GFY-200型經濟綠肥粉碎翻壓復式機設計與試驗*

游兆延，吳惠昌，高學梅，王公仆，于向濤，胡潤

(1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014； 2. 池州市農業科學研究所，安徽池州，247000)

0 引言

經濟綠肥是指既能生產出較多農產品而獲得較高的直接經濟效益，又能生產出大量的副產品耕漚入土作綠肥的農作物[1]。近年來，國家堅持農業綠色發展新理念，深入推進化肥農藥減量減施，以紫云英為代表的經濟綠肥種植具有改良土壤、提升農產品品質和發展觀光農業的作用，規?；N植經濟綠肥既是踐行“綠肥+”產業機制的重要舉措，又已成為繼測土配方施肥后，實現我國質量興農和科技興農的一項重要綠色生產方式[2-4]。

翻壓環節是經濟綠肥生產的重要環節，經濟綠肥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[5-6]。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，常采用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[7-9]，此外，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，但上述翻壓聯合設備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，我國紫云英等經濟綠肥翻壓主要采用傳統的蓄力犁、旋耕機或鏵式犁等方式[10-13]。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，整株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有一定的影響[14-15]，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，本文設計了一款GFY-200型經濟綠肥粉碎翻壓復式機，同時對關鍵部件進行結構、運動等參數設計，以期有效提高綠肥翻壓肥效的同時降低作業功耗。

1 經濟綠肥粉碎翻壓復式機設計

1.1 總體結構

GFY-200型經濟綠肥粉碎翻壓復式機主要由前懸掛裝置、變速箱、支撐管、粉碎翻壓裝置、齒輪傳動系統、限深裝置、罩殼拖板組件、動力鎮壓輥、液壓提升組件等組成，整體結構如圖1所示。

圖1 GFY-200型經濟綠肥粉碎翻壓復式機結構示意圖

1.2 工作原理

經濟綠肥粉碎翻壓復式機作業時，拖拉機的動力輸出軸經萬向節傳遞給變速箱，變速箱將動力一部分經傳動系統傳遞給旋耕翻壓裝置，經過拖拉機油門加速后帶動安裝在旋耕翻壓裝置上的旋耕刀高速旋轉，在喂入口處形成負壓，綠肥莖稈吸起后在旋耕刀和土壤的綜合作用下被切斷、粉碎成細短莖稈，細短莖稈夾雜著土壤一起在旋耕刀軸的高速轉動下，被拋到安裝在刀軸后方的罩殼拖板組件，莖稈和土壤混合物經覆土蓋板組件作用后均勻撒落在作業的幅寬內；同時齒輪傳動系統的另一部分動力經鏈輪傳動后驅動位于罩殼拖板組件后部的動力鎮壓輥，動力鎮壓輥將罩殼拖板組件作用后的莖稈和土壤混合物進一步鎮壓，使作業后的地表更加平整，增加土壤保墑效果的同時提高了綠肥翻壓的肥效。

1.3 主要結構參數

GFY-200型經濟綠肥粉碎翻壓復式機主要結構參數如表1所示。

表1 經濟綠肥粉碎翻壓復式機主要技術參數

2 關鍵部件參數設計

2.1 粉碎翻壓組件

粉碎翻壓組件如圖2所示，主要由旋耕刀輥、旋耕刀、刀座、齒輪箱、聯軸器、軸承端蓋等組成，作業時，旋耕刀軸由變速箱驅動旋轉，安裝在旋耕刀軸上的40把旋耕刀對田間土壤和綠肥莖稈實施耕作、切斷、粉碎等作業。

圖2 粉碎翻壓組件三維示意圖

圖3所示為旋耕刀端點的運動軌跡，作業時，刀軸上旋耕刀上各點的運動軌跡均為余擺線，刀端點的運動軌跡方程

(1)

式中：R——旋耕刀回轉半徑，mm；

ω——旋耕刀回轉角速度，rad/s；

vm——機具前進速度，m/s；

λ——旋耕速比。

圖3 旋耕刀端點運動軌跡

圖4所示為旋耕機切土節距和旋耕后耕層底部凸起高度，圖中將土垡的水平縱向厚度L稱為切土節距，α1為旋耕后耕層底部會出現波浪形的凸起高度，凸起高度大小除與旋耕速比λ和旋耕刀回轉半徑R有關外，還與旋耕刀輥單元切削小區內設置的刀片數N有關[16]，其關系

L=2vmπ/ωN

(2)

α1/R=1-cos[π/N(λ-1)]

(3)

根據綠肥種植土壤和含水率情況，對含水率在20%～35%的輕中粘度稻田土壤中，切土節距取6～10 cm較為合適[16]，本機旋耕刀型號選擇水田寬刀IT245，旋耕刀回轉半徑R為245 mm，旋耕刀軸轉速為387 r/min，機具前進速度為2.5～3.0 km/h，取平均速度2.75 km/h, 設置旋耕刀輥單元切削小區內刀片數為2，帶入式(1)計算得到旋耕速比λ為12.76，旋耕刀回轉角速度為39.77 rad/s，帶入式(2)、式(3)，求得切土節距L為6.03 cm，凸起高度α1為0.002 18 m，故凸起高度較小，切土節距和凸起高度大小滿足旋耕機碎土質量和耕底平整度要求。

圖4 切土節距和耕層凸起高度

2.2 罩殼拖板組件

罩殼拖板組件如圖5所示，主要由罩殼、鉸鏈、安裝支耳、彈簧、強壓桿等組成。罩殼固定在旋耕刀輥右上方，用于擋住旋耕刀拋出的土塊和切碎的綠肥莖稈，并使其在碰撞過程中進一步破碎、混合，同時還起到安全和防護作用。罩殼與刀輥間的空隙，前緣3～4 cm，后緣7～8 cm。罩殼橫截面呈多折線形，拖板對粉碎翻壓后地表起平整和稍加壓實的作用，橫截面為折線形，拖板前緣與罩殼鉸接，后緣位置用壓力彈簧調節。拖板加壓力彈簧強壓后，能提高碎土、平整地表和壓實表土的效果。

圖5 罩殼拖板組件三維示意圖

2.3 動力鎮壓輥組件

動力鎮壓輥組件如圖6(a)所示，主要由主動鏈輪、從動鏈輪、鏈罩、鎮壓輥、軸承、鎮壓輥焊接軸頭等組成。鎮壓輥采用動力鏈輪驅動設計，能夠有效減少鎮壓輥纏繞率，顯著提高鎮壓輥壓實效果，防止綠肥莖稈被風吹出田塊或者田塊灌水后脫離土壤層，增加土壤保墑效果的同時提高綠肥翻壓的肥效。鎮壓輥接地情況如圖6(b)所示，由圖6可知，鎮壓輥接地面積

S=BlAB=BβD/2

(4)

(5)

式中：B——鎮壓輥長度，cm；

lAB——鎮壓輥與地面接觸弧長，cm；

β——接觸角，(°)；

D——鎮壓輥直徑，cm；

z0——下陷量，cm。

(a) 動力鎮壓輥組件三維圖

鎮壓輥下陷量z0取0.8 cm，已知用于壓緊表層土壤時，鎮壓器直徑范圍16～50 cm，設計鎮壓輥尺寸為(長度×直徑)207 cm×22 cm，帶入式(4)和式(5)，經計算得到接地面積S=873.6 cm2，實際測得鎮壓輥輥筒重85 kg，以G代表其重力大小，則G近似為850 N， 鎮壓輥輥筒工作時變形較小，可近似看作無彈性變形剛體，忽略鎮壓輥下土壤向兩側流動，則接地面上邊緣和中心部位的土壤被同等程度地壓緊[17]，鎮壓輥接地壓強

(6)

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

GFY-200型經濟綠肥粉碎翻壓復式機試驗分別于2019年9月20日、2020年4月9日在農業農村部南京農業機械化研究所溧水白馬基地夏綠肥種植地和池州市貴池區秋江街道冬綠肥種植地進行。夏綠肥試驗田塊長為80 m，寬60 m，土壤類型為粘土，用DT-321S溫濕度計測得土壤絕對含水率為14.06%(0～20 cm)，土壤堅實度由TYD-2型土壤硬度計測得為1 034.4 kPa(0～20 cm)，夏季經濟綠肥翻壓品種為黑豆、印度豇豆和決明子，配套動力為耕王RS1254拖拉機。冬綠肥試驗田塊長為200 m，寬150 m，土壤類型為粘土，測得土壤絕對含水率為45.24% (0～20 cm)，土壤堅實度為965 kPa(0～20 cm)，冬季經濟綠肥翻壓品種為紫云英，配套動力為江淮804拖拉機。

3.2 試驗方法

為考察經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機作業質量，參考GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》、JB/T 6678—2001《秸稈粉碎還田機》和GB/T 14225—2008《鏵式犁》等標準中規定的試驗方法進行經濟綠肥粉碎翻壓復式機田間作業性能試驗(圖7)，選取綠肥翻壓深度、莖稈粉碎長度合格率、綠肥掩埋率作為綠肥粉碎翻壓復式作業機工作性能的測試指標，每個綠肥品種翻壓時作業行程測區長度為20 m，每個綠肥品種翻壓需完成3個作業行程。

(a) 黑豆翻壓

綠肥翻壓深度測定方法如下：在綠肥粉碎翻壓復式機作業幅寬條帶上，隨機選取1個測點，測點長度0.5 m。將其垂直挖溝，直到露出掩埋最深綠肥莖葉，在開溝截面上選取大于5個測量點，并測量這些測定上掩埋最深綠肥莖葉距離地表的垂直距離，按式(7)計算綠肥翻壓深度。

(7)

式中：aj——綠肥翻壓深度，mm；

ai——第i點掩埋最深綠肥莖葉距離地表的垂直距離，mm；

n——測定點數。

綠肥粉碎長度合格率測量方法為：每個行程內隨機選取1個測點，依據GB/T 24675.6—2009方法，抽取不少于500 g的被掩埋的綠肥莖稈樣品，稱其重量，從中挑出粉碎長度不合格的綠肥莖稈(≥200 mm，不包括須根及兩端的韌皮纖維)稱重[18]，計算每點的綠肥粉碎長度合格率，求平均值，按式(8)計算綠肥粉碎長度合格率。

(8)

式中：F——綠肥粉碎長度合格率，%；

Ai——第i點掩埋綠肥質量，g；

Asi——第i點長度不合格綠肥質量，g。

綠肥掩埋率測定方法如下：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，綠肥掩埋率計算公式如式(9)。

(9)

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。

3.3 試驗結果與分析

經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機田間試驗結果如表2所示。

表2 田間試驗結果

由試驗結果可得，溧水夏綠肥種植試驗地黑豆、印度豇豆、決明子等3個品種綠肥生物量分別為17 275 kg/hm2、13 932 kg/hm2和3 825 kg/hm2，池州冬綠肥種植試驗地紫云英生物量為39 514 kg/hm2，測得機具翻壓黑豆時翻壓深度為15.4 cm，粉碎長度合格率為70.4%，綠肥掩埋率為94.4%，翻壓印度豇豆時翻壓深度為16.9 cm，粉碎長度合格率為74%，綠肥掩埋率92.5%，翻壓決明子時翻壓深度為17.7 cm，粉碎長度合格率為89.5%，綠肥掩埋率90.6%，翻壓紫云英時翻壓深度為17.6 cm，粉碎長度合格率為91.0%，綠肥掩埋率95.6%，試驗過程中發現，黑豆、印度豇豆2個夏綠肥品種翻壓時，由于莖稈韌性較大，導致粉碎長度合格率不高，為獲取高質量翻壓效果可適當提前其翻壓期。經計算，4個品種冬、夏綠肥平均生物量為18 636.5 kg/hm2，平均翻壓深度為16.9 cm，平均莖稈粉碎長度合格率為82.35%，綠肥平均掩埋率為93.28%，工作效率可達0.67～1.0 hm2/h，經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機試驗指標均達到國家和行業標準要求[19-20]。

為驗證綠肥粉碎翻壓復式作業機是否實現低能耗作業需求，選用AXL-R-15型數顯拉力計，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測量傳統犁正常作業時牽引力大小，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大小[21]，利用上述方法測得拖拉機工作阻力為1.7 kN，傳統犁牽引力42.3 kN，機具前進速度按6 km/h計算，可得傳統犁作業功率為70.5 kW，已知滿足經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機正常作業最小功率消耗為45 kW，計算可得經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機作業功耗較傳統鏵式犁作業功耗降低約36.17%。

(a) AXL-R-15型拉力計

4 結論

1) 本文設計了一種經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機，并對粉碎翻壓組件、罩殼拖板組件、動力鎮壓輥組件等關鍵部件進行了結構和參數設計，有效提高經濟綠肥翻壓肥田效果的同時，功率消耗較傳統犁作業相比降低36.17%。

2) 為滿足旋耕機碎土質量和耕底平整度要求，設計粉碎翻壓組件旋耕速比為12.76，切土節距L為6.03 cm，凸起高度α1為0.002 18 m；設計罩殼拖板組件，顯著提高碎土、平整地表和壓實表土效果；設計動力鎮壓輥組件，并確定鎮壓輥尺寸，鎮壓輥長度為207 cm，直徑為22 cm，鎮壓輥接地壓強為9.73 kPa。

3) 對4個品種冬、夏綠肥田間翻壓試驗結果表明，平均翻壓深度為16.9 cm，平均粉碎長度合格率為82.35%，綠肥掩埋率為93.28%，經濟綠肥粉碎翻壓復式作業機工作效率可達0.67～1.0 hm2/h，試驗指標均達到國家和行業標準要求，可滿足經濟綠肥規?；N植地區對高效、低能耗、高掩埋率機械化翻壓裝備需求。