呂金慶，劉志峰，王鵬榕，李紫輝，李季成，劉中原，楊德秋

驅(qū)動式碎土除草多功能馬鈴薯中耕機設(shè)計與試驗

呂金慶1，劉志峰1，王鵬榕1，李紫輝1，李季成1，劉中原1，楊德秋2

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083）

針對傳統(tǒng)鋤鏟式中耕機在土壤黏重板結(jié)情況下碎土率和除草率低、培土效果不佳等問題，該文設(shè)計了集深松碎土、鏟除雜草、側(cè)深施肥、培土起壟等多功能于一體的驅(qū)動式馬鈴薯中耕機，并對機具關(guān)鍵部件進行設(shè)計與分析，確定了深松鏟、碎土刀、培土器的結(jié)構(gòu)以及工作參數(shù)，在設(shè)計分析的基礎(chǔ)上進行田間試驗，并與鋤鏟式中耕機進行對照試驗。田間試驗表明：本文所研制的驅(qū)動式中耕機碎土率為95.1%、除草率為96.3%、傷苗率為1.2%、土壤蓬松度達到21.5%、油耗為13.2 kg/hm2，滿足相關(guān)標準作業(yè)指標要求。對照試驗表明：相較于傳統(tǒng)鋤鏟式中耕機，驅(qū)動式馬鈴薯中耕機碎土率提高3.3個百分點、除草率提高3.1個百分點、傷苗率降低1.6個百分點、土壤蓬松度提高2.7個百分點、油耗降低28%，明顯優(yōu)于其作業(yè)效果，滿足國家標準碎土率≥85%、傷苗率≤5%、除草率≥90%的要求。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；試驗；馬鈴薯；中耕機；驅(qū)動式

0 引 言

馬鈴薯出苗前期和生長中期的松土、碎土、培土、除草等中耕作業(yè)對馬鈴薯產(chǎn)量有很大的影響[1-2]。中耕的主要作用包括疏松土壤、增強土壤透氣性、保墑抗旱、改善土壤的物理性狀、提高土壤肥力及消滅雜草等[3]；且中耕作業(yè)可以抗倒伏，增加作物的產(chǎn)量。馬鈴薯中耕生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)勞動量大，作業(yè)過程受生長中的作物限制，因此研制一種工作效率高、作業(yè)效果好的馬鈴薯中耕機械具有重要意義[4-5]。

國外對馬鈴薯中耕機械研究較早，技術(shù)水平較高，整機配合良好，可靠性高[6]。有代表性的馬鈴薯中耕機有：德國GRIMME公司的GH型馬鈴薯中耕機和荷蘭STRUIK公司ZF型馬鈴薯中耕機，其作業(yè)效果良好，適合大地塊作業(yè)，但其價格昂貴，維修不便，且國外與中國土壤差異性較大，不適合于在中國各地區(qū)大面積推廣使用。國內(nèi)的馬鈴薯中耕機械發(fā)展迅速，呂金慶等[7]研制了1ZL5型馬鈴薯中耕機可以一次完成松土、除草、筑壟等作業(yè)。李洋等[8]設(shè)計了1304型馬鈴薯中耕機，用于大規(guī)模馬鈴薯種植農(nóng)場作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性較強。趙旭志[9]根據(jù)馬鈴薯壟作栽培要求設(shè)計了3Z-1.6型壟作馬鈴薯中耕機，能滿足砂質(zhì)土地及黏壤土地作業(yè)要求。這些機具技術(shù)較為成熟，基本能滿足作業(yè)要求，主要采用犁鏵式和鋤鏟式碎土部件，在土壤條件較好、雜草較少時工作情況較好，但是在東北地區(qū)的黏重板結(jié)土壤作業(yè)時碎土率低，易傷苗，壟形難以控制，培土效果不夠理想，不利于馬鈴薯幼苗的生長[10]。

針對以上的問題，本文設(shè)計了一種新型驅(qū)動式馬鈴薯中耕機，該機可一次性完成松土碎土、鏟除雜草、側(cè)深施肥、起土培壟，對深松鏟、碎土刀、培土器進行結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，并進行中耕作業(yè)效果的田間試驗和對照試驗。

1 整機結(jié)構(gòu)、工作原理和主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整機主要由肥箱、懸掛機構(gòu)、機架、地輪、深松鏟、碎土刀、培土器、旋轉(zhuǎn)單體等組成；每個旋轉(zhuǎn)單體前后的距離為1 440 mm，且通過前后2個直角卡子裝夾在機架的前后梁上；每個旋轉(zhuǎn)單體前均配有深松鏟，共3個旋轉(zhuǎn)單體可進行2行中耕作業(yè)，相鄰2個旋轉(zhuǎn)單體之間通過萬向傳動軸連接，間距為700～900 mm以適應(yīng)壟距，2個地輪相距1 400～1 800 mm，旋轉(zhuǎn)單體和地輪均可以根據(jù)不同的壟距進行調(diào)整，以增加機具的通用性。

1.2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 工作原理

機具采用三點懸掛的方式連接在拖拉機上，作業(yè)時，拖拉機牽引機組向前行進，動力通過拖拉機傳動軸輸出，驅(qū)動旋刀刀組進行高速轉(zhuǎn)動，打碎雜草和土壤；在旋轉(zhuǎn)單體箱體架的前壁上，安裝有深松鏟，可對壟溝底的土壤進行預(yù)深松，同時旋轉(zhuǎn)單體的左右側(cè)壁上各安裝有護罩，引導(dǎo)被打碎的土流培到壟上，防止被打碎的土壤拋擲過遠掩埋幼苗；在每個旋轉(zhuǎn)單體的正后方安裝有培土器，可以進一步的鏟除雜草并將打碎的土壤培到壟上。因此，機具進行一次田間作業(yè)可以實現(xiàn)深松碎土、鏟除雜草、測深施肥、起壟培土的聯(lián)合作業(yè)。

1. 肥箱 2. 懸掛機構(gòu) 3. 機架 4. 地輪 5. 深松鏟 6. 碎土刀 7. 培土器 8. 旋轉(zhuǎn)單體

1.2.2 技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動式馬鈴薯中耕機主要用于東北地區(qū)黏重板結(jié)土壤和雜草較多的地況，其主要參數(shù)如表1所示：

表1 驅(qū)動式馬鈴薯中耕機主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)單體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)單體主要由箱體架、深松鏟、護罩、碎土刀、左刀盤、刀輥、右刀盤、主動軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

深松鏟通過螺栓固定在箱體架前壁，并可以調(diào)節(jié)上下位置；碎土刀軸兩端分別安裝左刀盤和右刀盤，碎土刀通過螺栓固定在刀盤。相鄰2個旋耕單體以及旋轉(zhuǎn)單體與傳動箱之間通過萬向傳動軸相聯(lián)接以傳遞動力。在機具工作時，深松鏟對壟底的土壤進行松土作業(yè)，主動軸通過鏈傳動的方式驅(qū)動刀輥轉(zhuǎn)動，刀輥上的碎土刀高速旋轉(zhuǎn)對疏松后的土壤完成碎土、拋土作業(yè)，護罩防止土壤拋撒，掩埋幼苗。

1. 箱體架 2. 深松鏟 3. 護罩 4. 碎土刀 5. 左刀盤 6. 刀棍 7. 右刀盤 8. 主動軸

2.1.1 旋轉(zhuǎn)部件

旋轉(zhuǎn)部件主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，刀棍左右對稱安裝8個刀盤，每個刀盤通過螺栓固定安裝2把碎土刀；傳動鏈輪固定安裝在刀棍中間位置，在工作時驅(qū)動刀棍高速轉(zhuǎn)動；馬鈴薯的中耕深度不少于0.15 m，為適應(yīng)其耕作深度，本文設(shè)計采用的刀盤回轉(zhuǎn)半徑均為227 mm[11]；為保證碎土刀所需的圓周速度，刀棍直徑過小要有更高的轉(zhuǎn)速，造成傳動部件間的磨損量加大；刀棍直徑過大，則機具整體過于沉重，綜合機具整體尺寸設(shè)計刀輥直徑為70 mm[12]；為適應(yīng)馬鈴薯中耕的壟距，刀棍的長度為445 mm；在耕作過程中，碎土刀片與土壤接觸使其破碎，碎土刀對軸向周圍土壤也有切削影響，考慮到工作時旋轉(zhuǎn)部件的起伏，相鄰2個碎土刀之間的作業(yè)區(qū)域有一定的重疊量，為防止碎土過程中壅土現(xiàn)象的產(chǎn)生，同一刀盤上相鄰2個碎土刀的橫向間距為12 mm[13]。

1. 刀棍 2. 左刀盤 3. 碎土刀 4. 內(nèi)刀盤 5. 傳動齒輪 6. 右刀盤

1. Blade shaft 2. Left-hand blade dish 3. Soil breaking blade 4. Blade dish inside 5Transmission gear 6 Right-hand blade dish

注：尺寸單位是mm。下同。

Note:The unit for dimensions is mm. The same below.

圖3 旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)

Fig.3 Structure of rotating component

2.1.2 碎土刀

碎土刀作為中耕機的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整機的工作效果。進行中耕作業(yè)時，碎土刀隨著刀棍進行高度旋轉(zhuǎn)，碎土刀片對壟底的土壤產(chǎn)生切削、剪切、破碎等作用。碎土刀的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)直接影響著中耕作業(yè)時土壤的破碎程度。

碎土刀結(jié)構(gòu)如圖4所示，碎土刀采用鑿形直刀，與傳統(tǒng)的彎刀和L型刀相比，其入土性能良好，所受切削應(yīng)力較小，消耗功率較少[14]。根據(jù)馬鈴薯中耕種植農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)機械設(shè)計要求，設(shè)計刃角為45°，刃厚為1.5 mm，刃口寬度為1.5 mm，采用雙磨刃，制造方便，滑切性能好。碎土刀的刀柄上開有2個直徑為13 mm距離為80 mm的安裝孔，以便通過螺栓與刀盤進行固定。由于碎土刀在作業(yè)時高速旋轉(zhuǎn)，土壤對刃口產(chǎn)生較大的切削阻力和反沖擊力，易磨損，因此選用65Mn材料，并將刀刃進行淬火處理使其硬度達到HRC48～54，保證良好的耐磨性和抗折強度[15]。同時，馬鈴薯中耕作業(yè)中要求刀片具有較高的強度，以防止刀片在土壤的阻力作用下發(fā)生變形，刀片厚度過大，所受切削阻力增加；刀片厚度過小，整體強度不足，參考傳統(tǒng)的旋耕刀片，其厚度通常為8～12mm，確定碎土刀刀片厚度為10 mm。碎土刀折彎角對碎土效果有較大影響，折彎角度過大則所受土壤阻力過大，碎土作用降低；若折彎角度過小，在保證耕深的前提下，會造成碎土刀刃口長度過長。參考傳統(tǒng)的旋耕刀片，設(shè)計折彎角為150°，同時為了保證碎土效果，確定刃口長度為70 mm。

圖4 碎土刀結(jié)構(gòu)示意圖

碎土刀是直接與土壤接觸的關(guān)鍵部件，碎土刀在刀軸上的排列方式對旋耕機構(gòu)的碎土效果和機具作業(yè)時的穩(wěn)定性有重要影響，同時也關(guān)系到碎土刀作業(yè)時所受的作業(yè)扭矩[16]。

目前常用的排列方式主要有交錯平衡排列、螺旋線排列和對稱排列[17]等。由于交錯平衡排列可平衡碎土刀工作時所受的土壤阻力，減小碎土刀所受附加載荷，使得機具具有良好的平衡性，所以采用交錯平衡排列方式對碎土刀進行固定安裝，在刀棍左右對稱安裝4組刀盤；每個刀盤上橫向等距交錯均勻排列有4個碎土刀，相鄰碎土刀相位差為90°，刀輥轉(zhuǎn)動時受力均勻，避免在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的附加載荷，并降低作業(yè)時機具產(chǎn)生的振動，平衡性好[18]。碎土刀安裝排列方式如圖5所示。

2.1.3 深松鏟

如圖6所示，雙分土板式深松鏟主要由深松鏟柄、分土板、深松鏟鏟尖、沉頭螺釘?shù)冉M成。深松鏟安裝在箱體架的正前方，隨著拖拉機進行深松作業(yè)，土塊在深松鏟前端的鏟尖擠壓切削作用下沿鏟柄兩端運動，并被抬高，土壤在自身的動能作用下沿著分土平板向后運動，有少量土壤顆粒在自身重力和摩擦力的作用下落入壟溝中，其余大量的大粒徑的土壤會在碎土刀的作用下進一步被破碎。

注：頂端數(shù)字1—8代表碎土刀沿軸向排列位置；左側(cè)角度值為碎土刀沿刀軸周向角度位置，(°)。

1. 深松鏟鏟尖 2. 分土平板 3. 深松鏟柄 4. 沉頭螺栓

犁鏵耕作深度較深，但其碎土能力較差并且所受牽引阻力過大；驅(qū)動式旋轉(zhuǎn)部件碎土性能較好，但耕作深度較淺[19]。根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計要求以及文獻[20]所述，通過在旋耕部件前配置深松鏟可減少碎土部件阻力矩，降低碎土功耗。本文采取在旋轉(zhuǎn)部件的箱體架前壁配置深松鏟，使深松旋耕部件組成一個整體機構(gòu)，且能夠根據(jù)田間實際情況進行高度調(diào)節(jié)，既簡化機具機構(gòu)，又減少機具的工作阻力，提高作業(yè)效率。

深松鏟柄采用矩形斷面結(jié)構(gòu)，上端為垂直結(jié)構(gòu)，厚度為25 mm，為了適應(yīng)不同的土壤情況，在其正前方開4個豎直等距排列的定位凹孔，調(diào)節(jié)范圍為150～250 mm，通過特制螺母固定在箱體架上。結(jié)合機架整體尺寸和深松要求，設(shè)計深松鏟高度為560 mm。

深松鏟鏟尖作為深松鏟的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)對土壤的深松擾動效果有重要影響[21]。深松鏟鏟尖按結(jié)構(gòu)的不同可分為箭形鏟、翼形鏟和鑿形鏟[22]，由于鑿形鏟在改善土壤持水性能深松等方面綜合效果較好，所以本文選取鑿形鏟尖，采用沉頭螺栓固定在鏟柄的前部，便于更換。入土角為鏟尖與水平面的夾角，其大小對深松鏟所受的牽引阻力及深松效果有重要影響，過大會引起入土性能變差、增加阻力及功耗；過小會造成土壤擾動過小，深松效果不夠理想。根據(jù)文獻[23]并參考農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊，在20°～60°范圍內(nèi)，根據(jù)實際經(jīng)驗選取入土角為25°。設(shè)計鏟尖寬度為25 mm，以提高深松作業(yè)中的深松效果。深松鏟鏟尖采用鑄鋼材料，耐磨性較好[24]。設(shè)計其長度為180 mm，以便對土壤有良好的切削、破碎作用。

深松鏟上的分土平板一方面能引導(dǎo)土流方向，以便進一步被碎土刀切削破碎，另一方面由于土壤運動時與分土板體產(chǎn)生摩擦力作用，對土壤起到一定的破碎作用。將分土平板分為左右2塊焊接在深松鏟柄垂直部分上，為了使分土平板更好的實現(xiàn)分土功能，分土平板應(yīng)該對土壤有滑切作用，左右2塊分土平板所成角度應(yīng)小于(90°-)，同時考慮土壤摩擦角在15°～38°之間，所以設(shè)計角度大小為60°[25]。由于深松鏟深松深度在150～250 mm范圍內(nèi)，設(shè)計分土平板長度為180 mm，寬度為55 mm。分土平板的厚度過大增加工作時的阻力；厚度過小，整體裝置強度不足，參考傳統(tǒng)的翼形深松鏟，并考慮深松鏟整體尺寸，設(shè)計分土平板厚度為5 mm。

2.2 培土器

2.2.1 培土器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計的培土器主要由鏵尖、培土犁體、套管架、導(dǎo)桿、彈簧、鎖定桿、手柄、絲杠等組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1. 鏵尖 2.培土犁體 3.銷軸 4.套管架 5.絲杠 6.手柄 7.彈簧8.鎖定桿 9. 導(dǎo)桿

套管架前梁通過絲杠套裝在管支架內(nèi)，可進行上下位置的調(diào)節(jié)，絲杠上部安裝有手柄，用于調(diào)整絲杠在套管架中的位置；鎖定桿從兩側(cè)扣在管支架側(cè)壁孔內(nèi)，用以固定手柄。

鏵尖通過沉頭螺釘安裝在培土犁體前端尖部，便于更換，可以鏟除雜草并對打碎后的土壤進行進一步的破碎，在機具前進時可以使溝底的土壤沿著培土犁體滑動，覆蓋到壟臺上；培土犁體上部通過銷軸與套管架前梁下端鉸接，下部與導(dǎo)桿下端鉸接，導(dǎo)桿上安裝有壓縮彈簧，對培土犁體起到進一步擠壓的作用，可以將培到壟上的碎土進行壓實固定；管板架套裝在套管架的后梁內(nèi)，與導(dǎo)管架固定，可以提高培土器工作的穩(wěn)定性。

工作時，可通過旋轉(zhuǎn)手柄調(diào)節(jié)培土器的入土深度，調(diào)節(jié)范圍為100～250 mm；調(diào)節(jié)管板架的安裝位置，從而控制入土角度，調(diào)節(jié)范圍為30°～60°，以此來適應(yīng)不同土壤條件，達到改善培土起壟作業(yè)效果的目的。

2.2.2 培土器鏵尖受力分析

在中耕作業(yè)時，鏵尖可進一步破碎土壤并能鏟除雜草。為使鏵尖能更高效的切開土壤切斷雜草并減小工作阻力，所以應(yīng)使鏵尖土壤及雜草的接觸形式為滑切[26]。如圖8所示，產(chǎn)生滑切的條件為

≥（1）

由圖8中的受力分析可知：

式中為土壤推力，N；為土粒與鏵尖的摩擦力，N；為鏵刃角(鏵尖沿機器前進方向與水平面的夾角)，（°）；為土壤對鏵尖的摩擦角，（°）。

聯(lián)立式（1）和式（2）得：

大小一般為15°～38°，根據(jù)實際工作情況取=30°，所以鏵刃角大小為60°。

注：為土壤推力，N；為土粒與鏵尖的摩擦力，N；為鏵刃角，（°）；為土壤與鏵尖的摩擦角，（°）；為土壤推力沿鏵尖方向的分力，N。

Note：is the thrust of soil, N;is friction between soil and share point, N;is angle of ploughshare edge, (°);is friction angle between soil and share point, (°);is the force in the direction of share point, N.

圖8 鏵尖受力圖

Fig.8 Force analysis of share point

2.2.3 培土器工作面的參數(shù)確定

培土器工作面的參數(shù)，由培土?xí)r所形成的壟形斷面尺寸確定，如圖9所示。

由圖9中幾何關(guān)系可知：

式中0為壟臺斷面初始體積，mm3；1為工作部件由培土器挖出的土壤體積，mm3。

注：為行距，mm；1為壟底寬，mm ；0為壟頂寬，mm；為壟高，mm；0為開溝深度，mm；為壟壁土壤自休止角，(°)；為培土器的高度，mm。

Note：is the row spacing, mm;1is the wedth of the bottom of ridge, mm;0is the width of the top of ridge, mm;is the height of ridge, mm;0is the depth of ditch, mm;is the self-residence angle of ridge, (°);is the height of hiller, mm.

圖9 培土器工作面示意圖

Fig.9 Diagram of working side of hiller

中耕作業(yè)后的土壤容重發(fā)生變化，所以土壤經(jīng)過疏松培土后體積變大，土壤容重發(fā)生變化，需增加膨松系數(shù)，對培土前后實土與松土的體積進行測量測得膨松系數(shù)為1.8[27]。培土作業(yè)前后土壤的質(zhì)量相等，所以挖出的土壤質(zhì)量等于土壤斷面部分土壤的質(zhì)量

式中1為耕前的土壤容重，g/cm3；2為耕后的土壤容重，g/cm3。

由圖9中的幾何關(guān)系可知：

聯(lián)立式（4）～（6）得

（7）

馬鈴薯培土的農(nóng)藝要求規(guī)定的主要參數(shù)有：行距為700～900 mm，壟底寬1為84～90 mm，壟頂寬0為310～400 mm，壟壁土壤自休止角為40°～50°。

根據(jù)馬鈴薯農(nóng)藝要求和實地測量壟作情況確定行距為800 mm，壟底寬1為85 mm，壟頂寬0為350 mm，壟壁土壤自休止角為45°。

將以上參數(shù)代入式（7）可確定培土器的高度為475 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件與設(shè)備

2018年6月3日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城試驗示范基地，進行驅(qū)動式馬鈴薯中耕機田間中耕作業(yè)性能試驗和對照試驗。該試驗地塊為旱作區(qū)，土壤類型為東北黑黏土，選取長度為500 m、寬度為200 m的地塊作為試驗區(qū)，土壤含水率為10.3%、土壤堅實度為909 kPa，試驗地塊長有雜草，馬鈴薯幼苗高度為150～200 mm，密度為7株/m2。地塊各處試驗條件基本相同。試驗設(shè)備主要包括TJSD-750型土壤堅實度測量儀（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，精度0.1 kPa）、TZS-2X-G土壤水分監(jiān)測儀（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）、直尺、卷尺、電子秤、環(huán)刀、電熱恒溫干燥箱等，試驗地塊參數(shù)如表2所示。

表2 試驗地塊土壤參數(shù)

3.2 試驗方法

驅(qū)動式馬鈴薯中耕機對指定地塊進行作業(yè)，平均作業(yè)速度為6 km/h，試驗現(xiàn)場如圖10所示，配套動力為約翰迪爾1354拖拉機（99.2 kW），為了更好說明所設(shè)計的驅(qū)動式馬鈴薯中耕機作業(yè)性能，增加與傳統(tǒng)機型的對照試驗。對照機型為1ZL5型馬鈴薯中耕機，該中耕機主要工作部件為開溝鏟和覆土鏵。在同一地塊依次進行驅(qū)動式馬鈴薯中耕機性能試驗與對照組試驗，試驗后考察作業(yè)質(zhì)量。本文參照國家標準JB/T7864-1999《旱田中耕追肥機試驗方法》規(guī)定的試驗方法與指標，選取碎土率、除草率、傷苗率、土壤蓬松度、油耗為試驗指標。

圖10 田間試驗

3.2.1 碎土率測定

在每一個行程隨機取一個測區(qū)，稱量中耕后0.5 m′0.5 m面積、0.2 m耕層內(nèi)直徑小于25 mm的土塊質(zhì)量和土壤總質(zhì)量，并以直徑小于25 mm的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比表示碎土率，共測3個行程，取平均值。計算方法如式（8）所示。

式中為碎土率，%；W為測區(qū)內(nèi)土壤總質(zhì)量，g；W為測區(qū)內(nèi)直徑小于25 mm的土塊質(zhì)量，g。

3.2.2 除草率測定

在試驗地隨機選取3個測定區(qū)域（長1 m×寬1 m），測定中耕前后每個測定區(qū)域內(nèi)雜草的株數(shù)。隨機進行5次重復(fù)，取平均值，計算公式如下：

式中為除草率，%；Q為中耕前測定區(qū)域內(nèi)雜草株數(shù)；H為中耕后測定區(qū)域內(nèi)雜草株數(shù)。

3.2.3 傷苗率測定

在試驗區(qū)內(nèi)往返行程上各取2點，在機具作業(yè)幅寬內(nèi)，長度為1 m的區(qū)域內(nèi)測定在該面積內(nèi)總株數(shù)。中耕作業(yè)后在測定區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計傷苗株數(shù)，隨機進行5次重復(fù)，取平均值，計算方法如式（10）所示。

式中為傷苗率，%；z為測定區(qū)域內(nèi)總苗數(shù)；M為測定區(qū)域內(nèi)傷苗總株數(shù)。

3.2.4 土壤蓬松度

土壤蓬松度是衡量土壤疏松或蓬松程度的單位。

在機具往返行程上隨機取2點，測定時在機具作業(yè)幅寬的寬度外插2根支架，加上標尺，用水平儀校正水平。測定中耕前后溝的底寬、上寬、邊坡角、深度及培土高度等，繪出耕前、耕后及溝底斷面曲線圖，測定中耕前后地面與溝底的斷面。隨機進行3次重復(fù)，取平均值，土壤蓬松度按式（11）計算。

式中為土壤蓬松度，%；A為中耕后土壟斷面面積，cm2；為中耕前土壟斷面面積，cm2。

3.2.5 油耗

燃油消耗量按式（12）計算。

式中G為單位作業(yè)面積的燃油消耗量，kg/hm2；G為生產(chǎn)查定班次的燃油消耗量，kg；Q為生產(chǎn)查定班次的作業(yè)面積，hm2。

3.3 試驗結(jié)果與分析

驅(qū)動式馬鈴薯中耕機性能試驗結(jié)果如表3所示。試驗結(jié)果表明：驅(qū)動式馬鈴薯中耕機作業(yè)后，碎土率為95.1% 、除草率為96.3%、傷苗率為1.2%、土壤蓬松度為49.3%、油耗為13.2 kg/hm2，滿足馬鈴薯中耕作業(yè)要求，機具可一次性完成深松碎土、鏟除雜草、培土起壟的復(fù)合性作業(yè)。

對照試驗表明：在東北黏重土壤情況下驅(qū)動式中耕機的碎土率、除草率、傷苗率、土壤蓬松度等作業(yè)效果均優(yōu)于對照組。傳統(tǒng)鋤鏟式中耕機碎土率為91.8%、除草率為93.2%。相較于傳統(tǒng)鋤鏟式中耕機，驅(qū)動式中耕機碎土率提高3.3個百分點、除草率提高3.1個百分點；由于安裝在碎土刀組上方的護罩可以控制土流方向，避免掩埋幼苗，與傳統(tǒng)鋤鏟式機型相比傷苗率降低1.6個百分點，培土器培土效果良好，較傳統(tǒng)鋤鏟式機型提高了作業(yè)后地塊土壤蓬松度；由于采用深松旋耕相結(jié)合的耕作方式，與傳統(tǒng)鋤鏟式機型18.4kg/hm2的油耗相比，驅(qū)動式中耕機油耗下降28.3%。

表3 驅(qū)動式馬鈴薯中耕機性能試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

根據(jù)馬鈴薯中耕要求，研制了一種適合東北地區(qū)粘重板結(jié)土壤的驅(qū)動式馬鈴薯中耕機，能一次完成深松碎土、鏟除雜草、側(cè)深施肥、培土起壟的復(fù)合作業(yè)。

1）設(shè)計了驅(qū)動式馬鈴薯中耕機關(guān)鍵部件，確定了深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)和碎土刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)，并將深松部件和旋轉(zhuǎn)部件結(jié)合成一個整體，使結(jié)構(gòu)更加緊湊、提高了作業(yè)效果。

2）設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的馬鈴薯培土器，確定了培土器工作面參數(shù)，其入土深度和入土角度都可根據(jù)田間復(fù)雜的土壤情況靈活調(diào)節(jié)，適應(yīng)性強、作業(yè)效果良好。

3）田間試驗結(jié)果表明:驅(qū)動式馬鈴薯中耕機作業(yè)后，碎土率為95.1% 、除草率為96.3%、傷苗率為1.2%、土壤蓬松度為21.5%、油耗為13.2 kg/hm2，均滿足相關(guān)標準性能評價指標,相較于傳統(tǒng)鋤鏟式中耕機其碎土率提高3.3個百分點、除草率提高3.1個百分點、傷苗率降低1.6個百分點、土壤蓬松度提高2.7個百分點、油耗降低28.3%，滿足馬鈴薯中耕農(nóng)藝要求。

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Design and experiment of driving-type crushing-weeding multi-functional potato cultivator

Lü Jinqing1, Liu Zhifeng1, Wang Pengrong1, Li Zihui1, Li Jicheng1, Liu Zhongyuan1, Yang Deqiu2

(1.150030,;2.100083,)

Potato is one of the fourth staple food crops in China. Medium tillage operations such as loosening soil, crushing soil, soil cultivation and weeding during the early seedling and middle growth stages of potatoes have a great influence on potato yield. The main functions of mid-tillage include loosening soil, enhancing soil permeability, preserving soil moisture and drought resistance, improving soil physical properties, improving soil fertility and eliminating weeds, and mid-tillage can resist lodging and increase crop yield. Potato mid-tillage production has a large amount of work and its operation process is limited by growing crops. Therefore, it is of great significance to develop a potato mid-tillage machine with high working efficiency and good operation effect. Aiming at the problems of low soil breaking rate, weeding rate and poor soil cultivation effect of traditional hoe-shovel type cultivator under the condition of soil cohesion and compaction, a driving potato cultivator which integrates the functions of deep loosening and crushing soil, weed eradication, side deep fertilization, soil cultivation and ridging is designed in this paper, the key parts of the machine and the structure of the deep loosening shovel, soil crusher and soil cultivator are designed and analysed. On the basis of design and analysis, field experiments are carried out. The machine is mainly composed of deep loose soil device, soil conservation device, fertilization device and transmission system. Eight blade dishes are installed symmetrically on the left and right sides of the blade shaft. Each blade dish is fixed with two soil breaking blades. The length of the soil breaking blade is 242 mm, the width of the soil breaking blade is 40 mm and the thickness of the soil breaking blade is 10 mm. In order to adapt to different kind of soil conditions, the adjustment range of the subsolier is 150-250 mm, the height of the subsolier is 560 mm. The test results show that the soil breaking rate of driving-type cultivator is 95.1%, weeding rate is 96.3% and the injury rate is 1.2%, the soil bulkiness is 21.5%, and the fuel consumption is 13.2 kg/hm2, which met the relevant performance evaluation indicators. Compared with the traditional hoe-shovel type cultivator, the soil breakingrate of, weeding rate and soil bulkiness of the driving-type cultivator increase by 3.3, 3.1 and 2.7 percentage points, injury rate and fuel consumption decrease by 1.6 percentage points and 28.3%. The operation effect of the driving-type cultivator has been improved significantly, exceeding the national standards and meeting the requirements of potato cultivation and agronomy. This research results can provide a reference for the development of potato cultivators.

agricultural machinery; design; experiments; potato; cultivator; driving-type

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.001

S233.2

A

1002-6819(2019)-10-0001-08

2018-12-06

2019-02-17

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0701600、2017YFD0700705)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金項目（CARS-09-P23）；北方馬鈴薯全程機械化科研基地項目（2017-A2231-230112-G1302-008）

呂金慶，研究員，國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，主要從事馬鈴薯新型技術(shù)及裝備方面研究。Email：ljq8888866666@163.com

呂金慶，劉志峰，王鵬榕，李紫輝，李季成，劉中原，楊德秋.驅(qū)動式碎土除草多功能馬鈴薯中耕機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(10)：1－8. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.001 http://www.tcsae.org

Lü Jinqing, Liu Zhifeng, Wang Pengrong, Li Zihui, Li Jicheng, Liu Zhongyuan, Yang Deqiu.Design and experiment of driving-type crushing-weeding multi-functional potato cultivator [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 1－8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.001 http://www.tcsae.org