黏重土壤精旋起壟一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 濤，李 英，張曉春，魏 靈，龐有倫，李 平，唐興隆，周玉華

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，重慶 401329；2.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院特色作物研究所，重慶 402160)

壟作栽培是通過開溝或起壟等整地技術(shù)，使土壤剖面呈波浪型，具有集雨、保墑，改善作物通風(fēng)、透光，增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在玉米、小麥等作物種植上廣泛應(yīng)用[1-2]。近年來重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院開展的稻田壟作栽培技術(shù)取得了重要成果，相比傳統(tǒng)平作極大地提高了稻田受光面積和復(fù)種指數(shù)，同時(shí)有利于稻田排水、根系生長(zhǎng)及改良土壤生態(tài)環(huán)境[3-4]。為了更好地在西南丘陵山區(qū)推廣壟作栽培模式、改良稻田土壤表層結(jié)構(gòu)，高碎土率和低阻力的黏重土壤旋耕起壟機(jī)械研究迫在眉睫。

目前，針對(duì)旋耕、起壟等整地機(jī)械的研究成果眾多，并且技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛[5-6]。包攀峰等[7]針對(duì)南方稻田開發(fā)了一款犁旋組合式油菜播種開溝起壟機(jī)，并得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)；趙艷忠等[8]研制了一款帶狀深松滅茬機(jī)，并對(duì)深松、壟臺(tái)成型部件進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；史增錄等[9]針對(duì)全膜雙壟溝種植農(nóng)藝要求研制的起壟施肥鋪膜一體機(jī)，功能多元、作業(yè)性能穩(wěn)定；郭麗君等[10]在保護(hù)性耕作基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的壟上深松滅茬起壟機(jī)，降低了動(dòng)土量和土壤擾動(dòng)；LARSON等[11]利用電位差原理對(duì)深松機(jī)進(jìn)行降阻設(shè)計(jì)；鄭侃等[12]研究了作業(yè)次序?qū)φ刭|(zhì)量和功耗的影響規(guī)律；WEISE等[13]系統(tǒng)研究耕、整地機(jī)械能量消耗規(guī)律，建立了機(jī)具前進(jìn)速度與能量消耗之間的數(shù)學(xué)模型；秦寬等[14]根據(jù)稻麥輪作農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一款犁翻旋耕復(fù)式作業(yè)整地機(jī)，并借助EDEM軟件對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行虛擬仿真，耕作性能指標(biāo)均達(dá)到90%以上；林靜等[15]針對(duì)遼西地區(qū)耕層土壤板結(jié)、保墑能力低等問題，設(shè)計(jì)了1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)，通過試驗(yàn)得到了最佳作業(yè)參數(shù)。耕整地技術(shù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)具有重要影響[16-19]，西南丘陵山區(qū)土壤含水率大且黏重板結(jié)，耕作時(shí)與觸土部件粘性較強(qiáng)，耕作阻力大，一般需進(jìn)行2次以上整地作業(yè)，才能達(dá)到待播條件[20]。由于作業(yè)環(huán)境和農(nóng)藝要求的差異性，使得現(xiàn)有旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的作業(yè)性能并不能完全適應(yīng)于西南稻田壟作栽培技術(shù)要求。為此，在融合稻田壟作栽培技術(shù)、高碎土率和植被覆蓋率等工作性能基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款黏重土壤精旋起壟一體機(jī)，重點(diǎn)對(duì)深旋裝置、碎土裝置、成壟部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析，并進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)，以期為該種植模式推廣起支撐作用。

1 農(nóng)藝要求及設(shè)計(jì)思路

稻田壟作栽培模式具體如圖1所示，起壟要求為每個(gè)壟廂平均寬度b0=1150 mm，其中壟頂寬度b1=750～800 mm，溝面寬度b2=150 mm，壟高h(yuǎn)=250～280 mm。該栽培模式主要思路為水稻收獲后通過滅茬機(jī)將稻桿粉碎還田，并旋耕起壟，用于種植秋冬季作物，作物收獲后，直接免耕旱直播水稻，利用旱播水管的方式進(jìn)行水稻生產(chǎn)，從而提高耕地復(fù)種指數(shù)和降低作業(yè)成本。因此，根據(jù)該種植模式及西南黏重土壤特性，本研究設(shè)計(jì)的精旋起壟一體機(jī)作業(yè)效果需滿足以下基本要求：1)植被覆蓋率達(dá)到80%以上，便于稻桿更好地腐熟分解；2)壟面土壤破碎率達(dá)到75%以上；3)壟面土壤平整度小于3 cm。

注：b為工作幅寬，2 300 mm;b0為壟中心距，1 150 mm；b1為壟面寬度，750～800 mm；b2為溝面寬度，150 mm；h為壟高，250～280 mm；h0為開溝深度；α為壟壁傾角，70°。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系

黏重土壤精旋起壟一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。作業(yè)時(shí)該機(jī)懸掛于拖拉機(jī)后方，可一次完成旋耕、碎土、起壟等工序。機(jī)具主要包括機(jī)架、懸掛裝置、深旋裝置、碎土裝置、起壟裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)架是所有部件的安裝載體，上方安裝有變速箱和懸掛裝置；兩側(cè)通過定位圓孔安裝有深旋裝置和碎土裝置，且碎土裝置安裝位置在旋耕裝置的后上方；后方設(shè)計(jì)有兩個(gè)對(duì)稱起壟裝置，主要由碎土裝置兩側(cè)的成壟犁和后方的成壟部件構(gòu)成。

1.成壟部件；2.碎土裝置；3.蓋板；4.懸掛裝置；5.變速箱；6.機(jī)架；7.深旋裝置

各裝置及部件在整機(jī)中裝配關(guān)系如圖3所示。深旋裝置與碎土裝置軸心水平距離為340 mm，高度差為120 mm，回轉(zhuǎn)半徑分別為280、140 mm，深旋裝置端板高度為320 mm，碎土裝置端側(cè)板高度為480 mm，機(jī)架中深旋和碎土裝置大梁分別采用100 mm×100 mm方管和100 mm×60 mm矩管，機(jī)架總跨度為740 mm，整機(jī)中無干涉，結(jié)構(gòu)緊湊合理。

圖3 整機(jī)裝配關(guān)系示意圖

2.2 工作原理

先將精旋起壟一體機(jī)通過三點(diǎn)懸掛安裝在拖拉機(jī)尾部，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳至變速箱，變速箱下方兩側(cè)有輸出軸帶動(dòng)深旋裝置工作，同時(shí)在上部接出輸出軸，通過鏈條、鏈輪、過橋軸等部件帶動(dòng)碎土裝置工作。作業(yè)時(shí)，隨著機(jī)具前進(jìn)，深旋裝置將土壤翻起破碎，起壟裝置兩側(cè)的起壟犁將土壤向中間翻垡，形成壟溝和壟面，同時(shí)后方碎土裝置將表層土壤進(jìn)行二次破碎，避免黏重稻田土壤板結(jié)，在成壟部件的作用下形成平整及有利于播種和作物生長(zhǎng)的壟面。該機(jī)有效幅寬為2 300 mm，配套動(dòng)力在68.76 kW以上，其他具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 黏重土壤精旋起壟一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 深旋裝置

3.1.1 結(jié)構(gòu)組成 深旋裝置主要起打破土壤耕作層，將秸稈深埋還田、破碎土壤和平整土地的作用。該裝置結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示，主要由變速箱、刀軸、旋耕刀等部件組成，其中刀軸為直徑80 mm空心管，在刀軸上焊接有刀座，便于旋耕刀安裝與更換。

1.旋耕刀；2.萬向節(jié)；3.變速箱；4.動(dòng)力輸出軸；5.深旋刀軸

為提高傳動(dòng)和刀軸受力穩(wěn)定性，該裝置采用中央變速箱傳動(dòng)，拖拉機(jī)通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳至變速箱，經(jīng)過90°變向和多級(jí)減速后，深旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為260 r·min-1。

3.1.2 旋耕刀排布 深旋裝置旋耕刀在刀輥上的排布如圖5所示(見256YE頁(yè))。為避免漏耕和壅土，提高碎土率和地表平整度，采用雙螺旋線交替排列方式安裝旋耕刀，同一平面有左和右旋耕刀，其相位角差值為120°，保證旋耕刀交替入土。以變速箱為中心對(duì)稱分布，刀輥總長(zhǎng)為2 280 mm，每隔60 mm安裝一對(duì)旋耕刀，總共安裝有33對(duì)。

圖5 旋耕刀排布圖

3.1.3 旋耕刀選擇 受復(fù)雜作業(yè)環(huán)境影響，旋耕刀需有高耐磨性和抗折強(qiáng)度，本研究選用旋耕刀結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖6所示。旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R=280 mm，正切面高度h1=60 mm，耕作幅寬b3=60 mm，采用65Mn鋼鍛造和熱處理，保證硬度為50～55 HRC。工作時(shí)切削刃和正切面先后切入土壤中，進(jìn)行切削、擠壓、拋甩等過程[21]。

圖6 旋耕刀結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3.2 碎土裝置

3.2.1 結(jié)構(gòu)組成及土壤運(yùn)動(dòng)過程 由于雙行起壟，碎土裝置設(shè)計(jì)為對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，主要由起壟犁、機(jī)架、刀盤、碎土刀、碎土刀軸組成，具體如圖7所示。刀軸為中間空心、兩端焊接實(shí)心臺(tái)階軸的設(shè)計(jì)方式，空心軸為外徑60 mm、內(nèi)徑48 mm的Q235熱軋無縫鋼管；刀盤焊接在中間空心刀軸上，直徑為185 mm，刀盤間距180 mm。由于標(biāo)準(zhǔn)要求碎土作業(yè)后土塊長(zhǎng)度小于40 mm，因此兩個(gè)刀尖之間的間隙為32 mm，碎土刀用螺栓固定，其回轉(zhuǎn)半徑為140 mm。起壟犁主要是借助犁鏵的翻轉(zhuǎn)和開溝原理，使土壤從溝底傾斜提升翻壓，堆積形成壟狀，保證土壤不滑落至溝底。深旋與翻垡作業(yè)時(shí)土壤會(huì)產(chǎn)生一定的蓬松，因此起壟犁高度需高于壟體高度，其值設(shè)計(jì)為480 mm，起壟犁末端結(jié)構(gòu)為圓弧狀，在后接成壟部件的作用下形成梯形壟，整體采用加強(qiáng)筋和螺栓與機(jī)架固定，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和便于維修。

1.起壟犁；2.機(jī)架；3.刀盤；4.碎土刀；5.碎土刀軸

前置深旋裝置對(duì)深層土壤連續(xù)剪切、撞擊、撕裂、拋擲等作用后，土壤變得細(xì)碎和蓬松，土壤抬升；后接碎土裝置對(duì)土壤進(jìn)行翻垡、擠壓、抬升、破碎等作用后，兩側(cè)土壤緊實(shí)，可避免壟體土壤回落，同時(shí)壟體上播種區(qū)域更加細(xì)碎，便于作物生根發(fā)芽，作業(yè)后土壤斷面如圖8所示。

由圖8可得，經(jīng)深旋、碎土、翻垡作業(yè)后單壟土壤斷面面積為：

注：h1為深旋、碎土、翻垡作業(yè)后壟高；h2為深旋深度；d為溝面寬；l1為深旋、碎土、翻垡作業(yè)后壟頂寬；l2為深旋、碎土、翻垡作業(yè)后壟底寬。

(1)

式中，S1為單壟斷面面積(cm2)；l1為深旋、碎土、翻垡作業(yè)后壟頂寬(cm)；l2為深旋、碎土、翻垡作業(yè)后壟底寬(cm)；d為溝面寬(cm)；h1為深旋、碎土、翻垡作業(yè)后壟高(cm)。

形成單壟前土壤斷面面積為：

S2=l2×h2

(2)

式中，S2為工作部件作業(yè)的土壤斷面面積(cm2)；h2為深旋深度(cm)。

理論分析，作業(yè)前后土壤體積應(yīng)不變，S1與S2相等，但由于翻垡、碎土后土壤密度減小，土壤疏松，則土壤蓬松系數(shù)λ為：

(3)

根據(jù)設(shè)計(jì)，l1、l2、h1、h2、d分別取值75、115、36、14、15 cm，則計(jì)算得到土壤蓬松系數(shù)等于1.957。

3.2.2 碎土裝置運(yùn)動(dòng)分析 碎土裝置工作時(shí)，碎土刀運(yùn)動(dòng)由直線和勻速圓周運(yùn)動(dòng)合成，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。

注：ω為碎土刀軸角速度；vm為機(jī)具前進(jìn)速度；N(x,y)為碎土刀刃點(diǎn)實(shí)時(shí)位置；ωt為碎土刀刃點(diǎn)在時(shí)間t時(shí)與水平面的夾角。

以初始狀態(tài)下刀軸軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，則碎土刀刃點(diǎn)N(x,y)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

式中，t為時(shí)間(s)；vm為機(jī)具前進(jìn)速度(m·s-1)；r為碎土刀回轉(zhuǎn)半徑(m)；ω為碎土裝置刀軸角速度(rad·s-1)。

以時(shí)間t為變量對(duì)式(4)求導(dǎo)，得到刀刃點(diǎn)N在x方向和y方向的實(shí)時(shí)速度為：

(5)

則碎土刀刃上點(diǎn)N實(shí)時(shí)絕對(duì)速度為：

(6)

式中，vN為碎土刀刃點(diǎn)N的實(shí)時(shí)絕對(duì)速度(m·s-1)。

碎土裝置入土過程如圖10所示，則其入土角為：

注：r為碎土刀回轉(zhuǎn)半徑；θ為碎土刀入土角；H為入土深度。

(7)

式中，θ為碎土刀入土角(rad)；t0為入土?xí)r間(s)；H為入土深度(mm)。

將公式(7)代入公式(5)中，可得：

(8)

式中，v0為入土?xí)rx方向的速度(m·s-1)。

將公式(8)中角速度用轉(zhuǎn)速進(jìn)行代換，得到：

(9)

式中，n為刀軸轉(zhuǎn)速(r·min-1)。

由公式(9)可得轉(zhuǎn)速與碎土刀回轉(zhuǎn)半徑成反比，入土?xí)r，碎土刀刃x方向速度v0應(yīng)為零，碎土裝置回轉(zhuǎn)半徑140 mm，入土深度60 mm，計(jì)算得到該裝置轉(zhuǎn)速n最小為180 r·min-1，本設(shè)計(jì)為提高碎土質(zhì)量，碎土裝置轉(zhuǎn)速設(shè)為430 r·min-1，滿足理論分析要求。

3.2.3 切土節(jié)距和切削面刀片數(shù) 切土節(jié)距是影響土壤顆粒粒徑大小的重要指標(biāo)。土壤顆粒越細(xì)碎，越有利于作物生長(zhǎng)，同時(shí)小顆粒土壤之間填充緊密，易形成穩(wěn)定土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，保證成壟時(shí)壟形整齊統(tǒng)一。切土節(jié)距與同一旋轉(zhuǎn)切削面刀具數(shù)量滿足[22]：

(10)

式中，S為切土節(jié)距(mm)；Z為每盤刀具數(shù)。

由上式可得作業(yè)速度越低、刀片數(shù)和刀軸轉(zhuǎn)速越大，則切土節(jié)距越小，碎土效果越好。根據(jù)農(nóng)藝要求，設(shè)定切土節(jié)距S=40 mm，vm=0.8 m·s-1，n=430 r·min-1，代入式(10)得刀片數(shù)Z=2.79≈3，因此，在刀盤兩側(cè)對(duì)稱安裝碎土刀，每側(cè)安裝3把。

3.2.4 碎土刀結(jié)構(gòu) 根據(jù)碎土深度及整機(jī)尺寸允許值對(duì)碎土刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)采用L型，其豎向總長(zhǎng)度為170 mm，折彎角度為110°，橫向總長(zhǎng)度即幅寬為70 mm，刀片寬度與厚度分別為45 mm和6 mm，具體如圖11所示。為減小刀具入土沖擊和磨損，提高切碎質(zhì)量和剛度，選用65Mn鋼進(jìn)行磨刃口、鍛壓、鉆孔、淬火和回火等處理，成型后刃口厚度為0.8 mm，刀片表面硬度為53 HRC，滿足高強(qiáng)度高耐磨要求。

圖11 碎土刀結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 成壟部件

成壟部件總體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

1.連接板；2.螺栓孔；3.加強(qiáng)筋；4.梯形成壟罩

主要由梯形成壟罩、加強(qiáng)筋、連接板等組成。通過對(duì)10 mm鋼板進(jìn)行剪裁、折彎、焊接等工藝加工而成，為了保證成壟罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在兩側(cè)焊接有三角形加強(qiáng)筋，整體通過螺栓與機(jī)架進(jìn)行固定。根據(jù)壟形參數(shù)及與土壤作用過程，將成壟罩設(shè)計(jì)成前寬后窄、上窄下寬的梯形箱體結(jié)構(gòu)，前端部梯形上邊長(zhǎng)900 mm，下邊長(zhǎng)1160 mm，高400 mm，后端部梯形上邊長(zhǎng)800 mm，下邊長(zhǎng)1 000 mm，高300 mm，罩體長(zhǎng)度為300 mm，為減少罩體后端部與土壤摩擦及影響成壟效果，在其底端進(jìn)行半徑60 mm的圓弧處理。成壟部件是起壟效果的重要因素，具有保證壟形整齊統(tǒng)一和防止土壤回落溝底的作用。成壟罩體的長(zhǎng)度與機(jī)具前進(jìn)速度、壟高有重要關(guān)系，土壤在旋耕起壟時(shí)從最高到最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡滿足式[23]：

(11)

式中，l為成壟罩最小長(zhǎng)度(m)；vh為土壤顆粒下降速度(m·s-1)；h為土壤下降高度(m)；g為重力加速度(m·s-2)。

其中機(jī)具前進(jìn)速度vm=0.8 m·s-1，壟高h(yuǎn)=280 mm，通過公式(11)計(jì)算得到成壟罩體最小長(zhǎng)度l=210 mm，本設(shè)計(jì)取值為300 mm，滿足理論分析要求。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與條件

為驗(yàn)證黏重土壤精旋起壟一體機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，于2020年9月在重慶市九龍坡區(qū)白市驛鎮(zhèn)西南丘陵山區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新中心試驗(yàn)基地(106°20′E，29°19′N，海拔300 m)進(jìn)行了整機(jī)田間試驗(yàn)，如圖13所示。試驗(yàn)地總面積為0.53 hm2，分為兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，前茬作物分別為水稻和油菜，試驗(yàn)前進(jìn)行了一道滅茬作業(yè)。試驗(yàn)地為黃壤土，0～15 cm土壤含水率平均為17.16%，土壤堅(jiān)實(shí)度為845.93 kPa，田面較為平整，表層有0.5～3.5 cm粉碎秸稈覆蓋，秸稈長(zhǎng)約1.0～6.0 cm。選用久保田L(fēng)D954K1-QS型拖拉機(jī)對(duì)該機(jī)進(jìn)行掛接，總動(dòng)力為70.8 kW，機(jī)具工作期間平均氣溫為26.0℃，作業(yè)前進(jìn)行半小時(shí)高低轉(zhuǎn)速空載測(cè)試，整機(jī)無異響、打齒、晃動(dòng)等現(xiàn)象，運(yùn)行平穩(wěn)。作業(yè)時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度為0.6～0.8 m·s-1，樣機(jī)田間作業(yè)過程如圖13a所示。

圖13 樣機(jī)田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

針對(duì)西南丘陵山區(qū)黏重土壤特性，設(shè)計(jì)的精旋起壟一體機(jī)主要功能是疏松土壤、增強(qiáng)土壤通透性、破碎根土結(jié)合體、形成壟體。依據(jù)JB/T8401.2-2007《旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械旋耕深松滅茬起壟機(jī)》和JB/T10295-2014《深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求[24-25]，選取耕作性能、起壟性能、土壤性質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)作業(yè)效果。其中耕作性能中土壤蓬松度測(cè)定方法為耕前在地表最高點(diǎn)以上取一水平基準(zhǔn)線，并測(cè)量作業(yè)前后水平基準(zhǔn)線至地表的距離，計(jì)算公式為：

(12)

式中，pt為土壤蓬松度(%)；d1為作業(yè)前水平基準(zhǔn)線至地表的距離(mm)；d0為作業(yè)后水平基準(zhǔn)線至地表的距離(mm)。

地表平整度測(cè)定方法為耕后將某一行程分成10等分，測(cè)量各等點(diǎn)至水平基準(zhǔn)線的距離，并以標(biāo)準(zhǔn)差表示；碎土率主要針對(duì)壟面而言，因此選取壟面0.25 m2面積內(nèi)10 cm深的土塊，以最長(zhǎng)邊小于40 mm土塊質(zhì)量占總質(zhì)量百分比表示，計(jì)算公式為：

(13)

式中，St為碎土率(%)；m1為測(cè)區(qū)土壤總質(zhì)量(g)；m0為測(cè)區(qū)最長(zhǎng)邊大于40 mm土塊質(zhì)量(g)。

耕深穩(wěn)定性測(cè)定方法為在壟面上每隔2 m為1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共選取10個(gè)點(diǎn)，采用耕深尺測(cè)定旋耕深度，并以變異系數(shù)表示；植被覆蓋率測(cè)定方法為作業(yè)前后在1 m2面積中緊貼地面剪下露出地表的植被，稱其質(zhì)量，計(jì)算公式為：

(14)

式中，F(xiàn)t為植被覆蓋率(%)；m2為作業(yè)前植被質(zhì)量(g)；m3為作業(yè)后植被質(zhì)量(g)。

成壟性能測(cè)定隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，直接測(cè)量壟體頂寬、高、溝面寬，并用變異系數(shù)表示壟頂寬穩(wěn)定系數(shù)、壟高穩(wěn)定系數(shù)、溝面寬穩(wěn)定系數(shù)。土壤性質(zhì)評(píng)價(jià)用環(huán)刀和烘干法測(cè)定作業(yè)前后土壤容重和含水率。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)50 m，兩端各10 m為提速和減速區(qū)，中間30 m為數(shù)據(jù)采集區(qū)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 成壟性能 精旋起壟一體機(jī)起壟性能如表2所示。前茬作物為油菜和水稻的壟頂寬穩(wěn)定性系數(shù)平均值分別為96.87%和95.64%，壟高穩(wěn)定性系數(shù)平均值分別為95.43%和91.24%，溝面寬穩(wěn)定性系數(shù)平均值分別為90.32%和87.86%，除溝面寬穩(wěn)定性系數(shù)較低以外，其他各項(xiàng)成壟性能指標(biāo)優(yōu)良，主要是由于拖拉機(jī)在行進(jìn)中輪胎具有一定滑移，造成溝面寬統(tǒng)一性較低。由于壟兩側(cè)受起壟犁堆壓和黏重土壤影響，因此起壟后土壤回落量少，整體上壟型飽滿、平整，無高低、寬窄壟現(xiàn)象，作業(yè)后起壟及耕作質(zhì)量如圖13b所示。

表2 精旋起壟一體機(jī)田間起壟性能

4.3.2 耕作性能 精旋起壟一體機(jī)耕作性能如表3所示。前茬作物為油菜和水稻的土壤蓬松度平均值分別為22.39%和18.84%，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于40%的要求，能有效疏松土壤和蓄水保墑；地表平整度平均值分別為1.85 cm和2.27 cm，碎土率平均值分別為93.35%和91.28%，對(duì)于黏重土壤而言，表層土壤越細(xì)，越有利于作物根系生長(zhǎng)和降低土壤板結(jié)問題，田地越平整越可有效減少地表徑流；植被覆蓋率平均值為86.96%和83.67%，說明能夠充分將雜草和秸稈翻入土壤中，有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)和作物機(jī)械化播種；耕深穩(wěn)定性平均值為87.64%和83.58%，純工作效率分別為0.42 hm2·h-1和0.38 hm2·h-1。綜上，該機(jī)在兩種前茬作物條件下耕作性能穩(wěn)定，前茬作物水稻地的碎土率和植被覆蓋率均低于油菜，主要是由于水稻地塊板結(jié)嚴(yán)重，而且收獲時(shí)為半喂入方式，殘留秸稈較多，但整體上均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，而且有助于改良黏重土壤物理結(jié)構(gòu)。

表3 精旋起壟一體機(jī)田間耕作性能

4.3.3 土壤含水率和容重 土壤含水率和容重測(cè)定結(jié)果如表4所示。作業(yè)前，前茬作物為油菜和水稻的0～15 cm土層土壤含水率分別為16.94%和17.38%；作業(yè)后，其值分別為14.65%和15.82%，分別降低了13.52%和8.98%；同時(shí)作業(yè)前土壤容重分別為1.43 g·cm-3和1.52 g·cm-3，作業(yè)后其值分別為1.19 g·cm-3和1.34 g·cm-3，分別降低了16.78%和11.84%，分析其原因可能是精旋起壟一體機(jī)作業(yè)后對(duì)表層土壤擾動(dòng)較大，使其土壤細(xì)碎更易跑墑，但對(duì)于黏重土壤水分和容重的降低，更有助于土壤顆粒疏散，提高土壤通透性。

表4 作業(yè)前后0～15 cm土層土壤含水率和容重

5 結(jié) 論

1)針對(duì)西南黏重土壤稻田壟作種植模式要求，研制了一款精旋起壟一體機(jī)，一次實(shí)現(xiàn)旋耕、碎土、起壟等作業(yè)，該機(jī)能較好解決黏重土壤碎土率和植被覆蓋率低、成壟效果差等作業(yè)難題。

2)該機(jī)主要由深旋裝置、碎土裝置、成壟部件等組成，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮各裝置之間裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，分析確定深旋和碎土裝置軸心水平距離為340 cm，高度差為120 cm，轉(zhuǎn)速分別為260、430 r·min-1，成壟部件長(zhǎng)度為300 mm，并建立了作業(yè)過程土壤斷面模型和碎土刀運(yùn)動(dòng)軌跡。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在前茬作物為水稻或油菜條件下，壟寬、壟高、溝面寬穩(wěn)定性系數(shù)平均值分別為96.26%、93.34%、89.09%，地表平整度、碎土率、植被覆蓋率分別為2.06 cm、92.32%、85.32%，起壟及耕作性能均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可滿足稻田壟作農(nóng)藝技術(shù)要求和待播作業(yè)質(zhì)量；作業(yè)后土壤容重和含水率分別降低了14.31%和11.25%，對(duì)黏重土壤的土層結(jié)構(gòu)和通透性有一定的改善作用。