旋耕刀排列方式對反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)性能的影響研究

陳 偉，朱繼平，陳小兵，袁 棟，姚克恒，陳 曉，丁 艷，劉正剛

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014； 2.江蘇清淮機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 223001)

0 引言

旋耕機(jī)作為耕整地的主要工具已經(jīng)得到了廣泛使用，對于旋耕機(jī)作業(yè)性能的評價(jià)指標(biāo)也在不斷完善[1-2]。目前，旋耕機(jī)已不單單作為整地工具在使用，更多是用在構(gòu)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(zhuǎn)旋耕機(jī)的覆蓋效果較正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)要好，旋耕機(jī)反轉(zhuǎn)作業(yè)也逐漸成為秸稈還田的主要方式[3-5]。影響反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)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(jī)罩的間隙等，經(jīng)檢索文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)關(guān)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(yàn)對比的方法，設(shè)計(jì)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(zhuǎn)作業(yè)的影響，找出最佳的排列方式[6]。

1 刀輥排列試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用機(jī)具為框架式反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)，型號為1GKF-200，刀輥排列設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)具和刀輥排列設(shè)計(jì)圖如圖1～圖5所示。

1.懸掛裝置 2.萬向節(jié)傳動(dòng)軸 3.機(jī)罩 4.旋耕刀軸總成 5.鎮(zhèn)壓輥 6.擋草柵 7.側(cè)邊齒輪箱總成 8.中間齒輪箱圖1 1GKF-200旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The schematic diagram of 1 GKF-200 rotary cultivator

1.1 刀軸設(shè)計(jì)方案

旋耕機(jī)運(yùn)動(dòng)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(guān)系。設(shè)計(jì)刀齒的排列圖時(shí)，應(yīng)遵守以下原則[7-8]：

1)依次切入土壤的部件間的角距離應(yīng)相等，應(yīng)盡可能避免兩個(gè)部件同時(shí)入土。

2)兩個(gè)相鄰部件間的角距離應(yīng)盡可能大些，以防堵塞。

3)縱軸左右兩邊的部件應(yīng)接近對稱地切土。如果這個(gè)條件得不到滿足，則繞旋耕機(jī)的縱軸和垂直軸產(chǎn)生扭矩，是不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的原因之一；特別是當(dāng)中間傳動(dòng)的輕型旋耕機(jī)時(shí)更是如此。

4)每個(gè)部件所切垡片的側(cè)剪切面積應(yīng)盡可能是一樣的。如前所述，邊上的部件總是剪切開整個(gè)垡片的側(cè)面，所以負(fù)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

1.2 田間試驗(yàn)條件

試驗(yàn)田條件對于作業(yè)效果有明顯的影響，在試驗(yàn)前，試驗(yàn)組人員對試驗(yàn)地進(jìn)行了調(diào)查。實(shí)驗(yàn)調(diào)查結(jié)果如表1、圖6、圖7所示。

表1 試驗(yàn)地土壤含水率和堅(jiān)實(shí)度表Table 1 Soil moisture content and firmness

圖6 耕前土壤堅(jiān)實(shí)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(yàn)地的含水率、土壤堅(jiān)實(shí)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(jī)》等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法采集。

1.3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)區(qū)劃分

試驗(yàn)采用對比作業(yè)方式進(jìn)行，每種排列安排3個(gè)作業(yè)行程，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行比較分析，試驗(yàn)區(qū)劃分如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)圖Fig.8 Design drawing of test area

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)測定方法

試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)過程Fig.9 The test process

試驗(yàn)對于每種排列均安排3個(gè)作業(yè)行程，由3個(gè)行程數(shù)據(jù)的平均值作為最后評價(jià)的依據(jù)。對于秸稈還田，反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)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(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)校訂，可保證測量的準(zhǔn)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(jī)》中規(guī)定的測量方法進(jìn)行操作。

圖10 功耗測試設(shè)備Fig.10 Power consumption test equipment

秸稈分布的數(shù)據(jù)由人工采集，每個(gè)行程一個(gè)點(diǎn)，測量范圍為1m2。具體步驟如下：①將測量范圍內(nèi)土下0～5cm內(nèi)的植被收集并稱重；②將測量范圍內(nèi)土下植被收集并稱重；③按照式(1)計(jì)算土下0～5cm內(nèi)的植被占的比重,即

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)功耗最大為35.02kW，采用正人字排列反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)功耗為27.65kW，比刀輥螺旋排列的反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)功耗低約21%；刀輥為人字排列和雙人字排列反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)功耗分別為29.2、29.98kW，相對于螺旋排列反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)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(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)后，耕層內(nèi)的秸稈有59.6%分布于土下0～5cm內(nèi)，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(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)后，耕層內(nèi)0～5cm的秸稈只占整個(gè)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(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)后，土下0～5cm內(nèi)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。

3.2 結(jié)論

1)旋耕刀輥排列方式對反轉(zhuǎn)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(yàn)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(jì)的秸稈分布是土下0～5cm土層，要想達(dá)到秸稈深埋效果及農(nóng)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。

4 結(jié)論

綜上所述，在機(jī)具傳統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)上，現(xiàn)有機(jī)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(zhuǎn)作業(yè)機(jī)具還不能完成秸稈深埋的要求，只是達(dá)到淺埋效果。因此，將旋耕機(jī)具作業(yè)的高效性與秸稈還田需求結(jié)合，是未來反轉(zhuǎn)還田機(jī)具的主要方向。