李向軍，吳家安，趙大勇，張成亮，周福君

(1. 哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院，哈爾濱市，150029； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學，哈爾濱市，150030)

0 引言

我國東北三省黑土耕作區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一[1]，在實現(xiàn)糧食十三連增背后也導致土地過度開發(fā)，大量化肥農(nóng)藥的施用，造成土壤板結，黑土層變薄，土壤質(zhì)量逐年下降[2-4]。目前最有效辦法就是采用保護性耕作，讓秸稈和殘茬覆蓋地表，實行免耕或少耕，既提高土壤肥力、抑制沙塵，又避免焚燒[5-8]。但是東北三省地區(qū)作物收獲后至次年春季播種期間氣溫低，秸稈基本不腐爛，導致播種施肥、中耕除草、病蟲害防御、起壟等田間作業(yè)無法正常進行。所以，根茬秸稈處理是免耕或少耕播種機作業(yè)的關鍵步驟，處理是否得當，關系到后續(xù)作業(yè)會不會出現(xiàn)機具堵塞，架種、晾種等現(xiàn)象[9-10]。

國外實施保護性耕作的地區(qū)，多為單熟休耕制，保證秸稈有充足的時間進行腐爛，即使不腐爛，作業(yè)時秸稈的韌性也會變得很差，容易切碎分流；國外的大型免耕播種機大多數(shù)采用牽引式，機具的秸稈處理裝備采用鋸齒式或波浪形式圓盤開溝器，如意大利MTRNo-Till4型免耕播種機、美國約翰迪爾455系列免耕播種機、法國庫恩SD4000型列免耕播種機。此類機具的前后間距較大，使得秸稈的流動性變好，提高了機具的通過性和防堵性能。而我國實施保護性耕作技術的時間較晚，目前只在個別省市地區(qū)進行小面積推廣，但受到當?shù)胤N植模式和拖拉機配套動力的影響，大多數(shù)引進或研制中小型懸掛式免耕播種機，以此適應地塊小和配套動力小的問題[11-12]，相應機具的行間距變小，導致秸稈流動性差；離地間隙小，會進一步加大秸稈擁堵現(xiàn)象的發(fā)生，且大多數(shù)秸稈清理裝置存在擾土量大、壟臺損壞較重、壟溝秸稈不能處理等問題，導致后期中耕除草出現(xiàn)壓苗和傷苗情況[13-21]。針對這一現(xiàn)狀，本文將免耕播種與農(nóng)藝相結合，研制了保護性耕作秸稈預處理機，該機利用旋轉的螺旋齒桿將預播種苗帶秸稈撥至壟溝，通過攪拌裝置將噴有腐熟劑的秸稈與表層土壤充分混合并歸位，一次下地可完成種帶秸稈分流、粉碎根茬、噴藥、攪拌、鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)，使免耕或少耕播種技術在東北壟作地區(qū)得到充分發(fā)揮。

1 整體結構及工作原理

1.1 整體結構設計

整機主要由機架、腐熟劑輸送管路、藥箱、吊掛架、鎮(zhèn)壓輥、防護罩、液泵、噴頭、攪拌刀軸、秸稈橫向推移機構等組成。該機具的核心部件及作用：橫向推移機構用于實現(xiàn)種帶秸稈和根茬清理；攪拌刀軸用于壟溝內(nèi)的秸稈和土壤與腐熟劑的攪拌；藥物噴灑和防護裝置用于混合物歸位；具體整體結構如圖1所示，表1為相應的技術參數(shù)。

圖1 整機結構圖Fig. 1 Structure diagram of whole machine1.吊掛架 2.藥箱 3.腐熟劑輸送管路 4.機架 5.鎮(zhèn)壓輥6.防護罩 7.液泵 8.噴頭 9.秸稈橫向推移機構 10.攪拌刀軸

表1 技術參數(shù)Tab. 1 Technical parameters

1.2 工作原理

作業(yè)時，在拖拉機牽引下，通過三點懸掛帶動整機前行；首先，通過旋轉的秸稈橫移刀軸將原種床上的秸稈橫向推至壟溝內(nèi)，同時對剩余根茬進行破碎；其次，用液泵將腐熟劑箱內(nèi)的腐熟劑經(jīng)腐熟劑輸送管路送至噴頭處，噴灑在壟溝內(nèi)的秸稈和根茬上；之后，由攪拌刀軸將已噴灑腐熟劑的秸稈和根茬與壟溝內(nèi)的表層土壤在∏形封擋板內(nèi)充分混合攪拌；最后，用腰鼓形壓實輥對壟溝內(nèi)噴有腐熟劑的秸稈、根茬和土壤的混合物進行壓實作業(yè)，以此加快秸稈和根茬的分解腐熟速度，培肥地力，防止病蟲害發(fā)生。

2 關鍵部件設計

2.1 秸稈橫向推移機構設計

2.1.1 結構布局

該結構由破茬桿、螺旋葉片和驅(qū)動軸等組成，具體結構如圖2所示。工作時，旋轉的秸稈橫移驅(qū)動軸帶動破茬桿和螺旋葉片進行轉動，通過螺旋破茬桿將原種床上的根茬從土壤中挖掘出并進行破碎，并利用螺旋葉片將原種床上的秸稈橫向推至壟溝內(nèi)。

圖2 秸稈橫向推移機構Fig. 2 Structure of straw transverse driving1.驅(qū)動軸 2.螺旋葉片 3.破茬桿

2.1.2 結構參數(shù)

根據(jù)東北地區(qū)玉米根茬的物理性狀和力學性能，需對地表下50 mm范圍內(nèi)的根茬進行粉碎，故破茬桿的入土深度h為50 mm；破茬桿的直徑影響挖掘根茬的效果，當破茬桿過粗會增加能耗，如過細則容易變彎，所以結合文獻研究[22-23]，選用破茬桿直徑d為10 mm；同時本裝置只對種帶秸稈進行清理，其寬度L定為200 mm，破茬桿回轉半徑R為290 mm。

2.1.3 驅(qū)動軸轉速確定

如圖3所示，在整機勻速作業(yè)時，破茬桿的絕對運動由整機的前進運動與驅(qū)動軸的回轉運動所合成，Vm為整機前進速度，ω為驅(qū)動軸角速度。假設破茬桿的頂端點為P(X,Y)，驅(qū)動軸中心為原點，機具前進方向為X軸，豎直方向為Y軸，則頂點P(X,Y)的運動方程

(1)

圖3 破茬桿軌跡示意圖Fig. 3 Sketch diagram of the track of stubble breaking cutters

式中：ω——驅(qū)動軸角速度，rad/s；

Vm——整機前進速度，m/s；

R——破茬桿回轉半徑，m。

將式(1)對時間t求一階導數(shù)，可得

(2)

則切削速度

(3)

對式(3)進一步簡化，可得

(4)

(5)

(6)

式中：v1——破茬桿線速度，m/s；

h——破茬桿入土作業(yè)深度，mm。

依據(jù)國內(nèi)一些滅茬機參數(shù)值進行計算，得出vq≈0.9v1，當要求vq為13.5 m/s，則v1=15.1 m/s。當破茬桿的回轉半徑R過大時，會降低破茬桿的強度，所以本裝置確定R為290 mm，將數(shù)值代入式(6)，可得驅(qū)動軸轉速為500 r/min。

2.2 攪拌刀軸設計

由于東北地區(qū)在秋季收獲后至次年春季播種前的平均氣溫低、風大且濕度較小，秸稈在此期間是無法腐爛的。噴灑腐熟劑是目前在加快秸稈快速分解方面的有效方法之一，但大部分只對表面秸稈進行噴灑，在東北特定的溫度和濕度下，該方法只能分解表層秸稈，為解決上述問題，創(chuàng)新研制一種攪拌裝置，該裝置將噴灑后的秸稈和表層土壤充分攪拌，使藥液、土壤和秸稈均勻接觸，并在腰鼓形壓實輥的鎮(zhèn)壓作業(yè)后，使土壤的水分不流失，保證腐熟劑所需要的濕度。

攪拌刀軸由攪拌軸和攪拌刀總成組成，如圖4所示，每組攪拌刀呈螺旋對稱分布，其外形呈凸形，非常符合壟作地區(qū)的壟形特點，使每把刀的作業(yè)深度均勻一致，保證每把刀受力均衡。

圖4 攪拌刀軸結構圖Fig. 4 Structure diagram of agitator shaft1.攪拌刀總成 2.攪拌軸

攪拌刀總成由桶式殼體、端蓋、螺栓、壓力彈簧和勺式攪拌刀構成，具體結構如圖5所示。壓力彈簧配裝在桶式殼體內(nèi)，勺式攪拌刀的上端插裝在端蓋上，可軸向移動，端蓋通過螺栓固裝在桶式殼體上，壓力彈簧配裝在勺式攪拌刀的下端。

圖5 攪拌刀總成結構圖Fig. 5 Structure drawing of agitator knife assembly1.桶式殼體 2.壓力彈簧 3.端蓋 4.螺栓 5.勺式攪拌刀

攪拌刀總成在田間攪拌作業(yè)時，在壟溝地表土壤和秸稈的共同阻力作用下，勺式攪拌刀在桶式殼體內(nèi)做軸向伸縮運動，并在壓力彈簧的反作用力下產(chǎn)生振動，不僅保證入土深度范圍的準確性，還避免秸稈、根茬對攪拌刀總成纏繞，以及土壤對攪拌刀的粘附，大大提高攪拌刀的攪拌效果和整機的作業(yè)效率。

由土壤和秸稈前期的攪拌試驗可知，攪拌刀的縱向受力約為850 N，攪拌刀對彈簧壓縮量為50 mm。當彈簧慣性忽略不計和攪拌時能量沒有損失時，由圓柱螺旋壓縮彈簧的計算公式，可得

(7)

H0=pm+1.5d

(8)

(9)

D——中徑，mm；

d——材料直徑，mm；

F——工作載荷，N；

f——作業(yè)載荷下的變形量，mm；

G——切變模量，MPa；

k——彈簧剛度，N/mm；

p——節(jié)距，p=(0.28-0.5)D，mm；

H0——自由長度，mm；

m——有效圈數(shù)。

彈簧材料按照GB/T 1239.6—1992選用熱軋彈簧鋼65Mn，切變模量G=7.8×103MPa，由于桶式殼體高為50 mm，所以彈簧的變形量f為50 mm。彈簧中徑D為38 mm，材料直徑d為5 mm，彈簧剛度k約為17，根據(jù)GB/T 1358—2009選用彈簧的有效圈數(shù)m為7圈，自由長度H0為85 mm。

2.3 藥物噴灑及防護裝置設計

噴灑防護裝置由左側板、上蓋板、噴頭、右側板等組成，該裝置的作用是防止攪拌后的混合物再次回落在種床位置，影響后期播種作業(yè)。東北地區(qū)的種植壟距為650～700 mm，為保證種床的有效寬度150 mm，所以將防護裝置的寬度設定為500～550 mm，具體數(shù)值視當?shù)厍闆r而定，結構如圖6所示，在上蓋板的前后兩側分別安裝4個噴頭，該藥物噴灑裝置根據(jù)秸稈覆蓋量大小，可以實時進行噴灑藥量的調(diào)節(jié)，保證攪拌后的混合物能夠均勻等量的附有藥液。

圖6 藥物防護裝置Fig. 6 Structure of drug protective device1.右側板 2.噴頭 3.上蓋板 4.左側板

3 試驗結果及分析

3.1 試驗條件

根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定》對該機具進行田間試驗。試驗地位于哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)示范中心基地。年平均氣溫4.5 ℃，年降雨量569.1 mm，年日照數(shù)2 348.3～2 802.8 h。土壤類型為黑質(zhì)黏土，土壤平均含水率為22%，土壤平均堅實度為2.1 MPa，地面覆蓋物為機器收獲后的玉米秸稈，根茬高度小于100 mm。

3.2 試驗方法

本研究以秸稈橫向推移機構為主要研究對象進行試驗。選取破茬桿在螺旋方向上的間距(簡稱間距)、破茬桿的螺旋間距(簡稱螺距)及驅(qū)動軸轉速(簡稱轉速)為試驗影響因素，因素水平編碼見表2。

表2 因素水平編碼表Tab. 2 Coding list of factor level

3.3 試驗指標

根據(jù)秸稈預處理機的農(nóng)藝要求，本試驗以種帶秸稈覆蓋率和根茬粉碎率作為主要的性能評價指標進行分析。其中種床覆蓋率

(10)

式中：Fb——種帶秸稈覆蓋率，%；

Wq——耕前種帶區(qū)域的秸稈質(zhì)量平均值，g；

Wh——耕后種帶區(qū)域的秸稈質(zhì)量平均值，g。

根茬粉碎率

(11)

式中：Fg——根茬粉碎率，%；

Mh——合格根茬質(zhì)量，g；

Mz——根茬總質(zhì)量，g。

3.4 試驗結果

以各影響因素水平編碼值為自變量，以種帶秸稈覆蓋率和根茬粉碎率為響應指標的試驗方案及結果，如表3所示。

表3 試驗設計與結果Tab. 3 Experiment design and results

3.5 試驗分析

3.5.1 種帶秸稈覆蓋率回歸模型的建立和顯著性檢驗

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，應用Design-Expert軟件處理，得出間距、螺距和轉速對種帶秸稈覆蓋率影響的方差分析，如表4所示。對表3數(shù)據(jù)進行一次多元回歸擬合，建立種帶秸稈覆蓋率的回歸方程

Fb=5.83+1.33x1-1.36x2+1.87x3

(12)

表4 各因素對秸稈覆蓋率影響的方差分析Tab. 4 Variance analysis of each factor influence tostraw coverage

由種帶秸稈覆蓋率方差分析結果可知，因素x1、x2、x3在置信水平α=0.01時對種帶秸稈覆蓋率的影響極顯著，各因素對秸稈覆蓋率顯著性影響依次是轉速、螺距和間距。

3.5.2 根茬粉碎率回歸模型的建立和顯著性檢驗

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，應用Design-Expert軟件處理，得出間距、螺距和轉速對根茬粉碎率影響的方差分析，如表5所示。對表3數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，建立根茬粉碎率的二次回歸方程。

Fg=90.88+3.88x1-3.04x2+3.40x3-

0.66x1x3-1.08x2x3

(13)

表5 各因素對根茬粉碎率影響的方差分析Tab. 5 Variance analysis of each factor influence tostubble crushing rate

3.6 參數(shù)優(yōu)化及田間驗證

采用主目標函數(shù)優(yōu)化法，保證最低種帶秸稈覆蓋率情況下，獲得最高根茬粉碎率的最佳工作參數(shù)，由Design-Expert軟件進行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)組合：間距為26 mm、轉速為500 r/min、螺距為105 mm。

為驗證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，按照最佳參數(shù)組合進行5次重復試驗，對試驗結果取平均值，得到覆蓋率和粉碎率的結果，試驗結果如表6所示。

表6 試驗結果Tab. 6 Test result

由表6可知，平均覆蓋率為3.45%，平均粉碎率為88.91%。與現(xiàn)有秸稈預處理裝備相比，該裝備不僅使種帶秸稈覆蓋率降低了9.96%，種帶殘茬粉碎率提高了8.91%，能夠滿足播種的農(nóng)藝要求，而且該裝備可通過噴施腐熟劑加快秸稈腐爛速度，保證中耕施肥和除草作業(yè)的順利進行，還能有效控制病蟲害的發(fā)生，這也是現(xiàn)有秸稈預處理裝備所不具備的功能。通過后期種子出苗率情況來看，出苗率達到94%，如圖7和圖8所示，該裝備能夠滿足播種農(nóng)藝要求。

(a) 試驗前地表狀況

(b) 機具作業(yè)后地表狀況圖7 作業(yè)前后秸稈覆蓋效果Fig. 7 Effect of straw mulching before and after operation

圖8 種子出苗效果Fig. 8 Effect of seed emergence

4 結論

1) 針對現(xiàn)有秸稈預處理裝備在作業(yè)時易發(fā)生堵塞，導致種帶秸稈處理不干凈的問題，設計一種新型的壟作免耕播種秸稈預處理機，該機具通過旋轉式橫向推移機構將苗帶秸稈撥致壟溝中，利用破茬桿將根茬挖出并進行破碎，該方法不僅有效防止秸稈壅堵，且為后期播種提供一個良好的種床環(huán)境；利用攪拌刀軸將壟溝的秸稈與表層土壤充分混合，并噴施腐熟劑，以加速秸稈的腐爛，達到培肥地力，防止病蟲害發(fā)生，增產(chǎn)增收效果非常明顯。

2) 選取關鍵部件秸稈橫向推移機構的破茬桿的間距、螺距及轉速為影響因素，以種帶秸稈覆蓋率和根茬粉碎率為評價指標，通過分析得出在間距為26 mm、螺距為105 mm、轉速為500 r/min時秸稈覆蓋率和根茬粉碎率達到最優(yōu)，通過田間試驗驗證，得出覆蓋率3.45%、根茬粉碎率88.91%，符合玉米免耕或少耕播種要求。