○甘肅省 張掖市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站 沈立新

自2016 年以來，在深松補(bǔ)貼政策的助推下，機(jī)械聯(lián)合整地技術(shù)在甘肅省得到了迅速推廣應(yīng)用，特別是“前松后旋”聯(lián)合整地技術(shù)模式因適應(yīng)性較強(qiáng)、效率較高以及深松旋耕一次完成等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被種植大戶、農(nóng)機(jī)服務(wù)組織以及規(guī)模經(jīng)營主體廣泛采用，成為機(jī)械聯(lián)合整地作業(yè)的主流模式，但“前松后旋”聯(lián)合整地模式存在能耗高、機(jī)具笨重、基本結(jié)構(gòu)不盡合理等突出問題。為此，我們連續(xù)三年對“前松后旋”聯(lián)合整地作業(yè)模式在改善土壤結(jié)構(gòu)、抗旱保墑、減少水土流失和增收等方面發(fā)揮的作用進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，獲得了大量詳實(shí)數(shù)據(jù)，通過分析研究，針對“前松后旋”聯(lián)合整地作業(yè)模式存在的實(shí)際問題，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種節(jié)能型深松整地聯(lián)合機(jī)械，即基于“前旋后松”模式下的聯(lián)合整地機(jī)械。

一、整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.基本結(jié)構(gòu)?！扒靶笏伞甭?lián)合深松整地機(jī)由旋耕機(jī)總成、深松機(jī)總成、鎮(zhèn)壓裝置和懸掛架等4部分構(gòu)成，各組成部件的工作順序依次為旋耕——深松——鎮(zhèn)壓，旋耕機(jī)設(shè)置在整機(jī)最前端，其后與深松機(jī)聯(lián)結(jié)，整機(jī)末端設(shè)置鎮(zhèn)壓裝置，如圖1 所示。旋耕機(jī)總成與深松機(jī)總成采用活動(dòng)鉸鏈聯(lián)結(jié)，鎮(zhèn)壓裝置與深松機(jī)則采用剛性聯(lián)結(jié)；機(jī)具與拖拉機(jī)掛接采用后置三點(diǎn)懸掛方式，懸掛機(jī)構(gòu)中，旋耕機(jī)和深松機(jī)中央拉桿分別獨(dú)立設(shè)置，以保證各部件之間的位置關(guān)系穩(wěn)定牢固；鎮(zhèn)壓裝置設(shè)有浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，鎮(zhèn)壓輥可隨田間地表的起伏上下浮動(dòng)，保證碎土鎮(zhèn)壓效果。

圖1 “前旋后松”聯(lián)合整地機(jī)結(jié)構(gòu)

2.主要技術(shù)參數(shù)?？紤]到土地適度規(guī)模經(jīng)營的需求，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，確定聯(lián)合耕整地機(jī)械工作幅寬為3000mm，旋耕深度大于100mm，深松深度大于250mm。旋耕刀片數(shù)80 片，沿用現(xiàn)有成熟的數(shù)量和分布技術(shù)；深松鏟選擇9 個(gè)；鎮(zhèn)壓方式選擇現(xiàn)有成熟的輥式鎮(zhèn)壓技術(shù)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率目標(biāo)：0.8～1.2 hm2/h。配套動(dòng)力：180kW。

3.工作原理。當(dāng)接通拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸并落下整機(jī)后，旋耕刀和深松鏟依次入土，旋耕機(jī)旋耕深度約130mm；其后，深松機(jī)行深松作業(yè)，深松深度約300mm，鎮(zhèn)壓輥緊隨其后進(jìn)行碾壓，使田間地表更加平整細(xì)碎。期間，由于旋耕機(jī)總成和深松機(jī)總成之間采用的是活動(dòng)鉸鏈聯(lián)結(jié)，并且它們都擁有各自獨(dú)立的中央拉桿，因此，當(dāng)深松機(jī)和旋耕機(jī)入土深度過深或過淺時(shí)，均可通過調(diào)節(jié)各自的伸縮螺桿來滿足實(shí)際需要。鎮(zhèn)壓裝置與深松機(jī)總成之間采用螺栓固定聯(lián)結(jié)，鎮(zhèn)壓輥預(yù)壓力的強(qiáng)弱，可以通過調(diào)節(jié)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)中的行程來實(shí)現(xiàn)。

二、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

“前旋后松”聯(lián)合深松整地機(jī)按照“總體布局設(shè)計(jì)+半成品組裝+局部改進(jìn)”的總體思路進(jìn)行樣機(jī)的設(shè)計(jì)和試制。

1.旋耕機(jī)總成設(shè)計(jì)。旋耕機(jī)總成如圖2 所示，主要有旋耕刀、刀軸、側(cè)板、齒輪箱、主機(jī)架、掛接耳、動(dòng)力輸入軸、連接梁、吊耳、減速器、聯(lián)結(jié)耳、限位板、壓力彈簧、擋土板等組成，采用臥式結(jié)構(gòu)、中置齒輪傳動(dòng)形式、萬向聯(lián)軸器輸入動(dòng)力的總體布局，工作寬幅3000mm。關(guān)鍵零部件旋耕刀選用IT245 型，材料60Si2Mn，以螺旋線方式排列，從軸向看每組刀具與相鄰組刀具的夾角為44°。刀軸采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，齒輪箱為45# 鑄鋼，其余零部件直接選購目前成熟的旋耕機(jī)零配件。為了實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)與深松機(jī)合理可靠的聯(lián)結(jié)，在機(jī)架的后側(cè)，設(shè)計(jì)有可鉸鏈聯(lián)結(jié)的聯(lián)結(jié)耳。

圖2 旋耕機(jī)總成結(jié)構(gòu)

2.深松機(jī)總成設(shè)計(jì)。深松機(jī)總成如圖3 所示，由鑿鏟、鏟柄、固定螺栓、聯(lián)結(jié)耳、機(jī)架、承插座、聯(lián)結(jié)梁、吊耳等構(gòu)成，采用鑿鏟式深松鏟，材質(zhì)65Mn，鏟柄選用45#鋼鍛件，深松鏟按前“4”后“5”均布排列，機(jī)架為150 方鋼焊合件，深松鏟柄使用U 型螺栓固定，鏟柄間距可調(diào)，工作寬幅3000mm。

圖3 深松機(jī)結(jié)構(gòu)

3.鎮(zhèn)壓裝置總成設(shè)計(jì)。由于“前旋后松”聯(lián)合深松整地機(jī)整機(jī)的作業(yè)順序是先旋耕再深松，這樣可能造成作業(yè)后地表平整度不能滿足后續(xù)鋪膜和播種需要的情況，基于這一考慮，“前旋后松”聯(lián)合深松整地機(jī)設(shè)置了浮動(dòng)式鎮(zhèn)壓裝置。鎮(zhèn)壓裝置如圖4 所示，由鎮(zhèn)壓輥、活動(dòng)臂、固定臂、浮動(dòng)桿、緊固件等零部件組成，工作寬幅3000mm。鎮(zhèn)壓輥為圓柱形，直徑215mm，材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，輥面圓周及軸向方向焊接有大小形狀完全相同的小錐柱，且垂直于輥面，錯(cuò)落排列，這樣可提高碎土和鎮(zhèn)壓效果。浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由固定臂、浮動(dòng)臂、彈簧、緊固件等組成，作業(yè)期間，當(dāng)?shù)乇淼狡鸱黄綍r(shí)，可隨田間地表的起伏上下浮動(dòng)實(shí)施鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度可調(diào)，保證碎土鎮(zhèn)壓效果，同時(shí)降低滑移率。

圖4 正壓裝置結(jié)構(gòu)

三、試驗(yàn)與分析

項(xiàng)目組參考甘肅省《機(jī)械化深松作業(yè)技術(shù)規(guī)范》（DB62/T2557-2015），對項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“前旋后松”式聯(lián)合深松整地機(jī)和目前在用的“前松后旋”式聯(lián)合整地機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)。

1.試驗(yàn)機(jī)具基本情況。

（1）“前松后旋”聯(lián)合整地機(jī)?！扒八珊笮甭?lián)合整地機(jī)，即對照機(jī)具，型號(hào)1-3000 型，是目前河西走廊地區(qū)廣泛使用的機(jī)具，主要由旋耕機(jī)、深松機(jī)、懸掛架3 部分組成，作業(yè)順序?yàn)橄壬钏珊笮?，深松機(jī)為鑿式深松方式，9 鏟雙排均布；旋耕機(jī)每組刀具與相鄰組刀具呈一定夾角排列，整機(jī)工作幅寬3000mm，配套動(dòng)力180kw，基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 “前松后旋”聯(lián)合整地機(jī)

（2）“前旋后松”聯(lián)合整地機(jī)。“前旋后松”式聯(lián)合整地機(jī)即項(xiàng)目設(shè)計(jì)機(jī)具，型號(hào)1-3000A 型，主要有旋耕機(jī)、深松機(jī)、鎮(zhèn)壓輥組成，設(shè)計(jì)改進(jìn)的核心內(nèi)容是將深松機(jī)和旋耕機(jī)的前后位置進(jìn)行了互換，增加了鎮(zhèn)壓功能，配套動(dòng)力180kW，工作幅寬3000mm，基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（3）拖拉機(jī)選擇。為使試驗(yàn)結(jié)果更具有可比性，將2 臺(tái)試驗(yàn)機(jī)具的配套動(dòng)力選為相同品牌、相同規(guī)格、相同功率的輪式拖拉機(jī)。2 臺(tái)參與試驗(yàn)的機(jī)具均安裝了深松監(jiān)測儀。

2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（1）試驗(yàn)方法。試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測定方法的一般規(guī)定》、NY/T 1418—2007 《深松機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》和JB/T 10295—2001 《深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)》等標(biāo)準(zhǔn)，測產(chǎn)方法參照執(zhí)行甘農(nóng)技〔2012〕48 號(hào)《關(guān)于印發(fā)2012 年全省糧油高產(chǎn)創(chuàng)建萬畝示范片測產(chǎn)驗(yàn)收辦法》。

（2）試驗(yàn)內(nèi)容。

深松技術(shù)效果。試驗(yàn)監(jiān)測深松作業(yè)對土壤含水率、土壤容重以及作物生長和產(chǎn)量的影響。

深松作業(yè)質(zhì)量。試驗(yàn)監(jiān)測深松深度、土壤疏松度、碎土率和地表平整度等指標(biāo)，考核深松機(jī)具技術(shù)性能，綜合評估深松作業(yè)質(zhì)量。

深松作業(yè)油耗測定。

（3）試驗(yàn)準(zhǔn)備。

試驗(yàn)面積3.33hm2，試驗(yàn)作物為相同品種的玉米，種植模式為半膜平作，大行距600mm，小行距400mm，株距200mm，設(shè)置2 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各1.66 hm2，參考圖6。“前旋后松”模式設(shè)置為XS小區(qū)，“前松后旋”模式設(shè)置為SX 小區(qū)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集在作業(yè)穩(wěn)定區(qū)按五點(diǎn)取樣法進(jìn)行隨機(jī)取樣，試驗(yàn)區(qū)包括10 米穩(wěn)定區(qū)、20 米測定區(qū)和停車區(qū)，試驗(yàn)機(jī)具在穩(wěn)定區(qū)和測試區(qū)內(nèi)保持工況不變。試驗(yàn)設(shè)施儀器主要有2kw 干燥箱（30～250℃）1 臺(tái)、50×80mm 土壤盒150 個(gè)、電子臺(tái)秤（0～30kg）1 臺(tái)、環(huán)刀取土鉆2 把、GPS 測畝儀1 臺(tái)、攜式土壤溫濕度測試儀1 臺(tái)、鋼卷尺3 把、鋼直尺2 把、寬膠帶1 卷、記號(hào)筆2 只、常用工具集箱1 件、高精度電子秤（3000/0.01g）1 臺(tái)等。

圖6 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置

3.試驗(yàn)分析。

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

土壤含水率。各處理小區(qū)選取5 點(diǎn)，采用對角線測點(diǎn)法，每點(diǎn)測試4 個(gè)層次，從地表開始，依次向下，每個(gè)層次100mm。采用烘干法，分別測定XS、SX 模式下深松整地作業(yè)前、苗期、抽雄期、收獲期土壤含水率（每個(gè)測點(diǎn)只列出4 個(gè)層次的平均水分），如表1、表2。

土壤容重。采用環(huán)刀法，在測定土壤含水率時(shí)同時(shí)測定土壤容重，如表3、表4。

表1 土壤含水率測定值（XS 模式：“前旋后松”聯(lián)合整地機(jī)）

表2 土壤含水率測定值（SX 模式：“前松后旋”聯(lián)合整地機(jī)）

表3 土壤容重測定值（XS 模式：前旋后松聯(lián)合整地機(jī)）

表4 土壤容重測定值（SX 模式：前松后旋聯(lián)合整地機(jī)）

作物生長發(fā)育指標(biāo)。在作物生長發(fā)育期和收獲期，對平均基本苗數(shù)、葉片數(shù)、株高、穗長、穗粗等指標(biāo)進(jìn)行了定性的測定。苗期測定：平均基本苗數(shù)XS 模式9 株/m2，SX 模式7 株/m2；平均植株高度XS 模式12.34cm，X 模式13.84cm；平均單株葉片數(shù)XS 模式4.67 個(gè)/株，SX 模式4.67 個(gè)/株。抽雄期測定：平均基本苗數(shù)XS 模式9 株/m2，SX 模式9 株/m2，平均植株高度XS 模式275.3cm，SX 模式240cm，平均單株葉片數(shù)XS 模式11 個(gè)/株，SX模式11 個(gè)/株。收獲期測定：平均成株密度XS 模式7.36 株/m2，SX 模式6.66 株/m2；平均植株高度XS 模式323.66cm，SX 模式322cm；植株平均莖粗XS 模式2.6cm，SX 模式2.21cm；穗長XS 模式21.44cm，SX 模式21.1cm；穗粗XS 模式5.42cm，SX 模式5.21cm。

作物產(chǎn)量。SX 模式下測得每畝穗數(shù)為4363穗，每穗粒重平均值為130g，畝產(chǎn)為4363 穗/畝×0.13kg/ 穗×85%=482.1kg/ 畝；XS 模式下測得每畝穗數(shù)為5368 穗，每穗粒重平均值為109.9g，畝產(chǎn)為5368 穗/畝×0.1099 kg/穗×85%=501.5 kg/畝。

作業(yè)油耗測定。試驗(yàn)開始前，兩臺(tái)拖拉機(jī)均加滿油箱（容積均為150L），XS 模式完成試驗(yàn)面積1.66 hm2，SX 模式完成試驗(yàn)面積1.66 hm2。試驗(yàn)結(jié)束后，兩臺(tái)拖拉機(jī)立即再次加滿油箱，記錄加入的油量，XS 模式拖拉機(jī)二次加油51.8L，SX 模式拖拉機(jī)二次加油60.5L。

（2）數(shù)據(jù)分析。

作業(yè)質(zhì)量。XS 與SX 的旋耕深度均達(dá)到130mm 以上，深松深度均達(dá)到300mm 以上，相鄰行距銜接均小于650mm，碎土率平均在92%以上，地表平整度總合格點(diǎn)數(shù)大于91%，均符合有關(guān)指標(biāo)，旋耕和深松整作業(yè)地質(zhì)量完全滿足農(nóng)藝要求。

土壤含水率。深松整地作業(yè)前XS 模式22.76%，SX 模 式21.2%；苗 期XS 模 式18.37%，SX 模式17.58%；抽雄期XS 模式19.23%，SX 模式18.56%；收 獲 期XS 模 式15.86%，SX 模 式15.72%。因此，在土壤水分保持方面，“前旋后松”聯(lián)合整地模式優(yōu)于“前松后旋”聯(lián)合整地模式，參考圖7。

土壤容重。作物全生育期平均土壤容SX ＞XS，說明“前旋后松”深松整地模式比“前松后旋”模式效果更加明顯，參考圖7。

圖7 試驗(yàn)機(jī)具作業(yè)效果指標(biāo)（含水率、容重）對比

生育期性狀。從作物生育期性狀定性分析XS＞SX，XS 模式作物長勢明顯好于SX 模式，充分驗(yàn)證了“前旋后松”模式在促進(jìn)作物個(gè)體健壯發(fā)育、提高土壤再生產(chǎn)能力和作物產(chǎn)量方面更加有效。

增產(chǎn)效果。XS模式7522.5 kg/hm2，SX 模式7231.5kg/hm2，XS模式相比SX模式增產(chǎn)291kg/hm2，增產(chǎn)率為3.87%。

節(jié)能效果。在作業(yè)面積和效率相同，作業(yè)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，XS 模式總計(jì)耗油51.8L，畝均耗油2.07L；SX 模式總計(jì)耗油60.5L，畝均耗油2.42L；作業(yè)油耗XS ＜SX,XS 模式比SX 模式每畝節(jié)油0.35L。這一點(diǎn)理論分析與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

3.成因分析。

（1）“前松后旋”深松整地機(jī)作業(yè)過程。在“前松后旋”模式下，旋耕刀從切入土層的t 點(diǎn)到最低工作點(diǎn)t，之間，旋耕刀體由于自有的沖量，存在對土壤表層的一個(gè)向下的作用力，具有夯實(shí)土層的作用。在深松300mm 深度、旋耕130mm 深度的聯(lián)合作業(yè)條件下，當(dāng)旋耕刀運(yùn)動(dòng)到t 點(diǎn)時(shí)，實(shí)際存在旋耕刀對土壤的作用力F，F(xiàn) 與水平面夾角為a，將作用力F 分解得到F1 和F2，

圖8 “前松后旋”模式下旋耕刀和深松鏟工作示意圖

圖9 t’點(diǎn)土壤受力分析

F1 在t 點(diǎn)對地面的作用力為垂直向下的正壓力，根據(jù)實(shí)際測算并參考《農(nóng)機(jī)化研究》（2015 年第12 期旋耕機(jī)刀片的耐磨性研究）等文獻(xiàn)資料刊載，單個(gè)旋耕刀在t 點(diǎn)對地面的壓強(qiáng)是128N/cm2，對于作業(yè)寬幅3000mm 的旋耕機(jī)，總旋耕刀個(gè)設(shè)置80 個(gè)，刀軸轉(zhuǎn)速190～280r/min，拖拉機(jī)前進(jìn)速度v=57m/ min，則1 秒時(shí)間里，在3×0.95=2.85m2 的田間土壤表面積上，深松層受到了9047～13424KN力的砸壓。因此，這在一定程度上破壞了深松層土壤良好的疏松結(jié)構(gòu)，參考圖8、圖9 所示。

（2）“前旋后松”深松整地機(jī)作業(yè)過程。“前旋后松”模式下，旋耕機(jī)刀組入土后，首先在原耕層上進(jìn)行旋耕作業(yè)，旋切深度10mm，于是這個(gè)深度以內(nèi)的耕層土壤隨之變得松軟細(xì)綿；緊隨其后由深松鏟進(jìn)行作業(yè)，深松鏟入土深度約300mm，由于旋耕層土壤松軟細(xì)綿，其堅(jiān)實(shí)度已大大降低（旋耕前1.5MPA，旋耕后0.3 MPA），在深松鏟鏟柄中上端約130mm 的位置區(qū)間內(nèi)，也就是在旋耕層中，深松鏟受到的阻力減輕，深松鏟受到的阻力主要來自旋耕層以下的170mm 的原耕層，由此可以說明在“前旋+后松”模式下，深松機(jī)作業(yè)時(shí)的功率消耗要低于“前松后旋”模式，參考圖10、圖11。

圖10 “前松后旋”模式旋耕刀深松鏟工作示意圖

圖11 深松鏟工作阻力分析示意圖

四、結(jié)論

1）“前旋后松”聯(lián)合深松整地機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，改進(jìn)、設(shè)計(jì)、裝配方法高效快捷，關(guān)鍵部件之間聯(lián)結(jié)方式得當(dāng)、可靠，田間調(diào)整操作方便，耗用金屬材料與“前松后旋”聯(lián)合深松整地機(jī)相當(dāng)，作業(yè)質(zhì)量相近，符合《甘肅省機(jī)械深松整地作業(yè)效果試驗(yàn)監(jiān)測辦法》的有關(guān)要求，下一步應(yīng)推動(dòng)這一成果及早轉(zhuǎn)化。

2）本文對“前旋后松”聯(lián)合深松整地機(jī)與“前松后旋”聯(lián)合深松整地機(jī)在作物（制種玉米）在苗期、生育期、去雄期和收獲期測定的土壤含水率和容重、平均基本苗數(shù)、平均植株高度、平均單株葉片數(shù)、作物產(chǎn)量等理化指標(biāo)進(jìn)行了對比試驗(yàn)，前者均高后者1～2 個(gè)百分點(diǎn)，各項(xiàng)作業(yè)效果指標(biāo)均達(dá)到或超過有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3）對比節(jié)能效果進(jìn)行了比對。1-3000A 型“前旋后松”聯(lián)合深松整地機(jī)相比1-3000 型“前松后旋”聯(lián)合深松整地機(jī)，每作業(yè)6.66hm2可節(jié)約燃油24.20 升，減少開支157 元。

綜上所述，“前旋后松”機(jī)械化深松整地模式在保證作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效果的前提下，在制種玉米增產(chǎn)、節(jié)能效果等方面，相比“前松后旋”機(jī)械化深松整地模式，優(yōu)勢明顯，建議在甘肅省河西走廊以及土壤條件以及耕作制度相近的地區(qū)大力示范推廣。