秸稈深埋還田機覆土裝置的參數優(yōu)化與試驗

林 靜，孟凡成，高文英

（沈陽農業(yè)大學 工程學院，沈陽110161）

近年來，隨著農作物廢棄秸稈量的增加，玉米秸稈總量也隨之提升，但是只有少部分的玉米秸稈得到了有效利用[1-6]。因此在保護性耕作的前提下，秸稈的處理與利用逐漸的被人們所重視[7-12]。秸稈還田技術作為其利用方式之一，可以有效的提高土壤中的有機質含量，進而營造農作物生長所需的良好的微生物環(huán)境和土壤理化特性[13-14]。通過優(yōu)化土壤的耕層構造和水肥氣熱條件，改善農作物生長的土壤環(huán)境來實現增產增收的目的[15]。因而許多學者對秸稈還田機進行了廣泛研究，秸稈還田機因其開溝深度的不同，對土壤產生的影響也不盡相同[16-17]。如果將秸稈埋入地下深度過淺，會產生土壤分層，導致土壤肥力不均勻，不利于農作物的生長[18]。因此為使機具作業(yè)后具有良好的作業(yè)效果，覆土鎮(zhèn)壓裝置的選擇和設計顯得尤為重要[19]。機具的開溝特性和覆土鎮(zhèn)壓性能是檢驗機具作業(yè)效果的重要指標，由于機具開溝深度在25cm以上，機組前進過程中由開溝裝置開出深溝的同時會將土壤向四周拋灑，這就要求在選用覆土器類別時著重考慮覆土量大小的問題。覆土裝置選用不佳，會導致土壤不能完全回填進溝內，鎮(zhèn)壓裝置失去作用，降低機具的作業(yè)質量，對后續(xù)的作業(yè)產生影響，不滿足早地合理耕層構建技術指標的要求[20-21]。本研究主要對1JHL-2型秸稈深埋還田機的覆土裝置進行參數優(yōu)化。因機具在初次田間試驗過程中，覆土裝置存在土壤的拋灑和飛濺，作業(yè)后地表不平整，針對這一狀況，本研究對機具的覆土裝置進行優(yōu)化設計，改善機具的作業(yè)效果，使覆土裝置可以通過轉速的調節(jié)來調整覆土鎮(zhèn)壓效果，尋找適合東北地區(qū)秸稈深埋還田機覆土裝置的最佳結構型式。

1 覆土裝置總體結構及工作原理

1.1 總體結構

1JHL-2型秸稈深埋還田機如圖1，選取機具的覆土裝置作為研究對象進行參數優(yōu)化，設計了一種水平式等螺距等徑螺旋式覆土裝置，結構如圖2，主要包括帶輪，左、右覆土螺旋，支撐板，螺旋軸等。其中，螺旋覆土裝置主要由左、右覆土螺旋組成，動力由拖拉機萬向節(jié)傳至變速箱，分別通過鏈傳動和輸送帶傳送最終傳至覆土裝置。選取直徑為50mm的圓鋼作為螺旋軸，長度設置為1100mm，螺旋葉片采用焊接的方式與螺旋軸連接，左、右螺旋對稱布置且旋向相反，二者間距500mm，覆土寬度為1200mm，葉片厚度為3mm，螺旋軸上螺旋線圈數設置為2圈，因其工作過程中無需入土，僅需將溝兩側的土回填至溝中，則選用厚度為3mm的鋼板滾壓而成。

圖1 1JHL-2型秸稈深埋還田機整機結構示意圖Figure 1 Structural sketch of 1JHL-2 straw deepburied returning machine

1.2 工作原理

機具作業(yè)時，拖拉機通過帶傳動帶動覆土裝置工作，螺旋葉片高速旋轉，可以將溝兩旁的土壤旋起并使土壤沿其表面向溝中運輸，由于機組所開深溝在25cm以上，所以需在短時間內將開溝器甩出的土壤全部回填至溝中，因此選用覆土量較大的螺旋式覆土器作為覆土裝置，可以通過改變帶輪間的傳動比來調節(jié)其轉速以便于更好的完成覆土作業(yè)。覆土裝置焊接于機架上，高度不可調，旋轉的螺旋葉片可以將螺旋開溝裝置開溝時甩出的土沿螺旋軸向輸送至溝中，覆蓋于秸稈上方，將秸稈掩埋，經由鎮(zhèn)壓裝置將土壤壓實。螺旋覆土裝置的工作示意圖如圖3。

2 螺旋覆土器的設計

2.1 螺旋覆土器的參數設計

針對螺旋式覆土器，螺旋線的設計由垂直于覆土螺旋軸的直線繞其勻速旋轉并移動所形成[22-23]。用Z軸表示覆土螺旋軸，螺旋線的形成示意圖如圖4。

在XYZ坐標系中，螺旋葉片上任意一點的坐標為：

圖2 螺旋覆土裝置結構圖Figure 2 Structural diagram of spiral soil covering device

式中：ρ為葉片上質點距離Z軸的距離 （mm）；θ為形成線的轉角(°)；C為螺旋線形成線沿Z軸旋轉一弧度所上升的距離（mm）；S 為螺距（mm）。

圖3 螺旋覆土器工作原理Figure 3 Working Principle of Spiral Clay Cover

圖4 螺旋線形成過程Figure 4 Helix formation process

螺旋葉片轉動時，葉片作用于土壤的力沿葉片法線方向，則計算土壤運動時，應先確定葉片上任意一點與Z軸之間的夾角，形成線KF上選取一點A，并沿其作一切面T，AN為切面T的法線，則AN與Z軸的夾角為δ，則 δ等于[24]：

經過計算可得：

由此可知，螺旋葉片上任意一點的法線與Z軸的夾角大小應等于該螺旋葉片的螺旋角。因螺旋葉片上各點的螺旋角不等，且半徑最小時，螺旋角最大；半徑最大時，螺旋角最小，則其余螺旋角大小介于二者之間。

圖5為螺旋角α與土壤沿軸向的運動速度Vz的關系曲線圖，其中曲線1和曲線2分別為α=20°和α=30°時的軸向速度曲線，由曲線可知，當α約為35°和30°時，Vz取得最大值，由式（3）可以求得覆土裝置軸向速度最大時螺旋角的大小，螺距表達式為[24]：

圖5 螺旋角與Vz的關系Figure 5 The relationship between spiral angle and Vz

將式（4）帶入式（3），可以求得螺旋角的大小：

式中：φ為螺旋葉片與土壤的摩擦角。

2.2 螺旋覆土器轉速的確定

機組前進過程中，土壤不斷的被開溝器向外拋出，若想把溝外的土全部回填入溝中，則螺旋轉速的計算尤為重要，該過程要求其轉速保持在一定的范圍內。若轉速過小，則溝外的土不能全部回填入溝內；若轉速過大，會導致土被拋送至鎮(zhèn)壓裝置后方，影響機具的作業(yè)效果。螺旋覆土器轉速為：

式中：r0為螺旋葉片半徑（mm）；g為重力加速度；一般Fr選取范圍為2.5～4.5。

要保證螺旋葉片工作中，溝兩側的土壤被回填入溝中，需要滿足以下條件：

式中：α 為螺旋角(°)；φ 為土壤與鋼板的摩擦角(°)。

由于螺旋葉片上各點的螺旋角是不相同的，半徑最小處螺旋角最大，因此只要保證內徑處的螺旋角滿足以上條件即可。

螺旋葉片的進給量可根據工作地區(qū)的土壤情況和動力的大小來確定。螺旋外邊緣一點運動方向和豎直方向夾角β，則螺旋的進給量S與夾角β的關系為：

式中：D0為螺旋葉片的計算直徑（mm）；其中，β=0.4°～1°。

由于機具開溝拋土量大，為了保證螺旋覆土裝置具有較好的輸送效率，同時保證功耗較少，選取螺旋升角為16°。通過查閱農業(yè)機械學手冊，選擇土壤顆粒運動方向與豎直方向夾角φ為24°[25]，最終可得螺旋覆土器轉速為 268r·min-1。

2.3 螺旋覆土器工作條件

螺旋葉片的土壤切削量為：

式中：b 為工作幅寬（m）；v為機具前進速度（m·s-1）；h 為耕深（m）。

螺旋葉片的輸送量為：

式中：φ為充滿系數；R為螺旋葉片外徑（mm）；r為螺旋葉片內徑（mm）；s為切土進距（mm）；n為螺旋葉片轉速（r·min-1）。

由于螺旋覆土器進行土壤傳輸過程中，同一斷面上土壤各點距離螺旋軸距離不等，且土壤的軸向運動速度不同，因此覆土器的生產率可以通過積分的方式進行計算：

式中：Q為螺旋覆土器生產率；g為土壤容（kg·m-3）；R為螺旋葉片外半徑（m）；r為螺旋葉片內半徑（m）；ξ為螺旋葉片上任意一點距螺旋軸的距離（m）；K為覆土器生產率降低系數，一般選取為1；τ為充滿系數，一般取值范圍為 0.2～0.4。

為了保證被螺旋覆土裝置切削的土壤被及時的由螺旋葉片輸送進入溝中而不產生土壤擁堵現象，應保證螺旋葉片的土壤輸送量大于切削量[26-28]。經過計算，得出本研究所設計螺旋覆土裝置的土壤輸送量大于土壤切削量，可以將溝兩側的土壤回填進溝中并不產生擁堵。

2.4 土壤顆粒的受力及運動分析

螺旋覆土器在旋轉和前進的同時，將溝兩旁的土壤沿螺旋軸兩端向溝中輸送土壤。選取螺旋覆土器作為參考系，將土壤顆粒簡化為質點均布在螺旋葉片上。選取土壤顆粒質點作為研究對象，圖6為土壤顆粒的受力示意圖，X、Y坐標軸分別表示運輸土壤的方向和機具的前進方向，設葉片的螺旋升角為α，忽略土壤間的相互作用力，對土壤進行受力分析。土壤質點受到泥土的摩擦力Pf，螺旋葉片的法向推力PN，以及田間摩擦力fa。

土壤被螺旋輸送過程中，由于葉片對泥土的摩擦作用，導致螺旋葉片對物料作用力的合力F0與葉片的法向方向偏離了角度β，大小等于泥土對于葉片的摩擦角。土壤質點運動過程中所受合力可以分解為軸向和沿螺旋旋轉方向，其公式為：

式中：O為土壤質點；F0為螺旋葉片對土壤顆粒的合力（N）；β為泥土對螺旋葉片的摩擦角(°)；α為螺旋角(°)；FX為軸向分力（N）；Ft為周向分力（N）。

由式（13），為使土壤沿軸向運動，則需保證Fx＞0，因此螺旋升角的大小應滿足：

圖7中，V0為土壤顆粒的牽連速度，方向為其沿O點旋轉的切線方向；Vr為土壤顆粒相對葉片表面的滑動速度，方向沿O點處螺旋線的切線方向；Vb為拖拉機的前進方向[29]。則螺旋葉片上土壤顆粒沿軸向及螺旋旋轉方向的速度可以分解為：

式中：S為螺旋葉片的螺距；μ為土壤與螺旋葉片表面的摩擦系數；Vx為土壤顆粒沿軸向的速度（m·s-1）；Vt為土壤顆粒沿螺旋葉片旋轉方向的切向速度（m·s-1）；r為土壤所在螺旋線的半徑（mm）。

圖6 土壤顆粒受力示意圖Figure 6 Stress diagram of soil particles

圖7 土壤顆粒速度分解圖Figure 7 Soil particle velocity decomposition map

3 試驗設計與結果分析

3.1 試驗條件

試驗時間為2019年4月，試驗地點為沈陽市遼中區(qū)朱家鎮(zhèn)白頭溝村的玉米試驗田。經過實地測量，玉米秸稈留茬的平均高度為10cm，行距為55cm，株距平均為35cm，地表的玉米秸稈覆蓋量平均為0.8kg·m-2，在試驗田中圈定正方形區(qū)域，按照對角線取點進行測試，在選取的區(qū)域中分別測得不同深度下的土壤含水率和堅實度：測量深度為5cm時，土壤含水率為27.1%，土壤堅實度為1249kPa；測量深度為10cm時，土壤含水率為30.5%，土壤堅實度為1298kPa；測量深度為20cm時，土壤含水率為30.67%，土壤堅實度為1347kPa；測量深度為25cm時，土壤含水率為31.3%，土壤堅實度為1490kPa。

田間試驗過程中所需的主要儀器為：雷沃2004型拖拉機、螺旋開溝器、仿生螺旋開溝器、1JHL-2型秸稈深埋還田機、SM-2型高精度土壤水分測量儀、SC900型土壤緊實度測量儀、卷尺、直尺等。試驗過程中機器分別裝載兩個螺旋開溝器，試驗過程如圖8。

3.2 試驗影響因素及指標的確定

影響機具開溝效果的因素有很多，主要包括機組的前進速度、螺旋覆土器轉速、開溝深度、土壤含水率、土壤堅實度和地表秸稈覆蓋量等。因試驗地區(qū)的土壤含水率與堅實度相對穩(wěn)定，所以選取前進速度A、螺旋覆土器轉速B、開溝深度C為試驗指標的影響因素。參照《GB/T 6242-2006種植機械馬鈴薯種植機試驗方法》[30]，選取覆土合格率S作為試驗指標。

3.3 試驗方案的設計及方差分析

試驗利用Design-Expert軟件設計三因素五水平二次回歸正交組合試驗，因素水平編碼表如表1。試驗次數設置為17次，其中零水平試驗組合進行3次，每組試驗過程中，機具前進距離設置為50m。利用Design-Expert軟件對試驗結果進行方差分析并將試驗因素對試驗指標的影響進行排序[31]。試驗結果如表2。

表2 試驗結果Table 2 The test results list

通過Design-Expert軟件對試驗數據進行分析，得出覆土合格率的方差分析表3，回歸方程模型中，p＜0.0001，回歸是極顯著的。失擬項中p=0.23＞0.05，說明擬合不足是顯著的，所以此模型可以用于覆土合格率的預測。通過對所得回歸方程系數的比較，得出試驗因素對試驗指標的影響順序為：機具前進速度＞覆土器轉速＞開溝深度。覆土合格率的回歸方程為：

表3 覆土合格率方差分析Table 3 ANOVA analysis of qualification rate of covered soil

3.4 試驗因素的影響趨勢

利用Design-expert中的3D Surface model graphs功能可以直觀的的表現出試驗過程中，各試驗因素對試驗指標的影響。由圖9可知，覆土合格率隨著隨著前進速度的增大而減小，隨著覆土器轉速和開溝深度的增大而先增后減并在0水平附近取得最大值。

3.5 試驗優(yōu)化參數的確定

依據所建立的回歸方程模型，可以獲得每個因素的最優(yōu)參數組合，進而可以實現改善秸稈還田機的作業(yè)效果等目的。利用Design-Expert軟件中的優(yōu)化求解功能獲得回歸方程中的最優(yōu)解。依據試驗過程中得到的數據，覆土合格率的目標函數和約束條件為：

求得覆土合格率的最優(yōu)參數組合為：前進速度為2km·h-1，覆土器轉速為290r·min-1，開溝深度為25cm時，覆土合格率為97.1%。

3.6 試驗結論的驗證

根據所得的最優(yōu)參數組合，在相同的試驗田中以同樣的試驗方法進行驗證[32]，隨機選取10組地塊，設定機具前進速度為2km·h-1，覆土器轉速為290r·min-1，開溝深度為25cm進行多組隨機試驗，在每組地塊中選定區(qū)域進行稱重，取10組試驗的平均值作為結果。通過試驗，所得覆土合格率為97.1%，該結果符合秸稈深埋還田機的行業(yè)要求和國家標準，可以滿足秸稈深埋還田的農藝要求。

圖9 試驗因素對覆土合格率的影響Figure 9 Effect of test factors on qualification rate of covered soil

4 討論與結論

目前，秸稈深埋還田技術還正處于發(fā)展階段，國內外的相關研究較少。由馬鐵[33]研制的一種螺旋式秸稈深埋還田機，該機具采用雙軸立式螺旋開溝器作為機具的開溝裝置，可以一次性完成粉碎、收集、開溝、掩埋等作業(yè)，掩埋深度達到了25cm以上。孫福輝等[34]對機具的鎮(zhèn)壓裝置結構進行了仿形設計，并進行了仿真試驗，得出了鎮(zhèn)壓輪尺寸結構參數與土壤堅實度之間的關系，并建立了其數學模型。宋魯鵬等[35]對圓盤式覆土器切削土壤過程中的動力學建模仿真，得出了土壤切削應力與切削角及切削破裂角之間的關系。通過比較，本研究設計了更加適合東北地區(qū)的秸稈深埋還田機配套覆土裝置，能夠滿足玉米秸稈深埋還田技術要求。

本研究主要對1JHL-2型秸稈深埋還田機進行覆土裝置的參數設計及試驗分析，通過對覆土過程中，土壤受力情況及運動過程進行分析，確定了螺旋覆土器的參數。螺旋覆土器的最大螺旋升角為16°、葉片厚30mm、轉速268r·min-1、螺距為250mm。并進行了三因素五水平二次正交試驗，建立了以前進速度、覆土器轉速、開溝深度為試驗因素，覆土合格率為試驗指標的數學回歸模型，得出了試驗因素對試驗指標的影響順序為：機具的前進速度＞覆土器轉速＞開溝深度。同時利用Design-Expert軟件中的3D Surface功能，對于試驗因素對試驗指標影響的直觀展示，可以確定最佳參數組合為：機組前進速度2km·h-1，覆土器轉速為290r·min-1，開溝深度為25cm，對應的覆土合格率為97.1%。通過對試驗結論的驗證，在最優(yōu)的參數組合下，覆土合格率的平均值達到97.1%，滿足秸稈深埋還田的相關技術要求，可以為秸稈深埋還田機覆土裝置的設計及參數優(yōu)化提供一定的理論參考。