高秆作物中耕培土机械化技术分析

张秀丽,王 栋,仝振伟,吴 响

(河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州450002)

高秆作物中耕培土机械化技术分析

张秀丽,王 栋*,仝振伟,吴 响

(河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州450002)

中耕培土可以改善植株根系土壤环境，促进根系生长发育，尤其是高秆作物通过培土还能增强根茎的抗倒伏能力，提高产量和质量。目前的中耕培土机械化技术有锄铲式培土和回转式培土两类，锄铲式培土通过土壤沿铲部的推移实现培土，能较好保持土壤肥力的原位，但培土高度低，消耗功率大；回转式培土通过滚子的回转转动和机组前进运动的合成运动实现对土壤的抛洒来培土，流向不易控制，易于造成底部叶子的机械损伤，培土效率较高；新研究的螺旋培土刀机构通过对土壤实现铣削并传送，能较好控制土壤的流向，做到精细培土作业，减小对作物根部的机械损伤，有关培土效果需要田间进一步验证。

高秆作物； 农业机械； 中耕培土； 技术分析

作物在大田生长期间，垄体会由于雨水冲刷等下降很多，同时杂草生长迅速，而且大田久未耕作，土壤便会变得板结，因此需要通过中耕培土疏松表土，改善土壤板结状况，为植株根系生长发育创造舒适土壤环境[1-6]。机械中耕培土是通过机械力改良表土物理性状而实现的除草培土作业，通过中耕可以协调大田生长期间植株与环境以及环境各因素之间的关系，调节土壤水分、增强土壤通气性、加快土壤养分转化、提高土壤温度，同时铲除田间杂草，最终达到提高农作物产量和质量的目的[7-10]。对于玉米、烟草、甘蔗等高秆作物，还可以通过高培土增强作物根茎的抗倒伏能力[10-12]，提高产量。目前的机械中耕培土技术培土高度较低[13-17]，而且培土器将旋松的土壤抛到垄顶，导致沟底坚硬无松土，不利于土壤中原有水分的保持，当遇到降雨时，坚硬的土壤不具有蓄水功能，就会产生降水径流[18-20]，因此需要对高秆作物的机械中耕培土技术进一步研究。

1 机械中耕培土要求及培土技术分析

1.1 机械中耕培土作业要求

机械中耕培土时，要求土壤相对含水量在80%左右，此时用手捏土成团，落地土能够散开。这样的土壤环境下培土作业，机械阻力小，土壤较细，土块均匀，覆草和培土效果好。

机械培土作业一般需要3个过程：首先就是将培土所需要的土从冲刷变形过的垄沟翻出来；其次将翻出来的土合理分配到垄底两侧近作物根系处；最后将达到垄底两侧的土运送或者抛洒到垄顶作物的根部，并对培过土的垄做适当整形压实[21-23]。图1所示为中耕培土前后垄形的横断面。2条曲线分别为培土前冲刷变形的垄形和培土后垄形，培土前垄的坡度为B，培土后垄的坡度为A。培土前Ⅰ处土壤应该和培土后Ⅱ处土壤质量相等，由于培土前垄沟被压的较实，培土后土壤较松，因此Ⅰ处面积应该比Ⅱ处面积小。机械作业需要达到的培土高度为H-h，如果要提高垄的高度，需要通过增加入土深度来增加Ⅱ处土壤量。

图1 中耕培土垄形横断面

1.2 国内外中耕培土机械化技术分析

目前国内外比较成熟的中耕培土结构有锄铲式和回转式两类。

1.2.1 锄铲式培土技术与结构

1.2.1.1 锄铲式双层培土器[24]锄铲式双层培土器前端为铲铧上下两层立体三角形结构，下层铧主要实现疏松垄沟土壤及铲除垄沟杂草功能，上层铲通过铲断杂草根系实现垄表层的除草和松土功能；后端是培土刀具，将已疏松的垄沟土壤向垄基、垄肩至垄顶输送，实现培土和整形作业。

1.2.1.2 双犁壁式铲翼培土器[25]双犁壁式铲翼培土器的铲翼为双犁壁式曲面型，采用左右对称铲翼结构，方向相反。培土作业时，铲尖尽可能切开并破碎土壤，铲除行间及两侧的杂草，土壤沿铲胸向上推移并被左右铲翼逐渐抬升到翼部时，土壤的重力方向与翼部的曲率方向几乎垂直，加之本身的动能，土壤将被推向垄边并抛向垄顶，达到培土效果。

锄铲式培土结构在培土时对原土移动少，可以保持已有的肥力在原来的位置，但碎土能力差，培土高度低，消耗功率大，适合小型、微型田地培土。

1.2.2 回转式培土技术与结构 福建松溪县永顺培土机[26]为回转结构的典型代表。培土转子高速旋转，犁刀在自身回转运动和随机组的前进运动综合动作下切削土壤，旋转速度较快，易于将土壤切碎。切碎的土壤在犁刀弯弧面的作用下沿着培土转子轴线方向抛掷，通过导流板配合作用控制土壤流向。

图2所示为复合型中耕培土刀具，刀轴上装配由旱地滚刀和开垄培土刀组成的复合型刀具，左右对称，融合松土和培土功能于一体，解决单一耕作问题。

1.旱地滚刀； 2.开垄培土刀； 3.刀轴； 4.刀轴传动箱

旋耕刀搅龙一体式刀具[28]也属于典型的回转式培土结构，旋耕刀配合搅龙同时固定在搅龙轴上，培土作业时，旋耕刀用于疏松土壤，螺旋搅龙将松土推向垄边并利用惯性抛向垄顶。旋耕刀半径大于螺旋搅龙半径，培土后可以保证垄沟底部有部分松土，起到保墒蓄水的作用。

以上回转式培土机构工作原理基本上都是利用刀轴上刀片的旋转和前进动力的复合运动，对垄沟进行挖土送土，并最终利用惯性将土壤抛到植株基部，从而完成对作物的培土作业。由于土壤的惯性力较大，土壤抛洒流向不易控制，而这些培土机都较少设置护叶装置，从而不可避免地造成了对作物叶子的压伤，为了防止培土过程中将叶子压伤，人们不得不采取人工辅助措施将叶子收拢，大大降低了培土机的使用效率[29]。同时，对于高速回转机构，应该添加安全避让装置做到安全作业。

综上所述，现有机械培土机存在以下不足：一是培土高度不易控制，难以实现高垄培土；二是培土抛洒流向不好控制，对作物叶片有损伤；三是单垄培土，且垄形适应性差，培土效率低，难以满足大田作业。

2 中耕培土机械化新技术研究

针对高秆作物的生产情况，需要研发新的培土机械，控制土壤流向，实现高培土，并减少叶片损伤。

2.1 螺旋提升培土技术

图3所示新的螺旋提升培土机构，垄沟底部土壤通过进料口进入横向管体，在横向搅龙的转动下，搅碎并沿图示箭头方向传送土壤，土壤沿竖向搅龙向上传送，沿出料口将土壤送到垄顶。同时有1对除草搅龙绕自身轴线转动，实现除草功能[30]。该机构通过螺旋输送将土壤送到一定的高度然后沿规定的出料口流出，在理论上可行，但易于出现土壤堵塞的情况，在实际应用中还没见到有关机型。

2.2 螺旋铣削培土方式

针对高秆作物的中耕培土机械化技术，提出了一种新的培土方式[31]，如图4所示，新型培土机械主要由送分土装置、垄形调整装置、螺旋培土刀和螺距调整装置4个部分组成。针对高秆作物需要高培土防止茎秆倒伏设计了新型螺旋培土刀结构，培土刀螺旋结构采用立铣刀螺旋结构，立铣刀在螺旋刃铣削斜面时，将多余的材料铣削掉，同时铣削掉的铁屑沿着螺旋槽由柄部排出。借助于螺旋铣刀对金属材料的铣削原理，培土刀在培土时，送分土装置将两垄之间沟底的土送到培土刀螺旋刃带处，培土刀旋转对土壤实现斜向铣削，一边修整垄的形状，一边将土向垄顶输送，控制土壤的流向，可以培高度较大的垄，培土刀沿垄的两侧对称布置，可以保证两侧均匀向垄顶培土，使作物茎秆底部受力对称。

1.竖向管体；2.横向管体；3.竖向螺旋刀片;4.竖向刀轴； 5.横向螺旋刀片；6.横向刀轴；7.进料口；8.除草搅龙;9.出料口

1.送分土装置；2.垄形调整装置；3.螺旋培土刀；4.垄距调整装置

垄形调整装置通过调整培土刀倾斜角度得到不同的垄坡度，可以适应不同的地况。垄距调整装置可以调整相应两组培土刀之间的距离，以做到与对应的垄距相吻合，实现跨行两垄培土，培土效率较高。该螺旋斜置跨行培土机构对螺旋培土刀的结构设计有较高要求，对刀具转速和车行速度都有一定的范围限制，有关试验正在进行，具体机构设计将另文发表。

随着大田全程机械化生产技术的发展，高秆作物机械中耕培土机械的高效率低损伤培土技术研究将更加引起人们的关注，目前已有部分新技术正处于试验阶段，也有少数先进的专利出现，有待于进一步优化完善并经大田验证后推广应用。

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Analysis on Mechanization Technology in Cultivation and Banking for High Stalk Crops

ZHANG Xiuli,WANG Dong*,TONG Zhenwei,WU Xiang

(College of Mechanical & Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

The help of cultivation and banking technology can improve soil environment of plant roots and promote root growth and development with and enhance the stalk lodging resistance especially for high stalk crops.The output and quality is increased too.There are two kinds of mechanization technology in cultivation and banking.They are hoe type and rotary type.Hoe type realizes banking operations through soil moving along the edge of the shovel,and it can better maintain the soil fertility in situ,but it has low height of banking and large power consumption.Rotary type achieves banking by spilled soil which is realized through synthesis of movement between the ration of the roller and the forward motion of the machine.Its flow direction is difficult to control.It is easy to cause mechanical damage of the bottom leaves.Its banking efficiency is high.New research spiral tool can better control the flow direction by milling and transfer soil,do fine banking operations,and reduce mechanical damage to the crop roots.The banking results need be further proof in the field.

high stalk crops; agricultural machinery; cultivation and banking; technical analysis

2015-11-25

河南省科技攻关项目(102102210535)；河南省博士后科研壹等资助项目(2012046)；河南省烟草公司许昌市烟草公司项目(XYKJ2015M03)

张秀丽(1973-)，女，河南嵩县人，副教授，博士，主要从事现代农业装备技术研究。E-mail:zhangxiuli619@126.com

*通讯作者：王 栋(1972-)，男，河南南阳人，副教授，主要从事农业装备研究。E-mail:xjrshwd@163.com

S224.1;S365

B

1004-3268(2016)05-0157-04