紫云英绿肥盛花期埋切翻压组合作业机设计与试验

游兆延 张 冲 高学梅 高 雅 彭宝良 吴惠昌

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

随着农村土地流转和农业合作社的大量出现，以及轮作休耕、果菜茶有机肥替代化肥等重大项目的不断推进，规模化种植绿肥成为化学肥料、农药等农资的重要支撑措施[1-2]。

紫云英是我国主要的绿肥作物，也是一种优质的豆科牧草和蜜源作物，对于增加生物有机肥源、改善生态、提高化肥利用率和促进农业绿色发展都具有重要的作用[3-6]。翻压是紫云英生产的重要环节，紫云英翻压具有改变土壤理化性质、增加土壤有机质、提高作物产量和品质等优点[7-8]。国外种植绿肥的主要目的是封闭杂草，种植方式采用单熟制或者休耕制，绿肥成熟后一般不翻压到土壤里，常在切断后覆盖在地表，或由镇压辊筒压青后使其在自然状态下腐殖[9-11]。荷兰Van Wamel BV、德国FENDT等公司也研发了前置绿肥粉碎、后置五铧或八铧犁翻压的联合作业机，但其配套的拖拉机动力均在220 kW以上，且需有前动力输出。在我国复种指数高、小田块条件下，国外绿肥翻压模式不能简单效仿和复制。当前，我国紫云英翻压主要采用传统的畜力犁、旋耕机或铧式犁等方式[12-14]。畜力犁费时，费力；旋耕机多为小动力配置，作业效率低，且翻压后肥土效果不高；铧式犁翻压紫云英时多为整株翻压，翻压时紫云英茎秆分解速度较慢，在空茬期较短时肥效利用率不高，且整翻还田后对后茬作物的生长也会产生一定的影响[15-16]。另外，为了将紫云英完全翻压入土，需加大耕深，导致动力消耗巨大。

针对上述生产需求和现有绿肥翻压方式的弊端，本文设计一种紫云英绿肥盛花期埋切翻压组合作业机，以期在有效提高紫云英翻压率和肥田效果的同时，降低作业功耗。

1 盛花期紫云英生物学特征及压切特性

1.1 盛花期紫云英生物学特征

盛花期田间紫云英如图1所示，花序为总状花序，通常每个花序有7～11朵小花，茎秆呈圆柱形或扁圆柱形，茎粗2～10 mm，中空，茎色以绿色为主，叶为奇数羽状复叶，长10～20 cm，叶色一般为深绿色和黄绿色[3]。

图1 盛花期紫云英

1.2 压切特性试验

根据绿肥植株特点和翻压后腐解特性需求，为达到最佳的埋切翻压效果，需对紫云英茎秆的压切特性进行研究[17]，试验品种选用芜湖青弋江种业有限公司紫云英留种地的青弋江1号，株样共5株，带回实验室作保鲜处理，分别测量并记录每株紫云英的摊开株高、生长高度、茎秆含水率等物理特性，并借助JXSA304B型万能试验机对株样茎秆根部、中部、顶部等部位进行压切强度测试(如图2所示)，将万能试验机记录的茎秆压切断开时力值与空载时力值之差的最大值作为该组试验的茎秆最大压切力[18]，试验中选定加载速度50 mm/min、上限载荷500 N、上限下降载荷5 N，在测试界面中依次点击载荷调零、重设标距、开始、完成键，试验重复5次，最后取平均值。

图2 紫云英茎秆压切强度试验

各采样株样物理特性及压切试验结果如表1，试验数据为后续埋切组件的研制提供了设计依据。

表1 试验结果

2 整机结构与工作原理

2.1 总体结构

图3 紫云英埋切翻压组合作业机总体结构与各部件结构示意图

紫云英绿肥埋切翻压组合作业机总体结构与各部件结构示意图如图3所示，主要由埋切部件、拖拉机和翻压部件组成。埋切部件主要由支撑组件、辊筒组件、悬挂组件、前悬挂连接组件等组成，翻压部件主要由翻转油缸、悬挂架、调幅螺杆、限深轮、犁架、犁体等构成。工作时，埋切部件通过其前悬挂连接组件固定在行走动力机构前端，拖拉机后端三点悬挂与翻压部件固定连接。

2.2 工作原理

工作时，埋切部件无需动力输入，由拖拉机拖拽或推行而向前移动，辊筒组件前移过程中，先将紫云英绿肥推倒在地，紫云英茎秆由均布于辊筒组件上的压切刀切成一段段短小茎秆，并被进一步压埋入土壤，后置翻压部件仅需较小耕深，即可将压切后的紫云英茎秆翻压到土中，埋切部件所有作业消耗的动力只是辊筒移动的牵引力，翻压部件动力消耗较现有铧式犁动力消耗也大幅减少。翻压部件两组犁体呈180°相对犁架垂直配置，犁架通过一转动轴安装在悬挂架上，拖拉机液压输出动力使翻转油缸的活塞杆伸缩，推动犁架完成180°翻转，作业过程中实现犁体单向翻垡。调幅螺杆可使组合作业机工作幅宽在一定范围内进行调节，提高了对作业条件(土壤条件、耕深等)变化的适应能力，从而提高机具作业效率、降低油耗。

3 主要工作部件设计与分析

3.1 辊筒组件

3.1.1结构及组成

辊筒组件(图4)是实现紫云英茎秆埋切的重要部件，主要由弹性卸土板、压切刀、端部支撑装置、辊筒壁、注水口堵头、旋转轴等组成，辊筒组件上均布排列若干排刀组，每排刀组由4只压切刀构成。

图4 辊筒组件示意图

当辊筒组件在地表滚动并推倒紫云英茎秆时，气槽式压切刀切断紫云英茎秆的同时，也会将一部分茎秆埋切入土壤中，压切刀上间隔分布形成内嵌气槽的穿孔，减少土垡与刀壁的贴合面积，降低相互间的粘合力，在压切刀移出土壤时使土垡能在其自重作用下脱离压切刀[19]，同时，设计由弹簧钢热轧成型的F型弹性卸土板，确保当作业土壤处于高粘性时，弹性卸土板能推动土垡沿辊筒径向移出，达到理想的卸土效果。齿型盘式内支撑板的齿型可保证辊筒内腔相通，压切力可通过拧下注水口添加不同质量的水来调节，以适应不同品种、不同成熟度紫云英绿肥茎秆的埋切需求。

依据图4分析，理想状态下紫云英茎秆切断长度为辊筒壁半径与相邻两压切刀之间弧度的乘积，考虑依靠辊筒组件装满水后将紫云英茎秆埋压切断，需满足条件

Al=θπr/180=φr

(1)

ρgV=4ρgLπr2≥4KF′maxLAl

(2)

式中Al——紫云英茎秆切断长度，参考玉米、高粱、小麦、水稻等作物秸秆粉碎还田合格长度取值在100～150 mm之间[20]，则取平均值125 mm

θ——相邻两压切刀之间夹角，(°)

φ——相邻两压切刀对应弧度，rad

V——辊筒组件内部体积，m3

L——单个压切刀长度，依据作业幅宽要求，取500 mm

ρ——水的密度，kg/m3

g——重力加速度，9.8 m/s2

r——压切辊半径，mm

K——单位面积内紫云英植株数量，根据理想条件下紫云英开沟、播种等环节种植技术要求[6]，取580株/m2

F′max——单株紫云英茎秆受到的最大压切力，依据表1，取值40 N

图4中l为压切刀宽度(140～180 mm[21])，取180 mm，σ为F型弹性卸土板的夹角，取82.1°，d为弹性卸土板底部宽度，取30 mm[19]。

由式(1)、(2)计算可得，压切辊半径应满足r>303 mm，故设计将压切辊半径圆整为305 mm，相邻两压切刀对应弧度φ为0.409 rad，则两相邻压切刀之间对应的夹角θ为23.45°，取整为24°，即设计辊筒壁上沿圆周均布配置压切刀数量为15。

3.1.2压切刀排布方式

从辊筒组件中的压切刀安装排布可知，每排刀组由4只压切刀组成，通过间隔移除压切刀，可实现压切刀单弧度φ、双弧度2φ和三弧度3φ等3种间距排布方式(图5)，这样组配方式下，可减少同时与地面作用的刀片数量，使单位压切刀对茎秆的压切力成倍增加，可适应不同品种、不同压切长度的紫云英绿肥茎秆的埋切作业需求。

图5 压切刀3种间距排布方式

3.1.3紫云英茎秆受力分析

如图6所示，对紫云英茎秆进行受力分析，将紫云英茎秆标记为质点n，其受力有地面支撑力GN、压切刀沿开刃面刃口切线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′为土壤的法向反力，将N沿开刃面刃口切线方向分解成T和T′，则刀刃滑切作用取决于力T的大小，当T>F时，压切刀对紫云英茎秆产生滑切，则茎秆受力方程为

(3)

式中T——切向力，N

τ——作用点动态滑切角，(°)

ψ——钢板与紫云英茎秆滑动摩擦角，(°)

μ——钢板与紫云英茎秆滑切系数

图6 紫云英茎秆受力分析

根据刀刃切割农作物茎秆的滑切理论可知[22]，在切割作业时实现滑移切是不可取的，实现无滑移的滑切是可行的。若T>F，则τ>ψ，即接触点动态滑切角大于茎秆和刀片的摩擦角时，压切刀对茎秆产生滑切作用。参考不同含水率下其它农作物茎秆与钢板摩擦角的测定方法[23]，测得盛花期采样紫云英茎秆含水率76.65%～81.75%时，紫云英茎秆与钢板滑动摩擦角为32.7°～34.3°，因此动态滑切角τ>34.3°；为避免茎秆堵塞，又有τ<90°-ψ，即当压切刀滑切角满足34.3°<τ<55.7°时，可保证压切刀刃线上的每一点在地表接触位置时与茎秆有效切割，实现紫云英茎秆顺畅埋切。

3.2 前悬挂连接组件

图7 前悬挂连接组件提升臂位置变换示意图

前悬挂连接组件是连接辊筒埋切组件与拖拉机的重要装置，主要由油管、前连接侧板、提升臂、支撑梁和液压油缸等组成。辊筒埋切组件田间工作时油缸处于伸出状态，提升臂位于田间作业位置A，而辊筒埋切组件在运输状态时，油缸则处于收缩状态，提升臂位于运输位置B(图7)。根据辊筒组件约900 kg、式(2)计算灌满辊筒组件所需水量约585 kg以及考虑运输时辊筒埋切组件最低离地高度200 mm等情况综合分析计算，选择满足负载及行程要求液压缸型号HSGL01-80/dE，设计液压缸行程440 mm，工作压力16 MPa，缸径80 mm，活塞杆径40 mm。

3.3 栅条式犁体

3.3.1结构设计

翻压部件犁体工作面的结构直接影响翻压效率及牵引力大小，在犁体曲面的设计方法中目前得到广泛应用的是水平直元线法[24-25]，研究表明栅条式犁体碎土、脱土性能较好，不仅可以保持土壤表层的形成顺序，而且还可降低能量消耗，且耕作后土壤的总腐殖质含量、全氮含量、活性磷含量等农化特性均优于整片式铧式犁体耕作后作业效果[26]，故采用水平直元线法设计栅条式犁体(图8)，主要由犁铧、犁壁、犁柱、栅条、调节螺杆、导向板等组成，工作时犁铧与犁壁先将土壤和茎秆混合物翻转，再由栅条将翻转的土壤进行碎土，导向板则使栅条犁工作行程尽量保持在一条直线上。

图8 栅条式犁体三维设计图

3.3.2导曲线分析

犁体曲面的形状和工作性能主要由导曲线和元线角变化规律所决定[27-28]，图9为栅条式犁体导曲线及拟合曲线，其中s为导曲线的直线长度，ε为铧刃起土角，w为两端点切线夹角，根据紫云英绿肥翻压要求并结合农业机械设计手册铧式犁相关设计参数的推荐范围[21,28]，设计犁体导曲线各参数如下：铧刃起土角18.7°，导曲线长度37.7 mm，两端点切线夹角124.5°，导曲线高度237.35 mm，导曲线开度232 mm。

从拟合曲线分析可知，栅条式犁体铧刃起土角数值与一般铧式犁体相比较小，而导曲线开度较大，在作业过程中有利于土壤沿着犁体曲面向后脱离犁壁，减小犁体翻压阻力。根据导曲线各参数，推导可得抛物线型导曲线方程式[29]

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

(4)

图9 犁体导曲线及拟合曲线

3.3.3元线角变化规律分析

元线角随元线高度变化过程中，一般都有初始元线角→最小元线角→最大元线角的变化规律，根据紫云英翻压部件作业原理及与辊筒组件的配套要求，设计翻土型犁体曲面[30]，单个犁体耕宽400 mm，耕深220 mm，初始元线角为35°，元线间隔25 mm，对于翻土型犁体，在最小元线角向最大元线角变化时，元线角按抛物线规律变化，公式为

(5)

(6)

式中y——角度对应的纵坐标数值，mm

Zi——自铧刃起第i条元线高度，mm

Zmax——最大元线角处对应元线高度，取425 mm

Zmin——最小元线角处对应元线高度，取75 mm

m——比例尺，取0.2(°)/mm

Qmax——最大元线角，取50°[29]

Qmin——最小元线角，取31°[29]

ymax——y的最大值，由式(6)计算取95 mm

故在Qmin→Qmax段，犁体元线角抛物线解析式为

(7)

设置元线间隔25 mm，将各元线高度代入式(7)，可得图10所示犁体元线角变化规律。

图10 犁体元线角变化规律图

4 田间试验与结果分析

4.1 试验条件

紫云英绿肥埋切翻压田间试验于2018年4月23日在芜湖南陵紫云英试验地进行，试验田长70 m，宽20 m，盛花期紫云英鲜草产量为17 093 kg/hm2，土壤类型为沙壤土，TZS型水分测定仪测得土壤含水率为28.73%(0～10 cm)和32.1%(20～30 cm)，容重1.23～1.42 g/cm3，TYD-2型土壤硬度计测得深度5、10、15、20 cm处土壤坚实度峰值分别为141、200、401、612 N/cm2，配套动力为John Deere-1054型拖拉机。

4.2 试验方法

为考察紫云英绿肥埋切翻压组合作业机作业质量，参考GB/T 14225—2008《铧式犁》和JB/T6678—2001《秸秆粉碎还田机》等标准中规定的试验方法进行田间作业性能试验(图11)，选取茎秆切断长度合格率、土垡破碎率、耕深及耕宽稳定性变异系数和地表以下植被翻压覆盖率作为组合作业机工作性能的测试指标。

试验地块紫云英鲜草产量为17 093 kg/hm2，且大部分紫云英植株株高为40～60 cm，满足理想的紫云英15 000～22 500 kg/hm2翻压量要求[5]，无需增大辊筒组件压切力，故选择压切刀排布方式为单弧度排列。每次行程机具按照图11a中箭头方向对紫云英绿肥进行埋切翻压作业，图中A、B、C、D为测定区各点的标杆位置，E、F、G、H、I为选定的土壤含水率、容重、坚实度等参数的测定区域，A→B段和C→D段为土垡破碎率、地表以下植被翻压覆盖率、翻压耕深、耕宽等试验指标的测定区，每个行程上测量15个点，等距离插上标杆。

图11 试验方法设计与田间性能试验

试验时，准备2台常发1504型拖拉机，利用一台拖拉机挂倒挡牵引另外一台拖拉机，分别将紫云英埋切翻压组合作业机辊筒组件、栅条式翻转犁和传统铧式犁悬挂于被牵引拖拉机上，利用AXL-R-15型拉力计(图11b)测得埋切翻压机各部件、拖拉机、传统铧式犁正常作业时牵引力，从而计算出绿肥埋切翻压机和传统铧式犁工作时总牵引力，分别记为Fj和Fh，Fj包含了辊筒组件的牵引力Fg和栅条犁的牵引力Fs，每次牵引试验前，将数显拉力机切换至PEAK键，随着牵引力测量值的变动，液晶显示区始终实时锁定测得的最大测量值，记为该次试验测得的牵引力，再按PEAK键，解除锁定状态，此时屏上PEAK指示消失，重新回到测力状态。测得栅条犁的牵引力Fs为28.1 kN，辊筒组件的牵引力Fg为0.8 kN，拖拉机工作阻力为1.7 kN，传统铧式犁牵引力Fh为42.3 kN。埋切翻压机总功率Pm应包含牵引力总功率Pq和辊筒组件的转动功率Pr，机具前进速度v按6 km/h计算，可得

Pm=Pr+Pq

(8)

(9)

Pq=Fjv

(10)

Fj=Fg+Fs

(11)

Ph=Fhv

(12)

式中N1——辊筒正常作业条件下的转速，约50 r/min

T1——辊筒转矩，N·m

经计算辊筒组件转动部分功耗为1.28 kW，紫云英埋切翻压组合作业机牵引力消耗48.17 kW，紫云英埋切翻压组合作业机总功率消耗49.45 kW，传统铧式犁作业功率为70.5 kW，紫云英埋切翻压组合作业机作业功耗较传统铧式犁作业功耗降低约29.86%。

茎秆切断长度合格率测定方法是采用钢板尺人工测量方式，获取各测区内翻垡土块下方0～25 cm切断茎秆质量占总抽取茎秆质量的平均百分比[20]。

土垡破碎率计算方法是在每个行程内选取不少于3个测定点，在不小于200 cm×200 cm面积耕层内，分别测定最大尺寸在大于、小于和等于5 cm时的土块质量，计算土垡破碎率为

(13)

式中Gs——全耕层内最大尺寸小于、等于5 cm的土块质量，kg

G——全耕层土块总质量，kg

耕深稳定性变异系数是通过耕深尺测量最后犁体耕深来计算，计算式为

(14)

其中

(15)

(16)

式中ai——各测定点耕深，cm

n——每行程测定点数

S——每行程标准差，cm

V1——每行程耕深稳定性变异系数，%

耕宽是指沿垂直机具运动方向测定的两个相邻行程犁沟沟墙之间的水平距离，在测定耕深的相应处进行耕宽测量，耕宽稳定性变异系数计算方法同耕深稳定性变异系数[31]。

植被翻压覆盖率测定方法如下：每个行程不少于3个测点，在已耕地上取宽度为400 cm、长度为30 cm的区域，分别测定地表以上的紫云英植被质量、地表以下8 cm深度内的紫云英植被质量以及8 cm以下耕层内的紫云英植被质量，植被翻压覆盖率为

(17)

式中z1——露在地表以上的紫云英植被质量，g

z2——8 cm深度内的紫云英植被质量，g

z3——8 cm以下紫云英植被质量，g

4.3 试验结果与分析

紫云英埋切翻压组合作业机田间试验结果如表2所示，由试验结果可得，埋切翻压组合作业机工作效率可达0.67～1.20 hm2/h，紫云英茎秆切断长度合格率为92%，翻压部件作业幅宽1 920 mm，耕深220 mm，耕宽稳定性变异系数3.7%，耕深稳定性变异系数5.6%，土垡破碎率85.6%，植被翻压覆盖率98.3%，紫云英埋切翻压组合作业机试验指标均达到国家和行业标准要求。

表2 田间试验结果

试验过程中发现，当组合作业机前进速度保持在5.8～6.0 km/h时，其各组成部件作业性能较高且相对稳定。当前进速度进一步提高时，辊筒组件、栅条式犁体与紫云英茎秆、土壤互作时间缩短，辊筒组件来不及将紫云英茎秆完全埋压切断就从茎秆上面转动过去，同时，耕深和耕宽稳定性受到扰动，造成茎秆切断长度合格率和耕深、耕宽稳定性变异系数降低。若田间土地不平整、土壤坚实度不高时，则会影响辊筒组件压切紫云英茎秆可靠性，需要适当调整压切深度和翻压深度，确保压切刀、栅条犁等部件与茎秆、田间土壤的有效作用时间，以获取高质量的埋切和翻压效果。

5 结论

(1)设计了一种紫云英绿肥埋切翻压组合作业机，阐述了其结构组成和工作原理，并对辊筒埋切组件、前悬挂连接组件、栅条式翻转犁等主要工作部件进行了分析和参数设计，在有效提高紫云英绿肥翻压肥田效果的同时，使作业功耗降低了29.86%。

(2)根据盛花期紫云英压切特性试验和理论计算，设计满足埋切要求的压切辊半径为305 mm；基于农作物茎秆滑切理论，结合紫云英茎秆受力分析，得到辊筒组件压切刀滑切角范围为34.3°～55.7°；采用水平直元线法设计栅条式犁体曲面，推导得到导曲线抛物线方程，并绘制了犁体直元线角变化规律图。

(3)田间试验结果表明，在作业速度为5.8～6.0 hm2/h的条件下，埋切翻压组合作业机工作效率可达0.67～1.20 hm2/h，紫云英茎秆切断长度合格率为92%，耕宽稳定性变异系数3.7%，耕深稳定性变异系数5.6%，土垡破碎率85.6%，植被翻压覆盖率98.3%，各项性能指标均达到国家和行业标准要求。