摘要：现阶段中国果园种植面积达 11874.85 千公顷，随着国家推进“质量兴农、绿色兴农”战略, 种植果园绿 肥成为一种现代化绿色果园土壤管理新模式。绿肥在翻压深度为 150mm 时，腐解速率最快，为高效利用果 园绿肥，设计了一种由旋耕刀、“铁链分离帘”、挡土板及镇压器组成的实现“茎秆先落，土壤后落”的 “分离掩埋装置”，利用离散元仿真试验对“分离掩埋装置”各部件的配合参数进行了设计，建立了“分 离掩埋装置”配合参数模型。仿真试验表明：当旋耕刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离为 378.76mm、 挡土板横板宽度为 187.78mm、挡土板夹角θ为 116.48°时样机覆盖率最高，为 95.16%；通过模型验证试验， 得出掩埋率为 94.36%，与仿真试验结果相差较小，与未加装“分离掩埋装置”前比较，掩埋率提高了 4.84%。 “分离掩埋装置”的设计提高了果园行间绿肥的掩埋率，有利于绿肥资源充分利用，为复播绿肥奠定良好 的播种条件；“分离掩埋装置”及其配合参数模型的建立为秸秆还田等相关机械研发与优化提供一定的参 考价值。

1.引言 根据中国国家统计局资料，2010 年中国果园种植面积为 10681.02 千公顷，到 2019 年果园种植面积增 加至 11874.85 千公顷，同比增长 10.05%[1-2]。纽约联合国总部进行的可持续发展峰会，通过了《2030 年可 持续发展议程》，明确可持续发展的意义[3]。随着中国推进“质量兴农、绿色兴农”战略推进, 种植果园绿肥 成为一种现代化绿色果园土壤管理新模式[4-5]，绿肥指通过对绿色植物体直接翻压还田、异地施用或集中发 酵用作生物肥料的绿色植物体，种植绿肥具有改变土壤理化性质、增加土壤有机质和营养物质、提高作物 产量和品质等优点[6-9]。中国新疆南疆地区靠近塔克拉玛干沙漠边缘，属于极干旱地区，果园土壤养分匮乏， 绿肥在还田过程中浅翻导致翻压效果差，绿肥利用率低，而深翻容易损伤果树地表根系，不利于果树的生 长发育，随着果园绿肥种植的迅速发展，研发提高绿肥还田效果的装置具有重要意义。 果园绿肥主要利用方式为夏季绿肥覆盖保水，秋季绿肥还田养地，1994 年 Tor Arvid Breland 研究了白 三叶及红三叶在不同温度下的腐解情况，表明 0-20cm 处腐解较快[10]；2018 年吕丽霞等人研究表明白三叶， 黑麦草绿肥作物在翻压深度为 10cm 时，腐解速率最快，铺放在地表腐解较慢[11]。绿肥还田机械起步相对较 晚，但发展较快，2010 年意大利 Rinieri 公司研究出 ELX140 型果园避障除草机[12]，作业效率较高，但覆盖 较掩埋而言，绿肥利用率不高；2012 年 Norremark 等人研制了采用 GPS 定位的株间除草机，可实现障碍物 识别及路径规划等，作业后覆盖效果好，但其成本较高[13]；2021 年吴惠昌等人还研制出 GFY−200 型绿 肥粉碎翻压复式作业机[14]，该机械先采用预切粉碎，后进行旋耕翻压，提升了作业效率，高效节能，但 是其翻压效果欠佳。2020 年杨庆璐等人设计研发的伸缩指杆式玉米秸秆旋耕掩埋机[15]，该样机利用伸缩 指杆与偏心轴配合，能将粉碎后的玉米秸秆进行高效的翻压，具有分离秸秆与土壤，利用落差使得秸秆先落下，土壤后落下，提高秸秆还田效果。此外，荷兰 Van Wamel BV、德国 FENDT 等公司也研 发了绿肥粉碎翻压联合作业机，但其配套均在 220 kW 以上，且需有前动力输出，此类绿肥粉碎翻压机械大 多以大中型为主，价格高昂、与果园小型拖拉机动力匹配度较差[16-18]，考虑到果园实际行距大小，绿肥种 植情况、以及果农经济水平等因素，大型、高成本等绿肥粉碎翻压机械并不适用于果园绿肥还田作业。 目前我国学者在绿肥还田方面大多进行绿肥还田样机整体的设计，我们设计的装置主要针对果园绿肥 全部利用解决以下问题，传统果园翻压机械针对茎秆较高的绿肥作物，浅翻影响掩埋效果，而深翻影响腐 解效率且容易损伤果树地表根系的问题，设计出一种实现“茎秆先落，土壤后落，茎秆在下，土壤在上” 的“分离掩埋装置”，并对该装置进行离散元仿真模拟试验，确定各部件之间的配合关系，为果园绿肥高 效利用提供了一种新装置。通过田间试验验证，确定了设计的科学性、可靠性。 

2.材料和方法 

2.1“分离掩埋装置”组成及工作原理 “分离掩埋装置”由旋耕刀、“铁链分离帘”、挡土板以及镇压器共同组成(图 1a 所示)。为保证旋耕 作业时旋耕刀轴负载均匀，转动平稳，旋耕刀整体依照双螺旋对称方式排列；“铁链分离帘”由均匀排布 的铁链构成，铁链通过三个定位杆进行相对固定，避免在运动过程中与旋耕刀干涉，产生危险，但是铁链 在小范围依然可以晃动，防止高速运转的旋耕刀抛起的绿肥茎秆粘连在铁链上造成堵塞问题，其主要作用 为分离旋耕刀抛起的绿肥茎秆与土壤；挡土板由一块横板与斜板构成，主要作用为阻挡穿过“铁链分离帘” 的土壤颗粒。 工作时，绿肥茎秆一部分由旋耕刀翻压入土，另一部分随旋耕刀抛起，抛起的茎秆及土壤到“铁链分 离帘”后，绿肥茎秆被挡住，改变了其原有的运动轨迹，顺着“铁链分离帘”下落至地表，而土壤穿过“铁 链分离帘”直到撞击到机具挡土板后下落到地面。实现“茎秆先落，土壤后落”的目的，仍然未被掩埋的 绿肥茎秆通过镇压器“压杆片”进一步压入地面，提高其掩埋率，分离翻压覆土原理如图 1b 所示。 a. 分离掩埋装置简图 b. “分离掩埋装置”原理示意图 1.旋耕刀 2.旋耕刀座 3.旋耕刀轴 4.茎秆模型 5.铁链 6.土壤颗粒模型 7.挡土板 8.镇压轮 9.土壤模型 图 1 分离掩埋装置 

2.2 “铁链分离帘”及挡土板 “铁链分离帘”(图 2a 所示)位于旋耕部分后方，由均匀排布的铁环构成，铁链通过三个定位杆进行相 对固定，避免在运动过程中与旋耕刀干涉，但是铁链在小范围依然可以晃动，防止高速运转的旋耕刀抛起 的绿肥茎秆粘连在铁链上造成堵塞问题。其主要作用为分离旋耕刀抛起的绿肥茎秆与土壤。 由果园绿肥的粉碎还田试验可知，粉碎长度在 0-100mm 之间的占 90.1%，最短的在 50mm 左右，为提 高铁链的使用寿命，保证铁链与定位杆之间能滑动，同时防止绿肥茎秆从铁链之间穿过，选用链径为 14mm， 内长为 50mm，外宽为 47.6mm 的铁环组成的铁链，铁链之间间隔为 50mm，根据整机设计作业幅宽为 1500mm，总共设计 28 组铁链，每组铁链由五个铁环组成，铁链采用弧度设计便于茎秆缓慢滑落。设计定 位杆总共有三根，直径为 10mm，2 根分别从第 2、4 个铁环之间穿过，1 根压于第 3、4 个铁环之上。 挡土板(图 2b 所示)由一块横板与斜板构成，长度设计与工作幅宽相同，为 1500mm，初步设计横板宽度为 150mm，斜板宽度为 300mm，挡土板主要作用为阻挡穿过“铁链分离帘”的土壤颗粒。 a.“铁链分离帘”示意图 b.挡土板示意图 图 2 “铁链分离帘”及挡土板 旋耕刀切削土垡后将部分土壤及绿肥茎秆抛起，宏观上分为向前抛及向后抛，向前抛起的土在与罩壳 碰撞后落下，继而与旋耕刀发生二次碰撞，碰撞后向后抛出[19]。抛土性能是影响绿肥茎秆掩埋效果的关键， 不考虑空气阻力，土粒质点初始位置坐标为(x0，y0)，在 x 方向分速度用 va表示，y 方向的分速度用 ve 表示， 运动时间用 t 表示，重力加速度 g 取 9.8m/s，则土壤质点被抛起的运动方程为：             2 0 0 2 1 g t y y v x x v t ea (1) 由式(1)可知，土壤质点运动轨迹为抛物线，其速度 v 方的方向角 决定土壤质点的抛向，当 ＞π/2 时，土壤前抛；当 ＜π/2 时，土壤后抛(如图 3 所示)。因此，可得土粒后抛的条件为： / 2 arctan     ea v v (2) 式中 —土粒质点速度方向角，(°)。 由图 2 分析可知，土壤质点抛出时的速度及方向可表达为：           180 0 2(1 sin )    v ve  (3) 式中 ve—土粒质点牵连速度，m/s；  —旋耕刀转过的角度，(°)； β—为土粒质点速度方向与最小半径之间的夹角，(°)。  —旋耕刀正切面末端的切线与最小半径之间的夹角，(°)；图 3 旋耕刀抛土运动分析 结合旋耕刀抛土运动过程的分析，同时考虑到旋耕刀距离“铁链分离帘”横向距离过小，铁链晃动时 容易与旋耕刀产生干涉现象，且旋耕刀抛起的土壤及茎秆容易堵塞铁链，距离过大又会降低茎秆与土壤的 分离效果，还会增加机器长度，影响机器的灵活性与平衡性；挡土板横板宽度距离过小，土壤与挡土板碰 撞时间短，覆盖效果不佳，过大增加整机长度，不适宜果园作业。

2.3 试验方法 为了节省成本与时间，提高工作效率，采用离散元仿真模拟试验对“分离掩埋装置”进行设计。基于 旋上述旋耕刀抛土运动分析，试验参数为旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离 L1及挡土板横板 宽度 L2与挡土板夹角(θ)L3(图 1b 所示)，考虑到旋耕刀抛土运动及整机长度，设置参数范围为 300≤L1≤500 mm，150≤L2≤250 mm，100°≤L3≤140°，利用 EDEM 软件进行三因素三水平中心组合仿真试验[20]，试 验因素水平编码如表 1 所示。 表 1 因素水平编码表 编码值 试验因素 L1(mm) L2(mm) L3(°) 上水平 1 300 150 100 零水平 0 400 200 120 下水平-1 500 250 140

2.4 离散元仿真模拟试验 

2.4.1 仿真试验条件设置 “分离掩埋装置”主要为旋耕刀、土壤、绿肥茎秆等，在进行离散元仿真试验时，要分别明确其密度、 泊松比、剪切模量等参数以及他们相互之间的接触参数等。秋季绿肥复播作物为油菜，旋耕刀材料为 65Mn， 通过实地调研，试验果园及周边地区土壤类型为沙壤土，通过查阅资料[21-23]确定相关离散元模型参数，如 表 2 所示。 表 2 材料参数

2.4.2 仿真模型建立 试验香梨园位于新疆南部，塔克拉玛干沙漠附近，土壤类型为沙壤土，形状较为规则。使用 EDEM 中 颗粒元素对土壤建模，设置颗粒模型为两类，为便于计算，设置仿真土壤颗粒大小时，一般都远大于实际 项目 参数 项目 参数 土槽长×宽×高(mm×mm×mm) 3200×1600×300 土壤密度(kg/m3) 1250 机具前进速度(m/s) 1.2 土壤泊松比 0.4 旋耕刀旋转速度ω(rad/s) 13.3 土壤剪切模量(pa) 1×10 6 65Mn 钢密度(kg/m3) 7860 土壤—土壤恢复系数 0.2 65Mn 钢泊松比 0.3 土壤—钢恢复系数 0.6 65Mn 钢剪切模量(pa) 7.9×10 10 油菜茎秆－钢碰撞恢复系数 0.6 油菜茎秆密度(kg/m3) 809 土壤—土壤静摩擦因数 0.4 油菜茎秆泊松比 0.23 土壤—钢静摩擦因数 0.6 油菜茎秆剪切模量(pa) 4.704×10 7 油菜茎秆－钢静摩擦因数 0.23 油菜茎秆间碰撞恢复系数 0.6 土壤—土壤滚动摩擦因数 0.3 油菜茎秆间静摩擦因数 0.36 土壤—钢滚动摩擦因数 0.05 油菜茎秆间滚动摩擦因数 0.03 油菜茎秆—钢滚动摩擦因数 0.1土壤颗粒[24]。因此，颗粒粒径设置为 10mm 的单球形颗粒(图 4a 所示)，以及用 4 个颗粒堆积形成的团粒状 颗粒[25-26](图 4b 所示)，颗粒数量程正态分布，设置颗粒之间以 Hertz-Mindlin with bonding 方式黏结。 a.单球形颗粒 b.团粒状颗粒 图 4 土壤颗粒模型 参考相关秸秆离散元模型的建立[24-27]，对土壤表面绿肥茎秆建模。经过夏季果园绿肥粉碎还园试验， 粉碎后的绿肥茎秆几乎分布在 50-100mm 之间，本文分别使用 17 个直径为 6 mm 的颗粒以及 27 个直径为 6 mm 的颗粒组成长度为 60mm 和 90mm 的近似圆柱体形状的绿肥茎秆仿真模型(如图 5 所示)，代表粉碎铺放 后的绿肥茎秆。 a.60mm 茎秆模型 b.90mm 茎秆模型 图 5 绿肥茎秆颗粒模型 

2.4.3 仿真试验过程 用 solidworks 绘制长 3200mm、宽 1600mm、高 300mm 的土槽模型，与简化后的关键部件模型装配在 一起，并保存为*.igs 格式，导入到 EDEM 中。同时设置两个颗粒工厂用于生成土壤模型和绿肥茎秆模型。 生成土壤的颗粒工厂大小与土槽模型一致，根据土壤密度及土槽面积，为便于计算共生成土壤颗粒 1200kg， 生成时间为0~2秒；绿肥茎秆模型在土壤模型上方生成，距土壤模型表面50mm，工厂长1800mm，宽1600mm， 生成时间为 2~4 秒，4 秒时土壤模型与绿肥茎秆模型生成完毕(图 6a 所示)；整体模型旋耕深度为 15cm，镇 压器“压杆片”完全进入土壤，通过传动比等计算，设置整体前进速度为 1.2m/s，旋耕刀轴转速为 600r/min， 由于镇压器不能自转，通过前进速度与镇压器周长可求得其转速为 327.27r/min，机具运行时间为 4~7 秒。 为便于计算，时间步长设置为 Rayleigh 的 20%，网格单元大小设置为最小颗粒半径的 5 倍。 a.土壤—茎秆—“分离掩埋装置”模型 b.仿真过程 图 6 关键部件仿真过程

3 结果及分析 

3.1 离散元仿真试验结果及优化 仿真试验方案及试验结果如表 3 所示，掩埋率用 Y 表示，通过 EDEM 中的 Geometry Bin 模块得出，每 组试验重复 3 次，取平均值。由表 3 可知，当旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离 L1为 400 mm， 挡土板横板宽度 L2 为 200 mm，挡土板夹角θ为 120°时机器掩埋率最高，说明参数 L1、L2与 L3的最佳配 合在 400 mm、200 mm、120°附近。 为明确 L1、L2与 L3的最佳配合参数，利用软件 Design-Expert 10 进行 Box-Behnken 分析，对试验结果 进行回归分析，得出响应值 Y 与自变量 L1、L2及 L3之间的编码因子最终回归模型(式 4)。 Y  94.871.43L1 0.88L2 0.29L3 0.91L1L2 0.032L1L3 0.043L2L3 2.84L1 2 1.42L2 2 0.83L3 2 (4) 对模型进行方差分析(表 4 所示)，可以看出，其中决定系数 R 2为 0.9595，即建立的回归模型表达式拟 合精度较高。目标函数失拟项值 0.0928＞0.05，失拟项不显著，即无失拟因素存在，可用拟合的回归方程代 替试验真实点进行分析。目标函数 Y 显著性 P 值为 0.0004，小于 0.01，说明该模型极显著，可描述因素与 目标函数间的关系，具有统计学意义。从 F 值大小看出，模型的一次项 L1与 L2极显著，二次项 L1 2与 L2 2 极显著，L3 2显著，交互项 L1L2显著，各因素对指标 Y 的影响大小为：L1＞L2＞L3。旋耕刀刀辊中心至“铁 链分离帘”根部横向距离 L1决定了抛起的绿肥茎秆和土壤的分离情况，挡土板横板宽度 L2决定了分离之后 的土壤运动时间的长短，而挡土板夹角 L3同样对土壤下落时间有影响，从三个因素的重要性而言，方差分 析得出的各因素对指标 Y 的影响大小合理。 表 3 仿真试验方案及结果 表 4 回归模型方差分析 试验序号 L1(mm) L2(mm) L3(°) 指标 Y1(%) 1 -1 -1 0 92.7 2 1 -1 0 91.31 3 -1 1 0 91.72 4 1 1 0 86.7 5 -1 0 -1 92.83 6 1 0 -1 90.36 7 -1 0 1 92.1 8 1 0 1 89.5 9 0 -1 -1 93.2 10 0 1 -1 92.39 11 0 -1 1 92.76 12 0 1 1 92.12 13 0 0 0 94.76 14 0 0 0 95.18 15 0 0 0 94.92 16 0 0 0 95.3 17 0 0 0 94.2 来源 平方和 自由 度 均方 F 值 P 值 模型 75.92 9 8.44 18.41 0.0004 L1 16.47 1 16.47 35.94 0.0005 L2 6.2 1 6.2 13.52 0.0079 L3 0.66 1 0.66 1.44 0.2687 L1L2 3.29 1 3.29 7.19 0.0315 L1L3 0.004225 1 0.004225 0.009219 0.9262 L2L3 0.007225 1 0.007225 0.016 0.9036 L1 2 34.01 1 34.01 74.22 ＜0.0001 L2 2 8.52 1 8.52 18.58 0.0035 L3 2 2.92 1 2.92 6.36 0.0397 残差 3.21 7 0.46 失拟 项 2.46 3 0.82 4.41 0.0928 纯误 差 0.74 4 0.19 总计 79.13 16各因素对掩埋率的响应曲面如图 7 所示。从图 7a 可看出，固定因素 L3为中间水平 120 °，并且因素 L1处于某水平时，掩埋率 Y 随因素 L2增大而先增大后减小，当因素 L2处于某水平时，掩埋率 Y 同样随因 素 L1增大而先增大后减小，从增降程度来看，在因素 L1和 L2对掩埋率 Y 的交互作用中，因素 L1对掩埋率 Y 的影响较显著。从图 7b 可看出，固定因素 L2为中间水平 200mm，并且因素 L1处于某水平时，掩埋率 Y 随因素 L3增大而先增大后减小，当因素 L3处于某水平时，掩埋率 Y 同样随因素 L1增大而先增大后减小， 从增降程度来看，在因素 L1和 L3对掩埋率 Y 的交互作用中，因素 L1对掩埋率 Y 的影响较显著。从图 7c 可看出，固定因素 L1为中间水平 400mm，并且因素 L2处于某水平时，掩埋率 Y 随因素 L3增大而先增大后 减小，当因素 L3处于某水平时，掩埋率 Y 同样随因素 L2增大而先增大后减小，从增降程度来看，在因素 L2和 L3对掩埋率 Y 的交互作用中，因素 L2对掩埋率 Y 的影响较显著。 a:Y(L1, L2, 120) b:Y(L1, 200, L3) c:Y(400, L2, L3) 图 7 试验因素对指标响应面分析 为得到果园行间绿肥粉碎旋耕一体机“分离掩埋装置”的最佳配合参数，对掩埋率与各影响因素之间 的回归模型进行优化，建立参数化数学模型，以提高果园行间绿肥掩埋率为总体要求，其非线性规划数学 模型如式 5 所示。                     1 0 , , 100 140 150 250 . . 300 500 max 1 2 3 3 2 1 Y L L L L mm L mm st mm L mm Y ＜ (5) 通过 Design-Expert 10 的优化模块对模型进行优化，得出的最优解为，旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘” 根部横向距离为 378.76mm、挡土板横板宽度为 187.78mm、挡土板夹角θ为 116.48°时，掩埋率最优，可达 到 95.16%。 

3.2 现场测试验证 果园绿肥粉碎旋耕一体机主要由三点悬挂装置，变速箱及两侧的齿轮传动机构，粉碎装置，旋耕装置 以及“分离掩埋装置”(由安装在机架后方的“铁链分离帘”、挡土板、覆土辊等构成)等部分组成，整机简 图如图 8 所示。1.碎草刀片 2.碎草刀座 3.粉碎刀刀辊 4.齿轮箱 5.左侧侧挡板 6.旋耕刀片 7.轴承端盖 8.镇压轮连接销 9.定位孔 10.镇压轮 连接片 11.镇压轮 12.铁链分离帘定位杆 13.挡土板 14.铁链 15.铁链固定环 16.挡土板定位销 17.上挡板 18.左传动轴 19.变速箱保护罩 20.变速箱 21.右传动轴 22.右侧侧挡板 23.悬挂装置 图 8 果园行间绿肥粉碎旋耕一体机简图 工作时，拖拉机后输出轴输出动力传递至变速箱由锥齿轮换向，分别传递至两侧齿轮传动系统，带动 粉碎装置与旋耕装置工作。粉碎装置将生长的鲜嫩绿肥进行粉碎，旋耕装置将粉碎后的茎秆等与土壤混合 掩埋，同时将粉碎效果欠佳的绿肥作物进行二次粉碎。旋耕刀在旋转时将土壤及茎秆同时抛起，在“铁链 分离帘”的拦截作用下，大部分茎秆落回地表，而土壤穿过“铁链分离帘”，直到撞击到挡土板后落回地 面，覆盖在绿肥茎秆上方，之后通过镇压轮上的锯齿形“压杆片”，再次对表层绿肥茎秆压进土壤，可有 效提升翻压效果，提高绿肥的掩埋率。 图 9 梨园绿肥还田示意图

3.2.1. 试验条件 2021 年 10 月 23 号在新疆维吾尔自治区阿拉尔市十二团香梨园示范基地(40°28′N、81°26′E)进行 田间试验，试验区面积为 500 亩，土壤类型为沙壤土。试验前，对梨园行间土壤含水率、紧实度及油菜茎 秆含水率进行测量，随机测量 10 点后取平均值，得到土壤在 5cm、10cm、15cm 不同深度处的含水率分别 为 10.35%、12.76%、13.12%，土壤紧实度分别为 152.5KPa、166.3KPa、182.9KPa，油菜平均含水率为 72.46%。 试验用仪器设备主要有鲁中 604 型拖拉机一台，精度为 0.01g 的 ZN-C20002 电子天平一台，TYD-2 数 显式土壤硬度测试仪一台，DHS-10A 快速水分测定仪一台，UT373 数字式非接触转速计一台，原装取土钻 一个，50m 皮尺一把，4.5m 卷尺一把，30cm 钢尺一把，秒表及铁锹等。

3.2.2 试验方法 以无“分离掩埋装置”的普通旋耕机作为对照组，设计“分离掩埋装置”(参数取整数)后的整机作为试 验组，试验按照国家标准《秸秆粉碎还田机作业质量 NY/T500-2015》、《旋耕机作业质量 NY/T499-2013》 等进行,在机具作业速度为 3.6km/h 下进行田间验证试验。现场试验图 9 所示，图中椭圆位置为未掩埋绿肥 茎秆。 a. 对照组现场试验b. “分离掩埋装置”组现场试验 图 10 田间试验 在机具作业区等距选取 5 点为测试点，每个测点选取范围为 1 平方米，用筛子筛取地表以上绿肥及地 表以下 15cm 的绿肥(绿肥作物被覆盖得长度未达到其总长度的 2/3 者按未被覆盖论)，装入密封袋并称重记 录，为减低误差，每次称重三次，结果取平均值。参考标准《铧式犁作业质量 NY/T742-2003》，机具作业 后可依据以下公式计算绿肥覆盖率，其中 mX1、mX2、mX3分别表示每个测点地表以上绿肥 3 次测量结果， mY1、mY2、mY3分别表示每个测点地表以下 15cm 绿肥 3 次测量结果，试验结果见表 5。 3 2 3 1 1 X X X m Z m m    (6) 式中 Z1—地表以上的植被和残茬质量，kg； 3 2 3 2 1 Y Y Y m Z m m    (7) 式中 Z2—地表以下 15 cm 深度内的植被和残茬质量，kg。 100 2 1 2    Z Z Z F (8) 式中 F—地表以下绿肥覆盖率，%； 表 5 绿肥掩埋情况 现场试验表明，“分离掩埋装置”在整个试验过程中未发生堵塞现象，说明“铁链分离帘”结构设计 合理可靠。设计“分离掩埋装置”前绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 89.53%，设计“分离掩 埋装置”后绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 94.36%，绿肥掩埋率提高了 4.84%，验证了“分 离掩埋装置”的可行性。与离散元仿真试验掩埋率最优结果 95.16%相比，误差为 0.8%，远小于 5%，验证 了二次多项式回归模型的科学性、可行性及准确性。

4.讨论 本文针对果园绿肥翻压还田效果进行研究。目前，中国学者主要通过改变绿肥还田机型进行田间试验。 试验方式 测点 地表以上绿肥质量 Z1(g) 地表以下 15cm 绿肥质量 Z2(g) 掩埋率 F(%) 对照组 1 125.46 1090.15 89.68 2 140.17 1275.09 90.09 3 123.84 968.27 88.66 4 169.31 1256.41 88.12 5 115.25 1176.69 91.08 试验组 1 62.38 1205.17 95.08 2 82.15 1138.32 93.27 3 75.46 1155.63 93.87 4 54.71 926.15 94.42 5 63.92 1259.74 95.17据我们所知，还没有设计出专有的提高绿肥效果的掩埋装置。因此，“分离掩埋装置”的设计具有一定的 创新性和科学性。杨庆路等[16]设计开发了一种伸缩指式玉米秸秆旋耕掩埋机，利用伸缩指和偏心轴将秸秆 与土壤分离，可以高效掩埋粉碎的玉米秸秆。本设计与其相似之处在于均利用旋耕刀组进行掩埋，而且均 采用分离掩埋的方式，不同之处为掩埋对象不同，且分离掩埋的方式不同。具体表现在：本设计直接用原 机械的旋耕刀进行抛送，抛送后的绿肥茎秆和土壤通过自由晃动的“铁链分离帘”进行分离，可防止绿肥 茎秆堵塞，分离掩埋效果更好，由于掩埋深度及物料属性的不同，试验结果没有可对比性。由现场对照试 验可知，设计“分离掩埋装置”前绿肥掩埋率平均为 89.53%，设计“分离掩埋装置”后绿肥掩埋率平均为 94.36%，提高了 4.84%。 通过对国内外绿肥还田机械的研究现状分析，发现中国新疆南部地区在果园绿肥还田利用方面主要通 过理论分析，整合不同结构的优势，进行样机的改型优化及现场验证。然而本研究创新性设计了由“铁链 分离帘”、挡土板、镇压装置组成的“分离掩埋装置”，提高了绿肥作物的掩埋效果，有利于绿肥作物的 腐解及养分释放利用，同时为复播创造了良好的条件，优化了种床质量。尚未发现用于提高绿肥掩埋率相 关结构的研究，因此，研究具有一定的新颖性。 本研究进行了一些结构的创新设计，但是也存在一定的局限性，具体内容如下： （1）设计的“分离掩埋装置”需要和旋耕刀配合使用，因此“分离掩埋装置”只有和采用旋耕方式混 合掩埋绿肥的机器配套使用，并不适用于其他机器。 （2）本文的仿真模拟试验以及现场试验针对中国新疆阿拉尔市香梨园情况，土壤类型为沙壤土，还田 对象仅为油菜。下一步将研究不同土壤条件及不同种类绿肥下“分离掩埋装置”的结构优化，以达到减阻 降耗，提高性能及通用性的目的。

5.结论 （1）完成了“分离掩埋装置”总体结构设计，“分离掩埋装置”主要由由铁链分离帘、挡土板及镇压 器组成，实现绿肥还田时“茎秆先落，土壤后落”的目的。 （2）通过“分离掩埋装置”离散元仿真试验，建立了“分离掩埋装置”配合参数模型，并验证了模型 的可行性，可预测绿肥的掩埋率，通过回归分析，响应面分析对关键部件的配合参数进行了优化设计，即 当旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离为 378.76mm、挡土板横板宽度为 187.78mm、挡土板夹 角θ为 116.48°时机器掩埋率最高，为 95.16%，。 （3）为了验证“分离掩埋装置”的可靠性，科学性及可行性，进行了现场试验。设计“分离掩埋装置” 前绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 89.53%，设计“分离掩埋装置”后绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 94.36%，绿肥掩埋率提高了 4.84%，验证了“分离掩埋装置”的可行性。与离散元 仿真试验掩埋率最优结果 95.16%相比，误差为 0.8%，远小于 5%，验证了二次多项式回归模型的科学性、 可行性及准确性。

摘要：现阶段中国果园种植面积达 11874.85 千公顷，随着国家推进“质量兴农、绿色兴农”战略, 种植果园绿 肥成为一种现代化绿色果园土壤管理新模式。绿肥在翻压深度为 150mm 时，腐解速率最快，为高效利用果 园绿肥，设计了一种由旋耕刀、“铁链分离帘”、挡土板及镇压器组成的实现“茎秆先落，土壤后落”的 “分离掩埋装置”，利用离散元仿真试验对“分离掩埋装置”各部件的配合参数进行了设计，建立了“分 离掩埋装置”配合参数模型。仿真试验表明：当旋耕刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离为 378.76mm、 挡土板横板宽度为 187.78mm、挡土板夹角θ为 116.48°时样机覆盖率最高，为 95.16%；通过模型验证试验， 得出掩埋率为 94.36%，与仿真试验结果相差较小，与未加装“分离掩埋装置”前比较，掩埋率提高了 4.84%。 “分离掩埋装置”的设计提高了果园行间绿肥的掩埋率，有利于绿肥资源充分利用，为复播绿肥奠定良好 的播种条件；“分离掩埋装置”及其配合参数模型的建立为秸秆还田等相关机械研发与优化提供一定的参 考价值。

1.引言 根据中国国家统计局资料，2010 年中国果园种植面积为 10681.02 千公顷，到 2019 年果园种植面积增 加至 11874.85 千公顷，同比增长 10.05%[1-2]。纽约联合国总部进行的可持续发展峰会，通过了《2030 年可 持续发展议程》，明确可持续发展的意义[3]。随着中国推进“质量兴农、绿色兴农”战略推进, 种植果园绿肥 成为一种现代化绿色果园土壤管理新模式[4-5]，绿肥指通过对绿色植物体直接翻压还田、异地施用或集中发 酵用作生物肥料的绿色植物体，种植绿肥具有改变土壤理化性质、增加土壤有机质和营养物质、提高作物 产量和品质等优点[6-9]。中国新疆南疆地区靠近塔克拉玛干沙漠边缘，属于极干旱地区，果园土壤养分匮乏， 绿肥在还田过程中浅翻导致翻压效果差，绿肥利用率低，而深翻容易损伤果树地表根系，不利于果树的生 长发育，随着果园绿肥种植的迅速发展，研发提高绿肥还田效果的装置具有重要意义。 果园绿肥主要利用方式为夏季绿肥覆盖保水，秋季绿肥还田养地，1994 年 Tor Arvid Breland 研究了白 三叶及红三叶在不同温度下的腐解情况，表明 0-20cm 处腐解较快[10]；2018 年吕丽霞等人研究表明白三叶， 黑麦草绿肥作物在翻压深度为 10cm 时，腐解速率最快，铺放在地表腐解较慢[11]。绿肥还田机械起步相对较 晚，但发展较快，2010 年意大利 Rinieri 公司研究出 ELX140 型果园避障除草机[12]，作业效率较高，但覆盖 较掩埋而言，绿肥利用率不高；2012 年 Norremark 等人研制了采用 GPS 定位的株间除草机，可实现障碍物 识别及路径规划等，作业后覆盖效果好，但其成本较高[13]；2021 年吴惠昌等人还研制出 GFY−200 型绿 肥粉碎翻压复式作业机[14]，该机械先采用预切粉碎，后进行旋耕翻压，提升了作业效率，高效节能，但 是其翻压效果欠佳。2020 年杨庆璐等人设计研发的伸缩指杆式玉米秸秆旋耕掩埋机[15]，该样机利用伸缩 指杆与偏心轴配合，能将粉碎后的玉米秸秆进行高效的翻压，具有分离秸秆与土壤，利用落差使得秸秆先落下，土壤后落下，提高秸秆还田效果。此外，荷兰 Van Wamel BV、德国 FENDT 等公司也研 发了绿肥粉碎翻压联合作业机，但其配套均在 220 kW 以上，且需有前动力输出，此类绿肥粉碎翻压机械大 多以大中型为主，价格高昂、与果园小型拖拉机动力匹配度较差[16-18]，考虑到果园实际行距大小，绿肥种 植情况、以及果农经济水平等因素，大型、高成本等绿肥粉碎翻压机械并不适用于果园绿肥还田作业。 目前我国学者在绿肥还田方面大多进行绿肥还田样机整体的设计，我们设计的装置主要针对果园绿肥 全部利用解决以下问题，传统果园翻压机械针对茎秆较高的绿肥作物，浅翻影响掩埋效果，而深翻影响腐 解效率且容易损伤果树地表根系的问题，设计出一种实现“茎秆先落，土壤后落，茎秆在下，土壤在上” 的“分离掩埋装置”，并对该装置进行离散元仿真模拟试验，确定各部件之间的配合关系，为果园绿肥高 效利用提供了一种新装置。通过田间试验验证，确定了设计的科学性、可靠性。 

2.材料和方法 

2.1“分离掩埋装置”组成及工作原理 “分离掩埋装置”由旋耕刀、“铁链分离帘”、挡土板以及镇压器共同组成(图 1a 所示)。为保证旋耕 作业时旋耕刀轴负载均匀，转动平稳，旋耕刀整体依照双螺旋对称方式排列；“铁链分离帘”由均匀排布 的铁链构成，铁链通过三个定位杆进行相对固定，避免在运动过程中与旋耕刀干涉，产生危险，但是铁链 在小范围依然可以晃动，防止高速运转的旋耕刀抛起的绿肥茎秆粘连在铁链上造成堵塞问题，其主要作用 为分离旋耕刀抛起的绿肥茎秆与土壤；挡土板由一块横板与斜板构成，主要作用为阻挡穿过“铁链分离帘” 的土壤颗粒。 工作时，绿肥茎秆一部分由旋耕刀翻压入土，另一部分随旋耕刀抛起，抛起的茎秆及土壤到“铁链分 离帘”后，绿肥茎秆被挡住，改变了其原有的运动轨迹，顺着“铁链分离帘”下落至地表，而土壤穿过“铁 链分离帘”直到撞击到机具挡土板后下落到地面。实现“茎秆先落，土壤后落”的目的，仍然未被掩埋的 绿肥茎秆通过镇压器“压杆片”进一步压入地面，提高其掩埋率，分离翻压覆土原理如图 1b 所示。 a. 分离掩埋装置简图 b. “分离掩埋装置”原理示意图 1.旋耕刀 2.旋耕刀座 3.旋耕刀轴 4.茎秆模型 5.铁链 6.土壤颗粒模型 7.挡土板 8.镇压轮 9.土壤模型 图 1 分离掩埋装置 

2.2 “铁链分离帘”及挡土板 “铁链分离帘”(图 2a 所示)位于旋耕部分后方，由均匀排布的铁环构成，铁链通过三个定位杆进行相 对固定，避免在运动过程中与旋耕刀干涉，但是铁链在小范围依然可以晃动，防止高速运转的旋耕刀抛起 的绿肥茎秆粘连在铁链上造成堵塞问题。其主要作用为分离旋耕刀抛起的绿肥茎秆与土壤。 由果园绿肥的粉碎还田试验可知，粉碎长度在 0-100mm 之间的占 90.1%，最短的在 50mm 左右，为提 高铁链的使用寿命，保证铁链与定位杆之间能滑动，同时防止绿肥茎秆从铁链之间穿过，选用链径为 14mm， 内长为 50mm，外宽为 47.6mm 的铁环组成的铁链，铁链之间间隔为 50mm，根据整机设计作业幅宽为 1500mm，总共设计 28 组铁链，每组铁链由五个铁环组成，铁链采用弧度设计便于茎秆缓慢滑落。设计定 位杆总共有三根，直径为 10mm，2 根分别从第 2、4 个铁环之间穿过，1 根压于第 3、4 个铁环之上。 挡土板(图 2b 所示)由一块横板与斜板构成，长度设计与工作幅宽相同，为 1500mm，初步设计横板宽度为 150mm，斜板宽度为 300mm，挡土板主要作用为阻挡穿过“铁链分离帘”的土壤颗粒。 a.“铁链分离帘”示意图 b.挡土板示意图 图 2 “铁链分离帘”及挡土板 旋耕刀切削土垡后将部分土壤及绿肥茎秆抛起，宏观上分为向前抛及向后抛，向前抛起的土在与罩壳 碰撞后落下，继而与旋耕刀发生二次碰撞，碰撞后向后抛出[19]。抛土性能是影响绿肥茎秆掩埋效果的关键， 不考虑空气阻力，土粒质点初始位置坐标为(x0，y0)，在 x 方向分速度用 va表示，y 方向的分速度用 ve 表示， 运动时间用 t 表示，重力加速度 g 取 9.8m/s，则土壤质点被抛起的运动方程为：             2 0 0 2 1 g t y y v x x v t ea (1) 由式(1)可知，土壤质点运动轨迹为抛物线，其速度 v 方的方向角 决定土壤质点的抛向，当 ＞π/2 时，土壤前抛；当 ＜π/2 时，土壤后抛(如图 3 所示)。因此，可得土粒后抛的条件为： / 2 arctan     ea v v (2) 式中 —土粒质点速度方向角，(°)。 由图 2 分析可知，土壤质点抛出时的速度及方向可表达为：           180 0 2(1 sin )    v ve  (3) 式中 ve—土粒质点牵连速度，m/s；  —旋耕刀转过的角度，(°)； β—为土粒质点速度方向与最小半径之间的夹角，(°)。  —旋耕刀正切面末端的切线与最小半径之间的夹角，(°)；图 3 旋耕刀抛土运动分析 结合旋耕刀抛土运动过程的分析，同时考虑到旋耕刀距离“铁链分离帘”横向距离过小，铁链晃动时 容易与旋耕刀产生干涉现象，且旋耕刀抛起的土壤及茎秆容易堵塞铁链，距离过大又会降低茎秆与土壤的 分离效果，还会增加机器长度，影响机器的灵活性与平衡性；挡土板横板宽度距离过小，土壤与挡土板碰 撞时间短，覆盖效果不佳，过大增加整机长度，不适宜果园作业。

2.3 试验方法 为了节省成本与时间，提高工作效率，采用离散元仿真模拟试验对“分离掩埋装置”进行设计。基于 旋上述旋耕刀抛土运动分析，试验参数为旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离 L1及挡土板横板 宽度 L2与挡土板夹角(θ)L3(图 1b 所示)，考虑到旋耕刀抛土运动及整机长度，设置参数范围为 300≤L1≤500 mm，150≤L2≤250 mm，100°≤L3≤140°，利用 EDEM 软件进行三因素三水平中心组合仿真试验[20]，试 验因素水平编码如表 1 所示。 表 1 因素水平编码表 编码值 试验因素 L1(mm) L2(mm) L3(°) 上水平 1 300 150 100 零水平 0 400 200 120 下水平-1 500 250 140

2.4 离散元仿真模拟试验 

2.4.1 仿真试验条件设置 “分离掩埋装置”主要为旋耕刀、土壤、绿肥茎秆等，在进行离散元仿真试验时，要分别明确其密度、 泊松比、剪切模量等参数以及他们相互之间的接触参数等。秋季绿肥复播作物为油菜，旋耕刀材料为 65Mn， 通过实地调研，试验果园及周边地区土壤类型为沙壤土，通过查阅资料[21-23]确定相关离散元模型参数，如 表 2 所示。 表 2 材料参数

2.4.2 仿真模型建立 试验香梨园位于新疆南部，塔克拉玛干沙漠附近，土壤类型为沙壤土，形状较为规则。使用 EDEM 中 颗粒元素对土壤建模，设置颗粒模型为两类，为便于计算，设置仿真土壤颗粒大小时，一般都远大于实际 项目 参数 项目 参数 土槽长×宽×高(mm×mm×mm) 3200×1600×300 土壤密度(kg/m3) 1250 机具前进速度(m/s) 1.2 土壤泊松比 0.4 旋耕刀旋转速度ω(rad/s) 13.3 土壤剪切模量(pa) 1×10 6 65Mn 钢密度(kg/m3) 7860 土壤—土壤恢复系数 0.2 65Mn 钢泊松比 0.3 土壤—钢恢复系数 0.6 65Mn 钢剪切模量(pa) 7.9×10 10 油菜茎秆－钢碰撞恢复系数 0.6 油菜茎秆密度(kg/m3) 809 土壤—土壤静摩擦因数 0.4 油菜茎秆泊松比 0.23 土壤—钢静摩擦因数 0.6 油菜茎秆剪切模量(pa) 4.704×10 7 油菜茎秆－钢静摩擦因数 0.23 油菜茎秆间碰撞恢复系数 0.6 土壤—土壤滚动摩擦因数 0.3 油菜茎秆间静摩擦因数 0.36 土壤—钢滚动摩擦因数 0.05 油菜茎秆间滚动摩擦因数 0.03 油菜茎秆—钢滚动摩擦因数 0.1土壤颗粒[24]。因此，颗粒粒径设置为 10mm 的单球形颗粒(图 4a 所示)，以及用 4 个颗粒堆积形成的团粒状 颗粒[25-26](图 4b 所示)，颗粒数量程正态分布，设置颗粒之间以 Hertz-Mindlin with bonding 方式黏结。 a.单球形颗粒 b.团粒状颗粒 图 4 土壤颗粒模型 参考相关秸秆离散元模型的建立[24-27]，对土壤表面绿肥茎秆建模。经过夏季果园绿肥粉碎还园试验， 粉碎后的绿肥茎秆几乎分布在 50-100mm 之间，本文分别使用 17 个直径为 6 mm 的颗粒以及 27 个直径为 6 mm 的颗粒组成长度为 60mm 和 90mm 的近似圆柱体形状的绿肥茎秆仿真模型(如图 5 所示)，代表粉碎铺放 后的绿肥茎秆。 a.60mm 茎秆模型 b.90mm 茎秆模型 图 5 绿肥茎秆颗粒模型 

2.4.3 仿真试验过程 用 solidworks 绘制长 3200mm、宽 1600mm、高 300mm 的土槽模型，与简化后的关键部件模型装配在 一起，并保存为*.igs 格式，导入到 EDEM 中。同时设置两个颗粒工厂用于生成土壤模型和绿肥茎秆模型。 生成土壤的颗粒工厂大小与土槽模型一致，根据土壤密度及土槽面积，为便于计算共生成土壤颗粒 1200kg， 生成时间为0~2秒；绿肥茎秆模型在土壤模型上方生成，距土壤模型表面50mm，工厂长1800mm，宽1600mm， 生成时间为 2~4 秒，4 秒时土壤模型与绿肥茎秆模型生成完毕(图 6a 所示)；整体模型旋耕深度为 15cm，镇 压器“压杆片”完全进入土壤，通过传动比等计算，设置整体前进速度为 1.2m/s，旋耕刀轴转速为 600r/min， 由于镇压器不能自转，通过前进速度与镇压器周长可求得其转速为 327.27r/min，机具运行时间为 4~7 秒。 为便于计算，时间步长设置为 Rayleigh 的 20%，网格单元大小设置为最小颗粒半径的 5 倍。 a.土壤—茎秆—“分离掩埋装置”模型 b.仿真过程 图 6 关键部件仿真过程

3 结果及分析 

3.1 离散元仿真试验结果及优化 仿真试验方案及试验结果如表 3 所示，掩埋率用 Y 表示，通过 EDEM 中的 Geometry Bin 模块得出，每 组试验重复 3 次，取平均值。由表 3 可知，当旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离 L1为 400 mm， 挡土板横板宽度 L2 为 200 mm，挡土板夹角θ为 120°时机器掩埋率最高，说明参数 L1、L2与 L3的最佳配 合在 400 mm、200 mm、120°附近。 为明确 L1、L2与 L3的最佳配合参数，利用软件 Design-Expert 10 进行 Box-Behnken 分析，对试验结果 进行回归分析，得出响应值 Y 与自变量 L1、L2及 L3之间的编码因子最终回归模型(式 4)。 Y  94.871.43L1 0.88L2 0.29L3 0.91L1L2 0.032L1L3 0.043L2L3 2.84L1 2 1.42L2 2 0.83L3 2 (4) 对模型进行方差分析(表 4 所示)，可以看出，其中决定系数 R 2为 0.9595，即建立的回归模型表达式拟 合精度较高。目标函数失拟项值 0.0928＞0.05，失拟项不显著，即无失拟因素存在，可用拟合的回归方程代 替试验真实点进行分析。目标函数 Y 显著性 P 值为 0.0004，小于 0.01，说明该模型极显著，可描述因素与 目标函数间的关系，具有统计学意义。从 F 值大小看出，模型的一次项 L1与 L2极显著，二次项 L1 2与 L2 2 极显著，L3 2显著，交互项 L1L2显著，各因素对指标 Y 的影响大小为：L1＞L2＞L3。旋耕刀刀辊中心至“铁 链分离帘”根部横向距离 L1决定了抛起的绿肥茎秆和土壤的分离情况，挡土板横板宽度 L2决定了分离之后 的土壤运动时间的长短，而挡土板夹角 L3同样对土壤下落时间有影响，从三个因素的重要性而言，方差分 析得出的各因素对指标 Y 的影响大小合理。 表 3 仿真试验方案及结果 表 4 回归模型方差分析 试验序号 L1(mm) L2(mm) L3(°) 指标 Y1(%) 1 -1 -1 0 92.7 2 1 -1 0 91.31 3 -1 1 0 91.72 4 1 1 0 86.7 5 -1 0 -1 92.83 6 1 0 -1 90.36 7 -1 0 1 92.1 8 1 0 1 89.5 9 0 -1 -1 93.2 10 0 1 -1 92.39 11 0 -1 1 92.76 12 0 1 1 92.12 13 0 0 0 94.76 14 0 0 0 95.18 15 0 0 0 94.92 16 0 0 0 95.3 17 0 0 0 94.2 来源 平方和 自由 度 均方 F 值 P 值 模型 75.92 9 8.44 18.41 0.0004 L1 16.47 1 16.47 35.94 0.0005 L2 6.2 1 6.2 13.52 0.0079 L3 0.66 1 0.66 1.44 0.2687 L1L2 3.29 1 3.29 7.19 0.0315 L1L3 0.004225 1 0.004225 0.009219 0.9262 L2L3 0.007225 1 0.007225 0.016 0.9036 L1 2 34.01 1 34.01 74.22 ＜0.0001 L2 2 8.52 1 8.52 18.58 0.0035 L3 2 2.92 1 2.92 6.36 0.0397 残差 3.21 7 0.46 失拟 项 2.46 3 0.82 4.41 0.0928 纯误 差 0.74 4 0.19 总计 79.13 16各因素对掩埋率的响应曲面如图 7 所示。从图 7a 可看出，固定因素 L3为中间水平 120 °，并且因素 L1处于某水平时，掩埋率 Y 随因素 L2增大而先增大后减小，当因素 L2处于某水平时，掩埋率 Y 同样随因 素 L1增大而先增大后减小，从增降程度来看，在因素 L1和 L2对掩埋率 Y 的交互作用中，因素 L1对掩埋率 Y 的影响较显著。从图 7b 可看出，固定因素 L2为中间水平 200mm，并且因素 L1处于某水平时，掩埋率 Y 随因素 L3增大而先增大后减小，当因素 L3处于某水平时，掩埋率 Y 同样随因素 L1增大而先增大后减小， 从增降程度来看，在因素 L1和 L3对掩埋率 Y 的交互作用中，因素 L1对掩埋率 Y 的影响较显著。从图 7c 可看出，固定因素 L1为中间水平 400mm，并且因素 L2处于某水平时，掩埋率 Y 随因素 L3增大而先增大后 减小，当因素 L3处于某水平时，掩埋率 Y 同样随因素 L2增大而先增大后减小，从增降程度来看，在因素 L2和 L3对掩埋率 Y 的交互作用中，因素 L2对掩埋率 Y 的影响较显著。 a:Y(L1, L2, 120) b:Y(L1, 200, L3) c:Y(400, L2, L3) 图 7 试验因素对指标响应面分析 为得到果园行间绿肥粉碎旋耕一体机“分离掩埋装置”的最佳配合参数，对掩埋率与各影响因素之间 的回归模型进行优化，建立参数化数学模型，以提高果园行间绿肥掩埋率为总体要求，其非线性规划数学 模型如式 5 所示。                     1 0 , , 100 140 150 250 . . 300 500 max 1 2 3 3 2 1 Y L L L L mm L mm st mm L mm Y ＜ (5) 通过 Design-Expert 10 的优化模块对模型进行优化，得出的最优解为，旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘” 根部横向距离为 378.76mm、挡土板横板宽度为 187.78mm、挡土板夹角θ为 116.48°时，掩埋率最优，可达 到 95.16%。 

3.2 现场测试验证 果园绿肥粉碎旋耕一体机主要由三点悬挂装置，变速箱及两侧的齿轮传动机构，粉碎装置，旋耕装置 以及“分离掩埋装置”(由安装在机架后方的“铁链分离帘”、挡土板、覆土辊等构成)等部分组成，整机简 图如图 8 所示。1.碎草刀片 2.碎草刀座 3.粉碎刀刀辊 4.齿轮箱 5.左侧侧挡板 6.旋耕刀片 7.轴承端盖 8.镇压轮连接销 9.定位孔 10.镇压轮 连接片 11.镇压轮 12.铁链分离帘定位杆 13.挡土板 14.铁链 15.铁链固定环 16.挡土板定位销 17.上挡板 18.左传动轴 19.变速箱保护罩 20.变速箱 21.右传动轴 22.右侧侧挡板 23.悬挂装置 图 8 果园行间绿肥粉碎旋耕一体机简图 工作时，拖拉机后输出轴输出动力传递至变速箱由锥齿轮换向，分别传递至两侧齿轮传动系统，带动 粉碎装置与旋耕装置工作。粉碎装置将生长的鲜嫩绿肥进行粉碎，旋耕装置将粉碎后的茎秆等与土壤混合 掩埋，同时将粉碎效果欠佳的绿肥作物进行二次粉碎。旋耕刀在旋转时将土壤及茎秆同时抛起，在“铁链 分离帘”的拦截作用下，大部分茎秆落回地表，而土壤穿过“铁链分离帘”，直到撞击到挡土板后落回地 面，覆盖在绿肥茎秆上方，之后通过镇压轮上的锯齿形“压杆片”，再次对表层绿肥茎秆压进土壤，可有 效提升翻压效果，提高绿肥的掩埋率。 图 9 梨园绿肥还田示意图

3.2.1. 试验条件 2021 年 10 月 23 号在新疆维吾尔自治区阿拉尔市十二团香梨园示范基地(40°28′N、81°26′E)进行 田间试验，试验区面积为 500 亩，土壤类型为沙壤土。试验前，对梨园行间土壤含水率、紧实度及油菜茎 秆含水率进行测量，随机测量 10 点后取平均值，得到土壤在 5cm、10cm、15cm 不同深度处的含水率分别 为 10.35%、12.76%、13.12%，土壤紧实度分别为 152.5KPa、166.3KPa、182.9KPa，油菜平均含水率为 72.46%。 试验用仪器设备主要有鲁中 604 型拖拉机一台，精度为 0.01g 的 ZN-C20002 电子天平一台，TYD-2 数 显式土壤硬度测试仪一台，DHS-10A 快速水分测定仪一台，UT373 数字式非接触转速计一台，原装取土钻 一个，50m 皮尺一把，4.5m 卷尺一把，30cm 钢尺一把，秒表及铁锹等。

3.2.2 试验方法 以无“分离掩埋装置”的普通旋耕机作为对照组，设计“分离掩埋装置”(参数取整数)后的整机作为试 验组，试验按照国家标准《秸秆粉碎还田机作业质量 NY/T500-2015》、《旋耕机作业质量 NY/T499-2013》 等进行,在机具作业速度为 3.6km/h 下进行田间验证试验。现场试验图 9 所示，图中椭圆位置为未掩埋绿肥 茎秆。 a. 对照组现场试验b. “分离掩埋装置”组现场试验 图 10 田间试验 在机具作业区等距选取 5 点为测试点，每个测点选取范围为 1 平方米，用筛子筛取地表以上绿肥及地 表以下 15cm 的绿肥(绿肥作物被覆盖得长度未达到其总长度的 2/3 者按未被覆盖论)，装入密封袋并称重记 录，为减低误差，每次称重三次，结果取平均值。参考标准《铧式犁作业质量 NY/T742-2003》，机具作业 后可依据以下公式计算绿肥覆盖率，其中 mX1、mX2、mX3分别表示每个测点地表以上绿肥 3 次测量结果， mY1、mY2、mY3分别表示每个测点地表以下 15cm 绿肥 3 次测量结果，试验结果见表 5。 3 2 3 1 1 X X X m Z m m    (6) 式中 Z1—地表以上的植被和残茬质量，kg； 3 2 3 2 1 Y Y Y m Z m m    (7) 式中 Z2—地表以下 15 cm 深度内的植被和残茬质量，kg。 100 2 1 2    Z Z Z F (8) 式中 F—地表以下绿肥覆盖率，%； 表 5 绿肥掩埋情况 现场试验表明，“分离掩埋装置”在整个试验过程中未发生堵塞现象，说明“铁链分离帘”结构设计 合理可靠。设计“分离掩埋装置”前绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 89.53%，设计“分离掩 埋装置”后绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 94.36%，绿肥掩埋率提高了 4.84%，验证了“分 离掩埋装置”的可行性。与离散元仿真试验掩埋率最优结果 95.16%相比，误差为 0.8%，远小于 5%，验证 了二次多项式回归模型的科学性、可行性及准确性。

4.讨论 本文针对果园绿肥翻压还田效果进行研究。目前，中国学者主要通过改变绿肥还田机型进行田间试验。 试验方式 测点 地表以上绿肥质量 Z1(g) 地表以下 15cm 绿肥质量 Z2(g) 掩埋率 F(%) 对照组 1 125.46 1090.15 89.68 2 140.17 1275.09 90.09 3 123.84 968.27 88.66 4 169.31 1256.41 88.12 5 115.25 1176.69 91.08 试验组 1 62.38 1205.17 95.08 2 82.15 1138.32 93.27 3 75.46 1155.63 93.87 4 54.71 926.15 94.42 5 63.92 1259.74 95.17据我们所知，还没有设计出专有的提高绿肥效果的掩埋装置。因此，“分离掩埋装置”的设计具有一定的 创新性和科学性。杨庆路等[16]设计开发了一种伸缩指式玉米秸秆旋耕掩埋机，利用伸缩指和偏心轴将秸秆 与土壤分离，可以高效掩埋粉碎的玉米秸秆。本设计与其相似之处在于均利用旋耕刀组进行掩埋，而且均 采用分离掩埋的方式，不同之处为掩埋对象不同，且分离掩埋的方式不同。具体表现在：本设计直接用原 机械的旋耕刀进行抛送，抛送后的绿肥茎秆和土壤通过自由晃动的“铁链分离帘”进行分离，可防止绿肥 茎秆堵塞，分离掩埋效果更好，由于掩埋深度及物料属性的不同，试验结果没有可对比性。由现场对照试 验可知，设计“分离掩埋装置”前绿肥掩埋率平均为 89.53%，设计“分离掩埋装置”后绿肥掩埋率平均为 94.36%，提高了 4.84%。 通过对国内外绿肥还田机械的研究现状分析，发现中国新疆南部地区在果园绿肥还田利用方面主要通 过理论分析，整合不同结构的优势，进行样机的改型优化及现场验证。然而本研究创新性设计了由“铁链 分离帘”、挡土板、镇压装置组成的“分离掩埋装置”，提高了绿肥作物的掩埋效果，有利于绿肥作物的 腐解及养分释放利用，同时为复播创造了良好的条件，优化了种床质量。尚未发现用于提高绿肥掩埋率相 关结构的研究，因此，研究具有一定的新颖性。 本研究进行了一些结构的创新设计，但是也存在一定的局限性，具体内容如下： （1）设计的“分离掩埋装置”需要和旋耕刀配合使用，因此“分离掩埋装置”只有和采用旋耕方式混 合掩埋绿肥的机器配套使用，并不适用于其他机器。 （2）本文的仿真模拟试验以及现场试验针对中国新疆阿拉尔市香梨园情况，土壤类型为沙壤土，还田 对象仅为油菜。下一步将研究不同土壤条件及不同种类绿肥下“分离掩埋装置”的结构优化，以达到减阻 降耗，提高性能及通用性的目的。

5.结论 （1）完成了“分离掩埋装置”总体结构设计，“分离掩埋装置”主要由由铁链分离帘、挡土板及镇压 器组成，实现绿肥还田时“茎秆先落，土壤后落”的目的。 （2）通过“分离掩埋装置”离散元仿真试验，建立了“分离掩埋装置”配合参数模型，并验证了模型 的可行性，可预测绿肥的掩埋率，通过回归分析，响应面分析对关键部件的配合参数进行了优化设计，即 当旋耕刀刀辊中心至“铁链分离帘”根部横向距离为 378.76mm、挡土板横板宽度为 187.78mm、挡土板夹 角θ为 116.48°时机器掩埋率最高，为 95.16%，。 （3）为了验证“分离掩埋装置”的可靠性，科学性及可行性，进行了现场试验。设计“分离掩埋装置” 前绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 89.53%，设计“分离掩埋装置”后绿肥作物在翻压深度为 150mm 时掩埋率平均为 94.36%，绿肥掩埋率提高了 4.84%，验证了“分离掩埋装置”的可行性。与离散元 仿真试验掩埋率最优结果 95.16%相比，误差为 0.8%，远小于 5%，验证了二次多项式回归模型的科学性、 可行性及准确性。