水田攪漿埋茬平地機壓茬裝置設(shè)計與試驗*

范延偉，毛欣，衣淑娟，陶桂香，馬成成

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心，黑龍江大慶，163319)

0 引言

中國是世界上最大的水稻種植國家，水稻對于人們的生活至關(guān)重要，據(jù)統(tǒng)計，2018—2019年種植面積約為30 000 khm2，占糧食種植面積的35.6%，水稻產(chǎn)量已達(dá)到1.99×108t。通過攪漿平地將水稻秸稈還田的工作是重要農(nóng)作環(huán)節(jié)之一，由于水田攪漿埋茬平地機的起步較晚，這種機器還有很大的提升空間，選擇平整度較優(yōu)、滅茬率較高且節(jié)約經(jīng)濟成本的水田攪漿平地機是農(nóng)業(yè)機械化的當(dāng)務(wù)之急。

近年來，學(xué)者們對水田攪漿埋茬平地機進(jìn)行大量研究，紅興隆科研所成功研發(fā)液壓平地機，雖提高了平整度，但平地鏟轉(zhuǎn)角仍需人工調(diào)整[1]。姜明海等為使打漿機一次進(jìn)地即可完成系列攪漿平地工作，研制了1GBPS-120型水田耕耙平地機，該機符合技術(shù)要求，但需要匹配的手扶拖拉機。王力捷為改善耕翻后田面不平整，深淺不一致的問題，研制了1BPS-1.7型水田整地機，作業(yè)后田面平整，但效率不高。周浩等[2]研制激光控制的水田攪漿埋茬平地機，效率滿足田間作業(yè)要求，但價格成本過高?；谝陨涎芯?，水田攪漿埋茬平地機取得一定成績，但目前市面上的水田攪漿埋茬平地機作業(yè)性能還不夠穩(wěn)定，價格昂貴。為提升平整、滅茬效果，本文設(shè)計了壓茬裝置，應(yīng)用離散元方法進(jìn)行仿真試驗，并與田間試驗相結(jié)合，得到較優(yōu)參數(shù)組合[3-6]。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

水田攪漿埋茬平地機主要由側(cè)齒輪傳動總成Ⅰ、機架總成、上懸掛總成、齒輪箱、后罩板總成、平地拖板、彈簧總成、液壓油缸總成、壓茬彈齒、側(cè)齒輪傳動總成Ⅱ、打漿刀錕總成等組成，如圖1所示。傳動裝置由萬向節(jié)、錐齒輪箱和鏈輪箱總成組成。

1.2 工作原理

作業(yè)時，拖拉機牽引水田攪漿埋茬平地機前進(jìn)，拖拉機動力經(jīng)萬向節(jié)總成傳至水田攪漿埋茬平地機，由兩個錐齒輪變速并改變方向，再由鏈輪傳至刀錕總成。水田中的土塊與秸稈在打漿刀旋轉(zhuǎn)的作用下被切碎，液壓馬達(dá)控制壓茬彈齒旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)壓茬工作，隨著拖拉機帶著水田攪漿埋茬平地機的運動，平地拖板在彈簧總成的壓力作用下實現(xiàn)平地功能。

圖1 水田攪漿埋茬平地機總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall structure of paddy field mixing stubble grader1.齒輪箱 2.上懸掛總成 3.機架總成 4.側(cè)齒輪傳動總成Ⅰ 5.打漿刀片總成 6.側(cè)齒輪傳動總成Ⅱ 7.彈齒 8.平地鏟 9.液壓油缸總成 10.彈簧總成 11.平地拖板 12.后罩板總成

2 壓茬裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 壓茬彈齒設(shè)計

壓茬彈齒的作用是進(jìn)一步埋茬，為提高滅茬率，設(shè)計了具有壓茬功能的壓茬彈齒，作業(yè)后高留茬被壓入土壤，土塊被打碎，使泥漿更均勻。壓茬彈齒主要由套筒、彈齒軸、彈齒螺栓等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由生產(chǎn)試驗可知，彈簧勁度系數(shù)、旋繞比、彈齒直徑與彈齒個數(shù)會影響作業(yè)效果，為提高作業(yè)效果，按照式(1)進(jìn)行設(shè)計。

(1)

式中：K——彈簧勁度系數(shù)；

[τ]——彈齒材料的許用切應(yīng)力，kg/mm2；

D1——彈齒中徑，mm；

P——彈齒最大工作負(fù)荷，kg；

d——彈齒直徑，mm；

C——旋繞比；

G——切變模量，kg/mm2；

F——彈齒變形量，mm；

n——彈齒的有效圈數(shù)；

n1——彈齒總個數(shù)；

n2——彈齒旋繞圈數(shù)。

根據(jù)查找機械設(shè)計手冊和相關(guān)經(jīng)驗，彈齒材料的許用切應(yīng)力取64 kg/mm2，彈齒中徑取28 mm，彈齒最大工作負(fù)荷取110 kg，旋繞比取5.6，切變模量取8 000 kg/mm2，彈齒變形量取90 mm，最終計算KC1值為179.04，彈齒直徑d為5 mm，彈齒的有效圈數(shù)n為32圈，彈齒總個數(shù)n1為33個。

由于滅茬標(biāo)準(zhǔn)為15～18 cm，且彈齒旋轉(zhuǎn)半徑不超過攪漿刀的旋轉(zhuǎn)半徑，取彈齒旋轉(zhuǎn)半徑為120 mm，并通過對其中心曲線的設(shè)計，其中彈齒的形狀在XOY面上設(shè)計為圓弧式(圖2)，得到XOY中心曲線的函數(shù)方程式(2)，X軸為垂直與地面的方向，Y軸為拖拉機前進(jìn)方向，Z軸為彈齒軸向。

(X-70)2+(Y+120)2=1202

(2)

圖2 彈齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Sketch of spring tooth structure1.螺栓 2.套筒 3.彈齒軸 4.彈齒

2.2 平地拖板設(shè)計

水田攪漿埋茬平地機在作業(yè)時與水田土地表面直接接觸的部件就是平地拖板，因此平地拖板的設(shè)計直接影響水田土壤表面的平整度[7]，每個平地鏟焊接在平地拖板上，在作業(yè)過程中實現(xiàn)平地功能，平地拖板形狀如圖3、圖4所示。

圖3 平地拖板俯視圖

圖4 單個平地鏟俯視圖Fig. 4 Top view of single flat shovel

平地拖板是攪漿平地作業(yè)中直接與土壤接觸的部件，根據(jù)水田攪漿埋茬平地機的作業(yè)幅寬來設(shè)計平地拖板的長度，根據(jù)對田面的浸泡深度標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計水田攪漿埋茬平地機平地拖板的寬度，平地拖板的原材料選取4 mm厚的鋼板，由于水田攪漿埋茬平地機幅寬為3 600 mm，設(shè)計平地拖板長度3 500 mm，在攪漿平地作業(yè)時，放水深度為2.5～5 cm，為了不使平地拖板被淹沒，再結(jié)合各部件安裝尺寸，設(shè)計其寬度為290 mm。

圖4中底部梯形縱向的寬度為鏟寬，鏟寬可用式(3)計算。

(3)

式中：Ph——拖拉機正常工作時額定牽引力；

P1——平地拖板工作時的平均阻力；

n3——所需平地拖板個數(shù)；

ηp——利用系數(shù)，取ηp=0.8。

拖拉機正常工作時額定牽引力為66 kW，平地拖板工作時的平均阻力為20 N，平地鏟的數(shù)量為19個，經(jīng)計算選定鏟寬B=100 mm。

圖4中底部梯形橫向的長度為鏟長，鏟長可用式(4)計算。

(4)

計算確定鏟長L=50 mm。

3 水田攪漿埋茬平地機仿真試驗研究

3.1 仿真試驗研究

選取機具前進(jìn)速度、彈齒軸轉(zhuǎn)速、彈齒下壓深度為仿真試驗因素，選取平整度和滅茬率為指標(biāo)，利用EDEM2018仿真軟件對滅茬平地效果進(jìn)行仿真研究[8-11]。

3.2 性能評價指標(biāo)

3.2.1 平整度計算

在攪漿平地作業(yè)中，地表平整度能夠說明攪漿效果的優(yōu)良，平整度越小，攪漿平地效果越好，即平整度標(biāo)準(zhǔn)差[12]。

(5)

W——攪漿后泥漿到基準(zhǔn)點的垂直距離，mm。

3.2.2 EDEM中平整度的測量方法

利用EDEM2018軟件中后處理模塊的Tools-Ruler功能，選擇Link To Particle可以測量攪漿后泥漿到基準(zhǔn)點的垂直距離及2∶1的局部放大圖，如圖5所示。

圖5 泥漿到基準(zhǔn)點的垂直距離測量圖Fig. 5 Measurement of vertical distance from mud to reference point

3.2.3 滅茬率

在攪漿作業(yè)中，滅茬率作為評價滅茬效果的性能指標(biāo)，滅茬率越高，攪漿后泥漿表面殘留秸稈越少，性能越好。水稻高留茬攪漿作業(yè)的重中之重是將殘留的稻稈壓入土壤內(nèi)部，這一操作過程稱為滅茬的過程[8]。計算滅茬率如式(6)所示。

(6)

式中：m前——試驗前田間稻稈質(zhì)量，g；

m后——未打入地下的殘茬質(zhì)量，g。

3.2.4 EDEM中滅茬率的測量方法

在仿真前設(shè)定每支秸稈的長度、直徑、質(zhì)量相同，攪漿前與攪漿后稻稈的質(zhì)量為攪漿前后的數(shù)量，在EDEM操作界面中可以清晰看出泥漿表面秸稈的數(shù)量，用滅茬后數(shù)量比滅茬前數(shù)量，即得到滅茬率。

3.3 單因素試驗

以《GB/T5668.3—旋耕機械試驗方法》及農(nóng)機作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗研究，根據(jù)生產(chǎn)農(nóng)藝要求并與實踐相結(jié)合，機具前進(jìn)速度、壓茬深度、彈齒轉(zhuǎn)速這3個因素對生產(chǎn)作業(yè)影響較大，最終采用3個因素進(jìn)行單因素試驗研究。

3.3.1 彈齒轉(zhuǎn)速對性能指標(biāo)的影響

試驗條件為機具前進(jìn)速度為4 km/h，壓茬深度為10 cm，以彈齒轉(zhuǎn)速分別為260 r/min、280 r/min、300 r/min、320 r/min、340 r/min進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果如圖6所示。

(a) 彈齒轉(zhuǎn)速對滅茬率的影響

(b) 彈齒轉(zhuǎn)速對平整度的影響圖6 彈齒轉(zhuǎn)速對攪漿指標(biāo)影響Fig. 6 Effect of rotating speed of spring teeth on mixing index

從圖6(a)中可以看出，隨著彈齒轉(zhuǎn)速增大，滅茬率先增大后減小。當(dāng)彈齒轉(zhuǎn)速為280 r/min時，滅茬率達(dá)到最高為92.6%。從圖6(b)中可以看出，彈齒轉(zhuǎn)速不斷加快，平整度先減小后增大，當(dāng)彈齒轉(zhuǎn)速為280 r/min時，平整度達(dá)到最低數(shù)值為1.87 cm。

3.3.2 機具前進(jìn)速度對性能指標(biāo)的影響

試驗條件為彈齒轉(zhuǎn)速為300 r/min，壓茬深度為10 cm，以機具前進(jìn)速度分別為2 km/h、3 km/h、4 km/h、5 km/h、6 km/h進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果如圖7所示。

(a) 機具前進(jìn)速度對滅茬率的影響

(b) 機具前進(jìn)速度對平整度的影響圖7 機具前進(jìn)速度對攪漿指標(biāo)影響Fig. 7 Influence of forward speed of machine on mixing index

從圖7(a)中可以看出，機具前進(jìn)速度不斷加快，滅茬率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)機具前進(jìn)速度為5 km/h時，滅茬率達(dá)到最高為96.3%。從圖7(b)中可以看出，隨著機具前進(jìn)速度增大，平整度先減小后增大，當(dāng)機具前進(jìn)速度為5 km/h時，平整度達(dá)到最低數(shù)值為1.99 cm。

3.3.3 壓茬深度對性能指標(biāo)的影響

試驗條件為彈齒轉(zhuǎn)速為300 r/min，機具前進(jìn)速度為4 km/h，以壓茬深度分別為6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果如圖8所示。

從圖8(a)中可以看出，隨著壓茬深度增大，滅茬率先增大后減小。當(dāng)壓茬深度為12 cm時，滅茬率達(dá)到最高為90.7%。從圖8(b)中可以看出，隨著壓茬深度增大，平整度先減小后增大，當(dāng)壓茬深度為12 cm時，平整度達(dá)到最低數(shù)值為2.08 cm。

(a) 壓茬深度對滅茬率的影響

(b) 壓茬深度對平整度的影響圖8 壓茬深度對攪漿指標(biāo)影響Fig. 8 Effect of stubble pressing depth on mixing index

3.4 多因素試驗設(shè)計及結(jié)果

試驗因素水平如表1所示，試驗結(jié)果如表2所示。

表1 試驗因素水平表Tab. 1 Test factor levelTable

表2 正交試驗結(jié)果Tab. 2 Results of orthogonal test

由于單因素3個影響因素對攪漿效果影響顯著性不同，綜合單因素的結(jié)果，選取合適的試驗水平因素進(jìn)行正交試驗。根據(jù)單因素結(jié)果，確定彈齒轉(zhuǎn)速、機具前進(jìn)速度、彈齒下壓深度為試驗因素，采用三因素三水平正交試驗設(shè)計方案。

3.5 試驗結(jié)果分析

由表3可知，機具前進(jìn)速度對滅茬率的影響是3個因素中最大的，其次是彈齒下壓深度，最后是彈齒轉(zhuǎn)速，即因素B>因素C>因素A。通過分析得出對于滅茬率最優(yōu)結(jié)果的組合是B2C2A3。彈齒下壓深度對平整度的影響是3個因素中最大的，其次是彈齒轉(zhuǎn)速，最后是機具前進(jìn)速度，即因素C>因素A>因素B。通過分析得到對于平整度最優(yōu)的組合是C2A3B1。

綜合分析，以滅茬率作為作業(yè)評定的主要指標(biāo)，最終確定A3B2C2為因素的較優(yōu)組合，即彈齒轉(zhuǎn)速選擇320 r/min，機具前進(jìn)速度選擇4 km/h，彈齒下壓深度選擇12 cm，此時滅茬率為92.6%，平整度為3.06 cm。

表3 試驗結(jié)果極差分析Tab. 3 Analysis of extreme difference of test results

4 田間試驗驗證

4.1 田間試驗條件與方法

4.1.1 試驗條件

2020年在黑龍江省建三江前進(jìn)農(nóng)場進(jìn)行了水田整地作業(yè)試驗(圖9)。

圖9 田間試驗圖Fig. 9 Field experiment

試驗田土質(zhì)類型屬于白漿土，田地為翻耕后的水稻田，留茬的平均高度為17 cm，高留茬的平均長度為9 cm，在田地放水前，試驗田中的大土塊需先用旋耕機打碎，使土塊之間的縫隙縮小，并對田地進(jìn)行3日泡水工作。

4.1.2 試驗方法及儀器

試驗主要機具與儀器：作業(yè)時的動力為東方紅904輪式拖拉機，水田攪漿埋茬平地機，水平儀，兩根輕細(xì)繩，取樣框(0.5 m×0.5 m)，直尺卷尺等測量工具。

試驗水田面積選取100 m×100 m，采取五點取樣法，用取樣框取樣10處樣本，在取樣框內(nèi)隨機選取5個監(jiān)測點，計算各個指標(biāo)的平均值，彈齒轉(zhuǎn)速選擇320 r/min，機具前進(jìn)速度選擇4 km/h，彈齒下壓深度選擇12 cm進(jìn)行田間試驗驗證。

4.2 田間試驗結(jié)果分析

通過測量與計算可以得出滅茬率、平整度的平均值如表4所示。

表4 田間試驗各項指標(biāo)數(shù)值表Tab. 4 Field test index valueTable

水田攪漿埋茬平地機作業(yè)后的滅茬率達(dá)到92.8%，平整度達(dá)到2.87 cm，與仿真優(yōu)化結(jié)果相差不大，表明優(yōu)化結(jié)果可信。同時滅茬率能控制在80%以上，平整度能夠控制在0～5 cm以內(nèi)，滿足GB/T5668.3《旋耕機械試驗方法》及農(nóng)業(yè)機械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

為提高攪漿滅茬的效果，設(shè)計了水田攪漿埋茬平地機壓茬裝置，該裝置可以提高滅茬率和平整度，通過進(jìn)行單因素、多因素仿真試驗以及田間驗證試驗，分析得出以下結(jié)論。

1) 機具選取彈齒直徑為5 mm，彈齒個數(shù)為33個；設(shè)計平地拖板寬度為290 mm，長度3 500 mm，平地鏟數(shù)量19個。

2) 單因素試驗結(jié)果表明：隨著機具前進(jìn)速度、彈齒轉(zhuǎn)速、彈齒下壓深度的增大，滅茬率先增大后減小，平整度則是先減小后增大。

3) 多因素試驗結(jié)果表明，彈齒轉(zhuǎn)速為320 r/min，機具前進(jìn)速度為4 km/h，同時彈齒下壓深度為12 cm時為較優(yōu)方案。

4) 通過田間試驗和仿真試驗進(jìn)行對比，設(shè)計的水田攪漿埋茬平地機的滅茬率能達(dá)到80%以上，平整度能夠達(dá)到0～5 cm，該機器可以滿足水稻插秧前的攪漿整地標(biāo)準(zhǔn)。