高速灭茬联合整地机的设计与结构特点
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摘要：近年来，黑龙江省玉米种植面积居高不下，虽然保证了我省粮食的产出量，但也随之带来了大量难以处理的秸秆，大量焚烧秸秆会对空气造成严重破坏，残留在地里的剩余秸秆会对第二年春播造成非常大的影响。创新研制的高速灭茬联合整地机可有效粉碎秋收后地表残留的适量秸秆，并使其与土壤充分混合，一次作业能够完成灭茬、碎土、镇压作业，在避免秸秆焚烧的同时，有效地提升了耕地的有机质含量，作业后的地表状况能够达到待播（平播）状态，为下一季春播创造了良好的条件。
关键词：联合整地;秸秆处理;保护性耕作
基金项目：黑龙江“粮食丰产增效科技创新”重点专项：湿润区春玉米全程机械化土壤耕作技术集成与示范（2018YFD0300103-3-1）;黑龙江省科研计划项目“新型大豆高速精量播种施肥机研制”（2017-59）;黑龙江省科研计划项目“缺口圆盘灭茬耙的研究与开发”（2018-75）
作者简介：梁玉成（1983-）男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，主要从事播种机械、耕整地机械的研究设计工作，E-mail：153086570@qq.com。黑龙江省是我国著名的“北大仓”，这里的玉米、大豆产量在我国有着不可替代的地位。近年来，随着耕作机械化水平的不断提高，黑龙江省玉米种植面积居高不下，一方面虽然保证了我省粮食的产出量，但另一方面也随之带来了大量的问题，例如：大量难以处理的秸秆、土壤压实严重、土壤比阻增加、水土流失加剧、土壤肥力下降、耕作能耗增加等问题，这些问题都严重制约了我省农业机械现代化生产的发展。
由于季节原因，我省秋收后一般都进行秋整地，为来年春种保苗创造有利条件。秋整地的时间短，而且其中玉米秸秆直径粗大、具有纤维化特性、根茬入土深，因而很难处理。传统秋整地机械技术一般是多种机具组合运用或一种机具多次作业的方式，这类作业方式秸秆处理效果不理想、土壤严重压实，不利于保墒、土壤保护和可持续利用，并且作业周期长、成本高。根据我省目前耕整地实际状况和大功率拖拉机保有量情况，在分析多种因素的基础上，设计研制了高速灭茬联合整地机，并进行了机具的试验和田间考核。试验表明，该机具可以充分发挥大功率拖拉机的马力性能，灭茬结构简单、合理，效果显著，工作部件使用寿命长，一次进地能够完成灭茬、碎土、镇压作业，在避免秸秆焚烧的同时，有效地为耕地增加了有机质含量，作业后地表状况能够达到待播（平播）要求。机具的使用对减少能源消耗，降低作业成本，保护耕地资源，发展可持续现代化农业等方面都具有重要意义。
1设计原理及主要参数
1.1设计依据
高速灭茬联合整地机是在延续我省保护性耕作的基础上，针对现有土地集中连片和大功率拖拉机保有量逐年提高的状况下，研制的一种可以同时解决秋收后地表残留秸秆与秋整地的多功能农机装备。机具采用多种耕整地方式联合的作业工艺路线，一次即可完成根茬、秸秆粉碎，秸秆与耕层土壤混拌，耕层土壤细碎压实作业，作业后的地表能够达到第二季的平播作业要求。
1.2主要研究内容
（1）研制与220马力以上拖拉机配套使用的高速灭茬联合整地机，机具一次进地即可完成根茬、秸秆粉碎，秸秆与耕层土壤混拌，耕层土壤细碎压实作业。机具作业后粉碎的秸秆能够与耕层土壤充分混拌，提升耕地有机质含量;镇压后的土壤表层细碎、平整，不易散墒，可为农作物生长创造优良的种床环境。
（2）研制以粉碎玉米秸秆为重点的高速灭茬工作部件，解决秋收后的地表残余秸秆还田难的问题，在提升耕地有机质含量的同时，降低粉碎后的秸秆对春播作业的影响。
（3）合理的设计布局，在有限的空间内实现了多种耕作方法的有机结合，在机具高速作业下保证机架强度的同时，解决了机具田间运输困难和拖堆堵塞的问题。
（4）主要技术参数
2总体结构
2.1结构形式
根据耕整地作业机械的工艺技术、配套动力和运输方式等方面的要求，该机总体结构形式为液压调节方式，动力运输为牵引式。
2.2工作原理
拖拉机在前进的同时，将牵引力通过牵引架传递给机具，在土壤和牵引力的共同作用下，通过调节液压缸的长短以达到合理的工作部件入土角度和深度。通过双排立式独立灭茬缺口圆盘的剪切和摩擦推动作用力，切断秸秆、根茬，松动耕层土壤，以达到灭茬、混拌和碎土的作用，然后再进行平整镇压作业，使其达到待播状态，形成有利于作物生长的土壤耕层构造。
2.3总体参数确定
2.3.1配套动力
本机的工作阻力主要来自于双排立式独立灭茬缺口圆盘入土后土壤的反作用力及镇压辊的作业阻力。参考试验数据，双排灭茬圆盘每米耕幅消耗动力20～30 kW，该机幅宽4.5 m，共需消耗动力112 kW左右，加上自身重量和镇压部件需要消耗的动力，动力系数按1.3计算，共需要动力146 kW 左右，再加上预留动力，预计需要160 kW以上的机具配套，按拖拉机动力配置范围定为161.8 kW（220 马力）以上拖拉机配套使用。
2.3.2作業幅宽
根据作业速度、灭茬效果、动力匹配和道路运输等多种因素考虑，作业幅宽设定为4.5 m。
2.3.3作业速度
在满足农业生产要求，确保有效灭茬深度和最佳作业效果的前提下，尽可能降低功率消耗，提高作业速度，并考虑其他综合因素，确定该机作业速度为10～15 km/h。试验测定证明，该速度范围内机具作业效果与作业速度呈正比例关系，但是当速度低于10 km/h时，作业质量变差，速度高于15 km/h时，作业质量无明显提升，动力消耗巨大。
2.4总体结构
该装备的整体结构配置设计是研究的关键技术环节之一，整体配制要求科学合理，结构紧凑，技术先进，能理想地实施对以玉米秸秆为主的田间秸秆粉碎还田处理并附带整地镇压作业。 研制该装备解决了三项核心技术：（1）设计组合式机架结构，实现多种工作部件的合理融合，有效提升机具田间通过性能，降低作业时的拖堆堵塞和动力消耗。（2）低损伤低功耗灭茬耙，灭茬、碎土效果好，能耗低，使用寿命长。（3）强力镇压结构，在提升镇压效果的同时，可有效疏松表层土壤。
4.镇压机构 5.行走机构
3.1机架总成
机架总成是由牵引点总成、牵引架总成、支脚总成、主机架总成四部分组成。牵引力通过牵引点和牵引架传递到主机架上，设计的三角形牵引架可大幅提升整机强度，主机架可合理地排布工作部件并有效串联机具的各个功能单元。
1.牵引点总成2.牵引架总成3.支脚总成4.主机架总成
灭茬圆盘耙组包含前排圆盘耙组和后排圆盘耙组两部分，前后圆盘耙组交错，切碎秸秆残茬效果明显，可避免漏耕，有效防止拖堆堵塞，降低动力消耗。用橡胶棒辅助连接的独立灭茬圆盘机构还具有一定的越障保护功能，可有效减少作业时灭茬圆盘遇到硬物撞击的损伤。
1. 连接梁 2.圆盘支臂3.灭茬圆盘
镇压机构采用液压调节镇压强度，结构上采用后壁圆筒外侧焊和钉齿的结构，镇压、碎土效果明显，同时能够疏松表层土壤，镇压滚筒外侧带有独立可调式刮泥板，能有效清理钉齿间粘连的土壤和杂物，效果显著。
3.4行走机构
行走机构采用液压调节，当机具作业时，行走轮升起，机具的重心移动到主机架中部，有利于灭茬和镇压作业;当机具行走时，行走轮落下，机具的重心移动到主机架后部，有利于提升前端灭茬机构的离地间隙，为机具的行走提供更好的通过性。
1.镇压梁 2.镇压滚筒 3.刮泥板总成 4.连接侧板
整机的液压操作控制系统共设计使用了4个液压油缸，通过多路液压分配器和操作手柄的控制，实现整机液压起落，耙茬深度调节、镇压强度调节和行走运输，以及各工作部件的调节和控制，操作方便可靠。
4试验情况及结论
（1）通过机具田间大面积作业试验和地域适应性试验证明，该机具研究设计是成功的，各项技术性能指标已达到了设计的要求，理想地实现了高速灭茬联合整地的目的，符合我省现阶段的农业生产要求，可以大面积推广应用。
（2）大面积田间实践表明，该机不仅技术先进，而且具有显著的经济效益、社会效益和生态效益，与传统作业相比，可减少机具作业次数，降低作业成本，减轻土壤压实，提高蓄水保墒能力。
（3）该机在整机配置设计和核心工作部件研究方面取得了多项创新，解决了传统联合整地机易拖堆堵塞、灭茬效果不理想、工作阻力大、能耗高、工作部件易變形损坏等多项关键技术问题，具有田间通过性能好，土壤条件适应性强，结构技术先进，工作性能可靠等优点，在技术性能和结构先进性方面达到了国际先进水平。
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