旋耕刀排列方式对反转旋耕机作业性能的影响研究

陈 伟，朱继平，陈小兵，袁 栋，姚克恒，陈 晓，丁 艳，刘正刚

(1.农业部南京农业机械化研究所,南京 210014； 2.江苏清淮机械有限公司，江苏 淮安 223001)

0 引言

旋耕机作为耕整地的主要工具已经得到了广泛使用，对于旋耕机作业性能的评价指标也在不断完善[1-2]。目前，旋耕机已不单单作为整地工具在使用，更多是用在构建耕层、降低秸秆焚烧等，如秸秆还田、绿肥还田。在秸秆还田方面，反转旋耕机的覆盖效果较正转旋耕机要好，旋耕机反转作业也逐渐成为秸秆还田的主要方式[3-5]。影响反转旋耕机的因素主要有旋耕刀排列、刀数、旋耕刀形式，以及刀辊与机罩的间隙等，经检索文献，发现国内关于旋耕刀排列对作业性能的影响研究较少。为此，采用试验对比的方法，设计不同排列方式的旋耕刀辊，有螺旋排列、人字排列、双人字排列，通过分析碎土、秸秆覆盖、功耗及秸秆在耕层中的分布来分析排列方式对反转作业的影响，找出最佳的排列方式[6]。

1 刀辊排列试验前期准备

试验所用机具为框架式反转灭茬旋耕机，型号为1GKF-200，刀辊排列设计为螺旋式排列(S)、人字排列(P)、双人字排列(DP)和正人字排列(UP)，安装刀数均为50把，机罩顶部间隙为115mm，前端水平间隙为65mm，前端垂直间隙为126mm。1GKF-200机具和刀辊排列设计图如图1～图5所示。

1.悬挂装置 2.万向节传动轴 3.机罩 4.旋耕刀轴总成 5.镇压辊 6.挡草栅 7.侧边齿轮箱总成 8.中间齿轮箱图1 1GKF-200旋耕机结构简图Fig.1 The schematic diagram of 1 GKF-200 rotary cultivator

1.1 刀轴设计方案

旋耕机运动的直线性和扭矩值的稳定性与刀齿在刀辊上的排列有很大关系。设计刀齿的排列图时，应遵守以下原则[7-8]：

1)依次切入土壤的部件间的角距离应相等，应尽可能避免两个部件同时入土。

2)两个相邻部件间的角距离应尽可能大些，以防堵塞。

3)纵轴左右两边的部件应接近对称地切土。如果这个条件得不到满足，则绕旋耕机的纵轴和垂直轴产生扭矩，是不稳定运动的原因之一；特别是当中间传动的轻型旋耕机时更是如此。

4)每个部件所切垡片的侧剪切面积应尽可能是一样的。如前所述，边上的部件总是剪切开整个垡片的侧面，所以负荷特别高。

图2 人字排列Fig.2 People word arrangement

图3 螺旋排列Fig.3 Spiral arrangement

图4 双人字排列Fig.4 Double people word arrangement

图5 正人字排列Fig.5 The upright people word arrangement

1.2 田间试验条件

试验田条件对于作业效果有明显的影响，在试验前，试验组人员对试验地进行了调查。实验调查结果如表1、图6、图7所示。

表1 试验地土壤含水率和坚实度表Table 1 Soil moisture content and firmness

图6 耕前土壤坚实度分布Fig.6 Soil firmness distribution before ploughing

图7 耕前秸秆覆盖Fig.7 Straw mulching before ploughing

试验地的含水率、土壤坚实度及耕前秸秆覆盖量的测试方法据按照GB/T 5668-2008《旋耕机》等标准中规定的方法采集。

1.3 试验方案及试验区划分

试验采用对比作业方式进行，每种排列安排3个作业行程，取试验数据平均值进行比较分析，试验区划分如图8所示。

图8 试验区设计图Fig.8 Design drawing of test area

2 试验过程及数据测定方法

试验过程如图9所示。

图9 试验过程Fig.9 The test process

试验对于每种排列均安排3个作业行程，由3个行程数据的平均值作为最后评价的依据。对于秸秆还田，反转旋耕机作业质量的评价指标主要有功耗、植被覆盖率、耕深稳定性、碎土率，以及秸秆分布状态。

功耗测量仪器由具有检定资质的第三方机构校订，可保证测量的准确性，如图10所示。植被覆盖率、耕深稳定性及碎土率根据GBT5668-2088《旋耕机》中规定的测量方法进行操作。

图10 功耗测试设备Fig.10 Power consumption test equipment

秸秆分布的数据由人工采集，每个行程一个点，测量范围为1m2。具体步骤如下：①将测量范围内土下0～5cm内的植被收集并称重；②将测量范围内土下植被收集并称重；③按照式(1)计算土下0～5cm内的植被占的比重,即

3 试验结果分析

3.1 试验结果分析

试验结果如图11～图15所示。

图11 排列方式对功耗的影响Fig.11 The effect of arrangement style on power consumption

图12 排列方式对耕深稳定性的影响Fig.12 The effect of arrangement style on the depth stability

图13 排列方式对碎土率的影响Fig.13 The effect of arrangement style on soil fragmentation

图14 排列方式对植被覆盖率的影响Fig.14 The effect of arrangement style on vegetation coverage

由图11可知：刀辊为螺旋排列的反转旋耕机作业功耗最大为35.02kW，采用正人字排列反转旋耕机作业功耗为27.65kW，比刀辊螺旋排列的反转旋耕机作业功耗低约21%；刀辊为人字排列和双人字排列反转旋耕机作业功耗分别为29.2、29.98kW，相对于螺旋排列反转旋耕机功耗分别降低约16.6%，14.4%。

由图12可看出：刀辊为螺旋排列、人字排列、双人字排列及正人字排列的反转旋耕机的耕深稳定性，呈逐渐上升趋势，分别为90.3%、90.5%、93.7%、94.6%，最高与最低耕深稳定性相差幅度为4.5%。

由图13可看出：刀辊排列方式对反转旋耕机碎土率的影响比较明显且没有呈现不规律性；刀辊为螺旋排列反转旋耕机碎土率为84.7%，人字排列为89.5%，双人字排列为81.1%，正人字排列为89.1%；刀辊为螺旋排列的反转旋耕机碎土率比人字排列低5.4%，比双人字排列高4.4%，比正人字排列低4.9%。

由图14可看出：在植被覆盖率方面，刀辊为正人字排列的反转旋耕机的植被覆盖效果最差仅有86%，比覆盖效果最好的螺旋排列低9.5%；刀辊为人字排列与双人字排列反转旋耕机覆盖效果相差不大，分别为95.2%、93%。

图15 排列方式对秸秆分布的影响Fig.15 The effect of arrangement style on straw distribution

由图15可看出：刀辊为人字排列的反转旋耕机作业后，耕层内的秸秆有59.6%分布于土下0～5cm内，其余皆在5cm以下的土壤，大部分秸秆没有完成深埋作业，仅仅是浅埋；正人字排列反转旋耕机作业后，耕层内0～5cm的秸秆只占整个耕层的40.2%，大部分秸秆埋于5cm以下的土壤，既利于秸秆的腐烂，降低了秸秆对作物根系生长的阻碍作用；刀辊为螺旋排列、双人字排列的反转旋耕机作业后，土下0～5cm内的秸秆量分别占土下总秸秆的41.5%，45.9%，这两种排列方式使得超过一半的秸秆埋于土下5cm之外。

3.2 结论

1)旋耕刀辊排列方式对反转灭茬作业效果存在明显的影响。

2)在作业功耗方面，刀辊采用正人字排列比其他3种排列方式作业省力，最高可降低21%。

3)在耕深稳定性方面，试验安排的4种排列方式其作业耕深稳定性均在90%以上，没有明显的差异。

4)在碎土方面，人字排列和正人字排列方式作业效果明显高于其他两种方式。

5)在植被覆盖方面，螺旋排列、人字排列、双人字排列作业效果相差不大，正人字排列作业效果则较差。

6)秸秆分布方面，图15统计的秸秆分布是土下0～5cm土层，要想达到秸秆深埋效果及农艺要求，秸秆至少埋入土表5cm以下。从上述数据可得出，4种排列方式的作业效果均不好，将近一半的秸秆没有被深埋。

4 结论

综上所述，在机具传统作业指标上，现有机具已能够完成作业要求，然而从秸秆还田的角度去分析，传统反转作业机具还不能完成秸秆深埋的要求，只是达到浅埋效果。因此，将旋耕机具作业的高效性与秸秆还田需求结合，是未来反转还田机具的主要方向。