《Agriculture》：Design and Experimental Evaluation of a Narrow-Strip Tillage Device for a Maize Interseeder in Wheat-Maize Relay Intercropping
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为解决新疆小麦-玉米套作模式下预留玉米播种带作业空间受限、表层土壤紧实、常规耕作机械通过性差以及扰动邻近小麦行等问题，研究人员设计了一种前置式玉米套种机窄幅旋耕装置。该装置由旋耕组件和提土装置组成。选用IT225旋耕刀，并设计了旋耕组件和尖铲式提土装置的结构。
为解决新疆小麦-玉米套作模式下预留玉米播种带作业空间受限、表层土壤紧实、常规耕作机械通过性差以及扰动邻近小麦行等问题，研究人员设计了一种前置式玉米套种机窄幅旋耕装置。该装置由旋耕组件和提土装置组成。选用IT225旋耕刀，并设计了旋耕组件和尖铲式提土装置的结构。运动学与力学分析确定了机组前进速度3–5 km·h?1、刀轴转速240–360 r·min?1、旋耕深度80–120 mm的作业参数范围。在EDEM中建立了土壤-耕作装置相互作用的离散元模型。以前进速度、刀轴转速和旋耕深度为因素，以土壤破碎率和土壤容重为响应指标，开展了三因素三水平Box-Behnken试验。利用Design-Expert建立了二次回归模型并进行约束数值优化。两个回归模型均高度显著，失拟项不显著，表明模型预测性能良好。最优参数组合为前进速度3.88 km·h?1、刀轴转速348 r·min?1、旋耕深度120 mm，对应土壤破碎率和土壤容重的预测值分别为92.40%和1.38 g·cm?3。田间验证试验测得土壤破碎率为93.64%，土壤容重为1.35 g·cm?3，相对误差分别为1.34%和2.17%，均低于5%。上述研究结果为新疆小麦-玉米套作模式下玉米套种机耕作部件的设计与作业参数匹配提供了依据。
论文解读
一、研究背景与问题
新疆地区光热资源丰富，日照时间长，是我国重要的玉米产区。然而，随着粮食需求持续增长以及耕地和水资源约束日益凸显，依靠扩大播种面积增加粮食供给的空间有限，提高周年土地利用效率和单位面积总产出成为保障粮食安全的重要途径。小麦-玉米套作根据两季作物的生育期差异，在时间和空间上合理配置两种作物，能够充分利用光、热、土地资源，发挥种间互补优势，提高周年产量和综合效益。
玉米播种是该系统中的关键作业环节，需在小麦收获前于预留播种带内完成。此时小麦仍在播种带两侧生长，可用作业空间狭窄，且越冬、灌溉和田间管理导致预留带表层土壤紧实、大土块较多。常规耕作机械难以在小麦行间正常作业，可能压伤小麦植株或造成过度土壤扰动；而直接免耕播种则可能因土壤破碎不充分、种床均匀性差、根系生长受限等原因导致出苗不良。因此，套作条件下的耕作必须严格限定在指定作业宽度内，实现充分的土壤破碎和适宜的土壤容重，并与后续覆膜、镇压和精量播种作业相配合。
已有研究主要针对常规旋耕或条带耕作以及开阔田块或单一作物系统中的降阻问题，鲜有研究关注小麦-玉米套作下窄幅行间耕作的专用装备。针对上述问题，研究人员设计了一种前置式玉米套种机窄幅旋耕装置。
二、研究内容与总体结论
研究人员设计了一种由旋耕组件和提土装置组成的窄幅旋耕装置。装置采用两组横向分离的旋耕刀组与中央尖铲式提土铲协同作业，提土铲将中央未耕土壤提起并导向两侧旋耕区域，由旋耕刀进一步破碎。该装置挂接于覆膜和播种部件前方，可在一次田间作业中完成耕作、覆膜和播种。通过运动学与力学分析确定了前进速度、刀轴转速和旋耕深度的作业范围，基于EDEM建立土壤-耕作装置相互作用离散元模型，采用Box-Behnken响应面试验建立土壤破碎率和土壤容重的二次回归模型并进行约束数值优化，最后通过田间试验验证优化参数组合。结果表明，优化参数组合为前进速度3.88 km·h
?1、刀轴转速348 r·min
?1、旋耕深度120 mm，田间验证的土壤破碎率和土壤容重分别为93.64%和1.35 g·cm
?3，与预测值相对误差均小于5%，满足预设农艺要求。该研究为新疆小麦-玉米套作模式下玉米套种机耕作部件的设计与作业参数匹配提供了依据。
三、主要技术方法
研究人员采用理论分析与仿真试验相结合的方法。首先对旋耕刀和提土装置进行受力分析，建立刀端运动轨迹方程，推导旋耕速比和切土节距等运动学参数，据此确定作业参数范围。采用SolidWorks建立耕作装置三维模型，导入EDEM建立土壤-耕作装置相互作用离散元模型。土壤颗粒采用单球和双球、三球、四球聚合体四种几何形态，颗粒间采用Hertz-Mindlin with Bonding接触模型模拟土壤黏结特性。基于Design-Expert设计三因素三水平Box-Behnken仿真试验，建立响应回归模型并进行约束数值优化。田间验证试验于新疆天诚农业装备制造有限公司试验场地进行，供试土壤为壤土，土壤含水率13.6%，锥体指数0.7 MPa。
四、研究结果
（一）关键部件设计。依据GB/T 5669-2017选用IT225旋耕刀，工作宽度45 mm。旋耕组件中每3把刀均匀安装于同一旋耕切削平面内的刀座上，两个刀座间距40 mm交错排列组成一个旋耕刀组，左右刀组以200 mm间距对称安装于刀轴两侧。提土装置采用尖铲式结构，铲宽70 mm，铲长180 mm，装置总高220 mm，入土角40°，铲尖角80°。
（二）运动学与力学分析。旋耕刀端点运动轨迹为余摆线，旋耕速比λ大于1时才能实现正常切土。切土节距随前进速度增大而增大、随刀轴转速增大而减小。综合考虑作业效率与功耗，确定前进速度3–5 km·h
?1、刀轴转速240–360 r·min
?1、旋耕深度80–120 mm。旋耕刀受力可分解为水平力、垂直力和侧向力，其中水平力是主要牵引阻力来源。提土装置受力分析表明入土角20°附近土壤提升阻力较低，综合考虑结构强度将入土角设为40°。
（三）离散元仿真试验。以土壤破碎率和土壤容重为响应指标，在EDEM中进行Box-Behnken仿真试验。方差分析表明，刀轴转速和旋耕深度对土壤破碎率影响高度显著，前进速度影响显著；前进速度和刀轴转速对土壤容重影响高度显著，旋耕深度影响不显著。土壤破碎率随刀轴转速和旋耕深度增大而增大，随前进速度增大而减小；土壤容重随前进速度增大而减小，随刀轴转速增大而增大。
（四）参数优化与验证。以土壤破碎率不低于90%、土壤容重1.1–1.4 g·cm
?3为约束条件进行数值优化，得到最优参数组合。田间试验中仅接合耕作装置，覆膜、镇压和播种部件均处于分离状态，验证了耕作装置独立作业性能。优化参数组合下田间土壤破碎率为93.64±0.44%，土壤容重为1.35±0.02 g·cm
?3，相对误差分别为1.34%和2.17%。
五、讨论与结论
讨论部分指出，刀轴转速通过增加单位前进距离的切削次数和减小切土节距来强化剪切、压缩和冲击作用；旋耕深度增大使刀-土接触区域扩大；前进速度增大则减少了单位距离的重复切削次数并缩短提土装置与土壤的相互作用时间，导致大土块二次破碎不充分。土壤容重受前进速度和刀轴转速主导，前进速度增大时土壤与作业部件的相互作用时间缩短，大土块和孔隙得以保留；刀轴转速提高促进细颗粒重新排列并填充孔隙，使容重增大。因此土壤破碎率和土壤容重并非总是同向变化，单纯追求高破碎率可能导致种床过于紧实。仿真与田间数值的一致性表明所建模型在所研究的土壤条件下具有良好的预测性能，但由于仿真土壤颗粒模型与实际土壤在颗粒形态和粒径方面存在差异，模型对类似土壤和作业条件更为适用。研究局限性包括田间验证仅在单一土壤条件下进行，且仅考核耕作装置独立作业，未评估功耗以及与覆膜、镇压、播种部件联合作业的稳定性。未来应补充功耗、土壤扰动宽度和出苗率等指标，以开展全面的工程评价。
研究结论为：（1）针对新疆小麦-玉米套作下预留玉米带作业空间有限、表层土壤紧实和常规耕作机械适应性差等问题，设计了由旋耕组件和提土装置组成的前置式窄幅旋耕装置，确定了前进速度3–5 km·h
?1、刀轴转速240–360 r·min
?1、旋耕深度80–120 mm的作业参数范围。（2）基于EDEM离散元仿真和Box-Behnken试验建立了土壤破碎率与土壤容重的二次回归模型，两模型均高度显著、失拟项不显著，信噪比分别为13.0411和11.9411，拟合与预测性能良好；据此提出了机器调试时先按种床要求设定耕深、再调刀轴转速保证碎土、后协调前进速度与转速维持适宜容重的调整顺序。（3）约束数值优化得到最优参数组合为前进速度3.88 km·h
?1、刀轴转速348 r·min
?1、旋耕深度120 mm，田间验证土壤破碎率93.64%、土壤容重1.35 g·cm
?3，相对误差分别为1.34%和2.17%，均低于5%，实测值满足预设农艺要求，验证了优化参数在供试壤土条件下耕作装置独立作业时的可行性。
