北大荒水田秸秆还田与耕整地联合作业机具设计与性能试验

1. 联合作业机具设计

总体结构与工作原理设计

机具采用前置秸秆粉碎还田单元与后置耕整地单元串联式布局，通过三点悬挂系统与配套大马力拖拉机连接，动力由拖拉机动力输出轴（PTO）经中间传动箱统一输入，再通过多级链条 / 齿轮传动系统分别驱动前、后作业单元。前置秸秆粉碎单元主要由高速旋转的动刀辊（配备 L 型或 Y 型甩刀）、定刀、防缠罩壳、秸秆抛撒 / 导流装置组成，负责将高留茬或铺放的水稻秸秆进行强力切割、粉碎。粉碎后的秸秆在刀辊旋转离心力及抛撒装置作用下，部分被均匀抛撒至后方作业区域，部分被直接向后输送。后置耕整地单元采用宽幅、大直径旋耕刀辊结构，刀辊上密集排列弯形旋耕刀或耙浆刀，刀辊转速相对较低但扭矩要求高。该单元承接前置单元粉碎抛撒的秸秆，在高速旋转刀片的切削、抛掷作用下，将粉碎秸秆与表层土壤进行强烈混合、搅拌、破碎，同时完成土壤的旋耕、碎土、耙平作业，并利用水田土壤的含水特性形成泥浆层（起浆）。机具特别设计了防堵结构，如动定刀间隙可调、罩壳内壁光滑处理、强制喂入装置等，以应对高湿、量大秸秆的缠绕堵塞问题。同时，关键部件如刀轴、轴承座等进行了强化设计，并考虑防锈蚀处理，以适应水田恶劣环境。整机作业深度可通过限深轮或液压悬挂系统进行调节。

关键工作部件参数设计

针对北大荒水田秸秆特性和土壤条件，对关键工作部件进行了针对性参数设计。秸秆粉碎刀辊设计转速较高（ 1800-2200rpm ），采用交错排列的 L 型或Y 型甩刀，刀片数量密集，动定刀间隙可调（初始设定 3-5mm ），确保能将高留茬（ ⩽40cm ）和铺放秸秆有效粉碎至合格长度（目标 ⩽10cm 占比 ⩾85% ）。抛撒装置采用可调角度导流板或加装抛撒叶片，确保粉碎秸秆向后均匀覆盖或部分抛撒至后部作业区。耕整地刀辊采用大直径（ ⩾450mm ）、宽幅设计，降低单位幅宽功耗。刀辊转速设计为中低速（ 180-250rpm ），以提供足够的扭矩进行土壤切削、破碎和秸秆深埋。刀片选用标准水田弯刀或专用耙浆刀，采用双螺旋线或人字形对称排列，排列密度适中，兼顾碎土效果与防缠堵能力。刀片入土角、弯折角度进行了优化，以降低牵引阻力，提高碎土率和起浆效果。作业深度调节范围设计为 12-18cm ，以满足不同耕深要求。整机工作幅宽根据配套拖拉机功率（建议 ⩾120 马力）设计为 2.0-2.5 米。

2. 性能试验方案与方法

2.1 试验条件与准备

试验选择在北大荒农垦集团具有代表性的典型水田区域（如建三江、宝泉岭管理局下属农场）进行。试验田块选择秋季水稻收获后（10 月下旬至 ¹¹ 月上旬），地表留有水稻秸秆（高留茬或机械收割后铺放），土壤类型为当地典型黑土或草甸土。试验前精确测定田块土壤基础参数：土壤类型、 _0-20cm 土层平均含水率、土壤坚实度（使用土壤坚实度仪测定）、地表秸秆覆盖量（单位面积秸秆重量 kg/m² ）及留茬高度。选择符合设计要求的配套轮式拖拉机（额定功率≥ 120 马力），并检查其技术状态良好。试验样机在试验前进行彻底检查、保养和调试，根据试验设计预设好作业深度、刀辊转速（通过更换传动链轮或调整油门）等关键参数。

2.3 试验方法与数据采集

试验采用小区对比法。在选定的大田内，划分出足够长度（ ⩾50m ）和宽度（覆盖机具工作幅宽）的多个试验小区，每个处理（不同作业参数组合）设置不少于3 次重复。主要考察的作业参数包括：拖拉机前进速度（设定低、中、高三档，如 3km/h, 5km/h, 7km/h ）、机具作业深度（设定浅、中、深三档，如12cm, 15cm, 18cm ）、地表秸秆覆盖量（选择低、中、高三种覆盖量的田块）。在每个试验小区内，按照相关国家标准和行业通行方法进行数据采集：在稳定作业段内，按网格法或对角线法选取多个取样点，测量耕深、采集土样分析碎土率、采集秸秆样本分析粉碎长度分布和掩埋情况、测量地表平整度、记录作业时间和燃油消耗量等。所有数据均使用预先设计好的规范表格进行现场记录，并辅以照片、视频记录作业过程及效果。试验过程中密切观察机具工作状态，记录发生的任何故障或异常现象。

3. 试验结果分析与讨论

3.1 秸秆还田性能结果分析

试验结果表明，所设计的联合作业机具在秸秆粉碎还田方面表现总体良好。在设定的中低作业速度（ 3-5km/h ）和中等秸秆覆盖量（ 0.6-0.8kg/m² ）工况下，秸秆粉碎合格率（长度 ⩽10cm ）普遍达到 85% 以上，满足农艺要求，这主要得益于前置高速粉碎刀辊和 L/Y 型甩刀的强力切割作用。秸秆抛撒均匀度（变异系数 CV% ）在合理范围内（ 20%-30% ），导流板设计有效引导了粉碎秸秆向后抛撒覆盖。秸秆掩埋率是衡量还田效果的关键指标，试验显示在标准耕深（15cm）下，掩埋率可达 70%-80% ，显著高于仅使用秸秆还田机不耕翻的情况，这充分体现了后置旋耕刀辊在搅拌混合土壤与秸秆方面的优势。然而，在高秸秆覆盖量（ >1.0kg/m² ）或高作业速度（ >7km/h ）下，粉碎合格率和掩埋率均出现不同程度下降，且地表秸秆覆盖率有所升高（ >25% ），表明机具在高负荷工况下处理能力存在瓶颈，粉碎单元可能发生瞬时堵塞或后置单元来不及充分掩埋。

3.2 耕整地作业质量结果分析

在耕整地作业质量方面，机具表现出色。耕深稳定性良好，平均耕深与设定值偏差小于 1cm ，变异系数控制在 10% 以内，限深轮或液压系统调节有效。土壤碎土率普遍高于 85% ，大直径旋耕 / 耙浆刀辊和优化的刀片排列对黏重的水田土壤起到了良好的破碎效果。地表平整度满足后续插秧要求（标准差<3cm），机具后部的平整拖板起到了重要作用。起浆效果是水田耕整的核心要求之一，试验中在土壤含水率适宜（ 30%-40% ）条件下，机具能有效形成厚度约 3-5cm、相对均匀的泥浆层，为插秧创造了良好条件。值得注意的是，当土壤过于粘湿（含水率 >45% ）或秸秆掩埋量过大时，碎土率会略有下降，泥浆层中可能出现少量未充分破碎的土块或秸秆团，但对整体作业质量影响可控。

结论

本研究成功研制了一种适用于北大荒水田的秸秆还田 - 耕整地联合作业机具，并通过系统试验验证其综合性能。未来需进一步优化粉碎室防堵结构、提升刀片耐磨性，并探索智能调控系统以增强复杂工况适应性。该机具的推广可显著降低作业成本，推动寒地稻区秸秆资源化与保护性耕作发展。

参考文献

[1] 张伟, 李强, 王建国. 水田秸秆还田机具研究进展与展望[J]. 农业工程学报 , 2021, 37(10): 50-58.

[2] 刘志刚, 赵明, 陈立平. 东北寒地水稻秸秆全量还田技术瓶颈分析[J]. 中国农业大学学报 , 2019, 24(7): 132-140.