游兆延，吳惠昌，高學(xué)梅，王公仆，于向濤，胡潤(rùn)

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 池州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，安徽池州，247000)

0 引言

經(jīng)濟(jì)綠肥是指既能生產(chǎn)出較多農(nóng)產(chǎn)品而獲得較高的直接經(jīng)濟(jì)效益，又能生產(chǎn)出大量的副產(chǎn)品耕漚入土作綠肥的農(nóng)作物[1]。近年來(lái)，國(guó)家堅(jiān)持農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展新理念，深入推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量減施，以紫云英為代表的經(jīng)濟(jì)綠肥種植具有改良土壤、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和發(fā)展觀光農(nóng)業(yè)的作用，規(guī)模化種植經(jīng)濟(jì)綠肥既是踐行“綠肥+”產(chǎn)業(yè)機(jī)制的重要舉措，又已成為繼測(cè)土配方施肥后，實(shí)現(xiàn)我國(guó)質(zhì)量興農(nóng)和科技興農(nóng)的一項(xiàng)重要綠色生產(chǎn)方式[2-4]。

翻壓環(huán)節(jié)是經(jīng)濟(jì)綠肥生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)綠肥翻壓具有改變土壤理化性質(zhì)、增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。國(guó)外種植綠肥的主要目的是封閉雜草，種植方式采用單熟制或者休耕制，綠肥成熟后一般不翻壓到土壤里，常采用切斷后覆蓋在地表或由鎮(zhèn)壓輥筒壓青后使其在自然狀態(tài)下腐殖[7-9]，此外，荷蘭Van Wamel BV、德國(guó)FENDT等公司也研發(fā)了前置綠肥粉碎，后置五鏵或八鏵犁翻壓的聯(lián)合作業(yè)機(jī)，但上述翻壓聯(lián)合設(shè)備配套的拖拉機(jī)動(dòng)力均在220 kW 以上且需有前動(dòng)力輸出，在我國(guó)復(fù)種指數(shù)高、小田塊條件下，國(guó)外綠肥翻壓模式不能簡(jiǎn)單效仿和復(fù)制。當(dāng)前，我國(guó)紫云英等經(jīng)濟(jì)綠肥翻壓主要采用傳統(tǒng)的蓄力犁、旋耕機(jī)或鏵式犁等方式[10-13]。畜力犁費(fèi)時(shí)費(fèi)力，旋耕機(jī)多為小動(dòng)力配置，作業(yè)效率低，且翻壓后肥土效果不高，鏵式犁翻壓紫云英時(shí)多為整株翻壓，整株翻壓時(shí)紫云英莖稈分解速度較慢，在空茬期較短時(shí)肥效利用率不高，且整翻還田后對(duì)后茬作物的生長(zhǎng)也會(huì)有一定的影響[14-15]，另外，為了將紫云英完全翻壓入土，需加大耕深，導(dǎo)致動(dòng)力消耗巨大。

針對(duì)上述生產(chǎn)需求和現(xiàn)有綠肥翻壓方式的弊端，本文設(shè)計(jì)了一款GFY-200型經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)等參數(shù)設(shè)計(jì)，以期有效提高綠肥翻壓肥效的同時(shí)降低作業(yè)功耗。

1 經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

GFY-200型經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)主要由前懸掛裝置、變速箱、支撐管、粉碎翻壓裝置、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、限深裝置、罩殼拖板組件、動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥、液壓提升組件等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GFY-200型經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給變速箱，變速箱將動(dòng)力一部分經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給旋耕翻壓裝置，經(jīng)過(guò)拖拉機(jī)油門(mén)加速后帶動(dòng)安裝在旋耕翻壓裝置上的旋耕刀高速旋轉(zhuǎn)，在喂入口處形成負(fù)壓，綠肥莖稈吸起后在旋耕刀和土壤的綜合作用下被切斷、粉碎成細(xì)短莖稈，細(xì)短莖稈夾雜著土壤一起在旋耕刀軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，被拋到安裝在刀軸后方的罩殼拖板組件，莖稈和土壤混合物經(jīng)覆土蓋板組件作用后均勻撒落在作業(yè)的幅寬內(nèi)；同時(shí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的另一部分動(dòng)力經(jīng)鏈輪傳動(dòng)后驅(qū)動(dòng)位于罩殼拖板組件后部的動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥，動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥將罩殼拖板組件作用后的莖稈和土壤混合物進(jìn)一步鎮(zhèn)壓，使作業(yè)后的地表更加平整，增加土壤保墑效果的同時(shí)提高了綠肥翻壓的肥效。

1.3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

GFY-200型經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 粉碎翻壓組件

粉碎翻壓組件如圖2所示，主要由旋耕刀輥、旋耕刀、刀座、齒輪箱、聯(lián)軸器、軸承端蓋等組成，作業(yè)時(shí)，旋耕刀軸由變速箱驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，安裝在旋耕刀軸上的40把旋耕刀對(duì)田間土壤和綠肥莖稈實(shí)施耕作、切斷、粉碎等作業(yè)。

圖2 粉碎翻壓組件三維示意圖

圖3所示為旋耕刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，作業(yè)時(shí)，刀軸上旋耕刀上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為余擺線，刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程

(1)

式中：R——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，mm；

ω——旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

vm——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；

λ——旋耕速比。

圖3 旋耕刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4所示為旋耕機(jī)切土節(jié)距和旋耕后耕層底部凸起高度，圖中將土垡的水平縱向厚度L稱為切土節(jié)距，α1為旋耕后耕層底部會(huì)出現(xiàn)波浪形的凸起高度，凸起高度大小除與旋耕速比λ和旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R有關(guān)外，還與旋耕刀輥單元切削小區(qū)內(nèi)設(shè)置的刀片數(shù)N有關(guān)[16]，其關(guān)系

L=2vmπ/ωN

(2)

α1/R=1-cos[π/N(λ-1)]

(3)

根據(jù)綠肥種植土壤和含水率情況，對(duì)含水率在20%～35%的輕中粘度稻田土壤中，切土節(jié)距取6～10 cm較為合適[16]，本機(jī)旋耕刀型號(hào)選擇水田寬刀IT245，旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R為245 mm，旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為387 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度為2.5～3.0 km/h，取平均速度2.75 km/h, 設(shè)置旋耕刀輥單元切削小區(qū)內(nèi)刀片數(shù)為2，帶入式(1)計(jì)算得到旋耕速比λ為12.76，旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度為39.77 rad/s，帶入式(2)、式(3)，求得切土節(jié)距L為6.03 cm，凸起高度α1為0.002 18 m，故凸起高度較小，切土節(jié)距和凸起高度大小滿足旋耕機(jī)碎土質(zhì)量和耕底平整度要求。

圖4 切土節(jié)距和耕層凸起高度

2.2 罩殼拖板組件

罩殼拖板組件如圖5所示，主要由罩殼、鉸鏈、安裝支耳、彈簧、強(qiáng)壓桿等組成。罩殼固定在旋耕刀輥右上方，用于擋住旋耕刀拋出的土塊和切碎的綠肥莖稈，并使其在碰撞過(guò)程中進(jìn)一步破碎、混合，同時(shí)還起到安全和防護(hù)作用。罩殼與刀輥間的空隙，前緣3～4 cm，后緣7～8 cm。罩殼橫截面呈多折線形，拖板對(duì)粉碎翻壓后地表起平整和稍加壓實(shí)的作用，橫截面為折線形，拖板前緣與罩殼鉸接，后緣位置用壓力彈簧調(diào)節(jié)。拖板加壓力彈簧強(qiáng)壓后，能提高碎土、平整地表和壓實(shí)表土的效果。

圖5 罩殼拖板組件三維示意圖

2.3 動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥組件

動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥組件如圖6(a)所示，主要由主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、鏈罩、鎮(zhèn)壓輥、軸承、鎮(zhèn)壓輥焊接軸頭等組成。鎮(zhèn)壓輥采用動(dòng)力鏈輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，能夠有效減少鎮(zhèn)壓輥纏繞率，顯著提高鎮(zhèn)壓輥壓實(shí)效果，防止綠肥莖稈被風(fēng)吹出田塊或者田塊灌水后脫離土壤層，增加土壤保墑效果的同時(shí)提高綠肥翻壓的肥效。鎮(zhèn)壓輥接地情況如圖6(b)所示，由圖6可知，鎮(zhèn)壓輥接地面積

S=BlAB=BβD/2

(4)

(5)

式中：B——鎮(zhèn)壓輥長(zhǎng)度，cm；

lAB——鎮(zhèn)壓輥與地面接觸弧長(zhǎng)，cm；

β——接觸角，(°)；

D——鎮(zhèn)壓輥直徑，cm；

z0——下陷量，cm。

(a) 動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥組件三維圖

鎮(zhèn)壓輥下陷量z0取0.8 cm，已知用于壓緊表層土壤時(shí)，鎮(zhèn)壓器直徑范圍16～50 cm，設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輥尺寸為(長(zhǎng)度×直徑)207 cm×22 cm，帶入式(4)和式(5)，經(jīng)計(jì)算得到接地面積S=873.6 cm2，實(shí)際測(cè)得鎮(zhèn)壓輥輥筒重85 kg，以G代表其重力大小，則G近似為850 N， 鎮(zhèn)壓輥輥筒工作時(shí)變形較小，可近似看作無(wú)彈性變形剛體，忽略鎮(zhèn)壓輥下土壤向兩側(cè)流動(dòng)，則接地面上邊緣和中心部位的土壤被同等程度地壓緊[17]，鎮(zhèn)壓輥接地壓強(qiáng)

(6)

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

GFY-200型經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)試驗(yàn)分別于2019年9月20日、2020年4月9日在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所溧水白馬基地夏綠肥種植地和池州市貴池區(qū)秋江街道冬綠肥種植地進(jìn)行。夏綠肥試驗(yàn)田塊長(zhǎng)為80 m，寬60 m，土壤類(lèi)型為粘土，用DT-321S溫濕度計(jì)測(cè)得土壤絕對(duì)含水率為14.06%(0～20 cm)，土壤堅(jiān)實(shí)度由TYD-2型土壤硬度計(jì)測(cè)得為1 034.4 kPa(0～20 cm)，夏季經(jīng)濟(jì)綠肥翻壓品種為黑豆、印度豇豆和決明子，配套動(dòng)力為耕王RS1254拖拉機(jī)。冬綠肥試驗(yàn)田塊長(zhǎng)為200 m，寬150 m，土壤類(lèi)型為粘土，測(cè)得土壤絕對(duì)含水率為45.24% (0～20 cm)，土壤堅(jiān)實(shí)度為965 kPa(0～20 cm)，冬季經(jīng)濟(jì)綠肥翻壓品種為紫云英，配套動(dòng)力為江淮804拖拉機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方法

為考察經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)作業(yè)質(zhì)量，參考GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》、JB/T 6678—2001《秸稈粉碎還田機(jī)》和GB/T 14225—2008《鏵式犁》等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)田間作業(yè)性能試驗(yàn)(圖7)，選取綠肥翻壓深度、莖稈粉碎長(zhǎng)度合格率、綠肥掩埋率作為綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)工作性能的測(cè)試指標(biāo)，每個(gè)綠肥品種翻壓時(shí)作業(yè)行程測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為20 m，每個(gè)綠肥品種翻壓需完成3個(gè)作業(yè)行程。

(a) 黑豆翻壓

綠肥翻壓深度測(cè)定方法如下：在綠肥粉碎翻壓復(fù)式機(jī)作業(yè)幅寬條帶上，隨機(jī)選取1個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)度0.5 m。將其垂直挖溝，直到露出掩埋最深綠肥莖葉，在開(kāi)溝截面上選取大于5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并測(cè)量這些測(cè)定上掩埋最深綠肥莖葉距離地表的垂直距離，按式(7)計(jì)算綠肥翻壓深度。

(7)

式中：aj——綠肥翻壓深度，mm；

ai——第i點(diǎn)掩埋最深綠肥莖葉距離地表的垂直距離，mm；

n——測(cè)定點(diǎn)數(shù)。

綠肥粉碎長(zhǎng)度合格率測(cè)量方法為：每個(gè)行程內(nèi)隨機(jī)選取1個(gè)測(cè)點(diǎn)，依據(jù)GB/T 24675.6—2009方法，抽取不少于500 g的被掩埋的綠肥莖稈樣品，稱其重量，從中挑出粉碎長(zhǎng)度不合格的綠肥莖稈(≥200 mm，不包括須根及兩端的韌皮纖維)稱重[18]，計(jì)算每點(diǎn)的綠肥粉碎長(zhǎng)度合格率，求平均值，按式(8)計(jì)算綠肥粉碎長(zhǎng)度合格率。

(8)

式中：F——綠肥粉碎長(zhǎng)度合格率，%；

Ai——第i點(diǎn)掩埋綠肥質(zhì)量，g；

Asi——第i點(diǎn)長(zhǎng)度不合格綠肥質(zhì)量，g。

綠肥掩埋率測(cè)定方法如下：每個(gè)行程不少于3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在已耕地上取寬度為400 cm，長(zhǎng)度為30 cm的區(qū)域，分別測(cè)定地表以上的紫云英植被質(zhì)量、地表以下8 cm深度內(nèi)的紫云英植被質(zhì)量以及8 cm以下耕層內(nèi)的紫云英植被質(zhì)量，綠肥掩埋率計(jì)算公式如式(9)。

(9)

式中：z1——露在地表以上的紫云英植被質(zhì)量，g；

z2——8 cm深度內(nèi)的紫云英植被質(zhì)量，g；

z3——8 cm以下紫云英植被質(zhì)量，g。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可得，溧水夏綠肥種植試驗(yàn)地黑豆、印度豇豆、決明子等3個(gè)品種綠肥生物量分別為17 275 kg/hm2、13 932 kg/hm2和3 825 kg/hm2，池州冬綠肥種植試驗(yàn)地紫云英生物量為39 514 kg/hm2，測(cè)得機(jī)具翻壓黑豆時(shí)翻壓深度為15.4 cm，粉碎長(zhǎng)度合格率為70.4%，綠肥掩埋率為94.4%，翻壓印度豇豆時(shí)翻壓深度為16.9 cm，粉碎長(zhǎng)度合格率為74%，綠肥掩埋率92.5%，翻壓決明子時(shí)翻壓深度為17.7 cm，粉碎長(zhǎng)度合格率為89.5%，綠肥掩埋率90.6%，翻壓紫云英時(shí)翻壓深度為17.6 cm，粉碎長(zhǎng)度合格率為91.0%，綠肥掩埋率95.6%，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，黑豆、印度豇豆2個(gè)夏綠肥品種翻壓時(shí)，由于莖稈韌性較大，導(dǎo)致粉碎長(zhǎng)度合格率不高，為獲取高質(zhì)量翻壓效果可適當(dāng)提前其翻壓期。經(jīng)計(jì)算，4個(gè)品種冬、夏綠肥平均生物量為18 636.5 kg/hm2，平均翻壓深度為16.9 cm，平均莖稈粉碎長(zhǎng)度合格率為82.35%，綠肥平均掩埋率為93.28%，工作效率可達(dá)0.67～1.0 hm2/h，經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[19-20]。

為驗(yàn)證綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)是否實(shí)現(xiàn)低能耗作業(yè)需求，選用AXL-R-15型數(shù)顯拉力計(jì)，試驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)備2臺(tái)常發(fā)1504型拖拉機(jī)，利用一臺(tái)拖拉機(jī)掛倒擋牽引另外一臺(tái)拖拉機(jī)測(cè)量傳統(tǒng)犁正常作業(yè)時(shí)牽引力大小，牽引試驗(yàn)前，將數(shù)顯拉力機(jī)切換至PEAK鍵，隨著牽引力測(cè)量值的變動(dòng)，液晶顯示區(qū)始終實(shí)時(shí)鎖定測(cè)得的最大測(cè)量值，記為該次試驗(yàn)測(cè)得的牽引力大小[21]，利用上述方法測(cè)得拖拉機(jī)工作阻力為1.7 kN，傳統(tǒng)犁牽引力42.3 kN，機(jī)具前進(jìn)速度按6 km/h計(jì)算，可得傳統(tǒng)犁作業(yè)功率為70.5 kW，已知滿足經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)正常作業(yè)最小功率消耗為45 kW，計(jì)算可得經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)作業(yè)功耗較傳統(tǒng)鏵式犁作業(yè)功耗降低約36.17%。

(a) AXL-R-15型拉力計(jì)

4 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)，并對(duì)粉碎翻壓組件、罩殼拖板組件、動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥組件等關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，有效提高經(jīng)濟(jì)綠肥翻壓肥田效果的同時(shí)，功率消耗較傳統(tǒng)犁作業(yè)相比降低36.17%。

2) 為滿足旋耕機(jī)碎土質(zhì)量和耕底平整度要求，設(shè)計(jì)粉碎翻壓組件旋耕速比為12.76，切土節(jié)距L為6.03 cm，凸起高度α1為0.002 18 m；設(shè)計(jì)罩殼拖板組件，顯著提高碎土、平整地表和壓實(shí)表土效果；設(shè)計(jì)動(dòng)力鎮(zhèn)壓輥組件，并確定鎮(zhèn)壓輥尺寸，鎮(zhèn)壓輥長(zhǎng)度為207 cm，直徑為22 cm，鎮(zhèn)壓輥接地壓強(qiáng)為9.73 kPa。

3) 對(duì)4個(gè)品種冬、夏綠肥田間翻壓試驗(yàn)結(jié)果表明，平均翻壓深度為16.9 cm，平均粉碎長(zhǎng)度合格率為82.35%，綠肥掩埋率為93.28%，經(jīng)濟(jì)綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)工作效率可達(dá)0.67～1.0 hm2/h，試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可滿足經(jīng)濟(jì)綠肥規(guī)?；N植地區(qū)對(duì)高效、低能耗、高掩埋率機(jī)械化翻壓裝備需求。