GFY-200型经济绿肥粉碎翻压复式机设计与试验*

游兆延，吴惠昌，高学梅，王公仆，于向涛，胡润

(1. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014； 2. 池州市农业科学研究所，安徽池州，247000)

0 引言

经济绿肥是指既能生产出较多农产品而获得较高的直接经济效益，又能生产出大量的副产品耕沤入土作绿肥的农作物[1]。近年来，国家坚持农业绿色发展新理念，深入推进化肥农药减量减施，以紫云英为代表的经济绿肥种植具有改良土壤、提升农产品品质和发展观光农业的作用，规模化种植经济绿肥既是践行“绿肥+”产业机制的重要举措，又已成为继测土配方施肥后，实现我国质量兴农和科技兴农的一项重要绿色生产方式[2-4]。

翻压环节是经济绿肥生产的重要环节，经济绿肥翻压具有改变土壤理化性质、增加土壤有机质、提高作物产量和品质等优点[5-6]。国外种植绿肥的主要目的是封闭杂草，种植方式采用单熟制或者休耕制，绿肥成熟后一般不翻压到土壤里，常采用切断后覆盖在地表或由镇压辊筒压青后使其在自然状态下腐殖[7-9]，此外，荷兰Van Wamel BV、德国FENDT等公司也研发了前置绿肥粉碎，后置五铧或八铧犁翻压的联合作业机，但上述翻压联合设备配套的拖拉机动力均在220 kW 以上且需有前动力输出，在我国复种指数高、小田块条件下，国外绿肥翻压模式不能简单效仿和复制。当前，我国紫云英等经济绿肥翻压主要采用传统的蓄力犁、旋耕机或铧式犁等方式[10-13]。畜力犁费时费力，旋耕机多为小动力配置，作业效率低，且翻压后肥土效果不高，铧式犁翻压紫云英时多为整株翻压，整株翻压时紫云英茎秆分解速度较慢，在空茬期较短时肥效利用率不高，且整翻还田后对后茬作物的生长也会有一定的影响[14-15]，另外，为了将紫云英完全翻压入土，需加大耕深，导致动力消耗巨大。

针对上述生产需求和现有绿肥翻压方式的弊端，本文设计了一款GFY-200型经济绿肥粉碎翻压复式机，同时对关键部件进行结构、运动等参数设计，以期有效提高绿肥翻压肥效的同时降低作业功耗。

1 经济绿肥粉碎翻压复式机设计

1.1 总体结构

GFY-200型经济绿肥粉碎翻压复式机主要由前悬挂装置、变速箱、支撑管、粉碎翻压装置、齿轮传动系统、限深装置、罩壳拖板组件、动力镇压辊、液压提升组件等组成，整体结构如图1所示。

图1 GFY-200型经济绿肥粉碎翻压复式机结构示意图

1.2 工作原理

经济绿肥粉碎翻压复式机作业时，拖拉机的动力输出轴经万向节传递给变速箱，变速箱将动力一部分经传动系统传递给旋耕翻压装置，经过拖拉机油门加速后带动安装在旋耕翻压装置上的旋耕刀高速旋转，在喂入口处形成负压，绿肥茎秆吸起后在旋耕刀和土壤的综合作用下被切断、粉碎成细短茎秆，细短茎秆夹杂着土壤一起在旋耕刀轴的高速转动下，被抛到安装在刀轴后方的罩壳拖板组件，茎秆和土壤混合物经覆土盖板组件作用后均匀撒落在作业的幅宽内；同时齿轮传动系统的另一部分动力经链轮传动后驱动位于罩壳拖板组件后部的动力镇压辊，动力镇压辊将罩壳拖板组件作用后的茎秆和土壤混合物进一步镇压，使作业后的地表更加平整，增加土壤保墒效果的同时提高了绿肥翻压的肥效。

1.3 主要结构参数

GFY-200型经济绿肥粉碎翻压复式机主要结构参数如表1所示。

表1 经济绿肥粉碎翻压复式机主要技术参数

2 关键部件参数设计

2.1 粉碎翻压组件

粉碎翻压组件如图2所示，主要由旋耕刀辊、旋耕刀、刀座、齿轮箱、联轴器、轴承端盖等组成，作业时，旋耕刀轴由变速箱驱动旋转，安装在旋耕刀轴上的40把旋耕刀对田间土壤和绿肥茎秆实施耕作、切断、粉碎等作业。

图2 粉碎翻压组件三维示意图

图3所示为旋耕刀端点的运动轨迹，作业时，刀轴上旋耕刀上各点的运动轨迹均为余摆线，刀端点的运动轨迹方程

(1)

式中：R——旋耕刀回转半径，mm；

ω——旋耕刀回转角速度，rad/s；

vm——机具前进速度，m/s；

λ——旋耕速比。

图3 旋耕刀端点运动轨迹

图4所示为旋耕机切土节距和旋耕后耕层底部凸起高度，图中将土垡的水平纵向厚度L称为切土节距，α1为旋耕后耕层底部会出现波浪形的凸起高度，凸起高度大小除与旋耕速比λ和旋耕刀回转半径R有关外，还与旋耕刀辊单元切削小区内设置的刀片数N有关[16]，其关系

L=2vmπ/ωN

(2)

α1/R=1-cos[π/N(λ-1)]

(3)

根据绿肥种植土壤和含水率情况，对含水率在20%～35%的轻中粘度稻田土壤中，切土节距取6～10 cm较为合适[16]，本机旋耕刀型号选择水田宽刀IT245，旋耕刀回转半径R为245 mm，旋耕刀轴转速为387 r/min，机具前进速度为2.5～3.0 km/h，取平均速度2.75 km/h, 设置旋耕刀辊单元切削小区内刀片数为2，带入式(1)计算得到旋耕速比λ为12.76，旋耕刀回转角速度为39.77 rad/s，带入式(2)、式(3)，求得切土节距L为6.03 cm，凸起高度α1为0.002 18 m，故凸起高度较小，切土节距和凸起高度大小满足旋耕机碎土质量和耕底平整度要求。

图4 切土节距和耕层凸起高度

2.2 罩壳拖板组件

罩壳拖板组件如图5所示，主要由罩壳、铰链、安装支耳、弹簧、强压杆等组成。罩壳固定在旋耕刀辊右上方，用于挡住旋耕刀抛出的土块和切碎的绿肥茎秆，并使其在碰撞过程中进一步破碎、混合，同时还起到安全和防护作用。罩壳与刀辊间的空隙，前缘3～4 cm，后缘7～8 cm。罩壳横截面呈多折线形，拖板对粉碎翻压后地表起平整和稍加压实的作用，横截面为折线形，拖板前缘与罩壳铰接，后缘位置用压力弹簧调节。拖板加压力弹簧强压后，能提高碎土、平整地表和压实表土的效果。

图5 罩壳拖板组件三维示意图

2.3 动力镇压辊组件

动力镇压辊组件如图6(a)所示，主要由主动链轮、从动链轮、链罩、镇压辊、轴承、镇压辊焊接轴头等组成。镇压辊采用动力链轮驱动设计，能够有效减少镇压辊缠绕率，显著提高镇压辊压实效果，防止绿肥茎秆被风吹出田块或者田块灌水后脱离土壤层，增加土壤保墒效果的同时提高绿肥翻压的肥效。镇压辊接地情况如图6(b)所示，由图6可知，镇压辊接地面积

S=BlAB=BβD/2

(4)

(5)

式中：B——镇压辊长度，cm；

lAB——镇压辊与地面接触弧长，cm；

β——接触角，(°)；

D——镇压辊直径，cm；

z0——下陷量，cm。

(a) 动力镇压辊组件三维图

镇压辊下陷量z0取0.8 cm，已知用于压紧表层土壤时，镇压器直径范围16～50 cm，设计镇压辊尺寸为(长度×直径)207 cm×22 cm，带入式(4)和式(5)，经计算得到接地面积S=873.6 cm2，实际测得镇压辊辊筒重85 kg，以G代表其重力大小，则G近似为850 N， 镇压辊辊筒工作时变形较小，可近似看作无弹性变形刚体，忽略镇压辊下土壤向两侧流动，则接地面上边缘和中心部位的土壤被同等程度地压紧[17]，镇压辊接地压强

(6)

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件

GFY-200型经济绿肥粉碎翻压复式机试验分别于2019年9月20日、2020年4月9日在农业农村部南京农业机械化研究所溧水白马基地夏绿肥种植地和池州市贵池区秋江街道冬绿肥种植地进行。夏绿肥试验田块长为80 m，宽60 m，土壤类型为粘土，用DT-321S温湿度计测得土壤绝对含水率为14.06%(0～20 cm)，土壤坚实度由TYD-2型土壤硬度计测得为1 034.4 kPa(0～20 cm)，夏季经济绿肥翻压品种为黑豆、印度豇豆和决明子，配套动力为耕王RS1254拖拉机。冬绿肥试验田块长为200 m，宽150 m，土壤类型为粘土，测得土壤绝对含水率为45.24% (0～20 cm)，土壤坚实度为965 kPa(0～20 cm)，冬季经济绿肥翻压品种为紫云英，配套动力为江淮804拖拉机。

3.2 试验方法

为考察经济绿肥粉碎翻压复式作业机作业质量，参考GB/T 24675.6—2009《保护性耕作机械 秸秆粉碎还田机》、JB/T 6678—2001《秸秆粉碎还田机》和GB/T 14225—2008《铧式犁》等标准中规定的试验方法进行经济绿肥粉碎翻压复式机田间作业性能试验(图7)，选取绿肥翻压深度、茎秆粉碎长度合格率、绿肥掩埋率作为绿肥粉碎翻压复式作业机工作性能的测试指标，每个绿肥品种翻压时作业行程测区长度为20 m，每个绿肥品种翻压需完成3个作业行程。

(a) 黑豆翻压

绿肥翻压深度测定方法如下：在绿肥粉碎翻压复式机作业幅宽条带上，随机选取1个测点，测点长度0.5 m。将其垂直挖沟，直到露出掩埋最深绿肥茎叶，在开沟截面上选取大于5个测量点，并测量这些测定上掩埋最深绿肥茎叶距离地表的垂直距离，按式(7)计算绿肥翻压深度。

(7)

式中：aj——绿肥翻压深度，mm；

ai——第i点掩埋最深绿肥茎叶距离地表的垂直距离，mm；

n——测定点数。

绿肥粉碎长度合格率测量方法为：每个行程内随机选取1个测点，依据GB/T 24675.6—2009方法，抽取不少于500 g的被掩埋的绿肥茎秆样品，称其重量，从中挑出粉碎长度不合格的绿肥茎秆(≥200 mm，不包括须根及两端的韧皮纤维)称重[18]，计算每点的绿肥粉碎长度合格率，求平均值，按式(8)计算绿肥粉碎长度合格率。

(8)

式中：F——绿肥粉碎长度合格率，%；

Ai——第i点掩埋绿肥质量，g；

Asi——第i点长度不合格绿肥质量，g。

绿肥掩埋率测定方法如下：每个行程不少于3个测点，在已耕地上取宽度为400 cm，长度为30 cm的区域，分别测定地表以上的紫云英植被质量、地表以下8 cm深度内的紫云英植被质量以及8 cm以下耕层内的紫云英植被质量，绿肥掩埋率计算公式如式(9)。

(9)

式中：z1——露在地表以上的紫云英植被质量，g；

z2——8 cm深度内的紫云英植被质量，g；

z3——8 cm以下紫云英植被质量，g。

3.3 试验结果与分析

经济绿肥粉碎翻压复式作业机田间试验结果如表2所示。

表2 田间试验结果

由试验结果可得，溧水夏绿肥种植试验地黑豆、印度豇豆、决明子等3个品种绿肥生物量分别为17 275 kg/hm2、13 932 kg/hm2和3 825 kg/hm2，池州冬绿肥种植试验地紫云英生物量为39 514 kg/hm2，测得机具翻压黑豆时翻压深度为15.4 cm，粉碎长度合格率为70.4%，绿肥掩埋率为94.4%，翻压印度豇豆时翻压深度为16.9 cm，粉碎长度合格率为74%，绿肥掩埋率92.5%，翻压决明子时翻压深度为17.7 cm，粉碎长度合格率为89.5%，绿肥掩埋率90.6%，翻压紫云英时翻压深度为17.6 cm，粉碎长度合格率为91.0%，绿肥掩埋率95.6%，试验过程中发现，黑豆、印度豇豆2个夏绿肥品种翻压时，由于茎秆韧性较大，导致粉碎长度合格率不高，为获取高质量翻压效果可适当提前其翻压期。经计算，4个品种冬、夏绿肥平均生物量为18 636.5 kg/hm2，平均翻压深度为16.9 cm，平均茎秆粉碎长度合格率为82.35%，绿肥平均掩埋率为93.28%，工作效率可达0.67～1.0 hm2/h，经济绿肥粉碎翻压复式作业机试验指标均达到国家和行业标准要求[19-20]。

为验证绿肥粉碎翻压复式作业机是否实现低能耗作业需求，选用AXL-R-15型数显拉力计，试验时准备2台常发1504型拖拉机，利用一台拖拉机挂倒挡牵引另外一台拖拉机测量传统犁正常作业时牵引力大小，牵引试验前，将数显拉力机切换至PEAK键，随着牵引力测量值的变动，液晶显示区始终实时锁定测得的最大测量值，记为该次试验测得的牵引力大小[21]，利用上述方法测得拖拉机工作阻力为1.7 kN，传统犁牵引力42.3 kN，机具前进速度按6 km/h计算，可得传统犁作业功率为70.5 kW，已知满足经济绿肥粉碎翻压复式作业机正常作业最小功率消耗为45 kW，计算可得经济绿肥粉碎翻压复式作业机作业功耗较传统铧式犁作业功耗降低约36.17%。

(a) AXL-R-15型拉力计

4 结论

1) 本文设计了一种经济绿肥粉碎翻压复式作业机，并对粉碎翻压组件、罩壳拖板组件、动力镇压辊组件等关键部件进行了结构和参数设计，有效提高经济绿肥翻压肥田效果的同时，功率消耗较传统犁作业相比降低36.17%。

2) 为满足旋耕机碎土质量和耕底平整度要求，设计粉碎翻压组件旋耕速比为12.76，切土节距L为6.03 cm，凸起高度α1为0.002 18 m；设计罩壳拖板组件，显著提高碎土、平整地表和压实表土效果；设计动力镇压辊组件，并确定镇压辊尺寸，镇压辊长度为207 cm，直径为22 cm，镇压辊接地压强为9.73 kPa。

3) 对4个品种冬、夏绿肥田间翻压试验结果表明，平均翻压深度为16.9 cm，平均粉碎长度合格率为82.35%，绿肥掩埋率为93.28%，经济绿肥粉碎翻压复式作业机工作效率可达0.67～1.0 hm2/h，试验指标均达到国家和行业标准要求，可满足经济绿肥规模化种植地区对高效、低能耗、高掩埋率机械化翻压装备需求。