摘 要：随着果园绿肥种植面积的不断扩大，果园绿肥在还田利用中存在的作业效率低，翻压效果不佳等 问题越来越明显。针对这一问题，设计了一种可实现“茎秆先落，土壤后落，茎秆在下，土壤在上”的提 高绿肥作物还田效果的覆土装置及果园绿肥粉碎旋耕一体作业的样机。样机主要由悬挂装置，粉碎装置， 旋耕翻压装置，覆土装置等部分组成。对样机机架进行了有限元分析，结果表明选材合理，满足使用要求。 样机田间试验表明，当拖拉机前进速度为 1.2m/s，粉碎甩刀刀辊转速为 800r/min，旋耕深度为 100mm 时， 绿肥作物粉碎长度合格率平均值为 90.1%、抛撒不均匀率平均值为 7.98%、覆盖率平均值为 93.68%，满足 设计要求，且能耗相对较低，满足果园绿肥还田利用需求。

关键词：果园绿肥；覆土机构；翻压还田；响应曲面

0 引言 我国水果种植面积自 1978 年以来迅速增长， 现 阶 段 果 园 种 植 面 积 和 水 果 产 量 均 居 世 界 首 位 [1-3]。2017 年我国果园种植面积达到 11135.92 千 公顷，占农业总面积的 49.12%，2018 年果园种 植 面 积 增 加 至 11874.93 千 公 顷 ， 同 比 增 长 6.64%[4]。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 壤管理模式[5-6]。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[7-11]。果园绿肥在翻压还田存在作业效率低， 防压效果不理想等问题，随着果园绿肥种植的迅 速发展，其高效机械化还田成为需要解决的难题。 目前，绿肥还田利用刚刚起步，但其发展速 度相对较快[12]。王伟等研制出 9GB−1.6 型果园避 障绿肥粉碎机，可实现果树根部，果树株间绿肥 的粉碎，提升了作业机的作业范围与效果；赵劲 飞等人研制出果园行间绿肥碎草机[13]，可将粉碎 后的绿肥茎秆在一侧输出，提高了保墒效果等。 二者均能完成绿肥粉碎作业，但铺放利用效果不 好，腐解速度较慢。游兆延，吴惠昌[14]等人还研 制出 GFY−200 型绿肥粉碎翻压复式作业机，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。国外 大多绿肥翻压与作物播种同时进行，且国外绿肥 粉碎翻压机械大多以大中型为主，价格高昂、与 国产拖拉机动力匹配度较差[12,15]，考虑到我国果 园行距大小，绿肥种植情况、以及果农经济水平 等因素，国外绿肥粉碎翻压机械并不适用于国内 果园绿肥作业。 由于果园绿肥种类较多，传统翻压机械针对 茎秆较高的绿肥作物，浅翻会影响绿肥的翻压效 果，而深翻又可能会损伤果树的地表根系[16-17]。 因此优化设计一种果园绿肥粉碎翻压一体装备， 实现绿肥作物的粉碎翻压，预期达到粉碎后绿肥 在下，土壤覆盖其上的效果，大幅提高翻压效果， 提升果园绿肥利用率，同时又可降低果树地表根 系的损伤率。

1 整机结构与工作原理 1.1 整机结构 果园绿肥粉碎旋耕一体机主要由悬挂装置， 动力传递部分，粉碎装置，旋耕翻压装置，覆土 装置等部分组成，如图 1 所示。

1.2 工作原理与技术参数 工作时，先将整机通过三点悬挂挂接于拖拉 机后方，随着拖拉机前进，降下液压装置，使整 机达到最佳工作位置。拖拉机输出的动力进入减 速箱进行换向，分别带动粉碎装置与旋耕翻压装 置工作，粉碎装置将绿肥作物进行粉碎，抛撒； 旋耕翻压部分将粉碎、抛撒后的绿肥作物进行翻 压，同时能够将粉碎效果差的绿肥作物进行二次 粉碎。旋耕刀片在旋转时会抛起土块及部分茎秆， 在“铁链分离帘”的拦截作用下，大部分茎秆先 落回地表，而土块穿过铁链装置后继续运动，直 到撞击到位于后方的挡土装置后落回地表，覆盖 在粉碎后的绿肥上方，茎秆先于破碎后的土壤落 回地面，有效提升翻压效果，提高了绿肥茎秆的 覆盖率，最后由镇压轮平整地表。整机主要技术 参数如表 1 所示。 表 1 果园绿肥粉碎旋耕一体机技术参数 Table 1 Technical parameters of orchard green manure grinding rotary tillage integrated machine 2 关键部件设计及分析 2.1 悬挂架的设计 悬挂架是果园绿肥粉碎旋耕一体机的重要部 件之一，绿肥粉碎旋耕一体机通过悬挂架挂接于 拖拉机后方，是绿肥粉碎旋耕一体机的固定基础， 同 时 悬 挂 架 承 载 着 绿 肥 粉 碎 旋 耕 一 体 机 整 机 质 量。悬挂架结构主要由上、下悬挂点以及悬挂支 架等组成（如图 2 所示）。利用 ANSYS15.0 对几 机架进行有限元分析，分析可知，悬挂架最大位 移变形量约为 3.523mm，最大等效弹性变形量为 2.89×10 -4，最大应力变形值为 57.342MPa，满足 样机需求。

2.2 粉碎装置设置及参数确定 2.2.1 粉碎刀刀型设计 目前，国内外粉碎刀按照形状大致可分为直 刀型、锤爪式、Y 型刀、T 型刀、L 型及其改进 刀以及鞭式刀等,Y 型粉碎刀粉碎性能较好、质量 小、消耗功率小、且具有良好的捡拾性能[18-19]。 考虑到设计的机型用于果园行间工作，其动力由 小型拖拉机提供，粉碎刀需要功耗低，质量小， 成本低等特点，同时生长的鲜嫩绿肥植株的粉碎， 需要具备一定的拾捡性能，同时 Y 型刀具有良好 的对称性，质心在刀轴对称线上，能够克服其他 粉碎还田刀在工作过程中机体震动猛烈、动力消 耗大、粉碎效果不理想的缺陷，并且在同样回转 半径的条件下，质心更加靠外，在同转速下增加 转动惯量[20]，因此选用 Y 型碎草刀。本文选取粉 碎刀的回转半径为 240mm。确定粉碎刀的最终尺 寸：弯折角为 135°，切削宽度为 38.5mm，刀刃 厚 度 为 8mm， 弯 曲 半 径 为 30mm， 回 转 半 径 为 240mm，总长度为 165mm[21-24]。同时，参考仿鼹 鼠 足 趾 刀 片 [25-27]的 相 关 分 析 设 计 对 刀 刃 部 分 进 参数 单位 参数 悬挂方式 三点悬挂 外形尺寸（长 X 宽 X 高） mm 1850X1750X900 配套动力 kw 25.7 - 44.1 作业幅宽 mm 1500 作业效率 hm 2 /h 0.62 粉碎刀转速 r/min 800 旋耕刀转速 r/min 6003 行处理。 2.2.2 碎草甩刀运动分析 除碎草刀的刀型，其转速大小也是影响绿肥 粉碎质量的重要因素。过小的转速会影响粉碎效 果，过大的转速又会浪费能量[28]。机具运行时， 生长的鲜嫩绿肥被高速旋转的 Y 型甩刀切削粉 碎，然后均匀抛撒在地表，碎草甩刀的运动由自 身旋转的圆周运动与整机前进的直线运动合成， 运动轨迹为一条摆线。以碎草刀辊中心为坐标原 点，拖拉机前进方向为 X 轴，垂直 X 轴方向为 Y 轴，建立坐标系，在坐标系中建甩刀运动图（图 3 所示）。此时 R 表示 Y 型甩刀转动半径，ω表 示甩刀角速度，vm 表示拖拉机前进速度。

由上图看出，开始运动时 Y 型甩刀与 x 轴重 合，则运动时间为 t 时，甩刀端点的位置坐标方 程为       y R t x R t vm t   sin cos (1) 式中：R—Y 型甩刀转动半径； ω—甩刀角速度； vm—拖拉机前进速度。 甩刀端点在各轴的运动速度为         v d d R t v d d v R t y y t x x t m     / cos / sin (2) 甩刀绝对运动速度为 R v R t v v v v m A x y m 2 2 2 2 sin 2 2      (3) 机具在旋转式无支承切割时刀片刃口最小极 限速度为 30 m/s，机具切割速度应大于最小极限 速度[29]，机具碎草刀轴转速为   r v n v m A π   30 (4) 其中 h r D   2 Am h π m D v v 式中 D—刀辊直径(m)； h—甩刀刃口长度(m)； m—甩刀片数。 不漏割条件为 mh r v vA 2π m  (5) 2.3 覆土装置设计 2.3.1 “铁链分离帘”及镇压器 “铁链分离帘”(图 4(a)所示）主要由位于旋 耕部分后方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，同时铁链在小范围依然可以 晃动，防止高速运转的旋耕刀抛弃湿嫩的绿肥茎 秆粘连在铁链上产生堵塞现象，其主要作用为分 离旋耕刀抛起的绿肥茎秆与土壤。镇压器(图 4(b) 所示）进行了改进，在其圆周表面均匀固定了 18 块“压杆片”，每块“压杆片”设计有锯齿形结 构，其目的在于将个别裸漏地表的茎秆等压入土 壤，进一步提高整机的翻压效果，提高翻压率。

2.3.2 覆土装置 覆土装置由“铁链分离帘”、挡土板以及镇 压器共同组成，其安装位置如图 5(a)所示。工作 时，绿肥茎秆大部分由旋耕刀翻压入土，部分随 旋耕刀抛起，抛起的茎秆及土壤运动至“铁链分 离帘”后，绿肥作物茎秆被挡住，改变了其原有4 的运动轨迹，顺着“铁链分离帘”返回至地表， 而土壤穿过“铁链分离帘”继续运动，直到撞击 到机具挡土板上后返回地表。实现“茎秆先落， 土壤后落，茎秆在下，土壤在上”的目的，极少 数仍然未翻压的绿肥茎秆在镇压器“压杆片”的 作用下压入地表，分离翻压覆土原理如图 5(b)所 示。

3 田间试验 3.1 试验条件 2020 年 7 月 20 号在新疆维吾尔自治区阿拉 尔市十二团现代有机香梨园示范基地（40°28′ N、81°26′E）进行田间性能试验。试验区面积 为 500 亩，土壤类型为沙壤土。试验前，对试验 梨园行间土壤含水率、紧实度及草木樨茎秆含水 率进行测量，随机选取 10 点后取平均值，得到土 壤在 0~ 5cm、5~ 10cm、10 ~ 15cm 间的含水率分 别为 12.46%、13.05%、13.82%，土壤紧实度分别 为 142.3KPa、169.8KPa、196.7KPa,草木樨平均含 水率为 70.31%。并测定试验区内土壤平均坚实度 为 169.6KPa，平均土壤含水率 13.11%。 3.2 试验仪器设备 泰 鸿 404 型 拖 拉 机 一 台 ， 精 度 为 0.01g 得 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。 3.3 试验方法 试验按照国家标准《秸秆粉碎还田机作业质 量 NY/T500-2015》、《保护性耕作机械秸秆粉碎 还田机 GB/T24675- 2009》、《旋耕机作业质量 NY/T499-2013》、《农业机械试验条件测定方法 的一般规定 GB/T5262- 1985》进行。以前进速度、 粉碎刀刀辊转速、旋耕深度为试验因素，粉碎长 度合格率、抛撒不均匀率、覆盖率为响应指标， 进行三因素三水平中心组合试验，试验因素水平 编码如表 4 所示。

4 田间试验结果分析 4.1 试验结果方差分析 田间试验方案及试验结果如表 5 所示。应用 SPSS25.0 软件对试验结果进行方差分析，不考虑 因素间的交互作用，进行主体间效应检验，给定 显 著 性 水 平 0.05， 则 试 验 指 标 粉 碎 长 度 合 格 率 Y1、抛撒不均匀率 Y2 以及覆盖率 Y3 的方差分析 如表 6 所示。从表 5 及表 6 可知，拖拉机前进速度 X1 对 粉碎长度合格率 Y1，抛撒不均匀率 Y2 影响特别 显著，对覆盖率 Y3 均有显著影响；刀辊转速 X2 对粉碎长度合格率 Y1、抛撒不均匀率 Y2、覆盖 率 Y3 均影响特别显著；旋耕深度 X3 对粉碎长度 合格率 Y1、抛撒不均匀率 Y2 有一定影响，对覆 盖率 Y3 影响特别显著。 考虑到粉碎长度合格率，覆盖率越大越好， 抛撒不均匀率越小越好，而绿肥粉碎还田主要看 翻压效果，因此优先考虑覆盖率。结合表 5、6 最终确定拖拉机前进速度取 0.6m/s，粉碎刀刀辊 转速取 800r/min，旋耕深度取 150mm，即综合来 看第 7 次试验为最佳试验，考虑到工作效率，能 耗等，取拖拉机前进速度为 1.2m/s，旋耕深度为 100mm，刀辊转速取 800m/s，各指标同样均满足 有关标准。 4.2 响应曲面分析 应用响应曲面法分析各影响因素分别对粉碎 长度合格率、抛撒不均匀率、覆盖率的影响，固 定前进速度、刀辊转速、旋耕深度中的任一因素 为零水平，考察另两个因素分别对粉碎长度合格 率、抛撒不均匀率、覆盖率的交互作用。 各因素之间交互作用响应曲面如图 6 所示。 从图 6(a)可看出，在拖拉机前进速度和刀辊转速 对粉碎长度合格率的交互作用中，刀辊转速对粉 碎长度合格率的影响较显著。从图 6(b)可看出， 在拖拉机前进速度和旋耕深度对粉碎长度合格率 影响的交互作用中，拖拉机前进速度对粉碎长度 合格率的影响较显著。从图 6(c)可看出，在刀辊 转速和旋耕深度对粉碎长度合格率影响的交互作 用中，刀辊转速对粉碎长度合格率的影响较显著； 从图 6(d)可看出，在拖拉机前进速度和刀辊转速 对粉碎长度合格率影响的交互作用中，刀辊转速 对粉碎长度合格率的影响较显著。从图 6(e)可看 出，即在拖拉机前进速度和旋耕深度对粉碎长度 试 验 序 号 前进 速度 X1 刀辊 转速 X2 旋 耕 深 度 X3 试验指标 粉碎长 度合格 率(%) Y1 抛撒不 均匀率 (%) Y2 覆盖率 (%) Y3 1 -1 -1 0 88.4 13.9 92.7 2 1 -1 0 86.2 14.8 90.4 3 -1 1 0 93.3 11.5 93.6 4 1 1 0 91.5 11.7 91.2 5 -1 0 -1 89.6 8.4 90.3 6 1 0 -1 87.4 10.6 88.7 7 -1 0 1 89.5 8.2 94.4 8 1 0 1 87.5 10.5 93.9 9 0 -1 -1 87.1 12.2 87.2 10 0 1 -1 92.6 7.9 88.9 11 0 -1 1 87.3 11.4 90.3 12 0 1 1 92.4 8.1 91.5 13 0 0 0 89.3 7.5 93.6 14 0 0 0 90.9 7.9 94.3 15 0 0 0 89.5 8.2 93.9 指标 方差来 源 平方和 自由度 均方差 F 值 P 值 Y1 X1 10.214 2 0.905 24.898 ＜0.0001 X2 55.640 2 27.820 136.122 ＜0.0001 X3 1.809 2 5.107 4.426 0.051 误差 1.635 8 0.204 Y2 X1 23.736 2 11.868 36.112 ＜0.0001 X2 50.227 2 25.113 76.415 ＜0.0001 X3 2.225 2 1.112 3.384 0.086 误差 2.629 8 0.329 Y3 X1 5.922 2 2.961 7.268 0.016 X2 19.779 2 9.889 24.275 ＜0.0001 X3 47.728 2 23.864 58.577 ＜0.0001 误差 3.259 8 0.4076 合格率影响的交互作用中，拖拉机前进速度对抛 撒不均匀率的影响较显著。从图 6(f)可看出，在 刀辊转速和旋耕深度对粉碎长度合格率影响的交 互作用中，刀辊转速对抛撒不均匀率的影响较显 著；从 6(h)可看出，在拖拉机前进速度和刀辊转 速对覆盖率影响的交互作用中，刀辊转速对覆盖 率的影响较显著。从图 6(i)可看出，即在拖拉机 前 进 速 度 和 旋 耕 深 度 对 覆 盖 率 影 响 的 交 互 作 用 中，旋耕深度对覆盖率的影响较显著。从图 6(g) 可看出，即在刀辊转速和旋耕深度对覆盖率影响 的交互作用中，旋耕深度对覆盖率的影响较显著。 4.3 验证试验 根据确定的最优参数组合，即拖拉机前进速 度 1.2m/s、粉碎刀刀辊转速 800r/min、旋耕深度 100mm，进行了五组验证试验，田间验证试验如 图 7 所示，试验结果如表 7，粉碎长度合格率平 均值为 90.1%、抛撒不均匀率平均值为 7.98%、 覆盖率平均值为 93.68%，均达到相关标准，符合 设计目标。

5 结论 （1）设计出一种果园行间绿肥粉碎旋耕一体 机，该机可一次性完成果园行间绿肥的粉碎、翻 压作业，有效提高了绿肥作物利用效率，提高了 作业效率。同时，设计出一种提高绿肥作物还田 的覆土装置，实现“茎秆先落，土壤后落，茎秆在 下，土壤在上”的目的，提高了绿肥粉碎还田翻压 效果。 （2）通过 ANSYS 仿真软件对悬挂架，甩刀 刀片进行有限元仿真分析，得出悬挂架最大位移 变形量约为 3.523mm，最大等效弹性变形量约为 2.89×10-4 ，最大应力变形值为 57.342MPa，可达 到使用需求，选材合理。 （3）经过田间试验，该机各项性能指标均满 足相关国家标准与农业标准，综合考虑能耗、动 力消耗、作业效果等，确定当拖拉机前进速度为 1.2m/s，粉碎甩刀刀辊转速为 800r/min，旋耕深 度为 100mm 时，效果最为理想，此时，绿肥作物 粉碎长度合格率平均值为 90.1%、抛撒不均匀率 平均值为 7.98%、覆盖率平均值为 93.68%。

摘 要：随着果园绿肥种植面积的不断扩大，果园绿肥在还田利用中存在的作业效率低，翻压效果不佳等 问题越来越明显。针对这一问题，设计了一种可实现“茎秆先落，土壤后落，茎秆在下，土壤在上”的提 高绿肥作物还田效果的覆土装置及果园绿肥粉碎旋耕一体作业的样机。样机主要由悬挂装置，粉碎装置， 旋耕翻压装置，覆土装置等部分组成。对样机机架进行了有限元分析，结果表明选材合理，满足使用要求。 样机田间试验表明，当拖拉机前进速度为 1.2m/s，粉碎甩刀刀辊转速为 800r/min，旋耕深度为 100mm 时， 绿肥作物粉碎长度合格率平均值为 90.1%、抛撒不均匀率平均值为 7.98%、覆盖率平均值为 93.68%，满足 设计要求，且能耗相对较低，满足果园绿肥还田利用需求。

关键词：果园绿肥；覆土机构；翻压还田；响应曲面

0 引言 我国水果种植面积自 1978 年以来迅速增长， 现 阶 段 果 园 种 植 面 积 和 水 果 产 量 均 居 世 界 首 位 [1-3]。2017 年我国果园种植面积达到 11135.92 千 公顷，占农业总面积的 49.12%，2018 年果园种 植 面 积 增 加 至 11874.93 千 公 顷 ， 同 比 增 长 6.64%[4]。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 壤管理模式[5-6]。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[7-11]。果园绿肥在翻压还田存在作业效率低， 防压效果不理想等问题，随着果园绿肥种植的迅 速发展，其高效机械化还田成为需要解决的难题。 目前，绿肥还田利用刚刚起步，但其发展速 度相对较快[12]。王伟等研制出 9GB−1.6 型果园避 障绿肥粉碎机，可实现果树根部，果树株间绿肥 的粉碎，提升了作业机的作业范围与效果；赵劲 飞等人研制出果园行间绿肥碎草机[13]，可将粉碎 后的绿肥茎秆在一侧输出，提高了保墒效果等。 二者均能完成绿肥粉碎作业，但铺放利用效果不 好，腐解速度较慢。游兆延，吴惠昌[14]等人还研 制出 GFY−200 型绿肥粉碎翻压复式作业机，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。国外 大多绿肥翻压与作物播种同时进行，且国外绿肥 粉碎翻压机械大多以大中型为主，价格高昂、与 国产拖拉机动力匹配度较差[12,15]，考虑到我国果 园行距大小，绿肥种植情况、以及果农经济水平 等因素，国外绿肥粉碎翻压机械并不适用于国内 果园绿肥作业。 由于果园绿肥种类较多，传统翻压机械针对 茎秆较高的绿肥作物，浅翻会影响绿肥的翻压效 果，而深翻又可能会损伤果树的地表根系[16-17]。 因此优化设计一种果园绿肥粉碎翻压一体装备， 实现绿肥作物的粉碎翻压，预期达到粉碎后绿肥 在下，土壤覆盖其上的效果，大幅提高翻压效果， 提升果园绿肥利用率，同时又可降低果树地表根 系的损伤率。

1 整机结构与工作原理 1.1 整机结构 果园绿肥粉碎旋耕一体机主要由悬挂装置， 动力传递部分，粉碎装置，旋耕翻压装置，覆土 装置等部分组成，如图 1 所示。

1.2 工作原理与技术参数 工作时，先将整机通过三点悬挂挂接于拖拉 机后方，随着拖拉机前进，降下液压装置，使整 机达到最佳工作位置。拖拉机输出的动力进入减 速箱进行换向，分别带动粉碎装置与旋耕翻压装 置工作，粉碎装置将绿肥作物进行粉碎，抛撒； 旋耕翻压部分将粉碎、抛撒后的绿肥作物进行翻 压，同时能够将粉碎效果差的绿肥作物进行二次 粉碎。旋耕刀片在旋转时会抛起土块及部分茎秆， 在“铁链分离帘”的拦截作用下，大部分茎秆先 落回地表，而土块穿过铁链装置后继续运动，直 到撞击到位于后方的挡土装置后落回地表，覆盖 在粉碎后的绿肥上方，茎秆先于破碎后的土壤落 回地面，有效提升翻压效果，提高了绿肥茎秆的 覆盖率，最后由镇压轮平整地表。整机主要技术 参数如表 1 所示。 表 1 果园绿肥粉碎旋耕一体机技术参数 Table 1 Technical parameters of orchard green manure grinding rotary tillage integrated machine 2 关键部件设计及分析 2.1 悬挂架的设计 悬挂架是果园绿肥粉碎旋耕一体机的重要部 件之一，绿肥粉碎旋耕一体机通过悬挂架挂接于 拖拉机后方，是绿肥粉碎旋耕一体机的固定基础， 同 时 悬 挂 架 承 载 着 绿 肥 粉 碎 旋 耕 一 体 机 整 机 质 量。悬挂架结构主要由上、下悬挂点以及悬挂支 架等组成（如图 2 所示）。利用 ANSYS15.0 对几 机架进行有限元分析，分析可知，悬挂架最大位 移变形量约为 3.523mm，最大等效弹性变形量为 2.89×10 -4，最大应力变形值为 57.342MPa，满足 样机需求。

2.2 粉碎装置设置及参数确定 2.2.1 粉碎刀刀型设计 目前，国内外粉碎刀按照形状大致可分为直 刀型、锤爪式、Y 型刀、T 型刀、L 型及其改进 刀以及鞭式刀等,Y 型粉碎刀粉碎性能较好、质量 小、消耗功率小、且具有良好的捡拾性能[18-19]。 考虑到设计的机型用于果园行间工作，其动力由 小型拖拉机提供，粉碎刀需要功耗低，质量小， 成本低等特点，同时生长的鲜嫩绿肥植株的粉碎， 需要具备一定的拾捡性能，同时 Y 型刀具有良好 的对称性，质心在刀轴对称线上，能够克服其他 粉碎还田刀在工作过程中机体震动猛烈、动力消 耗大、粉碎效果不理想的缺陷，并且在同样回转 半径的条件下，质心更加靠外，在同转速下增加 转动惯量[20]，因此选用 Y 型碎草刀。本文选取粉 碎刀的回转半径为 240mm。确定粉碎刀的最终尺 寸：弯折角为 135°，切削宽度为 38.5mm，刀刃 厚 度 为 8mm， 弯 曲 半 径 为 30mm， 回 转 半 径 为 240mm，总长度为 165mm[21-24]。同时，参考仿鼹 鼠 足 趾 刀 片 [25-27]的 相 关 分 析 设 计 对 刀 刃 部 分 进 参数 单位 参数 悬挂方式 三点悬挂 外形尺寸（长 X 宽 X 高） mm 1850X1750X900 配套动力 kw 25.7 - 44.1 作业幅宽 mm 1500 作业效率 hm 2 /h 0.62 粉碎刀转速 r/min 800 旋耕刀转速 r/min 6003 行处理。 2.2.2 碎草甩刀运动分析 除碎草刀的刀型，其转速大小也是影响绿肥 粉碎质量的重要因素。过小的转速会影响粉碎效 果，过大的转速又会浪费能量[28]。机具运行时， 生长的鲜嫩绿肥被高速旋转的 Y 型甩刀切削粉 碎，然后均匀抛撒在地表，碎草甩刀的运动由自 身旋转的圆周运动与整机前进的直线运动合成， 运动轨迹为一条摆线。以碎草刀辊中心为坐标原 点，拖拉机前进方向为 X 轴，垂直 X 轴方向为 Y 轴，建立坐标系，在坐标系中建甩刀运动图（图 3 所示）。此时 R 表示 Y 型甩刀转动半径，ω表 示甩刀角速度，vm 表示拖拉机前进速度。

由上图看出，开始运动时 Y 型甩刀与 x 轴重 合，则运动时间为 t 时，甩刀端点的位置坐标方 程为       y R t x R t vm t   sin cos (1) 式中：R—Y 型甩刀转动半径； ω—甩刀角速度； vm—拖拉机前进速度。 甩刀端点在各轴的运动速度为         v d d R t v d d v R t y y t x x t m     / cos / sin (2) 甩刀绝对运动速度为 R v R t v v v v m A x y m 2 2 2 2 sin 2 2      (3) 机具在旋转式无支承切割时刀片刃口最小极 限速度为 30 m/s，机具切割速度应大于最小极限 速度[29]，机具碎草刀轴转速为   r v n v m A π   30 (4) 其中 h r D   2 Am h π m D v v 式中 D—刀辊直径(m)； h—甩刀刃口长度(m)； m—甩刀片数。 不漏割条件为 mh r v vA 2π m  (5) 2.3 覆土装置设计 2.3.1 “铁链分离帘”及镇压器 “铁链分离帘”(图 4(a)所示）主要由位于旋 耕部分后方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，同时铁链在小范围依然可以 晃动，防止高速运转的旋耕刀抛弃湿嫩的绿肥茎 秆粘连在铁链上产生堵塞现象，其主要作用为分 离旋耕刀抛起的绿肥茎秆与土壤。镇压器(图 4(b) 所示）进行了改进，在其圆周表面均匀固定了 18 块“压杆片”，每块“压杆片”设计有锯齿形结 构，其目的在于将个别裸漏地表的茎秆等压入土 壤，进一步提高整机的翻压效果，提高翻压率。

2.3.2 覆土装置 覆土装置由“铁链分离帘”、挡土板以及镇 压器共同组成，其安装位置如图 5(a)所示。工作 时，绿肥茎秆大部分由旋耕刀翻压入土，部分随 旋耕刀抛起，抛起的茎秆及土壤运动至“铁链分 离帘”后，绿肥作物茎秆被挡住，改变了其原有4 的运动轨迹，顺着“铁链分离帘”返回至地表， 而土壤穿过“铁链分离帘”继续运动，直到撞击 到机具挡土板上后返回地表。实现“茎秆先落， 土壤后落，茎秆在下，土壤在上”的目的，极少 数仍然未翻压的绿肥茎秆在镇压器“压杆片”的 作用下压入地表，分离翻压覆土原理如图 5(b)所 示。

3 田间试验 3.1 试验条件 2020 年 7 月 20 号在新疆维吾尔自治区阿拉 尔市十二团现代有机香梨园示范基地（40°28′ N、81°26′E）进行田间性能试验。试验区面积 为 500 亩，土壤类型为沙壤土。试验前，对试验 梨园行间土壤含水率、紧实度及草木樨茎秆含水 率进行测量，随机选取 10 点后取平均值，得到土 壤在 0~ 5cm、5~ 10cm、10 ~ 15cm 间的含水率分 别为 12.46%、13.05%、13.82%，土壤紧实度分别 为 142.3KPa、169.8KPa、196.7KPa,草木樨平均含 水率为 70.31%。并测定试验区内土壤平均坚实度 为 169.6KPa，平均土壤含水率 13.11%。 3.2 试验仪器设备 泰 鸿 404 型 拖 拉 机 一 台 ， 精 度 为 0.01g 得 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。 3.3 试验方法 试验按照国家标准《秸秆粉碎还田机作业质 量 NY/T500-2015》、《保护性耕作机械秸秆粉碎 还田机 GB/T24675- 2009》、《旋耕机作业质量 NY/T499-2013》、《农业机械试验条件测定方法 的一般规定 GB/T5262- 1985》进行。以前进速度、 粉碎刀刀辊转速、旋耕深度为试验因素，粉碎长 度合格率、抛撒不均匀率、覆盖率为响应指标， 进行三因素三水平中心组合试验，试验因素水平 编码如表 4 所示。

4 田间试验结果分析 4.1 试验结果方差分析 田间试验方案及试验结果如表 5 所示。应用 SPSS25.0 软件对试验结果进行方差分析，不考虑 因素间的交互作用，进行主体间效应检验，给定 显 著 性 水 平 0.05， 则 试 验 指 标 粉 碎 长 度 合 格 率 Y1、抛撒不均匀率 Y2 以及覆盖率 Y3 的方差分析 如表 6 所示。从表 5 及表 6 可知，拖拉机前进速度 X1 对 粉碎长度合格率 Y1，抛撒不均匀率 Y2 影响特别 显著，对覆盖率 Y3 均有显著影响；刀辊转速 X2 对粉碎长度合格率 Y1、抛撒不均匀率 Y2、覆盖 率 Y3 均影响特别显著；旋耕深度 X3 对粉碎长度 合格率 Y1、抛撒不均匀率 Y2 有一定影响，对覆 盖率 Y3 影响特别显著。 考虑到粉碎长度合格率，覆盖率越大越好， 抛撒不均匀率越小越好，而绿肥粉碎还田主要看 翻压效果，因此优先考虑覆盖率。结合表 5、6 最终确定拖拉机前进速度取 0.6m/s，粉碎刀刀辊 转速取 800r/min，旋耕深度取 150mm，即综合来 看第 7 次试验为最佳试验，考虑到工作效率，能 耗等，取拖拉机前进速度为 1.2m/s，旋耕深度为 100mm，刀辊转速取 800m/s，各指标同样均满足 有关标准。 4.2 响应曲面分析 应用响应曲面法分析各影响因素分别对粉碎 长度合格率、抛撒不均匀率、覆盖率的影响，固 定前进速度、刀辊转速、旋耕深度中的任一因素 为零水平，考察另两个因素分别对粉碎长度合格 率、抛撒不均匀率、覆盖率的交互作用。 各因素之间交互作用响应曲面如图 6 所示。 从图 6(a)可看出，在拖拉机前进速度和刀辊转速 对粉碎长度合格率的交互作用中，刀辊转速对粉 碎长度合格率的影响较显著。从图 6(b)可看出， 在拖拉机前进速度和旋耕深度对粉碎长度合格率 影响的交互作用中，拖拉机前进速度对粉碎长度 合格率的影响较显著。从图 6(c)可看出，在刀辊 转速和旋耕深度对粉碎长度合格率影响的交互作 用中，刀辊转速对粉碎长度合格率的影响较显著； 从图 6(d)可看出，在拖拉机前进速度和刀辊转速 对粉碎长度合格率影响的交互作用中，刀辊转速 对粉碎长度合格率的影响较显著。从图 6(e)可看 出，即在拖拉机前进速度和旋耕深度对粉碎长度 试 验 序 号 前进 速度 X1 刀辊 转速 X2 旋 耕 深 度 X3 试验指标 粉碎长 度合格 率(%) Y1 抛撒不 均匀率 (%) Y2 覆盖率 (%) Y3 1 -1 -1 0 88.4 13.9 92.7 2 1 -1 0 86.2 14.8 90.4 3 -1 1 0 93.3 11.5 93.6 4 1 1 0 91.5 11.7 91.2 5 -1 0 -1 89.6 8.4 90.3 6 1 0 -1 87.4 10.6 88.7 7 -1 0 1 89.5 8.2 94.4 8 1 0 1 87.5 10.5 93.9 9 0 -1 -1 87.1 12.2 87.2 10 0 1 -1 92.6 7.9 88.9 11 0 -1 1 87.3 11.4 90.3 12 0 1 1 92.4 8.1 91.5 13 0 0 0 89.3 7.5 93.6 14 0 0 0 90.9 7.9 94.3 15 0 0 0 89.5 8.2 93.9 指标 方差来 源 平方和 自由度 均方差 F 值 P 值 Y1 X1 10.214 2 0.905 24.898 ＜0.0001 X2 55.640 2 27.820 136.122 ＜0.0001 X3 1.809 2 5.107 4.426 0.051 误差 1.635 8 0.204 Y2 X1 23.736 2 11.868 36.112 ＜0.0001 X2 50.227 2 25.113 76.415 ＜0.0001 X3 2.225 2 1.112 3.384 0.086 误差 2.629 8 0.329 Y3 X1 5.922 2 2.961 7.268 0.016 X2 19.779 2 9.889 24.275 ＜0.0001 X3 47.728 2 23.864 58.577 ＜0.0001 误差 3.259 8 0.4076 合格率影响的交互作用中，拖拉机前进速度对抛 撒不均匀率的影响较显著。从图 6(f)可看出，在 刀辊转速和旋耕深度对粉碎长度合格率影响的交 互作用中，刀辊转速对抛撒不均匀率的影响较显 著；从 6(h)可看出，在拖拉机前进速度和刀辊转 速对覆盖率影响的交互作用中，刀辊转速对覆盖 率的影响较显著。从图 6(i)可看出，即在拖拉机 前 进 速 度 和 旋 耕 深 度 对 覆 盖 率 影 响 的 交 互 作 用 中，旋耕深度对覆盖率的影响较显著。从图 6(g) 可看出，即在刀辊转速和旋耕深度对覆盖率影响 的交互作用中，旋耕深度对覆盖率的影响较显著。 4.3 验证试验 根据确定的最优参数组合，即拖拉机前进速 度 1.2m/s、粉碎刀刀辊转速 800r/min、旋耕深度 100mm，进行了五组验证试验，田间验证试验如 图 7 所示，试验结果如表 7，粉碎长度合格率平 均值为 90.1%、抛撒不均匀率平均值为 7.98%、 覆盖率平均值为 93.68%，均达到相关标准，符合 设计目标。

5 结论 （1）设计出一种果园行间绿肥粉碎旋耕一体 机，该机可一次性完成果园行间绿肥的粉碎、翻 压作业，有效提高了绿肥作物利用效率，提高了 作业效率。同时，设计出一种提高绿肥作物还田 的覆土装置，实现“茎秆先落，土壤后落，茎秆在 下，土壤在上”的目的，提高了绿肥粉碎还田翻压 效果。 （2）通过 ANSYS 仿真软件对悬挂架，甩刀 刀片进行有限元仿真分析，得出悬挂架最大位移 变形量约为 3.523mm，最大等效弹性变形量约为 2.89×10-4 ，最大应力变形值为 57.342MPa，可达 到使用需求，选材合理。 （3）经过田间试验，该机各项性能指标均满 足相关国家标准与农业标准，综合考虑能耗、动 力消耗、作业效果等，确定当拖拉机前进速度为 1.2m/s，粉碎甩刀刀辊转速为 800r/min，旋耕深 度为 100mm 时，效果最为理想，此时，绿肥作物 粉碎长度合格率平均值为 90.1%、抛撒不均匀率 平均值为 7.98%、覆盖率平均值为 93.68%。