齒盤式秸稈移位裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

孫萌萌，宋明翰，何瑞銀，魏清

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031；2.南京市高淳區(qū)禾田坊谷物種植家庭農(nóng)場(chǎng)，南京市，211302)

0 引言

保護(hù)性耕作被稱為一項(xiàng)革命性的農(nóng)業(yè)技術(shù)，是全世界應(yīng)用面積最大的農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[1-3]。免耕播種機(jī)是保護(hù)性耕作技術(shù)中的重要機(jī)具[4]，而秸稈移位裝置又是免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到播種質(zhì)量。秸稈移位裝置能夠清理種床，提高播種機(jī)的田間通過性以及播種質(zhì)量[5]。目前秸稈移位裝置主要分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。主動(dòng)型適用于作業(yè)速度較高情況下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性低[6-8]。被動(dòng)型主要有圓盤式[9]和齒盤撥草式[10-11]，其中圓盤式工作時(shí)需要增加垂直載荷才能完成破茬作業(yè)，存在土壤擾動(dòng)大、工作阻力大、功耗大等問題。齒盤撥草式裝置是旋轉(zhuǎn)齒盤在作業(yè)時(shí)可以使種帶上的秸稈推移、撥動(dòng)、挑起、最終排放至種帶兩側(cè)，以此來實(shí)現(xiàn)“潔區(qū)”播種功能，對(duì)土壤的擾動(dòng)量較小，通常安裝于免耕播種機(jī)前部。曹鑫鵬等[12]對(duì)玉米免耕播種機(jī)的側(cè)置切刀與撥茬齒盤進(jìn)行性能分析，確定影響清茬的主要因素并運(yùn)用EDEM仿真進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，進(jìn)一步提高清茬性能。目前齒盤撥草式裝置在國外運(yùn)用較為廣泛，針對(duì)我國油菜種植時(shí)秸稈覆蓋量大的問題，目前還難以適用，故還未大面積推廣。本文對(duì)齒盤式的秸稈移位裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足油菜播種要求，運(yùn)用EDEM進(jìn)行仿真分析，得到齒盤工作的最佳參數(shù)組合，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 秸稈移位裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計(jì)的齒盤式秸稈移位裝置(圖1)，輪齒均勻分布于齒盤周圍，該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的壓、挑、撥、排放等作業(yè)過程，齒盤式秸稈移位裝置呈現(xiàn)“八”字型排列，具有撥草與分草兩種功能。

圖1 秸稈移位裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of straw displacement device1.限位調(diào)節(jié)螺栓 2.開溝器立柱 3.銷軸 4.連接擺臂 5.齒盤

該裝置由齒盤、連接臂、限位螺桿、限位彈簧等部件組成，其中限位彈簧是為了保證該裝置在實(shí)際工作中遇到地表起伏不平情況時(shí)能夠具有一定的入土深度，使裝置具有仿形功能，保證種床清秸質(zhì)量。該裝置通過限位螺母安裝在機(jī)架上，隨著機(jī)具前進(jìn)而開始回轉(zhuǎn)作業(yè)，達(dá)到清理種床的功能。

2 秸稈移位裝置的運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)具正常作業(yè)時(shí)，兩個(gè)齒盤呈現(xiàn)“八”字型排列，齒盤運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)以齒盤中心為原點(diǎn)，構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系，其中x軸平行于齒盤平面，y軸垂直于齒盤平面，z軸垂直于水平面。秸稈移位裝置齒盤平面運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示，其中機(jī)具的前進(jìn)速度為v，齒盤的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)o的運(yùn)動(dòng)軌跡與機(jī)具的前進(jìn)軌跡一致，運(yùn)動(dòng)偏角γ為齒盤運(yùn)動(dòng)過程中齒盤與前進(jìn)方向的夾角。當(dāng)機(jī)具以速度v勻速工作時(shí)，齒盤處最低點(diǎn)a點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程如式(1)所示。

圖2 齒盤運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of motion analysis

(1)

式中：v——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；

γ——齒盤運(yùn)動(dòng)偏角，(°)；

ω——齒盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

R——齒盤半徑，m。

齒盤輪齒上的任意一點(diǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)為螺旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，由圖3所示，假設(shè)齒盤隨著機(jī)具工作轉(zhuǎn)動(dòng)了一圈，那么其中心由a點(diǎn)移動(dòng)到了b點(diǎn)，此過程可以視為齒盤由a點(diǎn)滾動(dòng)到了c點(diǎn)，再由c點(diǎn)滑動(dòng)到了b點(diǎn)兩個(gè)過程。其中ac為齒盤的滾動(dòng)距離，bc為齒盤的滑動(dòng)距離，當(dāng)ac距離一定時(shí)，bc距離越大，秸稈的側(cè)向移位就越明顯。bc距離與γ相關(guān)，在0～45°的范圍中，位移偏角越大，秸稈的側(cè)向移位越明顯。因此，前進(jìn)速度v與位移偏角γ是影響秸稈移位效果的重要因素之一。

圖3 ozy平面中點(diǎn)的運(yùn)行軌跡Fig.3 Locus of the midpoint in ozy plane

3 秸稈移位裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 齒盤傾向

齒盤作業(yè)是通過齒盤齒爪在前進(jìn)過程中將接觸到的秸稈撥向兩側(cè)，完成秸稈移位功能。當(dāng)齒盤前進(jìn)方向恒定時(shí)，齒盤排列方式可依據(jù)齒爪的方向與速度方向是否一致分為前傾排列與后傾排列，如圖4所示。

前傾排列的齒盤低速作業(yè)情況下，齒爪撿拾的秸稈無法拋出，從爪間自動(dòng)落下；齒盤在高速作業(yè)情況下，秸稈及雜草在齒爪間會(huì)發(fā)生自鎖，不會(huì)被拋出也不會(huì)掉落。齒盤傾向?yàn)楹髢A方式時(shí)，傾角增加有利于秸稈及雜草外拋，秸稈及雜草越接近齒盤輪爪端部，向外拋送所滿足的角速度越低，越易脫茬[13]，一般拋擲性能機(jī)具均布置成后傾形式。

(a)前傾

3.2 齒盤位移偏角

齒盤的嚙合高度h是兩齒盤嚙合點(diǎn)距離地面的高度，對(duì)移位秸稈效果有著重要的影響。齒盤的設(shè)計(jì)過程中，嚙合點(diǎn)高度一般應(yīng)略小于田間秸稈的覆蓋高度H[14]，當(dāng)h>H時(shí)，部分秸稈往往會(huì)由兩齒盤縫隙之中遺漏，無法到達(dá)理想的清秸效果；當(dāng)h

當(dāng)水稻收獲后，假設(shè)秸稈均勻鋪設(shè)于地表，本文不考慮秸稈殘茬對(duì)覆蓋高度的影響，水稻秸稈的覆蓋高度一般在80～100 mm，如圖5所示。為了適應(yīng)不同覆蓋量的秸稈覆蓋高度，嚙合高度h取值為80 mm。

圖5 田間秸稈覆蓋高度Fig.5 Straw covers height in the field

我國保護(hù)性耕作中，條帶幅寬在10～15 cm之間，由式(2)可得，工作幅寬b與位移偏角γ、齒盤半徑R之間的函數(shù)關(guān)系。

(2)

為探究齒盤半徑R、位移偏角γ對(duì)工作幅寬的影響關(guān)系，對(duì)式(2)分別進(jìn)行求導(dǎo)得

(3)

(4)

為探究齒盤半徑R、位移偏角γ對(duì)工作幅寬的影響程度，將式(3)、式(4)相除，得到

(5)

圖6 工作幅寬與位移偏角、齒盤半徑的曲線關(guān)系Fig.6 Curve relationship between working width,displacement deflection angle and tooth disc radius

因此，半徑R的變化產(chǎn)生的幅寬變化程度相對(duì)于位移偏角γ變化產(chǎn)生的幅寬變化可以忽略不計(jì)，故將半徑R看作常量，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

D=kd

(6)

式中：D——齒盤直徑，cm；

d——入土深度，cm；

k——徑深比。

查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得齒盤徑深比k為5～7，取入土深度為2～4 cm，齒盤直徑取20 cm，將數(shù)據(jù)代入式(2)中得到位移偏角的取值為10.2°～32.5°之間。

3.3 齒盤形狀

圖7 超高分子聚乙烯材料打印實(shí)物Fig.7 Ultra-high molecular weight polyethylene material printing material

依據(jù)撥草輪的設(shè)計(jì)要求，齒數(shù)通常為8～14齒的要求，參照同類機(jī)型，選用輪齒數(shù)目為12齒，選用超高分子聚乙烯制作，如圖7所示。

4 EDEM仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)探究前進(jìn)速度、位移偏角對(duì)于秸稈清除效果的影響，并確定機(jī)具前進(jìn)速度、位移偏角的最優(yōu)參數(shù)組合。

4.1 秸稈移位裝置與秸稈—土壤模型構(gòu)建

齒盤—秸稈—土壤之間的相互作用機(jī)理對(duì)于機(jī)構(gòu)秸稈清理的作業(yè)過程分析至關(guān)重要。擬定秸稈移位裝置的作業(yè)條件為秸稈粉碎還田、地表秸稈長度均勻、秸稈覆蓋均勻，依據(jù)秸稈還田的技術(shù)要求，秸稈的長度通常為5～12 cm。將SolidWorks軟件中繪制的秸稈移位裝置模型(圖8)、土槽模型轉(zhuǎn)換成STEP格式導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖9所示。仿真條件設(shè)定為：土壤顆粒為直徑8 mm球型[15]，如圖10所示，秸稈顆粒為直徑16 mm的顆粒模型，通過8個(gè)直徑為16 mm的秸稈顆粒以球心間隔8 mm構(gòu)建秸稈模型[16]，如圖11所示。

圖8 秸稈移位裝置模型Fig.8 Straw displacement device model

圖9 秸稈—土壤模型Fig.9 Straw soil model

圖10 土壤顆粒模型Fig.10 Soil particle model

圖11 秸稈模型Fig.11 Straw model

依據(jù)條帶油菜播種機(jī)前進(jìn)速度以及位移偏角等因素設(shè)置秸稈移位裝置的仿真時(shí)長，待秸稈—土壤土槽模型鋪設(shè)完成后，將秸稈移位裝置導(dǎo)入EDEM模型的一端，調(diào)節(jié)齒盤的觸土深度d=2 cm，設(shè)定裝置的前進(jìn)速度、位移偏角。

4.2 秸稈移位裝置仿真的主要參數(shù)

仿真模擬參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模擬參數(shù)表Tab.1 Tab of simulation parameters

EDEM仿真時(shí)所需的一些物理和力學(xué)參數(shù)依據(jù)參考文獻(xiàn)[17]設(shè)定，其中包括：秸稈、土壤、齒盤三者兩兩之間的恢復(fù)系數(shù)、摩擦因素以及各材料本征參數(shù)。本文秸稈—土壤—秸稈移位裝置的接觸方式均為剛性物體的低速碰撞，恢復(fù)系數(shù)僅和材料本身有關(guān)。

4.3 仿真結(jié)果與分析

以機(jī)具的前進(jìn)速度、位移偏角為因素，前進(jìn)速度的取值為0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s，位移偏角的取值為10°、20°、30°，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來尋求最佳的參數(shù)組合，正交試驗(yàn)表如表2所示。

表2 因素編碼表Tab.2 Factor coding table

仿真試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。運(yùn)用Design-expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，方差分析的結(jié)果如表4所示。模型的P值為0.000 1，則模型顯著。由表4中各項(xiàng)因素的P值可以看出，機(jī)具的前進(jìn)速度、位移偏角對(duì)秸稈清除率均有顯著影響。

昨日歡聚，今朝又赴前程，歷史的車輪駛進(jìn)2019。這是一個(gè)“船到中流浪更急，人到半山路更陡的時(shí)候，是一個(gè)愈進(jìn)愈難、愈進(jìn)愈險(xiǎn)而又不進(jìn)則退、非進(jìn)不可的時(shí)候”，也注定了2019年又是一個(gè)新時(shí)代的開篇之年。

表3 仿真試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Simulation test scheme

表4 方差分析結(jié)果Tab.4 ANOVA results

運(yùn)用Design-expert軟件繪制響應(yīng)曲面圖如圖12所示，可以看出，秸稈清除率與位移偏角以及前進(jìn)速度均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，位移偏角越大，裝置的秸稈清除效果越好；當(dāng)位移偏角一定時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度越大，裝置的秸稈清除效果越好。當(dāng)前進(jìn)速度為0.6 m/s、位移偏角為30°時(shí)秸稈清除率達(dá)到最大值64.70%；當(dāng)前進(jìn)速度為0.4 m/s、位移偏角為10°時(shí)秸稈清除率達(dá)最小值35.63%。

圖12 響應(yīng)面圖Fig.12 Response surface graph

5 臺(tái)架試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用秸稈為華粳5水稻秸稈，試驗(yàn)前對(duì)秸稈進(jìn)行人工處理，均勻剪成長度為8 cm，通過試驗(yàn)測(cè)定秸稈的物理特性如下：含水率為18.5%、秸稈密度為895.7 g/m2；測(cè)定0～5 cm的土壤含水率為28.54%，土壤容重為1.29 g/cm3，土壤堅(jiān)實(shí)度為165.3 kPa；前進(jìn)速度、位移偏角取仿真試驗(yàn)中裝置最佳組合，對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

在裝置作業(yè)后的地表上，沿著條帶區(qū)域隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn)，測(cè)量條帶上地表秸稈質(zhì)量，試驗(yàn)重復(fù)3次，共計(jì)15個(gè)測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行秸稈清除率的計(jì)算，故本裝置的秸稈清除率即為所測(cè)點(diǎn)處秸稈清除率的平均值。

(7)

(8)

式中：ni——測(cè)量點(diǎn)的秸稈清除率，%；

k1——機(jī)具作業(yè)前種床上秸稈質(zhì)量，g；

k2——機(jī)具作業(yè)后種床上秸稈質(zhì)量，g。

5.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備及工具包括：卷尺、電子天平(精度0.01 g)、滑軌式試驗(yàn)臺(tái)(圖13)、秒表等。

圖13 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.13 Test bench

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從表5可以看出，當(dāng)裝置參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.6 m/s、位移偏角30°時(shí)，秸稈清除率為60.69%，由于田間實(shí)際的作業(yè)條件以及秸稈的物理特性與仿真模型存在偏差，因此臺(tái)架試驗(yàn)基本符合仿真試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。

表5 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Tab.5 Measurement results of arrangement test %

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種齒盤式的秸稈移位裝置，通過對(duì)齒盤的運(yùn)動(dòng)分析，確定了影響秸稈清理的關(guān)鍵因素。通過文獻(xiàn)比較、計(jì)算分析確定了齒盤的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，其嚙合高度為80 mm，齒盤厚度為6 mm，齒數(shù)為12，位移偏角為30°，保證了秸稈的清理效果。

2)利用離散元仿真，確定了裝置秸稈清除效果的最佳參數(shù)組合是為機(jī)具前進(jìn)速度0.6 m/s、齒盤位移偏角30°，此時(shí)秸稈清除率為64.7%。

3)通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證表明當(dāng)前進(jìn)速度為0.6 m/s，位移偏角30°時(shí)秸稈清除率為60.69%，與仿真結(jié)果基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。