○甘肅省 張掖市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站 沈立新

自2016 年以來，在深松補貼政策的助推下，機械聯(lián)合整地技術(shù)在甘肅省得到了迅速推廣應(yīng)用，特別是“前松后旋”聯(lián)合整地技術(shù)模式因適應(yīng)性較強、效率較高以及深松旋耕一次完成等優(yōu)點，逐漸被種植大戶、農(nóng)機服務(wù)組織以及規(guī)模經(jīng)營主體廣泛采用，成為機械聯(lián)合整地作業(yè)的主流模式，但“前松后旋”聯(lián)合整地模式存在能耗高、機具笨重、基本結(jié)構(gòu)不盡合理等突出問題。為此，我們連續(xù)三年對“前松后旋”聯(lián)合整地作業(yè)模式在改善土壤結(jié)構(gòu)、抗旱保墑、減少水土流失和增收等方面發(fā)揮的作用進行了跟蹤監(jiān)測，獲得了大量詳實數(shù)據(jù)，通過分析研究，針對“前松后旋”聯(lián)合整地作業(yè)模式存在的實際問題，改進設(shè)計了一種節(jié)能型深松整地聯(lián)合機械，即基于“前旋后松”模式下的聯(lián)合整地機械。

一、整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.基本結(jié)構(gòu)?！扒靶笏伞甭?lián)合深松整地機由旋耕機總成、深松機總成、鎮(zhèn)壓裝置和懸掛架等4部分構(gòu)成，各組成部件的工作順序依次為旋耕——深松——鎮(zhèn)壓，旋耕機設(shè)置在整機最前端，其后與深松機聯(lián)結(jié)，整機末端設(shè)置鎮(zhèn)壓裝置，如圖1 所示。旋耕機總成與深松機總成采用活動鉸鏈聯(lián)結(jié)，鎮(zhèn)壓裝置與深松機則采用剛性聯(lián)結(jié)；機具與拖拉機掛接采用后置三點懸掛方式，懸掛機構(gòu)中，旋耕機和深松機中央拉桿分別獨立設(shè)置，以保證各部件之間的位置關(guān)系穩(wěn)定牢固；鎮(zhèn)壓裝置設(shè)有浮動機構(gòu)，鎮(zhèn)壓輥可隨田間地表的起伏上下浮動，保證碎土鎮(zhèn)壓效果。

圖1 “前旋后松”聯(lián)合整地機結(jié)構(gòu)

2.主要技術(shù)參數(shù)?？紤]到土地適度規(guī)模經(jīng)營的需求，結(jié)合標準要求，確定聯(lián)合耕整地機械工作幅寬為3000mm，旋耕深度大于100mm，深松深度大于250mm。旋耕刀片數(shù)80 片，沿用現(xiàn)有成熟的數(shù)量和分布技術(shù)；深松鏟選擇9 個；鎮(zhèn)壓方式選擇現(xiàn)有成熟的輥式鎮(zhèn)壓技術(shù)；設(shè)計生產(chǎn)效率目標：0.8～1.2 hm2/h。配套動力：180kW。

3.工作原理。當接通拖拉機動力輸出軸并落下整機后，旋耕刀和深松鏟依次入土，旋耕機旋耕深度約130mm；其后，深松機行深松作業(yè)，深松深度約300mm，鎮(zhèn)壓輥緊隨其后進行碾壓，使田間地表更加平整細碎。期間，由于旋耕機總成和深松機總成之間采用的是活動鉸鏈聯(lián)結(jié)，并且它們都擁有各自獨立的中央拉桿，因此，當深松機和旋耕機入土深度過深或過淺時，均可通過調(diào)節(jié)各自的伸縮螺桿來滿足實際需要。鎮(zhèn)壓裝置與深松機總成之間采用螺栓固定聯(lián)結(jié)，鎮(zhèn)壓輥預壓力的強弱，可以通過調(diào)節(jié)浮動機構(gòu)中的行程來實現(xiàn)。

二、關(guān)鍵零部件設(shè)計

“前旋后松”聯(lián)合深松整地機按照“總體布局設(shè)計+半成品組裝+局部改進”的總體思路進行樣機的設(shè)計和試制。

1.旋耕機總成設(shè)計。旋耕機總成如圖2 所示，主要有旋耕刀、刀軸、側(cè)板、齒輪箱、主機架、掛接耳、動力輸入軸、連接梁、吊耳、減速器、聯(lián)結(jié)耳、限位板、壓力彈簧、擋土板等組成，采用臥式結(jié)構(gòu)、中置齒輪傳動形式、萬向聯(lián)軸器輸入動力的總體布局，工作寬幅3000mm。關(guān)鍵零部件旋耕刀選用IT245 型，材料60Si2Mn，以螺旋線方式排列，從軸向看每組刀具與相鄰組刀具的夾角為44°。刀軸采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼進行調(diào)質(zhì)處理，齒輪箱為45# 鑄鋼，其余零部件直接選購目前成熟的旋耕機零配件。為了實現(xiàn)旋耕機與深松機合理可靠的聯(lián)結(jié)，在機架的后側(cè)，設(shè)計有可鉸鏈聯(lián)結(jié)的聯(lián)結(jié)耳。

圖2 旋耕機總成結(jié)構(gòu)

2.深松機總成設(shè)計。深松機總成如圖3 所示，由鑿鏟、鏟柄、固定螺栓、聯(lián)結(jié)耳、機架、承插座、聯(lián)結(jié)梁、吊耳等構(gòu)成，采用鑿鏟式深松鏟，材質(zhì)65Mn，鏟柄選用45#鋼鍛件，深松鏟按前“4”后“5”均布排列，機架為150 方鋼焊合件，深松鏟柄使用U 型螺栓固定，鏟柄間距可調(diào)，工作寬幅3000mm。

圖3 深松機結(jié)構(gòu)

3.鎮(zhèn)壓裝置總成設(shè)計。由于“前旋后松”聯(lián)合深松整地機整機的作業(yè)順序是先旋耕再深松，這樣可能造成作業(yè)后地表平整度不能滿足后續(xù)鋪膜和播種需要的情況，基于這一考慮，“前旋后松”聯(lián)合深松整地機設(shè)置了浮動式鎮(zhèn)壓裝置。鎮(zhèn)壓裝置如圖4 所示，由鎮(zhèn)壓輥、活動臂、固定臂、浮動桿、緊固件等零部件組成，工作寬幅3000mm。鎮(zhèn)壓輥為圓柱形，直徑215mm，材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，輥面圓周及軸向方向焊接有大小形狀完全相同的小錐柱，且垂直于輥面，錯落排列，這樣可提高碎土和鎮(zhèn)壓效果。浮動機構(gòu)由固定臂、浮動臂、彈簧、緊固件等組成，作業(yè)期間，當?shù)乇淼狡鸱黄綍r，可隨田間地表的起伏上下浮動實施鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓強度可調(diào)，保證碎土鎮(zhèn)壓效果，同時降低滑移率。

圖4 正壓裝置結(jié)構(gòu)

三、試驗與分析

項目組參考甘肅省《機械化深松作業(yè)技術(shù)規(guī)范》（DB62/T2557-2015），對項目設(shè)計的“前旋后松”式聯(lián)合深松整地機和目前在用的“前松后旋”式聯(lián)合整地機進行對比試驗。

1.試驗機具基本情況。

（1）“前松后旋”聯(lián)合整地機。“前松后旋”聯(lián)合整地機，即對照機具，型號1-3000 型，是目前河西走廊地區(qū)廣泛使用的機具，主要由旋耕機、深松機、懸掛架3 部分組成，作業(yè)順序為先深松后旋耕，深松機為鑿式深松方式，9 鏟雙排均布；旋耕機每組刀具與相鄰組刀具呈一定夾角排列，整機工作幅寬3000mm，配套動力180kw，基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 “前松后旋”聯(lián)合整地機

（2）“前旋后松”聯(lián)合整地機?！扒靶笏伞笔铰?lián)合整地機即項目設(shè)計機具，型號1-3000A 型，主要有旋耕機、深松機、鎮(zhèn)壓輥組成，設(shè)計改進的核心內(nèi)容是將深松機和旋耕機的前后位置進行了互換，增加了鎮(zhèn)壓功能，配套動力180kW，工作幅寬3000mm，基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（3）拖拉機選擇。為使試驗結(jié)果更具有可比性，將2 臺試驗機具的配套動力選為相同品牌、相同規(guī)格、相同功率的輪式拖拉機。2 臺參與試驗的機具均安裝了深松監(jiān)測儀。

2.試驗設(shè)計。

（1）試驗方法。試驗執(zhí)行GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定》、NY/T 1418—2007 《深松機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》和JB/T 10295—2001 《深松整地聯(lián)合作業(yè)機》等標準，測產(chǎn)方法參照執(zhí)行甘農(nóng)技〔2012〕48 號《關(guān)于印發(fā)2012 年全省糧油高產(chǎn)創(chuàng)建萬畝示范片測產(chǎn)驗收辦法》。

（2）試驗內(nèi)容。

深松技術(shù)效果。試驗監(jiān)測深松作業(yè)對土壤含水率、土壤容重以及作物生長和產(chǎn)量的影響。

深松作業(yè)質(zhì)量。試驗監(jiān)測深松深度、土壤疏松度、碎土率和地表平整度等指標，考核深松機具技術(shù)性能，綜合評估深松作業(yè)質(zhì)量。

深松作業(yè)油耗測定。

（3）試驗準備。

試驗面積3.33hm2，試驗作物為相同品種的玉米，種植模式為半膜平作，大行距600mm，小行距400mm，株距200mm，設(shè)置2 個試驗小區(qū)，各1.66 hm2，參考圖6?！扒靶笏伞蹦Ｊ皆O(shè)置為XS小區(qū)，“前松后旋”模式設(shè)置為SX 小區(qū)。試驗數(shù)據(jù)采集在作業(yè)穩(wěn)定區(qū)按五點取樣法進行隨機取樣，試驗區(qū)包括10 米穩(wěn)定區(qū)、20 米測定區(qū)和停車區(qū)，試驗機具在穩(wěn)定區(qū)和測試區(qū)內(nèi)保持工況不變。試驗設(shè)施儀器主要有2kw 干燥箱（30～250℃）1 臺、50×80mm 土壤盒150 個、電子臺秤（0～30kg）1 臺、環(huán)刀取土鉆2 把、GPS 測畝儀1 臺、攜式土壤溫濕度測試儀1 臺、鋼卷尺3 把、鋼直尺2 把、寬膠帶1 卷、記號筆2 只、常用工具集箱1 件、高精度電子秤（3000/0.01g）1 臺等。

圖6 試驗小區(qū)設(shè)置

3.試驗分析。

（1）試驗數(shù)據(jù)。

土壤含水率。各處理小區(qū)選取5 點，采用對角線測點法，每點測試4 個層次，從地表開始，依次向下，每個層次100mm。采用烘干法，分別測定XS、SX 模式下深松整地作業(yè)前、苗期、抽雄期、收獲期土壤含水率（每個測點只列出4 個層次的平均水分），如表1、表2。

土壤容重。采用環(huán)刀法，在測定土壤含水率時同時測定土壤容重，如表3、表4。

表1 土壤含水率測定值（XS 模式：“前旋后松”聯(lián)合整地機）

表2 土壤含水率測定值（SX 模式：“前松后旋”聯(lián)合整地機）

表3 土壤容重測定值（XS 模式：前旋后松聯(lián)合整地機）

表4 土壤容重測定值（SX 模式：前松后旋聯(lián)合整地機）

作物生長發(fā)育指標。在作物生長發(fā)育期和收獲期，對平均基本苗數(shù)、葉片數(shù)、株高、穗長、穗粗等指標進行了定性的測定。苗期測定：平均基本苗數(shù)XS 模式9 株/m2，SX 模式7 株/m2；平均植株高度XS 模式12.34cm，X 模式13.84cm；平均單株葉片數(shù)XS 模式4.67 個/株，SX 模式4.67 個/株。抽雄期測定：平均基本苗數(shù)XS 模式9 株/m2，SX 模式9 株/m2，平均植株高度XS 模式275.3cm，SX 模式240cm，平均單株葉片數(shù)XS 模式11 個/株，SX模式11 個/株。收獲期測定：平均成株密度XS 模式7.36 株/m2，SX 模式6.66 株/m2；平均植株高度XS 模式323.66cm，SX 模式322cm；植株平均莖粗XS 模式2.6cm，SX 模式2.21cm；穗長XS 模式21.44cm，SX 模式21.1cm；穗粗XS 模式5.42cm，SX 模式5.21cm。

作物產(chǎn)量。SX 模式下測得每畝穗數(shù)為4363穗，每穗粒重平均值為130g，畝產(chǎn)為4363 穗/畝×0.13kg/ 穗×85%=482.1kg/ 畝；XS 模式下測得每畝穗數(shù)為5368 穗，每穗粒重平均值為109.9g，畝產(chǎn)為5368 穗/畝×0.1099 kg/穗×85%=501.5 kg/畝。

作業(yè)油耗測定。試驗開始前，兩臺拖拉機均加滿油箱（容積均為150L），XS 模式完成試驗面積1.66 hm2，SX 模式完成試驗面積1.66 hm2。試驗結(jié)束后，兩臺拖拉機立即再次加滿油箱，記錄加入的油量，XS 模式拖拉機二次加油51.8L，SX 模式拖拉機二次加油60.5L。

（2）數(shù)據(jù)分析。

作業(yè)質(zhì)量。XS 與SX 的旋耕深度均達到130mm 以上，深松深度均達到300mm 以上，相鄰行距銜接均小于650mm，碎土率平均在92%以上，地表平整度總合格點數(shù)大于91%，均符合有關(guān)指標，旋耕和深松整作業(yè)地質(zhì)量完全滿足農(nóng)藝要求。

土壤含水率。深松整地作業(yè)前XS 模式22.76%，SX 模 式21.2%；苗 期XS 模 式18.37%，SX 模式17.58%；抽雄期XS 模式19.23%，SX 模式18.56%；收 獲 期XS 模 式15.86%，SX 模 式15.72%。因此，在土壤水分保持方面，“前旋后松”聯(lián)合整地模式優(yōu)于“前松后旋”聯(lián)合整地模式，參考圖7。

土壤容重。作物全生育期平均土壤容SX ＞XS，說明“前旋后松”深松整地模式比“前松后旋”模式效果更加明顯，參考圖7。

圖7 試驗機具作業(yè)效果指標（含水率、容重）對比

生育期性狀。從作物生育期性狀定性分析XS＞SX，XS 模式作物長勢明顯好于SX 模式，充分驗證了“前旋后松”模式在促進作物個體健壯發(fā)育、提高土壤再生產(chǎn)能力和作物產(chǎn)量方面更加有效。

增產(chǎn)效果。XS模式7522.5 kg/hm2，SX 模式7231.5kg/hm2，XS模式相比SX模式增產(chǎn)291kg/hm2，增產(chǎn)率為3.87%。

節(jié)能效果。在作業(yè)面積和效率相同，作業(yè)質(zhì)量符合標準要求的前提下，XS 模式總計耗油51.8L，畝均耗油2.07L；SX 模式總計耗油60.5L，畝均耗油2.42L；作業(yè)油耗XS ＜SX,XS 模式比SX 模式每畝節(jié)油0.35L。這一點理論分析與試驗結(jié)果吻合。

3.成因分析。

（1）“前松后旋”深松整地機作業(yè)過程。在“前松后旋”模式下，旋耕刀從切入土層的t 點到最低工作點t，之間，旋耕刀體由于自有的沖量，存在對土壤表層的一個向下的作用力，具有夯實土層的作用。在深松300mm 深度、旋耕130mm 深度的聯(lián)合作業(yè)條件下，當旋耕刀運動到t 點時，實際存在旋耕刀對土壤的作用力F，F(xiàn) 與水平面夾角為a，將作用力F 分解得到F1 和F2，

圖8 “前松后旋”模式下旋耕刀和深松鏟工作示意圖

圖9 t’點土壤受力分析

F1 在t 點對地面的作用力為垂直向下的正壓力，根據(jù)實際測算并參考《農(nóng)機化研究》（2015 年第12 期旋耕機刀片的耐磨性研究）等文獻資料刊載，單個旋耕刀在t 點對地面的壓強是128N/cm2，對于作業(yè)寬幅3000mm 的旋耕機，總旋耕刀個設(shè)置80 個，刀軸轉(zhuǎn)速190～280r/min，拖拉機前進速度v=57m/ min，則1 秒時間里，在3×0.95=2.85m2 的田間土壤表面積上，深松層受到了9047～13424KN力的砸壓。因此，這在一定程度上破壞了深松層土壤良好的疏松結(jié)構(gòu)，參考圖8、圖9 所示。

（2）“前旋后松”深松整地機作業(yè)過程?！扒靶笏伞蹦Ｊ较拢麢C刀組入土后，首先在原耕層上進行旋耕作業(yè)，旋切深度10mm，于是這個深度以內(nèi)的耕層土壤隨之變得松軟細綿；緊隨其后由深松鏟進行作業(yè)，深松鏟入土深度約300mm，由于旋耕層土壤松軟細綿，其堅實度已大大降低（旋耕前1.5MPA，旋耕后0.3 MPA），在深松鏟鏟柄中上端約130mm 的位置區(qū)間內(nèi)，也就是在旋耕層中，深松鏟受到的阻力減輕，深松鏟受到的阻力主要來自旋耕層以下的170mm 的原耕層，由此可以說明在“前旋+后松”模式下，深松機作業(yè)時的功率消耗要低于“前松后旋”模式，參考圖10、圖11。

圖10 “前松后旋”模式旋耕刀深松鏟工作示意圖

圖11 深松鏟工作阻力分析示意圖

四、結(jié)論

1）“前旋后松”聯(lián)合深松整地機設(shè)計結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，改進、設(shè)計、裝配方法高效快捷，關(guān)鍵部件之間聯(lián)結(jié)方式得當、可靠，田間調(diào)整操作方便，耗用金屬材料與“前松后旋”聯(lián)合深松整地機相當，作業(yè)質(zhì)量相近，符合《甘肅省機械深松整地作業(yè)效果試驗監(jiān)測辦法》的有關(guān)要求，下一步應(yīng)推動這一成果及早轉(zhuǎn)化。

2）本文對“前旋后松”聯(lián)合深松整地機與“前松后旋”聯(lián)合深松整地機在作物（制種玉米）在苗期、生育期、去雄期和收獲期測定的土壤含水率和容重、平均基本苗數(shù)、平均植株高度、平均單株葉片數(shù)、作物產(chǎn)量等理化指標進行了對比試驗，前者均高后者1～2 個百分點，各項作業(yè)效果指標均達到或超過有關(guān)技術(shù)標準。

3）對比節(jié)能效果進行了比對。1-3000A 型“前旋后松”聯(lián)合深松整地機相比1-3000 型“前松后旋”聯(lián)合深松整地機，每作業(yè)6.66hm2可節(jié)約燃油24.20 升，減少開支157 元。

綜上所述，“前旋后松”機械化深松整地模式在保證作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效果的前提下，在制種玉米增產(chǎn)、節(jié)能效果等方面，相比“前松后旋”機械化深松整地模式，優(yōu)勢明顯，建議在甘肅省河西走廊以及土壤條件以及耕作制度相近的地區(qū)大力示范推廣。