鏵式犁在北疆玉米地應用現狀與改進建議*

李清超，鄭炫，孟祥金，劉進寶，張魯云，梁宇超

(1. 石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832000； 2. 農業農村部西北農業裝備重點實驗室，新疆石河子，832000； 3. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000)

0 引言

玉米是主要的糧食產物，也是畜牧飼料的主要原料，在新疆種植廣泛。據統計，截至2018年，新疆生產建設兵團玉米種植面積就達到102 khm2，且呈逐年增長趨勢。其中，第四師和第九師玉米種植面積最大，分別達到32.4 khm2和18.1 khm2[1]。秋收后，玉米待耕地土壤的基本條件比其他作物待耕地土壤的基本條件更加惡劣；部分地區農忙時間緊，本地區畜牧業對飼料的需求也不高，導致農戶從經濟效益方面考慮，不進行殘茬回收就直接開始耕翻，這些都給后續的耕翻作業增加了難度，對耕翻機具的作業質量提出了更高的要求。

為準確把握玉米地秋收后，待耕地的土壤情況以及犁具在殘茬量較大的作業環境下的作業情況，課題組成員前往玉米種植面積最廣的北疆塔城地區和伊犁地區，實地測量田間土壤情況，對比鏵式犁在玉米殘茬地作業情況，走訪詢問一線農戶、拖拉機手、經銷商，綜合整理分析得到相關數據和結論。

1 北疆待耕玉米地土壤基本條件

課題組成員對塔城、伊犁兩地的多塊玉米殘茬地利用五點取樣法，分別測量各待耕翻地塊的各個深度的土壤堅實度、土壤含水率、土壤容重以及土壤孔隙度[2]，使用到的儀器有SC-900土壤堅實度儀、TS-4土壤含水率儀、臺秤、環刀、鋁盒、干燥箱等。土壤堅實度的測量以2.5 cm作為一個區間；土壤含水率，土壤容重和孔隙度的測量以10 cm作為一個測量區間。測量各個深度區間的土壤情況，最終取平均值，結果與分析如下。

1.1 土壤堅實度

如圖1所示，整個土層的土壤堅實度在表面層(0～100 mm)、耕作層(100～300 mm)、犁底層(300～400 mm)[3]三部分上變化明顯。在表面層，土壤堅實度與土壤深度基本呈線性增大關系，在100 mm處達到極大值；突破表面層后，堅實度在耕作層基本維持不變，且與100 mm處的堅實度相比，略有減小；在犁底層，土壤堅實度隨土層深度的增加呈增大趨勢，達到整個測量區間的最大值。表面層和犁底層由于分別受大型機械的碾壓作用和常年鏵式犁耕翻作業的影響，使得堅實度相對較大。由于作物根系的疏松作用，耕作層的堅實度相對小且平均。

其中，G地土壤堅實度明顯高于其他地塊，最大土壤堅實度可達到5 295 kPa。各地塊的耕作層和犁底層的土壤堅實度最小值出現在B地耕作層處，為1 166.6 kPa。七塊地的表面層、耕作層和犁底層的平均土壤堅實度分別為1 683.1 kPa，2 431.2 kPa，3 028.3 kPa，整體堅實度水平大，土質堅硬，耕作難度大。

圖1 玉米殘茬地土壤堅實度情況Fig. 1 Soil compactibility of corn stubble field

1.2 土壤含水率

如圖2所示，各個地塊含水率隨土壤深度的增加而增大。伊犁地區受暖濕氣流的影響[4]，氣候條件較好，降水較多，平均含水率比塔城地區的平均含水率高101.8%。七塊地的0～100 mm、100～200 mm、200～300 mm、300～400 mm土層的平均含水率分別為15.02%、18.74%、21.64%、25.18%，整體土壤含水率較低。

圖2 玉米殘茬地土壤含水率情況Fig. 2 Soil moisture content of corn stubble field

1.3 土壤容重和孔隙度

如圖3所示，七塊地的0～100 mm、100～200 mm、200～300 mm、300～400 mm土層的平均容重分別為1.42 g/cm3、1.50 g/cm3、1.45 g/cm3、1.42 g/cm3，平均容重都超過了1.4 g/cm3，在1.4～1.7 g/cm3之間，說明塔城和伊犁地區土壤的有機質含量不足，礦物質含量較多，土壤結構較差[5]。其中A地、B地、C地、E地土壤的耕作層容重高于表面層和犁底層容重。耕作層是作物根系主要吸收營養的土層，容重較高，土壤結構較差，不利于作物的生長；D地、F地、G地土壤耕作層的容重要略低于表面層和犁底層的容重，對作物生長相對較為有利。

圖3 玉米殘茬地土壤容重情況Fig. 3 Soil bulk density of corn stubble field

圖4 玉米殘茬地土壤孔隙度情況Fig. 4 Soil porosity of cornstubble field

如圖4所示，各地塊的孔隙度基本在40%～50%范圍之內，七塊地的0～100 mm、100～200 mm、200～300 mm、300～400 mm土層的平均孔隙度分別為46.52%、43.51%、45.44%、46.52%，土壤的整體通水透氣性較好。A地塊受自身砂質成分影響，孔隙度相對較小，不利作物生長。

由以上結果可知，北疆玉米殘茬地土壤堅實度大，含水率較低，容重較大，土壤礦物質較多而有機質少，土壤條件惡劣，對其進行耕翻作業，對機具要求高。通過耕翻，實現土層的交換，改善整個耕作土層的土壤結構，使得容重，孔隙度和松軟程度在一個有利于作物生長發育的合理區間之內，對提高作物的產量具有重要意義。

2 北疆待耕玉米地殘茬及含石情況

2.1 殘茬情況

玉米機械化收獲后，地表殘茬眾多，遠遠超出其他作物的地表殘茬量。經過在多地區實地測量，北疆幾種主要作物收獲后地表殘茬量情況如圖5所示。

圖5 北疆主要作物殘茬情況Fig. 5 Stubble situation of main crops in Northern Xinjiang

玉米地進行打稈作業后秸稈打包地(A地、D地、E地、F地、G地)的平均殘茬高度在235～260 mm范圍之間，最大殘茬高度在350～450 mm范圍之間；打稈作業后秸稈還田地(C地)的平均殘茬高度為265 mm，最大殘茬高度為425 mm，植被殘茬密度為3 630 g/m2；而未進行打稈作業地(B地)的平均殘茬高度為465 mm，最大殘茬高度為735 mm，植被殘茬密度為3 450 g/m2。如表1所示。

表1 各地塊殘茬情況Tab. 1 Stubble situation of each plot

秸稈還田直接耕翻可以節約農時，更好提高土壤有機質，有利于土壤的保護和可持續化發展[6-7]。秸稈殘茬成分及詳細比例如表2所示，玉米地殘茬實際情況如圖6所示。玉米殘茬有較長、硬度較大的株稈，較軟、密度較小的植葉，和呈圓柱狀、易滾動的玉米棒芯。玉米秸稈在田間“虛”且“高”，深度可達到300 mm，不利于殘茬的耕翻覆蓋。大量秸稈堆積在地表面，直接耕翻無疑增加了覆蓋的難度，而農戶對玉米地耕翻質量的要求最看重的恰好就是秸稈覆蓋率。

表2 秸稈還田玉米地殘茬情況Tab. 2 Stubble situation of corn field with straw returning

圖6 玉米地表殘茬實際情況Fig. 6 Actual situation of corn surface stubble

2.2 含石情況

北疆部分地區的耕地在形成過程中受河流(如額爾齊斯河、烏倫古河、瑪納斯河、博爾塔拉河、伊犁河等)水源的沖擊影響，山脈間的石塊隨河流沖擊而下，使得建立在下游沖積平原上的墾區耕地石塊遍布。耕地中石塊的存在有利有弊，據相關研究表明[5]，20%以下的含石量會增加土壤的溫度，利于作物提高產量，但石塊的存在加劇了犁耕機械的作業難度和磨損破壞，使耕翻效率下降且成本提高。含石地的特殊土壤條件，給鏵式犁機具的磨損性能和耐用性提出了巨大挑戰。

北疆含石地主要集中在塔城、阿勒泰地區，博州、伊犁也有分布。對塔城、阿勒泰、博州、伊犁四地的玉米含石地采用五點取樣法分別測量各待耕翻地塊的含石情況。

在測量點處取1 m2的正方形表面，以10 cm深度作為一個區間，挖至30 cm犁底層處，測量各地塊的石塊含量和石塊大小情況，如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，不同地塊的含石情況各不相同。其中4地和5地含石率相對較低，1地、2地和3地含石率相對較高，除了3地的10～20 cm土壤深度的含石率達到20.3%，其余各地各土壤深度的含石率均在20%以下；各地塊耕作層含石率均高于表面層和犁底層，這是由于上一年耕翻時上層和下層土壤擾動較大，中間層擾動較小，常年累計，導致中間層含石較多；1地、2地和4地石塊尺寸相對較大，而3地和5地以小石塊為主。含石率在20%以下的土壤，對提高作物產量有促進作用[6-7]。1地塊玉米產量為21 t/hm2，比統一管理的其他不含石玉米地產量高3 t/hm2。塔城和阿勒泰地區的玉米地含石率高，且石塊尺寸較大，土壤耕翻條件最為惡劣；博樂和伊犁地區土壤含石以小碎石為主，且含石率較低，耕翻條件相對來說較為有利。

圖7 土壤含石率情況Fig. 7 Soil stone content

3 北疆玉米殘茬地液壓翻轉犁耕作狀況

3.1 耕翻質量

針對A地(秸稈打包)和C地(秸稈還田)開展殘茬覆蓋率的對比試驗，兩地土壤堅實度，含水率，和土壤密度相近，拖拉機均采用約翰迪爾2204牽引，機具均為大間距液壓翻轉四鏵犁(具體參數如表3所示)，耕速均為8 km/h左右。兩地的耕深穩定性和耕寬穩定性分別為95.45%、90.3%和91%、82.2%，殘茬覆蓋率如圖9所示。

表3 液壓翻轉四鏵犁技術參數Tab. 3 Technical parameters of hydraulic overturningfour mouldboard plough

圖9 秸稈打包與秸稈還田玉米地殘茬覆蓋率情況Fig. 9 Stubble coverage rate of corn field withstraw packing or straw returning

如圖9所示，經過秸稈打包的A地與秸稈還田直接耕翻的C地的地表以下殘茬覆蓋率的差距較小，都達到92%以上；而8 cm以下殘茬覆蓋率差距較大，A地達到80.81%，而C地只有60.44%。總的來說，在大間距四鏵犁耕作下，經過秸稈打包的玉米待耕地的殘茬覆蓋效果較好；而秸稈還田的玉米待耕地，在地表至8 cm深處殘茬含量大約為40%，殘茬深埋效果還有待提高。

3.2 犁具磨損

北疆地區的部分玉米地由于含有一定量、不規則的石塊，造成對犁具鏟尖、犁鏵、犁壁的磨損特別劇烈。在塔城地區含石的砂土地中，國產犁鏵在機具工作 67 hm2左右就需更換，雷肯進口犁鏵可以使用 134 hm2左右；而在普通壤土中，普通犁鏵可工作 400～467 hm2。阿勒泰地區的玉米待耕地，普遍土壤含水率底，堅實度極大，還混有石塊，給犁壁造成極大的磨損，甚至柵條犁壁都被磨出“刃”。

鏟尖的磨損更為嚴重，昌吉地區砂土地中，鏟尖可使用67～134 hm2，壤土可使用200 hm2左右；阿勒泰地區砂土地中，鏟尖可使用67 hm2左右，壤土地鏟尖可使用134 hm2左右；在含石率比較大的砂土地中，機具耕作20 hm2就需要更換鏟尖。

4 鏵式犁機具耕作北疆玉米地存在的問題及優化改進方向

4.1 存在問題

目前，北疆地區用于耕翻的機具主要為耕寬為 2 m 左右的液壓懸掛翻轉犁，配搭拖拉機動力在 147 kW 以上[8-9]，技術相對成熟，但北疆地區土壤各項基本條件較其他地區惡劣，現有鏵式犁機具，尤其像轉向部件、觸土部件、連接部件等關鍵部件，在實際使用中存在與惡劣的耕作條件不匹配、不適用的問題。通過對塔城、阿勒泰、博州和伊犁地區玉米殘茬地犁耕的調研，走訪當地農戶及正在作業的拖拉機手，針對北疆玉米地秸稈量大，含石率高，土壤堅實度大，含水率低，土壤有機質含量低的情況，發現一系列當前鏵式犁機具存在的問題和不足。

1) 玉米秸稈量大，鏵式犁覆蓋效果下降。尤其 8 cm 以下覆蓋率較低，不利于玉米秸稈的腐爛，對第二年的春播和出苗造成不利影響。

2) 玉米秸稈量大，玉米殘茬的通過性不好。整個犁具尤其第一鏵犁在耕作中經常性會堆積大量玉米殘茬，導致后續翻垡覆蓋效果下降，且增大了耕作阻力。拖拉機手定時停車清理堆積的殘茬耗時耗力，影響耕作效率，如圖10和圖11所示。

圖10 第一鏵犁堆積殘茬Fig. 10 First plough accumulated stubble

圖11 拖拉機手清理機具上堆積的殘茬Fig. 11 Tractor driver cleans up the stubbleaccumulated on the implement

3) 柵條型的犁壁強度和耐磨性都比鏡面犁壁要弱，柵條在不同方向上受到的磨損程度大且不均勻，導致柵條磨損形成“刃”，影響機具耕作穩定性，如圖12(a)所示。

(a) 柵條犁壁磨損出“刃”

(b) 犁側板磨潰

(c) 鏟尖尖端折斷

(d) 小前犁彎曲變形

(f) 犁梁犁體連接處螺孔裂開

(g) 保險螺栓不合規范

(h) 柵條撐板焊接處開裂圖12 鏵式犁機具出現損壞的部位Fig. 12 Easy damaged parts of the mouldboard plough

4) 犁側板在溝墻面上與土壤及石塊劇烈摩擦，被磨潰，導致整機受力不穩定，耕作質量和效率下降，如圖12(b)所示。

5) 自磨刃的鏟尖在被嚴重磨損之后，硬質涂層在大的阻力下會產生突然的斷裂，形成不規則的缺口，增加耕作阻力，如圖12(c)所示。

6) 表面層土壤堅實度大，使得小前犁在耕作中切割，翻動表面層土壤和地表殘茬時受力過大，發生變形，從而使得鏵式犁機具的覆蓋殘茬能力降低，如圖12(d)所示。

7) 在實際使用過程中，為滿足提高殘茬覆蓋的自身需要，農戶自主將犁體的柵條加長，有的更換犁柱以相應的增大犁梁的高度，還有甚至為了增大間距將四鏵犁改成三鏵犁使用。這些自主對犁具進行的改造，雖一定程度滿足其需要，但機具本身強度，耐磨等方面受到不可逆的破壞，犁具本身在工作中的受力也發生變化，急劇減少了機具的壽命。

8) 一般犁具更新周期在5～6年左右，甚至更久一些，但在實際使用中，由于北疆耕作土壤土質堅硬、土壤干燥、含有石塊，機具在正常作業時所受載荷和磨損也遠遠大于其他地區，一些連接部位總是提前出現各種損壞的問題，如圖12(e)～圖12(g)所示。

9) 現在市面上的犁體結構大多為柵條型，但北疆地區這種土壤含水率特別低，土質松散，殘茬眾多的土壤條件并不適合柵條型犁體的使用。柵條型犁體確實能夠減少一定耕作阻力和材料的使用，但也導致犁體易損，加劇犁具的不穩定性。柵條的頂板焊接處受力出現開裂現象，如圖12(h)所示。

10) 北疆地區的土壤“干”而“散”，且堅實度在不同土壤深度，不同地塊，不同位置差異較大，鏵式犁在切割和耕翻土壤的過程中，受力變化劇烈，犁具在作業過程中，會出現受力不平衡，犁具整體抖動的情況，影響耕作質量和自身壽命。

4.2 優化改進方案

鏵式犁的整機研究設計成果頗豐[10-11]，在現有研究基礎上，針對北疆待秋翻地土壤堅實度、土壤含水率、容重、殘茬情況、含石情況等，以提高鏵式犁使用穩定性、工作效率、耕翻質量為目的，提出以下相關方面的優化改進方案。

4.2.1 部件優化

1) 設計開發一種新型滅茬犁體結構。在合理范圍之內，增大犁體曲面整體的翻土角，提高翻垡覆蓋性能，而不使得耕作阻力增加太多。設計犁鏵的尺寸，探究犁鏵大小尺寸和鏵刃角的配合關系，找到在相同耕寬情況下，耕作阻力最小的組合。在犁體后部增加切割殘茬的刀具以提高殘茬覆蓋性能和殘茬通過性。

2) 設計開發新型的鏟尖結構，使其在磨損后可以換面、換方向繼續使用，減少鏟尖基體的浪費，減小耕作阻力，提高耕作效率。

3) 設計開發具有仿生結構的犁壁部件，通過在犁壁上布置仿生結構單元，來達到增強犁壁耐磨性，降低土壤耕作阻力的目的。

4) 設計開發一種能打破土壤表面層，強度和耐磨足夠的小前犁結構。小前犁的犁體曲面以翻土覆蓋殘茬為主要設計方向，同時兼顧強度和耐磨性，使其在耕作時，先于主犁體破壞土壤表面層進行局部覆蓋殘茬，提高整體的翻垡覆蓋效果。研究小前犁的耕深和耕寬對工作阻力和殘茬覆蓋效果的影響。

5) 針對犁體連接孔，液壓杠連接處，轉軸處等容易損傷的、可轉動的連接部位，進行整體的強度剛度計算，通過增加用料，改善材料，增大尺寸等方法，在達到強度和剛度要求情況下，進一步提高連接的可靠性。

6) 設計改進鏵式犁調幅裝置，使現有調幅犁實現無極調幅。在提高調幅效率的同時，使機具能夠更好的匹配拖拉機的動力。

7) 設計開發彈簧、液壓、氣力等多種形式的犁體避障結構，使犁具在含石地遇到大尺寸石塊時，能及時規避，減少犁體與石塊的撞擊，保護犁體，改善犁具受力情況。

8) 設計開發新型限深輪結構，通過柔性彈簧等使其可以減少翻轉過程中的沖擊，簡化結構，提升可靠性。

4.2.2 整機優化

1) 有關研究表明，肥料可促進秸稈的腐化，探究基肥和秸稈一起進行深翻，達到促進秸稈腐爛，增加土壤有機質的可能。

2) 針對第一鏵犁殘茬通過性差的問題，在不影響犁具整體平衡的前提下，合理調整配置第一鏵犁在犁梁上的相對位置，改善玉米殘茬的通過性。

3) 在合理范圍內，增大犁梁的高度和犁體的間距，以更好適應殘茬量大的玉米耕地。

4) 對現有犁具建立模型及仿真受力分析，尋找犁具工作中受力不平衡的原因，通過優化觸土部件及拖拉機連接部件，使犁具整體受力平衡，減少犁具工作時的抖動。

5) 建立犁具整機的模型，通過仿真分析來優化各個尺寸，在滿足使用要求情況下，減少犁架質量，減輕拖拉機負載，提高可靠性。

5 結論

北疆玉米地的土壤堅實度大，土壤含水率較小，土壤容重較大，孔隙度良好，殘茬量大，含石率高，這些特點給土壤的耕翻加大了難度，更給鏵式犁機具的性能與穩定性提出了更高的要求。鏵式犁機具相關理論和技術相對成熟[12-13]，但在北疆土壤條件下，普遍使用的鏵式犁機具還存在著殘茬覆蓋效果不理想，耕作阻力大，可靠性差等問題。鏵式犁機具要在保證耕作質量的前提下，進一步通過對犁體、小前犁、連接部位、鏟尖、調幅裝置等的優化設計，對整機的平衡性、合理性、輕量化的創新構造，來提高翻土覆蓋的性能；減小耕作的阻力，節省油耗；提高可靠性，減少零部件的更換和延長機具使用壽命。