所示。

表1 油菜直播種床整理機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of preparation machine

1.3 耕作部件空間布局設計原則

如圖4所示，在種床整理工藝方案所提出的耕層構建過程中，土壤與秸稈隨著機組前進而在作業空間內不斷被運移、破碎、混合，為保證整理機作業質量，結合各耕作部件的作業目的與工作機制，提出以下空間布局設計原則:①驅動圓盤犁組與開畦溝前犁在動土幅寬上應具有一定的距離差，且開畦溝前犁所作初步畦溝應可容納側邊齒輪箱通過，以避免土垡間因相向推擠而導致回垡和側邊齒輪箱觸土拖行而導致壅土。②反轉旋耕刀輥與開畦溝后犁在工作幅寬上應具有一定的重疊量，且旋耕刀在刀輥上的排列方式需結合驅動圓盤犁組與開畦溝前犁的動土幅寬范圍進行設計，以減少溝側土壤在后犁犁面上的黏結附著和種床土壤在橫向方向上的分布不均。③驅動圓盤犁組與反轉旋耕刀輥應具有一定的垂直耕深差和回轉速度比，且需結合犁翻作業后的耕層結構特點加以確定，以形成“上虛下實、虛實并存”的種床耕層并保證機具作業后的碎土質量與埋茬效果。

A:水平空間布局 Horizontal space layout;B:垂直空間布局 Vertical space layout.圖4 油菜直播種床整理機耕作部件空間布局Fig.4 Space layout between of tillage parts

1.4 驅動圓盤犁組結構參數確定

驅動圓盤犁組結構參數主要包括：圓盤半徑、曲率半徑、犁組工作偏角以及犁片安裝間距。其中，犁組工作偏角與犁片安裝間距作為犁組的主要排布參數，直接影響著犁組的耕作阻力、作業質量以及通過性能。如圖5所示，在犁組由地表前端刃口點B處滑切入土時，為適應不同土壤條件，其工作偏角在OXY坐標平面內宜相對于臨界工作偏角偏轉一定角度[15]；在溝底土壤隨犁片旋轉而撕裂抬升的過程中，犁體對溝底土壤的破壞形式在OYZ坐標平面內可簡化為由溝底刃口點F處沿一定角度方向的剪切滑移[16-17]。由圖5中幾何與坐標關系知：

圖5 驅動圓盤犁組結構參數Fig.5 Structural parameters of driving disc plough group

(1)

(2)

式(1)～(2)中，α為犁組工作偏角，(°)；θ為犁片臨界偏角，(°)；ε為最小偏角，(°)；Ry為圓盤半徑，mm；ρ為曲率半徑，mm；amax為驅動圓盤犁最大設計耕深，mm；Ly為犁組安裝間距，mm；Y為土埂頂點I沿Y軸正向的坐標，mm；Z為土埂頂點I沿Z軸正向的坐標，mm；為犁組耕后溝底殘留土埂高度，mm；β為土壤剪切滑移角，(°)。

參考稻-油輪作模式下的油菜直播耕深要求[16]，設計驅動圓盤犁耕深ay為150～180 mm，選用圓盤半徑Ry為280 mm，曲率半徑ρ為560 mm的標準犁片[17]。將之代入式(1)可得：犁片臨界工作偏角θ為28.3°。根據偏角與機具特性的試驗研究[18]，取最小偏角ε為負將有利于犁組側向力的平衡，進而提高作業質量，為便于加工，設計犁組工作偏角α為27°。同時，為保證垡塊有序鋪放，考慮到土壤的流動特性與根茬的支撐作用，犁片安裝間距沿機組前進方向的投影長度應滿足：

Ly·cosα≥by=2A′B′·sinα

(3)

式(3)中，by為單個犁片耕幅，mm。參考文獻[17]中實測數據，取土壤剪切滑移角β為8°，綜合考慮式(2)、(3)，取犁片安裝間距Ly為280 mm，此時殘留土埂高度c約為27.5 mm，滿足耕后溝底土埂高度不超過其耕深20%的農藝要求。根據本文“1.3耕作部件空間布局設計原則”確定的驅動圓盤犁組與開畦溝前犁間的空間布局設計原則有：

(4)

式(4)中，Wm為整理機工作幅寬，mm；Wy為驅動圓盤犁組動土幅寬，mm；Wf為開畦溝前犁動土幅寬，mm；wy為單個犁片動土幅寬，mm；Wf為犁片安裝數量，片。參考相關機型前期試驗效果，單個犁片動土幅寬wy約為550 mm，設計犁片安裝數量m為4，代入式(4)計算得：驅動圓盤犁組動土幅寬Wy為1 300 mm。在此基礎上，選用犁體曲面為半螺旋型的開畦溝前犁配合驅動圓盤犁組完成翻垡埋茬作業，其動土幅寬Wf實測約為520 mm，滿足設計要求。

1.5 旋耕刀排列方式設計

如圖6所示，對旋耕刀在刀輥上的排列進行多區段復合設計，將其沿軸向分作區段Ⅰ和區段Ⅱ，區段Ⅰ位于刀輥中部，對應驅動圓盤犁組動土幅寬Wy，用于廂面架空土壤的側向輸送并抵消部分犁組側向力；區段Ⅱ位于刀輥兩側，對應開畦溝前犁動土幅寬Wf，用于溝側堆積土壤的對中輸送和開畦溝后犁犁面黏積土壤的主動刮切。基于上述排列方式，設計區段Ⅰ上所有旋耕刀彎向朝右，區段Ⅱ上除最外側切土小區裝配一把彎向朝外的旋耕刀外，其余旋耕刀彎向均朝內。與此同時，為減少旋耕刀入土時的沖擊振動和切土時的夾帶堵塞，參考多頭螺旋線對稱排列法，設計兩區段上任一切土小區內裝配旋耕刀數量為2，且均分360°；兩區段上各自刀座排列螺旋線升角相同，分別為β1和β2；兩區段上各自相繼入土旋耕刀轉角間隔相等，分別為θ1和θ2。

圖6 旋耕刀排列參數Fig.6 Permutation parameter of rotary blade

考慮到兩區段復合時旋耕刀外型尺寸以及相對定位關系對刀輥整體性能存在影響，為適應稻茬田旋耕作業要求，參考標準GB/T 5669―2008《旋耕機械 刀與刀座》[19]，選用IIT245型旋耕刀，其工作幅寬為50 mm；為便于刀座焊接時的軸向定位，取兩區段任一刀座安裝間距Lx相等；為減小兩區段相向輸送土壤時的互作干擾，在周向上將區段Ⅱ相對于區段Ⅰ錯開一定角度θx并使區段Ⅱ上任一耕刀均分區段Ⅰ上相繼入土的兩把旋耕刀的入土轉角。基于以上設計思路，結合兩區段大致的長度及比例關系與“4n+2”的最佳數列排列法，取刀輥切土小區總數n為24；設計區段Ⅰ上切土小區總數為18，對應旋耕刀總數為36把，旋耕刀轉角間隔θ1為20°；設計區段Ⅱ上切土小區總數為6，對應旋耕刀總數為12把，旋耕刀轉角間隔θ2為60°；此時區段復合交錯角θx達到最大值90°，最大程度地避免兩區段間土壤相向拋撒時的夾帶堵塞。由圖6中旋耕刀排列關系得出：

(5)

式(5)中，dx為刀輥直徑，為70 mm。根據本文“1.3耕作部件空間布局設計原則”確定的反轉旋耕刀輥與開畦溝后犁間的空間布局設計原則有：

(6)

式(6)中，Wx為刀輥工作幅寬，mm；Wb為畦溝的溝底寬度，為300 mm。在滿足式(6)的基礎上，考慮到旋耕刀切土時對垡片側壁土壤的撕裂作用，取刀座安裝間距Lx為81 mm，可在保證碎土質量的基礎上進一步減少刀座間的夾帶堵塞。代入式(5)計算得：區段Ⅰ長度為1 439 mm，刀座排列螺旋線升角β1為73°；區段Ⅱ長度為262 mm，刀座排列螺旋線升角β2為66°，基本對應驅動圓盤犁組與開畦溝前犁的動土幅寬范圍，滿足設計要求。

1.6 犁旋工作參數匹配

1)速度參數匹配。整理機作業時，驅動圓盤犁組與反轉旋耕刀輥的絕對運動都是由機組的前進運動與其自身的回轉運動復合而成，機組前進速度一方面需與犁組轉速相適應，以保證翻土埋茬效果，另一方面需要與旋耕轉速相匹配，以保證碎土混茬質量。參考文獻[20]，其匹配關系定義為速比系數，滿足：

(7)

其中：

(8)

式(7)～(8)中，λy為犁組速比系數；λx為旋耕速比系數；ny為犁組轉速，r/min；nx為旋耕轉速，r/min；z為任一切土小區內旋耕刀安裝數量，為2；Rx為旋耕刀回轉半徑，為245 mm；S為旋耕切土節距，mm。

為便于齒輪箱的傳動比選配，定義犁旋回轉速度比為旋耕轉速與犁組轉速之比，即：

(9)

聯立式(7)～(9)，則有：

(10)

由式(10)可知，當驅動圓盤犁組結構參數一定時，犁旋回轉速度比λθ與旋耕切土節距S成反比關系，兩者共同決定著機組前進速度vm能否滿足整理機作業要求?？紤]到犁翻作業主要基于對土壤的滑切與撕扯，為滿足稻茬田直播油菜對碎土質量的要求，設計驅動犁旋回轉速度比λθ為3，對應旋耕切土節距的理論最大值為94 mm；以540、750 r/min為配套機組轉速擋位，驅動圓盤犁速度參數參考文獻[21]，分析確定驅動圓盤轉速ny為94～131 r/min，對應旋耕轉速nx為282～393 r/min，機組前進速度vm為1.72～4.40 km/h。

2)耕深參數匹配。整理機作業時，驅動圓盤犁組與反轉旋耕刀輥順次加工種床，為提高秸稈混埋效果，需結合犁翻作業后起土高度對旋耕耕深進行匹配設計(圖7)。

圖7 犁翻作業后的旋耕實際耕深Fig.7 Rotary tillage depth in field after ploughing operation

如圖7所示，旋耕實際耕深由旋耕設計耕深ax與犁翻起土高度ae共同組成，考慮到犁翻作業后廂面內土壤起伏不平，為近似求解犁翻作業起土高度，假設犁溝內的土壤被均勻分配至廂面內，由于溝內土壤在作業前后總量不變，理論上犁溝區域截斷面面積與犁翻起土區域截斷面面積相等，即有：

ae·(Wm-2wf-by)=κ·(ay·by+2wf·af)

(11)

式(11)中，wf為開畦溝前犁犁溝寬度，230 mm；af為開畦溝前犁犁溝深度，200 mm；af為考慮殘茬堆積的耕深修正系數，取1.2。

根據潛土作業條件，犁旋垂直耕深差aθ需滿足：

ay-aθ+ae≥Rx

(12)

聯立式(11)、(12)得：犁旋垂直耕深差aθ的理論最大值為27 mm，為便于裝配定位，取aθ為30 mm，滿足耕后溝底土埂高度不超過其耕深20%的農藝要求，此時對應旋耕耕深范圍為120～150 mm。

1.7 田間試驗工況與儀器

田間試驗于2019年11月16日至2019年11月17日在荊州市監利縣五嶺村進行，共選用3塊農用水稻田作為試驗用地，其土壤類型為粉質黏壤土，試驗前地表平均秸稈留存量為1.43 kg/m2，0～20 cm耕層內平均土壤堅實度為807.2 kPa、平均土壤容重為1.21 g/cm3。為檢驗所設計整理機在多變工況下的作業性能及作業適應性，在原有地表留茬分布與試驗期間雨水影響的基礎上，對部分田塊地表浮草作離田處理，將3塊試驗田按秸稈留茬高度、土壤含水率以及浮草處理方式劃分為如表2所示的8種試驗工況。試驗設備包括:東風井關T954型拖拉機、驅動犁翻與反轉旋耕組合式油菜直播種床整理機、TJSD-750型數顯土壤堅實度測定儀(浙江托普云農科技股份有限公司，精度±0.005% FS)、TZS-2X型土壤水分記錄儀(浙江托普云農科技股份有限公司，精度±2%)、電子天平、磁性水平尺、0.5 m×0.5 m自制方框、卷尺、鋼尺等。

表2 試驗工況劃分Table 2 Test conditions division

1.8 試驗方法與指標

田間試驗時，調節拖拉機液壓提升臂與懸掛上拉桿長度，控制驅動圓盤犁耕深為180 mm，對應旋耕耕深為150 mm，開畦溝深度為200 mm；調節拖拉機前進擋位與轉速擋位，控制機組前進速度為2.09 km/h，驅動圓盤犁轉速為131 r/min，對應旋耕轉速為393 r/min。考慮到國內暫無針對犁旋聯合作業機具的試驗方法與作業標準，參考JB/T 10287―2015《驅動圓盤犁》[22]、NY/T 499―2013《旋耕機 作業質量》[23]以及NY/T 740―2003《田間開溝機械 作業質量》[24]中規定的試驗方法，以40 m為每行程機組直線作業距離，取中間20 m作為穩定測量區，對整理機作業質量進行測試。試驗指標包括：種床的耕深及其穩定性系數、畦溝的溝深及其穩定性系數、畦溝的溝寬及其穩定性系數、廂面平整度、種床碎土率以及秸稈埋覆率。

2 結果與分析

整理機田間試驗效果如圖8所示，結果如表3所示。通過對比測試結果與評價標準可知：整理機作業質量良好，各項指標均值基本達到標準要求。其中，種床耕深、畦溝溝深、畦溝溝寬、廂面平整度、種床碎土率以及秸稈埋覆率的均值分別為173.2 mm、190.2 mm、401.4 mm、11.6 mm、95.9%和90.2%；種床的耕深穩定性系數、畦溝的溝深穩定性系數以及畦溝的溝寬穩定性系數的均值分別為85.6%、86.7%和84.6%，滿足油菜機械化直播種床整理農藝要求。

A:田塊Ⅰ Field Ⅰ; B:田塊Ⅱ Field Ⅱ; C:田塊Ⅲ Field Ⅲ; D:工況1耕層斷面圖 Cultivated layer of section 1; E:工況2耕層斷面圖 Cultivated layer of section 2; F:工況3耕層斷面圖 Cultivated layer of section 3; G:工況4耕層斷面圖 Cultivated layer of section 4; H:工況5耕層斷面圖 Cultivated layer of section 5; I:工況6耕層斷面圖 Cultivated layer of section 6; J:工況7耕層斷面圖 Cultivated layer of section 7; K:工況8耕層斷面圖 Cultivated layer of section 8; L:畦溝溝型斷面圖 Cultivated layer of ditch.圖8 整理機田間試驗效果Fig.8 Effects of field experiment for preparation machine

表3 油菜直播種床整理機田間試驗結果Table 3 Results of field experiment for preparation machine

3 討 論

本研究提出了適應于油菜種植的“犁組左翻埋茬、刀輥反轉碎土、犁鏵兩側開溝”的高質種床整理工藝方案，并研制了一種驅動犁翻與反轉旋耕組合式油菜直播種床整理機，該機集成犁翻、旋耕、開畦溝等傳統耕作技術，實現了廂面平整、種床細碎、秸稈還田、開溝作畦等功能，構建了適宜直播油菜生長的合理耕層結構。本研究分析確定了驅動圓盤犁組與反轉旋耕刀輥的結構參數與工作參數，主要包括：犁組工作偏角為27°，犁片安裝間距為280 mm，驅動圓盤犁耕深為150～180 mm，驅動圓盤犁轉速為94～131 r/min，犁旋垂直耕深差為30 mm，犁旋回轉速度比為3，滿足油菜直播種床的碎土質量與埋茬效果的要求。田間試驗表明，該機作業后的種床耕深、畦溝溝深、畦溝溝寬、廂面平整度、種床碎土率以及秸稈埋覆率的均值分別為173.2 mm、190.2 mm、401.4 mm、11.6 mm、95.9%和90.2%，種床耕深穩定性系數、畦溝的溝深穩定性系數和溝寬穩定性系數的均值分別為85.6%、86.7%和84.6%，滿足油菜機械化直播種床整理農藝要求。本研究僅開展了整理機在同一工作參數條件下的作業質量試驗，整理機的作業功耗及不同地區土壤條件下的作業適應性還有待進一步研究。為進一步提高機組的作業適應性，后續可從機組平衡角度出發開展結構改進并結合秸稈還田的要求優化種床整理工藝方案。