犁旋式秸稈還田聯(lián)合作業(yè)機設(shè)計與試驗

張文良，杜俊，張居敏，劉政源，李棟，李支軼，駱雙成，夏俊芳

(華中農(nóng)業(yè)大學工學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070)

長江中下游地區(qū)是我國水稻和油菜的主要產(chǎn)區(qū)之一，種植模式多為稻油輪作，該區(qū)域重黏土廣布，土壤板結(jié)、含水率高，留茬高、秸稈量大[1-3].為了降低生產(chǎn)作業(yè)成本，傳統(tǒng)耕作采用單一的犁耕或旋耕，二者各有利弊，犁耕作業(yè)耕深較大且穩(wěn)定，可破除旋耕犁底層，翻垡覆蓋性能好，可有效覆蓋殘茬，增加土壤孔隙度和通透性，但土壤疏松度與平整度較低，大量秸稈翻埋于犁底層，架空了耕層土壤，不利于作物生根發(fā)芽；旋耕作業(yè)碎土質(zhì)量好，地面平整度高，但由于其作業(yè)深度一般在10～15 cm，作業(yè)多年后15 cm以下土壤壓實嚴重，形成堅硬的犁底層，會減少作物根系的發(fā)展空間，也不利于蓄水保墑[4-7].

國內(nèi)外相關(guān)學者已經(jīng)對聯(lián)合作業(yè)機具的研究取得了一定的成就，曹肆林等[8]設(shè)計的1LZ系列聯(lián)合整地機采用多種部件聯(lián)合作業(yè)，一次作業(yè)即可完成松土、碎土、平整和鎮(zhèn)壓4道工序，形成良好的種床條件.秦寬等[9-10]對犁耕與旋耕作業(yè)之間的交互作用進行了試驗分析，驗證了犁旋耕整機復(fù)試作業(yè)質(zhì)量優(yōu)于二次整地模式.陳書法等[11]設(shè)計了一種能夠發(fā)揮犁翻旋耕等多種耕作方式優(yōu)勢的可調(diào)深復(fù)式耕整作業(yè)機，可一次性地完成犁翻、旋耕及深松等多項作業(yè).沈從舉等[12]設(shè)計的1SZL-420自激振動深松機，可減少深松機具的工作阻力，同時對土壤進行松碎.周華等[13]設(shè)計的深松旋埋聯(lián)合耕整機將兩種保護性耕作方式結(jié)合，實現(xiàn)了深松和秸稈還田的功能.Usaborisut等[14]采用4種不同的連桿機構(gòu)與深松旋耕聯(lián)合耕整機連接，探究了不同連接方式下牽引力的大小和功率的消耗.國內(nèi)外對犁耕和旋耕二者聯(lián)合作業(yè)的研究較少，且大多僅是對作業(yè)效果的研究，未對犁旋聯(lián)合作業(yè)功率消耗深入研究，對南方大量秸稈田作業(yè)問題也缺乏相關(guān)研究.本設(shè)計以長江中下游稻油輪作種植方式為研究對象，針對作業(yè)環(huán)境秸稈量大、土壤阻力大、旋耕功率消耗大等問題，結(jié)合課題組研發(fā)的秸稈還田旋埋刀輥[15-20]，設(shè)計了集犁耕和旋埋為一體的聯(lián)合作業(yè)機械，該機一次作業(yè)可完成切草、犁耕、旋埋、碎土、平地等多項作業(yè).重點探究了2種不同犁體與旋埋刀輥的相互配合作業(yè)過程中機具受力與功率消耗，同時對大量秸稈田的處理提供了解決方案，以期為聯(lián)合作業(yè)機具在復(fù)雜作業(yè)區(qū)作業(yè)效果和減耗的研究上提供參考.

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機(以下簡稱犁旋聯(lián)合作業(yè)機)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括防纏草裝置、犁耕裝置、傳動系統(tǒng)、機架、旋埋刀輥、限深輪、平土拖板等組成.

犁旋聯(lián)合作業(yè)機懸掛方式為三點懸掛，耕深由拖拉機液壓升降控制，犁耕裝置由拖拉機牽引驅(qū)動，旋埋裝置由拖拉機動力輸出軸提供動力，具體動力傳輸路線為：拖拉機動力輸出軸→中間傳動軸承→萬向節(jié)→中間變速箱→萬向節(jié)→側(cè)邊傳動箱→旋埋刀輥.傳動系統(tǒng)簡圖如圖2所示.

1：中間變速箱；2：萬向節(jié)；3：側(cè)邊傳動箱；4：機架；5：限深輪；6：中間傳動軸；7：單面破土犁；8：防纏草裝置；9：雙面開溝犁；10：旋埋刀輥；11：平土拖板.

1：動力輸出軸；2：中間傳動軸承；3：萬向節(jié)；4：中間變速箱；5：側(cè)邊傳動箱；6：旋埋刀輥.

1.2 工作原理

工作時，由拖拉機牽引犁旋聯(lián)合作業(yè)機前進，安裝在犁體前方的防纏草切刀先切草入土，將秸稈切斷壓入土壤，并在地面留下切痕，減少后續(xù)犁體入土阻力，然后3個中間犁體破土耕翻，兩個側(cè)邊犁體開溝，由限深輪控制犁耕深度，完成初步的除草、破土、犁翻和覆草作業(yè)，之后旋埋刀輥入土，通過彎刀、橫刀的協(xié)同作業(yè)，進一步細碎土壤，將秸稈打碎深埋，最后由平土拖板平整耕后地表.其整機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機整機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表1 Continuedtable1參數(shù)Parameters數(shù)值Value雙面開溝犁數(shù)量Numberofdouble-sidedfurrowplows2犁耕深度Ploughdepth/mm180～230旋耕刀數(shù)量Numberofrotaryblades57彎刀數(shù)量Numberofscimitar21螺旋橫刀數(shù)量Numberofspiralcrosscuts18旋埋深度/mmRotarytillagedepth140～180配套動力/kWMatchedpower≥65

1.3 關(guān)鍵工作部件的設(shè)計

1.3.1 滑刃式切刀的設(shè)計 滑刃式切刀的防纏草功能是通過將秸稈等切斷壓入土壤實現(xiàn).秸稈位于切刀與土壤之間，切刀入土前進過程中，二者之間產(chǎn)生相互作用力，刀刃將中間的秸稈切斷[21].研究表明[22-25]，滑切較砍切更為省力，切割阻力與滑切角呈反比，與摩擦角呈正比.產(chǎn)生滑切的條件為

FN(tanθ-tanφ)=mar

(1)

式中，F(xiàn)N為切刀的法向壓力，N；θ為滑切角，(°)；φ為土壤與切刀之間的摩擦角，(°)；m為秸稈質(zhì)點的質(zhì)量，kg；αr為質(zhì)點相對于切刀的切向加速度，m/s2.

由式(1)可知，只有在αr>0時才會發(fā)生滑切動作，又因前進時滑切刀正壓力FN>0，故必須令θ>φ，查閱文獻[13]及田間實地測量，土壤的摩擦角φ=31°，故當θ大于31°時發(fā)生滑切.顧耀權(quán)等[26]研究表明，滑切角θ為35°～55°時，切刀切割阻力小，試驗表明，多級多角度滑切切斷性能更佳，因此，滑刃式切刀的刀刃曲線的滑切角在此范圍內(nèi)取值，為增加切斷效果，在曲線段尾端加入直線段，刀刃曲線段[27]函數(shù)設(shè)為：

y=ax2+bx+c

(2)

k=y′=2ax+b=tan(90°-θ)

(3)

式中，x為刀刃曲線橫坐標；y為刀刃曲線縱坐標；k為切線斜率；a、b、c為常數(shù).試驗研究表明，滑切深度H=10 cm時切草效果最佳，且切割阻力較小，故令刀刃曲線最高點yA=150 mm，直線段lBC=50 mm，當xB=50時，滑切角θmax=55°，當xA=150時，滑切角θmin=35°，代入式(2)(3)，得到刀刃曲線方程為：

(4)

圖3 滑刃式切刀刀刃曲線示意圖

1.3.2 被動型減阻避障機構(gòu)的設(shè)計 傳統(tǒng)旱地耕整作業(yè)機械大多無防纏草裝置，部分裝有該裝置的機具也只是簡單的通過刀柄或刀柱固連在機架上，耕作過程中遇到石頭等硬物時無法避障，只能強行通過，極大縮減了裝置的使用壽命[28].針對上述問題，設(shè)計了被動型減阻避障機構(gòu)，如圖4所示.

如圖4-B所示，被動型減阻避障機構(gòu)作業(yè)過程中，切刀入土深度為H，受到來自土壤、秸稈的單位載荷為q，合成水平向后、垂直向上的作用力，水平方向作用力Fx推動切刀向后運動，垂直方向作用力Fy抵消機構(gòu)部分自重，可近似表示為：

(5)

(6)

如圖4-C所示，當遇到石頭等障礙物E時，滑刃式切刀所受阻力驟然增大，繞鉸接點C旋轉(zhuǎn)角為α，下限位點B移動至B′，下壓縮彈簧受力持續(xù)壓縮，彈簧導(dǎo)柱經(jīng)限位滑動槽向斜上滑動，上限位點A移動至A′，上壓縮彈簧獲得更大空間回彈，使切刀向后向上運動.機具繼續(xù)向前運動，當越過障礙后，所受阻力減少，下壓縮彈簧載荷減少，回彈至原長度，在彈力作用下，切刀恢復(fù)原工作狀態(tài)，有效實現(xiàn)了自動避障.工作過程中由于受土壤堅實度、地面秸稈分布影響，不同時間切刀所受阻力不同，彈簧處于不斷壓縮、回彈的動態(tài)變化中，使切刀往復(fù)振動滑切，有效的減少了工作阻力.

A：被動型減阻避障機構(gòu)組成圖；B：滑刃式切刀受力示意圖；C：被動型減阻避障機構(gòu)越障示意圖；1：上壓縮彈簧；2：限位滑動槽；3：彈簧導(dǎo)柱；4：下壓縮彈簧；5：滑刃式切刀.

1.3.3 犁耕裝置的設(shè)計 據(jù)前期試驗發(fā)現(xiàn)，旋埋裝置為側(cè)邊傳動時，傳動箱下潛困難，導(dǎo)致旋埋穩(wěn)定性較差、深度淺，針對這個問題，如圖5所示，本設(shè)計中旋埋裝置前的犁耕裝置左右兩側(cè)分別設(shè)雙面開溝犁，在旋耕工作前先在地表開出一道淺溝，以便傳動箱下潛，保證旋耕深度.因犁旋聯(lián)合作業(yè)機設(shè)計的有效工作幅寬為2 300 mm，若犁耕裝置全幅寬覆蓋功率消耗巨大，且由于耕作地土壤黏重，相鄰兩幅耕作土壤極易黏連，造成機具夾土，因此對犁體的設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化，同時減少犁體數(shù)，僅配置了3個中間犁體，主要功能是實現(xiàn)破土和破除旋耕犁底層，犁耕作業(yè)后沿前進方向在地表形成條狀溝壑，試驗測試表明，配合旋埋裝置使用，可有效減少旋埋裝置的扭矩和功率，且能保證耕后地表的平整度；其次，犁耕幅寬b增大，使其無需像傳統(tǒng)犁耕裝置設(shè)計為前后狹長的三角區(qū)域，且犁體的縱向間距s較小，減少了機具的長度.

1：雙面開溝犁；2：單面破土犁；3：機架；4：緊固部件.

1.3.4 破土犁犁體的設(shè)計 為探究不同類型犁體與旋耕配合的不同效果，設(shè)計并應(yīng)用了單面破土犁和雙面破土犁，為了保證作業(yè)質(zhì)量，分別對單面破土犁、雙面破土犁的耕深、耕寬、消耗功率、地表平整度等方面經(jīng)過多次田間試驗驗證，作業(yè)質(zhì)量參數(shù)基本相同，由于2種犁體設(shè)計方法基本相似，故本文僅對單面破土犁的設(shè)計進行詳細闡述.

根據(jù)農(nóng)藝要求進行設(shè)計，耕深取200 mm；單個犁體耕寬取200 mm.犁體曲面頂邊線的高度H根據(jù)公式(7)：

(7)

式中，a為耕深，mm；bg為犁體耕寬，mm；Δh為變動余量，取-3 mm；H為最高點高度，計算得H為280 mm.

導(dǎo)向曲線形狀如圖6-A所示，當高度h不變時，開度L值越小，則犁面越陡峭，阻力越大，反之則小，一般h/L=1.5～1.6，為減小耕作阻力，取1.6，則開度L為175 mm；鏵刃起土角ε越大，鏵刃部越短，耕作阻力越大，取較小值25°；端點切線夾角ω越大，翼部扭曲越大，翻土效果越好，據(jù)鏵刃起土角計算得ω=105°；直線段S一般為30～70，取值50.

元線角δ的變化規(guī)律如圖6-B所示，由2段組成，呈先減少后增大的趨勢，第一段為直線段，初始值δ0一般為35～40°，取δ0=40°，δmin=δ0-(2～4°)，取δmin=38°；第二段為曲線段，對于翻土型犁體曲面，曲線函數(shù)如(8)，δmax=δ0+(7～15°)，取δmax=50°.

(8)

式中，x、y為動點坐標，mm；p為比例常數(shù).元線角δ隨x的增加處于動態(tài)變化中.

如圖7所示，單面破土犁的犁體曲面是由元線沿導(dǎo)向曲線mn運動形成，元線與x軸的投影線間的夾角為δ.工作過程中，鏵尖首先入土，之后鏵刃水平切土，此時，鏵刃起土角ε較小，元線角δ呈不斷減小的趨勢，易于切割土壤并迅速向上抬升；隨著高度的增加，開度L增大，元線角變化較為平緩，土垡沿犁壁滑升；當高度即將到達犁壁末端時，開度L減小，犁體曲面由平緩逐漸變?yōu)槎盖停它c切線夾角ω增大，翼部延長、扭曲度變大，土垡沿翼部向后運動的同時向下翻轉(zhuǎn)，對土壤進行了初步破碎.

圖6 單面破土犁設(shè)計原理圖

圖7 犁體曲面結(jié)構(gòu)簡圖

1.3.5 雙面開溝犁犁體的設(shè)計 為解決側(cè)邊傳動箱難下潛入土，旋埋深度小，且穩(wěn)定性較差的問題，犁旋聯(lián)合作業(yè)機配置了雙面開溝犁，工作過程中，沿機組前進方向，置于側(cè)邊傳動箱前方的雙面開溝犁率先入土，進行淺層破土開溝，于100 mm深度處開出120 mm寬的溝底，翻起的土垡沿曲面上升一定高度后側(cè)移翻轉(zhuǎn)，堆積在溝的兩側(cè)，形成一個可供傳動箱下潛的淺溝.

如圖8所示，根據(jù)耕整地的農(nóng)藝要求，以及旋埋裝置的參數(shù)要求，設(shè)計耕深a為100 mm；溝底寬b為120 mm；埂高h為150 mm；頂邊線高度H約為(1.2～1.3)h，取180 mm；犁體翼寬L為320 mm；溝壁坡度角γ一般為40°～60°，坡度角小，翼寬大，牽引阻力大，長江中下游地區(qū)土壤黏重，易于堆積，可選用較大的坡度角，以減少開溝的功率消耗，取坡度角γ為60°；其余設(shè)計方法及尺寸的確定按照文獻[29-30]進行設(shè)計.

圖8 雙面開溝犁犁體正視圖

開溝犁犁體曲面設(shè)計方法與前述單面破土犁相似，但要保證溝底有一定寬度，且兩側(cè)形成溝壁，為了避免土垡在犁壁下部即向溝壁側(cè)移，擠壓溝壁，增加牽引阻力和造成壅土，需要土垡沿曲面先上升一定高度后再翻轉(zhuǎn)側(cè)移.因此，起土角ε初期較小且緩慢增大，犁壁平緩延伸；起始元線角δ0較大，且在一定高度內(nèi)保持不變，利于土垡沿犁壁滑升；隨著高度的抬升，元線角δ逐漸減少，到達耕深對應(yīng)高度a時，土垡開始側(cè)移，設(shè)計中增加了翼展，增加了土垡的滑移距離，防止土壤再次滑落至溝底.雙面開溝犁設(shè)計原理如圖9所示.

圖9 雙面開溝犁設(shè)計原理圖

1.3.6 旋埋裝置的設(shè)計 旋埋裝置是秸稈翻埋還田的主要功能實現(xiàn)單元，其關(guān)鍵部件位于旋埋刀輥上，刀輥分為6個段落區(qū)間，每個區(qū)間由刀盤、彎刀、IT245旋耕刀(以下簡稱旋耕刀)和螺旋橫刀組成.每段區(qū)間左右各有一個刀盤，刀盤上旋耕刀和彎刀交替分布，通過螺栓緊固，螺旋橫刀焊接在刀盤的彎刀上，旋耕刀呈螺旋狀通過刀座固連在刀輥上，刀輥整體包括：刀軸1個，刀盤7個，彎刀21把，螺旋橫刀18把(左旋9把，右旋9把)，旋耕刀57把(左旋29把，右旋28把).1、2、3區(qū)間與4、5、6區(qū)間對稱分布，耕作中刀具會受到來自土壤的軸向力，對稱的刀具受力方向相反，可使兩個方向的軸向力互相抵消.刀具排布如圖10所示.

圖10 旋埋刀輥排布示意圖

旋耕刀采用國家標準件IT245型，最大旋轉(zhuǎn)半徑為242.6 mm，為了保證耕深，彎刀的最大旋轉(zhuǎn)半徑確定為235.7 mm，采用1GMC-70型船式旋耕埋草機[31]中成熟的彎刀曲線，以120°夾角均布在旋埋刀輥的刀盤上，螺旋橫刀焊接在其前端，彎刀前端可視為螺旋橫刀的架節(jié)點，并為后續(xù)橫刀工作起到預(yù)破茬作用.每個區(qū)間設(shè)有3把螺旋橫刀，與旋耕刀交替排布，左旋耕刀在右旋橫刀之間，右旋耕刀在左旋橫刀之間，兩種刀具對土壤均有軸向側(cè)推效應(yīng)，每個區(qū)間內(nèi)旋耕刀與螺旋橫刀旋向都相反，相互抵消了彼此的側(cè)推效應(yīng).工作中，旋耕刀和彎刀率先入土，將未耕土壤和秸稈進行破碎切茬，再由螺旋橫刀后入土橫向整幅切削土壤、埋覆秸稈，3種刀具協(xié)同工作，充分發(fā)揮了旋耕刀、彎刀的切土破碎和螺旋橫刀的秸稈埋覆優(yōu)勢.

2 材料與方法

2.1 試驗條件

2019年1月7-8日于華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地選取了水稻收獲后的閑置田進行試驗，該田塊前茬作物采用半喂入式收獲，種植密集、留茬高，地面有大量秸稈、雜草倒伏，重黏土土質(zhì)，試驗田各處環(huán)境特性基本相同，各項參數(shù)狀況如表2所示.

2.2 試驗方法

犁旋聯(lián)合作業(yè)機由東方紅LX954(中國一拖集團)提供牽引和旋埋動力，應(yīng)用CKY-810扭矩傳感器(北京中航科儀測控技術(shù)有限公司，量程：0～3 000 N·m，精度等級：0.5%)、BK-5型牽引力負載傳感器(中國航天空氣動力技術(shù)研究院，精度等級：0.3)、數(shù)據(jù)采集箱、動力學參數(shù)遙測軟件、TJSD-750土壤堅實度檢測儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，精度：±0.5‰FS)、烘箱、環(huán)刀、直尺等設(shè)備對相關(guān)性能參數(shù)，如功率、牽引力、耕深、耕深穩(wěn)定性、地表平整度、秸稈埋覆率等進行測定.

表2 環(huán)境特性基本參數(shù)表

普通旋耕機旋耕深度約為10～15 cm，為增加旋埋深度，將犁耕深度設(shè)為18～23 cm，試驗中所用東方紅LX954拖拉機額定轉(zhuǎn)速為540～720 r/min，拖拉機動力輸出軸傳遞至刀輥的總傳動比為2.2∶1，計算可得刀輥轉(zhuǎn)速為245～327 r/min，由于犁耕裝置對土壤進行了初步處理，保證工作質(zhì)量的前提下，避免轉(zhuǎn)速過快，故取穩(wěn)定工作的刀輥轉(zhuǎn)速300 r/min，旋埋深度為14～18 cm.

犁旋聯(lián)合作業(yè)機的犁耕裝置與旋埋裝置的連接方式均為三點懸掛，無論是犁耕裝置單獨使用，還是組合使用，僅需對懸掛點進行拆卸或掛接，再移動中間傳動軸承將萬向節(jié)對接或拆卸即可完成；犁體部分通過螺栓固定，可直接拆裝更換不同犁體，較為簡單.故分別對單面犁作業(yè)、單面犁后旋埋作業(yè)、雙面犁作業(yè)、雙面犁后旋埋作業(yè)、單獨旋埋作業(yè)、單面犁+旋埋復(fù)合作業(yè)、雙面犁+旋埋復(fù)合作業(yè)等7種情況進行全工況性能試驗.

試驗田長度為40 m，開頭預(yù)留10 m入土距離，結(jié)尾預(yù)留10 m掉頭距離，取中間20 m穩(wěn)定工作區(qū)間，每個工況重復(fù)3次，取其平均值為該工況的試驗結(jié)果，田間試驗如圖11所示.

圖11 田間試驗

拖拉機與犁旋聯(lián)合作業(yè)機的三點懸掛處裝有牽引力負載傳感器(圖12)，實時監(jiān)測上拉桿和左右懸掛處機具所受的水平受力和垂直受力[32]；拖拉機的動力輸出軸與萬向節(jié)間裝有扭矩傳感器，實時監(jiān)測輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩.傳感器采集的數(shù)據(jù)以電信號的形式傳遞到數(shù)據(jù)采集箱，采集箱發(fā)射無線信號由電腦接收，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件處理將其轉(zhuǎn)化為可供讀取的數(shù)值.

圖12 犁旋聯(lián)合作業(yè)機安裝作業(yè)圖

3 結(jié)果與分析

各工況下三點懸掛所測水平和垂直分力以及其合力如表3所示，各工況作業(yè)后試驗數(shù)據(jù)如表4所示.

由表3分析可知，無論①②單獨犁耕或是⑤單獨旋埋，三點懸掛均存在部分受力過大的問題，當⑥⑦犁耕旋埋聯(lián)合使用時，雖牽引合力增加，但懸掛點的受力更穩(wěn)定，數(shù)值更低，聯(lián)合使用更安全.僅從受力分析，無論是單獨犁耕還是犁旋聯(lián)合作業(yè)，單面犁牽引合力均小于雙面犁，相同作業(yè)條件下，單面犁工作效果更優(yōu).

由表4分析，犁耕深度、旋埋深度可直接測得.各部分牽引功率由各自的牽引水平合力與前進速度乘積可得，由于旋埋刀輥轉(zhuǎn)速高，整機工作幅寬大，故選擇了較小的前進速度0.43 m/s，因此計算得到①單面犁犁耕、②雙面犁犁耕作業(yè)的牽引功率也較小，僅為5.88、6.48 kW；而速度對旋埋功率影響較小，⑤旋埋功率仍較大，通過扭矩傳感器可直接測得為48.72 kW.經(jīng)試驗，⑤單獨旋埋深度僅能達到15.7 cm，但經(jīng)③單面犁耕后旋埋、④雙面犁耕后旋埋，旋埋深度分別達到17.8、17.6 cm，較⑤單獨旋埋的深度15.7 cm增加了14.1%、12.8%，但旋埋功率反而減少了0.45、0.5 kW，說明旋埋作業(yè)前進行犁耕作業(yè)可有效疏松土壤增加耕深，降低旋埋功率消耗.犁耕與旋埋聯(lián)合作業(yè)⑥單面犁+旋埋、⑦雙面犁+旋埋，犁耕深度與旋埋深度均達到作業(yè)要求，總功率消耗僅為42.32、46.26 kW，結(jié)合上文深入分析，聯(lián)合作業(yè)的特點是犁耕、旋埋同步作業(yè)，犁耕裝置消耗功率較小，但會對土壤進行擾動，達到疏松土壤的效果，而旋埋裝置在土壤還未沉降凝實前進行旋埋作業(yè)，極大減少了旋埋功率消耗，最終總功率減少，與先①②犁耕，后③④旋埋的二次作業(yè)的傳統(tǒng)模式相比，總功率分別減少了23.3%、17.6%，說明本設(shè)計的犁旋聯(lián)合作業(yè)機不但可有效減少拖拉機下地次數(shù)，在相同作業(yè)效果前提下，比二次作業(yè)模式消耗的功率更低.

表3 各工況下懸掛點所受力

“-”表示與拖拉機懸掛處拉力或者提升力相反方向的力.

“-” represents the force direction is opposite to the original force direction.

表4 各工況試驗數(shù)據(jù)

綜上所述，犁旋聯(lián)合作業(yè)機無論從工作深度，還是從功率消耗比較，性能都更加優(yōu)越.

犁旋聯(lián)合作業(yè)機的作業(yè)性能如表5所示，單面犁+旋埋、雙面犁+旋埋的犁耕深度分別為20.1、18.5 cm，滿足農(nóng)藝要求；旋埋深度均為17.6 cm，遠大于旋耕機耕深的國家標準要求[33]；秸稈覆蓋率分別為90.5%、89.8%，可以適應(yīng)秸稈量大的田塊；耕深穩(wěn)定性、平整度也均滿足耕整地的作業(yè)質(zhì)量要求.設(shè)計中單面破土犁與雙面破土犁作業(yè)功能相同，從牽引力、耕深、秸稈埋覆率、總功率消耗分析，單面破土犁+旋埋效果優(yōu)于雙面破土犁+旋埋，但從犁耕耕深穩(wěn)定性、旋埋耕深穩(wěn)定性分析，雙面破土犁+旋埋效果優(yōu)于單面破土犁+旋埋，故針對不同需要可選擇合適犁體耕作.

表5 犁旋聯(lián)合作業(yè)機的作業(yè)性能

4 討論與結(jié)論

1) 針對如長江中下游稻油輪作的種植模式，研制了集犁耕和旋埋為一體的秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機，該機一次作業(yè)可完成切草、犁耕、旋埋、碎土、平地等多項作業(yè)，直接使田塊達到利于種子著床的待播狀態(tài).機具為組合式，根據(jù)不同需求，只需簡單的拆裝組合即可，適應(yīng)性廣.

2) 設(shè)計了一種防纏草的滑刃式切刀，采用滑切原理將秸稈、雜草切斷壓入土壤，解決了因秸稈量大犁柱、旋耕刀的纏草問題.對犁耕裝置進行了犁體優(yōu)化和適應(yīng)性排布，設(shè)計了2種犁體：單面破土犁、雙面破土犁，并對其開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，旨在提高破土性能，適當減少單個犁體耕寬，減少耕作阻力.對旋埋刀輥的排布進行了設(shè)計和優(yōu)化，刀具螺旋對稱式排布抵消了內(nèi)部軸向力和側(cè)推效應(yīng)，保證了耕后地表的平整度.

3) 田間試驗表明：犁耕作業(yè)可有效增加耕深，降低功率消耗，單獨旋埋深度僅能達到15.7 cm，但犁耕作業(yè)后旋埋，兩種犁體的旋埋深度分別增加到17.8、17.6 cm，旋埋功率反而減少了0.45、0.5 kW；犁旋聯(lián)合作業(yè)功率較先犁耕后旋埋的二次作業(yè)功率之和減少了23.3%、17.6%；秸稈埋覆率為90.5%和89.8%，可以適應(yīng)秸稈量大的田塊；犁耕深度、旋埋深度、耕深穩(wěn)定性、平整度等各作業(yè)性能均滿足耕整地的農(nóng)藝要求.綜合分析，與傳統(tǒng)耕作模式相比，犁旋聯(lián)合的作業(yè)模式更優(yōu).

本文設(shè)計的犁旋聯(lián)合作業(yè)機耕作后秸稈在土壤中的空間分布狀況、高速工作的能耗情況、最優(yōu)速比的研究將是本課題未來研究的方向.