條帶式旋切后拋防堵裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙宏波 何 進(jìn) 李洪文 劉春鴿 鄭 侃 章志強(qiáng)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

少免耕播種機(jī)是指能夠在未耕作物秸稈覆蓋地上直接進(jìn)行播種作業(yè)的機(jī)具，是實(shí)施保護(hù)性耕作的關(guān)鍵機(jī)具[1-2]。在華北平原一年兩熟保護(hù)性耕作區(qū)少免耕播種小麥時(shí)，由于前茬玉米秸稈量大，極易纏繞在開(kāi)溝器等土壤耕作部件上或者相鄰部件之間造成堵塞，影響播種質(zhì)量，增加功耗，降低機(jī)具工作性能，因此解決堵塞問(wèn)題是進(jìn)行少免耕播種的關(guān)鍵[3]。

根據(jù)動(dòng)力來(lái)源，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外少免耕播種防堵機(jī)具主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類(lèi)：被動(dòng)式防堵機(jī)具多采用多梁結(jié)構(gòu)、提高地隙等方法增加秸稈流動(dòng)空間，或利用鋒利的圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)切斷秸稈，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗小但防堵能力有限[4]；主動(dòng)式防堵機(jī)具主要通過(guò)切、拋等方式，將秸稈粉碎或拋到開(kāi)溝器兩側(cè)及后方，避免其纏繞在開(kāi)溝器上[5-8]，其中條帶旋耕防堵裝置在華北一年兩熟區(qū)應(yīng)用較為廣泛，其利用拖拉機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋耕刀旋轉(zhuǎn)將秸稈切斷并向后拋起，與土壤混埋在一起，從而防止堵塞，該裝置通過(guò)性良好[9]，播深穩(wěn)定，耕作后將秸稈和土壤混埋在一起，有利于秸稈腐爛，可以改良土壤肥力，促進(jìn)作物種子出苗和根系發(fā)育[10-11]， 但存在土壤擾動(dòng)量大、能耗高等問(wèn)題[12-13]。MATIN等[14-15]對(duì)旋切刀、半寬刀、旋耕刀進(jìn)行了土槽對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：旋切刀比旋耕刀拋土少，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)功耗有所減小。但鮮有將旋切刀應(yīng)用在少免耕播種機(jī)防堵裝置上的研究。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，以保證防堵性能、減小作業(yè)功耗為目標(biāo)，通過(guò)離散元仿真模擬，基于旋切刀設(shè)計(jì)一種適用于華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋條件下少免耕播種小麥的條帶式旋切后拋防堵裝置，并對(duì)其防堵性能進(jìn)行測(cè)定。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 防堵裝置結(jié)構(gòu)

該防堵裝置單體由旋切刀、刀軸、刀座等組成。與開(kāi)溝器、機(jī)架、罩殼、傳動(dòng)裝置等部件共同組成條帶式旋切后拋防堵裝置，主要適用于華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地的小麥少免耕播種機(jī)，以6行播種機(jī)為例，有6組旋切后拋防堵裝置單體，行距200 mm，幅寬1 300 mm，如圖1所示。

圖1 條帶式旋切后拋防堵裝置示意圖Fig.1 Structure diagram of strip rotary-cut-throw anti-blocking implement1.變速箱 2.三點(diǎn)懸掛裝置 3.機(jī)架 4.罩殼 5.旋切后拋防堵單體 6.尖角式開(kāi)溝器 7.傳動(dòng)裝置 8.刀座 9.旋切刀 10.刀軸

1.2 工作原理

旋切后拋防堵裝置通過(guò)刀軸固定在機(jī)架上，每個(gè)開(kāi)溝器對(duì)應(yīng)一組條帶式旋切后拋防堵單體。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力通過(guò)變速箱經(jīng)傳動(dòng)裝置傳遞給刀軸，刀軸以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)旋切后拋防堵裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，旋切刀回轉(zhuǎn)圓周覆蓋開(kāi)溝器絕大部分，且與開(kāi)溝器軸向間距僅為10 mm，可將開(kāi)溝器兩側(cè)玉米秸稈壓在地表形成有支撐切割并將其切斷，秸稈被切斷的同時(shí)受到旋切刀摩擦力被向后拋起，然后在慣性作用下越過(guò)開(kāi)溝器，減少了秸稈在開(kāi)溝器上或開(kāi)溝器之間的積聚，從而達(dá)到防堵目的，與此同時(shí)旋切刀旋松種床，開(kāi)出50 mm寬、80 mm深的溝槽用以施肥播種，隨后尖角式開(kāi)溝器二次開(kāi)溝施肥。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)溝器設(shè)計(jì)

開(kāi)溝器是播種機(jī)中最易發(fā)生纏草、堵塞的部件之一，防堵裝置與開(kāi)溝器的交互作用影響整機(jī)工作的作業(yè)功耗、防堵性能。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地進(jìn)行少免耕播種作業(yè)時(shí)，秸稈雜草極易纏繞在播種機(jī)入土部件上或者兩部件之間，隨著播種機(jī)前進(jìn)逐漸積聚，直至造成堵塞，開(kāi)溝器和防堵裝置相對(duì)位置影響防堵裝置秸稈后拋效果及秸稈通過(guò)空間，因此有必要對(duì)開(kāi)溝器及其與防堵裝置的相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

尖角式開(kāi)溝器主要用于少免耕播種機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，入土阻力小、土壤擾動(dòng)小，且和帶狀旋耕防堵裝置組合使用時(shí)有很強(qiáng)的排堵能力[16]，因此本文選用該型開(kāi)溝器鏟尖，焊接在開(kāi)溝器鏟柄底部，作為施肥開(kāi)溝器(圖2)。開(kāi)溝器入土角α影響開(kāi)溝器與防堵裝置的相對(duì)位置，從而影響拋秸稈效果。如圖2a所示，入土角過(guò)小時(shí)，開(kāi)溝器和防堵裝置會(huì)形成三角形“盲區(qū)”，秸稈極易聚集在這一區(qū)域，無(wú)法被旋切刀拋出，從而形成堵塞；當(dāng)開(kāi)溝器入土角過(guò)大時(shí)(圖2b)，防堵裝置回轉(zhuǎn)區(qū)域無(wú)法覆蓋開(kāi)溝器下部，易纏繞秸稈，且開(kāi)溝器入土阻力較大，因此設(shè)計(jì)入土角為60°(圖2c)，此時(shí)防堵裝置回轉(zhuǎn)區(qū)域可覆蓋開(kāi)溝器絕大部分面積，易拋出開(kāi)溝器兩側(cè)秸稈，從而減輕堵塞。開(kāi)溝器入土隙角會(huì)影響開(kāi)溝阻力，根據(jù)姚宗路等[17]的研究，取入土隙角β=5°，此時(shí)開(kāi)溝器前進(jìn)阻力相對(duì)較低。

為避免秸稈在開(kāi)溝器上積聚造成堵塞，在開(kāi)溝器兩側(cè)各安排一把旋切刀。旋切刀與鏟柄側(cè)面間距為10 mm，可保證開(kāi)溝器與旋切刀不發(fā)生干涉，隨著刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)旋切刀旋轉(zhuǎn)，可以將開(kāi)溝器上秸稈打落并拋撒出去，從而使開(kāi)溝器始終短暫接觸秸稈，無(wú)法完成積聚。兩把旋切刀外側(cè)面間距為50 mm，可開(kāi)出50 mm寬的種溝，有利于施肥播種開(kāi)溝器通過(guò)，并創(chuàng)造疏松的種床。L為開(kāi)溝器鏟尖與防堵裝置中心前后間距，距離太近，向后拋起的土壤秸稈會(huì)對(duì)開(kāi)溝器造成一定的沖擊，增加前進(jìn)阻力從而導(dǎo)致功耗增加，距離太遠(yuǎn)時(shí)旋切刀回轉(zhuǎn)圓周對(duì)開(kāi)溝器覆蓋面積減小，無(wú)法拋出未覆蓋部分開(kāi)溝器所掛秸稈，從而降低防堵裝置拋撒效果，因此設(shè)計(jì)間距L取值范圍為0～100 mm。

圖2 開(kāi)溝器與防堵裝置相對(duì)位置示意圖Fig.2 Relative distance diagrams between opener and anti-blocking implement

2.2 旋切刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)旋耕刀一般由側(cè)切刃、正切刃組成，本文為減少土壤擾動(dòng)和作業(yè)功耗，設(shè)計(jì)了一種只有側(cè)切刃的旋切刀。側(cè)切刃曲線由刃線類(lèi)型、滑切角和回轉(zhuǎn)半徑確定，起到切拋土壤和秸稈開(kāi)溝防堵的作用。目前常用刀刃曲線有阿基米德螺線、對(duì)數(shù)螺線和正弦指數(shù)曲線[18]，GUPTA等[19]對(duì)這3種刃線的旋耕刀試驗(yàn)表明阿基米德螺線型刀綜合性能最好，且制造簡(jiǎn)單，所以選阿基米德螺線為側(cè)切刃曲線，其滑切角逐漸增大，刃線方程為

r=r0+Kθ

(1)

式中r——任意點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑，mm

r0——刃線起始半徑，mm

K——比例系數(shù)，螺線極角增加1°時(shí)，極徑的增量，mm/(°)

θ——螺旋線上任意點(diǎn)的極角，(°)

2.2.1側(cè)切刃曲線設(shè)計(jì)

圖3 秸稈受力分析Fig.3 Mechanical analysis of maize straw

防堵裝置工作時(shí)，旋切刀在刀軸驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可將秸稈壓在地表后對(duì)秸稈形成支撐切割，切斷秸稈，有利于開(kāi)溝器順利通過(guò)減輕堵塞。如圖3，對(duì)秸稈進(jìn)行受力分析，將秸稈視為質(zhì)點(diǎn)m，其受到旋切刀沿刃線切線A-A′方向摩擦力Ff和刀片刃口法向反力N，將N沿刃口切線方向和運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向分解為T(mén)和P，則刀刃滑切作用取決于力T的大小，當(dāng)T>Ff時(shí)，旋切刀對(duì)秸稈產(chǎn)生滑切[20]。其中N=N′，N′為土壤的法向反力。秸稈受力方程為

(2)

式中T——切向力，N

N——刃口法向反力，N

Ff——刃口切線方向摩擦力，N

τc——作用點(diǎn)動(dòng)態(tài)滑切角，(°)

φ——鋼板與玉米秸稈之間摩擦角，(°)

μ——鋼板與玉米秸稈之間摩擦因數(shù)

若T>Ff，則τc>φ，即接觸點(diǎn)動(dòng)態(tài)滑切角大于秸稈和刀片的摩擦角時(shí)，旋切刀對(duì)秸稈產(chǎn)生滑切作用。文獻(xiàn)[21-22]中測(cè)得玉米秸稈和鋼板的摩擦角為23°～33°，因此動(dòng)態(tài)滑切角τc>33°；為避免纏草減輕堵塞[18]，又有τc<90°-φ，所以τc<57°，則動(dòng)態(tài)滑切角滿足33°<τc<57°。假設(shè)秸稈均勻鋪放在地表，可知刃線上每一點(diǎn)都在地表位置時(shí)(H′=0)與秸稈作用，此時(shí)刃線上每一點(diǎn)的動(dòng)態(tài)滑切角τc都有33°<τc<57°。動(dòng)態(tài)滑切角τc為靜態(tài)滑切角τ和由于機(jī)具前進(jìn)造成的Δτ之差，Δτ計(jì)算公式為[23]

(3)

式中λ——旋耕速比

R——防堵裝置回轉(zhuǎn)半徑，mm

刀刃回轉(zhuǎn)半徑R為驅(qū)動(dòng)軸半徑(45 mm)、刀軸與地面的距離(100 mm)、旋切刀入土深度(80 mm)之和，即R=225 mm，r0按照GB/T 5669—2008《旋耕機(jī)械刀和刀座》中IT225型旋耕刀標(biāo)準(zhǔn)，取r0=125 mm。將旋切刀刃線上各點(diǎn)r代入式(3)，求得刃線上各點(diǎn)在H′=0處Δτ為0°～8°，所以靜態(tài)滑切角在40°～65°之間?；薪谴髸r(shí)對(duì)土壤、秸稈滑切作用更明顯，有利于切斷秸稈，但如果太大，刀刃長(zhǎng)度也隨之變長(zhǎng)，有增加耕耘阻力的趨勢(shì)[24-25]。因此設(shè)計(jì)端點(diǎn)靜態(tài)滑切角為40°、50°、60°進(jìn)行試驗(yàn)分析。當(dāng)端點(diǎn)靜態(tài)滑切角為40°、50°、60°時(shí)，可求得極角θ分別為21.37°、30.33°、44.08°，K值分別為4.7、3.3、2.3 mm/(°)。將K值和極角θ代入阿基米德螺線方程，得到3組阿基米德側(cè)切刃曲線。

2.2.2入土隙角δ

連接回轉(zhuǎn)中心O和刀刃端點(diǎn)，過(guò)端點(diǎn)做一條垂線，入土隙角為旋切刀端面(圖4中紅色實(shí)線)和這條垂線夾角δ。若δ過(guò)小，會(huì)造成無(wú)刃部分切土，增加入土阻力，降低溝底平整度[26]。參考文獻(xiàn)[27-28]δ選取0°、10°、20°進(jìn)行分析，取前進(jìn)速度為1 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為320 r/min。通過(guò)CAXA2013繪制出旋切刀運(yùn)動(dòng)軌跡(圖4)，可知當(dāng)δ為0°或10°時(shí)，無(wú)刃部分軌跡線靠左，將先于有刃部分切土，20°時(shí)無(wú)刃部分軌跡線靠后，可以避免這個(gè)情況的發(fā)生，減小入土阻力，從而降低防堵裝置功耗，因此選擇入土隙角為20°。

圖4 入土隙角分析Fig.4 Analysis of clearance angel

2.3 刀軸轉(zhuǎn)速

防堵裝置和開(kāi)溝器工作時(shí)在拖拉機(jī)牽引力作用下前進(jìn)，與地表發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將防堵裝置作為參照物，工作過(guò)程可以看作地表秸稈持續(xù)流入防堵裝置和開(kāi)溝器之間，又不斷被排出的過(guò)程。機(jī)具幅寬一定，單位時(shí)間秸稈喂入量m1和機(jī)具前進(jìn)速度、地表秸稈覆蓋量有關(guān)。秸稈排出有兩種方式：一是秸稈自然流動(dòng)排出，隨機(jī)具前進(jìn)，開(kāi)溝器對(duì)周?chē)乇斫斩挳a(chǎn)生向前的作用力，兩側(cè)秸稈又對(duì)附近秸稈產(chǎn)生摩擦力，秸稈量不大時(shí)，此摩擦力小于秸稈和土壤表面的靜摩擦力，因此秸稈靜止在原地，隨著機(jī)具前進(jìn)可以自然流過(guò)；二是在防堵裝置后拋?zhàn)饔孟卤慌懦?，隨著機(jī)具前進(jìn)防堵裝置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將秸稈切斷的同時(shí)對(duì)秸稈產(chǎn)生向斜后方的摩擦力，此摩擦力明顯大于秸稈之間的摩擦力以及秸稈自身重力，因此秸稈被拋起，并在慣性作用下越過(guò)開(kāi)溝器從而達(dá)到防堵目的。自然流動(dòng)排出秸稈量m0、秸稈喂入量m1、防堵裝置排出量m2計(jì)算公式為

(4)

式中n——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

S′——防堵裝置有效工作寬度，mm

C——單位面積秸稈覆蓋量，kg/m2

vm——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

L′——播種行間寬度，mm

D′——機(jī)具幅寬，mm

h——機(jī)架距地面高度，mm

η——單位空間可自然流過(guò)的秸稈量，取10 kg/m3

由于華北一年兩熟區(qū)小麥播種前地表玉米秸稈覆蓋量遠(yuǎn)大于免耕施肥播種機(jī)國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.3～0.6 kg/m2，為避免喂入過(guò)量秸稈造成堵塞，又保證作業(yè)效率，參考文獻(xiàn)[29-31]，設(shè)計(jì)前進(jìn)速度為1 m/s，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于200 r/min時(shí)，旋耕速比大于4.99，運(yùn)動(dòng)軌跡即為余擺線，可保證作業(yè)時(shí)旋切刀有向后的速度，從而可將秸稈拋向后方，切土節(jié)距小于94 mm，具有良好碎土效果，不漏切地表秸稈根茬，從而保證通過(guò)性能。防堵裝置幅寬D′為1 300 mm，單位面積秸稈覆蓋量取試驗(yàn)地平均值1.6 kg/m2。機(jī)架距地面高度為380 mm，空間寬度L′取200 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單位空間可自然流過(guò)的秸稈量取10 kg/m3，防堵裝置有效工作寬度為旋切刀間距50 mm。綜上分析，不產(chǎn)生堵塞的條件為，秸稈排出量大于秸稈喂入量：m0+m2≥m1，代入數(shù)據(jù)可得m1=2.08 kg，m0=0.99 kg，轉(zhuǎn)速n≥193 r/min，由式(4)可知，轉(zhuǎn)速越高，防堵裝置秸稈排出能力越強(qiáng)，田間作業(yè)狀況復(fù)雜，轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)提高，但是隨著轉(zhuǎn)速增加，功耗有可能增加[32]，因此設(shè)計(jì)刀軸轉(zhuǎn)速范圍為220～420 r/min。

3 仿真分析

為提高防堵開(kāi)溝裝置在華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地作業(yè)時(shí)的防堵性能、減少作業(yè)功耗，采用離散元分析軟件PFC3D5.0 (Particle flow code in three dimensions)建立仿真土壤模型，結(jié)合正交試驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，對(duì)上文分析確定的防堵裝置和開(kāi)溝器間距L、旋切刀滑切角τ、刀軸轉(zhuǎn)速n3個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并分析其對(duì)功耗、通過(guò)性能的影響，從而優(yōu)化防堵裝置作業(yè)性能。

3.1 土壤秸稈模型建立

為真實(shí)反映田間土壤，采用離散元法建立土壤模型，并在地表均勻覆蓋玉米秸稈。土壤由球形顆粒表示，半徑大小為0.5～1.0 cm，玉米秸稈由球體顆粒組成的圓柱體表示，半徑0.5 cm，長(zhǎng)度和所占比例分別為2 cm(10%)、4 cm(20%)、6 cm(20%)、8 cm(20%)、10 cm(20%)、12 cm(10%)，用以模擬播種前地表覆蓋的不同長(zhǎng)度玉米秸稈。通過(guò)確定仿真接觸模型及參數(shù)，在不影響裝置仿真結(jié)果條件下，為減少軟件運(yùn)行時(shí)間，建立適用于條帶式旋切后拋防堵裝置的離散元虛擬土槽(700 mm(長(zhǎng))×420 mm(寬)×150 mm(高))，土壤密度為2 650 kg/m3，秸稈密度為243 kg/m3，秸稈覆蓋量為1.6 kg/m2。為模擬秸稈在開(kāi)溝器上以及兩組開(kāi)溝器之間的堵塞、流動(dòng)過(guò)程，應(yīng)用Solidworks軟件創(chuàng)建兩組條帶式旋切后拋防堵裝置及開(kāi)溝器幾何仿真模型，并將幾何仿真模型導(dǎo)入PFC3D5.0中，虛擬土槽和幾何仿真模型如圖5所示。旋切后拋防堵裝置刀尖距土槽底面50 mm，刀外側(cè)面距土槽側(cè)壁為75 mm，可避免距離太近影響仿真結(jié)果。通過(guò)干篩法測(cè)量試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為壤土(粘粒2.78%)，選用parallel-bond接觸模型作為土壤與土壤、土壤與秸稈、秸稈與秸稈間的接觸模型，該模型可以模擬土壤之間黏結(jié)力，傳遞力和扭矩。確定linear接觸模型為土壤與旋切后拋防堵開(kāi)溝裝置、秸稈與旋切后拋防堵開(kāi)溝裝置間的接觸模型；土壤秸稈模型主要包含11個(gè)參數(shù)，相關(guān)仿真參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[33-35]，結(jié)果如表1所示。

圖5 虛擬土槽和幾何模型Fig.5 Simulation soil bin and geometric model1.土壤 2.秸稈 3.旋切后拋防堵裝置及開(kāi)溝器

參數(shù)數(shù)值球體法向剛度kn/(N·m-1)6×103球體切向剛度ks/(N·m-1)6×103摩擦因數(shù)μ0.5法向臨界阻尼系數(shù)βn0.5切向臨界阻尼系數(shù)βs1黏結(jié)剛度c/Pa2×104黏結(jié)強(qiáng)度σc/Pa2×104土壤聯(lián)結(jié)法向剛度kn1/(N·m-1)5×107土壤聯(lián)結(jié)切向剛度ks1/(N·m-1)5×107玉米秸稈聯(lián)結(jié)法向剛度kn2/(N·m-1)5×107玉米秸稈聯(lián)結(jié)切向剛度ks2/(N·m-1)5×107聯(lián)結(jié)半徑系數(shù)0.5

3.2 仿真試驗(yàn)方法

在保證旋切后拋防堵裝置及開(kāi)溝器作業(yè)過(guò)程中土壤顆粒運(yùn)動(dòng)連續(xù)的前提下，總仿真時(shí)間為0.65 s。同時(shí)設(shè)置旋切后拋防堵裝置及開(kāi)溝器前進(jìn)速度為1 m/s，方向沿x軸負(fù)方向，入土深度為80 mm。以上文設(shè)計(jì)的間距L(0、50、100 mm)、滑切角τ(40°、50°、60°)、轉(zhuǎn)速n(227、320、411 r/min)(根據(jù)田間試驗(yàn)中測(cè)試車(chē)可輸出轉(zhuǎn)速擋位確定)為影響因子，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)方法，以旋切后拋防堵裝置和開(kāi)溝器功耗、秸稈擁堵量為指標(biāo)，選用L18(37)正交表進(jìn)行仿真試驗(yàn)，考察各因子及其交互作用對(duì)指標(biāo)的影響，試驗(yàn)因素水平如表2所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次重復(fù)改變模型中的隨機(jī)因子，以生成3個(gè)土槽模型，模擬不同田間狀況[36]。

表2 因素水平Tab.2 Factors and levels

3.2.1秸稈擁堵量測(cè)定

通過(guò)測(cè)定開(kāi)溝器后端部向前到防堵裝置回轉(zhuǎn)中心測(cè)定區(qū)域內(nèi)的秸稈數(shù)量(圖6紅色區(qū)域)，然后比上測(cè)定區(qū)域長(zhǎng)度，求得單位長(zhǎng)度內(nèi)的秸稈數(shù)量，測(cè)定區(qū)域(圖6)寬為兩個(gè)開(kāi)溝器鏟柄外側(cè)面間距，高為防堵裝置回轉(zhuǎn)中心水平面到開(kāi)溝器底部的距離，長(zhǎng)為3種間距對(duì)應(yīng)下從開(kāi)溝器鏟柄后端部向前到防堵裝置回轉(zhuǎn)中心豎直平面間距，穩(wěn)定階段測(cè)定3次取平均值。

圖6 秸稈擁堵量測(cè)定Fig.6 Determining of blocked straw number

3.2.2功耗測(cè)定

根據(jù)理論力學(xué)原理可知，在旋切后拋防堵裝置和開(kāi)溝器工作過(guò)程中，總功耗為旋切后拋防堵裝置轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩所產(chǎn)生的功耗以及整個(gè)裝置所受前進(jìn)阻力產(chǎn)生的功耗之和，其計(jì)算公式為

(5)

式中P——作業(yè)功耗，kW

M——刀軸扭矩，N·m

F——防堵開(kāi)溝裝置前進(jìn)阻力，N

3.3 仿真結(jié)果及分析

條帶式旋切后拋防堵裝置正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3(A、B、C為因素水平值)，應(yīng)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表4和表5。表3中極差分析表明：各因素對(duì)秸稈擁堵量的影響由大到小依次為：轉(zhuǎn)速、間距、滑切角，其中轉(zhuǎn)速和間距影響顯著，滑切角與轉(zhuǎn)速的交互作用影響顯著，較優(yōu)參數(shù)組合方案為A3B2C3；各因素對(duì)功耗的影響由大到小依次為：轉(zhuǎn)速、滑切角、間距，其中轉(zhuǎn)速和滑切角影響顯著，間距和轉(zhuǎn)速的交互作用以及滑切角和轉(zhuǎn)速的交互作用影響顯著，較優(yōu)組合方案為A2B1C1。

間距L對(duì)秸稈擁堵量影響顯著，間距L過(guò)小時(shí)，旋切后拋防堵裝置和開(kāi)溝器之間的空間較為狹小，不利于秸稈順利排出，造成單位長(zhǎng)度秸稈擁堵量大，間距L對(duì)功耗影響不顯著，且防堵性能為優(yōu)先考慮指標(biāo)，因此選擇L3為間距L較優(yōu)水平?；薪铅訉?duì)功耗影響顯著，功耗隨滑切角的增大而增大，在τ=40°時(shí)最小，但秸稈擁堵量在τ=50°時(shí)最小，由于防堵性能為優(yōu)先考慮指標(biāo)，綜合選擇τ=50°為較優(yōu)水平。轉(zhuǎn)速對(duì)兩個(gè)指標(biāo)均影響顯著，秸稈擁堵量隨轉(zhuǎn)速增大而減小，功耗隨轉(zhuǎn)速增大而增加，由于在n=320 r/min時(shí)并未發(fā)生堵塞，所以選擇320 r/min為較優(yōu)水平，綜合以上分析選取較優(yōu)試驗(yàn)方案為A3B2C2。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Experiment scheme and results

表4 試驗(yàn)因子對(duì)秸稈擁堵量影響方差分析Tab.4 Variance analysis of factors’ effecton straw blockage

表5 試驗(yàn)因子對(duì)功耗影響方差分析Tab.5 Variance analysis of factors’ effecton power consumption

為了確保優(yōu)化結(jié)果可靠性，測(cè)量旋切后拋防堵裝置及開(kāi)溝器作業(yè)后的溝寬、溝深，與田間實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行對(duì)比，選取上述較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，溝型測(cè)量方法如圖7，較優(yōu)參數(shù)組合方案仿真工作過(guò)程如圖8所示。為消除隨機(jī)誤差，采用上述試驗(yàn)方法重復(fù)試驗(yàn)3次。仿真結(jié)果如表6所示，較優(yōu)參數(shù)組合方案平均功耗為2.8 kW，秸稈擁堵量為43根/dm，未發(fā)生堵塞。

圖7 溝寬、溝深測(cè)量Fig.7 Determining of furrow width and depth

結(jié)合圖8可知，0.35 s防堵裝置和開(kāi)溝器進(jìn)入虛擬土槽，土槽后部土壤和秸稈在防堵裝置剪切、擠壓作用下被剪切、撕裂后拋起，由圖中顏色可以看出，此時(shí)秸稈運(yùn)動(dòng)速度較大，最高可達(dá)10 m/s。隨著防堵裝置和開(kāi)溝器繼續(xù)前進(jìn)，土壤和開(kāi)溝器在慣性力作用下做后拋運(yùn)動(dòng)，在0.45 s和0.55 s時(shí)刻逐漸向各方向運(yùn)動(dòng)，越來(lái)越多的土壤、秸稈被拋出土槽，速度也逐漸減小。0.65 s時(shí)刻防堵裝置停止工作，大量土壤秸稈被拋出，部分秸稈和土壤混埋在一起。由圖8可以看出整個(gè)工作過(guò)程未發(fā)生秸稈堵塞現(xiàn)象，通過(guò)性能良好。

圖8 較優(yōu)參數(shù)組合方案仿真作業(yè)過(guò)程Fig.8 Working process simulation of optimum parameters

試驗(yàn)序號(hào)秸稈擁堵量/(根·dm-1)功耗/kW溝深/cm溝寬/cm1422.67.55.52433.18.15.93432.77.65.6均值432.87.75.7

3.4 基于離散元仿真旋切刀有限元靜力學(xué)分析

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中旋切刀是否滿足強(qiáng)度要求，利用Solidworks軟件中Simulation模塊進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。運(yùn)用PFC3D5.0測(cè)量在防堵裝置采用較優(yōu)參數(shù)組合下，旋切刀作業(yè)過(guò)程中扭矩的變化(圖9a)。由圖9a可知，旋切刀對(duì)土壤、秸稈作用時(shí)，隨著旋切刀逐漸滑切土壤，旋切刀扭矩逐漸增大，并在50°時(shí)達(dá)到峰值，最大值為35 N·m。旋切刀繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，所受阻力逐漸下降，脫離土壤后變?yōu)榱?。因此確定作業(yè)過(guò)程中旋切刀所受最大扭矩為35 N·m。

圖9 旋切刀有限元靜力學(xué)分析Fig.9 Finite element statics analysis of rotary-cut blade

旋切刀采用65Mn鋼加工，并進(jìn)行熱處理，硬度為HRC52；對(duì)旋切刀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分7 200個(gè)單元，得到12 680個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于旋切刀固定在刀座上，所以對(duì)旋切刀端部添加約束固定，同時(shí)對(duì)旋切刀加載35 N·m扭矩，方向垂直旋切刀側(cè)切面、側(cè)切刃上表面。旋切刀有限元應(yīng)力、位移云圖如圖9b、9c所示。由分析結(jié)果可知，旋切刀最大應(yīng)力位于刀身拐角處，為1.387×108Pa(圖9b)，低于65Mn鋼的許用應(yīng)力[σ](150～286 MPa)，因此旋切刀強(qiáng)度滿足作業(yè)要求。最大位移出現(xiàn)在刀尖處，為0.322 1 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)及離散元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，并測(cè)定條帶式旋切后拋防堵裝置工作性能，于2016年10月在河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)(115°56′E、39°28′N(xiāo))中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北北部耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為輕壤土，0～10 cm深度土壤含水率為11.6%，土壤緊實(shí)度為0.93 MPa。試驗(yàn)地前茬作物為玉米，秸稈收獲時(shí)經(jīng)過(guò)聯(lián)合收獲機(jī)粉碎、秸稈粉碎機(jī)粉碎一遍后覆蓋均勻，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率為84%(長(zhǎng)度小于等于10 cm)，平均長(zhǎng)度為9.6 cm，秸稈密度為243 kg/m3，含水率為17%，平均直徑為0.8 cm。為測(cè)定防堵裝置在不同秸稈量下通過(guò)性能，人工設(shè)置3種秸稈覆蓋量，分別為0.8、1.6、2.4 kg/m2。播種前在地表均勻噴撒除草劑和殺蟲(chóng)劑，并于12月下旬進(jìn)行漫灌灌溉。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

為將本文設(shè)計(jì)的旋切刀與傳統(tǒng)旋耕刀作業(yè)效果進(jìn)行對(duì)比，將優(yōu)化方案旋切刀與IT225傳統(tǒng)旋耕刀分別安裝在旋切后拋防堵裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，兩種刀型回轉(zhuǎn)半徑、刀片厚度一致，按GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》規(guī)定的方法，將旋切后拋防堵裝置安裝在小麥少免耕播種機(jī)上進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量測(cè)試。小麥少免耕播種機(jī)播種6行小麥，幅寬1.3 m，由防堵裝置和尖角施肥開(kāi)溝器、雙圓盤(pán)播種開(kāi)溝器、雙肋式鎮(zhèn)壓輪、地輪等組成，施肥開(kāi)溝器開(kāi)溝深度為80 mm。檢測(cè)設(shè)備包括田間綜合測(cè)試車(chē)、電子秤、小刀、取土鉆、土壤緊實(shí)度儀、卷尺和鐵鍬等。試驗(yàn)指標(biāo)有通過(guò)性、土壤擾動(dòng)量、溝型尺寸、扭矩。除通過(guò)性能外，其他指標(biāo)作業(yè)測(cè)試條件均為秸稈覆蓋量1.6 kg/m2，前進(jìn)速度1 m/s。田間試驗(yàn)作業(yè)情況如圖10所示。

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Filed experiment

4.2.1通過(guò)性

GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》中通過(guò)性合格標(biāo)準(zhǔn)為“在剛收獲的玉米地，植被覆蓋量為0.3～0.6 kg/m2(秸稈含水率不大于25%)的條件下，能按使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的速度作業(yè)，不允許發(fā)生重度堵塞”。測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度選為60 m[30]。為驗(yàn)證防堵裝置在不同玉米秸稈量下和前進(jìn)速度下通過(guò)性能，設(shè)置3種秸稈覆蓋量(0.8、1.6、2.4 kg/m2)；由于秸稈覆蓋量高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.3～0.6 kg/m2，因此適當(dāng)降低播種機(jī)前進(jìn)速度，參考文獻(xiàn)[30-32]，設(shè)置1、1.25、1.5 m/s 3種作業(yè)速度進(jìn)行測(cè)試。

4.2.2溝型尺寸及土壤擾動(dòng)量

以正常速度播種后，隨機(jī)取2行，每行在50 m內(nèi)隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)，人工扒開(kāi)土層測(cè)量溝寬、溝深等溝型尺寸[13]。土壤擾動(dòng)量計(jì)算公式為

(6)

式中D——實(shí)際開(kāi)溝寬度，mm

S——播種行距，mm

4.2.3功耗

利用田間綜合測(cè)試車(chē)對(duì)扭矩、牽引力進(jìn)行測(cè)量，取作業(yè)穩(wěn)定區(qū)連續(xù)的100次計(jì)數(shù)點(diǎn)，根據(jù)式(5)求出實(shí)時(shí)功耗，共測(cè)量3個(gè)行程。

4.2.4小麥出苗及生長(zhǎng)情況

小麥播種后10天內(nèi)測(cè)出苗數(shù)，采用對(duì)角線取樣法，兩種處理各取3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)數(shù)出播種行10 cm內(nèi)出苗數(shù)，小麥返青時(shí)(3月20日)，挖取小麥耕層(0～20 cm)的根系，用清水沖洗后數(shù)出小麥的次生根數(shù)和分蘗數(shù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.3.1通過(guò)性

防堵裝置田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(表7)表明：條帶式旋切后拋防堵裝置應(yīng)用旋切刀和傳統(tǒng)旋耕刀通過(guò)性能基本一致，均滿足國(guó)標(biāo)“0.3～0.6 kg/m2下不允許發(fā)生重度堵塞”的要求。觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，隨前進(jìn)速度增加，秸稈覆蓋量增加，通過(guò)性能變差，在0.8 kg/m2秸稈覆蓋量下，兩種裝置在3種前進(jìn)速度下均未發(fā)生堵塞，旋切后拋防堵裝置能順利將秸稈和土壤拋起，使開(kāi)溝器通過(guò)，不發(fā)生纏草；在1.6 kg/m2時(shí)，裝傳統(tǒng)旋耕刀的防堵裝置在1.5 m/s發(fā)生1次輕度堵塞，裝旋切刀的防堵裝置未發(fā)生堵塞；當(dāng)秸稈覆蓋量增加為2.4 kg/m2時(shí)，裝旋耕刀的防堵裝置在3種作業(yè)速度下均發(fā)生輕度堵塞，裝旋切刀的防堵裝置在1.0 m/s和1.25 m/s下造成了輕度堵塞，在1.5 m/s下發(fā)生中度堵塞，但隨著機(jī)具繼續(xù)前進(jìn)，所纏秸稈仍可被旋切刀拋出，不影響作業(yè)質(zhì)量。試驗(yàn)表明防堵裝置防堵性能良好，上述仿真設(shè)計(jì)合理，在大秸稈覆蓋量下依然有較強(qiáng)的防堵能力。

表7 防堵性能田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Field experiment result of anti-blockingperformance

4.3.2溝型尺寸、土壤擾動(dòng)量及功耗

如表8所示，旋切后拋防堵裝置開(kāi)溝深度為76 mm，溝深穩(wěn)定性系數(shù)為92.3%，比傳統(tǒng)旋耕刀的84.1%高出8.2個(gè)百分點(diǎn)；旋切后拋防堵裝置開(kāi)溝寬度為50 mm，土壤擾動(dòng)量25.0%，相比傳統(tǒng)旋耕刀土壤擾動(dòng)量62.5%降低37.5個(gè)百分點(diǎn)，這是由于旋切刀相比傳統(tǒng)旋耕刀軸向尺寸減小，從而有效降低了開(kāi)溝寬度。溝深與離散元仿真值77 mm誤差為1.3%，溝寬與離散元仿真平均值5.7 cm誤差為14%；溝深、溝寬與仿真誤差均小于20%，表明了其準(zhǔn)確性和可行性。旋切刀和傳統(tǒng)旋耕刀兩種刀型防堵裝置功耗如圖11所示，旋切刀式防堵裝置平均功耗12.08 kW，比傳統(tǒng)旋耕刀平均功耗14.83 kW減小了13.83%。這是因?yàn)橥寥罃_動(dòng)減小，拋土量大大減小，表明條帶式旋切后拋防堵裝置具有良好的降耗效果，上述仿真設(shè)計(jì)合理。作業(yè)過(guò)程中，由于田間土壤中混有砂石，功耗出現(xiàn)了一定范圍的上下波動(dòng)，但整體趨于穩(wěn)定。

表8 溝型田間試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Tab.8 Field experiment result of field shape

圖11 功耗測(cè)試對(duì)比Fig.11 Comparison of power consumption

4.3.3小麥出苗及生長(zhǎng)情況

如表9所示，旋切刀平均出苗數(shù)為51株，顯著高于傳統(tǒng)旋耕刀的42株，但次生根數(shù)和分蘗數(shù)差異不顯著。原因可能是播種后連續(xù)干旱，且出現(xiàn)有風(fēng)天氣，采用旋切刀防堵裝置開(kāi)出的種床，相比傳統(tǒng)旋耕刀對(duì)土壤擾動(dòng)小，因此水分散失較少，能在植株出苗前提供更多的水分[37]。而隨著植株出苗以后，兩種刀型創(chuàng)造的疏松種床均能提供植株根系發(fā)展所需環(huán)境，所以兩者次生根數(shù)和分蘗數(shù)基本一致。

表9 小麥出苗及生長(zhǎng)情況Tab.9 Emergence rate and growing performanceof wheat

注：不同字母表示傳統(tǒng)旋耕刀與旋切刀對(duì)指標(biāo)的影響差異顯著(p<0.05)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地少免耕播種小麥的條帶式旋切后拋防堵裝置，確定了旋切刀和開(kāi)溝器等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，可在保證防堵性能的同時(shí)降低作業(yè)功耗。

(2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，條帶式旋切后拋防堵裝置在0.8、1.6、2.4 kg/m2秸稈覆蓋量和1、1.25、1.5 m/s前進(jìn)速度作業(yè)條件下，通過(guò)性能均滿足免耕施肥播種機(jī)國(guó)標(biāo)要求。與傳統(tǒng)旋耕刀相比，所設(shè)計(jì)旋切刀土壤擾動(dòng)量減少37.5個(gè)百分點(diǎn)，溝深穩(wěn)定性系數(shù)提高8.2個(gè)百分點(diǎn)，功耗減小13.83%。

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