铧式犁在北疆玉米地应用现状与改进建议*

李清超，郑炫，孟祥金，刘进宝，张鲁云，梁宇超

(1. 石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子，832000； 2. 农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆石河子，832000； 3. 新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子，832000)

0 引言

玉米是主要的粮食产物，也是畜牧饲料的主要原料，在新疆种植广泛。据统计，截至2018年，新疆生产建设兵团玉米种植面积就达到102 khm2，且呈逐年增长趋势。其中，第四师和第九师玉米种植面积最大，分别达到32.4 khm2和18.1 khm2[1]。秋收后，玉米待耕地土壤的基本条件比其他作物待耕地土壤的基本条件更加恶劣；部分地区农忙时间紧，本地区畜牧业对饲料的需求也不高，导致农户从经济效益方面考虑，不进行残茬回收就直接开始耕翻，这些都给后续的耕翻作业增加了难度，对耕翻机具的作业质量提出了更高的要求。

为准确把握玉米地秋收后，待耕地的土壤情况以及犁具在残茬量较大的作业环境下的作业情况，课题组成员前往玉米种植面积最广的北疆塔城地区和伊犁地区，实地测量田间土壤情况，对比铧式犁在玉米残茬地作业情况，走访询问一线农户、拖拉机手、经销商，综合整理分析得到相关数据和结论。

1 北疆待耕玉米地土壤基本条件

课题组成员对塔城、伊犁两地的多块玉米残茬地利用五点取样法，分别测量各待耕翻地块的各个深度的土壤坚实度、土壤含水率、土壤容重以及土壤孔隙度[2]，使用到的仪器有SC-900土壤坚实度仪、TS-4土壤含水率仪、台秤、环刀、铝盒、干燥箱等。土壤坚实度的测量以2.5 cm作为一个区间；土壤含水率，土壤容重和孔隙度的测量以10 cm作为一个测量区间。测量各个深度区间的土壤情况，最终取平均值，结果与分析如下。

1.1 土壤坚实度

如图1所示，整个土层的土壤坚实度在表面层(0～100 mm)、耕作层(100～300 mm)、犁底层(300～400 mm)[3]三部分上变化明显。在表面层，土壤坚实度与土壤深度基本呈线性增大关系，在100 mm处达到极大值；突破表面层后，坚实度在耕作层基本维持不变，且与100 mm处的坚实度相比，略有减小；在犁底层，土壤坚实度随土层深度的增加呈增大趋势，达到整个测量区间的最大值。表面层和犁底层由于分别受大型机械的碾压作用和常年铧式犁耕翻作业的影响，使得坚实度相对较大。由于作物根系的疏松作用，耕作层的坚实度相对小且平均。

其中，G地土壤坚实度明显高于其他地块，最大土壤坚实度可达到5 295 kPa。各地块的耕作层和犁底层的土壤坚实度最小值出现在B地耕作层处，为1 166.6 kPa。七块地的表面层、耕作层和犁底层的平均土壤坚实度分别为1 683.1 kPa，2 431.2 kPa，3 028.3 kPa，整体坚实度水平大，土质坚硬，耕作难度大。

图1 玉米残茬地土壤坚实度情况Fig. 1 Soil compactibility of corn stubble field

1.2 土壤含水率

如图2所示，各个地块含水率随土壤深度的增加而增大。伊犁地区受暖湿气流的影响[4]，气候条件较好，降水较多，平均含水率比塔城地区的平均含水率高101.8%。七块地的0～100 mm、100～200 mm、200～300 mm、300～400 mm土层的平均含水率分别为15.02%、18.74%、21.64%、25.18%，整体土壤含水率较低。

图2 玉米残茬地土壤含水率情况Fig. 2 Soil moisture content of corn stubble field

1.3 土壤容重和孔隙度

如图3所示，七块地的0～100 mm、100～200 mm、200～300 mm、300～400 mm土层的平均容重分别为1.42 g/cm3、1.50 g/cm3、1.45 g/cm3、1.42 g/cm3，平均容重都超过了1.4 g/cm3，在1.4～1.7 g/cm3之间，说明塔城和伊犁地区土壤的有机质含量不足，矿物质含量较多，土壤结构较差[5]。其中A地、B地、C地、E地土壤的耕作层容重高于表面层和犁底层容重。耕作层是作物根系主要吸收营养的土层，容重较高，土壤结构较差，不利于作物的生长；D地、F地、G地土壤耕作层的容重要略低于表面层和犁底层的容重，对作物生长相对较为有利。

图3 玉米残茬地土壤容重情况Fig. 3 Soil bulk density of corn stubble field

图4 玉米残茬地土壤孔隙度情况Fig. 4 Soil porosity of cornstubble field

如图4所示，各地块的孔隙度基本在40%～50%范围之内，七块地的0～100 mm、100～200 mm、200～300 mm、300～400 mm土层的平均孔隙度分别为46.52%、43.51%、45.44%、46.52%，土壤的整体通水透气性较好。A地块受自身砂质成分影响，孔隙度相对较小，不利作物生长。

由以上结果可知，北疆玉米残茬地土壤坚实度大，含水率较低，容重较大，土壤矿物质较多而有机质少，土壤条件恶劣，对其进行耕翻作业，对机具要求高。通过耕翻，实现土层的交换，改善整个耕作土层的土壤结构，使得容重，孔隙度和松软程度在一个有利于作物生长发育的合理区间之内，对提高作物的产量具有重要意义。

2 北疆待耕玉米地残茬及含石情况

2.1 残茬情况

玉米机械化收获后，地表残茬众多，远远超出其他作物的地表残茬量。经过在多地区实地测量，北疆几种主要作物收获后地表残茬量情况如图5所示。

图5 北疆主要作物残茬情况Fig. 5 Stubble situation of main crops in Northern Xinjiang

玉米地进行打秆作业后秸秆打包地(A地、D地、E地、F地、G地)的平均残茬高度在235～260 mm范围之间，最大残茬高度在350～450 mm范围之间；打秆作业后秸秆还田地(C地)的平均残茬高度为265 mm，最大残茬高度为425 mm，植被残茬密度为3 630 g/m2；而未进行打秆作业地(B地)的平均残茬高度为465 mm，最大残茬高度为735 mm，植被残茬密度为3 450 g/m2。如表1所示。

表1 各地块残茬情况Tab. 1 Stubble situation of each plot

秸秆还田直接耕翻可以节约农时，更好提高土壤有机质，有利于土壤的保护和可持续化发展[6-7]。秸秆残茬成分及详细比例如表2所示，玉米地残茬实际情况如图6所示。玉米残茬有较长、硬度较大的株秆，较软、密度较小的植叶，和呈圆柱状、易滚动的玉米棒芯。玉米秸秆在田间“虚”且“高”，深度可达到300 mm，不利于残茬的耕翻覆盖。大量秸秆堆积在地表面，直接耕翻无疑增加了覆盖的难度，而农户对玉米地耕翻质量的要求最看重的恰好就是秸秆覆盖率。

表2 秸秆还田玉米地残茬情况Tab. 2 Stubble situation of corn field with straw returning

图6 玉米地表残茬实际情况Fig. 6 Actual situation of corn surface stubble

2.2 含石情况

北疆部分地区的耕地在形成过程中受河流(如额尔齐斯河、乌伦古河、玛纳斯河、博尔塔拉河、伊犁河等)水源的冲击影响，山脉间的石块随河流冲击而下，使得建立在下游冲积平原上的垦区耕地石块遍布。耕地中石块的存在有利有弊，据相关研究表明[5]，20%以下的含石量会增加土壤的温度，利于作物提高产量，但石块的存在加剧了犁耕机械的作业难度和磨损破坏，使耕翻效率下降且成本提高。含石地的特殊土壤条件，给铧式犁机具的磨损性能和耐用性提出了巨大挑战。

北疆含石地主要集中在塔城、阿勒泰地区，博州、伊犁也有分布。对塔城、阿勒泰、博州、伊犁四地的玉米含石地采用五点取样法分别测量各待耕翻地块的含石情况。

在测量点处取1 m2的正方形表面，以10 cm深度作为一个区间，挖至30 cm犁底层处，测量各地块的石块含量和石块大小情况，如图7和图8所示。

由图7和图8可知，不同地块的含石情况各不相同。其中4地和5地含石率相对较低，1地、2地和3地含石率相对较高，除了3地的10～20 cm土壤深度的含石率达到20.3%，其余各地各土壤深度的含石率均在20%以下；各地块耕作层含石率均高于表面层和犁底层，这是由于上一年耕翻时上层和下层土壤扰动较大，中间层扰动较小，常年累计，导致中间层含石较多；1地、2地和4地石块尺寸相对较大，而3地和5地以小石块为主。含石率在20%以下的土壤，对提高作物产量有促进作用[6-7]。1地块玉米产量为21 t/hm2，比统一管理的其他不含石玉米地产量高3 t/hm2。塔城和阿勒泰地区的玉米地含石率高，且石块尺寸较大，土壤耕翻条件最为恶劣；博乐和伊犁地区土壤含石以小碎石为主，且含石率较低，耕翻条件相对来说较为有利。

图7 土壤含石率情况Fig. 7 Soil stone content

3 北疆玉米残茬地液压翻转犁耕作状况

3.1 耕翻质量

针对A地(秸秆打包)和C地(秸秆还田)开展残茬覆盖率的对比试验，两地土壤坚实度，含水率，和土壤密度相近，拖拉机均采用约翰迪尔2204牵引，机具均为大间距液压翻转四铧犁(具体参数如表3所示)，耕速均为8 km/h左右。两地的耕深稳定性和耕宽稳定性分别为95.45%、90.3%和91%、82.2%，残茬覆盖率如图9所示。

表3 液压翻转四铧犁技术参数Tab. 3 Technical parameters of hydraulic overturningfour mouldboard plough

图9 秸秆打包与秸秆还田玉米地残茬覆盖率情况Fig. 9 Stubble coverage rate of corn field withstraw packing or straw returning

如图9所示，经过秸秆打包的A地与秸秆还田直接耕翻的C地的地表以下残茬覆盖率的差距较小，都达到92%以上；而8 cm以下残茬覆盖率差距较大，A地达到80.81%，而C地只有60.44%。总的来说，在大间距四铧犁耕作下，经过秸秆打包的玉米待耕地的残茬覆盖效果较好；而秸秆还田的玉米待耕地，在地表至8 cm深处残茬含量大约为40%，残茬深埋效果还有待提高。

3.2 犁具磨损

北疆地区的部分玉米地由于含有一定量、不规则的石块，造成对犁具铲尖、犁铧、犁壁的磨损特别剧烈。在塔城地区含石的砂土地中，国产犁铧在机具工作 67 hm2左右就需更换，雷肯进口犁铧可以使用 134 hm2左右；而在普通壤土中，普通犁铧可工作 400～467 hm2。阿勒泰地区的玉米待耕地，普遍土壤含水率底，坚实度极大，还混有石块，给犁壁造成极大的磨损，甚至栅条犁壁都被磨出“刃”。

铲尖的磨损更为严重，昌吉地区砂土地中，铲尖可使用67～134 hm2，壤土可使用200 hm2左右；阿勒泰地区砂土地中，铲尖可使用67 hm2左右，壤土地铲尖可使用134 hm2左右；在含石率比较大的砂土地中，机具耕作20 hm2就需要更换铲尖。

4 铧式犁机具耕作北疆玉米地存在的问题及优化改进方向

4.1 存在问题

目前，北疆地区用于耕翻的机具主要为耕宽为 2 m 左右的液压悬挂翻转犁，配搭拖拉机动力在 147 kW 以上[8-9]，技术相对成熟，但北疆地区土壤各项基本条件较其他地区恶劣，现有铧式犁机具，尤其像转向部件、触土部件、连接部件等关键部件，在实际使用中存在与恶劣的耕作条件不匹配、不适用的问题。通过对塔城、阿勒泰、博州和伊犁地区玉米残茬地犁耕的调研，走访当地农户及正在作业的拖拉机手，针对北疆玉米地秸秆量大，含石率高，土壤坚实度大，含水率低，土壤有机质含量低的情况，发现一系列当前铧式犁机具存在的问题和不足。

1) 玉米秸秆量大，铧式犁覆盖效果下降。尤其 8 cm 以下覆盖率较低，不利于玉米秸秆的腐烂，对第二年的春播和出苗造成不利影响。

2) 玉米秸秆量大，玉米残茬的通过性不好。整个犁具尤其第一铧犁在耕作中经常性会堆积大量玉米残茬，导致后续翻垡覆盖效果下降，且增大了耕作阻力。拖拉机手定时停车清理堆积的残茬耗时耗力，影响耕作效率，如图10和图11所示。

图10 第一铧犁堆积残茬Fig. 10 First plough accumulated stubble

图11 拖拉机手清理机具上堆积的残茬Fig. 11 Tractor driver cleans up the stubbleaccumulated on the implement

3) 栅条型的犁壁强度和耐磨性都比镜面犁壁要弱，栅条在不同方向上受到的磨损程度大且不均匀，导致栅条磨损形成“刃”，影响机具耕作稳定性，如图12(a)所示。

(a) 栅条犁壁磨损出“刃”

(b) 犁侧板磨溃

(c) 铲尖尖端折断

(d) 小前犁弯曲变形

(f) 犁梁犁体连接处螺孔裂开

(g) 保险螺栓不合规范

(h) 栅条撑板焊接处开裂图12 铧式犁机具出现损坏的部位Fig. 12 Easy damaged parts of the mouldboard plough

4) 犁侧板在沟墙面上与土壤及石块剧烈摩擦，被磨溃，导致整机受力不稳定，耕作质量和效率下降，如图12(b)所示。

5) 自磨刃的铲尖在被严重磨损之后，硬质涂层在大的阻力下会产生突然的断裂，形成不规则的缺口，增加耕作阻力，如图12(c)所示。

6) 表面层土壤坚实度大，使得小前犁在耕作中切割，翻动表面层土壤和地表残茬时受力过大，发生变形，从而使得铧式犁机具的覆盖残茬能力降低，如图12(d)所示。

7) 在实际使用过程中，为满足提高残茬覆盖的自身需要，农户自主将犁体的栅条加长，有的更换犁柱以相应的增大犁梁的高度，还有甚至为了增大间距将四铧犁改成三铧犁使用。这些自主对犁具进行的改造，虽一定程度满足其需要，但机具本身强度，耐磨等方面受到不可逆的破坏，犁具本身在工作中的受力也发生变化，急剧减少了机具的寿命。

8) 一般犁具更新周期在5～6年左右，甚至更久一些，但在实际使用中，由于北疆耕作土壤土质坚硬、土壤干燥、含有石块，机具在正常作业时所受载荷和磨损也远远大于其他地区，一些连接部位总是提前出现各种损坏的问题，如图12(e)～图12(g)所示。

9) 现在市面上的犁体结构大多为栅条型，但北疆地区这种土壤含水率特别低，土质松散，残茬众多的土壤条件并不适合栅条型犁体的使用。栅条型犁体确实能够减少一定耕作阻力和材料的使用，但也导致犁体易损，加剧犁具的不稳定性。栅条的顶板焊接处受力出现开裂现象，如图12(h)所示。

10) 北疆地区的土壤“干”而“散”，且坚实度在不同土壤深度，不同地块，不同位置差异较大，铧式犁在切割和耕翻土壤的过程中，受力变化剧烈，犁具在作业过程中，会出现受力不平衡，犁具整体抖动的情况，影响耕作质量和自身寿命。

4.2 优化改进方案

铧式犁的整机研究设计成果颇丰[10-11]，在现有研究基础上，针对北疆待秋翻地土壤坚实度、土壤含水率、容重、残茬情况、含石情况等，以提高铧式犁使用稳定性、工作效率、耕翻质量为目的，提出以下相关方面的优化改进方案。

4.2.1 部件优化

1) 设计开发一种新型灭茬犁体结构。在合理范围之内，增大犁体曲面整体的翻土角，提高翻垡覆盖性能，而不使得耕作阻力增加太多。设计犁铧的尺寸，探究犁铧大小尺寸和铧刃角的配合关系，找到在相同耕宽情况下，耕作阻力最小的组合。在犁体后部增加切割残茬的刀具以提高残茬覆盖性能和残茬通过性。

2) 设计开发新型的铲尖结构，使其在磨损后可以换面、换方向继续使用，减少铲尖基体的浪费，减小耕作阻力，提高耕作效率。

3) 设计开发具有仿生结构的犁壁部件，通过在犁壁上布置仿生结构单元，来达到增强犁壁耐磨性，降低土壤耕作阻力的目的。

4) 设计开发一种能打破土壤表面层，强度和耐磨足够的小前犁结构。小前犁的犁体曲面以翻土覆盖残茬为主要设计方向，同时兼顾强度和耐磨性，使其在耕作时，先于主犁体破坏土壤表面层进行局部覆盖残茬，提高整体的翻垡覆盖效果。研究小前犁的耕深和耕宽对工作阻力和残茬覆盖效果的影响。

5) 针对犁体连接孔，液压杠连接处，转轴处等容易损伤的、可转动的连接部位，进行整体的强度刚度计算，通过增加用料，改善材料，增大尺寸等方法，在达到强度和刚度要求情况下，进一步提高连接的可靠性。

6) 设计改进铧式犁调幅装置，使现有调幅犁实现无极调幅。在提高调幅效率的同时，使机具能够更好的匹配拖拉机的动力。

7) 设计开发弹簧、液压、气力等多种形式的犁体避障结构，使犁具在含石地遇到大尺寸石块时，能及时规避，减少犁体与石块的撞击，保护犁体，改善犁具受力情况。

8) 设计开发新型限深轮结构，通过柔性弹簧等使其可以减少翻转过程中的冲击，简化结构，提升可靠性。

4.2.2 整机优化

1) 有关研究表明，肥料可促进秸秆的腐化，探究基肥和秸秆一起进行深翻，达到促进秸秆腐烂，增加土壤有机质的可能。

2) 针对第一铧犁残茬通过性差的问题，在不影响犁具整体平衡的前提下，合理调整配置第一铧犁在犁梁上的相对位置，改善玉米残茬的通过性。

3) 在合理范围内，增大犁梁的高度和犁体的间距，以更好适应残茬量大的玉米耕地。

4) 对现有犁具建立模型及仿真受力分析，寻找犁具工作中受力不平衡的原因，通过优化触土部件及拖拉机连接部件，使犁具整体受力平衡，减少犁具工作时的抖动。

5) 建立犁具整机的模型，通过仿真分析来优化各个尺寸，在满足使用要求情况下，减少犁架质量，减轻拖拉机负载，提高可靠性。

5 结论

北疆玉米地的土壤坚实度大，土壤含水率较小，土壤容重较大，孔隙度良好，残茬量大，含石率高，这些特点给土壤的耕翻加大了难度，更给铧式犁机具的性能与稳定性提出了更高的要求。铧式犁机具相关理论和技术相对成熟[12-13]，但在北疆土壤条件下，普遍使用的铧式犁机具还存在着残茬覆盖效果不理想，耕作阻力大，可靠性差等问题。铧式犁机具要在保证耕作质量的前提下，进一步通过对犁体、小前犁、连接部位、铲尖、调幅装置等的优化设计，对整机的平衡性、合理性、轻量化的创新构造，来提高翻土覆盖的性能；减小耕作的阻力，节省油耗；提高可靠性，减少零部件的更换和延长机具使用寿命。