大垄双行联合整地机集土部件设计与参数优化

李向军，赵大勇，张成亮

（哈尔滨市农业科学院，黑龙江 哈尔滨 150029）

大垄双行种植技术增产效果非常显著，但是其耕整地技术相对滞后，配套机具少之又少[1]。目前大多采用传统作业方式进行耕整地，即结合秋翻进行深施底肥，同时进行平地作业，然后采用专用大垄起垄铲进行起垄，起垄后用镇压器进行镇压。这种作业模式存在作业功能单一、效率低、油耗大等问题，且最大的缺点就是耕整地后的垄型不标准，即垄台中心没有足量的土壤导致形成凹面，达不到农艺要求。不仅对出苗率及后期农作物根系生长与分布、土壤水分及养分的迁移与分布都有显著影响，还不利于土壤的透气、渗水及保水能力，最终导致粮食产量下降[2]。

为使种床台面具有合理的平整度来满足播种农艺要求，研制集土性能良好的大垄双行联合整地技术迫在眉睫。本文针对这一情况，创新研制一套集土技术，使作业后的垄型更加平整，更加紧实，很好地满足了播种要求。

1 主要结构及工作原理

1.1 结构

该集土部件主要有集土刀轴和集土板组成。田间作业时，该装置安装在旋耕装置前方，集土结构如图1所示。

1.2 工作原理

作业时，高速逆向旋转的集土刀轴对垄沟土壤进行碎土，经过碎土后的土壤抛向集土板，高速运动的土壤在集土板的作用下，分别向两边垄台中心区域撒落，然后进行垄台旋耕，最后利用整形器进行起垄镇压。

1.3 技术参数

集土部件的技术参数：①配套动力：154.4～224.3 kW，②集土刀轴转速：179 r/min；③集土间距：110 cm；④集土深度：12～16 cm；⑤集土板角度：66°。

2 关键部件设计

2.1 集土刀轴设计

集土刀轴采用逆旋方式从土壤底部开始向上切削，土壤因张力作用而破裂，既有深松特性，又有正旋耕耘的碎土作用[3-5]。试验表明：该耕耘方式具有入土性好、作业稳定、功耗低，切削性和抛土性能好等优点，具体结构如图2所示。

刀轴采用外径为76 mm无缝钢管，钢管的两端采用焊接方式分别与轴头和法兰盘固定；刀盘采用大直径为356 mm的钢板，便于获得较好集土深度和抛土效果；作业过程中为使垄沟的土壤充分抛向垄台中心区域，所以在垄沟位置设计安装一组刀具，每组3个刀盘，每个刀盘上用螺栓固定方式安装8把刀，最外侧刀盘上的集土刀弯角朝向垄台，中间刀盘分左、右各4把。

2.2 集土板设计

机具田间作业时，为了使作业后的垄型更加标准，在集土刀轴的后方加装一集土板，如图3所示，逆向旋转的集土刀轴将垄沟土壤抛向后方，当高速土壤撞击该板后反弹到垄台中心区域，使作业后的垄形更加标准。

3 田间试验

3.1 试验条件及设备

该装置试制完成后，在哈尔滨市农业科学院旱田示范区进行了田间性能试验。土壤类型为黏重土，土壤坚实度为2.25 kg/cm2，土壤含水率为22.54%。试验设备包括：大垄双行联合整地机、拖拉机、土壤硬度仪、卷尺、电子天平（精度为0.01 g）、干燥器、削土刀、烘箱、小铁锹、小铝盒、容积为100 cm3钢制环刀等。

3.2 试验方法

为评价该大垄双行联合整地机集土部件工作质量的好坏，参考整地机械相关测评标准，选取土壤碎土率和耕整地后垄台的平整度作为作业质量的评价指标，并确定试验因素为:作业速度1、刀轴转速2、集土深度3和集土板角度4。试验主要分析诸多因素和相应指标之间的影响规律。

4 参数优化

本试验参数优化的4个变量分别为：作业速度x1（km/h）、刀轴转速x2（r/min）、集土深度x3（cm）、集土角度x4（°）。所以，因子变量为：

4.1 目标函数

本试验参数优化的响应指标为：土壤碎土率y1（%）和平整度y2（mm），根据要求，响应指标的目标函数为:

由实际生产经验已知，最终的目标值为：

4.2 约束条件

影响其作业性能的因素是作业速度x1、刀轴转速x2、集土深度x3、集土角度x4。其作业参数的取值范围：

4.3 优化结果

由Design Expert 8.0软件优化得出的优化结果：作业速度3.85 km/h，刀轴转速179 r/min和集土深度21 cm，集土角度66°，土壤碎土率的平均值为92.53%，平整度的平均值为3.5 mm，此组合在满足平整度要求的条件下，土壤碎土率最高。

5 结论

田间验证结果表明：土壤碎土率的平均值为91.64%，平整度的平均值为3.35 mm，结果与软件优化结果较相近。因此，作业速度3.85 km/h，刀轴转速179 r/min和集土深度21 cm，集土角度66°，可以作为大垄双行联合整地机集土部件的最佳参数组合。

该部件能够使作业后的垄型更加标准，满足后续播种作业要求。