廖慶喜 卜祥利 孫文成 魏國粱 張青松 王鵬程

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

長江中下游地區(qū)是油菜的主產(chǎn)區(qū)，以稻-油或稻-稻-油水旱輪作為主，該模式可改善土壤理化性狀、保證土壤肥力[1]。多年進(jìn)行的水旱輪作種植模式導(dǎo)致休耕期短、耕作層變淺、土壤質(zhì)量退化、耕性變差、耕層養(yǎng)分不均衡等問題突出，致使土壤板結(jié)、肥力分布不均勻，阻礙了油菜根系生長及肥水吸收，進(jìn)而使土壤的抗逆減災(zāi)和產(chǎn)出能力大大減弱，這已成為制約油菜產(chǎn)量的重要因素[2]。合理耕層結(jié)構(gòu)可形成疏松、深厚的耕作層，提高保水能力，為作物的高產(chǎn)提供基礎(chǔ)。因此，構(gòu)建油菜種床合理耕層及研制配套裝備很有必要。

國外對(duì)土壤耕層構(gòu)建技術(shù)及配套機(jī)具的研究已較完善，多采用被動(dòng)松土部件與主動(dòng)旋耕部件達(dá)到分層作業(yè)效果[3]。意大利Dondi公司生產(chǎn)的DCRM300型旋耕機(jī)，其松土深度達(dá)300～500 mm、旋耕深度達(dá)100～150 mm，可實(shí)現(xiàn)深松深耕。英國Meconnel公司生產(chǎn)的Tillaerator型旋耕機(jī)，主要用于熟土地的分層作業(yè)。德國Dutzi公司生產(chǎn)的KR型分層作業(yè)旋耕機(jī)采用新型齒狀旋耕刀，效果好，且功耗低。但國外耕層構(gòu)建技術(shù)的裝備主要針對(duì)一年一熟地區(qū)設(shè)計(jì)，其田塊大，且土壤類型等與國內(nèi)水旱輪作區(qū)有較大差別。

近年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)北方旱作區(qū)的土壤耕層及配套機(jī)具研究相對(duì)較多，并趨于成熟。王立春等[4]對(duì)東北春玉米耕地合理耕層構(gòu)造進(jìn)行了研究，提出了“苗帶緊行間松、松緊兼?zhèn)洹毙透麑幽Ｊ?。鄭洪兵等[5]對(duì)玉米農(nóng)田耕層現(xiàn)狀、存在問題進(jìn)行了探討，并對(duì)“苗帶緊行間松”合理耕層構(gòu)建的重要意義進(jìn)行了總結(jié)。裴澤蓮等[6]提出一種將深翻和秸稈還田結(jié)合的土壤肥沃耕層構(gòu)建新模式，為提高土壤耕層肥力提供了參考。林靜等[7]對(duì)東北平原棕壤土區(qū)常用的4種耕作模式及配套機(jī)具進(jìn)行了測試，得出深松覆蓋模式經(jīng)濟(jì)效益最高、且有利于合理耕層構(gòu)建的結(jié)論。文獻(xiàn)[8-12]對(duì)聯(lián)合耕整機(jī)械進(jìn)行了研究，在保護(hù)土壤、形成土壤合理耕層、提高機(jī)具作業(yè)效率方面取得了突破。梅楠[13]對(duì)典型棕壤玉米田合理耕層指標(biāo)體系及耕作技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)合理耕層的評(píng)價(jià)指標(biāo)定性、定量化，并從土壤質(zhì)量角度篩選出適宜東北棕壤旱地的耕作技術(shù)。但北方旱作區(qū)耕層構(gòu)建技術(shù)及裝備在南方較難適用。針對(duì)南方土壤濕黏、深松機(jī)具無法提供良好碎土松土效果的問題，張瑞宏等[14]提出了土壤分層旋耕的理論與技術(shù)設(shè)想，但未進(jìn)行田間試驗(yàn)論證。張軍[3]通過對(duì)比分析免耕、常規(guī)旋耕與分層旋耕3種耕作模式的稻茬麥各生理期的土壤物理性狀相關(guān)指標(biāo)的連續(xù)變化情況，指出分層旋耕有利于改善稻茬田的土壤物理性狀。根據(jù)南方土壤特性及油菜種植農(nóng)藝要求，包攀峰等[15]研制了一種滿足窄壟深溝壟作要求的犁旋組合式油菜開溝起壟機(jī)。為滿足南方稻麥輪作耕作方式的整地需求，秦寬等[16]設(shè)計(jì)了一款集翻耕、旋耕、秸稈粉碎還田等多道工序?yàn)橐惑w的犁翻旋耕復(fù)試作業(yè)整地機(jī)械。肖文芳等[17]針對(duì)南方稻茬田土壤黏重板結(jié)、地表秸稈量大等難題，設(shè)計(jì)了一種犁翻埋茬、旋耕碎土、側(cè)邊開畦溝的油菜直播種床整理機(jī)。目前，盡管對(duì)南方水旱輪作制耕整機(jī)械進(jìn)行了一些研究，但對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)改良所需適宜耕作理論與技術(shù)仍不明確。

本文以長江中下游稻油輪作種植模式為基礎(chǔ)，考慮該地區(qū)土壤粘重板結(jié)、含水率波動(dòng)大的特點(diǎn)，根據(jù)油菜種植農(nóng)藝要求及根系在土壤中的生長特點(diǎn)，研究適應(yīng)油菜生長種床的合理耕層，并設(shè)計(jì)一種集犁耕埋茬(草)、旋耕碎土、平整開溝等功能于一體的油菜用驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)，為長江中下游油菜耕播機(jī)械和聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)械的改進(jìn)優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 油菜種床合理耕層的構(gòu)建

土壤作為植物生長的介質(zhì)，不僅為植物的生長提供物理支撐，還為植物的生長提供水分和養(yǎng)分。合理耕層是土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)綜合作用的結(jié)果。油菜種床合理耕層能夠使油菜獲得充足的養(yǎng)分和水分，促進(jìn)油菜生長發(fā)育，從而獲得高產(chǎn)。但目前國內(nèi)對(duì)于油菜種床合理耕層構(gòu)建的概念尚沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和定論，基本處于探索研究階段。

湖北地方標(biāo)準(zhǔn)《合理耕層構(gòu)建的水旱輪作耕整作業(yè)技術(shù)規(guī)程》指出合理耕層構(gòu)建的定義為：針對(duì)水旱輪作區(qū)不同作物、不同種植模式，通過與之相適應(yīng)的機(jī)械化耕整方式，完成秸稈處理和土壤上下層交換與細(xì)碎，構(gòu)建合理的土壤剖面結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱以及微生物的關(guān)系，以此改善土壤合理的結(jié)構(gòu)并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。由此可見，耕層構(gòu)建主要與作物的種植模式形成的土壤剖面結(jié)構(gòu)有關(guān)。經(jīng)測定，水旱輪作區(qū)的耕作層深度為110～180 mm，犁底層厚度為90～150 mm，如圖1所示。隨著秸稈禁止焚燒的政策實(shí)施，長江中下游地區(qū)油菜直播時(shí)土壤耕整方式多采用旋耕，深度一般為100～150 mm。多年作業(yè)導(dǎo)致土壤有效耕層變淺，犁底層上移、加厚，降低了土壤中水分和養(yǎng)分的供給能力，不利于作物生長。

圖1 水旱輪作區(qū)耕作土壤剖面試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of tillage soil profile experiment in upland and dry rotation area

為構(gòu)建油菜種床合理耕層，對(duì)油菜根系的生長特點(diǎn)進(jìn)行了測試研究。以湖北省荊州市監(jiān)利縣水稻-油菜(輪作)全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地作為試驗(yàn)田塊，試驗(yàn)田均為機(jī)收后稻茬田，選取3塊試驗(yàn)田塊，分別進(jìn)行油菜直播機(jī)旋耕播種(淺旋)、犁旋一體機(jī)深翻旋耕播種(深翻)、免耕播種(免耕)3種作業(yè)，對(duì)作業(yè)后油菜根系的生長狀況進(jìn)行測試研究。通過對(duì)油菜直播機(jī)旋耕播種后不同時(shí)期油菜根系生長狀況(分別對(duì)油菜播種后幼苗期、抽薹孕蕾期、開花結(jié)果期3個(gè)階段隨機(jī)抽取30株進(jìn)行根系觀察測量)測試發(fā)現(xiàn)，油菜主根系長64～168 mm，大部分根系入土較淺，橫向分布較廣，從抽薹孕蕾期、開花結(jié)果期根系基本定型，無過多根系分支和長度生長。該結(jié)果與油菜根系充分縱深發(fā)展、擴(kuò)大根系對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的吸收范圍、促進(jìn)植株發(fā)育[18]的要求相違背，這與多年油菜直播的耕作方式有關(guān)，導(dǎo)致油菜根系無法深扎，不利于油菜對(duì)土壤養(yǎng)分和水分充分吸收。

如圖2b所示，通過對(duì)不同耕作模式下油菜根系(開花結(jié)果期根系)生長特點(diǎn)測試結(jié)果可知，深翻作業(yè)可打破堅(jiān)硬的犁底層，油菜根系下扎最深，主根長145～173 mm，次根系(小于10 mm的毛根不作統(tǒng)計(jì))數(shù)量為32～42，較均勻分布于主根附近；淺旋作業(yè)主根可基本下扎，長105～143 mm，次根系數(shù)量為32～42，且較均勻分布于主根附近；免耕作業(yè)下油菜主根系長68～85 mm，次根系雜亂無章，免耕主要對(duì)地表殘留水稻秸稈進(jìn)行作業(yè)，對(duì)土壤作業(yè)較少，導(dǎo)致土壤堅(jiān)實(shí)度高，主根無法深扎，多靠次根系吸取土壤內(nèi)水分和養(yǎng)分。油菜根系測量結(jié)果說明淺旋和深翻均能提高土壤的耕層質(zhì)量，使土壤肥力分布均勻，提高油菜根系對(duì)于水肥的吸收，促進(jìn)油菜生長，且深翻效果更明顯。

圖2 油菜根系生長特點(diǎn)Fig.2 Growth characteristics of rape root system

翻耕將地表的作物殘茬、雜草、肥料翻入土中，能夠清潔耕層表面，提高整地和播種質(zhì)量，秸稈還田能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，為作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)打下堅(jiān)定基礎(chǔ)[7]。根據(jù)長江中下游油菜種植前地表工況、土壤耕作剖面及油菜根系生長特點(diǎn)，應(yīng)選用先犁耕后旋耕播種的種植模式，以形成油菜“深翻埋茬，上松下緊”的種床合理耕層，如圖3所示。上松指在0～150 mm形成碎土疏松層，下緊指在150～300 mm處形成較為緊實(shí)的破土翻耕層，土壤與秸稈混埋后，可增加土壤孔隙度，此模式能夠促進(jìn)土壤耕層礦質(zhì)化，加速養(yǎng)分釋放，為油菜根系提供良好的土壤環(huán)境，促進(jìn)油菜根系下扎和養(yǎng)分吸收，有利于油菜生長。

圖3 油菜種床合理耕層土壤剖面示意圖Fig.3 Soil profile schematic of reasonable tillage layer of rapeseed

2 配套裝備總體結(jié)構(gòu)與工作原理

為形成“深翻埋茬，上松下緊”的油菜種床合理耕層結(jié)構(gòu)，需研制配套裝備。根據(jù)構(gòu)建的油菜種床合理耕層和《稻茬地油菜直播機(jī)械化耕整地技術(shù)規(guī)程》要求，油菜合理耕層的形成需先翻耕再旋耕，且作業(yè)機(jī)具需滿足犁耕深度不小于200 mm，旋耕深度為100～150 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)大于等于80%，秸稈埋覆率大于等于75%，碎土率大于等于60%。同時(shí)油菜種植需開畦溝排水，所開畦溝要求溝寬200～350 mm，溝深150～250 mm，溝底平直，溝壁緊實(shí)，溝型穩(wěn)定。為滿足以上要求且減少拖拉機(jī)下地次數(shù)，保護(hù)土壤，設(shè)計(jì)了集成切翻埋茬(草)、旋耕碎土、平整開畦溝等多道工序的油菜驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure schematic of driven plow-rotary combined tillage machine1.三點(diǎn)懸掛裝置 2.機(jī)架 3.驅(qū)動(dòng)圓盤犁組 4.平土托板 5.旋耕裝置 6.仿靴形銳角開溝器 7.人字形齒輪傳動(dòng)箱

驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)主要由主機(jī)架、前置驅(qū)動(dòng)圓盤犁組、后置旋耕部件、中央齒輪傳動(dòng)箱、仿靴形銳角開溝器等組成。該機(jī)主要特點(diǎn)是：采用前后一體、左右對(duì)置式結(jié)構(gòu)，耕作部件采用雙軸傳動(dòng)，通過前后不同轉(zhuǎn)速對(duì)水稻秸稈進(jìn)行粉碎混埋，可一次性完成犁翻旋耕作業(yè)，適應(yīng)秸稈高度在400 mm以內(nèi)的高留茬地作業(yè)，可避免或減少旋耕機(jī)掛草壅土問題[19]。該機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of driven ploughing and reverse rotating combined tillage machine

驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)由輪式拖拉機(jī)提供動(dòng)力，作業(yè)時(shí)選用東風(fēng)井關(guān)T954型拖拉機(jī)。整機(jī)傳動(dòng)選用人字形齒輪傳動(dòng)箱[20]，機(jī)組傳動(dòng)示意圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig.5 Transmission diagram of driven plow-rotary combined tillage machine1.小錐齒輪 2.過渡齒輪Ⅰ 3.圓盤犁 4.驅(qū)動(dòng)圓盤犁軸 5.換向聯(lián)軸器 6.過渡齒輪Ⅱ 7.旋耕刀 8.萬向節(jié) 9.輸入轉(zhuǎn)軸 10.直齒輪 11.中間齒輪 12.輸出齒輪Ⅰ 13.輸出軸Ⅰ 14.輸出齒輪Ⅱ 15.旋耕刀軸

機(jī)組作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳遞給人字形齒輪箱上的小錐齒輪，再通過與其相嚙合的直齒大錐齒輪軸將動(dòng)力傳遞給中間齒輪，中間齒輪后開始采用人字形設(shè)計(jì)，動(dòng)力分別通過過渡齒輪Ⅰ和過渡齒輪Ⅱ傳遞到驅(qū)動(dòng)圓盤犁軸和旋耕刀軸上，驅(qū)動(dòng)圓盤犁軸帶動(dòng)圓盤和旋耕刀軸帶動(dòng)旋耕刀同步轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，驅(qū)動(dòng)圓盤犁軸與動(dòng)力輸出軸Ⅰ用換向聯(lián)軸器連接，保證圓盤犁工作所需角度。圓盤犁完成對(duì)秸稈切斷和土壤翻垡碎土作業(yè)，旋耕裝置進(jìn)一步完成細(xì)碎土壤，平整地表，滅茬作業(yè)。仿靴形銳角開溝器置于機(jī)組中部，對(duì)土壤進(jìn)行側(cè)向擠壓和溝底托平，形成完整溝型。通過犁耕與旋耕相匹配的聯(lián)合耕整，一次作業(yè)完成犁耕、旋耕、秸稈切碎還田、埋茬、開畦溝等多道工序，形成適宜油菜種床的耕層結(jié)構(gòu)。

3 主要工作部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

3.1 驅(qū)動(dòng)犁旋布局設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

3.1.1圓盤犁組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

目前犁耕部件主要有鏵式犁和圓盤犁兩種，為滿足油菜合理耕層犁耕深度不小于200 mm的要求，考慮驅(qū)動(dòng)圓盤犁與傳統(tǒng)鏵式犁相比，具有不易纏草堵塞、通過性好、碎土平整質(zhì)量高的特點(diǎn)，且驅(qū)動(dòng)圓盤犁在作業(yè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)的圓盤產(chǎn)生的土壤反力與機(jī)組前進(jìn)方向一致，可有效減小拖拉機(jī)牽引力，本設(shè)計(jì)機(jī)具選用驅(qū)動(dòng)圓盤犁組作為犁耕部件，驅(qū)動(dòng)圓盤犁組采用左右對(duì)置式排布，如圖6a，犁組所受側(cè)向力相互抵消。

圖6 驅(qū)動(dòng)犁組結(jié)構(gòu)布局與切土截面示意圖Fig.6 Structure layouts of driven plowing mechanism

驅(qū)動(dòng)圓盤犁組作業(yè)時(shí)，圓盤犁工作轉(zhuǎn)速、作業(yè)深度、工作偏角、耕幅為影響其作業(yè)性能的主要因素[21-23]。由于設(shè)計(jì)選用人字形齒輪傳動(dòng)箱，根據(jù)拖拉機(jī)PTO轉(zhuǎn)速及齒輪箱速比設(shè)定，圓盤犁的轉(zhuǎn)速應(yīng)為135～180 r/min。為滿足耕深不小于200 mm，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤耕作深度為200～230 mm，選取直徑610 mm、曲率半徑610 mm的驅(qū)動(dòng)圓盤犁。

驅(qū)動(dòng)圓盤犁工作偏角α的取值直接影響圓盤耙片曲面與土壤的接觸面積，進(jìn)而影響機(jī)具作業(yè)質(zhì)量。選擇合適的偏角有利于圓盤入土，增強(qiáng)翻垡能力。圓盤與土壤接觸面積與圓盤的臨界偏角β有關(guān)，若工作偏角α小于臨界偏角β，則圓盤犁片背面會(huì)擠壓未耕土壤，導(dǎo)致耕整機(jī)所需牽引力增大，功耗增加[24]。臨界偏角如圖7所示。

圖7 圓盤犁臨界偏角示意圖Fig.7 Critical angle of disc plow

圓盤犁所在球體的中心與圓盤犁最大斷面的垂直距離k的計(jì)算公式為

(1)

式中R0——圓盤犁曲率半徑，mm

D——圓盤犁直徑，mm

R1為圓盤犁片工作面與地表相交的圓弧的曲率半徑，由圖7可知

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)得圓盤犁臨界偏角β的表達(dá)式

(3)

其中圓盤犁直徑D=610 mm、曲率半徑R0=610 mm，且圓盤犁耕作深度H為200～230 mm，將數(shù)據(jù)代入式(3)得，圓盤犁的臨界偏角β為28.46°～29.23°，根據(jù)文獻(xiàn)[22]對(duì)圓盤犁的動(dòng)力學(xué)分析可知，圓盤犁工作偏角α應(yīng)大于臨界偏角β，為便于加工，圓盤犁工作偏角α取30°。

安裝間距直接影響圓盤犁作業(yè)效果，間距過小，則會(huì)出現(xiàn)雍土堵草現(xiàn)象；間距過大，則會(huì)出現(xiàn)漏耕現(xiàn)象。由圖6b幾何關(guān)系可知，單個(gè)圓盤犁耕幅為

(4)

由式(4)可得，單個(gè)圓盤犁耕幅b為286.0～295.6 mm。由于整機(jī)犁旋作業(yè)均為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)形式，考慮與該機(jī)匹配的拖拉機(jī)的承載能力，驅(qū)動(dòng)圓盤犁組總耕幅應(yīng)滿足

(5)

式中BQ——對(duì)置驅(qū)動(dòng)圓盤犁組總耕幅，mm

NQ——驅(qū)動(dòng)圓盤犁組所需配套功率，kW

NT——拖拉機(jī)許用輸出功率，kW

NX——后置旋耕部件配套動(dòng)力，kW

η——功率利用系數(shù)

Kq——功率消耗比

根據(jù)文獻(xiàn)[25]及機(jī)具配套動(dòng)力可得NT=75 kW，NX=60 kW，η為0.8～0.9，Kq為0.54～0.69，代入式(5)得BQ≤1 740 mm。因此，驅(qū)動(dòng)圓盤犁總數(shù)量為

(6)

由式(6)可得，最大圓盤犁數(shù)量Nmax≈6。故設(shè)計(jì)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組均由3個(gè)犁體組成，單個(gè)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組最大耕幅bmax為886.8 mm，考慮土壤撕扯及流動(dòng)特性，安裝間距DL取300 mm。

3.1.2犁旋耕深參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)圓盤犁組作業(yè)目的是對(duì)土壤翻耕和秸稈的切割埋覆，耕后地表平整度低，若土壤較黏重，則會(huì)形成大塊垡條，需要用旋耕機(jī)進(jìn)一步碎土平整，形成完整的種床廂面，為形成“深翻埋茬，上松下緊”油菜種床合理耕層中的疏松碎土層，旋耕部件起著至關(guān)重要的作用。

本機(jī)組旋耕是在犁耕作業(yè)后進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)作業(yè)地表的平整和松碎土壤的功能，所以選用適用于水田和旱地耕作的Ⅰ型刀片。由文獻(xiàn)[25]可知，旋耕刀片運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，在直角坐標(biāo)系中對(duì)刀片運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，取旋耕刀輥在某時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)中心為圓心O，機(jī)組前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，圓心O指向地表的方向?yàn)閥軸正向，如圖8所示。

圖8 刀片運(yùn)動(dòng)分析Fig.8 Blade motion analysis

當(dāng)機(jī)組以速度v勻速前進(jìn)、旋耕刀輥以角速度ω1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(7)

式中Rr——旋耕刀片回轉(zhuǎn)半徑，mm

v——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s

t——機(jī)組運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

由式(7)可得，刀片端點(diǎn)在x軸和y軸方向的運(yùn)動(dòng)分速度為

(8)

(9)

得刀片端點(diǎn)的絕對(duì)速度為

(10)

由式(10)可知，旋耕部件在運(yùn)動(dòng)過程中，刀片端點(diǎn)的速度隨時(shí)間不斷變化。若刀片端點(diǎn)在x軸方向運(yùn)動(dòng)的分速度與機(jī)組前進(jìn)方向一致，即vx>0時(shí)，刀片背部向前擠壓土壤，易導(dǎo)致土壤向前堆積，影響驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)；刀片端點(diǎn)在x軸方向運(yùn)動(dòng)的分速度與機(jī)組前進(jìn)方向相反，即vx<0時(shí)，刀刃向后切削土壤并拋土，可按預(yù)期完成碎土作業(yè)。所以為保證旋耕部件正常作業(yè)，須滿足vx<0。

設(shè)旋耕部件耕深為h，則有

h=Rr-y=Rr-Rrsin(ω1t)

(11)

而vx須滿足小于0，結(jié)合式(8)分析可得

Rr>h+v/ω1

(12)

驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)正常工作時(shí)，機(jī)組前進(jìn)速度v在0.58～1.0 m/s范圍內(nèi)，旋耕深度h為100～150 mm，旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為270～360 r/min，對(duì)應(yīng)刀輥回轉(zhuǎn)角速度ω1為28.28～37.70 rad/s。將數(shù)據(jù)代入式(12)計(jì)算得旋耕刀片回轉(zhuǎn)半徑須大于185.36 mm。

同時(shí)，由于人字形齒輪傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)限制，圓盤犁軸與旋耕刀軸上下距離d相差30 mm，圓盤犁直徑D=610 mm，犁耕深度H為200～230 mm，為了滿足油菜廂面種植深耕要求，犁旋耕深參數(shù)需要合理匹配，根據(jù)圖9耕深結(jié)構(gòu)示意圖可得

Rr=D/2-H+h-d

(13)

驅(qū)動(dòng)圓盤犁耕作深度為200～230 mm，旋耕深度為100～150 mm，代入式(13)計(jì)算可得Rr為145～225 mm。保證旋耕刀正常作業(yè)，即Rr>185.36 mm，同時(shí)考慮旋耕刀作用對(duì)象為翻耕后埋茬地表，為保證旋耕深度，選取回轉(zhuǎn)半徑Rr=245 mm的旋耕刀片，故選用IT245型旋耕刀片。

圖9 犁耕與旋耕深度結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structural schematic of tilling depth of ploughing and rotating mechanism

3.1.3刀片排列參數(shù)設(shè)計(jì)

旋耕作業(yè)性能與旋耕刀片排列方式密切相關(guān)，旋耕刀片的合理排列對(duì)減少切土組扭矩、提高作業(yè)質(zhì)量、降低作業(yè)功耗及提高機(jī)組平衡性有重要作用[26]。

為了減少旋耕裝置作業(yè)過程中的漏耕、夾土現(xiàn)象，避免裝配干涉的出現(xiàn)，旋耕刀軸向安裝時(shí)繞刀輥以雙頭螺旋線形式排列[27]。由于設(shè)計(jì)需要中間開畦溝，為避免中間土壤堆積或造成廂面不平情況，旋耕刀在切土拋土的過程中還需要實(shí)現(xiàn)向作業(yè)兩側(cè)送土的功能，所以刀片采用同向螺旋線排列，同時(shí)，為了防止土壤全部輸送至外側(cè)導(dǎo)致雍土現(xiàn)象，最外側(cè)刀采用對(duì)稱排布。同一平面內(nèi)方向相同的旋耕刀片相位角相差180°，即每個(gè)切土小區(qū)上安裝2把方向相同的旋耕刀片。為避免刀片之間發(fā)生秸稈與土壤混合堵塞現(xiàn)象，將相鄰切土小區(qū)的距離設(shè)計(jì)為107.5 mm,同一螺旋線上的同向相鄰旋耕刀升角為72°，綜上分析，旋耕刀片的數(shù)量設(shè)計(jì)為44，即左右刀輥上各安裝22把旋耕刀片，排布圖如圖10所示。

圖10 旋耕刀排布總體示意圖Fig.10 Diagram of rotary blade arrangement

3.2 同步中間開畦溝的犁體設(shè)計(jì)

兩驅(qū)動(dòng)圓盤犁組均向整機(jī)外側(cè)翻耕土壤，作業(yè)后中間開畦溝區(qū)域形成“凸埂”[23]。仿靴形銳角開溝器將開畦溝區(qū)域的土壤切削并向兩側(cè)擠壓，填埋內(nèi)側(cè)圓盤犁耕后形成的犁溝，從而將中間的“凸埂”作業(yè)形成梯形畦溝。若開畦溝區(qū)域過寬，則側(cè)向填埋的土量過多，作業(yè)后在靠近畦溝的廂面處會(huì)造成積土。若側(cè)向擠壓的土量過少，則不足以填埋圓盤犁耕后形成的溝。兩種情況均會(huì)影響靠近畦溝兩側(cè)廂面的平整度及開溝質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)在組合式船式開溝犁的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過一個(gè)仿靴形銳角開溝器的作用達(dá)到組合式船式開溝犁的開溝效果，犁體結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 仿靴形銳角開溝器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.11 Boot-shaped acute angle opener1.起土板 2.犁柱 3.仿靴整形板

根據(jù)油菜種植開畦溝的要求，設(shè)計(jì)的仿靴形銳角開溝器擬開出溝深150～250 mm、上溝寬300～400 mm、溝底寬200 mm的梯形畦溝。由于切削刃口曲線、犁體曲面為仿靴形銳角開溝器的作業(yè)效果的重要影響因素，下面對(duì)其加以設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。

3.2.1刃口曲線

仿靴形銳角開溝器采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前端兩破土曲面相交形成刃口曲線，本設(shè)計(jì)選用圓弧曲線作為刃口曲線，建立如圖12所示的直角坐標(biāo)系。選取圓弧上的兩點(diǎn)A(x1，y1)、B(x2，y2)，設(shè)圓弧曲線的圓心為O′，根據(jù)圓弧計(jì)算方程可得刃口曲線AB的方程為

(14)

式中RL——圓弧半徑，mm

圖12 刃口曲線設(shè)計(jì)示意圖Fig.12 Sketch of blade curve

由圖12可知

(15)

式中Hq——刃口曲線高度，mm

Lq——刃口曲線開度，mm

γ1——起始滑切角，(°)

γ2——終止滑切角，(°)

聯(lián)立式(14)、(15)可得刃口曲線AB的方程為

(16)

根據(jù)式(16)可知，刃口曲線AB的形狀由起始滑切角γ1、終止滑切角γ2、刃口曲線高度Hq決定。由于開溝器對(duì)土壤有滑切作用，根據(jù)文獻(xiàn)[28]，當(dāng)起始滑切角大于23°、終止滑切角為45°時(shí)，入土阻力最小，故刃口曲線的滑切角按此設(shè)計(jì)。仿靴形銳角開溝器理論開溝深度為200～300 mm，土壤經(jīng)旋耕作業(yè)后種床廂面高度上升，刃口曲線高度應(yīng)略高于理論開溝深度最大值，取Hq=350 mm，則刃口曲線方程為

(17)

根據(jù)刃口曲線方程可確定刃口曲線形狀，為加工制造提供理論基礎(chǔ)。

3.2.2犁體曲面

本文根據(jù)起壟與開溝裝置基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿靴形銳角開溝器犁體曲面的設(shè)計(jì)分析。設(shè)計(jì)犁體曲面如圖13所示，主要由導(dǎo)曲線DFO、仿靴整形曲面ABFO和擋土曲面BCDF組成。此曲面相較于其它犁體曲面較長，主要在對(duì)溝壁作用時(shí)，較長的仿靴整形曲面和擋土曲面對(duì)側(cè)壁的擠壓作用更有利于畦溝成型。

圖13 犁體曲面設(shè)計(jì)示意圖Fig.13 Schematic design of plow surface

擋土曲面BCDF參考起壟裝置的整形擋板設(shè)計(jì)，其傾斜角θ為擋土曲面的重要參數(shù)，其大小對(duì)于保證整形拖板對(duì)畦溝溝壁土壤進(jìn)行擠壓、防止溝邊土壤回流溝內(nèi)具有重要作用。根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，當(dāng)傾斜角θ過小，溝壁回土率減小，溝面面積會(huì)減小，造成油菜播種時(shí)邊行土壤不足；當(dāng)傾斜角θ過大，溝型穩(wěn)定性降低，溝壁回土率增大，排水防漬害能力降低。

仿靴整形曲面ABFO主要通過沿前進(jìn)方向擠推力Fx和側(cè)向擠壓力Fy作用，清理溝底土壤。根據(jù)空間力學(xué)關(guān)系可得

(18)

為保證擋土曲面的擋土擠壓作用和仿靴整形曲面的向前擠推與側(cè)向擠壓能力，選取傾斜角θ為45°，此時(shí)前進(jìn)方向推力Fx和側(cè)向擠壓力Fy相等。

為保證溝型完整性，仿靴整形曲面長度也影響土壤回流，其主要與機(jī)具作業(yè)速度、土壤落下高度有關(guān)。根據(jù)土壤在畦溝最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可以計(jì)算出整形擋板的長度極限值[15]。土壤從最高點(diǎn)落入溝內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡滿足

(19)

式中L——仿靴整形曲面長度，mm

vm——土壤顆粒水平方向的速度，m/s

vs——土壤顆粒垂直方向的速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

HL——土壤顆粒下落高度，mm

t1——土壤顆粒下落時(shí)間，s

機(jī)具前進(jìn)速度為0.58～1.0 m/s，取vm=1.0 m/s，設(shè)計(jì)開溝深度為150～250 mm，取HL=250 mm，重力加速度g取9.8 m/s2，代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得L=291 mm，即仿靴整形曲面的最小長度為291 mm，為更好地防止土壤顆粒落入溝內(nèi)且便于加工，取仿靴整形曲面長度為450 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在湖北省荊州市監(jiān)利縣水稻-油菜(輪作)全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地，土壤類型屬于粉質(zhì)粘壤土。田間試驗(yàn)包括驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)的性能試驗(yàn)與對(duì)照試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境特性參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)環(huán)境特性參數(shù)Tab.2 Characteristics of experimental environment

4.2 試驗(yàn)方法

驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)對(duì)指定田塊進(jìn)行作業(yè)，試驗(yàn)配套動(dòng)力為東風(fēng)井關(guān)T954型拖拉機(jī)，平均作業(yè)速度為2.6 km/h，耕整機(jī)作業(yè)過程如圖14a所示。設(shè)計(jì)一組旋耕機(jī)作業(yè)試驗(yàn)和一組被動(dòng)式犁旋耕整機(jī)作業(yè)試驗(yàn)與所設(shè)計(jì)機(jī)具試驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)照，旋耕機(jī)選用2BFQ-6型油菜直播機(jī)所用旋耕機(jī)，被動(dòng)式犁旋耕整機(jī)采用文獻(xiàn)[17]所設(shè)計(jì)的機(jī)具?？紤]到國內(nèi)暫無針對(duì)犁旋聯(lián)合作業(yè)機(jī)具的試驗(yàn)方法與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參考JB/T 10287—2015 《驅(qū)動(dòng)圓盤犁》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》以及NY/T 740—2003《田間開溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，通過調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位和手油門保證機(jī)組前進(jìn)速度為2.6 km/h，圓盤轉(zhuǎn)速為150 r/min，旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為300 r/min，機(jī)組沿直線行駛50 m，取中間行程30 m為穩(wěn)定測量區(qū)域，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，在測量區(qū)域等距取10個(gè)測量點(diǎn)，測繪每個(gè)測量點(diǎn)處的廂面斷面形狀，取每行程中間30 m作為穩(wěn)定測量區(qū)，對(duì)整機(jī)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行測試，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)指標(biāo)有：耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率、地表平整度、植被埋覆率、溝寬及溝寬穩(wěn)定性系數(shù)、溝深及溝深穩(wěn)定性系數(shù)。相關(guān)參數(shù)的測量方法參考文獻(xiàn)[16-17，22，26]。

圖14 驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)田間試驗(yàn)圖Fig.14 Field experimental charts of driven plow-rotary combined tillage machine

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)田間作業(yè)效果如圖14b所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)圓盤犁可有效切割秸稈，且與旋耕部件共同作用對(duì)秸稈與土壤進(jìn)行混埋，在平均厚度150 mm以上可形成碎土疏松層，整機(jī)作業(yè)深度在150～230 mm，實(shí)現(xiàn)了深翻埋茬，滿足油菜種床合理耕層的要求。整機(jī)作業(yè)效果較好，耕深穩(wěn)定性系數(shù)在90%以上，仿靴形銳角開溝器在中間開畦溝區(qū)域能開出明顯的梯形溝，上溝寬為356.8～402.6 mm，下溝寬為187.9～236.3 mm，溝深為205.6～250.0 mm。整機(jī)作業(yè)后廂面平整度為15.25～18.60 mm，碎土率為80.52%～88.43%，植被埋覆率為92.3%，廂面單幅寬度為852～956 mm，廂面質(zhì)量達(dá)到油菜播種要求[29-30]。

驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)及犁旋耕整機(jī)、單獨(dú)旋耕機(jī)作業(yè)效果圖如圖15所示，對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。耕深指標(biāo)不區(qū)分犁耕與旋耕，為犁旋耕整機(jī)作業(yè)后整體耕深測量情況，所有指標(biāo)均為測量結(jié)果的平均值。

對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)的耕深穩(wěn)定性系數(shù)、植被埋覆率、地表平整度均優(yōu)于對(duì)照組，但碎土率相較于對(duì)照組略低，說明旋耕機(jī)的轉(zhuǎn)速由于人字形齒輪傳動(dòng)箱的速比限制導(dǎo)致刀輥達(dá)不到較高轉(zhuǎn)速，碎土率相對(duì)較低；仿靴形銳角開溝器可開出明顯梯形溝，溝寬穩(wěn)定性系數(shù)和溝深穩(wěn)定性系數(shù)均達(dá)90%以上，均優(yōu)于對(duì)照組。

圖15 對(duì)照試驗(yàn)效果圖Fig.15 Effects of controlled field experiments

表3 對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of controlled field experiments

5 結(jié)論

(1)通過分析長江中下游水旱輪作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)特征、油菜不同時(shí)期根系生長特點(diǎn)和油菜生長對(duì)種床的要求，提出了適宜油菜生長的“深翻埋茬，上松下緊”種床合理耕層構(gòu)建方式。

(2)在油菜種床合理耕層構(gòu)建基礎(chǔ)上，研制了一種集主動(dòng)切翻埋茬(草)、旋耕碎土、平整開畦溝等多道工序?yàn)橐惑w的驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整機(jī)，包括對(duì)稱排布的驅(qū)動(dòng)圓盤犁組、旋耕裝置、仿靴形銳角開溝器等，一次作業(yè)可完成切翻埋茬、碎土平整、開溝等功能，為油菜播種提供了適宜種床。確定了圓盤犁組的工作偏角為30°、圓盤安裝間距為300 mm、工作轉(zhuǎn)速為135～180 r/min。進(jìn)行了犁旋耕深參數(shù)匹配設(shè)計(jì)與旋耕刀排布參數(shù)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了仿靴形銳角開溝器，確定了刃口曲線和犁體曲面參數(shù)。

(3)田間性能試驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)圓盤犁可有效切割與埋覆秸稈，且與旋耕部件共同作用對(duì)秸稈與土壤進(jìn)行混埋，在平均厚度150 mm以上可形成碎土疏松層，整機(jī)作業(yè)深度為150～230 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)為90.4%，實(shí)現(xiàn)了深翻埋茬，滿足油菜種床合理耕層的要求。仿靴形銳角開溝器在中間開畦溝區(qū)域能開出明顯的梯形溝，溝寬為200～400 mm，溝深為205.6～250.0 mm。整機(jī)作業(yè)后廂面平整度為15.25～18.60 mm，碎土率為80.52%～88.43%，植被埋覆率為92.3%，廂面單幅寬度為852～956 mm，廂面質(zhì)量達(dá)到油菜播種要求。