秸稈深埋還田開溝滅茬機設(shè)計與試驗

王瑞麗，楊 鵬，Rabiu Falalu Jahun,2，竇 森

秸稈深埋還田開溝滅茬機設(shè)計與試驗

王瑞麗1，楊 鵬1，Rabiu Falalu Jahun1,2，竇 森3※

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110161；2. Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Bayero University, Kano 999062；3. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

秸稈還田是農(nóng)作物秸稈綜合利用最為直接的形式，深埋還田能打破犁底層、培肥地力，并提高土壤抗旱保墑能力。在秸稈深埋還田時，由于作物根茬未粉碎，深開溝的同時會出現(xiàn)大塊土垡。秸稈深埋后還需對根茬和土垡進行二次粉碎，增加了作業(yè)成本。為滿足秸稈深埋還田開溝滅茬碎土的需求，設(shè)計研制了一種集開深溝、碎土、滅茬等多道工序的用于秸稈深埋還田的開溝滅茬機。以導(dǎo)向鏟入土深度、滅茬刀轉(zhuǎn)速、滅茬深度為試驗因素，機器的作業(yè)阻力和滅茬碎土率為試驗指標(biāo)，進行了三因素三水平正交試驗。結(jié)果表明導(dǎo)向鏟入土深度和滅茬深度對作業(yè)阻力有極顯著影響，滅茬刀轉(zhuǎn)速對滅茬碎土率有極顯著影響。在開溝深度為35 cm時，導(dǎo)向鏟入土深度、滅茬刀轉(zhuǎn)速和滅茬深度分別為100 mm、340 r/min 和60 mm時，開溝滅茬機的作業(yè)性能最好，作業(yè)阻力為21.6 kN、滅茬碎土率為96.3%、開溝深度穩(wěn)定性為92.4%。試驗表明該機具有很好的開溝、滅茬、碎土效果，該研究為秸稈深埋還田機具的研制和配備提供參考。

機械化；農(nóng)作物；設(shè)計；深埋還田；開溝；滅茬；碎土

0 引 言

中國的秸稈利用率低，玉米收割后，大部分秸稈被就地燃燒，造成環(huán)境污染和資源浪費[1-5]。加快推進農(nóng)作物秸稈資源綜合利用是中國一項亟待解決的問題，秸稈機械化還田是秸稈資源綜合利用的最直接形式。“秸稈深埋還田”不同于傳統(tǒng)意義上的秸稈還田，創(chuàng)新之處是“深”，將秸稈埋入20 cm以下土層，能解決露天焚燒問題，也不影響作物播種[6-8]。

開溝機開溝后、秸稈混肥還田機將秸稈和肥料施入20～40 cm土層，然后覆土起壟機進行覆土起壟作業(yè)。秸稈深埋還田可以打破犁地層，實現(xiàn)間隔深松功能[9]，同時20～40 cm土層有機質(zhì)虧缺程度高[8-10]，秸稈深埋后在土壤深部分解可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，形成更多的腐殖質(zhì)[11-15]，實現(xiàn)土壤固碳和二氧化碳減排，促進土壤有機質(zhì)積累、增強蓄水保墑能力[16-19]。秸稈深埋還田將表土、秸稈、肥料集中到一個條帶，肥力效果發(fā)揮更好。解決了鏵式犁翻埋還田帶來的播種機播種時秸稈掛機和種地“漏風(fēng)”的問題，最終可以同時解決目前耕層變薄、犁底層變淺變厚變硬、有機質(zhì)下降的問題[20-23]。秸稈深埋還田是環(huán)境保護與土壤培肥的統(tǒng)一。打破犁底層、培肥亞表層、增厚耕作層、提升有機質(zhì)，是化肥減施增效、糧食環(huán)境雙安全的土壤學(xué)基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段秸稈深埋還田作業(yè)由開溝機、秸稈混肥還田機、覆土起壟機三部機器配合完成[24-25]。由開溝機進行開溝，混肥還田機將秸稈粉碎混肥后排入開好的深溝內(nèi)，最后覆土起壟機進行覆土起壟作業(yè)。目前用于秸稈深埋還田的開溝機沒有滅茬功能，由于根茬的存在，開溝時會掀起較大的垡塊，嚴重地影響深層還田的效果。本文研制了一種應(yīng)用于秸稈深埋還田的開溝滅茬機，該機能在秸稈還田開溝作業(yè)的同時完成滅茬碎土和土壤深松，并對其作業(yè)阻力和滅茬碎土效果進行了試驗研究，在達到滅茬碎土標(biāo)準(zhǔn)的情況下減小作業(yè)阻力，旨在進一步改進開溝機的作業(yè)性能，為研發(fā)其他機型秸稈深埋還田開溝機提供參考。

1 設(shè)計要求與整機結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計要求

根據(jù)農(nóng)藝要求和工作條件提出以下要求：1）能夠穩(wěn)定開溝，開溝深度不低于30 cm，開溝寬度在50～80 cm之間；2）滅茬碎土率在65%以上；3）機架與關(guān)鍵部件有足夠的強度；4）整機的工作幅寬為2.6 m（2條大壟），同時開兩個秸稈深埋溝；5）開溝滅茬機與拖拉機懸掛聯(lián)接，滅茬動力由拖拉機動力輸出軸提供。

1.2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)開溝滅茬機的設(shè)計要求，在開溝的同時進行滅茬碎土作業(yè)。機器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由開溝犁1、滅茬部件2、變速箱3、懸掛架4、機架5、導(dǎo)向裝置6等組成。工作時，開溝滅茬機與拖拉機懸掛聯(lián)接，拖拉機將開溝滅茬機落下，使導(dǎo)向鏟、開溝犁、滅茬部件依次入土，開溝滅茬機隨著拖拉機行走，導(dǎo)向裝置（導(dǎo)向鏟和導(dǎo)向翼）平衡土壤阻力，保證開溝作業(yè)時機器直線前進，并疏松土壤。拖拉機后動力輸出軸的動力經(jīng)變速箱變速后，傳遞給滅茬盤軸，由滅茬盤軸帶動滅茬刀進行滅茬作業(yè)，最后再由開溝犁進行開溝作業(yè)。

圖1 秸稈深埋還田開溝滅茬機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of combine machine for deep furrowing, stubble chopping, returning and burying of chopped straw

秸稈深埋還田開溝滅茬機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 秸稈深埋還田開溝滅茬機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1 Parameters of combine machine for deep furrowing, stubble chopping, returning and burying of chopped straw

1.3 配套動力的計算

機組行駛過程所消耗的功率，可近似認為是拖拉機車輪克服摩擦阻力和拖拉機克服牽引阻力所消耗的功率與滅茬碎土裝置工作時所消耗的功率之和，機器零件之間磨損所損耗的功率遠小于上述功率消耗，故忽略不計。設(shè)拖拉機行進過程中滾動摩擦阻力為f，牽引阻力為T，整機前進速度為vm，則所求功率為：

式中P1為拖拉機克服牽引阻力所消耗的功率，kW；f為滾動摩擦阻力，N；T為牽引阻力，N；vm為機組工作時前進速度，m/s；B為開溝工作幅寬，cm；K為土壤比阻，N/cm2；H為開溝深度，cm；u為拖拉機輪胎與土表的滾動摩擦系數(shù)；Gs為機組的重力，N。

根據(jù)所研究的機器參數(shù)范圍和相關(guān)資料對各個參數(shù)進行取值。選取u=0.10，K=6.0 N/cm2，B1=260 cm，h=35 cm，vm=1.2 m/s。以Lovol M1204-D型拖拉機(標(biāo)定功率為88.2 kW)的質(zhì)量參數(shù)為例近似計算Gs的值，機組的總質(zhì)量約為4 750 kg，即拖拉機和秸桿混肥還田機的重力為Gs=4 655 N。將以上各值帶入式（1）、式（2）、式（3），算得P1=66.08 kW。

滅茬碎土裝置的功率消耗由拖拉機的動力輸出軸提供，其功率P2為

式中P2為滅茬碎土裝置工作時所消耗的功率，kW；kr為旋耕土壤比阻，kg/cm2，取值范圍為1.2～1.6，與耕深有關(guān)，耕深大選大值；L為滅薦碎土作業(yè)幅寬，cm；h為旋耕深度，cm。

選取旋耕土壤比阻kr=1.2；L=100 cm（因為滅茬部件由4個刀盤組組成，每個刀盤組的工作幅寬為25 cm）；機組工作時前進速度vm=1.2 m/s；工作深度h1=8 cm。將各值帶入式（4），得P2=11.52 kW。

綜上所述，本文設(shè)計的秸稈深埋還田開溝滅茬機所需總功率P=P1+P2=77.6 kW，為保證開溝滅茬工作順利進行，選用了動力為88.2 kW的拖拉機。

2 主要部件設(shè)計和分析

2.1 滅茬部件

滅茬部件（圖2）對玉米根茬進行粉碎，并進行表層碎土。其旋轉(zhuǎn)速度、入土深度、滅茬刀排列方式及刀片數(shù)量都會對開溝滅茬機的滅茬碎土性能有影響。吳子岳等研究了非等長刀切碎模型[26-27]，實現(xiàn)了上層多切、下層少切，滅茬效果好，因此本設(shè)計采用內(nèi)外側(cè)不同長度的切刀對殘茬進行切削粉碎，由于內(nèi)側(cè)滅茬半徑小于外側(cè)，因此內(nèi)外側(cè)滅茬刀數(shù)不同。

圖2 滅茬部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of stubble breaking unit

滅茬部件由滅茬盤軸套、外滅茬刀、內(nèi)滅茬刀、內(nèi)滅茬盤、外滅茬盤組成，滅茬盤軸套材料選用長×寬×高為80 mm×80 mm×5 mm的方管，滅茬盤由5 mm厚鋼板制成，外滅茬刀刀柄長250 mm，內(nèi)滅茬刀刀柄長200 mm。滅茬刀輥正轉(zhuǎn)，外側(cè)刀盤各安裝6把滅茬刀，徑向夾角為60°，外側(cè)滅茬刀組為對稱的排列方式；內(nèi)側(cè)刀盤各安裝4把滅茬刀，徑向夾角為90°，內(nèi)側(cè)刀組采用錯位對稱的排列方式，錯位夾角為25°。刀盤間距為80 mm。滅茬刀采用固定刀形式，可以保證滅茬刀在旋轉(zhuǎn)的過程中對根茬的切割率。滅茬刀與刀盤螺紋連接，方便拆卸與更換。

切土節(jié)距對開溝機的碎土程度有很大的影響， 切土節(jié)距過大碎土效果較差，安裝在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的刀片在轉(zhuǎn)過相應(yīng)安裝角時間內(nèi)機組所前進的距離定義為機組切土節(jié)距（圖3），則

式中S為切土節(jié)距，m；Z為同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的刀片個數(shù)；n 為刀軸轉(zhuǎn)速，r/min。一般的黏重土壤和雜草地的切土節(jié)距范圍為4～6 cm。將參數(shù)vm=1 m/s，Z1(內(nèi)側(cè))=4，n=260～340 r/min代入式（5）得出：S=5～7 cm，一般情況下切土節(jié)距S越小，滅茬碎土效果越好，故增加外部刀盤來調(diào)節(jié)切土節(jié)距，使其滿足作業(yè)要求。

圖3 切土節(jié)距示意圖Fig.3 Diagram of soil cutting pitch

2.2 導(dǎo)向裝置

東北地區(qū)土壤緊實度高，土壤耕作阻力大，同時機器采用雙翼鏵式犁進行開溝，雙翼鏵式犁沒有犁側(cè)板，由于根茬分布不均勻，開溝后兩側(cè)的土壤壓力不同，使兩側(cè)犁壁土壤堅實度不相同，造成兩側(cè)犁壁受到的土壤應(yīng)力不均勻的情況，從而導(dǎo)致機器開溝軌跡偏移的情況發(fā)生。為了解決這一情況，在機器前部加裝3個深松鏟作為導(dǎo)向裝置來平衡兩側(cè)阻力，深松鏟采用雙翼深松鏟，深松鏟入土角為20°，其余設(shè)計要求按照文獻[28]進行設(shè)計。當(dāng)導(dǎo)向裝置進入土壤后，可以有效的減少由于土壤緊實度不同導(dǎo)致的作業(yè)軌跡偏移，同時可以進行破茬作業(yè)。導(dǎo)向裝置的性能直接影響機具的作業(yè)性能。將通過Solidworks建立的實體模型導(dǎo)入ANSYS中對其進行有限元分析。對導(dǎo)向鏟和導(dǎo)向翼施加約束條件并進行求解運算，固定約束與載荷如圖4a所示。圖4b為導(dǎo)向裝置有限元分析應(yīng)力分布。由圖4b可知：導(dǎo)向裝置所受的最大應(yīng)力分布在導(dǎo)向鏟處，為138.92 MPa，遠小于材料的許應(yīng)力，導(dǎo)向裝置有足夠的強度支撐平衡土壤側(cè)向應(yīng)力。此外，在實際工作中可根據(jù)圖4中分析確定危險部位，定期進行檢查，確保機具安全作業(yè)。通過試驗進行驗證后，導(dǎo)向裝置的入土深度在100 mm時，開溝直線度穩(wěn)定，且機器阻力在允許范圍內(nèi)。

圖4 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖及有限元分析Fig.4 Structure diagram and finite element analysis of guiding device

2.3 開溝裝置

為了滿足秸稈深還開溝要求，通過對現(xiàn)有鏵式犁主犁體進行改進，設(shè)計了喙式導(dǎo)向開溝犁體（圖5），在開溝器底部設(shè)置直刀式嵌入底板，作用相當(dāng)于鏵式犁的犁側(cè)板，在開溝作業(yè)時平衡土壤阻力。在嵌入底板前端裝有喙式犁鏵，作用是切開土垡并將它升運到犁壁。在嵌入底板上部對稱接裝左右兩個曲面犁壁，結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)翻土型犁壁相同，作用是破碎和翻轉(zhuǎn)土垡，使土垡翻向兩側(cè)形成犁溝。犁柱將犁鏵、犁壁和嵌入底板組裝在一起構(gòu)成開溝犁體，并把犁體安裝在開溝滅茬機機架上。通過調(diào)節(jié)犁柱安裝高度來改變開溝深度。

喙式導(dǎo)向開溝犁體通過喙式自入土導(dǎo)向犁鏵入土，可以有效的減少鏵式犁入土的阻力及入土行程。在作業(yè)時，單翼鏵式犁在縱垂面內(nèi)，犁側(cè)板不接觸溝底，沒有向上的支反力，且犁側(cè)板承受犁體工作面的全部側(cè)向力，而雙翼鏵式犁沒有犁側(cè)板，犁體曲面上所受的阻力是一空間任意力系，包括平行于X、Y、Z 3個坐標(biāo)軸的空間非匯交力RX、RY、RZ，可以將所有的空間力投影到喙式導(dǎo)向開溝犁體的直刀式嵌入底板中進行平衡，直刀式嵌入底板作用相當(dāng)于鏵式犁的犁側(cè)板，開溝犁深入土層后，應(yīng)力作用于直刀式嵌入底板的兩側(cè)面，由于直刀式嵌入底板具有一定的長度，可以平衡兩側(cè)犁翼所受的不均勻土壤應(yīng)力，避免犁體側(cè)向偏移。犁柱高度可以調(diào)節(jié)，以滿足不同開溝深度。

圖5 喙式導(dǎo)向開溝犁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of guide furrowing plow of beak type

當(dāng)拖拉機和開溝滅茬機構(gòu)成的機組作業(yè)時，喙式犁鏵自行入土，當(dāng)達到預(yù)定土層并穩(wěn)定工作后，嵌入底板進入相應(yīng)土層，嵌入預(yù)定的直線位置來平衡兩側(cè)曲面犁壁的不均勻受力，從而使喙式導(dǎo)向開溝犁體徑直向前行走并向兩翼均勻分土，從而達到開溝器按預(yù)定設(shè)計準(zhǔn)確開溝的目的。

3 開溝滅茬機田間試驗

3.1 試驗條件與試驗設(shè)計方法

3.1.1 試驗條件

在吉林省榆樹市恩育鄉(xiāng)進行了樣機田間試驗（作業(yè)區(qū)面積為3 hm2，試驗選用面積為0.25 hm2），該地區(qū)為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤為壤性土與黏性土混合土質(zhì)，使用TRIME-EZC土壤水分測定儀（測量范圍：0～100%體積含水量；測量精度：±0.5%，德國IMKO公司）測得土壤含水率為19%～25.6%（0～15 cm），使用SC-900數(shù)顯式土壤緊實度儀（測量范圍：0～45 cm，0～7 000 kPa；測量精度：±103 kPa，美國SPECTRUM公司）測得土壤緊實度，1～20 cm深度的土壤堅實度78～1 797 kPa，21～40 cm深度的土壤堅實的度為1 826～2 277 kPa。于2015年9月24日玉米收獲后進行，玉米殘茬高度為5～8 cm，開溝深度為35 cm。開溝滅茬機配套動力為LovolM1204-D型拖拉機，功率88.2 kW。

3.1.2 試驗設(shè)計與試驗方法

1）試驗設(shè)計

影響開溝滅茬機作業(yè)阻力的主要因素有開溝深度、滅茬深度、導(dǎo)向鏟入土深度、滅茬刀轉(zhuǎn)速、土壤堅實度、土壤含水率等。大量研究表明開溝深度對作業(yè)阻力有顯著的影響，但導(dǎo)向鏟入土深度、滅茬刀轉(zhuǎn)速對作業(yè)阻力的影響尚需確定。本文把開溝深度固定為35 cm，在相同的土壤堅實度和土壤含水率條件下，根據(jù)文獻[29-30]以及實際田間作業(yè)經(jīng)驗，試驗研究導(dǎo)向鏟入土深度、滅茬刀轉(zhuǎn)速、滅茬深度對作業(yè)阻力和滅茬碎土率的影響。滅茬刀片排列形式及數(shù)量都對滅茬作業(yè)質(zhì)量有影響，考慮到實際試驗的可操作性，刀片的排列跟刀片數(shù)量作為不變量，在本次試驗中不做考量。因此以機器導(dǎo)向鏟入土深度A、滅茬刀轉(zhuǎn)速B、滅茬深度C作為試驗因素，以作業(yè)阻力y1和滅茬碎土率y2作為試驗指標(biāo)，選定正交試驗方法，制定試驗方案，實施試驗并測定和計算試驗指標(biāo)。通過試驗結(jié)果分析，判斷試驗因素對指標(biāo)影響的主次順序，確定試驗指標(biāo)最優(yōu)時各因素的最優(yōu)組合，從而優(yōu)化機器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。應(yīng)用DPS7.5軟件進行試驗結(jié)果的分析。

試驗選取L9(34)正交表安排試驗，根據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果，確定因素水平如表2所示，制定試驗方案并調(diào)整各因素水平進行試驗，測得試驗結(jié)果如表3所示。

表2 試驗因素水平表Table2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交試驗方案及結(jié)果Table3 Plan and results of orthogonal test

2）試驗方法

試驗前按照文獻[31]規(guī)定選擇試驗區(qū)，對機器進行試運轉(zhuǎn)和調(diào)試，使機器達到最佳工作狀態(tài)。

作業(yè)阻力是開溝滅茬機作業(yè)效率的重要指標(biāo)。試驗過程中將拉力傳感器裝在開溝滅茬機機組（開溝滅茬機+Lovol M1204-D型拖拉機）前部，用一臺輔助拖拉機（東汽DQ1004拖拉機）通過LLB-50機械式拉力傳感器（測量范圍：0～50 kN，精度為±2%，上海實干實業(yè)有限公司）牽引作業(yè)拖拉機田間行走，滾動阻力為輔助拖拉機牽引作業(yè)拖拉機空行時拉力傳感器所受拉力，其中開溝滅茬機機組為懸掛待作業(yè)狀態(tài)。機組總牽引力為輔助拖拉機牽引機組穩(wěn)定工作時拉力傳感器所受的拉力，如圖6a所示。其中輔助拖拉機均以1.2 m/s的速度前進。再由式（6）計算出作業(yè)阻力，即

式中F為作業(yè)阻力，kN；F1為機組牽引阻力，kN；F2為拖拉機的滾動阻力，kN，由前輪滾動阻力F2a和后輪滾動阻力F2b組成。

圖6 田間試驗Fig.6 Field test

滅茬碎土率是開溝滅茬機作業(yè)性能的一個重要指標(biāo)。圖6b為樣機試驗現(xiàn)場。試驗選定具有代表性的距離為20 m的開溝行程，均勻選取10個點作為測量區(qū)，在每一測量區(qū)內(nèi)沿垂直于溝壁方向隨機選定0.2 m×0.2 m區(qū)域為測量區(qū)，采集測量區(qū)內(nèi)滅茬深度范圍內(nèi)的土塊和根茬，土塊和根茬的大小按其最長邊分為小于或等于5 cm和大于5 cm二級。并以小于或等于5 cm的土塊和根茬質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比為這一測量區(qū)的滅茬碎土率。結(jié)果按式（7）計算，并按式（8）計算平均值作為滅茬碎土率。由表2可知該機滅茬碎土率大于70%，符合文獻[32]規(guī)定滅茬碎土率大于等于55 %的技術(shù)指標(biāo)。

式中E為滅茬碎土率，%；Ei為第i個測量區(qū)域內(nèi)的滅茬碎土率，%；Wai為第i個測量區(qū)內(nèi)開溝機拋落土塊中最長邊小于或等于5 cm的土塊質(zhì)量，g；Wbi為第i個0.2 m×0.2 m測量區(qū)內(nèi)開溝機拋落土塊的總質(zhì)量，g；N為測量區(qū)個數(shù)，N=10。

3.2 試驗結(jié)果與討論

在DPS7.5軟件中輸入原始數(shù)據(jù)，顯著水平定為α=0.05。輸入處理和空閑因子總數(shù)為4，多重法比較選擇Tukey法，極差與方差分析結(jié)果如表4與表5所示。

表4 極差分析Table4 Range analysis

由表4可知，3個因素對機器作業(yè)阻力影響的主次順序為因素A>因素C >空列>因素B，說明導(dǎo)向鏟入土深度對作業(yè)阻力的影響最大，滅茬刀轉(zhuǎn)速的影響較小。3個因素對滅茬碎土率影響的主次順序為因素B>因素C>因素A，說明滅茬刀轉(zhuǎn)速對滅茬碎土率的影響最大，其次為滅茬深度，導(dǎo)向鏟入土深度的影響最小。

由表5可知，對于試驗指標(biāo)作業(yè)阻力來說，B（滅茬刀轉(zhuǎn)速）因素的影響較小，把其歸入誤差。y1A=40.46>F0.01(2,4)=18，所以因素A（導(dǎo)向鏟入土深度）對作業(yè)阻力的影響極顯著。y1C=29.95>F0.01(2,4)=18，所以因素C（滅茬深度）對作業(yè)阻力的影響也極顯著。

表5 方差分析Table5 Variance analysis

對于試驗指標(biāo)滅茬碎土率來說，A因素和C因素的影響較小，把其歸入誤差。y2B=40.62>F0.01(2,6)=10.92，所以因素B（滅茬刀轉(zhuǎn)速）對滅茬碎土率的影響極顯著。

綜合表4極差分析和表5方差分析，作業(yè)阻力最小的組合為A1C1B2，滅茬碎土率最大的組合為B3C2A1。因素B滅茬刀轉(zhuǎn)速對作業(yè)阻力的影響不顯著，但對滅茬碎土率有極顯著影響。因素A和因素C對作業(yè)阻力有極顯著影響，對滅茬碎土率無顯著影響。所以選擇對作業(yè)阻力影響顯著的因素A和C的優(yōu)水平A1、C1和對滅茬碎土率影響顯著的因素B的優(yōu)水平B3組合為使得作業(yè)阻力和滅茬碎土率2個試驗指標(biāo)最優(yōu)的組合A1B3C1，即導(dǎo)向鏟入土深度為100 mm、滅茬部件轉(zhuǎn)速340 r/min、滅茬部件入土深度為60 mm時，開溝阻力最小，且滅茬碎土率最佳。

由于最優(yōu)組合為A1B3C1不在設(shè)計的9個試驗當(dāng)中，同時，表4得出的作業(yè)阻力最小的最優(yōu)組合A1C1B2和滅茬碎土率最大的最優(yōu)組合B3C2A1也不再其中，故需要進行對比驗證試驗。調(diào)整開溝滅茬機結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)為A1B3C1、A1C1B2和B3C2A1，按照文獻[31]中規(guī)定的測試方法進行試驗。將試驗指標(biāo)滅茬碎土率跟行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行比較。經(jīng)過優(yōu)化后的樣機試驗指標(biāo)跟行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比結(jié)果如表6示，其中表中結(jié)果為10次結(jié)果的均值。

表6 試驗結(jié)果對比Table6 Test result comparison

從表6中可以看出開溝滅茬機在最優(yōu)組合為A1B3C1時，作業(yè)性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，樣機實際的開溝深度穩(wěn)定性為92.4%，為3組中最高，同時其余兩組只在單項性能上達到最優(yōu)，而A1B3C1能夠滿足實際要求，滅茬碎土率為96.3%比標(biāo)準(zhǔn)高出41.3%，能夠很好的滿足作物種植要求，遠高于A1B2C1組合的79.6%。在作業(yè)阻力上也低于A1B3C2的26.9 kN。由驗證試驗可知，在開溝深度為35 cm，樣機結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)調(diào)整為最優(yōu)組合A1B3C1時，其作業(yè)阻力最小，滅茬碎土率最大，且開溝深度穩(wěn)定性最好。

4 結(jié) 論

1）秸稈深埋還田開溝滅茬機可一次完成開溝、滅茬、碎土作業(yè)，用于東北地區(qū)秸稈深埋還田開溝環(huán)節(jié)，與秸稈混肥還田機、覆土起壟機配合可把農(nóng)作物秸稈、肥料等深埋于20～30 cm土層。開溝穩(wěn)定性、滅茬碎土效果達到農(nóng)藝要求。

2）對開溝滅茬機關(guān)鍵部件進行了設(shè)計和研制，采用內(nèi)外側(cè)不同長度的切刀正轉(zhuǎn)對殘茬進行切削粉碎，保證滅茬率；采用雙翼深松鏟實現(xiàn)導(dǎo)向，減小少由于土壤緊實度不同導(dǎo)致的作業(yè)軌跡偏移，并實現(xiàn)破茬作業(yè)；喙式導(dǎo)向開溝犁體通過喙式犁鏵入土并減小阻力和入土行程，嵌入底板平衡雙向翻土阻力，提高開溝穩(wěn)定性。

3）通過對樣機的田間試驗，樣機的前進速度為1.2 m/s，開溝深度為35 cm，導(dǎo)向鏟入土深度為100 mm，滅茬刀轉(zhuǎn)速為340 r/min，滅茬深度為60 mm時，樣機的作業(yè)性能最好，滅薦破土率達97.5%，能夠很好的滿足開溝滅茬碎土要求；開溝深度穩(wěn)定性達86.8%，滿足后續(xù)作物種植農(nóng)藝要求。

田間試驗的過程中發(fā)現(xiàn)玉米根茬分布不均，使得開溝犁在工作過程中相鄰兩溝深度有偏差，為了解決這一問題可在開溝裝置前加裝破茬刀，其開溝深度穩(wěn)定性、滅茬碎土能力、作業(yè)效率等有待于進一步的研究與分析。

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Design and experiment of combine machine for deep furrowing, stubble chopping, returning and burying of chopped straw

Wang Ruili1, Yang Peng1, Rabiu Falalu Jahun1,2, Dou Sen3※
(1. College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 2. Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Bayero University, Kano 999062, Nigeria; 3. College of Resources and Environmental Science, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Returning and deep burying of crop straw into soil is an effective way to utilize and recycle the resource of straw, to decrease pollution and increase soil fertility. Deep furrowing is the key operation of the technology. The burying quality of present machine is decreased for there is no stubble breaking device and large soil blocks are lifted together with the undetached stubbles, and the operation cost increases for the shattering of stubbles and soil blocks after straw burying. A combine machine for deep furrowing, stubble chopping, returning and burying of chopped straw was developed in this study to solve above problems. The machine thus combined the functions of stubble cleaning and furrow opening. The machine consisted of a furrowing plow, a guide shovel and a stubble breaking unit. The furrowing plow was designed to cut at different depths into the soil. Critical components of the machine, such as furrowing plow of beak type, shovel guide and stubble breaking unit, were designed to withstand the tillage resistance. The 3D (three-dimensional) models of shovel guide and furrowing plow were set up and the structural strength analyses were carried out using Solidworks and ANSYS software respectively. A gear reduction transmission system was designed to control the rotational speed of the smasher shaft from the PTO (power take off). Field performance evaluation test was carried out in Jilin Province. An orthogonal experiment of 3 factors with 3 levels was conducted to investigate the effects of depths of guide shovel, rotary speed of stubble breaking blade and depth of stubble breaking on tillage resistance and rate of stubble cutting and soil breaking. The depth of guide shovel was selected as 100, 150 and 200 mm; the rotary speed was set at 260, 300 and 340 r/min and the depth of stubble smasher was at 60, 70 and 80 mm respectively. Analysis of variance (ANOVA) showed that the rotary speed of stubble breaking blade had significant effect on the rate of stubble cutting and soil breaking at probability level of 1%; the depths of guide shovel and stubble breaking had significant effects on the resistance force at 1% level of significance as well. So, it could be inferred from the statistical analysis result that the rotary speed of stubble breaking blade had no influence on the tillage resistance, while the depths of soil cut of both guide shovel and stubble breaking influenced the resistance, and consequently affected the tillage power requirement of the machine. The evaluated results further showed that the optimum tillage resistance and the rate of stubble cleaning and soil breaking were 21.6 kN and 96.3% respectively at a rotary speed of 340 r/min and depths of the guide shovel and stubble cleaning of 100 and 60 mm respectively. Results of the strength analysis showed that the structural strength of the machine was adequate for the service condition. It could be concluded that the developed combine machine is efficient in deep furrowing, shattering soil, breaking stubble and burying chopped corn straw with a good operation quality.

mechanization; crops; design; deep buried returning; soil ditching; stubble breaking; soil breakage

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.006

S222.4

A

1002-6819(2017)-05-0040-08

王瑞麗，楊 鵬，Rabiu Falalu Jahun，竇 森. 秸稈深埋還田開溝滅茬機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(5)：40－47.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.006 http://www.tcsae.org

Wang Ruili, Yang Peng, Rabiu Falalu Jahun, Dou Sen. Design and experiment of combine machine for deep furrowing, stubble chopping, returning and burying of chopped straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 40－47. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.006 http://www.tcsae.org

2016-06-19

2016-12-30

吉林省高等學(xué)校秸稈綜合利用高端科技創(chuàng)新平臺（吉高平臺字（2014）C-1）；吉林省重點科技攻關(guān)項目（20130206018NY）

王瑞麗，女，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，110161。Email：wangruili@syau.edu.cn

※通信作者：竇 森,男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤有機質(zhì)和秸稈還田研究。長春 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，130118。

Email：dousen1959@126.com