第 1 章 绪论
1.1 研究的背景及意义
中国东北黑土地是世界三大黑土区之一，以土壤有机质含量高著称，是适宜农耕的优质土地[1]。根据第二次全国土地调查数据和县域耕地质量调查评价成果，东北典型黑土地耕地面积约 1.85×107hm2，占东北地区（东北三省及内蒙古东部四市盟）耕地面积的 50.6%，占中国耕地面积的 10.0%[2, 3]。东北地区在全国农业版图中举足轻重，是我国重要的商品粮基地，其粮食生产能力和可持续性发挥着稳定国家粮食安全的重要作用[4, 5]。东北黑土区曾是生态系统良好的温带草原或温带森林，原始黑土具有暗沃表层和腐殖质，在自然条件下需要 300~400 年时间才可能形成 1 厘米厚的黑土层[6]。东北地区已有百年以上的开垦历史，特别是自 20 世纪 50 年代以来，中国东北黑土区经历了掠夺式的开垦和难以恢复的破坏[7]。由于长期的传统耕作和无节制地施用化肥，以及遭受自然的风蚀水蚀等，使得东北黑土区耕地的黑土层平均厚度仅剩 30cm左右，与开垦前相比消减掉大半，大部分坡耕地由于水土流失严重使得黑土层消耗更甚，部分地区已露出底层的黄土[8, 9]。黑土层的消减伴随着土壤肥力的急剧下降和土壤结构特性变性[10, 11]，导致农作物生长迟缓和产量下降等问题[12, 13]，已经严重危害东北黑土区特有的自然生态系统，威胁我国粮食安全与食品安全[14, 15]。
近年来，中国政府积极推广保护性耕作技术和加大力度开展东北黑土区的黑土地保护工作。自 2002 年，时任国务院副总理温家宝，做出“改革传统耕作方法，发展保护性耕作技术”的重要批示以来[16]，保护性耕作及东北黑土区保护逐渐得到国家的重视。中共中央在 2005 年的中央一号文件中首次提出“改革传统耕作方法，发展保护性耕作[17]”意见，并自此连年提出“实施”、“推广”、“发展”保护性耕作技术相关意见[18-24]；在 2015 年的中央一号文件中首次提出“开展东北黑土地保护试点”[25]意见，并自此连续提出“扩大东北黑土地保护利用试点规模”[26]、“加大东北黑土地保护支持力度”[27]、“加大东北黑土地保护力度”[28]等意见。《东北黑土地保护规划纲要（2017-2030 年）》、《黑龙江省耕地保护条例》和《吉林省黑土地保护条例》等黑土地保护相关的国家级和地方性的法律法规的陆续颁布和完善。中央财政对黑土地保护提供了专项资金支持，自 2015 年起，每年安排 5 亿元专项资金在东北 4 省（区）17 个县（市）开展黑土地保护利用试点；自 2018 年起，专项资金增至 8 亿元，并新确立第二批 24 个黑土地保护利用试点县。通过制定长期规划纲要、颁布法律法规、增加财政投入等政策，积极地推动保护性耕作技术和东北黑土区保护工作。
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1.2 保护性耕作简介
1.2.1 保护性耕作的定义
保护性耕作的概念具有多样性、时代性、区域性的特征[40]。现代保护性耕作制度起源于美国，是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术，其核心是植物残留物还田[41]。1996 年，美国保护性耕作技术信息中心（CTIC）将其定义为：在土壤表面至少保留30%的作物秸秆残茬，或在关键的风蚀期内在土壤表面至少留下 1000 磅/英亩（约合1121 kg/hm2）的小粒谷物秸秆残茬的耕作和栽培技术[42]。在保证农作物秸秆残留物覆盖率或覆盖量的条件下，保护性耕作包括免耕、条带耕和垄作等种植模式[43]。通过减少对土壤的扰动破坏，对于保持土壤中的矿物质和防止水土流失是至关重要的，能够在较长时间内保持土壤的有机质平衡和较长时间的生产能力，减少常规耕作中常见的对土壤微观和宏观生物栖息地的破坏[44-47]；通过地表的秸秆残留，能够为表层土壤创造永久性的有机质覆盖层，有助于防止发生土壤侵蚀和破坏，降低水土流失和径流现象的发生，覆盖在地表的秸秆有助于保持较高的土壤温度和湿度水平，缓解机具对土壤的压实作用[48-50]；此外，保护性耕作通过减少机具进地作业次数，降低了作物生产过程中的劳动力投入、生产成本和拖拉机燃料资源消耗，有利于实现绿色可持续农业[51-53]。总的来说，保护性耕作是一种节约资源的农业作物生产概念，在保护环境的同时提高生产水平，获得更高的经济效益和生态效益。
中国现代保护性耕作的定义经历了 3 次修订，在 2007 年 4 月的《农业部关于大力发展保护性耕作的意见》中将其定义为：保护性耕作是以秸秆覆盖地表、少免耕播种、深松及病虫草害综合控制为主要内容的现代耕作技术体系，具有防治农田扬尘和水土流失、蓄水保墒、培肥地力、节本增效、减少秸秆焚烧和温室气体排放等作用[54, 55]。目前，我国保护性耕作包含的机械化技术主要有四项，即：秸秆覆盖技术；免耕、少耕施肥播种技术；杂草和病虫害防治技术；深松技术[56]。
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第 2 章 圆盘犁刀运动分析及其对作业质量的影响研究
2.1 圆盘犁刀动力学分析
圆盘犁刀在作业过程中的工作阻力是针对特定耕作要求进行犁刀选型的重要考察因素，且其切割阻力影响秸秆切割性能。根据圆盘犁刀的作业特点，可将其与土壤的相互作用分解为前进方向的滚动切割作用和犁刀平面向两侧的推移、抛送作用，在犁刀与土壤的合作用下完成对地面秸秆和土壤的切割，形成一定作业幅宽的犁沟。作业时，圆盘犁刀圆周平面始终与机组的前进方向保持水平一致，即圆盘犁刀的两个侧表面受到土壤和秸秆残留物施加的侧向正压力大小相等而方向相反，可认为圆盘犁刀的两侧推土阻力的合力为零。因此，本研究只对圆盘犁刀在作业过程中前进方向的滚动切割阻力进行重点分析。
圆盘犁刀对土壤和秸秆残留物进行滚动切割时，可将其所受合力简化为由刀刃部分所受的切割阻力和侧表面与土壤之间的相对滑动阻力组成[168, 169]。如图 2.1 所示，建立圆盘犁刀作业过程空间直角坐标系 O-xyz，x 轴为圆盘犁刀作业时的前进速度方向，y 轴为水平面内与 x 轴的垂直方向，z 轴为竖直方向。
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2.2 滑移条件下圆盘犁刀运动学分析
被动式圆盘犁刀在作业过程中，由机架及其他部件对其施加竖直方向的载荷将其压入至特定作业深度的土壤中，并依靠拖拉机提供的牵引力和其与土壤间的相互作用力产生的扭矩实现机组前进方向的滚动切割运动。如图 2.2 a 所示，理想条件下，圆盘犁刀与土壤接触界面上不存在相对滑动，即 n 点绝对速度为零，称为纯滚动；如图2.2 b 所示，由于圆盘犁刀的作业环境以及自身的摩擦阻力等因素，通常导致其与土壤接触界面上出现滑动现象，即 n'点绝对速度不为零，而是存在一个向前的滑移速度v?，此种现象称为滑移滚动[170]。
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第 3 章 自动控制条带清秸装置设计及其对清秸质量的影响 ..................... 43 3.1 自动控制条带清秸装置整体结构与工作原理.......................... 43
3.1.1 整体结构...................... 43
3.1.2 工作原理................................... 44
第 4 章 耕深稳定性控制系统设计及单体力学模型建立 ............................. 77
4.1 仿型机构设计...................... 77
4.1.1 条带耕整单体仿形机构方案确定................... 78
4.1.2 作业单体仿形机构设计............................... 78
第 5 章 行间清秸耕整关键技术集成及条带耕整机设计与试验 ................. 91
5.1 行间条带耕整机设计原则.............................. 91
5.2 行间自动控制条带耕机结构与工作原理........................... 91
第 5 章 行间清秸耕整关键技术集成及条带耕整机设计与试验
5.1 行间条带耕整机设计原则
根据保护性耕作技术的技术要求和东北黑土区玉米种植的生产条件，设计被动式条带耕整机应遵循以下原则：① 具有高质量的秸秆切割能力和条带清秸能力，保证作业后地表清洁、机具通过性高；② 具有良好的松土、碎土能力，保证作业幅宽内土壤细碎、均匀一致，为播种机具提供优质的作业环境；③ 具有良好的地表仿形能力，保证耕深、地表的一致性，为作物提供良好、一致的生长环境；④ 具有较强的适用性，能够根据不同地况条件和农业耕作技术要求调节耕深、幅宽和行距等，增加机具应用范围；⑤ 一次进地完成切秸-清秸-松土-碎土的条带整备工艺环节，减少机组进地次数，降低作业成本；⑥ 结构简单、部件更换方便、生产成本低，使机具易于推广。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文对行间清秸耕整关键技术及自动控制条带耕整机设计及其机理进行了深入研究。在综述国内外保护性耕作系统中新型条带耕作技术及其配套实施条带种床整备的条带耕整机研究现状的基础上，以研制适用于我国东北玉米主产区秸秆粉碎还田地况进行高效条带耕整作业机具为总体目标，采用理论分析、计算机仿真分析和试验研究等方法和技术手段，开展了相关研究工作，得出如下结论：
（1）圆盘犁刀运动分析及其对作业质量的影响研究
1）建立了圆盘犁刀在切割秸秆条件下的动力学模型，分析影响其工作阻力的主要因素，结果表明：在相同的地况条件下，犁刀的工作阻力随着犁刀半径和耕深增加而增大；在切断单一秸秆的过程中，犁刀工作阻力变化为先增大后减小；犁刀半径相同的条件下，侧表面面积和刃口长度更大的波纹圆盘犁刀，将产生更大的工作阻力。
2）建立了圆盘犁刀滚切地表秸秆的运动学模型，分析犁刀滑移对其切割性能的影响规律，结果表明：滑移现象的产生将导致犁刀转动速度降低、切刃处切割速度下降和滑切角减小，且下降的幅度随着滑移率的增大升高，导致圆盘犁刀的切割性能下降和工作阻力升高。
3）田间试验结果表明：犁刀种类和工作速度显著影响各个试验指标，秸秆残留物覆盖对切割阻力和滑移率具有显著影响；平面犁刀具有最小的沟槽轮廓、秸秆扰动率、切割阻力和最大的滑移率；在被测的波纹犁刀中，随波纹数量的增加切割阻力、犁沟宽度、沟槽面积逐渐降低，滑移率和秸秆扰动率大致呈现升高；对于土壤扰动和残留管理而言，犁刀类型比工作速度的影响更大；犁刀无论被用在何种耕作模式中，都应该被施加充足的载荷。
4）通过分析被动式条带耕整机作业条件及技术要求，综合分析田间试验结果，完成了条带耕整机圆盘犁刀的配置优化：选择 18W 波纹犁刀配置在被动式条带耕整机清秸装置前方用于切断作业行内秸秆残留物，选择 13W 波纹圆盘犁刀配置在被动式条带耕整机清秸装置后方用于松碎土壤作业。
参考文献（略）