文立阁，李建桥，崔占荣
（吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春 130025）
摘 要：阐述了作物根茬处理机具的现状，对几种不同类型根茬处理复合作业机具及其刀具的结构、性能和特点进行了分析，指出了普遍采用的灭茬机具存在的问题，提出了灭茬机具今后的研究方向。其中，包括对灭茬刀具进行改进，降低功耗、增强其抗磨性及将农机与农艺结合。 关键词：农业工程；灭茬机具；综述；灭茬刀；根茬粉碎；减阻
中图分类号：S224.9 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2006)05─0010─04
0 引言
早在20世纪60年代初，机械化秸秆根茬粉碎还田技术就在国外开始应用，而我国机械化秸秆还田技术起源于20世纪80年代，到90年代，各地才大力推广秸秆根茬粉碎还田技术，秸秆根茬粉碎机具得到了大量地开发与应用[1,2]。
根茬粉碎还田技术即利用根茬粉碎还田机具，将站立在垄上的根茬粉碎后直接均匀地混拌于8～10cm深的耕层中，实现除茬整地。我国北方广大地区以种植玉米为主，摘穗后，秸秆收回作为燃料或加工成饲料等，田地留下10cm左右的根茬，主根地表下沉深度约5～6cm，各层的次生根和根须在地表下呈灯笼状分布，聚积土壤成团，最大横截面处直径约20～25cm[3]。玉米根茬干物质中有机质含量高达75%～85%，养料丰富。其中，含氮0.75%，磷0.60%，钾0.9%[4]。根茬粉碎还田后可增加土壤有机成分，使耕层土壤疏松，增加耕层内的透气、透水能力，有利于提高地温，为土壤微生物活动创造了良好条件，促进腐殖质成分的更新与养分的循环；而且上层土壤疏松后，毛细管被切断，可减少下层土壤中水分的蒸发，起到蓄水保墒防春旱的作用，既省工省力，又减少了开支，推动了我国农业向生态化方向发展，确保农业的持续、稳定、健康发展。
本文通过资料检索与分析，对我国灭茬机及其刀具的发展和存在的问题进行了分析，并探讨了灭茬机具及其刀具的研究方向和实验方法。1 灭茬机具
1.1 基本型灭茬机具
常用玉米灭茬机具[5]如表1所示，其可调行距60～70cm，作业深度8～10cm。表1中1G-4型灭茬机使用量较大，该机采用4组灭茬部件，每两组分别套装在左右旋转轴上，用定位销轴进行轴向固定，每组灭茬部件分别由18把螺旋排列的左右各半的L型直刃灭茬刀组成，耕幅为252mm，还可根据要求左
右展开，展开后的耕幅增加到412mm，以适应于垄距不均的各种地块。分析表1中数据可看出，在同样的作业深度、可调行距条件下，随着作业行数的增加，配套动力随之增加，如图1所示。
表１玉米根茬粉碎直接还田常用灭茬机具
型号配套拖拉机动力/kW 作业行数
1GS-2 8.8 2
1GX-2 8.8～11 2
1GY-2 8.8～11 2
1G-4 36.7～40.4 4
1GC-5 40.4～58.8 5
1G-6 55～58.8 6
图1 功率-行数的关系
秸秆灭茬机具主要分为卧式和立式两种。卧式秸秆灭茬机主要通过机械结构进行改进：一是动力通过一组卧式圆盘刀进行秸秆粉碎；二是动力通过
灭茬刀轴逆转进行秸秆灭茬还田耕作。立式秸秆灭0
20
40
60
行数
功
率
/
k
W
收稿日期：2005-04-25
基金项目：国家自然科学基金（50175045）；长春市科技发展计划(02-139x05)
作者简介：文立阁（1967-），男，长春人，讲师，在职博士，(E-mail)jqli@jlu.edu。
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133°
20φ
60茬机采用立轴式结构，立轴上面几层安装或固定刀，通过打击与切割相结合的方式粉碎秸秆；立轴的下部安装固定切茬刀，切碎地下根茬，实现秸秆粉碎和灭茬两项作业；但其结构复杂，使用安全性差，功率分配上存在互相牵制等问题。 1.2 旋耕灭茬机
旋耕灭茬机是在旋耕机的基础上进行机构改造而获得的，从结构上大致可分为两类：一是通过齿轮箱变速手柄使刀轴获得不同的转速，在同刀盘上，可分别安装旋耕刀和碎茬刀，目的是在1台机器上可分别完成旋耕和碎茬两项不同作业[6,7]。二是通过安装有不同转速双轴，分别实现灭茬旋耕作业，达到了一机两用的目的，减少机具进地次数，降低了耕作费用[8]；但在机具的前进速度、生产率、功耗的分配上相互牵制。另外，根茬在双轴之间容易缠绕堵塞，不仅降低作业效率，而且配套动力也随之增加。
1.3 多功能灭茬机具
随着我国国民经济的发展，农业向产业化、集约化规模发展将成为必然的趋势，农业机械也将由小型、单一、低效向大型、联合、高效的方向发展。多功能灭茬机具一次性可完成灭茬、旋耕、深松、双层施肥、起垄镇压等作业工序中的几种工序。以DMF-2(4)型大垄灭茬施肥耕整机为例[9]，配套动力为55～73.5kW ，灭茬深度8～12cm 。该机既能一次完成旋耕灭茬、深松、双层施肥、起垄镇压等项联合作业，还可进行旋耕灭茬、深松施肥、起垄镇压等单项或多项组合作业，实现了一架多具、一机多能、一机多用，提高了机具利用率。同时，能够完成玉米2大垄灭茬，起2大垄或3小垄作业，或进行3小垄灭茬，起3小垄或2行大垄作业，以及4小垄灭茬起4小垄等联合作业。这样既满足不同地区的农艺要求，又提高了机具适应性。此类机具生产效率高，经济效益好，机具1次作业即可达到播种状态。与传统“翻、耙、起、压”分段作业相比，该机减少了进地次数，降低了生产成本，有利于抗旱保
墒和抢农时。此外，还有多种部件组合而成的多功能机具，如玉米收割灭茬机，是能够1次作业完成果穗收获、秸秆粉碎和灭茬的机具。
由于作业工序的增多，多功能灭茬机配套动力也随之增大，灭茬作为主要工序之一，降低灭茬部件阻力是关键。为此，开展以多功能灭茬机具减少功耗为目的研究是十分必要。
2 灭茬刀具的研制
目前，根茬粉碎还田机的切割方式都属于打击
与切割相结合，以打击为主[10]。所用刀具一般由6～7mm 的65Mn 钢板制成，刀轴的转速一般为500 r/min 左右甚至更高，转速太低会影响作业质量。65Mn 钢具有较高的强韧性和相当好的耐磨性。但由于刀具工作时长期与土壤、砂石直接接触，由于作业负荷冲击较大和土壤的摩擦从而造成严重磨损，导致作业寿命严重缩短。一般小麦根茬还田机械的刀具作业面积仅为70hm 2左右，玉米根茬还田机械的刀具作业面积仅为40hm 2左右[11]。刀片磨损后如不及时地进行更换，将难保证切碎质量并增加功耗。 目前，地上秸秆还田机械多利用高速旋转的(多采用斜切式L 型)逆向切断茎秆，茎秆不断地撞击罩板，并多次受到切割破碎，碎茎秆在刀辊上部甩出。面向地下根茬粉碎处理的机具，如旋转灭茬、振动灭茬、对行灭茬、复合灭茬等机具也相继被开发并投入使用。刀具的研究经历了从旋耕刀、砍切刀、直刃切茬刀到曲刃切茬刀及鞭式刀的发展过程，刀的切茬性能不断地提高，阻力和功耗
明显降低。其中，直刃切茬刀采用以砍切为主、滑切为辅的切割方式[12]，砍切过程中带有滑切，使滑切角的变化有利于稳定的砍切[12,14]。由于直刃刀制造简单，从而得到广泛的应用[6]。
2.1 基本灭茬刀片
按形状分，刀具主要有[15,16]：直刀、L 型及其改进型刀、T 型刀、锤爪等几大类。其中，L 型及其改进型刀主要用于玉米、高粱、棉花等作物，此类秸秆的切碎多以打击切碎为主，切割为铺，对刃口的锋利程度要求不高。L 改进型刀已形成标准，代号为JB/T9816-1999。L 型及改进型刀如图2所示。
(a) L 型 (b) L 改进型
图２ L型及其改进型刀
2.2 研制的灭茬刀片
吉林大学的马旭通过正交实验得出一种L 型除茬刀[16]，其弯折角112°、滑切角5°、弯曲半径30mm 、刀滚半径250mm 、刃角17°、刃厚0.5～1mm 、切削宽度86mm ，简图如图3所示。该刀负荷最小，而且除茬率为96.84%，碎土率为98.54%，明显优于其它L 型除茬刀。
图3灭茬刀简图
上海水产大学的吴子岳提出利用压切原理切碎玉米秸秆及根茬，建立了非等长刀切碎模型，对切碎机结构参数和运动参数进行了优化设计，对研制的单轴式秸秆切碎灭茬机进行的田间试验结果表明设计是成功的，切碎长度合格率达91.4%，根茬破碎率达86.5%[17]。同时，他提出L型曲刃刀[3]，既正切刃是圆弧曲线刃，圆弧半径214mm，滑切角度变化范围为10°～30°，侧切刃是直刃，每刀作业宽度80mm。采取曲刃刀可以实现滑切的方式切断根茬，减少切割阻力。
河北农业大学的张世芳研制了鞭式刀具结构，并研制成4JCBQ-150型鞭式秸秆根茬切碎还田机，采用3节鞭式刀具结构，其由刀座、刀柄、刀头3节组成[18]，如图4所示。刀组按螺旋线对称排列，一组刀头通过销轴连接在刀柄上，刀柄通过销轴连接在刀座上，刀座按刀组排列位置焊接在刀轴上。由传动装置输出动力，带动刀轴旋转，再通过销轴带动刀柄、刀头旋转。鞭式刀具以“三节鞭”抽打方式作用于秸秆、根茬，刀头速度高，既可切碎秸秆，又能同时入土破茬，使碎秸秆与土壤均匀混拌，从
1.刀轴
2.刀座 3、5.销轴 4.刀柄 6.刀头
图4刀具结构图
上述秸秆灭茬刀具中，除三鞭式刀具已经形成灭茬机具，而且应用于生产，其它还处于实验阶段，其田间使用效果及使用寿命有待于实践验证。
qpso3 灭茬机具存在的问题
1) 机具繁杂。目前进行的秸秆灭茬机具的开发，虽然种类、数量众多，但基本上仅限于机械机构上的改进，性能高的机具较少，以降低功耗、提高效率的整机或灭茬部件的研究相对较少。
2) 配套动力大。多功能大型灭茬机具是农业机械化发展的必然趋势，但动力需求大且一次性投入成本提高，这样显著增加了农民负担，在一定程度上影响了农业机械化的普及与发展。
3) 刀具使用寿命低。无论旋耕刀还是灭茬刀，其使用寿命短一直困扰着秸秆还田机械的正常作业效率和作业质量，传统的刀具强化方法还无法满足于延长灭茬刀具使用寿命的要求。
4 灭茬机具的发展方向
针对灭茬机具存在的问题，开展灭茬机理、碎土功耗的试验研究势在必行。灭茬刀具是典型的触土部件，其与土壤构成了土壤机器系统的一个子系统，其作用关系统称土壤动力学。土壤动力学的研究主要包括两个内容：一是通过试验修正的方式，寻描述土壤状态的各个机械特性参数及其经验性关系；二是在试验分析的基础上，对触土部件土壤接触系统施予一定的假设，从而推求描述触土过程的理论预测模型，以期指导触土部件的设计[19,20]。优化触土部件形状及其表面物理特性，以降低触土阻力、改善土壤最终状况成为研究的主要目标。因此，根据灭茬机具存在的问题，以系统的观点开展理论与试验研究是今后灭茬等机具的发展方向，具体包括以下几个方面。
1) 优化灭茬机具，利用现代计算机技术，建立虚拟样机，通过优化组合，出每个工序或者基本部件优化参数，合理地分配各工序的功耗，以降低整机的功耗，从而降低配套动力。
2) 改进优化灭茬刀具形状及其表面物理特性，利用现代化加工工艺，达到减少功耗，延长刀具使用寿命的目的，从而降低使用成本，节约能源。
3) 农机与农艺结合研究，要实现秸秆、根茬全部还田不仅动土量大，而且动力消耗多。因此，还田并非越多越好。应提倡保护性耕作技术，在减少动土量的前提下提高碎茬率，研制高效的秸秆、根茬粉碎机。
参考文献：
保密工作杂志
[1] 陈小兵，陈巧敏.我国机械化秸秆还田技术现状及
发展趋势[J].农业机械,2000,(4):14-15.
[2] 王长生，王遵义，苏成贵，等.国外保护性耕作技术
概况及模式[A].种植机械专集[C].北京：全国种植
机械情报网第24次学术年会,2002.
[3] 吴子岳.玉米秸秆与根茬切碎模型及其机具的研究
[D].北京：中国农业大学,2000.
A
A-A
A
B
B向
B
L
β
Φ
2
- 12 -
[4] 中国农机学会农机化学会科技交流中心.农作物秸
秆利用技术与设备[M].北京：中国农业出版社,
兄长的侵控by红柳木
1996.67-70
[5] 曹建军.秸秆还田机械化技术及应用前景[J].中国
农机化,1997,(3):104-111.
[6] 贾洪雷.新型旋耕碎茬通用机的研究与设计[J].农
业机械学报,1988,(增刊):26-30.
[7] 李源俸，陈毅培.变速灭茬旋耕机的设计研究[J].
南方农机研究推广,2003,(3):31.
[8] 赵海波，韩金福，田士军.SGTN-140型双轴灭茬旋耕
机的设计与研究[J].中国农机化,2003,(2):30-
31.
[9] 刘国平，栾海德，杨丰.DMF－2（4）型大垄灭茬施
肥耕整机的研究设计[J].农机化研究,1999,(1)：
28-31.
[10] 吴子岳，高焕文，陈君达.秸秆切碎灭茬机的设计
与试验[J].上海水产大学学报,2001,10(1):60
-64.
[11] 张银霞，曾宪阳，杨星钊，等.秸秆粉碎灭茬还田机
的试验研究[J].河南农业大学学报,2002,36(2):
179-182.
[12] James G. Effect of knife angle and velocity
on the energy required to cut cassava tubers
[J].Journal of Agricultural Engineering Res-
earch,1996,64(2):99-106. [13] B.E.Ronig. Perfomance Test of Rotary Tiller
Blade[J].Transaction of the ASAE,1971,14(6):
1080-1082.
[14] Jum Sakai.Some Design Know_nows of Edge_cur-
ve Angle of Rotary Blades for paddy Rice
Cultivation[J].Agricultural Mechanization in
经济学家张宏驰Asia,1977,(1):49-57.
[15] 孙学军，王频.秸秆切碎还田机的研究现状与思
考[J].新强农业机械化,2001,(2):41-42.
[16] 胡少兴，马旭，马成林.根茬粉碎还田机除茬刀
滚功耗模型的建立[J].农业机械学报,2000,
31(3):35-38.
[17] 吴子岳，高焕文，陈君达.秸秆切碎灭茬机的模型
研究与参数优化[J].2001,32(9):62-66.
[18] 张世芳，赵树朋，马跃进，等.秸秆还田机鞭式刀具
皇城轶事的研究[J].农业机械学报,2004,35(2):59-61. [19] Gill W R,Vanden Berg G E. Soil dynamics in
tillage and traction. Agriculture Handbook
[K].[S.l]:United States Department of
Agriculture, 1967.
[20] 曾德超.机械土壤动力学[M].北京：科学技术出版
社,1995.
[21] 吴子岳，高焕文.根茬处理技术的现状与发展[J].
中国农业大学学报,2000,5(4):46-49.
Development Present Situation of Stubble Chopper and Blade汤爱民教授
Used in China
WEN Li-ge, LI Jian-qiao, CUI Zhan-rong
(The Kay Laboratory for Terrain-Machine Bionics Engineering, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130025, China)
Abstract：The status of stubble cleaners and blades, especially for maize, was introduced. The structure, performance, and characteristics of a few types of stubble cleaners and blades widely use
d in China were analyzed and discussed. On the basis of analyses and discussion, the problems of high-energy consumption of stubble cleaners and blades were put forward. It is summarized that the importance to reduce energy consumption of stubble cleaners, to improve abrasion of stubble blades, and to combine farming machine with agricultural progress in the field.
Key words：agricultural engineering; stubble chopper ; summary; stubble blade; breaking stubble; resistance reduction
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