深松机防堵部件结构设计

李明凯，杨 健，肖慧慧

(1.东丰县三合满族朝鲜族乡综合服务中心，吉林 东丰 136300；2.东丰县南屯基镇综合服务中心，吉林 东丰 136300；3.东丰县大阳镇综合服务中心，吉林 东丰 136300)

0 引言

农业生产是社会发展的重要组成部分，只有保障粮食安全才能保证社会正常运行及国民经济稳步提升。农业机械对于提高农业生产效率具有重要意义，农业机械长期对土壤碾压会造成土壤板结，土壤结构破坏，导致土壤中水、肥、气、热环境被打破[1]，土壤肥力下降，因此就需要长期大量使用化肥，如此恶性循环导致农业生态环境被破坏。基于此，提出了保护性耕作技术，并逐渐在世界各个国家得到了广泛应用与发展[2]。

保护性耕作技术主要是指在作物收获后将大量秸秆残茬覆盖在地表，减少对土壤表层的耕作与翻耕，后期根据保护性耕作技术的实施政策与方针，主要将保护性耕作技术定义为“对土壤耕地实施免耕、少耕等，减少风蚀、水蚀灾害，提高土壤蓄水保墒能力”，被认为是提高土壤质量的重要耕作技术之一[3]。

深松技术是一种先进耕作方法，同时也是保护性耕作技术重要组成部分之一，是通过深松机实现深松碎土但是不翻土的技术，不需要扰乱耕作层，实现耕作层的土壤疏松，保证土壤固、液、气三相比例更加协调，为作物提供良好的生长环境。但是深松铲挂草及堵塞等问题是制约深松作业质量的重要难题，目前，主要是在深松铲前方增加滚动式防堵部件，解决深松铲挂草堵塞问题，提高深松机械在田间通行性与作业质量。

本研究以提高深松机械田间作业效率为研究目标，以优化深松铲滚动圆盘技术参数为研究内容，基于深松机械国内外研究进展，对深松机防堵部件进行运动学分析，并优化了圆盘刀工作直径，最后基于田间试验进行验证与分析。研究结果旨在为深松机械的优化设计提供技术参考，对于进一步提升保护性耕作技术应用与发展提供理论依据。

1 深松机防堵形式

目前，深松机防堵形式主要包括分开型防堵形式、切断型防堵装置两种，主要技术特点与分类如下。

1.1 分开型防堵装置

为了保证免耕播种机在田间播种作业时具有良好的通过能力，采用扫、拨和绕等方法清除免耕播种机前方的秸秆和杂草等，根据防堵工作方式可将分开型防堵装置分为旋转叉式分草器、锄铲式分草器和针轮式分草器。

1)旋转叉式分草器。主要是基于拨叉将土壤表层覆盖物拨向一侧，减少堵塞发生概率，但是结构较为复杂，不能保证覆盖物完全拨开。

2)锄铲式分草器。可以控制开沟深度，具有入土简单，整机质量轻和成本低等应用优势。

3)针轮式分草器。主要是利用钢针将秸秆残茬等抓住并向后抛撒，可保证机械具有良好的通过性，避免由于钢针缠绕引起堵塞。

1.2 切断型防堵装置

为了避免秸秆残茬等土壤地表覆盖物造成的机械堵塞，安装具有滚动或者旋转功能且带有刃口的工作部件切断造成机器堵塞的覆盖物，从而减少机械堵塞。切断型防堵方式主要包括圆盘式防堵装置、锯切式防堵装置和旋转刀式防堵装置。

1)圆盘式防堵装置。主要是依靠施加配重实现滚动切茬，切断效果较好，但是由于缺少分草装置，当通过地表覆盖物较多时，容易造成机械堵塞，影响机械的田间通过性。

2)锯切式防堵装置。采用锯齿圆盘将秸秆切碎，具有低转速和低消耗等应用优势。但是当遇到石块等坚硬物体时，容易造成锯齿损伤，进而导致卷齿，造成锯齿切割能力降低，需要及时更换工作部件。

3)旋转刀式防堵装置。基于旋转刀片高速转动切割秸秆等覆盖物，具有切割效率高、防堵效果好等应用优势，但是当秸秆覆盖量较大时仍存在堵塞现象，而且工作部件结构较为复杂，对驱动装置要求较高。

2 深松机圆盘刀工作直径设计

圆盘刀工作时，由于秸秆只覆盖在地表，秸秆容易由于机械切割造成地表滑移而不能被切断，进而造成机器堵塞，因此选择适合的圆盘刀直径十分重要。以玉米秸秆为例，图1为圆盘刀切割玉米秸秆时秸秆受力分析图。假设圆盘刀直径为R，地表秸秆半径设为r，圆盘刀作业深度设定为h，秸秆受到地面摩擦力为F1,受到地面的支持力为N1，秸秆受到圆盘刀作用的摩擦力为F2，受到圆盘刀的正压力为N2。

图1 秸秆受力分析图

由式(1)可得秸秆受力平衡

N1=N2cosα+F2sinα

(1)

要求秸秆在被圆盘刀切断时不沿地面滑动需要满足条件如式(2)所示

F1+F2cosα≥N2sinα

(2)

当秸秆在运动临界状态时，静摩擦力应达到最大值Fmax，夹角为φmax,满足以下条件

F1=N1tanφ1,F2=N2tanφ2

(3)

式中φ1—秸秆与地面的摩擦角；

φ2—秸秆与圆盘刀的摩擦角。

将(3)代入式(2)整理得

α≤φ1+φ2

(4)

(5)

确定各个关键参数，玉米秸秆平均半径为r(德单123)，作业深度h=75 mm，玉米秸秆与圆盘的摩擦角一般在23°～33°，本研究中选取33°，秸秆与地面的摩擦角为30°，因此可得R>165 mm，综合考虑及其高度和结构限制，破茬圆盘刀直径取值范围为350～420 mm，在本研究中选取圆盘刀直径为350 mm。

3 刀盘的形状试验与分析

3.1 研究目的与内容

本研究基于计算的圆盘直径为350 mm，开展不同形状(相同直径)下破茬圆盘刀的秸秆切断率和工作阻力，从而进一步确定刀盘形状。

3.2 试验材料与方法

在开展试验前对田间基本条件进行测定与取样，采用五点法作为试验取样点(图2)。

图2 五点测量法

3.3 测定指标与方法

试验测定指标与方法选取土壤含水率、土壤坚实度、秸秆含水率为测定结果。

1)土壤含水率。采用浙江托普云农科技股份有限公司生产的TZS-PHW-4G型土壤多功能参数测定仪对土壤含水率进行全程跟踪测量，每次测量3个点，取平均值作为该组测定结果。

2)土壤坚实度。采用土壤硬度计TY-2进行田间测定，测定位置与含水率测定位置一致。

3)秸秆含水率。按照“五点取样法”，在试验区域5个点分别取秸秆覆盖物约50 g，分别测定湿重和干重，取平均值作为该组测定结果，计算公式如式(6)所示

(6)

式中Hg—秸秆含水率，%；

Mjs—秸秆湿度，g；

Mjg—秸秆干重，g。

根据上述要求得出试验区域基本田间试验条件(表1)。试验采用久保田KUBOTA-M704R拖拉机为试验设备。

表1 深松机田间作业前地表基本参数

在机器前进速度为4 km·h-1，田间作业深度为90 mm，圆盘直径为350 mm的试验条件下进行试验，试验结果如表2所示，根据田间试验结果可知，波纹圆盘刀、平面圆盘刀和缺口圆盘刀的秸秆切断率分别为93.2%、90.6%和91.8%，波纹圆盘刀、平面圆盘刀和缺口圆盘刀的工作阻力分别为1 229 N、870 N和1 123 N。综合考虑，在田间工作阻力相差较小的情况下应选择秸秆切断率最高的波纹圆盘刀作为防堵装置。

表2 试验结果与分析

4 结论与展望

4.1 结论

本研究针对目前深松机械田间工作挂草和堵塞等问题，结合保护性耕作和深松技术理论知识，基于国内外发展现状，以玉米秸秆为研究对象，首先对玉米秸秆切断过程进行受力分析，求解圆盘刀的工作直径，然后以秸秆切断率和工作阻力为试验指标确定刀盘的最优形状。

4.2 展望

深松机破茬圆盘刀防堵装置虽然取得了一定的研究进展，但是仍然存在田间深松阻力过大等问题，未来应进一步加强在改善深松机防堵技术的同时降低工作阻力的相关研究。