适用于保护性耕作条件下的弯曲式深松犁

张鲁云，郑 炫，何兴村

(新疆农垦科学院 机械装备研究所，新疆 石河子 832000)



适用于保护性耕作条件下的弯曲式深松犁

张鲁云，郑 炫，何兴村

(新疆农垦科学院 机械装备研究所，新疆 石河子 832000)

免耕保护性耕作是近年发展较快的新型耕作方式，但实施多年免耕作业之后会带来土壤有效耕层变薄、容重增加、灌溉水分难以入渗等一系列问题。为此，针对免耕作业方式所出现的问题，研制开发了新型弯曲式深松犁。通过对深松犁的实地测试，对试验结果进行了研究、分析，为操作使用深松农机具提供实际参考依据。该深松犁配合免耕保护性耕作方式，充分发挥深松犁的优良性能，达到了减少水土流失和作业工序、提高经济效益的最终目标。

保护性耕作；蓄水保墒；弯曲式深松犁；深松作业

0 引言

我国北方农业耕作区自古以来就一直采用铧式犁翻耕[1-2]，农闲时地表裸露的传统耕作模式。翻耕在改善作物生长环境、提高作物产量中曾一度发挥了较好的作用；但随着翻耕作业区面积和农业机械化程度的不断增加，传统翻耕方式的弊端也日益显露出来。大面积的翻耕作业致使农闲时农田的土壤失去地表植被保护，导致水土流失加剧，耕地资源与土壤肥力不断退化，自然生态环境日趋恶化，严重制约了我国农业的可持续发展。

保护性耕作是指对土壤不进行全面的翻耕[3-4]，以大量作物秸秆残茬覆盖地面，尽量减少耕作次数，用除草剂清除杂草的新型旱地耕作技术模式。在我国干旱、多风、阳光强烈的北方广大农区实施免耕保护性耕作技术，可显著降低光蚀、风蚀、水蚀和作业成本，提高光、水、土等自然资源的利用效率，在培育土壤肥力的同时实现农作物的增产增收。中国农业大学和澳大利亚昆士兰大学共同进行的保护性耕作试验表明[5-6]：在我国北方实施保护性耕作技术能提高作物产量10%左右，降低作业成本20%左右，且土壤含水率明显增加。但是，在多年实施免耕保护性耕作之后会出现坚硬的犁底层[7]，阻碍作物根系的生长及其对水分和养料的吸收。因此，在经过多年保护性耕作之后，必须通过深翻、深松作业才能疏松土壤，减小根系穿透阻力[8]，扩大根系生长空间，改善作物自然生态条件；同时，提高土壤蓄水保墒能力，增加土壤水库容，提高自然降水的利用率，增加作物产量。

1 国内外深松机械现状

国外从20世纪40年代初期就已经开展了对保护性耕作模式的研究工作[9]，随之研制了各种形式的配套机具。如美国约翰·迪尔公司生产的挤压松土式深松机、德国劳尔公司生产的悬挂式深松机、日本研制的多功能振动式深松机、前苏联研制的全方位深松机等。目前，这些国家的深松机具已经相当完善，并且已形成系列化。

我国研制的深松机主要类型有杆齿式、悬挂式、振动式和浅翻深松机等，目前实际生产当中主要使用的深松机为立柱式(分为凿式和铲式两种)和倒梯形全方位深松机。立柱式深松机入土性能较好，但松土作业后地表通常留有松土沟，地形起伏较大，影响后续播种施肥工作的进行；倒梯形全方位深松机松土性能好，作业后地表平整，但所需驱动力较大，作物残茬秸秆易对其产生拥堵而影响深松机正常工作。

2 新疆生产建设兵团农业深松现状

自新疆生产建设兵团1954年正式成立以来，农业都是兵团经济发展的支柱性产业。2014年兵团农业总产值已达到938.55亿元[10]，占当年兵团GDP总值的53.98%，农业在兵团经济中占有重要地位。新疆绿洲大面积条田非常适合于机械化作业，因而兵团农业机械化程度较高，2014年末新疆兵团已拥有农业机械总动力484.16万kW，种植业综合机械化水平高达92.01%，农业机械化各项指标均处于全国领先水平。由于大量使用机械作业，各种农用机械装备车辆进地工作将土壤压实，加之近年来实施免耕保护性耕作，兵团多数耕地在距地表10～15cm处形成了坚实的犁底层。坚硬的犁底层造成旱季灌溉水分渗透困难，而雨季时则易引发洪涝灾害。只有通过深松作业破碎犁底层，才能优化土体结构，高效利用光、气、水等自然资源，提高农业经济效益。因此，新疆地方及兵团对农田深松作业极为重视，历年来农田深松面积逐年增加(见表1)，对深松机具的需求量也随之快速增长。

表1 新疆及兵团历年深松作业面积

数据来源于农业部办公厅关于印发《全国农机深松整地作业实施规划(2011—2015年)》的通知(农办机[2011]1号文件)。

3 深松犁结构特性及工作原理

新疆农垦科学院机械装备研究所根据我国西北地区和兵团耕作区土壤的实际情况及与保护性耕作技术相配套的深松农业技术装备，研制成功了适合于北方旱地保护性耕作技术使用的新型弯曲式深松犁。该型深松犁由机架大梁、上下牵引板、犁体支座、深松犁体及碎土辊等部件组成[11]，如图1所示。技术参数如表2所示。

1.深松犁机架 2.碎土辊固定座 3.上牵引板支架 4.上牵引板 5.深松犁体支座 6.碎土辊 7.碎土辊轴承支座 8.深松犁体 9.下牵引板 10.深松犁柱 11.深松板 12.深松齿 13.深松齿尖 14.碎土辊侧挡板 15.碎土辊支架

项目单位测定值外形尺寸(长×宽×高)mm2900×530×1740工作幅宽mm2800深松装置结构形式深松铲工作铲数只6铲间距mm400～500

续表2

该型弯曲式深松犁结构独特、设计思想前卫，完全符合新疆兵团农业发展的实际需求。整机示意图如图2所示。

图2 弯曲式深松犁

该深松犁与传统的铧式翻耕犁相比具有犁体轻便、结构坚固、牵引阻力小及加深耕层的作用。其彻底打破经多年免耕保护性耕作之后形成的坚硬犁底层，减轻了犁耕作业时对地表植被的破坏，有利于灌溉水分的渗透，提高了土壤蓄水保墒、保温的能力。

进行深松作业时[12]，上、下牵引板与拖拉机悬挂装置用悬挂销进行连接，由拖拉机牵引拖动，如图3所示。深松犁体装在大梁的固定支座上[13]，拖拉机通过悬挂架牵引深松犁进行深松作业，后部碎土辊随之进行碎土镇压。

图3 弯曲式深松犁进行深松作业

4 主要工作部件设计

4.1 犁体设计

弯曲式深松犁采用犁柱与主犁体合二为一的结构形式，如图2所示。深松犁柱采用优质锰钢板整体压模制作而成，取代了传统的生铁浇铸件，既简化了制造工艺，又减轻了深松犁体自身质量。深松立柱因其所具有的特殊几何外形亦可以进行深松作业，起到了主犁壁的作用。上部犁体采用平面型的工作面，使用φ36、φ24加强螺钉与犁体支座固定连接；下部的犁体采用抛物线型扭柱工作曲面，最底部深松齿与地面之间的夹角为15°～20°。

下犁体采用平行于水平面的直线形成线。原始数据为耕深a取50cm和耕宽b取45cm。其余参数由经验关系决定：①曲导线开度L=a；②曲导线的高度h=1.8a；③犁径线的高度H=1.6a；④犁体的最大高度Hmax=1.9a；⑤犁铧与地面间的夹角ε=15°～20°；⑥最高形成线与地侧边间的夹角γn=40°；⑦直线部分的长度s=350mm。

4.2 悬挂架设计

弯曲式深松犁的入土、牵引性能，以及耕深、耕宽和直线行驶稳定性都与悬挂装置的设计有密切的关系，拖拉机后部的三点悬挂装置与深松犁的悬挂架构成了犁耕机组的连接悬挂机构，以保证深松作业时的平衡。深松犁犁耕深度调整范围在30～50cm，调整范围较普通铧式翻转犁大。为了能够适应在各种不同的土质条件、工况条件及不同型号的拖拉机牵引下正常工作，深松犁的悬挂架上设计了多个不同位置的悬挂点供作业时调节使用。具体设计方案为：上下悬挂板上有多个悬挂孔，便于调节各个悬挂点的位置，如图4所示。内外下拉耳通过螺栓固定在悬挂横梁端板上，相对于悬挂横梁能够随意调整，以便深松作业时调整上下悬挂点的实际位置，使深松犁达到最佳的工作状态。

1.上牵引板 2.上牵引板支架 3.深松犁机架 4.下牵引板

4.3 犁架高度的确定

犁架高度应能保证深松犁体顺利地进行深松作业，而又要杜绝拥土堵草的现象发生。计算公式为

(1)

式中 H—犁架空间高度(cm)；

b—犁体耕宽, 取b=45cm；

a—最大耕深, 取amax=47cm；

h—割茬高度，取h=15cm。

对于弯曲式深松犁犁柱和犁架，由于进行的是深松作业，犁架高度可适当加高。通过计算加上实地测试，确定犁架高度为1 740mm。

5 田间试验测试[14]

5.1 试验环境

2015年10月22日在新疆生产建设兵团农六师共青团农场，由新疆生产建设兵团农业机械检验测试中心进行性能检测。试验地前茬种植作物为棉花，面积约为100hm2，配套动力为东方红2204型拖拉机，试验地土壤为新疆粘性沙土壤。

5.2 试验条件

在进行机具性能检测时，对测试地段、地形、土壤类型、含水率、环境温度、湿度及风力大小进行了测量，具体结果如表3所示。

表3 试验条件

5.3 测试结果分析

对深松犁的耕深稳定性变异系数、入土行程及作业速度进行了测定，结果如表4所示。

表4 测定结果

田间实地测试表明：该型弯曲式深松犁打破了犁底层并加厚了熟土层[15]。深松作业后经现场挖掘证明土层断面形成倒梯形结构如图5所示，其断面特点是松紧相间、上虚下实，底部形成“鼠道”。这种优良的土体结构改善了土壤的物理环境，使土壤中的水、肥、气、热得到合理的调整[16]，松虚部有利于吸收新疆地区稀少宝贵的降雨，“鼠道”又可成为顺畅的排水通道。现场测量表明：该深松犁最大耕深已达到48cm，达到了国际上深松犁的平均水平。该型深松犁的研制成功对保护性耕作技术在新疆地区的推广应用有着积极的推动促进作用。

图5 挖掘测量现场

6 结论

1)深耕深松是农田作业的重要内容，目的在于疏松土壤、改善土壤结构、消灭细菌和病虫害，以及铲除田间杂草、作物残茬，有利于土壤形成适合于种植的优良团粒结构，优化调整土壤固、液、气三相的比例关系。通过深松作业为作物提供生长所需的深厚的熟土层，加速有机养料分子的溶化分解和土壤熟化速度，提高了土壤抗旱蓄水保墒的能力。

2)试验统计数据表明[17]：在保护性耕作条件下，深松作业虽然能解决由于连年免耕出现的土壤变硬等一系列问题，但深松作业属于重负荷作业，增加了农业生产成本，降低了农户经济效益。在我国北方实施保护性耕作时，采用每4年免耕加上1年深松的耕作方式，不但可以有效疏松土壤、降低容重，而且能够解决因深松作业所出现的动土量大、拖拉机功率消耗增加等问题，增加农户收入25%左右。这是我国农业工程的一种新型保护性耕作技术发展模式。

3)新疆农垦科学院机械装备研究所新近研制开发成功的弯曲式深松犁，与免耕技术相配套，较好地适用于我国北方的保护性耕作方式。田间实地测试证明：其犁架坚固、犁体轻便、牵引阻力小、耕深完全达到设计要求，是一款性能优良的深松机具。随着我国保护性耕作和免耕技术的推广应用，这种深松犁也将会拥有巨大的市场需求，创造出良好的经济效益。

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Bending Subsoiling Plow Suitable for the Condition of Conservation Tillage

Zhang Luyun， Zheng Xuan， He Xingcun

(Machinery and Equipment Institute of Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences， Shihezi 832000，China)

Conservation tillage is a new type of farming method, developed rapidly in recent years, but after years of implemented no tillage operation, effective soil layer became thin、soil bulk density increased、irrigation water infiltered a series of problems.The problem for the no tillage practice, developed the new type bending subsoiling plow. Through the field tests of deep subsoiling plow,analysised and studied the results of the test,provided practical reference for the operation subsoiling equipment.With conservation tillage mode,give full play its excellent subsoiling performance of the deep subsoiling plows , achieve the final purpose that improve soil physical structure and crops growth condition, efficient use of natural resources, increase crop yields and economic benefits.

conservation tillage； soil water conservation； bending subsoiling plow； subsoiling operation

2016-01-13

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B00)；新疆农垦科学院引导计划项目(79YYD201504)

张鲁云(1972-)，男，新疆石河子人，工程师，硕士，(E-mail)zhangluyun1972@163.com。

郑 炫(1971-)，女，新疆石河子人，研究员，硕士生导师，(E-mail)jiazhengxuan@sohu.com。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)02-0089-05