紫云英綠肥盛花期埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

游兆延 張 沖 高學(xué)梅 高 雅 彭寶良 吳惠昌

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

隨著農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)和農(nóng)業(yè)合作社的大量出現(xiàn)，以及輪作休耕、果菜茶有機(jī)肥替代化肥等重大項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，規(guī)?；N植綠肥成為化學(xué)肥料、農(nóng)藥等農(nóng)資的重要支撐措施[1-2]。

紫云英是我國(guó)主要的綠肥作物，也是一種優(yōu)質(zhì)的豆科牧草和蜜源作物，對(duì)于增加生物有機(jī)肥源、改善生態(tài)、提高化肥利用率和促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展都具有重要的作用[3-6]。翻壓是紫云英生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，紫云英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)[7-8]。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，常在切斷后覆蓋在地表，或由鎮(zhèn)壓輥筒壓青后使其在自然狀態(tài)下腐殖[9-11]。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)，但其配套的拖拉機(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)紫云英翻壓主要采用傳統(tǒng)的畜力犁、旋耕機(jī)或鏵式犁等方式[12-14]。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，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)產(chǎn)生一定的影響[15-16]。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)一種紫云英綠肥盛花期埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)，以期在有效提高紫云英翻壓率和肥田效果的同時(shí)，降低作業(yè)功耗。

1 盛花期紫云英生物學(xué)特征及壓切特性

1.1 盛花期紫云英生物學(xué)特征

盛花期田間紫云英如圖1所示，花序?yàn)榭偁罨ㄐ?，通常每個(gè)花序有7～11朵小花，莖稈呈圓柱形或扁圓柱形，莖粗2～10 mm，中空，莖色以綠色為主，葉為奇數(shù)羽狀復(fù)葉，長(zhǎng)10～20 cm，葉色一般為深綠色和黃綠色[3]。

圖1 盛花期紫云英

1.2 壓切特性試驗(yàn)

根據(jù)綠肥植株特點(diǎn)和翻壓后腐解特性需求，為達(dá)到最佳的埋切翻壓效果，需對(duì)紫云英莖稈的壓切特性進(jìn)行研究[17]，試驗(yàn)品種選用蕪湖青弋江種業(yè)有限公司紫云英留種地的青弋江1號(hào)，株樣共5株，帶回實(shí)驗(yàn)室作保鮮處理，分別測(cè)量并記錄每株紫云英的攤開株高、生長(zhǎng)高度、莖稈含水率等物理特性，并借助JXSA304B型萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)株樣莖稈根部、中部、頂部等部位進(jìn)行壓切強(qiáng)度測(cè)試(如圖2所示)，將萬能試驗(yàn)機(jī)記錄的莖稈壓切斷開時(shí)力值與空載時(shí)力值之差的最大值作為該組試驗(yàn)的莖稈最大壓切力[18]，試驗(yàn)中選定加載速度50 mm/min、上限載荷500 N、上限下降載荷5 N，在測(cè)試界面中依次點(diǎn)擊載荷調(diào)零、重設(shè)標(biāo)距、開始、完成鍵，試驗(yàn)重復(fù)5次，最后取平均值。

圖2 紫云英莖稈壓切強(qiáng)度試驗(yàn)

各采樣株樣物理特性及壓切試驗(yàn)結(jié)果如表1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為后續(xù)埋切組件的研制提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

圖3 紫云英埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)與各部件結(jié)構(gòu)示意圖

紫云英綠肥埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)與各部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由埋切部件、拖拉機(jī)和翻壓部件組成。埋切部件主要由支撐組件、輥筒組件、懸掛組件、前懸掛連接組件等組成，翻壓部件主要由翻轉(zhuǎn)油缸、懸掛架、調(diào)幅螺桿、限深輪、犁架、犁體等構(gòu)成。工作時(shí)，埋切部件通過其前懸掛連接組件固定在行走動(dòng)力機(jī)構(gòu)前端，拖拉機(jī)后端三點(diǎn)懸掛與翻壓部件固定連接。

2.2 工作原理

工作時(shí)，埋切部件無需動(dòng)力輸入，由拖拉機(jī)拖拽或推行而向前移動(dòng)，輥筒組件前移過程中，先將紫云英綠肥推倒在地，紫云英莖稈由均布于輥筒組件上的壓切刀切成一段段短小莖稈，并被進(jìn)一步壓埋入土壤，后置翻壓部件僅需較小耕深，即可將壓切后的紫云英莖稈翻壓到土中，埋切部件所有作業(yè)消耗的動(dòng)力只是輥筒移動(dòng)的牽引力，翻壓部件動(dòng)力消耗較現(xiàn)有鏵式犁動(dòng)力消耗也大幅減少。翻壓部件兩組犁體呈180°相對(duì)犁架垂直配置，犁架通過一轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝在懸掛架上，拖拉機(jī)液壓輸出動(dòng)力使翻轉(zhuǎn)油缸的活塞桿伸縮，推動(dòng)犁架完成180°翻轉(zhuǎn)，作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)犁體單向翻垡。調(diào)幅螺桿可使組合作業(yè)機(jī)工作幅寬在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了對(duì)作業(yè)條件(土壤條件、耕深等)變化的適應(yīng)能力，從而提高機(jī)具作業(yè)效率、降低油耗。

3 主要工作部件設(shè)計(jì)與分析

3.1 輥筒組件

3.1.1結(jié)構(gòu)及組成

輥筒組件(圖4)是實(shí)現(xiàn)紫云英莖稈埋切的重要部件，主要由彈性卸土板、壓切刀、端部支撐裝置、輥筒壁、注水口堵頭、旋轉(zhuǎn)軸等組成，輥筒組件上均布排列若干排刀組，每排刀組由4只壓切刀構(gòu)成。

圖4 輥筒組件示意圖

當(dāng)輥筒組件在地表滾動(dòng)并推倒紫云英莖稈時(shí)，氣槽式壓切刀切斷紫云英莖稈的同時(shí)，也會(huì)將一部分莖稈埋切入土壤中，壓切刀上間隔分布形成內(nèi)嵌氣槽的穿孔，減少土垡與刀壁的貼合面積，降低相互間的粘合力，在壓切刀移出土壤時(shí)使土垡能在其自重作用下脫離壓切刀[19]，同時(shí)，設(shè)計(jì)由彈簧鋼熱軋成型的F型彈性卸土板，確保當(dāng)作業(yè)土壤處于高粘性時(shí)，彈性卸土板能推動(dòng)土垡沿輥筒徑向移出，達(dá)到理想的卸土效果。齒型盤式內(nèi)支撐板的齒型可保證輥筒內(nèi)腔相通，壓切力可通過擰下注水口添加不同質(zhì)量的水來調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同品種、不同成熟度紫云英綠肥莖稈的埋切需求。

依據(jù)圖4分析，理想狀態(tài)下紫云英莖稈切斷長(zhǎng)度為輥筒壁半徑與相鄰兩壓切刀之間弧度的乘積，考慮依靠輥筒組件裝滿水后將紫云英莖稈埋壓切斷，需滿足條件

Al=θπr/180=φr

(1)

ρgV=4ρgLπr2≥4KF′maxLAl

(2)

式中Al——紫云英莖稈切斷長(zhǎng)度，參考玉米、高粱、小麥、水稻等作物秸稈粉碎還田合格長(zhǎng)度取值在100～150 mm之間[20]，則取平均值125 mm

θ——相鄰兩壓切刀之間夾角，(°)

φ——相鄰兩壓切刀對(duì)應(yīng)弧度，rad

V——輥筒組件內(nèi)部體積，m3

L——單個(gè)壓切刀長(zhǎng)度，依據(jù)作業(yè)幅寬要求，取500 mm

ρ——水的密度，kg/m3

g——重力加速度，9.8 m/s2

r——壓切輥半徑，mm

K——單位面積內(nèi)紫云英植株數(shù)量，根據(jù)理想條件下紫云英開溝、播種等環(huán)節(jié)種植技術(shù)要求[6]，取580株/m2

F′max——單株紫云英莖稈受到的最大壓切力，依據(jù)表1，取值40 N

圖4中l(wèi)為壓切刀寬度(140～180 mm[21])，取180 mm，σ為F型彈性卸土板的夾角，取82.1°，d為彈性卸土板底部寬度，取30 mm[19]。

由式(1)、(2)計(jì)算可得，壓切輥半徑應(yīng)滿足r>303 mm，故設(shè)計(jì)將壓切輥半徑圓整為305 mm，相鄰兩壓切刀對(duì)應(yīng)弧度φ為0.409 rad，則兩相鄰壓切刀之間對(duì)應(yīng)的夾角θ為23.45°，取整為24°，即設(shè)計(jì)輥筒壁上沿圓周均布配置壓切刀數(shù)量為15。

3.1.2壓切刀排布方式

從輥筒組件中的壓切刀安裝排布可知，每排刀組由4只壓切刀組成，通過間隔移除壓切刀，可實(shí)現(xiàn)壓切刀單弧度φ、雙弧度2φ和三弧度3φ等3種間距排布方式(圖5)，這樣組配方式下，可減少同時(shí)與地面作用的刀片數(shù)量，使單位壓切刀對(duì)莖稈的壓切力成倍增加，可適應(yīng)不同品種、不同壓切長(zhǎng)度的紫云英綠肥莖稈的埋切作業(yè)需求。

圖5 壓切刀3種間距排布方式

3.1.3紫云英莖稈受力分析

如圖6所示，對(duì)紫云英莖稈進(jìn)行受力分析，將紫云英莖稈標(biāo)記為質(zhì)點(diǎn)n，其受力有地面支撐力GN、壓切刀沿開刃面刃口切線b-b′方向的摩擦力F和切刀刃口沿a-a′方向的法向反作用力N，N′為土壤的法向反力，將N沿開刃面刃口切線方向分解成T和T′，則刀刃滑切作用取決于力T的大小，當(dāng)T>F時(shí)，壓切刀對(duì)紫云英莖稈產(chǎn)生滑切，則莖稈受力方程為

(3)

式中T——切向力，N

τ——作用點(diǎn)動(dòng)態(tài)滑切角，(°)

ψ——鋼板與紫云英莖稈滑動(dòng)摩擦角，(°)

μ——鋼板與紫云英莖稈滑切系數(shù)

圖6 紫云英莖稈受力分析

根據(jù)刀刃切割農(nóng)作物莖稈的滑切理論可知[22]，在切割作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)滑移切是不可取的，實(shí)現(xiàn)無滑移的滑切是可行的。若T>F，則τ>ψ，即接觸點(diǎn)動(dòng)態(tài)滑切角大于莖稈和刀片的摩擦角時(shí)，壓切刀對(duì)莖稈產(chǎn)生滑切作用。參考不同含水率下其它農(nóng)作物莖稈與鋼板摩擦角的測(cè)定方法[23]，測(cè)得盛花期采樣紫云英莖稈含水率76.65%～81.75%時(shí)，紫云英莖稈與鋼板滑動(dòng)摩擦角為32.7°～34.3°，因此動(dòng)態(tài)滑切角τ>34.3°；為避免莖稈堵塞，又有τ<90°-ψ，即當(dāng)壓切刀滑切角滿足34.3°<τ<55.7°時(shí)，可保證壓切刀刃線上的每一點(diǎn)在地表接觸位置時(shí)與莖稈有效切割，實(shí)現(xiàn)紫云英莖稈順暢埋切。

3.2 前懸掛連接組件

圖7 前懸掛連接組件提升臂位置變換示意圖

前懸掛連接組件是連接輥筒埋切組件與拖拉機(jī)的重要裝置，主要由油管、前連接側(cè)板、提升臂、支撐梁和液壓油缸等組成。輥筒埋切組件田間工作時(shí)油缸處于伸出狀態(tài)，提升臂位于田間作業(yè)位置A，而輥筒埋切組件在運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，油缸則處于收縮狀態(tài)，提升臂位于運(yùn)輸位置B(圖7)。根據(jù)輥筒組件約900 kg、式(2)計(jì)算灌滿輥筒組件所需水量約585 kg以及考慮運(yùn)輸時(shí)輥筒埋切組件最低離地高度200 mm等情況綜合分析計(jì)算，選擇滿足負(fù)載及行程要求液壓缸型號(hào)HSGL01-80/dE，設(shè)計(jì)液壓缸行程440 mm，工作壓力16 MPa，缸徑80 mm，活塞桿徑40 mm。

3.3 柵條式犁體

3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻壓部件犁體工作面的結(jié)構(gòu)直接影響翻壓效率及牽引力大小，在犁體曲面的設(shè)計(jì)方法中目前得到廣泛應(yīng)用的是水平直元線法[24-25]，研究表明柵條式犁體碎土、脫土性能較好，不僅可以保持土壤表層的形成順序，而且還可降低能量消耗，且耕作后土壤的總腐殖質(zhì)含量、全氮含量、活性磷含量等農(nóng)化特性均優(yōu)于整片式鏵式犁體耕作后作業(yè)效果[26]，故采用水平直元線法設(shè)計(jì)柵條式犁體(圖8)，主要由犁鏵、犁壁、犁柱、柵條、調(diào)節(jié)螺桿、導(dǎo)向板等組成，工作時(shí)犁鏵與犁壁先將土壤和莖稈混合物翻轉(zhuǎn)，再由柵條將翻轉(zhuǎn)的土壤進(jìn)行碎土，導(dǎo)向板則使柵條犁工作行程盡量保持在一條直線上。

圖8 柵條式犁體三維設(shè)計(jì)圖

3.3.2導(dǎo)曲線分析

犁體曲面的形狀和工作性能主要由導(dǎo)曲線和元線角變化規(guī)律所決定[27-28]，圖9為柵條式犁體導(dǎo)曲線及擬合曲線，其中s為導(dǎo)曲線的直線長(zhǎng)度，ε為鏵刃起土角，w為兩端點(diǎn)切線夾角，根據(jù)紫云英綠肥翻壓要求并結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)鏵式犁相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的推薦范圍[21,28]，設(shè)計(jì)犁體導(dǎo)曲線各參數(shù)如下：鏵刃起土角18.7°，導(dǎo)曲線長(zhǎng)度37.7 mm，兩端點(diǎn)切線夾角124.5°，導(dǎo)曲線高度237.35 mm，導(dǎo)曲線開度232 mm。

從擬合曲線分析可知，柵條式犁體鏵刃起土角數(shù)值與一般鏵式犁體相比較小，而導(dǎo)曲線開度較大，在作業(yè)過程中有利于土壤沿著犁體曲面向后脫離犁壁，減小犁體翻壓阻力。根據(jù)導(dǎo)曲線各參數(shù)，推導(dǎo)可得拋物線型導(dǎo)曲線方程式[29]

x2+7.279xy+13.247y2+2 559.387x-7 561.383y=0

(4)

圖9 犁體導(dǎo)曲線及擬合曲線

3.3.3元線角變化規(guī)律分析

元線角隨元線高度變化過程中，一般都有初始元線角→最小元線角→最大元線角的變化規(guī)律，根據(jù)紫云英翻壓部件作業(yè)原理及與輥筒組件的配套要求，設(shè)計(jì)翻土型犁體曲面[30]，單個(gè)犁體耕寬400 mm，耕深220 mm，初始元線角為35°，元線間隔25 mm，對(duì)于翻土型犁體，在最小元線角向最大元線角變化時(shí)，元線角按拋物線規(guī)律變化，公式為

(5)

(6)

式中y——角度對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)值，mm

Zi——自鏵刃起第i條元線高度，mm

Zmax——最大元線角處對(duì)應(yīng)元線高度，取425 mm

Zmin——最小元線角處對(duì)應(yīng)元線高度，取75 mm

m——比例尺，取0.2(°)/mm

Qmax——最大元線角，取50°[29]

Qmin——最小元線角，取31°[29]

ymax——y的最大值，由式(6)計(jì)算取95 mm

故在Qmin→Qmax段，犁體元線角拋物線解析式為

(7)

設(shè)置元線間隔25 mm，將各元線高度代入式(7)，可得圖10所示犁體元線角變化規(guī)律。

圖10 犁體元線角變化規(guī)律圖

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

紫云英綠肥埋切翻壓田間試驗(yàn)于2018年4月23日在蕪湖南陵紫云英試驗(yàn)地進(jìn)行，試驗(yàn)田長(zhǎng)70 m，寬20 m，盛花期紫云英鮮草產(chǎn)量為17 093 kg/hm2，土壤類型為沙壤土，TZS型水分測(cè)定儀測(cè)得土壤含水率為28.73%(0～10 cm)和32.1%(20～30 cm)，容重1.23～1.42 g/cm3，TYD-2型土壤硬度計(jì)測(cè)得深度5、10、15、20 cm處土壤堅(jiān)實(shí)度峰值分別為141、200、401、612 N/cm2，配套動(dòng)力為John Deere-1054型拖拉機(jī)。

4.2 試驗(yàn)方法

為考察紫云英綠肥埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)作業(yè)質(zhì)量，參考GB/T 14225—2008《鏵式犁》和JB/T6678—2001《秸稈粉碎還田機(jī)》等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行田間作業(yè)性能試驗(yàn)(圖11)，選取莖稈切斷長(zhǎng)度合格率、土垡破碎率、耕深及耕寬穩(wěn)定性變異系數(shù)和地表以下植被翻壓覆蓋率作為組合作業(yè)機(jī)工作性能的測(cè)試指標(biāo)。

試驗(yàn)地塊紫云英鮮草產(chǎn)量為17 093 kg/hm2，且大部分紫云英植株株高為40～60 cm，滿足理想的紫云英15 000～22 500 kg/hm2翻壓量要求[5]，無需增大輥筒組件壓切力，故選擇壓切刀排布方式為單弧度排列。每次行程機(jī)具按照?qǐng)D11a中箭頭方向?qū)ψ显朴⒕G肥進(jìn)行埋切翻壓作業(yè)，圖中A、B、C、D為測(cè)定區(qū)各點(diǎn)的標(biāo)桿位置，E、F、G、H、I為選定的土壤含水率、容重、堅(jiān)實(shí)度等參數(shù)的測(cè)定區(qū)域，A→B段和C→D段為土垡破碎率、地表以下植被翻壓覆蓋率、翻壓耕深、耕寬等試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定區(qū)，每個(gè)行程上測(cè)量15個(gè)點(diǎn)，等距離插上標(biāo)桿。

圖11 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)與田間性能試驗(yàn)

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)，分別將紫云英埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)輥筒組件、柵條式翻轉(zhuǎn)犁和傳統(tǒng)鏵式犁懸掛于被牽引拖拉機(jī)上，利用AXL-R-15型拉力計(jì)(圖11b)測(cè)得埋切翻壓機(jī)各部件、拖拉機(jī)、傳統(tǒng)鏵式犁正常作業(yè)時(shí)牽引力，從而計(jì)算出綠肥埋切翻壓機(jī)和傳統(tǒng)鏵式犁工作時(shí)總牽引力，分別記為Fj和Fh，F(xiàn)j包含了輥筒組件的牽引力Fg和柵條犁的牽引力Fs，每次牽引試驗(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，再按PEAK鍵，解除鎖定狀態(tài)，此時(shí)屏上PEAK指示消失，重新回到測(cè)力狀態(tài)。測(cè)得柵條犁的牽引力Fs為28.1 kN，輥筒組件的牽引力Fg為0.8 kN，拖拉機(jī)工作阻力為1.7 kN，傳統(tǒng)鏵式犁牽引力Fh為42.3 kN。埋切翻壓機(jī)總功率Pm應(yīng)包含牽引力總功率Pq和輥筒組件的轉(zhuǎn)動(dòng)功率Pr，機(jī)具前進(jìn)速度v按6 km/h計(jì)算，可得

Pm=Pr+Pq

(8)

(9)

Pq=Fjv

(10)

Fj=Fg+Fs

(11)

Ph=Fhv

(12)

式中N1——輥筒正常作業(yè)條件下的轉(zhuǎn)速，約50 r/min

T1——輥筒轉(zhuǎn)矩，N·m

經(jīng)計(jì)算輥筒組件轉(zhuǎn)動(dòng)部分功耗為1.28 kW，紫云英埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)牽引力消耗48.17 kW，紫云英埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)總功率消耗49.45 kW，傳統(tǒng)鏵式犁作業(yè)功率為70.5 kW，紫云英埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)作業(yè)功耗較傳統(tǒng)鏵式犁作業(yè)功耗降低約29.86%。

莖稈切斷長(zhǎng)度合格率測(cè)定方法是采用鋼板尺人工測(cè)量方式，獲取各測(cè)區(qū)內(nèi)翻垡土塊下方0～25 cm切斷莖稈質(zhì)量占總抽取莖稈質(zhì)量的平均百分比[20]。

土垡破碎率計(jì)算方法是在每個(gè)行程內(nèi)選取不少于3個(gè)測(cè)定點(diǎn)，在不小于200 cm×200 cm面積耕層內(nèi)，分別測(cè)定最大尺寸在大于、小于和等于5 cm時(shí)的土塊質(zhì)量，計(jì)算土垡破碎率為

(13)

式中Gs——全耕層內(nèi)最大尺寸小于、等于5 cm的土塊質(zhì)量，kg

G——全耕層土塊總質(zhì)量，kg

耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)是通過耕深尺測(cè)量最后犁體耕深來計(jì)算，計(jì)算式為

(14)

其中

(15)

(16)

式中ai——各測(cè)定點(diǎn)耕深，cm

n——每行程測(cè)定點(diǎn)數(shù)

S——每行程標(biāo)準(zhǔn)差，cm

V1——每行程耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)，%

耕寬是指沿垂直機(jī)具運(yùn)動(dòng)方向測(cè)定的兩個(gè)相鄰行程犁溝溝墻之間的水平距離，在測(cè)定耕深的相應(yīng)處進(jìn)行耕寬測(cè)量，耕寬穩(wěn)定性變異系數(shù)計(jì)算方法同耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)[31]。

植被翻壓覆蓋率測(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，植被翻壓覆蓋率為

(17)

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

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

紫云英埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由試驗(yàn)結(jié)果可得，埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)工作效率可達(dá)0.67～1.20 hm2/h，紫云英莖稈切斷長(zhǎng)度合格率為92%，翻壓部件作業(yè)幅寬1 920 mm，耕深220 mm，耕寬穩(wěn)定性變異系數(shù)3.7%，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)5.6%，土垡破碎率85.6%，植被翻壓覆蓋率98.3%，紫云英埋切翻壓組合作業(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。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)組合作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度保持在5.8～6.0 km/h時(shí)，其各組成部件作業(yè)性能較高且相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)前進(jìn)速度進(jìn)一步提高時(shí)，輥筒組件、柵條式犁體與紫云英莖稈、土壤互作時(shí)間縮短，輥筒組件來不及將紫云英莖稈完全埋壓切斷就從莖稈上面轉(zhuǎn)動(dòng)過去，同時(shí)，耕深和耕寬穩(wěn)定性受到擾動(dòng)，造成莖稈切斷長(zhǎng)度合格率和耕深、耕寬穩(wěn)定性變異系數(shù)降低。若田間土地不平整、土壤堅(jiān)實(shí)度不高時(shí)，則會(huì)影響輥筒組件壓切紫云英莖稈可靠性，需要適當(dāng)調(diào)整壓切深度和翻壓深度，確保壓切刀、柵條犁等部件與莖稈、田間土壤的有效作用時(shí)間，以獲取高質(zhì)量的埋切和翻壓效果。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種紫云英綠肥埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)，闡述了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并對(duì)輥筒埋切組件、前懸掛連接組件、柵條式翻轉(zhuǎn)犁等主要工作部件進(jìn)行了分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，在有效提高紫云英綠肥翻壓肥田效果的同時(shí)，使作業(yè)功耗降低了29.86%。

(2)根據(jù)盛花期紫云英壓切特性試驗(yàn)和理論計(jì)算，設(shè)計(jì)滿足埋切要求的壓切輥半徑為305 mm；基于農(nóng)作物莖稈滑切理論，結(jié)合紫云英莖稈受力分析，得到輥筒組件壓切刀滑切角范圍為34.3°～55.7°；采用水平直元線法設(shè)計(jì)柵條式犁體曲面，推導(dǎo)得到導(dǎo)曲線拋物線方程，并繪制了犁體直元線角變化規(guī)律圖。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在作業(yè)速度為5.8～6.0 hm2/h的條件下，埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)工作效率可達(dá)0.67～1.20 hm2/h，紫云英莖稈切斷長(zhǎng)度合格率為92%，耕寬穩(wěn)定性變異系數(shù)3.7%，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)5.6%，土垡破碎率85.6%，植被翻壓覆蓋率98.3%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。