张 涛，李 英，张晓春，魏 灵，庞有伦，李 平，唐兴隆，周玉华

(1.重庆市农业科学院农业机械研究所，重庆 401329；2.重庆市农业科学院特色作物研究所，重庆 402160)

垄作栽培是通过开沟或起垄等整地技术，使土壤剖面呈波浪型，具有集雨、保墒，改善作物通风、透光，增产等优点，在玉米、小麦等作物种植上广泛应用[1-2]。近年来重庆市农业科学院开展的稻田垄作栽培技术取得了重要成果，相比传统平作极大地提高了稻田受光面积和复种指数，同时有利于稻田排水、根系生长及改良土壤生态环境[3-4]。为了更好地在西南丘陵山区推广垄作栽培模式、改良稻田土壤表层结构，高碎土率和低阻力的黏重土壤旋耕起垄机械研究迫在眉睫。

目前，针对旋耕、起垄等整地机械的研究成果众多，并且技术成熟、应用广泛[5-6]。包攀峰等[7]针对南方稻田开发了一款犁旋组合式油菜播种开沟起垄机，并得到了最优结构及工作参数；赵艳忠等[8]研制了一款带状深松灭茬机，并对深松、垄台成型部件进行了优化改进；史增录等[9]针对全膜双垄沟种植农艺要求研制的起垄施肥铺膜一体机，功能多元、作业性能稳定；郭丽君等[10]在保护性耕作基础上设计的垄上深松灭茬起垄机，降低了动土量和土壤扰动；LARSON等[11]利用电位差原理对深松机进行降阻设计；郑侃等[12]研究了作业次序对整地质量和功耗的影响规律；WEISE等[13]系统研究耕、整地机械能量消耗规律，建立了机具前进速度与能量消耗之间的数学模型；秦宽等[14]根据稻麦轮作农艺要求，设计了一款犁翻旋耕复式作业整地机，并借助EDEM软件对作业过程进行虚拟仿真，耕作性能指标均达到90%以上；林静等[15]针对辽西地区耕层土壤板结、保墒能力低等问题，设计了1MXQ-4型灭茬旋耕起垄联合作业机，通过试验得到了最佳作业参数。耕整地技术对土壤结构具有重要影响[16-19]，西南丘陵山区土壤含水率大且黏重板结，耕作时与触土部件粘性较强，耕作阻力大，一般需进行2次以上整地作业，才能达到待播条件[20]。由于作业环境和农艺要求的差异性，使得现有旋耕起垄联合作业机的作业性能并不能完全适应于西南稻田垄作栽培技术要求。为此，在融合稻田垄作栽培技术、高碎土率和植被覆盖率等工作性能基础上，本文设计了一款黏重土壤精旋起垄一体机，重点对深旋装置、碎土装置、成垄部件进行了结构设计与理论分析，并进行了田间性能试验，以期为该种植模式推广起支撑作用。

1 农艺要求及设计思路

稻田垄作栽培模式具体如图1所示，起垄要求为每个垄厢平均宽度b0=1150 mm，其中垄顶宽度b1=750～800 mm，沟面宽度b2=150 mm，垄高h=250～280 mm。该栽培模式主要思路为水稻收获后通过灭茬机将稻杆粉碎还田，并旋耕起垄，用于种植秋冬季作物，作物收获后，直接免耕旱直播水稻，利用旱播水管的方式进行水稻生产，从而提高耕地复种指数和降低作业成本。因此，根据该种植模式及西南黏重土壤特性，本研究设计的精旋起垄一体机作业效果需满足以下基本要求：1)植被覆盖率达到80%以上，便于稻杆更好地腐熟分解；2)垄面土壤破碎率达到75%以上；3)垄面土壤平整度小于3 cm。

注：b为工作幅宽，2 300 mm;b0为垄中心距，1 150 mm；b1为垄面宽度，750～800 mm；b2为沟面宽度，150 mm；h为垄高，250～280 mm；h0为开沟深度；α为垄壁倾角，70°。

2 整机结构及工作原理

2.1 整机结构及装配关系

黏重土壤精旋起垄一体机总体结构如图2所示。作业时该机悬挂于拖拉机后方，可一次完成旋耕、碎土、起垄等工序。机具主要包括机架、悬挂装置、深旋装置、碎土装置、起垄装置和传动系统。机架是所有部件的安装载体，上方安装有变速箱和悬挂装置；两侧通过定位圆孔安装有深旋装置和碎土装置，且碎土装置安装位置在旋耕装置的后上方；后方设计有两个对称起垄装置，主要由碎土装置两侧的成垄犁和后方的成垄部件构成。

1.成垄部件；2.碎土装置；3.盖板；4.悬挂装置；5.变速箱；6.机架；7.深旋装置

各装置及部件在整机中装配关系如图3所示。深旋装置与碎土装置轴心水平距离为340 mm，高度差为120 mm，回转半径分别为280、140 mm，深旋装置端板高度为320 mm，碎土装置端侧板高度为480 mm，机架中深旋和碎土装置大梁分别采用100 mm×100 mm方管和100 mm×60 mm矩管，机架总跨度为740 mm，整机中无干涉，结构紧凑合理。

图3 整机装配关系示意图

2.2 工作原理

先将精旋起垄一体机通过三点悬挂安装在拖拉机尾部，拖拉机动力输出轴通过万向节将动力传至变速箱，变速箱下方两侧有输出轴带动深旋装置工作，同时在上部接出输出轴，通过链条、链轮、过桥轴等部件带动碎土装置工作。作业时，随着机具前进，深旋装置将土壤翻起破碎，起垄装置两侧的起垄犁将土壤向中间翻垡，形成垄沟和垄面，同时后方碎土装置将表层土壤进行二次破碎，避免黏重稻田土壤板结，在成垄部件的作用下形成平整及有利于播种和作物生长的垄面。该机有效幅宽为2 300 mm，配套动力在68.76 kW以上，其他具体技术参数如表1所示。

表1 黏重土壤精旋起垄一体机主要技术参数

3 关键部件设计

3.1 深旋装置

3.1.1 结构组成 深旋装置主要起打破土壤耕作层，将秸秆深埋还田、破碎土壤和平整土地的作用。该装置结构及传动简图如图4所示，主要由变速箱、刀轴、旋耕刀等部件组成，其中刀轴为直径80 mm空心管，在刀轴上焊接有刀座，便于旋耕刀安装与更换。

1.旋耕刀；2.万向节；3.变速箱；4.动力输出轴；5.深旋刀轴

为提高传动和刀轴受力稳定性，该装置采用中央变速箱传动，拖拉机通过万向节将动力传至变速箱，经过90°变向和多级减速后，深旋耕刀轴转速为260 r·min-1。

3.1.2 旋耕刀排布 深旋装置旋耕刀在刀辊上的排布如图5所示(见256YE页)。为避免漏耕和壅土，提高碎土率和地表平整度，采用双螺旋线交替排列方式安装旋耕刀，同一平面有左和右旋耕刀，其相位角差值为120°，保证旋耕刀交替入土。以变速箱为中心对称分布，刀辊总长为2 280 mm，每隔60 mm安装一对旋耕刀，总共安装有33对。

图5 旋耕刀排布图

3.1.3 旋耕刀选择 受复杂作业环境影响，旋耕刀需有高耐磨性和抗折强度，本研究选用旋耕刀结构和参数如图6所示。旋耕刀回转半径R=280 mm，正切面高度h1=60 mm，耕作幅宽b3=60 mm，采用65Mn钢锻造和热处理，保证硬度为50～55 HRC。工作时切削刃和正切面先后切入土壤中，进行切削、挤压、抛甩等过程[21]。

图6 旋耕刀结构及参数

3.2 碎土装置

3.2.1 结构组成及土壤运动过程 由于双行起垄，碎土装置设计为对称式结构，主要由起垄犁、机架、刀盘、碎土刀、碎土刀轴组成，具体如图7所示。刀轴为中间空心、两端焊接实心台阶轴的设计方式，空心轴为外径60 mm、内径48 mm的Q235热轧无缝钢管；刀盘焊接在中间空心刀轴上，直径为185 mm，刀盘间距180 mm。由于标准要求碎土作业后土块长度小于40 mm，因此两个刀尖之间的间隙为32 mm，碎土刀用螺栓固定，其回转半径为140 mm。起垄犁主要是借助犁铧的翻转和开沟原理，使土壤从沟底倾斜提升翻压，堆积形成垄状，保证土壤不滑落至沟底。深旋与翻垡作业时土壤会产生一定的蓬松，因此起垄犁高度需高于垄体高度，其值设计为480 mm，起垄犁末端结构为圆弧状，在后接成垄部件的作用下形成梯形垄，整体采用加强筋和螺栓与机架固定，保证结构强度和便于维修。

1.起垄犁；2.机架；3.刀盘；4.碎土刀；5.碎土刀轴

前置深旋装置对深层土壤连续剪切、撞击、撕裂、抛掷等作用后，土壤变得细碎和蓬松，土壤抬升；后接碎土装置对土壤进行翻垡、挤压、抬升、破碎等作用后，两侧土壤紧实，可避免垄体土壤回落，同时垄体上播种区域更加细碎，便于作物生根发芽，作业后土壤断面如图8所示。

由图8可得，经深旋、碎土、翻垡作业后单垄土壤断面面积为：

注：h1为深旋、碎土、翻垡作业后垄高；h2为深旋深度；d为沟面宽；l1为深旋、碎土、翻垡作业后垄顶宽；l2为深旋、碎土、翻垡作业后垄底宽。

(1)

式中，S1为单垄断面面积(cm2)；l1为深旋、碎土、翻垡作业后垄顶宽(cm)；l2为深旋、碎土、翻垡作业后垄底宽(cm)；d为沟面宽(cm)；h1为深旋、碎土、翻垡作业后垄高(cm)。

形成单垄前土壤断面面积为：

S2=l2×h2

(2)

式中，S2为工作部件作业的土壤断面面积(cm2)；h2为深旋深度(cm)。

理论分析，作业前后土壤体积应不变，S1与S2相等，但由于翻垡、碎土后土壤密度减小，土壤疏松，则土壤蓬松系数λ为：

(3)

根据设计，l1、l2、h1、h2、d分别取值75、115、36、14、15 cm，则计算得到土壤蓬松系数等于1.957。

3.2.2 碎土装置运动分析 碎土装置工作时，碎土刀运动由直线和匀速圆周运动合成，其运动轨迹如图9所示。

注：ω为碎土刀轴角速度；vm为机具前进速度；N(x,y)为碎土刀刃点实时位置；ωt为碎土刀刃点在时间t时与水平面的夹角。

以初始状态下刀轴轴心为坐标原点，则碎土刀刃点N(x,y)的实时运动方程为：

(4)

式中，t为时间(s)；vm为机具前进速度(m·s-1)；r为碎土刀回转半径(m)；ω为碎土装置刀轴角速度(rad·s-1)。

以时间t为变量对式(4)求导，得到刀刃点N在x方向和y方向的实时速度为：

(5)

则碎土刀刃上点N实时绝对速度为：

(6)

式中，vN为碎土刀刃点N的实时绝对速度(m·s-1)。

碎土装置入土过程如图10所示，则其入土角为：

注：r为碎土刀回转半径；θ为碎土刀入土角；H为入土深度。

(7)

式中，θ为碎土刀入土角(rad)；t0为入土时间(s)；H为入土深度(mm)。

将公式(7)代入公式(5)中，可得：

(8)

式中，v0为入土时x方向的速度(m·s-1)。

将公式(8)中角速度用转速进行代换，得到：

(9)

式中，n为刀轴转速(r·min-1)。

由公式(9)可得转速与碎土刀回转半径成反比，入土时，碎土刀刃x方向速度v0应为零，碎土装置回转半径140 mm，入土深度60 mm，计算得到该装置转速n最小为180 r·min-1，本设计为提高碎土质量，碎土装置转速设为430 r·min-1，满足理论分析要求。

3.2.3 切土节距和切削面刀片数 切土节距是影响土壤颗粒粒径大小的重要指标。土壤颗粒越细碎，越有利于作物生长，同时小颗粒土壤之间填充紧密，易形成稳定土壤团粒结构，保证成垄时垄形整齐统一。切土节距与同一旋转切削面刀具数量满足[22]：

(10)

式中，S为切土节距(mm)；Z为每盘刀具数。

由上式可得作业速度越低、刀片数和刀轴转速越大，则切土节距越小，碎土效果越好。根据农艺要求，设定切土节距S=40 mm，vm=0.8 m·s-1，n=430 r·min-1，代入式(10)得刀片数Z=2.79≈3，因此，在刀盘两侧对称安装碎土刀，每侧安装3把。

3.2.4 碎土刀结构 根据碎土深度及整机尺寸允许值对碎土刀进行结构设计，该结构采用L型，其竖向总长度为170 mm，折弯角度为110°，横向总长度即幅宽为70 mm，刀片宽度与厚度分别为45 mm和6 mm，具体如图11所示。为减小刀具入土冲击和磨损，提高切碎质量和刚度，选用65Mn钢进行磨刃口、锻压、钻孔、淬火和回火等处理，成型后刃口厚度为0.8 mm，刀片表面硬度为53 HRC，满足高强度高耐磨要求。

图11 碎土刀结构示意图

3.3 成垄部件

成垄部件总体结构如图12所示。

1.连接板；2.螺栓孔；3.加强筋；4.梯形成垄罩

主要由梯形成垄罩、加强筋、连接板等组成。通过对10 mm钢板进行剪裁、折弯、焊接等工艺加工而成，为了保证成垄罩结构强度，在两侧焊接有三角形加强筋，整体通过螺栓与机架进行固定。根据垄形参数及与土壤作用过程，将成垄罩设计成前宽后窄、上窄下宽的梯形箱体结构，前端部梯形上边长900 mm，下边长1160 mm，高400 mm，后端部梯形上边长800 mm，下边长1 000 mm，高300 mm，罩体长度为300 mm，为减少罩体后端部与土壤摩擦及影响成垄效果，在其底端进行半径60 mm的圆弧处理。成垄部件是起垄效果的重要因素，具有保证垄形整齐统一和防止土壤回落沟底的作用。成垄罩体的长度与机具前进速度、垄高有重要关系，土壤在旋耕起垄时从最高到最低点运动轨迹满足式[23]：

(11)

式中，l为成垄罩最小长度(m)；vh为土壤颗粒下降速度(m·s-1)；h为土壤下降高度(m)；g为重力加速度(m·s-2)。

其中机具前进速度vm=0.8 m·s-1，垄高h=280 mm，通过公式(11)计算得到成垄罩体最小长度l=210 mm，本设计取值为300 mm，满足理论分析要求。

4 田间试验

4.1 试验材料与条件

为验证黏重土壤精旋起垄一体机的作业质量，于2020年9月在重庆市九龙坡区白市驿镇西南丘陵山区现代农业装备创新中心试验基地(106°20′E，29°19′N，海拔300 m)进行了整机田间试验，如图13所示。试验地总面积为0.53 hm2，分为两个试验区，前茬作物分别为水稻和油菜，试验前进行了一道灭茬作业。试验地为黄壤土，0～15 cm土壤含水率平均为17.16%，土壤坚实度为845.93 kPa，田面较为平整，表层有0.5～3.5 cm粉碎秸秆覆盖，秸秆长约1.0～6.0 cm。选用久保田LD954K1-QS型拖拉机对该机进行挂接，总动力为70.8 kW，机具工作期间平均气温为26.0℃，作业前进行半小时高低转速空载测试，整机无异响、打齿、晃动等现象，运行平稳。作业时机具前进速度为0.6～0.8 m·s-1，样机田间作业过程如图13a所示。

图13 样机田间试验

4.2 试验指标与方法

针对西南丘陵山区黏重土壤特性，设计的精旋起垄一体机主要功能是疏松土壤、增强土壤通透性、破碎根土结合体、形成垄体。依据JB/T8401.2-2007《旋耕联合作业机械旋耕深松灭茬起垄机》和JB/T10295-2014《深松整地联合作业机》标准要求[24-25]，选取耕作性能、起垄性能、土壤性质指标评价作业效果。其中耕作性能中土壤蓬松度测定方法为耕前在地表最高点以上取一水平基准线，并测量作业前后水平基准线至地表的距离，计算公式为：

(12)

式中，pt为土壤蓬松度(%)；d1为作业前水平基准线至地表的距离(mm)；d0为作业后水平基准线至地表的距离(mm)。

地表平整度测定方法为耕后将某一行程分成10等分，测量各等点至水平基准线的距离，并以标准差表示；碎土率主要针对垄面而言，因此选取垄面0.25 m2面积内10 cm深的土块，以最长边小于40 mm土块质量占总质量百分比表示，计算公式为：

(13)

式中，St为碎土率(%)；m1为测区土壤总质量(g)；m0为测区最长边大于40 mm土块质量(g)。

耕深稳定性测定方法为在垄面上每隔2 m为1个测点，共选取10个点，采用耕深尺测定旋耕深度，并以变异系数表示；植被覆盖率测定方法为作业前后在1 m2面积中紧贴地面剪下露出地表的植被，称其质量，计算公式为：

(14)

式中，Ft为植被覆盖率(%)；m2为作业前植被质量(g)；m3为作业后植被质量(g)。

成垄性能测定随机选取10个点，直接测量垄体顶宽、高、沟面宽，并用变异系数表示垄顶宽稳定系数、垄高稳定系数、沟面宽稳定系数。土壤性质评价用环刀和烘干法测定作业前后土壤容重和含水率。试验时，每个试验区长50 m，两端各10 m为提速和减速区，中间30 m为数据采集区。

4.3 试验结果分析

4.3.1 成垄性能 精旋起垄一体机起垄性能如表2所示。前茬作物为油菜和水稻的垄顶宽稳定性系数平均值分别为96.87%和95.64%，垄高稳定性系数平均值分别为95.43%和91.24%，沟面宽稳定性系数平均值分别为90.32%和87.86%，除沟面宽稳定性系数较低以外，其他各项成垄性能指标优良，主要是由于拖拉机在行进中轮胎具有一定滑移，造成沟面宽统一性较低。由于垄两侧受起垄犁堆压和黏重土壤影响，因此起垄后土壤回落量少，整体上垄型饱满、平整，无高低、宽窄垄现象，作业后起垄及耕作质量如图13b所示。

表2 精旋起垄一体机田间起垄性能

4.3.2 耕作性能 精旋起垄一体机耕作性能如表3所示。前茬作物为油菜和水稻的土壤蓬松度平均值分别为22.39%和18.84%，满足行业标准应小于40%的要求，能有效疏松土壤和蓄水保墒；地表平整度平均值分别为1.85 cm和2.27 cm，碎土率平均值分别为93.35%和91.28%，对于黏重土壤而言，表层土壤越细，越有利于作物根系生长和降低土壤板结问题，田地越平整越可有效减少地表径流；植被覆盖率平均值为86.96%和83.67%，说明能够充分将杂草和秸秆翻入土壤中，有利于提高土壤有机质和作物机械化播种；耕深稳定性平均值为87.64%和83.58%，纯工作效率分别为0.42 hm2·h-1和0.38 hm2·h-1。综上，该机在两种前茬作物条件下耕作性能稳定，前茬作物水稻地的碎土率和植被覆盖率均低于油菜，主要是由于水稻地块板结严重，而且收获时为半喂入方式，残留秸秆较多，但整体上均满足行业标准要求，而且有助于改良黏重土壤物理结构。

表3 精旋起垄一体机田间耕作性能

4.3.3 土壤含水率和容重 土壤含水率和容重测定结果如表4所示。作业前，前茬作物为油菜和水稻的0～15 cm土层土壤含水率分别为16.94%和17.38%；作业后，其值分别为14.65%和15.82%，分别降低了13.52%和8.98%；同时作业前土壤容重分别为1.43 g·cm-3和1.52 g·cm-3，作业后其值分别为1.19 g·cm-3和1.34 g·cm-3，分别降低了16.78%和11.84%，分析其原因可能是精旋起垄一体机作业后对表层土壤扰动较大，使其土壤细碎更易跑墒，但对于黏重土壤水分和容重的降低，更有助于土壤颗粒疏散，提高土壤通透性。

表4 作业前后0～15 cm土层土壤含水率和容重

5 结 论

1)针对西南黏重土壤稻田垄作种植模式要求，研制了一款精旋起垄一体机，一次实现旋耕、碎土、起垄等作业，该机能较好解决黏重土壤碎土率和植被覆盖率低、成垄效果差等作业难题。

2)该机主要由深旋装置、碎土装置、成垄部件等组成，设计时重点考虑各装置之间装配关系、结构及工作参数，分析确定深旋和碎土装置轴心水平距离为340 cm，高度差为120 cm，转速分别为260、430 r·min-1，成垄部件长度为300 mm，并建立了作业过程土壤断面模型和碎土刀运动轨迹。

3)田间试验结果表明，在前茬作物为水稻或油菜条件下，垄宽、垄高、沟面宽稳定性系数平均值分别为96.26%、93.34%、89.09%，地表平整度、碎土率、植被覆盖率分别为2.06 cm、92.32%、85.32%，起垄及耕作性能均达到国家标准，可满足稻田垄作农艺技术要求和待播作业质量；作业后土壤容重和含水率分别降低了14.31%和11.25%，对黏重土壤的土层结构和通透性有一定的改善作用。