張秀麗,王 棟,仝振偉,吳 響

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450002)

高稈作物中耕培土機(jī)械化技術(shù)分析

張秀麗,王 棟*,仝振偉,吳 響

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450002)

中耕培土可以改善植株根系土壤環(huán)境，促進(jìn)根系生長發(fā)育，尤其是高稈作物通過培土還能增強(qiáng)根莖的抗倒伏能力，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。目前的中耕培土機(jī)械化技術(shù)有鋤鏟式培土和回轉(zhuǎn)式培土兩類，鋤鏟式培土通過土壤沿鏟部的推移實(shí)現(xiàn)培土，能較好保持土壤肥力的原位，但培土高度低，消耗功率大；回轉(zhuǎn)式培土通過滾子的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動和機(jī)組前進(jìn)運(yùn)動的合成運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對土壤的拋灑來培土，流向不易控制，易于造成底部葉子的機(jī)械損傷，培土效率較高；新研究的螺旋培土刀機(jī)構(gòu)通過對土壤實(shí)現(xiàn)銑削并傳送，能較好控制土壤的流向，做到精細(xì)培土作業(yè)，減小對作物根部的機(jī)械損傷，有關(guān)培土效果需要田間進(jìn)一步驗(yàn)證。

高稈作物； 農(nóng)業(yè)機(jī)械； 中耕培土； 技術(shù)分析

作物在大田生長期間，壟體會由于雨水沖刷等下降很多，同時雜草生長迅速，而且大田久未耕作，土壤便會變得板結(jié)，因此需要通過中耕培土疏松表土，改善土壤板結(jié)狀況，為植株根系生長發(fā)育創(chuàng)造舒適土壤環(huán)境[1-6]。機(jī)械中耕培土是通過機(jī)械力改良表土物理性狀而實(shí)現(xiàn)的除草培土作業(yè)，通過中耕可以協(xié)調(diào)大田生長期間植株與環(huán)境以及環(huán)境各因素之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)土壤水分、增強(qiáng)土壤通氣性、加快土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、提高土壤溫度，同時鏟除田間雜草，最終達(dá)到提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的目的[7-10]。對于玉米、煙草、甘蔗等高稈作物，還可以通過高培土增強(qiáng)作物根莖的抗倒伏能力[10-12]，提高產(chǎn)量。目前的機(jī)械中耕培土技術(shù)培土高度較低[13-17]，而且培土器將旋松的土壤拋到壟頂，導(dǎo)致溝底堅(jiān)硬無松土，不利于土壤中原有水分的保持，當(dāng)遇到降雨時，堅(jiān)硬的土壤不具有蓄水功能，就會產(chǎn)生降水徑流[18-20]，因此需要對高稈作物的機(jī)械中耕培土技術(shù)進(jìn)一步研究。

1 機(jī)械中耕培土要求及培土技術(shù)分析

1.1 機(jī)械中耕培土作業(yè)要求

機(jī)械中耕培土?xí)r，要求土壤相對含水量在80%左右，此時用手捏土成團(tuán)，落地土能夠散開。這樣的土壤環(huán)境下培土作業(yè)，機(jī)械阻力小，土壤較細(xì)，土塊均勻，覆草和培土效果好。

機(jī)械培土作業(yè)一般需要3個過程：首先就是將培土所需要的土從沖刷變形過的壟溝翻出來；其次將翻出來的土合理分配到壟底兩側(cè)近作物根系處；最后將達(dá)到壟底兩側(cè)的土運(yùn)送或者拋灑到壟頂作物的根部，并對培過土的壟做適當(dāng)整形壓實(shí)[21-23]。圖1所示為中耕培土前后壟形的橫斷面。2條曲線分別為培土前沖刷變形的壟形和培土后壟形，培土前壟的坡度為B，培土后壟的坡度為A。培土前Ⅰ處土壤應(yīng)該和培土后Ⅱ處土壤質(zhì)量相等，由于培土前壟溝被壓的較實(shí)，培土后土壤較松，因此Ⅰ處面積應(yīng)該比Ⅱ處面積小。機(jī)械作業(yè)需要達(dá)到的培土高度為H-h，如果要提高壟的高度，需要通過增加入土深度來增加Ⅱ處土壤量。

圖1 中耕培土壟形橫斷面

1.2 國內(nèi)外中耕培土機(jī)械化技術(shù)分析

目前國內(nèi)外比較成熟的中耕培土結(jié)構(gòu)有鋤鏟式和回轉(zhuǎn)式兩類。

1.2.1 鋤鏟式培土技術(shù)與結(jié)構(gòu)

1.2.1.1 鋤鏟式雙層培土器[24]鋤鏟式雙層培土器前端為鏟鏵上下兩層立體三角形結(jié)構(gòu)，下層鏵主要實(shí)現(xiàn)疏松壟溝土壤及鏟除壟溝雜草功能，上層鏟通過鏟斷雜草根系實(shí)現(xiàn)壟表層的除草和松土功能；后端是培土刀具，將已疏松的壟溝土壤向壟基、壟肩至壟頂輸送，實(shí)現(xiàn)培土和整形作業(yè)。

1.2.1.2 雙犁壁式鏟翼培土器[25]雙犁壁式鏟翼培土器的鏟翼為雙犁壁式曲面型，采用左右對稱鏟翼結(jié)構(gòu)，方向相反。培土作業(yè)時，鏟尖盡可能切開并破碎土壤，鏟除行間及兩側(cè)的雜草，土壤沿鏟胸向上推移并被左右鏟翼逐漸抬升到翼部時，土壤的重力方向與翼部的曲率方向幾乎垂直，加之本身的動能，土壤將被推向壟邊并拋向壟頂，達(dá)到培土效果。

鋤鏟式培土結(jié)構(gòu)在培土?xí)r對原土移動少，可以保持已有的肥力在原來的位置，但碎土能力差，培土高度低，消耗功率大，適合小型、微型田地培土。

1.2.2 回轉(zhuǎn)式培土技術(shù)與結(jié)構(gòu) 福建松溪縣永順培土機(jī)[26]為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的典型代表。培土轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，犁刀在自身回轉(zhuǎn)運(yùn)動和隨機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動綜合動作下切削土壤，旋轉(zhuǎn)速度較快，易于將土壤切碎。切碎的土壤在犁刀彎弧面的作用下沿著培土轉(zhuǎn)子軸線方向拋擲，通過導(dǎo)流板配合作用控制土壤流向。

圖2所示為復(fù)合型中耕培土刀具，刀軸上裝配由旱地滾刀和開壟培土刀組成的復(fù)合型刀具，左右對稱，融合松土和培土功能于一體，解決單一耕作問題。

1.旱地滾刀； 2.開壟培土刀； 3.刀軸； 4.刀軸傳動箱

旋耕刀攪龍一體式刀具[28]也屬于典型的回轉(zhuǎn)式培土結(jié)構(gòu)，旋耕刀配合攪龍同時固定在攪龍軸上，培土作業(yè)時，旋耕刀用于疏松土壤，螺旋攪龍將松土推向壟邊并利用慣性拋向壟頂。旋耕刀半徑大于螺旋攪龍半徑，培土后可以保證壟溝底部有部分松土，起到保墑蓄水的作用。

以上回轉(zhuǎn)式培土機(jī)構(gòu)工作原理基本上都是利用刀軸上刀片的旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)動力的復(fù)合運(yùn)動，對壟溝進(jìn)行挖土送土，并最終利用慣性將土壤拋到植株基部，從而完成對作物的培土作業(yè)。由于土壤的慣性力較大，土壤拋灑流向不易控制，而這些培土機(jī)都較少設(shè)置護(hù)葉裝置，從而不可避免地造成了對作物葉子的壓傷，為了防止培土過程中將葉子壓傷，人們不得不采取人工輔助措施將葉子收攏，大大降低了培土機(jī)的使用效率[29]。同時，對于高速回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)該添加安全避讓裝置做到安全作業(yè)。

綜上所述，現(xiàn)有機(jī)械培土機(jī)存在以下不足：一是培土高度不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高壟培土；二是培土拋灑流向不好控制，對作物葉片有損傷；三是單壟培土，且壟形適應(yīng)性差，培土效率低，難以滿足大田作業(yè)。

2 中耕培土機(jī)械化新技術(shù)研究

針對高稈作物的生產(chǎn)情況，需要研發(fā)新的培土機(jī)械，控制土壤流向，實(shí)現(xiàn)高培土，并減少葉片損傷。

2.1 螺旋提升培土技術(shù)

圖3所示新的螺旋提升培土機(jī)構(gòu)，壟溝底部土壤通過進(jìn)料口進(jìn)入橫向管體，在橫向攪龍的轉(zhuǎn)動下，攪碎并沿圖示箭頭方向傳送土壤，土壤沿豎向攪龍向上傳送，沿出料口將土壤送到壟頂。同時有1對除草攪龍繞自身軸線轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)除草功能[30]。該機(jī)構(gòu)通過螺旋輸送將土壤送到一定的高度然后沿規(guī)定的出料口流出，在理論上可行，但易于出現(xiàn)土壤堵塞的情況，在實(shí)際應(yīng)用中還沒見到有關(guān)機(jī)型。

2.2 螺旋銑削培土方式

針對高稈作物的中耕培土機(jī)械化技術(shù)，提出了一種新的培土方式[31]，如圖4所示，新型培土機(jī)械主要由送分土裝置、壟形調(diào)整裝置、螺旋培土刀和螺距調(diào)整裝置4個部分組成。針對高稈作物需要高培土防止莖稈倒伏設(shè)計(jì)了新型螺旋培土刀結(jié)構(gòu)，培土刀螺旋結(jié)構(gòu)采用立銑刀螺旋結(jié)構(gòu)，立銑刀在螺旋刃銑削斜面時，將多余的材料銑削掉，同時銑削掉的鐵屑沿著螺旋槽由柄部排出。借助于螺旋銑刀對金屬材料的銑削原理，培土刀在培土?xí)r，送分土裝置將兩壟之間溝底的土送到培土刀螺旋刃帶處，培土刀旋轉(zhuǎn)對土壤實(shí)現(xiàn)斜向銑削，一邊修整壟的形狀，一邊將土向壟頂輸送，控制土壤的流向，可以培高度較大的壟，培土刀沿壟的兩側(cè)對稱布置，可以保證兩側(cè)均勻向壟頂培土，使作物莖稈底部受力對稱。

1.豎向管體；2.橫向管體；3.豎向螺旋刀片;4.豎向刀軸； 5.橫向螺旋刀片；6.橫向刀軸；7.進(jìn)料口；8.除草攪龍;9.出料口

1.送分土裝置；2.壟形調(diào)整裝置；3.螺旋培土刀；4.壟距調(diào)整裝置

壟形調(diào)整裝置通過調(diào)整培土刀傾斜角度得到不同的壟坡度，可以適應(yīng)不同的地況。壟距調(diào)整裝置可以調(diào)整相應(yīng)兩組培土刀之間的距離，以做到與對應(yīng)的壟距相吻合，實(shí)現(xiàn)跨行兩壟培土，培土效率較高。該螺旋斜置跨行培土機(jī)構(gòu)對螺旋培土刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較高要求，對刀具轉(zhuǎn)速和車行速度都有一定的范圍限制，有關(guān)試驗(yàn)正在進(jìn)行，具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將另文發(fā)表。

隨著大田全程機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，高稈作物機(jī)械中耕培土機(jī)械的高效率低損傷培土技術(shù)研究將更加引起人們的關(guān)注，目前已有部分新技術(shù)正處于試驗(yàn)階段，也有少數(shù)先進(jìn)的專利出現(xiàn)，有待于進(jìn)一步優(yōu)化完善并經(jīng)大田驗(yàn)證后推廣應(yīng)用。

[1] 韓豹,申建英,李悅梅.3ZCF-7700型多功能中耕除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1):124-129.

[2] 李軼楠.玉米中耕除草機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與機(jī)具改進(jìn)[J].農(nóng)業(yè)工程,2013(4):28-29,31.

[3] 車剛,張偉,梁遠(yuǎn),等.3ZFC-7型全方位復(fù)式中耕機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1):130-135.

[4] Burton M G,Mortensen D A,Lindqusit J L.Effect of cultivation and within-field differences in soil conditions on feral helianthus annuus growth in ridge-till mazie[J].Soil & Tillage Research，2006，88:8-15．

[5] 韋相貴.智能化甘蔗除草機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(8):57-61.

[6] 田斌,韓少平,黃曉鵬,等.2LZF-2型壟作馬鈴薯中耕施肥機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2010,23(1):135-137.

[7] Velten K,Paschoid P J,Stahel A.Optimization of cultivation measures affecting soil temperature[J].Scientia Horticulture，2003，97：164-184．

[8] 郭濤，李海江，臘貴曉，等.起壟方式和種植密度對濃香型有機(jī)煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,43(9):41-45.

[9] Kaveh Mollazade,Ali Jafari,Ebrahim Ebrahimi.Application of dynamicai analysis to choose best subsoiler’s shape using ANSYS[J].New York Science Journal,2010,3(3):93-100.

[10] 王金武,牛春亮,張春建,等.3ZS-150型水稻中耕除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(2):75-79.

[11] 劉琳.中耕機(jī)螺旋式培土器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2011(12):25-26.

[12] Srivastava A C.Design and development of a sugarcane cutter-planter with tillage discs[J].Applied Engineering in Agriculture,1995，11(3):335-341．

[13] 姜鵬超，王俊巖，李偉，等.煙田機(jī)械化培土技術(shù)研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(10):1377-1381.

[14] 羅發(fā)健，邱銘生.不同揭膜培土方式對烤煙生長及產(chǎn)質(zhì)量的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(23)：9-13.

[15] 董學(xué)虎，盧敬銘，李明，等.3ZSP-2型中型多功能甘蔗施肥培土機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013,40(15)：180-182.

[16] 朱振恒．甘蔗機(jī)械化田管試驗(yàn)與分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程，2012(3)：52-56．

[17] 范雨杭．甘蔗中耕施肥培土機(jī)施肥機(jī)構(gòu)仿真研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南寧：廣西大學(xué),2010．

[18] 殷壽安，林選知，區(qū)煥財(cái)，等.煙葉中耕培土及機(jī)械化作業(yè)技術(shù)分析[J].湖南農(nóng)機(jī)，2012,39(11)：30-34.

[19] 蔣建東，高潔，趙穎娣，等.土壤旋切振動減阻的有限元分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(1)：59-62.

[20] 張傳斌,余泳昌,吳亞萍.高通過性四輪自走式煙草田間作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(11):37-41.

[21] 鄭俊,吳睿,徐陽,等.煙草田間起壟機(jī)作業(yè)適應(yīng)性研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(6)：151-154.

[22] Manuwa S I.Performance evaluation of tillage tines operating under different depths in a sandy clay loam soil[J].Soil & Tillage Research,2009,103(2):399-405.

[23] Ren Luquan.Progress in the bionic study on anti-adhesion and resistance reduction of terrain machines[J].Science in China(Series E: Technological Sciences),2009,52(2):273-284.

[24] 劉國順，孔國強(qiáng).煙田中耕培土機(jī)：200820148408.3[P].2008-07-30.

[25] 張瑞，孫偉，石林榕，等.全膜雙壟溝中耕除草培土機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2015,33(5):258-262.

[26] 林勇,劉盛富,張培坤,等.YS-3PT321型培土機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(17):9568-9571.

[27] 陳曉，黃偉群，黃春林.復(fù)合型刀具中耕機(jī)：201020194107.1[P].2010-05-18.

[38] 張陽光，盧博友，留洪萍，等.新型煙草培土機(jī)培土器的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011(3):81-83.

[29] 張永科,郗洛延,王建平,等.不同培土處理對玉米產(chǎn)量及抗倒性的影響[J].耕作與栽培,2011(3)：1-2,31.

[30] 余立成，王敏.一種螺旋培土機(jī)構(gòu)改進(jìn)的培土機(jī)：201510169477.7[P].2015-04-10.

[31] 張秀麗，李擁軍，王棟，等.螺旋斜置跨行可調(diào)培土機(jī)：201410243960.0[P].2014-06-04.

Analysis on Mechanization Technology in Cultivation and Banking for High Stalk Crops

ZHANG Xiuli,WANG Dong*,TONG Zhenwei,WU Xiang

(College of Mechanical & Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

The help of cultivation and banking technology can improve soil environment of plant roots and promote root growth and development with and enhance the stalk lodging resistance especially for high stalk crops.The output and quality is increased too.There are two kinds of mechanization technology in cultivation and banking.They are hoe type and rotary type.Hoe type realizes banking operations through soil moving along the edge of the shovel,and it can better maintain the soil fertility in situ,but it has low height of banking and large power consumption.Rotary type achieves banking by spilled soil which is realized through synthesis of movement between the ration of the roller and the forward motion of the machine.Its flow direction is difficult to control.It is easy to cause mechanical damage of the bottom leaves.Its banking efficiency is high.New research spiral tool can better control the flow direction by milling and transfer soil,do fine banking operations,and reduce mechanical damage to the crop roots.The banking results need be further proof in the field.

high stalk crops; agricultural machinery; cultivation and banking; technical analysis

2015-11-25

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(102102210535)；河南省博士后科研壹等資助項(xiàng)目(2012046)；河南省煙草公司許昌市煙草公司項(xiàng)目(XYKJ2015M03)

張秀麗(1973-)，女，河南嵩縣人，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究。E-mail:zhangxiuli619@126.com

*通訊作者：王 棟(1972-)，男，河南南陽人，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備研究。E-mail:xjrshwd@163.com

S224.1;S365

B

1004-3268(2016)05-0157-04