陳 偉,朱繼平,陳小兵,袁 棟,姚克恒,陳 曉,丁 艷,劉正剛
(1.農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所,南京 210014; 2.江蘇清淮機械有限公司,江蘇 淮安 223001)
旋耕機作為耕整地的主要工具已經得到了廣泛使用,對于旋耕機作業(yè)性能的評價指標也在不斷完善[1-2]。目前,旋耕機已不單單作為整地工具在使用,更多是用在構建耕層、降低秸稈焚燒等,如秸稈還田、綠肥還田。在秸稈還田方面,反轉旋耕機的覆蓋效果較正轉旋耕機要好,旋耕機反轉作業(yè)也逐漸成為秸稈還田的主要方式[3-5]。影響反轉旋耕機的因素主要有旋耕刀排列、刀數(shù)、旋耕刀形式,以及刀輥與機罩的間隙等,經檢索文獻,發(fā)現(xiàn)國內關于旋耕刀排列對作業(yè)性能的影響研究較少。為此,采用試驗對比的方法,設計不同排列方式的旋耕刀輥,有螺旋排列、人字排列、雙人字排列,通過分析碎土、秸稈覆蓋、功耗及秸稈在耕層中的分布來分析排列方式對反轉作業(yè)的影響,找出最佳的排列方式[6]。
試驗所用機具為框架式反轉滅茬旋耕機,型號為1GKF-200,刀輥排列設計為螺旋式排列(S)、人字排列(P)、雙人字排列(DP)和正人字排列(UP),安裝刀數(shù)均為50把,機罩頂部間隙為115mm,前端水平間隙為65mm,前端垂直間隙為126mm。1GKF-200機具和刀輥排列設計圖如圖1~圖5所示。
1.懸掛裝置 2.萬向節(jié)傳動軸 3.機罩 4.旋耕刀軸總成 5.鎮(zhèn)壓輥 6.擋草柵 7.側邊齒輪箱總成 8.中間齒輪箱圖1 1GKF-200旋耕機結構簡圖Fig.1 The schematic diagram of 1 GKF-200 rotary cultivator
旋耕機運動的直線性和扭矩值的穩(wěn)定性與刀齒在刀輥上的排列有很大關系。設計刀齒的排列圖時,應遵守以下原則[7-8]:
1)依次切入土壤的部件間的角距離應相等,應盡可能避免兩個部件同時入土。
2)兩個相鄰部件間的角距離應盡可能大些,以防堵塞。
3)縱軸左右兩邊的部件應接近對稱地切土。如果這個條件得不到滿足,則繞旋耕機的縱軸和垂直軸產生扭矩,是不穩(wěn)定運動的原因之一;特別是當中間傳動的輕型旋耕機時更是如此。
4)每個部件所切垡片的側剪切面積應盡可能是一樣的。如前所述,邊上的部件總是剪切開整個垡片的側面,所以負荷特別高。
圖2 人字排列Fig.2 People word arrangement
圖3 螺旋排列Fig.3 Spiral arrangement
圖4 雙人字排列Fig.4 Double people word arrangement
圖5 正人字排列Fig.5 The upright people word arrangement
試驗田條件對于作業(yè)效果有明顯的影響,在試驗前,試驗組人員對試驗地進行了調查。實驗調查結果如表1、圖6、圖7所示。
表1 試驗地土壤含水率和堅實度表Table 1 Soil moisture content and firmness
圖6 耕前土壤堅實度分布Fig.6 Soil firmness distribution before ploughing
圖7 耕前秸稈覆蓋Fig.7 Straw mulching before ploughing
試驗地的含水率、土壤堅實度及耕前秸稈覆蓋量的測試方法據(jù)按照GB/T 5668-2008《旋耕機》等標準中規(guī)定的方法采集。
試驗采用對比作業(yè)方式進行,每種排列安排3個作業(yè)行程,取試驗數(shù)據(jù)平均值進行比較分析,試驗區(qū)劃分如圖8所示。
圖8 試驗區(qū)設計圖Fig.8 Design drawing of test area
試驗過程如圖9所示。
圖9 試驗過程Fig.9 The test process
試驗對于每種排列均安排3個作業(yè)行程,由3個行程數(shù)據(jù)的平均值作為最后評價的依據(jù)。對于秸稈還田,反轉旋耕機作業(yè)質量的評價指標主要有功耗、植被覆蓋率、耕深穩(wěn)定性、碎土率,以及秸稈分布狀態(tài)。
功耗測量儀器由具有檢定資質的第三方機構校訂,可保證測量的準確性,如圖10所示。植被覆蓋率、耕深穩(wěn)定性及碎土率根據(jù)GBT5668-2088《旋耕機》中規(guī)定的測量方法進行操作。
圖10 功耗測試設備Fig.10 Power consumption test equipment
秸稈分布的數(shù)據(jù)由人工采集,每個行程一個點,測量范圍為1m2。具體步驟如下:①將測量范圍內土下0~5cm內的植被收集并稱重;②將測量范圍內土下植被收集并稱重;③按照式(1)計算土下0~5cm內的植被占的比重,即
試驗結果如圖11~圖15所示。
圖11 排列方式對功耗的影響Fig.11 The effect of arrangement style on power consumption
圖12 排列方式對耕深穩(wěn)定性的影響Fig.12 The effect of arrangement style on the depth stability
圖13 排列方式對碎土率的影響Fig.13 The effect of arrangement style on soil fragmentation
圖14 排列方式對植被覆蓋率的影響Fig.14 The effect of arrangement style on vegetation coverage
由圖11可知:刀輥為螺旋排列的反轉旋耕機作業(yè)功耗最大為35.02kW,采用正人字排列反轉旋耕機作業(yè)功耗為27.65kW,比刀輥螺旋排列的反轉旋耕機作業(yè)功耗低約21%;刀輥為人字排列和雙人字排列反轉旋耕機作業(yè)功耗分別為29.2、29.98kW,相對于螺旋排列反轉旋耕機功耗分別降低約16.6%,14.4%。
由圖12可看出:刀輥為螺旋排列、人字排列、雙人字排列及正人字排列的反轉旋耕機的耕深穩(wěn)定性,呈逐漸上升趨勢,分別為90.3%、90.5%、93.7%、94.6%,最高與最低耕深穩(wěn)定性相差幅度為4.5%。
由圖13可看出:刀輥排列方式對反轉旋耕機碎土率的影響比較明顯且沒有呈現(xiàn)不規(guī)律性;刀輥為螺旋排列反轉旋耕機碎土率為84.7%,人字排列為89.5%,雙人字排列為81.1%,正人字排列為89.1%;刀輥為螺旋排列的反轉旋耕機碎土率比人字排列低5.4%,比雙人字排列高4.4%,比正人字排列低4.9%。
由圖14可看出:在植被覆蓋率方面,刀輥為正人字排列的反轉旋耕機的植被覆蓋效果最差僅有86%,比覆蓋效果最好的螺旋排列低9.5%;刀輥為人字排列與雙人字排列反轉旋耕機覆蓋效果相差不大,分別為95.2%、93%。
圖15 排列方式對秸稈分布的影響Fig.15 The effect of arrangement style on straw distribution
由圖15可看出:刀輥為人字排列的反轉旋耕機作業(yè)后,耕層內的秸稈有59.6%分布于土下0~5cm內,其余皆在5cm以下的土壤,大部分秸稈沒有完成深埋作業(yè),僅僅是淺埋;正人字排列反轉旋耕機作業(yè)后,耕層內0~5cm的秸稈只占整個耕層的40.2%,大部分秸稈埋于5cm以下的土壤,既利于秸稈的腐爛,降低了秸稈對作物根系生長的阻礙作用;刀輥為螺旋排列、雙人字排列的反轉旋耕機作業(yè)后,土下0~5cm內的秸稈量分別占土下總秸稈的41.5%,45.9%,這兩種排列方式使得超過一半的秸稈埋于土下5cm之外。
1)旋耕刀輥排列方式對反轉滅茬作業(yè)效果存在明顯的影響。
2)在作業(yè)功耗方面,刀輥采用正人字排列比其他3種排列方式作業(yè)省力,最高可降低21%。
3)在耕深穩(wěn)定性方面,試驗安排的4種排列方式其作業(yè)耕深穩(wěn)定性均在90%以上,沒有明顯的差異。
4)在碎土方面,人字排列和正人字排列方式作業(yè)效果明顯高于其他兩種方式。
5)在植被覆蓋方面,螺旋排列、人字排列、雙人字排列作業(yè)效果相差不大,正人字排列作業(yè)效果則較差。
6)秸稈分布方面,圖15統(tǒng)計的秸稈分布是土下0~5cm土層,要想達到秸稈深埋效果及農藝要求,秸稈至少埋入土表5cm以下。從上述數(shù)據(jù)可得出,4種排列方式的作業(yè)效果均不好,將近一半的秸稈沒有被深埋。
綜上所述,在機具傳統(tǒng)作業(yè)指標上,現(xiàn)有機具已能夠完成作業(yè)要求,然而從秸稈還田的角度去分析,傳統(tǒng)反轉作業(yè)機具還不能完成秸稈深埋的要求,只是達到淺埋效果。因此,將旋耕機具作業(yè)的高效性與秸稈還田需求結合,是未來反轉還田機具的主要方向。