溫 彬

（天津市武清區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300061）

0 引言

多年來天津市大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直實行小麥旋耕播種加玉米免耕播種的耕作模式，由于農(nóng)機多次進地對土壤產(chǎn)生壓實效應(yīng)，且旋耕深度不夠，在耕作層以下形成了堅硬的犁底層，嚴重影響了作物根系的生長。玉米免耕深松全層施肥精量播種機在播種時可進行深松作業(yè)，能有效打破犁底層，提高土壤的通透蓄水能力，并同步完成全層施肥，確保玉米生長全周期肥料充足，不需要追肥，極大提高了勞動效率和肥料利用率，實現(xiàn)了肥料減量增效，保護了環(huán)境，促進了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。深松全層施肥開溝鏟是影響玉米免耕深松全層施肥精量播種機作業(yè)性能的關(guān)鍵部件，當前深松全層施肥開溝鏟普遍為鑿形鏟，一定程度上存在耕作阻力大、深松截面窄和土壤松碎效果差等問題，嚴重影響了玉米產(chǎn)量的進一步提高。因此，對深松全層施肥開溝鏟的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化改進，進一步提高其作業(yè)性能具有重要意義。

1 玉米免耕深松全層施肥精量播種機的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 機具整體結(jié)構(gòu)與工作原理

玉米免耕深松全層施肥精量播種機主要由機架、深松全層施肥開溝鏟、開溝器、排種器、鎮(zhèn)壓輪、種箱、肥箱等部件組成，其整機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。此外，該機具還安裝有驅(qū)動地輪、棘輪機構(gòu)和平行四連桿仿形機構(gòu)。

圖1 玉米免耕深松全層施肥精量播種機整機結(jié)構(gòu)

該機具一次進地可同步完成深松整地、全層施肥、精量播種與覆土鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)，可有效減少農(nóng)機多次進地對土壤產(chǎn)生的壓實，其工作原理是：深松全層施肥開溝鏟入土25 cm 進行深松作業(yè)，地輪驅(qū)動排肥裝置同步開始排肥，通過開溝鏟上的可調(diào)全層施肥裝置將肥料按照調(diào)定比例分施在地表下10～25 cm 的土壤中，經(jīng)過自然回土后，先通過地輪驅(qū)動的排種器進行播種，再通過鎮(zhèn)壓輪進行覆土、鎮(zhèn)壓，完成整個作業(yè)流程。由于該機具采用全層施肥模式，玉米生長全周期無需進行追肥作業(yè)，所以化肥施入量大于普通播種機，因此，為避免肥料過多影響種苗生長，采用側(cè)位施肥結(jié)構(gòu)方案，即將開溝鏟與開溝器的安裝位置左右錯開5 cm。

1.2 棘輪機構(gòu)

地輪作為免耕播種機排種器與排肥裝置的主要驅(qū)動部件，在很大程度上決定著整機的性能。此機具的主要作業(yè)環(huán)境為小麥收割后的免耕地塊，地表有一定起伏且存在粉碎還田秸稈，導致地輪的附著性能降低、摩擦力減小，滑移率增大，嚴重影響排種、排肥均勻性，因此避免地輪滑移是提高整機性能的重要舉措。

此機具機架上安裝有一左一右2 個地輪，并且在傳動系統(tǒng)中采用棘輪機構(gòu)，棘輪機構(gòu)將地輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成排種、排肥裝置的單向步進運動，能有效消除滑移地輪對種肥播施的影響，即在作業(yè)時只要有一個地輪正常工作就能平穩(wěn)驅(qū)動排種、排肥裝置，最大限度地保證了種肥播施的均勻性。

1.3 平行四連桿仿形機構(gòu)

為避免地表起伏造成播種深度不一致，影響出苗整齊度，該機具的四行播種單體均采用平行四連桿仿形機構(gòu)來實現(xiàn)單體仿形，該機構(gòu)能夠使播種單體以機架橫梁為中心，隨著地面起伏狀況上下浮動，保證了播種深度的一致性。

1.4 深松全層施肥開溝鏟

1.4.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

深松全層施肥開溝鏟主要由鏟柄、鏟刃、鏟尖、倒肥槽、施肥調(diào)整片、施肥孔、倒肥管以及倒肥片組成，其中倒肥槽、施肥調(diào)整片、施肥孔、倒肥管、倒肥片構(gòu)成可調(diào)全層施肥裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其工作原理是：在倒肥槽后壁上的不同高度開有若干施肥孔，使肥料分施到不同深度下的土壤中，首層施肥孔下裝有倒肥管，以下各層施肥孔下側(cè)都裝有倒肥片，確保每層施肥深度的穩(wěn)定；倒肥槽后壁最上側(cè)裝有施肥調(diào)整片，可根據(jù)不同的農(nóng)藝要求調(diào)節(jié)施肥調(diào)整片的位置，從而控制不同深度土壤中的肥料分布。

圖2 深松全層施肥開溝鏟結(jié)構(gòu)

1.4.2 工作受力分析

開溝鏟在深松全層施肥時，其鏟尖和鏟刃都會切割土壤，產(chǎn)生的土垡在后移過程中，與鏟刃側(cè)面和鏟柄側(cè)面之間均存在摩擦作用。所以，開溝鏟工作時的牽引阻力主要由鏟尖和鏟刃對土壤的切割作用而產(chǎn)生的牽引阻力、鏟刃側(cè)面與土垡之間的摩擦而產(chǎn)生的牽引阻力、鏟柄側(cè)面與土垡之間的摩擦而產(chǎn)生的牽引阻力3 部分組成。

1）鏟刃部分受力分析。深松全層施肥開溝鏟工作時，鏟刃受到的阻力主要為土壤對其的壓力與摩擦力，假設(shè)土壤對鏟刃的合力為F1，則鏟刃受力示意圖如圖3 所示。

圖3 鏟刃受力示意圖

根據(jù)力的合成與分解原則，得到合力和分力的關(guān)系為

式中：

N1——鏟刃口上的法向壓力，N；

N2——鏟刃側(cè)面法向壓力，N；

μ——靜摩擦因數(shù)；

α——鏟刃夾角，范圍0°至180°。

根據(jù)已有研究結(jié)果可知，N1、N2主要受土壤比阻和比壓的影響，因此

式中:

K1——土壤變形比阻，Pa；

A1——鏟刃口面積，m2；

K2——土壤比壓，Pa；

A2——鏟刃側(cè)面面積，m2。

假設(shè)鏟刃橫截面積為S，則鏟刃口面積A1與S之間存在以下關(guān)系

將式（2）、式（3）代入式（1）中可得出水平方向上的總阻力F1為

由式（4）可知，在土壤變形比阻K1、土壤比壓K2、靜摩擦因數(shù)μ、鏟刃橫截面積S及鏟刃側(cè)面面積A2恒定的情況下，總阻力F1與鏟刃夾角α呈負相關(guān)，即F1隨著α的增大而減少，F(xiàn)1隨著α的減少而增大。

當α為180°，即無刃口時，F(xiàn)1最小，其值為

由式（5）可知，在其他變量恒定的情況下，總阻力F1與鏟刃橫截面積S呈正相關(guān)，即F1隨著S的增大而增大，F(xiàn)1隨著S的減小而減少，因此可以通過減小鏟刃的橫截面積來進行減阻，但減小橫截面積必然造成鏟刃厚度減小、強度不足，因此綜合考慮工作阻力與強度，一般選取厚度為6 mm 的鋼板制造鏟刃。

2）鏟柄部分受力分析。深松全層施肥開溝鏟工作時，鏟柄受到的阻力主要為土壤對鏟柄側(cè)面的摩擦力，假設(shè)鏟柄所受合力為F2，則鏟柄受力示意圖如圖4 所示。

圖4 鏟柄受力示意圖

根據(jù)力的合成與分解原則，得到合力和分力的關(guān)系為

式中：

N3——鏟刃側(cè)面法向壓力，N。

式中：

A3——鏟刃側(cè)面面積，m2。

由于鏟柄為對稱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)法向受力相互抵消，將式（7）代入式（6）中可得出水平方向上的總阻力F2為

3）鏟尖部分受力分析。深松全層施肥開溝鏟工作時，鏟尖主要受到土壤對其的切削阻力以及正壓力，假設(shè)鏟尖所受合力為F3，則其受力情況如圖5 所示。

圖5 鏟尖受力示意圖

根據(jù)力的合成與分解原則，得到合力和分力的關(guān)系為

式中：

N0——鏟尖上表面法向正壓力，N；

k——單位寬度土壤的純切削阻力，N/mm；

W——鏟尖寬度，mm；

δ——鏟尖楔角，（°）。

式中：

A4——鏟尖上表面面積，m2。

將式（10）帶入式（9）中，且由于土壤的純切削阻力很小，可忽略不計，則式（9）可改寫成

將式（11）進一步化簡得到：

由式（12）可知，鏟尖所受合力F3與楔角δ呈正相關(guān)，即F3隨著δ增大而增大，隨著δ減小而減小。

4）深松全層施肥開溝鏟總牽引力分析。假設(shè)開溝鏟工作時所受總牽引力為F0，通過受力分析可知，開溝鏟在F0、F1、F2、F3的作業(yè)下處于勻速直線運動狀態(tài)，其平衡方程為

將F1、F2、F3的表達式代入式（13），并化簡得到：

2 深松全層施肥開溝鏟的優(yōu)化改進

2.1 深松鏟類型

依據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準 JB/T 9788—2020 的規(guī)定，深松鏟分為鑿形深松鏟、箭形深松鏟（鴨掌鏟）、雙翼深松鏟、雙尖頭重型深松鏟、單尖頭重型深松鏟5 種型式；深松鏟柄分為輕型深松鏟柄、中型深松鏟柄、重型深松鏟柄3 種型式。

2.2 深松鏟主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

耕深、縱深比、楔角、間隙角、鏟柄寬度與厚度等是深松鏟的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其在很大程度上決定著鏟的深松性能。

2.2.1 耕深

由于犁底層一般離地表12～18 cm，厚度約5～7 cm，所以深松鏟的耕深大于25 cm 才能確保有效打破犁底層。

2.2.2 縱深比

縱深比是深松鏟入土深度范圍內(nèi)水平彎曲長度與耕深的比值，是影響深松鏟耕作阻力的主要因素之一?？v深比的選取直接影響深松鏟的耕作性能，已有研究結(jié)果表明，當縱深比取0.8 時，深松耕作阻力達到最小值。

2.2.3 楔角

楔角為深松鏟的入土方向與水平面之間的夾角，如圖6 所示。楔角決定著深松鏟的入土性能、耕作阻力和外形特征，其選擇需要充分考量耕深、作業(yè)速度以及土壤類型，耕深越大，耕作速度越高，則楔角趨向較小值，反之趨向較大值。

圖6 深松鏟楔角α 和間隙角ε 示意圖

2.2.4 間隙角

間隙角為深松鏟尖前端下斜面與水平面之間的夾角，如圖6 所示。間隙角決定著鏟尖對其下面和側(cè)面土壤壓實的效應(yīng)，同時適當?shù)倪x取間隙角能提高深松鏟的入土性能。

2.2.5 鏟柄寬度和厚度

鏟柄寬度和厚度是決定深松鏟結(jié)構(gòu)強度的重要因素，同時也對耕作阻力產(chǎn)生顯著影響。鏟柄寬度或厚度過大，雖然能提高強度，但會增加土壤與鏟柄的摩擦與粘附，導致耕作阻力變大；鏟柄寬度或厚度過小，雖然能減少耕作阻力，但也降低了強度，增加了鏟柄扭曲變形或折斷的風險。

2.3 開溝鏟優(yōu)化改進

目前已成型的深松全層施肥開溝鏟屬于鑿形深松鏟，其鏟柄為重型鏟柄，鏟柄前緣作為破土刃口，此型鏟具有結(jié)構(gòu)簡單、耐磨損的優(yōu)點，但也存在耕作阻力大、深松截面窄和土壤松碎效果差的不足。因此對該型鏟做如下優(yōu)化改進：

1）借鑒箭形深松鏟入土阻力與耕作阻力小的優(yōu)點，將鏟尖輪廓設(shè)計成形如“<”的等邊折線形，即鏟尖橫截面呈60°的楔形。

2）借鑒雙翼深松鏟碎土能力強、土壤擾動效果好的優(yōu)點，在該型鏟的兩側(cè)安裝翼板，翼板采用單邊45°刃口，間隙角與鏟尖相同，刃口最低點垂直距鏟尖最低點5 cm。

優(yōu)化改進后的新型鏟整體結(jié)構(gòu)外觀如圖7 所示。

圖7 新型鏟整體結(jié)構(gòu)外觀

3 田間試驗

2019 年6 月，安裝新型鏟的玉米深松全層施肥精量播種機在華北某地未進行過深松的試驗田進行大面積作業(yè)。試驗需要的設(shè)備主要包括：95馬力拖拉機1 臺，玉米免耕全層施肥精量播種機1 臺，原型鏟3 把，新型鏟1 把，土壤堅實度測定儀1 臺。

3.1 試驗步驟

1）播種機最外側(cè)對稱位置分別安裝新型鏟和原型鏟，其余位置安裝原型鏟，將播種機掛接在拖拉機上；

2）在試驗田中進行深松作業(yè)，長度為300 m；

3）在新型鏟耕過的地段上挖一個寬80 cm、深30 cm 的坑，坑的一個深松截面豎直；

4）以深松截面的中線為軸線，以地平線為長邊做長方形，其長為60 cm、寬為26 cm；

5）在大長方形中畫小方格，方格邊長為2 cm；

6）在A4 紙上繪制土壤堅實度表，表中的方格要與深松截面上的方格對應(yīng)；

7）用土壤堅實度測定儀逐個方格測定其土壤堅實度，并將讀數(shù)記錄在表格上的相應(yīng)位置（圖8 所示為測量后的深松截面現(xiàn)場）；

圖8 測量深松截面現(xiàn)場圖

8）在原型松鏟耕過的地段上重復（3）至（7）步驟，并將讀數(shù)記錄在表格上的相應(yīng)位置。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在新型鏟的土壤堅實度表和原型鏟土壤堅實度表上按照不同的堅實度涂色，即相同范圍的堅實度涂相同的顏色，涂色數(shù)字越大表示其堅實度越高。新型鏟和原型鏟土壤堅實度如圖9、圖10 所示。

對比兩種鏟的土壤堅實度表發(fā)現(xiàn)：

1）試驗田的犁底層距地表約16 cm，厚度約8 cm。

2）使用新型鏟，在距地表16～26 cm 范圍內(nèi)（包括整個犁底層）深松截面堅實度小于10 的土壤平均寬度為16.7 cm，在距地表18～20 cm 范圍內(nèi)（翼板作業(yè)范圍）深松截面堅實度小于10 的土壤寬度為22 cm，明顯寬于臨近土層；使用原型鏟，在距地表16～26 cm 范圍內(nèi)深松截面堅實度小于10 的土壤平均寬度為13.3 cm。

3）選取距地表16～26 cm，作業(yè)軸線兩側(cè)各7 cm 范圍計算土壤堅實度均值，新型鏟在此作業(yè)范圍內(nèi)的土壤堅實度均值為4.25，原型鏟在此作業(yè)范圍內(nèi)的土壤堅實度均值為7.3。

4 結(jié)論

1）在距地表16～26 cm 范圍內(nèi)，新型鏟的深松截面堅實度小于10 的土壤平均寬度比原型鏟的寬25.6%，且在距地表18～20 cm 范圍內(nèi)形成明顯土壤松碎斷層；

2）在距地表16～26 cm，作業(yè)軸線兩側(cè)各7 cm 范圍內(nèi)，新型鏟的土壤堅實度均值比原型鏟的低42%。

由此可見，使用新型鏟作業(yè)，其深松截面更寬，土壤堅實度更小，松碎效果更好，更有利于玉米根系生長。