紫云英綠肥盛花期埋切翻壓組合作業機設計與試驗

游兆延 張 沖 高學梅 高 雅 彭寶良 吳惠昌

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

隨著農村土地流轉和農業合作社的大量出現，以及輪作休耕、果菜茶有機肥替代化肥等重大項目的不斷推進，規模化種植綠肥成為化學肥料、農藥等農資的重要支撐措施[1-2]。

紫云英是我國主要的綠肥作物，也是一種優質的豆科牧草和蜜源作物，對于增加生物有機肥源、改善生態、提高化肥利用率和促進農業綠色發展都具有重要的作用[3-6]。翻壓是紫云英生產的重要環節，紫云英翻壓具有改變土壤理化性質、增加土壤有機質、提高作物產量和品質等優點[7-8]。國外種植綠肥的主要目的是封閉雜草，種植方式采用單熟制或者休耕制，綠肥成熟后一般不翻壓到土壤里，常在切斷后覆蓋在地表，或由鎮壓輥筒壓青后使其在自然狀態下腐殖[9-11]。荷蘭Van Wamel BV、德國FENDT等公司也研發了前置綠肥粉碎、后置五鏵或八鏵犁翻壓的聯合作業機，但其配套的拖拉機動力均在220 kW以上，且需有前動力輸出。在我國復種指數高、小田塊條件下，國外綠肥翻壓模式不能簡單效仿和復制。當前，我國紫云英翻壓主要采用傳統的畜力犁、旋耕機或鏵式犁等方式[12-14]。畜力犁費時，費力；旋耕機多為小動力配置，作業效率低，且翻壓后肥土效果不高；鏵式犁翻壓紫云英時多為整株翻壓，翻壓時紫云英莖稈分解速度較慢，在空茬期較短時肥效利用率不高，且整翻還田后對后茬作物的生長也會產生一定的影響[15-16]。另外，為了將紫云英完全翻壓入土，需加大耕深，導致動力消耗巨大。

針對上述生產需求和現有綠肥翻壓方式的弊端，本文設計一種紫云英綠肥盛花期埋切翻壓組合作業機，以期在有效提高紫云英翻壓率和肥田效果的同時，降低作業功耗。

1 盛花期紫云英生物學特征及壓切特性

1.1 盛花期紫云英生物學特征

盛花期田間紫云英如圖1所示，花序為總狀花序，通常每個花序有7～11朵小花，莖稈呈圓柱形或扁圓柱形，莖粗2～10 mm，中空，莖色以綠色為主，葉為奇數羽狀復葉，長10～20 cm，葉色一般為深綠色和黃綠色[3]。

圖1 盛花期紫云英

1.2 壓切特性試驗

根據綠肥植株特點和翻壓后腐解特性需求，為達到最佳的埋切翻壓效果，需對紫云英莖稈的壓切特性進行研究[17]，試驗品種選用蕪湖青弋江種業有限公司紫云英留種地的青弋江1號，株樣共5株，帶回實驗室作保鮮處理，分別測量并記錄每株紫云英的攤開株高、生長高度、莖稈含水率等物理特性，并借助JXSA304B型萬能試驗機對株樣莖稈根部、中部、頂部等部位進行壓切強度測試(如圖2所示)，將萬能試驗機記錄的莖稈壓切斷開時力值與空載時力值之差的最大值作為該組試驗的莖稈最大壓切力[18]，試驗中選定加載速度50 mm/min、上限載荷500 N、上限下降載荷5 N，在測試界面中依次點擊載荷調零、重設標距、開始、完成鍵，試驗重復5次，最后取平均值。

圖2 紫云英莖稈壓切強度試驗

各采樣株樣物理特性及壓切試驗結果如表1，試驗數據為后續埋切組件的研制提供了設計依據。

表1 試驗結果

2 整機結構與工作原理

2.1 總體結構

圖3 紫云英埋切翻壓組合作業機總體結構與各部件結構示意圖

紫云英綠肥埋切翻壓組合作業機總體結構與各部件結構示意圖如圖3所示，主要由埋切部件、拖拉機和翻壓部件組成。埋切部件主要由支撐組件、輥筒組件、懸掛組件、前懸掛連接組件等組成，翻壓部件主要由翻轉油缸、懸掛架、調幅螺桿、限深輪、犁架、犁體等構成。工作時，埋切部件通過其前懸掛連接組件固定在行走動力機構前端，拖拉機后端三點懸掛與翻壓部件固定連接。

2.2 工作原理

工作時，埋切部件無需動力輸入，由拖拉機拖拽或推行而向前移動，輥筒組件前移過程中，先將紫云英綠肥推倒在地，紫云英莖稈由均布于輥筒組件上的壓切刀切成一段段短小莖稈，并被進一步壓埋入土壤，后置翻壓部件僅需較小耕深，即可將壓切后的紫云英莖稈翻壓到土中，埋切部件所有作業消耗的動力只是輥筒移動的牽引力，翻壓部件動力消耗較現有鏵式犁動力消耗也大幅減少。翻壓部件兩組犁體呈180°相對犁架垂直配置，犁架通過一轉動軸安裝在懸掛架上，拖拉機液壓輸出動力使翻轉油缸的活塞桿伸縮，推動犁架完成180°翻轉，作業過程中實現犁體單向翻垡。調幅螺桿可使組合作業機工作幅寬在一定范圍內進行調節，提高了對作業條件(土壤條件、耕深等)變化的適應能力，從而提高機具作業效率、降低油耗。

3 主要工作部件設計與分析

3.1 輥筒組件

3.1.1結構及組成

輥筒組件(圖4)是實現紫云英莖稈埋切的重要部件，主要由彈性卸土板、壓切刀、端部支撐裝置、輥筒壁、注水口堵頭、旋轉軸等組成，輥筒組件上均布排列若干排刀組，每排刀組由4只壓切刀構成。

圖4 輥筒組件示意圖

當輥筒組件在地表滾動并推倒紫云英莖稈時，氣槽式壓切刀切斷紫云英莖稈的同時，也會將一部分莖稈埋切入土壤中，壓切刀上間隔分布形成內嵌氣槽的穿孔，減少土垡與刀壁的貼合面積，降低相互間的粘合力，在壓切刀移出土壤時使土垡能在其自重作用下脫離壓切刀[19]，同時，設計由彈簧鋼熱軋成型的F型彈性卸土板，確保當作業土壤處于高粘性時，彈性卸土板能推動土垡沿輥筒徑向移出，達到理想的卸土效果。齒型盤式內支撐板的齒型可保證輥筒內腔相通，壓切力可通過擰下注水口添加不同質量的水來調節，以適應不同品種、不同成熟度紫云英綠肥莖稈的埋切需求。

依據圖4分析，理想狀態下紫云英莖稈切斷長度為輥筒壁半徑與相鄰兩壓切刀之間弧度的乘積，考慮依靠輥筒組件裝滿水后將紫云英莖稈埋壓切斷，需滿足條件

Al=θπr/180=φr

(1)

ρgV=4ρgLπr2≥4KF′maxLAl

(2)

式中Al——紫云英莖稈切斷長度，參考玉米、高粱、小麥、水稻等作物秸稈粉碎還田合格長度取值在100～150 mm之間[20]，則取平均值125 mm

θ——相鄰兩壓切刀之間夾角，(°)

φ——相鄰兩壓切刀對應弧度，rad

V——輥筒組件內部體積，m3

L——單個壓切刀長度，依據作業幅寬要求，取500 mm

ρ——水的密度，kg/m3

g——重力加速度，9.8 m/s2

r——壓切輥半徑，mm

K——單位面積內紫云英植株數量，根據理想條件下紫云英開溝、播種等環節種植技術要求[6]，取580株/m2

F′max——單株紫云英莖稈受到的最大壓切力，依據表1，取值40 N

圖4中l為壓切刀寬度(140～180 mm[21])，取180 mm，σ為F型彈性卸土板的夾角，取82.1°，d為彈性卸土板底部寬度，取30 mm[19]。

由式(1)、(2)計算可得，壓切輥半徑應滿足r>303 mm，故設計將壓切輥半徑圓整為305 mm，相鄰兩壓切刀對應弧度φ為0.409 rad，則兩相鄰壓切刀之間對應的夾角θ為23.45°，取整為24°，即設計輥筒壁上沿圓周均布配置壓切刀數量為15。

3.1.2壓切刀排布方式

從輥筒組件中的壓切刀安裝排布可知，每排刀組由4只壓切刀組成，通過間隔移除壓切刀，可實現壓切刀單弧度φ、雙弧度2φ和三弧度3φ等3種間距排布方式(圖5)，這樣組配方式下，可減少同時與地面作用的刀片數量，使單位壓切刀對莖稈的壓切力成倍增加，可適應不同品種、不同壓切長度的紫云英綠肥莖稈的埋切作業需求。

圖5 壓切刀3種間距排布方式

3.1.3紫云英莖稈受力分析

如圖6所示，對紫云英莖稈進行受力分析，將紫云英莖稈標記為質點n，其受力有地面支撐力GN、壓切刀沿開刃面刃口切線b-b′方向的摩擦力F和切刀刃口沿a-a′方向的法向反作用力N，N′為土壤的法向反力，將N沿開刃面刃口切線方向分解成T和T′，則刀刃滑切作用取決于力T的大小，當T>F時，壓切刀對紫云英莖稈產生滑切，則莖稈受力方程為

(3)

式中T——切向力，N

τ——作用點動態滑切角，(°)

ψ——鋼板與紫云英莖稈滑動摩擦角，(°)

μ——鋼板與紫云英莖稈滑切系數

圖6 紫云英莖稈受力分析

根據刀刃切割農作物莖稈的滑切理論可知[22]，在切割作業時實現滑移切是不可取的，實現無滑移的滑切是可行的。若T>F，則τ>ψ，即接觸點動態滑切角大于莖稈和刀片的摩擦角時，壓切刀對莖稈產生滑切作用。參考不同含水率下其它農作物莖稈與鋼板摩擦角的測定方法[23]，測得盛花期采樣紫云英莖稈含水率76.65%～81.75%時，紫云英莖稈與鋼板滑動摩擦角為32.7°～34.3°，因此動態滑切角τ>34.3°；為避免莖稈堵塞，又有τ<90°-ψ，即當壓切刀滑切角滿足34.3°<τ<55.7°時，可保證壓切刀刃線上的每一點在地表接觸位置時與莖稈有效切割，實現紫云英莖稈順暢埋切。

3.2 前懸掛連接組件

圖7 前懸掛連接組件提升臂位置變換示意圖

前懸掛連接組件是連接輥筒埋切組件與拖拉機的重要裝置，主要由油管、前連接側板、提升臂、支撐梁和液壓油缸等組成。輥筒埋切組件田間工作時油缸處于伸出狀態，提升臂位于田間作業位置A，而輥筒埋切組件在運輸狀態時，油缸則處于收縮狀態，提升臂位于運輸位置B(圖7)。根據輥筒組件約900 kg、式(2)計算灌滿輥筒組件所需水量約585 kg以及考慮運輸時輥筒埋切組件最低離地高度200 mm等情況綜合分析計算，選擇滿足負載及行程要求液壓缸型號HSGL01-80/dE，設計液壓缸行程440 mm，工作壓力16 MPa，缸徑80 mm，活塞桿徑40 mm。

3.3 柵條式犁體

3.3.1結構設計

翻壓部件犁體工作面的結構直接影響翻壓效率及牽引力大小，在犁體曲面的設計方法中目前得到廣泛應用的是水平直元線法[24-25]，研究表明柵條式犁體碎土、脫土性能較好，不僅可以保持土壤表層的形成順序，而且還可降低能量消耗，且耕作后土壤的總腐殖質含量、全氮含量、活性磷含量等農化特性均優于整片式鏵式犁體耕作后作業效果[26]，故采用水平直元線法設計柵條式犁體(圖8)，主要由犁鏵、犁壁、犁柱、柵條、調節螺桿、導向板等組成，工作時犁鏵與犁壁先將土壤和莖稈混合物翻轉，再由柵條將翻轉的土壤進行碎土，導向板則使柵條犁工作行程盡量保持在一條直線上。

圖8 柵條式犁體三維設計圖

3.3.2導曲線分析

犁體曲面的形狀和工作性能主要由導曲線和元線角變化規律所決定[27-28]，圖9為柵條式犁體導曲線及擬合曲線，其中s為導曲線的直線長度，ε為鏵刃起土角，w為兩端點切線夾角，根據紫云英綠肥翻壓要求并結合農業機械設計手冊鏵式犁相關設計參數的推薦范圍[21,28]，設計犁體導曲線各參數如下：鏵刃起土角18.7°，導曲線長度37.7 mm，兩端點切線夾角124.5°，導曲線高度237.35 mm，導曲線開度232 mm。

從擬合曲線分析可知，柵條式犁體鏵刃起土角數值與一般鏵式犁體相比較小，而導曲線開度較大，在作業過程中有利于土壤沿著犁體曲面向后脫離犁壁，減小犁體翻壓阻力。根據導曲線各參數，推導可得拋物線型導曲線方程式[29]

x2+7.279xy+13.247y2+2 559.387x-7 561.383y=0

(4)

圖9 犁體導曲線及擬合曲線

3.3.3元線角變化規律分析

元線角隨元線高度變化過程中，一般都有初始元線角→最小元線角→最大元線角的變化規律，根據紫云英翻壓部件作業原理及與輥筒組件的配套要求，設計翻土型犁體曲面[30]，單個犁體耕寬400 mm，耕深220 mm，初始元線角為35°，元線間隔25 mm，對于翻土型犁體，在最小元線角向最大元線角變化時，元線角按拋物線規律變化，公式為

(5)

(6)

式中y——角度對應的縱坐標數值，mm

Zi——自鏵刃起第i條元線高度，mm

Zmax——最大元線角處對應元線高度，取425 mm

Zmin——最小元線角處對應元線高度，取75 mm

m——比例尺，取0.2(°)/mm

Qmax——最大元線角，取50°[29]

Qmin——最小元線角，取31°[29]

ymax——y的最大值，由式(6)計算取95 mm

故在Qmin→Qmax段，犁體元線角拋物線解析式為

(7)

設置元線間隔25 mm，將各元線高度代入式(7)，可得圖10所示犁體元線角變化規律。

圖10 犁體元線角變化規律圖

4 田間試驗與結果分析

4.1 試驗條件

紫云英綠肥埋切翻壓田間試驗于2018年4月23日在蕪湖南陵紫云英試驗地進行，試驗田長70 m，寬20 m，盛花期紫云英鮮草產量為17 093 kg/hm2，土壤類型為沙壤土，TZS型水分測定儀測得土壤含水率為28.73%(0～10 cm)和32.1%(20～30 cm)，容重1.23～1.42 g/cm3，TYD-2型土壤硬度計測得深度5、10、15、20 cm處土壤堅實度峰值分別為141、200、401、612 N/cm2，配套動力為John Deere-1054型拖拉機。

4.2 試驗方法

為考察紫云英綠肥埋切翻壓組合作業機作業質量，參考GB/T 14225—2008《鏵式犁》和JB/T6678—2001《秸稈粉碎還田機》等標準中規定的試驗方法進行田間作業性能試驗(圖11)，選取莖稈切斷長度合格率、土垡破碎率、耕深及耕寬穩定性變異系數和地表以下植被翻壓覆蓋率作為組合作業機工作性能的測試指標。

試驗地塊紫云英鮮草產量為17 093 kg/hm2，且大部分紫云英植株株高為40～60 cm，滿足理想的紫云英15 000～22 500 kg/hm2翻壓量要求[5]，無需增大輥筒組件壓切力，故選擇壓切刀排布方式為單弧度排列。每次行程機具按照圖11a中箭頭方向對紫云英綠肥進行埋切翻壓作業，圖中A、B、C、D為測定區各點的標桿位置，E、F、G、H、I為選定的土壤含水率、容重、堅實度等參數的測定區域，A→B段和C→D段為土垡破碎率、地表以下植被翻壓覆蓋率、翻壓耕深、耕寬等試驗指標的測定區，每個行程上測量15個點，等距離插上標桿。

圖11 試驗方法設計與田間性能試驗

試驗時，準備2臺常發1504型拖拉機，利用一臺拖拉機掛倒擋牽引另外一臺拖拉機，分別將紫云英埋切翻壓組合作業機輥筒組件、柵條式翻轉犁和傳統鏵式犁懸掛于被牽引拖拉機上，利用AXL-R-15型拉力計(圖11b)測得埋切翻壓機各部件、拖拉機、傳統鏵式犁正常作業時牽引力，從而計算出綠肥埋切翻壓機和傳統鏵式犁工作時總牽引力，分別記為Fj和Fh，Fj包含了輥筒組件的牽引力Fg和柵條犁的牽引力Fs，每次牽引試驗前，將數顯拉力機切換至PEAK鍵，隨著牽引力測量值的變動，液晶顯示區始終實時鎖定測得的最大測量值，記為該次試驗測得的牽引力，再按PEAK鍵，解除鎖定狀態，此時屏上PEAK指示消失，重新回到測力狀態。測得柵條犁的牽引力Fs為28.1 kN，輥筒組件的牽引力Fg為0.8 kN，拖拉機工作阻力為1.7 kN，傳統鏵式犁牽引力Fh為42.3 kN。埋切翻壓機總功率Pm應包含牽引力總功率Pq和輥筒組件的轉動功率Pr，機具前進速度v按6 km/h計算，可得

Pm=Pr+Pq

(8)

(9)

Pq=Fjv

(10)

Fj=Fg+Fs

(11)

Ph=Fhv

(12)

式中N1——輥筒正常作業條件下的轉速，約50 r/min

T1——輥筒轉矩，N·m

經計算輥筒組件轉動部分功耗為1.28 kW，紫云英埋切翻壓組合作業機牽引力消耗48.17 kW，紫云英埋切翻壓組合作業機總功率消耗49.45 kW，傳統鏵式犁作業功率為70.5 kW，紫云英埋切翻壓組合作業機作業功耗較傳統鏵式犁作業功耗降低約29.86%。

莖稈切斷長度合格率測定方法是采用鋼板尺人工測量方式，獲取各測區內翻垡土塊下方0～25 cm切斷莖稈質量占總抽取莖稈質量的平均百分比[20]。

土垡破碎率計算方法是在每個行程內選取不少于3個測定點，在不小于200 cm×200 cm面積耕層內，分別測定最大尺寸在大于、小于和等于5 cm時的土塊質量，計算土垡破碎率為

(13)

式中Gs——全耕層內最大尺寸小于、等于5 cm的土塊質量，kg

G——全耕層土塊總質量，kg

耕深穩定性變異系數是通過耕深尺測量最后犁體耕深來計算，計算式為

(14)

其中

(15)

(16)

式中ai——各測定點耕深，cm

n——每行程測定點數

S——每行程標準差，cm

V1——每行程耕深穩定性變異系數，%

耕寬是指沿垂直機具運動方向測定的兩個相鄰行程犁溝溝墻之間的水平距離，在測定耕深的相應處進行耕寬測量，耕寬穩定性變異系數計算方法同耕深穩定性變異系數[31]。

植被翻壓覆蓋率測定方法如下：每個行程不少于3個測點，在已耕地上取寬度為400 cm、長度為30 cm的區域，分別測定地表以上的紫云英植被質量、地表以下8 cm深度內的紫云英植被質量以及8 cm以下耕層內的紫云英植被質量，植被翻壓覆蓋率為

(17)

式中z1——露在地表以上的紫云英植被質量，g

z2——8 cm深度內的紫云英植被質量，g

z3——8 cm以下紫云英植被質量，g

4.3 試驗結果與分析

紫云英埋切翻壓組合作業機田間試驗結果如表2所示，由試驗結果可得，埋切翻壓組合作業機工作效率可達0.67～1.20 hm2/h，紫云英莖稈切斷長度合格率為92%，翻壓部件作業幅寬1 920 mm，耕深220 mm，耕寬穩定性變異系數3.7%，耕深穩定性變異系數5.6%，土垡破碎率85.6%，植被翻壓覆蓋率98.3%，紫云英埋切翻壓組合作業機試驗指標均達到國家和行業標準要求。

表2 田間試驗結果

試驗過程中發現，當組合作業機前進速度保持在5.8～6.0 km/h時，其各組成部件作業性能較高且相對穩定。當前進速度進一步提高時，輥筒組件、柵條式犁體與紫云英莖稈、土壤互作時間縮短，輥筒組件來不及將紫云英莖稈完全埋壓切斷就從莖稈上面轉動過去，同時，耕深和耕寬穩定性受到擾動，造成莖稈切斷長度合格率和耕深、耕寬穩定性變異系數降低。若田間土地不平整、土壤堅實度不高時，則會影響輥筒組件壓切紫云英莖稈可靠性，需要適當調整壓切深度和翻壓深度，確保壓切刀、柵條犁等部件與莖稈、田間土壤的有效作用時間，以獲取高質量的埋切和翻壓效果。

5 結論

(1)設計了一種紫云英綠肥埋切翻壓組合作業機，闡述了其結構組成和工作原理，并對輥筒埋切組件、前懸掛連接組件、柵條式翻轉犁等主要工作部件進行了分析和參數設計，在有效提高紫云英綠肥翻壓肥田效果的同時，使作業功耗降低了29.86%。

(2)根據盛花期紫云英壓切特性試驗和理論計算，設計滿足埋切要求的壓切輥半徑為305 mm；基于農作物莖稈滑切理論，結合紫云英莖稈受力分析，得到輥筒組件壓切刀滑切角范圍為34.3°～55.7°；采用水平直元線法設計柵條式犁體曲面，推導得到導曲線拋物線方程，并繪制了犁體直元線角變化規律圖。

(3)田間試驗結果表明，在作業速度為5.8～6.0 hm2/h的條件下，埋切翻壓組合作業機工作效率可達0.67～1.20 hm2/h，紫云英莖稈切斷長度合格率為92%，耕寬穩定性變異系數3.7%，耕深穩定性變異系數5.6%，土垡破碎率85.6%，植被翻壓覆蓋率98.3%，各項性能指標均達到國家和行業標準要求。