联合整地作业机具的研究现状

郑　侃，何　进，王庆杰，李问盈，章志强

(中国农业大学 工学院/现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京　100083)



联合整地作业机具的研究现状

郑侃，何进，王庆杰，李问盈，章志强

(中国农业大学 工学院/现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京100083)

摘要：联合整地作业机具有保护土壤、效率高、成本低、空气污染少等优点，对于促进保护性耕作及发展可持续农业具有重要的意义。为此，总结了国内外典型的联合整地作业机的研究现状，详细介绍了旋耕联合整地作业机与圆盘耙联合整地机的主要结构特点，并对同类机器进行了对比分析，指出了现有的联合整地作业机存在的缺陷和研究不足等问题，为联合整地作业机的研究提供参考依据。

关键词：农业工程；联合整地机；现状

0引言

土壤是农作物生长的最基础条件，机械耕整地作业是指使用各种农业机械对土壤进行翻耕、疏松、细碎、平整和压实等处理，以改善土壤的物理性质和自然条件，为下一步播种施肥和种子生长提供良好的土壤环境条件，从而达到提高农作物产量的目的[1-6]。传统的机械耕整农田，拖拉机需要挂接犁、深松铲、旋耕机、耙、镇压器及起垄机等不同机具多次作业才能加工出合格的苗床。拖拉机和机具进地次数多，对土壤压实程度团粒结构破坏严重，长期以往会导致土壤肥沃性退化和沙化，农作物产量和质量逐年降低，且作业效率低、周期长，不利于抢农时[7-8]。

随着大马力动力机械的研制、传统单一整地机械的逐渐淘汰，联合整地作业机成为整地机械发展的重要方向，机具能在土壤适宜的条件下只需一次下地作业即可达到种子播前整地的要求。美国、加拿大、前苏联及日本等国的农业机械发展起步早，从20世纪60年代开始研制推广联合整地机械，现已拥有性能结构较成熟的大型联合整地机械。我国从20世纪70年代中期，从国外引进并自主研发联合整地机械，相比国外先进的联合整地机具有一定的差距，仍需要长期开发研制符合我国国情的先进联合整地机[9-10]。因此，了解和掌握联合整地机具作业技术的主要特点、国内外发展现状，以及探讨其存在的主要问题，对我国联合整地作业机的研究和推广具有重要的意义。

1联合整地作业机主要技术特点

联合整地作业机能使土壤形成一个由细碎土壤构成且表层覆盖有粗土的理想苗床，奠定了种子生长的基础。一般的联合整地机都有深松部件，可打破板结层加深耕作层，促进作物根系生长，增加植物的抗倒伏和产量[11]。与目前农业生产中大量使用的传统整地方法比较，联合整地机具有以下主要技术特点[12-14]：①保护土壤。减少农机具进地作业次数，从而降低拖拉机对土壤的破坏，保护土壤中的团粒结构，降低土壤板结。②作业效率提高。有利于抢农时，使整地时间相对缩短了7～10天，相对增加作物生长周期以及年有效积温。③节省油料降低作业成本。与传统的翻、耙、压单项依次作业工序相比可节省油料15kg/hm2左右，降低油耗21.7%～40%。④减少环境污染。联合整地机作业次数减少，即减少了拖拉机废气排放量。

2旋耕联合整地作业机研究现状

目前，各国所使用的联合整地作业机种类繁多，按照主要工作的部件可以分为两大类：旋耕联合整地作业机；圆盘耙联合整地机[15-16]。所谓旋耕联合整地作业机是指在旋耕机上附加上灭茬、深松、粉碎、起垄或者镇压器等部件，通过旋耕机与1个及以上不同工作部件的组合搭配，可以组合成不同种类的旋耕联合整地作业机，这类机器机身较短，一般与拖拉机悬挂连接，主要适用于北方干旱、半干旱地区垄作或平作联合整地作业。按照主要工作部件的作业顺序可以将旋耕联合整地作业机分为：深松旋耕联合整地作业机、灭茬旋耕起垄联合作业机、灭茬深松旋耕起垄联合作业机及秸秆粉碎还田旋耕机。

2.1深松旋耕联合整地作业机

深松旋耕联合整地作业机采用深松、旋耕两项核心技术，主要的工作部件有深松铲、旋耕刀辊和平整镇压装置。机器的特点是深松铲安装在旋耕刀辊前方的机架上，旋耕刀辊后方设有平土拖板或者镇压辊，旋耕刀辊转速一般为200～400r/min。工作时，机具前方的深松铲对中下层土壤疏松，以打破坚硬的犁底层，增加土壤的透气性和透水性，拖拉机驱动旋耕刀将深松后凹凸不平的地表松碎平整，机具后方的平土拖板或者镇压辊对细碎的土壤压实，为种子生长创造良好的土壤环境。

现有这类机器主要代表有约翰·迪尔公司研制的1SL系列深松整地联合作业机[17]，如图1所示。该机主要组成部件：悬挂架、传动箱、深松铲总成、卧式旋耕装置、IT245旋耕弯刀、平土拖板和限深轮。其中，1SL-200B型深松旋耕机幅宽为2m，深松铲机架前面3个、后面2个对称分布，旋耕刀对称安装在刀辊上，需要动力74.6～89.5kW；而1SL-230A型与1SL-200B型参数不同的在于深松铲有6个，旋耕刀有62把，需要动力为78.3～100.7kW。库恩公司生产的DC301型联合整地机[18]，如图2所示。

图1　约翰·迪尔1SL系列深松整地联合作业机

图2　库恩DC301联合整地机

该机需要89.5～111.9kW的动力，幅宽为3m，由4个深松铲对称分布安装在三角形悬挂架上，在深松铲的后方是由10个旋转刀轴20把旋耕刀组成的HR303型立式旋耕机。立式旋耕机的动力由中间齿轮向两侧齿轮传动，镇压器为带齿镇压辊。山东大华机械有限公司生产的1SZL-230深松整地联合作业机[19]，如图3所示。该机对称分布的4个深松铲均采用弧面倒梯型设计，作业时不乱土层，作业阻力减小，能够实现全方位深松；松土作业后地表平整，形成贯通作业行的鼠道，机器作业面较广，尤其适用于秸秆覆盖量较大的地块。

图3　1SZL-230深松整地联合作业机

2.2灭茬旋耕起垄联合作业机

灭茬旋耕起垄联合作业机在灭茬旋耕机的后部增设起垄装置，可以一次完成灭茬、旋耕、起垄及镇压等多项作业。该机通常是在机器前面设置灭茬刀辊，后面设置旋耕刀辊，起垄镇压部件放在机器的最后部。其灭茬刀辊转速在300r/min左右，转向一般与旋耕刀辊转向相同且为正转，并在土壤里进行有支撑切割；旋耕刀的排列常用多头螺旋排列，有效地避免了旋耕后地表不平的现象。机器的工作原理：拖拉机驱动灭茬刀辊旋耕刀辊旋转，灭茬刀将作物的根茬打碎；旋耕刀进行碎土平整并混合作物有机质，最后对作业过的土壤起垄、镇压完成田间整地，特别适用玉米、棉花等粗大根茬作物。若田间整地无需起垄，可以将起垄装置拆除用做灭茬旋耕机使用。

现有的机型有铁岭垄上行机械有限公司研制的1GZM-180型联合整地机[20]，如图4所示。其主要由灭茬装置、旋耕装置、起垄装置及镇压辊组成。机器的结构特点是动力由拖拉机主轴传输给传动箱，传动箱中的锥形齿轮通过左右两侧的传输轴及齿轮组将动力分别传输给旋耕装置和灭茬装置，机器后方配有镇压辊。机器采用齿轮传动，增加了机器的可靠性和稳定性，同时增加了机器的成本。张欣悦、李连豪等人研究设计的1GSZ-350型灭茬旋耕联合整地机[21]，机器的动力输入先经过一个主变速箱后经过由旋耕变速箱和灭茬变速箱组成的两个副变速箱，经过副变速箱变速驱动灭茬刀辊和旋耕刀辊转动，传动更为可靠；但机器较为复杂，后部的深松起垄铲，既能起到深松作用打破犁底层，又能同时起垄，实现了一机多用。

图4　1GZM-180型联合整地机

2.3灭茬深松旋耕起垄联合作业机

灭茬深松旋耕起垄联合作业机在灭茬旋耕起垄联合作业机的基础上增设深松铲，以减少土壤的耕作次数，深松铲安装在旋耕刀辊的前方或后方，并在相邻两个起垄铧中线的前方。

比较典型的机器有黑龙江省农业机械运用研究所研制的SGTN-490型灭茬旋耕联合整地机[22]，如图5所示。

图5　SGTN-490型灭茬旋耕联合整地机

其主要工作部件包括采用正转的灭茬、旋耕部件、深松部件、翼铲式起垄铧及垄体镇压辊。机器灭茬传动装置采用内置设计，可以有效避免两侧设计出现的破坏垄沟现象。哈尔滨市农业机械化研究所与黑龙江八一农垦大学联合研制的1ZQHF-350/5型前后分置悬挂式联合整地机[23]，其主要的特点是灭茬装置与深松装置悬挂在拖拉机前方，并通过灭茬传动机构将动力传输给灭茬装置中，松土铲、旋耕装置、起垄铧及镇压装置依次挂接在拖拉机后部，这样设计可以减少机器后悬挂对拖拉机稳定性的影响，减少了作物残茬对拖拉机轮胎的损伤，降低了整机的质量；但由于灭茬装置前置，作业时易扬起灰尘影响驾驶员视野，影响作业质量。车刚、张伟等人设计的1ZLZQ-4.2型联合作业机[24]，主要由自驱动弧形齿盘式破茬器、深松铲、旋耕部件、起垄器、垄体整形板组成。该机设计以节省能耗为目的，将直径为1 400mm的盘式破茬装置的滑动阻力变为滚动阻力，并作为驱动轴将其产生的扭矩用以驱动旋耕刀轴的转动，从而实现机器的灭茬旋耕功能。

2.4秸秆粉碎还田旋耕机

秸秆粉碎还田旋耕机采用秸秆粉碎、旋耕两项技术，一般用于小麦、水稻等作物秸秆的粉碎还田旋耕，机器一般属于无支撑切割，粉碎刀的转速在1 200r/min以上，且为反转。工作原理：粉碎装置先将秸秆粉碎成长度在100mm以下，旋耕装置将粉碎得秸秆与土壤均匀混合还田。

徐州市农机技术推广站研制的1JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机[25-26]，如图6所示。其主要结构包括悬挂架、中间传动箱、侧边齿轮箱、粉碎装置、旋耕装置及扶平板。该机的工作原理：拖拉机动力传输给中间传动箱，中间传动箱一路经降速带动旋耕刀轴正转；另一路通过左侧的万向节将动力传给侧边齿轮箱，经加速后带动粉碎刀辊高速反向旋转，高速旋转的粉碎刀将秸秆粉碎，旋耕刀旋转切碎土壤与粉碎的秸秆混合。

图6　1JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机

表1为旋耕联合整地作业机性能对比。由表1可知：深松旋耕联合整地作业及灭茬深松旋耕起垄联合整地作业机都安装有深松部件，因此适用于常年使用翻耕的田地，有利于增加耕作层；但机器需要的动力在74.6kW以上，作业成本较高，作业幅宽2～5m之间，作业效率较高。灭茬旋耕起垄联合整地作业以及秸秆粉碎还田旋耕联合整地作业，机器所需动力较小为74.6kW左右，适应我国北方拖拉机动力配备情况。灭茬深松旋耕起垄联合整地作业机与灭茬旋耕起垄联合整地作业由于有灭茬装置更适应秸秆粗大作物，如玉米、棉花等；另外，两种较常用小麦及水稻作物。

3圆盘耙联合整地机研究现状

圆盘耙联合整地机指的是采用圆盘耙组、深松铲、浅松铲、合墒器及镇压碎土辊等部件，一次田间作业便可完成松土、碎土、平整和镇压等工序，相当于常规耙地整地机具3～4遍的作业效果。由于机器的长、宽度较大，多采用牵引式或半悬挂式与拖拉机连接。根据安装结构可以分为：耙—松联合整地机、松-耙联合整地机与耙—松—耙联合整地机3大类。

表1　旋耕联合整地作业机性能对比

3.1耙—松联合整地机

耙—松联合整地机主要结构包括单排或者X形双排的圆盘耙组在机器前方，圆盘耙组采用对置安装，耙组偏角为11°～20°，松土铲在中间，合墒装置与碎土辊在机器后方。主要工作原理：首先，圆盘耙组灭茬碎土并使秸秆与土壤均匀混合；随后，松土铲铲断杂草根茎，并打破犁底层加深耕作层，合墒装置整平前两道工序形成的凹凸地表，防止松后跑墒；最后，碎土辊进一步压碎土块，并压实土壤，有利于保墒。如约翰·迪尔公司生产的2730系列联合整地机有7、9把深松铲刚性机架，9、11、13把深松铲折叠机架5种型号[27]，如图7所示。其主要工作部件有X形圆盘耙组、深松铲、圆盘式合墒器及碎土辊，圆盘耙可以通过液压控制圆盘耙组的耙深。针对土壤粘性较大的地块，圆盘耙安装为个体，相邻之间距离为460mm，以防止堵塞；对于较干燥的土壤，圆盘耙安装为两个圆盘耙组成的组合圆盘耙，相邻圆盘耙之间距离为280mm，更能充分均匀地混合土壤。圆盘式合墒器有全缘、缺口两种，碎土辊安装在合墒器后方。黑龙江省农业机械工程科学研究院与黑龙江融拓北方机械制造有限公司设计研制的IDF-7760型复式少耕联合整地机[28-30]，如图8所示。其主要工作部件有耙组部件总成、浅松部件总成、深松部件、合墒部件及碎土部件。其特点是碎土辊采用独立的笼式镇压结构，挂接机器后方，可与机器分开单独使用。

3.2耙—松—耙联合整地机

耙—松—耙联合整地机主要特点是松土铲位于前后两排圆盘耙组之间，相比耙-松联合整地机，有效避免了松土铲松土后地面出现的凹凸不平现象，可以省去合墒部件，减轻机器质量和长度。如贝松公司研制的液压折叠联合整地机[31]，主要型号有DXRV II、DXRV HD及DXRVL HD。该机的特点是圆盘耙组与松土铲采用交错对置排列，可以解决对称对置圆盘耙作业后中间形成的土埂；全缘圆盘耙与缺口圆盘耙交替安装，更能有效地灭茬碎土和混合土壤。凯斯纽荷兰公司生产的CONSER-TILL690 整地机[32]，如图10所示。该机的型号有5铲及7铲。其中，7铲分为液压折叠和不折叠两种，前排圆盘耙组偏角为18°，后排圆盘耙组偏角为16°；前排的偏角大推土、翻土和碎土能力强，后排偏角较小耙深变浅，不易堵塞利用整平。整机省去合墒部件及碎土辊，因此质量较小，便于运输，但作业质量偏低。

图7　约翰·迪尔2730系列联合整地机

图8　IDF-7760型复式少耕联合整地机

图9　贝松液压折叠联合整地机

图10　凯斯CONSER-TILL690整地机

3.3松—耙联合整地机

此类联合整地机深松铲在机器的最前方， 圆盘耙组在机器后方，圆盘耙既能灭茬粉碎，又可碎土镇压，圆盘耙组一般采用双排偏置安装。机器工作时，深松铲对土壤间隔深松，打破犁地层，之后圆盘耙对深松过的地表灭茬碎土平整。机器可根据作业性质和土壤条件，选用镇压碎土辊。整机的幅宽及长度较小、质量轻，一般与拖拉机悬挂连接。如图11所示，贝松公司生产的COMBIMIX联合整地机[33]，5把深松铲对称安装在机器前部对土壤进行松碎，两排圆盘耙对深松后的沟堑整平，并有碎土灭茬混合作用；根据作业要求选择是否使用镇压，镇压碎土辊通过机器中间的液压装置调节深度。镇压碎土辊有3种： V形、笼型、网环形。黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的1DSL-3600型松耙联合整地机[34]，如图12所示。机器前方共有两排弹性深松铲，弹性深松铲有加大动土范围提高深松效果；为了防止机器通过性能差，出现堵塞现象，可以通过机器中间的两个深度调节结构调节圆盘耙耕深。

图11　贝松COMBIMIX联合整地机

图12　1DSL-3600型深松碎土联合整地机

表2为圆盘耙联合整地机性能对比。表2中，耙—松联合整地机与耙—松—耙联合整地机圆盘耙是第1道工序，适用于秸秆粗大的作物及秸秆覆盖量较大的地块；但机器结构庞大，需要动力较大；松-耙联合整地机适用于小麦、水稻等作物，以及秸秆量较少的地块，机器长度短、质量轻，一般与拖拉机悬挂易于运输。

表2　圆盘耙联合整地机性能对比

4结束语

1)现有的联合整地机主要适用地势较平的田地，对于坡度较大的地块，机器的适应性较差，作业质量下降。国内外对联合整地机对震动和噪声的研究较少，震动和噪声会降低机器的寿命和作业效率。因此，应进一步加强机器各个工作部件对田间地形的仿形功能，以及机器震动和噪声的研究。

2)国外的联合整地机研究起步较早，联合整地机的相关配套技术装备较为成熟；又因和国内的机具设计参数标准不统一，导致国外引入的联合整地机对我国田间的基本情况的适应性不强。另外，由于受技术的限制，国外先进机构不能采用，如耕深和水平自控调节、快速换刀结构和快速挂接装置等[10]。在综合考虑我国田间农艺要求、土壤特性及气候等因素的基础上，应吸收外国成功的经验研制针对我国农业生产基本国情的联合整地机。

参考文献：

[1]王金武，张成亮，许春林，等．联合整地机平整部件参数优化[J].农业机械学报，2013，44(2)：34-37.

[2]韩秀芳，高勇，谢宏昌，等．机械深松联合整地技术的作用及效益分析[J].农机使用与维修，2010(1)：31-33.

[3]岳丽雅，郭景才，李文明．机械深松联合整地技术的应用[J].农机化研究，2001(1)：91-92.

[4]刘毅鹏，刘春生．机械深松联合整地技术的探讨[J] .农机使用与维修，2006(4)：21-22.

[5]甄文斌，杨丹彤，黄世醒．机械深松联合耕整地机的应用[J].农机化研究，2009，31(11)：238-240.

[6]朱士强．浅议我国耕整地机械的发展现状与前景[J].中国农业信息，2013(3)：125.

[7]谢宇峰，许剑平，李存斌，等．国内外耕作机械的现状及发展趋势[J].现代农业装备，2009(12)：46-48.

[8]李杰．机械深松联合整地的好处[J].农机使用与维修，2008(1)：23.

[9]许述财．基于虚拟技术的联合整地机动力特性研究[D].长春：吉林大学，2007.

[10]金亮，赵亚祥，田耘，等．深松旋耕联合作业机的研究现状及问题浅析[J].农业与技术，2014(4)：53-54.

[11]李霞，付俊峰，张东兴，等. 基于振动减阻原理的深松机牵引阻力的试验[J].农业工程学报，2012，28(1)：32-36.

[12]贾洪雷，马成林，孙裕晶，等．耕整种植联合作业工艺及配套机具[J].农业机械学报，2004，35(6)：62-64.

[13]周鹏飞，朱亚环．联合整地机械化技术的优点与效果[J].农业机械化与电气化，2003(3)：38.

[14]张成亮．联合整地机平整和镇压部件的设计与试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2012.

[15]中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册(上册)[K].北京：中国农业科学技术出版社，2007：246-293.

[16]李宝筏. 农业机械学[M]. 北京：中国农业出版社，2003：35-45.

[17]“JOHN DEERE深松旋耕机”[EB/OL].[2014-11-24].http://www.deere.com.cn/zh_CN/products/equipment/greensystem_implements/combo_rt_ripper/combo_rt_ripper.page．

[18]KUHN DC301．[EB/OL].[2014-11-24].http://www.kuhn.cn/internet/webcn.nsf/0/3A160300F66F3807C1257B48002FD61E?OpenDocument&p=7.2.1.3.1．

[19]大华宝来 1SZL-230W型深松整地联合作业机．[EB/OL].[2014-11-24].http://www.dahuajixie.com/zk.asp?ClassID=35&ID=292．

[20]铁岭垄上行机械有限公司 1GZM—180型联合整机地机．[EB/OL].[2014-11-24].http://www.dahuajixie.com/zk.asp?ClassID=35&ID=292．

[21]张欣悦，李连豪，汪春，等. 1GSZ-350型灭茬旋耕联合整地机的设计与试验[J].农业工程学报，2009，25(5)：73-77.

[22]王志远，刘伟光，韩北平，等．SGTN-490型灭茬旋耕联合整地机的设计[J].农业机械，2011(3)：96-97.

[23]赵大勇，李连豪，许春林，等．1ZQHF-350/5型前后分置悬挂式联合整地机[J].农业机械学报，2014(10)：92-96.

[24]车刚，张伟，万霖，等. 基于灭茬圆盘驱动旋转刀多功能耕整机设计与试验[J].农业工程学报，2012，28(20)：34-40.

[25]庄月芹，杨爱军. 1JHG-180秸秆粉碎还田旋耕机的试验研究[J].农机化研究，2010，32(8)：150-152.

[26]徐州市农机技术推广站．秸秆粉碎还田旋耕机：中国,200820032637.9[P]．2008-02-21.

[27]JOHN DEERE2730COMBINATION RIPPER．[EB/OL]. [2014-11-24].https://www.deere.com/en_US/products/equipment/tillage_equipment/primary_tillage/2730_combination_ripper/2730_combination_ripper.page．

[28]许剑平，徐涛，毛俐. 1DF-7760型复式少耕整地机的设计[J].农机化研究，2011，33(4)：93-95.

[29]毛俐，赵丽平，刘国平，等. 少耕整地机技术的发展与新机具[J].农机化研究，2010，32(8)：238-241.

[30]张晓青. 1DF-7760型复式少耕联合整地机的结构特点与使用[J].农业机械，2012(13)：111-112.

[31]BESSON Hydraulic folding Discordon: DXRL,DXRVL．[EB/OL].[2014-12-7].http://www.gregoire-besson.co.uk/ranges/discs-and-tines/discordon/dxrv.html．

[32]CASE IH Disk Rippers． [EB/OL].[2014-12-07].http://www.caseih.com/en_us/Products/Tillage/Pages/disk-rippers.aspx．

[33]BESSON Combimix． [EB/OL].[2014-12-07].http://www.gregoire-besson.co.uk/ranges/discs-and-tines/combimix.html．

[34]梁玉成，许剑平，谢宇峰．1DSL-3600型松耙联合整地机的设计研究[J].农业科技与装备，2012(9)：21-23.

The Current Research Status of Combined Tillage Machine

Zheng Kan， He Jin， Wang Qingjie， Li Wenying， Zhang Zhiqiang

(College of Engineering/Beijing Key Laboratory of Design and Optimization in Modern Agricultural Equipment,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：The combined tillage machine has the advantage in protecting soil，increasing working efficiency，decreasing costs，reducing air pollution，etc，which has a significant influence on the development of conservation and sustainable agriculture. In this paper current research status of some typical domestic and foreign combined tillage machines were concluded. Analyses were made to some machines to study the defects.Our efforts were made with the purpose of providing some references for further researches on combined tillage machine.

Key words：agricultural engineering; combined tillage machine; current situation

文章编号：1003-188X(2016)01-0257-07

中图分类号：S233.1

文献标识码：A

作者简介：郑侃(1987-)，男，河南上蔡人，博士研究生，(E-mail)zhengkan0219@163.com。通讯作者：何进(1979-)，男，湖南娄底人，副教授，博士，博士生导师，(E-mail)hejin@cau.edu.cn。

基金项目：教育部创新团队发展计划资助项目(IRT13039)

收稿日期：2014-12-15