帶狀旋耕式小麥免耕播種機(jī)耕作刀具的優(yōu)化

楊艷山，丁啟朔，趙亞平，孫翠華，王 鋒

(1蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031)

稻麥輪作是中國(guó)農(nóng)業(yè)的主要種植方式之一，稻麥輪作區(qū)種植面積高達(dá)480萬(wàn)hm2[1]。與北方相比，南方稻麥輪作地區(qū)田塊小、零散且不規(guī)則，多為以家庭為基礎(chǔ)的小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大型免耕播種機(jī)械不能達(dá)到很好的作業(yè)效果[2]。另外，該區(qū)域土壤一直處于干濕輪換的狀態(tài)，耕層致密緊實(shí)、土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，難耕難種現(xiàn)象明顯。因此，帶狀旋耕式中小型免耕播種機(jī)以其良好的土壤破碎性能、極少的土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)范圍和良好的區(qū)域適應(yīng)性得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[3-5]。

旋耕部件是帶狀旋耕式免耕播種機(jī)的重要組成部分，其創(chuàng)造出的種溝形狀、破碎及回填效果是影響種?土接觸、種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)和土壤保墑的關(guān)鍵因素[6-10]。然而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)帶狀旋耕式免耕播種機(jī)的研究多集中在防堵單元體設(shè)計(jì)方面[5,11]，極少有人對(duì)耕作刀具進(jìn)行優(yōu)化研究。現(xiàn)有免耕播種機(jī)多采用將傳統(tǒng)的C 型彎刀數(shù)量減少并重新排列的耕作刀具設(shè)計(jì)[5]。傳統(tǒng)C型彎刀具有良好的拋土特性，耕作過(guò)程中大部分破碎土壤被拋灑至種溝外，種溝內(nèi)土壤過(guò)少難以保證種子與土壤的充分接觸[8]，這極大地降低了帶狀旋耕式免耕播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。Matin 等[8]在室內(nèi)用砂壤土進(jìn)行了4種工作轉(zhuǎn)速、3種不同形狀刀具的帶狀旋耕作業(yè)效果研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旋耕刀彎曲部分的尺寸是決定旋耕刀拋土特性的關(guān)鍵，減小旋耕刀彎曲部分的尺寸能夠有效地提高回填率，在砂壤土條件下直刀能夠創(chuàng)造出理想的種溝。Lee等[12]研究發(fā)現(xiàn)在C型彎刀兩側(cè)加裝擋土圓盤可以有效地阻止土壤向刀具兩側(cè)拋灑，進(jìn)而調(diào)高回填率，然而這種設(shè)計(jì)使得耕作能耗大幅增加，不符合保護(hù)性耕作節(jié)能減排的理念。大多針對(duì)帶狀旋耕式免耕播種機(jī)耕作機(jī)具的研究都是在室內(nèi)土槽中進(jìn)行的[8,12-14]，田間土壤物性表現(xiàn)復(fù)雜多變且直接影響耕作部件的性能表現(xiàn)[15-18]，室內(nèi)土槽試驗(yàn)并不能完全反映耕作機(jī)械的田間實(shí)際性能。因此，在原位水稻土上對(duì)帶狀旋耕式免耕播種機(jī)耕作機(jī)具進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)帶狀旋耕式免耕播種機(jī)性能的改進(jìn)以及在稻麥輪作系統(tǒng)中的推廣具有極其重要的意義。

鑒于稻麥輪作系統(tǒng)在中國(guó)糧食安全方面的重要地位，保護(hù)性耕作技術(shù)及帶狀旋耕式免耕播種機(jī)在該系統(tǒng)中推廣的需要，本研究針對(duì)常用的3種典型旋耕刀具及1種刀具組合進(jìn)行田間原位耕作試驗(yàn)研究，以期為帶狀旋耕式免耕播種機(jī)耕作機(jī)具的研發(fā)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 旋耕刀具及其排列組合

以常用的C型彎刀、直刀和深耕刀(圖1)這3種典型旋耕刀具及組合刀具為材料進(jìn)行田間原位耕作試驗(yàn)研究。其中，組合刀具是基于Matin 等[8]和Lee 等[12]的研究提出的，其排列組合方式如圖2所示。組合刀由2把深耕刀和2把直刀組成，2把深耕刀呈180°安裝在刀軸中心位置，兩側(cè)安裝2把直刀，直刀主要用于控制種溝邊界并阻止土壤破碎體向兩側(cè)拋灑。為保證耕作出的種溝寬度滿足播種需求且符合保護(hù)性耕作土壤擾動(dòng)少的原則[19-20]，旋耕刀座間距設(shè)置為60 mm，耕作出理想的種溝寬度為60～90 mm。

圖1 旋耕刀Fig.1 Rotary tillage blade

1.2 田間原位耕作試驗(yàn)臺(tái)

圖2 耕作刀具的排列組合示意圖Fig.2 Tillage bladearrangement on shaft

采用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁啟朔課題組研發(fā)的田間原位綜合耕作試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同刀具的耕作效果進(jìn)行田間試驗(yàn)研究。試驗(yàn)臺(tái)主體長(zhǎng)8 m，由控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、多功能臺(tái)車和升降系統(tǒng)組成(圖3)。多功能臺(tái)車的前進(jìn)動(dòng)力由1臺(tái)4 kW 的電動(dòng)機(jī)提供，前進(jìn)速度可在0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。旋耕刀軸的動(dòng)力來(lái)源于1臺(tái)7.5 kW 的電動(dòng)機(jī)，刀軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)600 r/min。試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)4個(gè)0.75 kW的電動(dòng)機(jī)來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)的升降和耕深調(diào)節(jié)，1次試驗(yàn)完成后試驗(yàn)臺(tái)升起進(jìn)行田間移位，以便于進(jìn)行下一次試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)由電控系統(tǒng)統(tǒng)一操控，1 臺(tái)13.5 kW的發(fā)電機(jī)作為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的電力來(lái)源。

圖3 田間原位測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Overview of the in-situ field test rig

為方便旋耕過(guò)程中耕作能耗的測(cè)量，多功能臺(tái)車配有扭矩傳感器，輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，由Labview軟件采集控制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

1.3 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年11月水稻收獲以后在南京市六合區(qū)八百橋鎮(zhèn)試驗(yàn)田進(jìn)行。該試驗(yàn)田常年實(shí)行稻麥輪作制，土壤類型為黏性水稻土，其中砂土、粒土、黏土含量(w)分別為24.1%、40.4%和35.6%，0～10 cm深土壤的含水率(w)為31.8%，容重為1.25 g/cm3，內(nèi)聚力為30.91 kPa，內(nèi)摩擦角為13.1°，圓錐貫入阻力為348 kPa。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1旋耕耕作試驗(yàn) 采用C型彎刀、直刀、深耕刀和組合刀在180、280、380和510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下共16個(gè)小區(qū)進(jìn)行田間原位旋耕耕作試驗(yàn)。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)8 m，寬4 m，進(jìn)行4次耕作試驗(yàn)。耕作深度和前進(jìn)速度采用Lee等[12]推薦的5 cm 和0.3 m/s。測(cè)試完成后，耕后區(qū)域地表自然風(fēng)干1 d，以便進(jìn)行種溝形狀的測(cè)量和土壤破碎體采樣。取樣過(guò)程中隨機(jī)選取1 m2耕作區(qū)域作為測(cè)試區(qū)域，用毛刷對(duì)種溝的邊界進(jìn)行清理，去除種溝邊界外的土壤，取出留在溝內(nèi)的土壤破碎體，具體操作方法參照文獻(xiàn)[8]。測(cè)試區(qū)域清理干凈后，對(duì)種溝進(jìn)行垂直拍照。所取土壤破碎體帶回試驗(yàn)室自然風(fēng)干，使用組合篩(φ64、φ32、φ16、φ8、φ4、φ2、φ1)對(duì)土壤破碎體進(jìn)行篩分處理，對(duì)各級(jí)尺度的土壤破碎體進(jìn)行稱量并計(jì)數(shù)。以上所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù)處理。

1.4.2平均質(zhì)量直徑 采用平均質(zhì)量直徑（Mean weight diameter，MWD）作為評(píng)價(jià)不同旋耕刀具土壤破碎性能的指標(biāo)，將7個(gè)不同尺度區(qū)間{＜2 mm，[2，4)mm，[4，8)mm，[8，16)mm，[16，32) mm，[32，64)，≥64 mm}的土壤破碎體質(zhì)量與樣本總質(zhì)量的比值作為土壤破碎體質(zhì)量分布，計(jì)算公式如下：

式中，PMSDi為土壤破碎體在第i個(gè)尺度區(qū)間相對(duì)于樣本總質(zhì)量的比重，mi為該尺度區(qū)間的土壤破碎體質(zhì)量，mT為樣本的總質(zhì)量。MWD按照下式計(jì)算：

式中，Ri為第i級(jí)尺度范圍內(nèi)的平均尺度，是該級(jí)尺度范圍的上限和下限的平均值，MWD越小，刀具的土壤破碎性能越好。

1.4.3回填率 回填率是指種溝內(nèi)的土壤破碎體干質(zhì)量與擾動(dòng)土壤總干質(zhì)量的比值[8]，留在種溝內(nèi)的土壤破碎體越多，回填率越高，種子與土壤接觸越充分，對(duì)種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)越有利。將厚0.2 mm的塑料薄膜鋪設(shè)在已經(jīng)清理干凈的種溝內(nèi)，使用顆粒直徑＜1 mm 且干密度為1288 kg/m3的標(biāo)準(zhǔn)砂沿種溝邊界鋪撒在塑料薄膜上，直至將種溝填滿并與地表邊界齊平，將標(biāo)準(zhǔn)砂取出并稱量計(jì)數(shù)，以此計(jì)算測(cè)試區(qū)域內(nèi)種溝的體積。回填率(Fb)的計(jì)算如式3所示。

式中，m為種溝內(nèi)土體破碎體的干質(zhì)量，kg；V為測(cè)試區(qū)域種溝的體積，m3；ρ為土壤的容重，kg/m3。

1.4.4耕作能耗 本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定耕作過(guò)程中刀軸所受扭矩來(lái)計(jì)算耕作能耗（SW），計(jì)算方法如式4所示。

式中，SW 的單位為J·m?3；M為刀軸所受扭矩，N·m；n為刀軸轉(zhuǎn)速，r/min； 為耕作機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；B為耕作幅寬，m；a為耕作深度，m。

2 結(jié)果與分析

圖4 刀軸轉(zhuǎn)速及形狀對(duì)種溝形狀的影響Fig.4 Seedbed produced by different configurations

2.1 種溝形狀

圖4展示了不同耕作刀具和刀軸轉(zhuǎn)速對(duì)種溝形狀和邊界的影響。從圖4可以看出，直刀能夠創(chuàng)造出整齊的種溝邊界，但是刀軸轉(zhuǎn)速為180和510 r/min 時(shí)直刀不能形成連續(xù)的種溝。直刀耕作過(guò)程中，刀具對(duì)土壤施加側(cè)向力，利用與土壤間的摩擦力形成種溝，在刀軸轉(zhuǎn)速為180 r/min 時(shí)切土節(jié)距較大(50 mm)，刀具與土壤間摩擦力不足以克服水稻土壤顆粒間的黏結(jié)力而形成破碎和不連續(xù)的種溝。刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min 時(shí)，直刀與土壤接觸的時(shí)間過(guò)短，土壤與刀具不能完全黏合，因此產(chǎn)生的摩擦力也不足以創(chuàng)造出連續(xù)的種溝。其他3種耕作刀具都創(chuàng)造出了連續(xù)的種溝，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，種溝形狀趨于規(guī)則(邊界整齊)。由于C型彎刀具有很好的切土特性，其在黏性水稻土中創(chuàng)造出的種溝形狀規(guī)則且基本不受轉(zhuǎn)速的影響。深耕刀的耕作過(guò)程主要由刀具插入土壤、刀具帶或勾起土壤、拋出土壤破碎體組成，因此深耕刀雖然能夠創(chuàng)造出連續(xù)的種溝但并不能很好地控制種溝邊界，即使在510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下種溝也并不是很理想。

組合刀采用直刀與深耕刀結(jié)合的方式，由于直刀的加入種溝的邊界得到了很好的控制，深耕刀有效地解決了直刀單獨(dú)使用不能創(chuàng)造出連續(xù)種溝的問(wèn)題(圖5)。在180 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下切土節(jié)距較大，深耕刀勾帶起的土壤破碎體較大，導(dǎo)致種溝邊界不規(guī)則。隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加、切土節(jié)距的減小，組合刀創(chuàng)造出的種溝邊界趨于規(guī)則，在510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下可以創(chuàng)造出理想的種溝邊界。

圖5 組合刀的設(shè)計(jì)(A)及工作原理(B)Fig.5 Design (A)and working principle (B)of combination blades

2.2 破碎度

如圖6A 所示，土壤破碎體的平均質(zhì)量直徑（MWD）隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。直刀在180和510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下并沒有耕作出完整且連續(xù)的種溝，因此不對(duì)這2種刀軸轉(zhuǎn)速下生成的土壤破碎體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)于C型彎刀、深耕刀和組合刀來(lái)說(shuō)，相同刀軸轉(zhuǎn)速下生成的MWD并沒有明顯的差異。與Matin 等[8]和Chertkiattipol 等[21]使用不同旋耕刀具進(jìn)行土壤破碎效果試驗(yàn)研究的結(jié)論相同。這是因?yàn)橛绊懶镀扑樾阅艿闹饕蛩厥堑遁S轉(zhuǎn)速，刀軸轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致切土節(jié)距減小的同時(shí)也增加了土壤破碎體被拋出的速度，使土壤破碎體與擋土板的撞擊更加激烈，進(jìn)而放大了土壤破碎效果[8,13,21-22]。

在280和380 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下直刀能夠形成連續(xù)的種溝，然而直刀與土壤間的摩擦力不能進(jìn)一步將土壤破碎，并且直刀不具備拋土特性[8]，切下的土壤不能與擋土板撞擊形成二次破碎，導(dǎo)致直刀在黏性水稻土中的破碎效果差(MWD＞40 mm)，不適用于稻麥輪作系統(tǒng)中的帶狀旋耕式免耕播種機(jī)。

2.3 回填率

如圖6B所示，回填率隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，其中C型刀具產(chǎn)生的回填率下降尤為明顯。這是因?yàn)镃 型刀具彎曲部分較大(寬度42 mm)，導(dǎo)致在耕作時(shí)大量的土壤被拋出種溝之外。深耕刀具刀尖較窄(寬度30 mm)，耕作過(guò)程中刀具首先插入土壤，然后勾帶起土壤破碎體。在這一過(guò)程中大部分土壤破碎體向側(cè)邊移動(dòng)，少部分被拋出，因此回填率高于C型彎刀，在較高刀軸轉(zhuǎn)速下回填率下降不明顯。直刀沒有彎曲部分，不具備拋土特性，并且能夠有效地阻止土壤破碎體的側(cè)向移動(dòng)[20]，因此在能夠形成完整種溝形狀的情況下(刀軸轉(zhuǎn)速280和380 r/min 時(shí))，直刀形成的回填率明顯高于其他刀具組合。

組合刀中深耕刀主要進(jìn)行土壤破碎形成完整連續(xù)的種溝，直刀在控制種溝邊界的同時(shí)能夠有效地阻止被深耕刀勾帶起的土壤破碎體向種溝兩側(cè)移動(dòng)，形成較高的回填率。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速大于380 r/min時(shí)，組合刀形成的回填率明顯高于C 型彎刀和深耕刀。

2.4 耕作能耗

圖6 刀具形狀及轉(zhuǎn)速對(duì)耕作破碎程度、回填和能耗的影響Fig.6 Effect of blade geometry and rotary speed on soil breakage degree，backfill and energy comsumption during tillage

由圖6C可以看出，刀軸轉(zhuǎn)速是影響耕作能耗的主要因素。耕作能耗隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這與Kheiralla 等[23]的研究結(jié)果一致。在能夠創(chuàng)造出連續(xù)種溝的情況下，直刀耕作過(guò)程中產(chǎn)生的能耗最大，其他3種耕作刀具間并沒有明顯差異。組合刀雖然減少了深耕刀和直刀的數(shù)量，但是在直刀切入土壤形成良好的種溝邊界的同時(shí)解除了深耕刀一側(cè)土壤間的黏結(jié)力約束，使深耕刀更容易破碎土壤，深耕刀勾帶起土壤減小了土壤與直刀間的摩擦力，因此耕作能耗并沒有明顯增加。組合刀的設(shè)計(jì)改進(jìn)了Lee等[12]為提高回填率在刀軸兩側(cè)加裝擋土圓盤的設(shè)計(jì)方案，在不增加耕作能耗的同時(shí)做到了種溝連續(xù)且形狀整齊，具有良好的破碎效果，在510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下依然具有較高的回填率。

3 結(jié)論

本研究從種溝形狀、土壤破碎程度、回填率、耕作能耗4個(gè)方面，對(duì)4種不同旋耕刀具排列進(jìn)行了田間原位試驗(yàn)研究。結(jié)果表明C型旋耕刀能夠形成良好的種溝形狀和土壤破碎程度，但在高刀軸轉(zhuǎn)速(＞280 r/min)時(shí)回填率過(guò)低，形成的種床無(wú)法保證種子與土壤的良好接觸。直刀在刀軸轉(zhuǎn)速為180和510 r/min 時(shí)不能形成連續(xù)且完整的種溝，在刀軸轉(zhuǎn)速為280 和380 r/min 形成土壤破碎體過(guò)大(MWD＞40 mm)無(wú)法滿足播種要求。深耕刀能夠創(chuàng)造出連續(xù)且完整的種溝形成良好的土壤破碎效果，但其無(wú)法形成齊整種溝邊界，不利于土壤保墑。

組合刀耕作過(guò)程中，直刀先于深耕刀切入土壤形成良好的種溝邊界，并對(duì)深耕刀側(cè)向拋土起到了很好的阻擋作用，提高了回填率，解除了深耕刀一側(cè)土壤間的黏結(jié)力約束，使深耕刀更容易勾帶起土壤和加劇土壤破碎程度，深耕刀以其良好的耕作性能保證了組合刀在刀軸轉(zhuǎn)速180～510 r/min 間都能創(chuàng)造出連續(xù)的種溝。鑒于組合刀在黏性水稻土中耕作效果的顯著優(yōu)勢(shì)，推薦組合刀作為應(yīng)用于稻麥輪作系統(tǒng)的帶狀旋耕式免耕播種機(jī)的耕作刀具。