圆盘耙片偏角对秸秆与土壤混埋效果的影响

王莹 李光 刘鸿雁 王华泽 张冲

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130021)

引言

球面圆盘耙片作为优质的机械化保护性耕作主要采用关键部件,具有松碎阀土、平整地表、切断秸秆、粉碎根茬、混和作物残茬与土壤等作用[1-3]。在秸秆全量覆盖还田的条件下,圆盘耙片通过大马力拖拉机的牵引能够实现高速混埋作业。这种作业方式的技术实质是利用圆盘耙片的切断和混埋功能实现秸秆残茬部分覆盖地表,部分混埋耕层里,以达到减少风蚀水蚀,加速秸秆腐烂,增加土壤有机质,培肥地力的目的[4,5]。耙片偏角作为重要的结构参数之一,对圆盘耙整机作业效果有着显著影响,本文设计了具有偏角调节功能的圆盘耙片连接部件,通过研究耙片偏角对秸秆与土壤混埋效果的影响,为圆盘耙联合作业机的整机设计提供数据参考。

1 耙片选型

耙片分为无缺口和缺口耙片2 种,如图1 所示。无缺口的耙片制造简单、磨刃方便。缺口耙片在耙片外缘有6～12 个三角形、梯形或半圆形的缺口,耙片凸面周边磨刃,缺口部位也磨刃,由于缺口耙片减小了周缘的接地面积,因而入土、切碎土块、切断秸秆和残茬的能力较强[6]。因此选用缺口耙片进行秸秆与土壤混埋试验。

2 连接部件的选型

传统的耙片连接方式是用通轴成串连接,并采用米字型对置或偏置排列,耙片偏角统一调节,没有倾角。近些年从国外引进的先进圆盘耙联合整地机多采用的是独立圆盘耙单体与机架进行连接,独立圆盘耙单体自带偏角和倾角,不可调节,可平行排列安装,占用空间小,安装维修方便,仿行效果好。圆盘耙单体连接方式按结构和缓冲方式大体分为3 种,如图2所示,橡胶柱式、C 型弹簧式、螺旋弹簧式。其中,橡胶柱式利用橡胶柱来实现耙片组与机架总成之间的挠性连接,具有结构简单、安全效果好的特点；C 型弹簧式中采用的C 型板簧具有独立仿形、缓冲、减震作用,结构合理、坚固耐用等特点；螺旋弹簧式采用张力大的螺旋柱状弹簧,能够保持作业工作深度一致性,使用寿命比其它连接方式长,独特的曲柄结构使得机架离地距离比较大,整机通过性好。综合3 种连接方式的特点选取螺旋弹簧式连接形式的部件,但已有螺旋弹簧式连接部件不具备偏角调节功能,需要改机设计才能满足试验要求。

3 连接部件改进设计

连接部件的改进设计在兼顾仿形、偏角调节、连接强度的同时,还要满足结构简单、安装方便等特点,新设计的耙片连接机构如图3 所示。这个机构使圆盘耙片连接部件实现了独立仿形,具有固定倾角,偏角可调节等功能。

改进设计的连接部件偏角调节的过程是利用调节块内五边形与旋转轴外五边形台肩形成固定配合,通过调整调节块外侧五边形5 个接触面分别与上支臂杆内侧立面形角度配合,调节范围为5°、10°、15°、20°、25°,如图4 所示。组装在试验机架上的连接部件,如图5 所示。

4 田间试验

4.1 试验条件

试验时间为2019 年10 月16 号,地点为吉林省农安县开安镇,动力为美国凯斯拖拉机2104,试验样机采用直径为621mm 的耙片(选购于江苏盐城铁杆子机械制造有限公司),试验样机作业速度为8km·h-1,作业深度为15mm,作业幅宽为2.4m,机收粉碎后秸秆长度小于20cm 占85%以上,秸秆覆盖率为93.2%,土壤含水率21.3%,土壤坚实度634kPa,如图6 所示。

4.2 试验指标值

圆盘耙片作业时同时完成整地作业和秸秆混埋作业。参照保护性耕作机械-圆盘耙(GB/T 24675.4-2009)[7],确定整地作业效果指标为耕深合格率、碎土率、耕后地表平整度、耕后沟底平整度和灭茬率；衡量秸秆混埋作业效果的指标值确定为秸秆覆盖率、秸秆混埋深度和地表秸秆均匀度。

4.3 试验方法

试验过程中每个试验项目进行3 次,每次作业长度为50m,通过运动相机Gopro 及试验人员的观察对圆盘耙作业效果进行判定,并对整地效果和秸秆混埋效果关键技术指标进行测定。整地指标参考测定方法GB/T 24675.4-2009,秸秆混埋作业效果指标测定没有标准可供参考方法,制定方法:地表秸秆覆盖率采用数点法进行测定,每次测定总数为120 个,每组进行3 次测量,删除不合理数据后取均值；秸秆混埋深度测定先用兵工铲挖出土层剖面,然后用钢板尺对混埋深度进行测量,每组测量需进行5 次,取平均值；地表秸秆均匀度由科研人员对作业情况进行定性观察、分析探讨,确定秸秆均匀度的分值。地表秸秆均匀度可分为1～4 分:1 分表示出现秸秆归行现象,秸秆与土壤没有混合,秸秆堆积在土壤上,呈现条带分布；2 分表示出现秸秆成片堆积现象,仍有秸秆与土壤混合；3 分表示地表秸秆与土壤混合较为充分,但偶尔出现有秸秆堆积现象；4 分表示地表秸秆与土壤混合十分均匀,没有出现秸秆堆积、归行现象。

5 结果与分析

通过试验得到不同圆盘耙偏角作业后的技术指标,结果见表1。

由表1 数据可知,随着耙片偏角的增大,地表秸秆覆盖率减少明显,秸秆混埋深度增加显著,地表秸秆均匀度有所提高,分析产生原因为耙片偏角越大,有利于耙片入土,混埋深度增大,从而导致混埋到耕层里的秸秆量增多,地表秸秆量减少,使得秸秆土壤翻埋效果增强,加大了混合中土量的占比,使得秸秆与土壤充分混合,耕后地表秸秆分布均匀度提高,混埋到土壤中的秸秆也越均匀；随着耙片偏角增大,耕后地表平整度标准差和沟底平整度的标准差减小,耕深合格率、碎土率和灭茬率增高,说明偏角越大,单位幅宽内土壤扰动率越大,土垡和残茬在2 排耙片的切割和翻抛作用下激励碰撞,导致灭茬和碎土等综合效果明显增强；在试验可选范围内α=25°混埋的综合效果最好。

表1 圆盘耙偏角试验

6 结论

通过耙片偏角对机具作业效果进行试验性研究,结果表明,在试验范围内耙片偏角的增大可以提高机具整地作业效果和秸秆混埋效果；得出可以实现最佳试验作业效果偏角角度为25°,这些数据为整机的定型设计提供技术支持。