王瑩 李光 劉鴻雁 王華澤 張沖

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

引言

球面圓盤耙片作為優(yōu)質(zhì)的機(jī)械化保護(hù)性耕作主要采用關(guān)鍵部件,具有松碎閥土、平整地表、切斷秸稈、粉碎根茬、混和作物殘茬與土壤等作用[1-3]。在秸稈全量覆蓋還田的條件下,圓盤耙片通過大馬力拖拉機(jī)的牽引能夠?qū)崿F(xiàn)高速混埋作業(yè)。這種作業(yè)方式的技術(shù)實(shí)質(zhì)是利用圓盤耙片的切斷和混埋功能實(shí)現(xiàn)秸稈殘茬部分覆蓋地表,部分混埋耕層里,以達(dá)到減少風(fēng)蝕水蝕,加速秸稈腐爛,增加土壤有機(jī)質(zhì),培肥地力的目的[4,5]。耙片偏角作為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,對(duì)圓盤耙整機(jī)作業(yè)效果有著顯著影響,本文設(shè)計(jì)了具有偏角調(diào)節(jié)功能的圓盤耙片連接部件,通過研究耙片偏角對(duì)秸稈與土壤混埋效果的影響,為圓盤耙聯(lián)合作業(yè)機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 耙片選型

耙片分為無缺口和缺口耙片2 種,如圖1 所示。無缺口的耙片制造簡(jiǎn)單、磨刃方便。缺口耙片在耙片外緣有6～12 個(gè)三角形、梯形或半圓形的缺口,耙片凸面周邊磨刃,缺口部位也磨刃,由于缺口耙片減小了周緣的接地面積,因而入土、切碎土塊、切斷秸稈和殘茬的能力較強(qiáng)[6]。因此選用缺口耙片進(jìn)行秸稈與土壤混埋試驗(yàn)。

2 連接部件的選型

傳統(tǒng)的耙片連接方式是用通軸成串連接,并采用米字型對(duì)置或偏置排列,耙片偏角統(tǒng)一調(diào)節(jié),沒有傾角。近些年從國(guó)外引進(jìn)的先進(jìn)圓盤耙聯(lián)合整地機(jī)多采用的是獨(dú)立圓盤耙單體與機(jī)架進(jìn)行連接,獨(dú)立圓盤耙單體自帶偏角和傾角,不可調(diào)節(jié),可平行排列安裝,占用空間小,安裝維修方便,仿行效果好。圓盤耙單體連接方式按結(jié)構(gòu)和緩沖方式大體分為3 種,如圖2所示,橡膠柱式、C 型彈簧式、螺旋彈簧式。其中,橡膠柱式利用橡膠柱來實(shí)現(xiàn)耙片組與機(jī)架總成之間的撓性連接,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全效果好的特點(diǎn)；C 型彈簧式中采用的C 型板簧具有獨(dú)立仿形、緩沖、減震作用,結(jié)構(gòu)合理、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)；螺旋彈簧式采用張力大的螺旋柱狀彈簧,能夠保持作業(yè)工作深度一致性,使用壽命比其它連接方式長(zhǎng),獨(dú)特的曲柄結(jié)構(gòu)使得機(jī)架離地距離比較大,整機(jī)通過性好。綜合3 種連接方式的特點(diǎn)選取螺旋彈簧式連接形式的部件,但已有螺旋彈簧式連接部件不具備偏角調(diào)節(jié)功能,需要改機(jī)設(shè)計(jì)才能滿足試驗(yàn)要求。

3 連接部件改進(jìn)設(shè)計(jì)

連接部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)在兼顧仿形、偏角調(diào)節(jié)、連接強(qiáng)度的同時(shí),還要滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn),新設(shè)計(jì)的耙片連接機(jī)構(gòu)如圖3 所示。這個(gè)機(jī)構(gòu)使圓盤耙片連接部件實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立仿形,具有固定傾角,偏角可調(diào)節(jié)等功能。

改進(jìn)設(shè)計(jì)的連接部件偏角調(diào)節(jié)的過程是利用調(diào)節(jié)塊內(nèi)五邊形與旋轉(zhuǎn)軸外五邊形臺(tái)肩形成固定配合,通過調(diào)整調(diào)節(jié)塊外側(cè)五邊形5 個(gè)接觸面分別與上支臂桿內(nèi)側(cè)立面形角度配合,調(diào)節(jié)范圍為5°、10°、15°、20°、25°,如圖4 所示。組裝在試驗(yàn)機(jī)架上的連接部件,如圖5 所示。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間為2019 年10 月16 號(hào),地點(diǎn)為吉林省農(nóng)安縣開安鎮(zhèn),動(dòng)力為美國(guó)凱斯拖拉機(jī)2104,試驗(yàn)樣機(jī)采用直徑為621mm 的耙片(選購(gòu)于江蘇鹽城鐵桿子機(jī)械制造有限公司),試驗(yàn)樣機(jī)作業(yè)速度為8km·h-1,作業(yè)深度為15mm,作業(yè)幅寬為2.4m,機(jī)收粉碎后秸稈長(zhǎng)度小于20cm 占85%以上,秸稈覆蓋率為93.2%,土壤含水率21.3%,土壤堅(jiān)實(shí)度634kPa,如圖6 所示。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)值

圓盤耙片作業(yè)時(shí)同時(shí)完成整地作業(yè)和秸稈混埋作業(yè)。參照保護(hù)性耕作機(jī)械-圓盤耙(GB/T 24675.4-2009)[7],確定整地作業(yè)效果指標(biāo)為耕深合格率、碎土率、耕后地表平整度、耕后溝底平整度和滅茬率；衡量秸稈混埋作業(yè)效果的指標(biāo)值確定為秸稈覆蓋率、秸稈混埋深度和地表秸稈均勻度。

4.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行3 次,每次作業(yè)長(zhǎng)度為50m,通過運(yùn)動(dòng)相機(jī)Gopro 及試驗(yàn)人員的觀察對(duì)圓盤耙作業(yè)效果進(jìn)行判定,并對(duì)整地效果和秸稈混埋效果關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。整地指標(biāo)參考測(cè)定方法GB/T 24675.4-2009,秸稈混埋作業(yè)效果指標(biāo)測(cè)定沒有標(biāo)準(zhǔn)可供參考方法,制定方法:地表秸稈覆蓋率采用數(shù)點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)定,每次測(cè)定總數(shù)為120 個(gè),每組進(jìn)行3 次測(cè)量,刪除不合理數(shù)據(jù)后取均值；秸稈混埋深度測(cè)定先用兵工鏟挖出土層剖面,然后用鋼板尺對(duì)混埋深度進(jìn)行測(cè)量,每組測(cè)量需進(jìn)行5 次,取平均值；地表秸稈均勻度由科研人員對(duì)作業(yè)情況進(jìn)行定性觀察、分析探討,確定秸稈均勻度的分值。地表秸稈均勻度可分為1～4 分:1 分表示出現(xiàn)秸稈歸行現(xiàn)象,秸稈與土壤沒有混合,秸稈堆積在土壤上,呈現(xiàn)條帶分布；2 分表示出現(xiàn)秸稈成片堆積現(xiàn)象,仍有秸稈與土壤混合；3 分表示地表秸稈與土壤混合較為充分,但偶爾出現(xiàn)有秸稈堆積現(xiàn)象；4 分表示地表秸稈與土壤混合十分均勻,沒有出現(xiàn)秸稈堆積、歸行現(xiàn)象。

5 結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)得到不同圓盤耙偏角作業(yè)后的技術(shù)指標(biāo),結(jié)果見表1。

由表1 數(shù)據(jù)可知,隨著耙片偏角的增大,地表秸稈覆蓋率減少明顯,秸稈混埋深度增加顯著,地表秸稈均勻度有所提高,分析產(chǎn)生原因?yàn)榘移窃酱?有利于耙片入土,混埋深度增大,從而導(dǎo)致混埋到耕層里的秸稈量增多,地表秸稈量減少,使得秸稈土壤翻埋效果增強(qiáng),加大了混合中土量的占比,使得秸稈與土壤充分混合,耕后地表秸稈分布均勻度提高,混埋到土壤中的秸稈也越均勻；隨著耙片偏角增大,耕后地表平整度標(biāo)準(zhǔn)差和溝底平整度的標(biāo)準(zhǔn)差減小,耕深合格率、碎土率和滅茬率增高,說明偏角越大,單位幅寬內(nèi)土壤擾動(dòng)率越大,土垡和殘茬在2 排耙片的切割和翻拋?zhàn)饔孟录?lì)碰撞,導(dǎo)致滅茬和碎土等綜合效果明顯增強(qiáng)；在試驗(yàn)可選范圍內(nèi)α=25°混埋的綜合效果最好。

表1 圓盤耙偏角試驗(yàn)

6 結(jié)論

通過耙片偏角對(duì)機(jī)具作業(yè)效果進(jìn)行試驗(yàn)性研究,結(jié)果表明,在試驗(yàn)范圍內(nèi)耙片偏角的增大可以提高機(jī)具整地作業(yè)效果和秸稈混埋效果；得出可以實(shí)現(xiàn)最佳試驗(yàn)作業(yè)效果偏角角度為25°,這些數(shù)據(jù)為整機(jī)的定型設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。