非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 超，劉從京，李洪文，王慶杰，何 進(jìn)，盧彩云

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非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 超，劉從京，李洪文※，王慶杰，何 進(jìn)，盧彩云

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為解決東北一年一熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地免耕播種玉米存在的秸稈覆蓋量大導(dǎo)致機(jī)具堵塞嚴(yán)重和雙圓盤開溝器入土困難等問題，該文設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置，該裝置采用大、小圓盤一前一后非對(duì)稱設(shè)置，大圓盤預(yù)先切割秸稈、殘茬，小圓盤完成秸稈撥離并開出種溝，為玉米免耕播種提供清潔種床。無秸稈覆蓋下的EDEM離散元仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，預(yù)先驗(yàn)證了開溝裝置的作業(yè)性能。秸稈覆蓋下的田間試驗(yàn)表明：該裝置在秸稈覆蓋條件下仍可實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定可靠的開溝效果，平均開溝深度為71.41 mm，平均開溝寬度為38.27 mm，滿足玉米免耕播種作業(yè)要求；不同秸稈覆蓋條件下，該裝置作業(yè)流暢、種溝整潔，無明顯堵塞和連續(xù)晾仔、斷條現(xiàn)象，切茬、入土性能良好。該研究可為玉米少免耕播種開溝裝置的改進(jìn)及研發(fā)提供理論支持和技術(shù)基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；圓盤開溝裝置；非對(duì)稱式

0 引 言

開溝器是播種機(jī)的主要土壤工作部件，能夠根據(jù)農(nóng)藝要求在種床上開出一定深度的種肥溝，引導(dǎo)種子、肥料落入，為種子發(fā)芽和作物生長(zhǎng)提供良好環(huán)境[1-2]。保護(hù)性耕作條件下，土壤表面秸稈覆蓋量大，要求少免耕開溝器應(yīng)具備良好的破茬、防堵及種帶清理功能[3]，且開出的溝形深度、溝寬均勻一致[4]。

中國東北玉米種植區(qū)秸稈覆蓋量大、殘茬多，采用銳角開溝器（如尖角式、穴式等）雖入土性能好，但對(duì)土壤擾動(dòng)量大不利于農(nóng)田保水保墑且易纏繞秸稈[5-6]，而鈍角開溝器（如滑推式、滑刀式、圓盤式等）具備動(dòng)土量小、耕作阻力低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，適宜東北一年一熟區(qū)秸稈覆蓋條件下的玉米免耕播種開溝作業(yè)。趙淑紅等[10]針對(duì)播種開溝器回土能力差、開溝深度不均勻的問題，根據(jù)滑推原理設(shè)計(jì)了一種滑推式開溝器。顧耀權(quán)等[11]為提高滑刀式開溝器的入土性能、減少堵塞，進(jìn)行了滑刀式開溝器的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。莊健等[12]為提高全秸稈覆蓋條件下東北黑土區(qū)玉米免耕播種性能，設(shè)計(jì)了一種具有滑刀式缺口的單圓盤開溝器，該開溝器具有良好的入土和破茬性能。

雙圓盤開溝器相對(duì)其它鈍角開溝器具有作業(yè)性能穩(wěn)定、開溝后上下土層相混現(xiàn)象少等優(yōu)點(diǎn)，但存在入土能力差、秸稈堵塞的問題，需采用較大的正壓力和配重輔助入土，尤其當(dāng)?shù)乇斫斩捀采w量較大時(shí)，雙圓盤開溝器將秸稈壓入溝內(nèi)而無法進(jìn)行有效切斷，造成播種后的晾籽、架空以及堵塞等現(xiàn)象[13-15]，影響后續(xù)播種作業(yè)質(zhì)量。

針對(duì)中國東北一年一熟區(qū)玉米免耕播種時(shí)地表秸稈覆蓋量大，現(xiàn)有雙圓盤開溝器切茬、入土效果差等問題，該文設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置，并將其安裝在玉米免耕播種機(jī)機(jī)架上進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)，以期為玉米少免耕播種機(jī)的研發(fā)提供理論支持和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 開溝裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 開溝裝置結(jié)構(gòu)

非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

注：v為開溝器水平運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1。

非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置主要由支架、直軸、斜軸、大圓盤和小圓盤組成。大圓盤、小圓盤分別通過直軸、斜軸與支架構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，且在支架上斜軸設(shè)置于直軸的后下方，使得大圓盤和小圓盤一前一后非對(duì)稱設(shè)置的同時(shí)大、小圓盤的最底端位于同一水平面。大圓盤豎直設(shè)置，其工作傾角和工作偏角均為0°；小圓盤與大圓盤采用非共軸傾斜設(shè)置，且小圓盤的工作傾角、工作偏角分別為8°、12°。

1.2 工作原理

非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置安裝在玉米免耕播種機(jī)機(jī)架上，作業(yè)時(shí)，播種機(jī)在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下前進(jìn)，前面大圓盤的邊緣首先接觸前部秸稈并在機(jī)具重力作用下切斷種帶內(nèi)的玉米秸稈和殘茬，防止秸稈堵塞機(jī)具。同時(shí)，非對(duì)稱傾斜設(shè)置在后的小圓盤隨大圓盤滾動(dòng)前進(jìn)，將大圓盤切斷的碎秸稈、殘茬撥離并開出種溝，為玉米免耕播種提供清潔種床。

2 圓盤設(shè)計(jì)

2.1 圓盤直徑

非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置中大圓盤預(yù)先切割秸稈，小圓盤清理種溝，大、小圓盤整體結(jié)構(gòu)相同，但因開溝作業(yè)時(shí)的功能不同而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生差異，現(xiàn)通過單個(gè)圓盤與秸稈的作用關(guān)系進(jìn)行分析說明。

以玉米秸稈為研究對(duì)象，分析其與圓盤接觸瞬間的受力情況，如圖2所示。

注：OP為圓盤中心；OJ為玉米秸稈中心；v為開溝器水平運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1；ωP為圓盤角速度，rad·s-1；α為壓力角，（°）；h為開溝深度，mm；FT為圓盤對(duì)秸稈的作用力，N；FN為地面對(duì)秸稈的支撐力，N；G1為秸稈重力，N；f1為圓盤對(duì)秸稈的摩擦力，N；f2為地面對(duì)秸稈的摩擦力，N。

由玉米秸稈靜力平衡分析可知

由幾何關(guān)系可得

式中為圓盤直徑，mm；為玉米秸稈直徑，mm。

若玉米秸稈被圓盤切斷且不發(fā)生推動(dòng)遷移和堵塞，需滿足

引入玉米秸稈與圓盤的摩擦角1、玉米秸稈與地表的摩擦角2，聯(lián)立式（1）、式（2）和式（3）可得

針對(duì)中國東北一年一熟區(qū)，玉米秸稈平均直徑為31 mm[16-18]，玉米秸稈根茬的最大直徑處平均深度為78 mm，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量該次設(shè)計(jì)取秸稈直徑=35 mm；圓盤開溝時(shí)的入土深度不宜過大，否則會(huì)因無法切斷地表秸稈而造成機(jī)器堵塞[19-21]，本文設(shè)計(jì)取開溝深度=80 mm。玉米秸稈與鋼板的摩擦角為23°～33°[22]，考慮到極限情況，計(jì)算中取最大值1=33°?？紤]到該裝置主要用于干旱地區(qū)的免耕播種開溝作業(yè)，表層土壤濕度（約為7%）較低，經(jīng)測(cè)定玉米秸稈與地表的平均摩擦角2為30°。綜合上述參數(shù)，由式（4）可得圓盤直徑≥360 mm。

開溝作業(yè)時(shí)，圓盤切割秸稈的瞬時(shí)速度分析，如圖3所示。分析中近似認(rèn)為圓盤運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，以點(diǎn)為瞬時(shí)切割圓心，以r為瞬時(shí)切割半徑，建立秸稈切割的數(shù)學(xué)模型[23-24]。

注：A為瞬時(shí)切割圓心；B為圓盤與秸稈的瞬時(shí)接觸點(diǎn)；C為點(diǎn)B在徑線OPA上的投影點(diǎn)；α為壓力角，（°）；ωAB為以A點(diǎn)為圓心的瞬時(shí)切割角速度，rad·s-1；vB為以A點(diǎn)為圓心的瞬時(shí)切割線速度，m·s-1。

由圓盤切割秸稈的瞬時(shí)速度關(guān)系分析，可得

式中r為瞬時(shí)切割半徑，mm。

由幾何關(guān)系分析可得

點(diǎn)處瞬時(shí)切割角速度和圓盤角速度的大小相等，即

聯(lián)立式（2）、（5）、（6）、（7）得

將開溝深度=80 mm、秸稈直徑=35 mm帶入式（8）得

由式（9）可知，在圓盤角速度ω一定的條件下，圓盤切割玉米秸稈的瞬時(shí)切割線速度v與圓盤直徑成正相關(guān)，即圓盤直徑越大，圓盤對(duì)秸稈的切割效果越好，圓盤開溝后種子架空、晾種現(xiàn)象越少。由式（2）可知，當(dāng)開溝深度、秸稈直徑為確定值時(shí)，圓盤直徑越大則壓力角越小，增大圓盤直徑有利于切斷地表覆蓋的玉米秸稈；但圓盤直徑過大，會(huì)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)及機(jī)架高度產(chǎn)生限制，設(shè)計(jì)中通常取430～460 mm[25-27]。

大圓盤對(duì)種帶內(nèi)的秸稈、殘茬進(jìn)行切斷，需具備較強(qiáng)切割能力，結(jié)合上述分析，取大圓盤直徑為設(shè)計(jì)中的最大值460 mm，即大圓盤直徑1=460 mm；小圓盤通過傾斜設(shè)置和滾動(dòng)完成種溝內(nèi)碎秸稈、殘茬的撥離，僅需具備基本切割性能以增加強(qiáng)裝置防堵型能，故小圓盤直徑2取前述圓盤直徑的最小值360 mm，2=360 mm。

2.2 聚點(diǎn)位置

聚點(diǎn)位置夾角為圓盤中心與聚點(diǎn)連線、圓盤中心與圓盤最底部端點(diǎn)連線所構(gòu)成的夾角。聚點(diǎn)為大、小圓盤的交點(diǎn)，由于采用非對(duì)稱設(shè)置，聚點(diǎn)位于小圓盤前部邊緣和大圓盤的定位圓上（以大圓盤1為圓心，以1為半徑的圓為大圓盤上過聚點(diǎn)的定位圓），大、小圓盤聚點(diǎn)的位置角不同，需分別設(shè)計(jì)求解。

注：O為空間直角坐標(biāo)系O-xyz的坐標(biāo)原點(diǎn)；O1為大圓盤圓心；O2為小圓盤圓心；為大圓盤角速度，rad·s-1；為小圓盤角速度，rad·s-1；E為小圓盤與平面xOy的接觸點(diǎn)；K為大圓盤與平面xOy的接觸點(diǎn)；M為大、小圓盤的聚點(diǎn)；M1為聚點(diǎn)M在O1K上的投影點(diǎn)；M2為聚點(diǎn)M在O2E上的投影點(diǎn)；M2T為點(diǎn)M2在平面xOy上的投影點(diǎn)；O2T為點(diǎn)O2在平面xOy上的投影點(diǎn)；β1為大圓盤的聚點(diǎn)位置角，(°)；β2為小圓盤的聚點(diǎn)位置角，(°)；為大、小圓盤夾角，(°)；θ為小圓盤的工作傾角，(°)；ψ為小圓盤的工作偏角，(°)。

如圖4所示，設(shè)大、小圓盤位于同一空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，且大、小圓盤的最底端均位于平面內(nèi)，設(shè)軸正向?yàn)殚_溝方向，軸為溝型橫斷面方向，垂直地面向上為軸正向。為準(zhǔn)確描述聚點(diǎn)位置，設(shè)大圓盤內(nèi)，以大圓盤圓心1為圓心，以1為半徑的圓為聚點(diǎn)在大圓盤上的定位圓。

以大圓盤1為對(duì)象，分析聚點(diǎn)幾何位置關(guān)系得

式中1為大圓盤半徑，mm；定為定位圓半徑，mm。

根據(jù)前期試驗(yàn)分析，該設(shè)計(jì)中小圓盤的工作傾角（小圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)平面與豎直面間的夾角）=8°，小圓盤與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角即工作偏角（小圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)平面與開溝作業(yè)前進(jìn)方向間的夾角）=12°，大、小圓盤的聚點(diǎn)的高度等于最大開溝深度。此外，為保證大圓盤具備良好的秸稈切割性能，結(jié)合作業(yè)區(qū)域玉米秸稈直徑取值，本文設(shè)計(jì)中取定=190 mm，同時(shí)將=80 mm、1=230 mm帶入式（10），可得1=38°。因此，聚點(diǎn)位于大圓盤內(nèi)半徑為190 mm的定位圓上且大圓盤聚點(diǎn)的位置角為38°。

以小圓盤圓心2為對(duì)象，分析幾何關(guān)系得

由式（11）整理得

式中2為小圓盤半徑，mm。

將=80 mm、=8°、2=180 mm帶入式（12）可得2=56°，即聚點(diǎn)位于小圓盤的圓周線上且小圓盤聚點(diǎn)的位置角為56°。

2.3 開溝寬度

小圓盤傾斜設(shè)置以開出種溝。為構(gòu)建開溝寬度與開溝深度的數(shù)學(xué)模型，以小圓盤圓心2為坐標(biāo)原點(diǎn)，軸正向?yàn)殚_溝方向，軸為溝型橫斷面方向，垂直地面向上為軸正向建立空間直角坐標(biāo)系，如圖5所示。

平面內(nèi)，小圓盤圓心2在初始位置的方程為

設(shè)點(diǎn)1（1，0，1）為小圓盤上的任一點(diǎn)，則點(diǎn)1繞軸正向旋轉(zhuǎn)=8°，得點(diǎn)2為

小圓盤半徑2在軸上的投影大小為

式中2z為2在軸上的空間投影，mm。

點(diǎn)2繞軸正向旋轉(zhuǎn)=12°，得點(diǎn)3為

點(diǎn)3沿軸正向平移2z，得點(diǎn)4為

注：O22為空間坐標(biāo)變換后小圓盤圓心；R2為小圓盤半徑，mm；SDI為平面xOz內(nèi)的小圓盤；SDII為旋轉(zhuǎn)θ角度后的小圓盤；SDIII為旋轉(zhuǎn)ψ角度后的小圓盤；SDIV為沿z軸平移后的小圓盤；P1為平面xOz內(nèi)的小圓盤上任意一點(diǎn)；P2為P1旋轉(zhuǎn)θ角度后的點(diǎn)；P3為P2旋轉(zhuǎn)ψ角度后的點(diǎn)；P4為P3沿z軸平移后的點(diǎn)。

小圓盤隨點(diǎn)空間坐標(biāo)變換后，小圓盤最底端位于面2，令4=，4=，聯(lián)立式（13）、式（14）、式（15）、式（16）、式（17）可得小圓盤開溝后溝形橫斷面參數(shù)方程

3 離散元仿真試驗(yàn)

3.1 離散元仿真模型建立

為預(yù)先驗(yàn)證非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的開溝性能，運(yùn)用離散元法進(jìn)行非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置作用下的開溝仿真試驗(yàn)，暫不考慮秸稈覆蓋影響。選用Hysteretic Spring接觸模型和Linear Cohesion接觸模型為土壤顆粒間接觸模型，本研究通過試驗(yàn)測(cè)定、文獻(xiàn)查閱和參數(shù)標(biāo)定的方法得到離散元仿真參數(shù)[29-31]。應(yīng)用EDEM建立1000 mm（長(zhǎng)）×300 mm（寬）×200 mm（高）離散元無秸稈覆蓋的土壤模型，并將應(yīng)用Solidworks軟件創(chuàng)建的非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置幾何仿真模型導(dǎo)入，得到的開溝仿真模型如圖6所示。設(shè)定開溝深度為80 mm，前進(jìn)速度為6 km/h，假設(shè)圓盤運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，則大圓盤驅(qū)動(dòng)速度為71 r/min，小圓盤驅(qū)動(dòng)速度為92 r/min。在保證開溝裝置仿真過程連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，設(shè)定仿真時(shí)間步長(zhǎng)為1.5×10-6s，仿真總時(shí)間為3.5 s，網(wǎng)格單元尺寸為3倍最小顆粒半徑。

圖6 非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置開溝仿真模型

3.2 離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果

為便于數(shù)據(jù)處理并得到準(zhǔn)確的溝形參數(shù)，取垂直于作業(yè)方向的開溝橫截切面，分析其中各點(diǎn)顆粒坐標(biāo)的位置，并用離散元生成圖形。仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

注：bF為仿真開溝寬度，mm；hF為仿真開溝深度，mm。

由圖7可知，仿真試驗(yàn)條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的仿真開溝深度h約為74.78 mm，比理論值低約6.5%；仿真開溝寬度b約為39.74 mm，比理論值高約13.5%。其原因?yàn)橥寥谰哂幸欢◤椥宰冃危瑫r(shí)因小圓盤的傾斜切土作用，部分溝邊土壤回落導(dǎo)致開溝深度變小、開溝寬度增加。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用內(nèi)蒙古長(zhǎng)明機(jī)械有限公司生產(chǎn)的玉米免耕播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，如圖8所示。該播種機(jī)主要包括機(jī)架、動(dòng)力輪、種箱等，將本文研制的非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置安裝于此播種機(jī)上進(jìn)行開溝作業(yè)，播種機(jī)配套動(dòng)力為世紀(jì)紅1104輪式拖拉機(jī)。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引播種機(jī)前進(jìn)，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置完成種帶清理、開溝及播種作業(yè)，種箱排種由動(dòng)力輪驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)用玉米免耕播種機(jī)主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。其他主要儀器：游電子標(biāo)卡尺（勒塔實(shí)業(yè)有限公司）、卷尺（得力集團(tuán)有限公司）。

圖8 非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置田間試驗(yàn)

表1 試驗(yàn)用玉米免耕播種機(jī)主要作業(yè)參數(shù)

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間為2017年4月，地點(diǎn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧城縣長(zhǎng)明機(jī)械有限公司機(jī)具試驗(yàn)田（東經(jīng)118°～120°、北緯39°～40°），試驗(yàn)土壤類型為砂壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度為119 kPa，土壤含水率為12.3%（0～10 cm），試驗(yàn)田地表有前茬玉米秸稈覆蓋。

4.3 試驗(yàn)方法

4.3.1 防堵性能

防堵性能是反映免耕播種機(jī)工作可靠性的重要指標(biāo)之一，秸稈堵塞情況可分為3種[32-33]，即

1）輕度堵塞。免耕播種機(jī)被秸稈和雜草堵塞，出現(xiàn)小于0.5 m的連續(xù)晾籽、斷條現(xiàn)象。

2）中度堵塞。免耕播種機(jī)被秸稈和雜草堵塞，出現(xiàn)大于0.5 m小于1.5 m的連續(xù)晾籽、斷條現(xiàn)象。

3）重度堵塞。免耕播種機(jī)被秸稈和雜草堵塞，出現(xiàn)大于1.5 m的連續(xù)晾籽、斷條現(xiàn)象。

為充分測(cè)試非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的防堵性能，玉米免耕播種試驗(yàn)分別以2種不同作業(yè)速度（4 km/h、6 km/h），在玉米秸稈整稈覆蓋、少量覆蓋（0.66 kg/m2）、中量覆蓋（1.64 kg/m2）、大量覆蓋（2.18 kg/m2）四種不同玉米秸稈覆蓋量地塊（如圖9所示）進(jìn)行玉米免耕播種作業(yè)，每次作業(yè)距離60 m，往返作業(yè)1個(gè)行程，觀測(cè)裝置是否發(fā)生堵塞并用卷尺測(cè)量相鄰籽粒間的間距（每個(gè)作業(yè)測(cè)量重復(fù)3次）判斷是否有連續(xù)晾籽、斷條現(xiàn)象，最后根據(jù)前述對(duì)裝置堵塞程度進(jìn)行歸類。

圖9 不同玉米秸稈還田覆蓋量地況

4.3.2 開溝性能

選取無秸稈覆蓋、玉米秸稈中量覆蓋（1.64 kg/m2）2塊試驗(yàn)田，每塊試驗(yàn)田內(nèi)分別隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)試區(qū)（長(zhǎng)200 m、寬20 m）。在每個(gè)測(cè)試區(qū)內(nèi)，以6 km/h的作業(yè)速度穩(wěn)定前進(jìn)，隨機(jī)選取10個(gè)開溝測(cè)量點(diǎn)，分別測(cè)量每個(gè)點(diǎn)玉米播種的開溝深度和開溝寬度，并求出各區(qū)的測(cè)量平均值及方差。

開溝深度計(jì)算公式為

式中h為第測(cè)試區(qū)的平均開溝深度，mm；h為第測(cè)試區(qū)的第個(gè)點(diǎn)的開溝深度，mm；n為第測(cè)試區(qū)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)；S2為第測(cè)試區(qū)的開溝深度方差。

開溝寬度計(jì)算公式為

式中b為第測(cè)試區(qū)的平均開溝寬度，mm；b為第測(cè)試區(qū)的第個(gè)點(diǎn)的開溝寬度，mm；S2為第測(cè)試區(qū)的開溝寬度方差。

4.4 結(jié)果與分析

4.4.1 防堵性能

試驗(yàn)過程中非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的秸稈堵塞情況測(cè)定結(jié)果如表2所示。

由表2可知，2種不同作業(yè)速度條件下，在不同秸稈覆蓋地，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置整體作業(yè)流暢、沒有出現(xiàn)明顯堵塞情況，顯示出良好的切茬、入土性能。作業(yè)過程中，雖有少量秸稈掛在開溝器前方，但能自動(dòng)脫落（6 km/h高速作業(yè)時(shí)的脫落效果優(yōu)于4 km/h條件下的脫落效果），因此并未發(fā)生明顯持續(xù)堵塞現(xiàn)象，同時(shí)種溝清整效果良好，在秸稈覆蓋地沒有出現(xiàn)連續(xù)晾仔和斷條情況。圖10所示為大量秸稈覆蓋條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置高速（6 km/h）作業(yè)后的開溝播種作業(yè)效果，種溝內(nèi)秸稈少、玉米種子落入溝內(nèi)土壤，未出現(xiàn)連續(xù)晾籽、斷條情況，防堵性能較好。

表2 秸稈堵塞情況測(cè)定結(jié)果

圖10 非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置高速作業(yè)效果

4.4.2 開溝性能

無秸稈覆蓋條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的田間開溝試驗(yàn)效果如圖11所示。

圖11 非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置田間開溝試驗(yàn)效果

無秸稈覆蓋條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

由表3的結(jié)果對(duì)比可知，田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)開溝深度相差2.15 mm、開溝寬度相差1.62 mm。無秸稈試驗(yàn)田在前茬作物收獲后完成了土壤耕整作業(yè)，因此區(qū)域內(nèi)耕作層土壤相對(duì)疏松、細(xì)碎，田間試驗(yàn)時(shí)在機(jī)具振動(dòng)、摩擦作用下溝邊土壤滑移、塌落，導(dǎo)致實(shí)際開溝深度減小和開溝寬度增加；離散元開溝土壤模型為土壤顆粒，未考慮土壤內(nèi)的根茬及秸稈，導(dǎo)致誤差?？傮w而言，虛擬仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果基本一致，無秸稈覆蓋條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置能夠?qū)崿F(xiàn)較好的開溝作業(yè)效果。

表3 田間試驗(yàn)與離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

中量秸稈覆蓋條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的開溝性能試驗(yàn)結(jié)果，如圖12所示。在測(cè)試區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ內(nèi)，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置的平均開溝深度為71.41 mm、平均開溝寬度為38.27 mm，由于溝邊土壤的塌落，分別比理論開溝深度80 mm低約10.7%、比理論開溝寬度35 mm高9.3%，相對(duì)于雙圓盤開溝器需在較大單項(xiàng)載荷（2.7~3.5 kN）下實(shí)現(xiàn)相近開溝深度[34]，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置顯示出良好的入土、開溝性能。開溝裝置的開溝深度在68.4～77.3 mm、開溝寬度在35.1～41.8 mm內(nèi)呈均勻波動(dòng)變化，測(cè)試區(qū)內(nèi)開溝深度（方差為0.03）和開溝寬度（方差為0.02）的均勻波動(dòng)變化范圍較小，說明該非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置在田間玉米秸稈中量覆蓋條件下運(yùn)行平穩(wěn)，能夠保持穩(wěn)定的開溝作業(yè)效果，滿足玉米免耕播種作業(yè)要求。

注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別為測(cè)試區(qū)的編號(hào)。

Note：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ is the test plot No..

圖12 玉米秸稈中量覆蓋下的開溝性能試驗(yàn)結(jié)果

Fig.12 Test results of ditching performance under middle amount corn straw mulching

5 結(jié) 論

1）針對(duì)中國東北一年一熟區(qū)玉米免耕播種時(shí)秸稈覆蓋量大、機(jī)具堵塞，以及現(xiàn)有圓盤開溝器存在切茬、入土能力差等問題，本文設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置，該裝置采用大、小圓盤一前一后非對(duì)稱設(shè)置，大圓盤預(yù)先切割秸稈、殘茬，小圓盤完成秸稈撥理并開出種溝以形成清潔種床。

2）田間防堵性能試驗(yàn)表明，在玉米秸稈整稈覆蓋、少量覆蓋、中量覆蓋和大量覆蓋條件下，非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置整體作業(yè)流暢、沒有發(fā)生明顯堵塞現(xiàn)象，顯示出良好的切茬入土性能，且種溝清整效果良好，未出現(xiàn)連續(xù)晾仔和斷條情況。

3）無秸稈覆蓋條件下，仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)的開溝深度相差2.15 mm、開溝寬度相差1.62 mm，試驗(yàn)結(jié)果基本一致，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)較好的播種作業(yè)開溝效果。中量秸稈覆蓋條件下，田間試驗(yàn)表明該裝置仍能夠保持均勻穩(wěn)定的入土及開溝作業(yè)效果，平均開溝深度為71.41 mm，平均開溝寬度為38.27 mm，滿足玉米免耕播種作業(yè)要求。

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Design and experiment of asymmetric large-small double discsditching device

Wang Chao, Liu Congjing, Li Hongwen※, Wang Qingjie, He Jin, Lu Caiyun

(100083)

Currently, there is a large amount of maize straw mulching on farmland in Northeast China. Under conditions of conservation tillage, there are large amount of straws mulching on soil surface that it required the opener of no-tillage seeder should have excellent functions for straw cutting, anti-blocking and seedbed cleaning, as well as stable ditching performance that can keep the ditch depth and the ditch width fluctuating uniformly. During the mechanized sowing period, maize no-tillage seeder with sharp angle opener is facing the problem of seriously clogged up and high-power consumption, while planter with disc opener shows little disturbance to soil under straw mulching condition and a good trafficability. However, large positive pressure and counterweight that auxiliary ditching operation will be needed for general double disc opener, with poor soil entry ability and straw blockage problem, especially in the conditions of large amount of straw mulching on the surface of farmland, the disc opener will press the straw into furrow instead of cutting them off when ditching in farmland with quantities of straw mulching. Based on the above issues, an asymmetric large-small double disc ditching device for corn seeding was put forward in this paper, which is mainly composed of large disc, small disc, direct-axis, oblique-axis and rack. The large disc and the small disc are arranged asymmetrically, which forming rotating connection with the rack by direct-axis and oblique-axis respectively. The rotating plane of the large disc is perpendicular to the horizontal plane and the small disc is inclined setting. The angle between the rotating plane of the small disc and the vertical plane is 8° (the working inclination of small disc), besides, the angle between the rotating plane of the small disc and the direction of the ditching operation is 12° (the working deflection of small disc). When working, large disc mounted on front of small disc cuts maize straw and stubble in advance, and then small disc that staggered set in the rear-lower part removes straws and ditches seed furrows, in order to prepare clean seedbeds for maize sowing. Based on mechanical analysis and kinematics analysis, diameter of large disc and small disc was obtained, which was 460 mm and 360 mm respectively. The gathering point located on the front edge of the small disc that gathering point angle of small disc is 56°, meanwhile the gathering point located in the interior of large disc with radius of 190 mm, gathering point angle of 56°. The performance of asymmetric large-small double disc ditching device was tested by EDEM simulations and field experiments without straw mulching on soil in advance beforehand, and the difference of ditching depth and ditching width were 2.15 mm and 1.62 mm respectively. Results of field experiments under wheat straw mulching showed that asymmetric large-small double disc ditching device could realize relatively stable and reliable ditching effect. Under straw mulching conditions, the ditching device could meet the requirements of no-tillage maize sowing, the average ditching depth was 71.41 mm and the average ditching width was 38.27 mm. Besides, anti-blocking performance of asymmetric large-small double disc ditching device was tested in field experiments with 4 straw mulching amount(full-straw coverage, small amount of coverage (0.66 kg/m2), middle amount of coverage (1.64 kg/m2), large amount of coverage (2.18 kg/m2)), at 2 different working speeds (4 km/h, 6 km/h). Anti-blocking tests indicated that the ditching device was operating smoothly, and there was no obvious blockage and continuous breaking in the ditch overall, which revealed better straw-cutting capability and enhanced penetrability. The device meets the requirements of agronomic production and standards of maize sowing, and this research can provide theoretical support and technical basis for the development of maize no-tillage planter.

agricultural machinery; design; experiments; discs ditching device; asymmetric

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.004

TM306

A

1002-6819(2018)-18-0028-09

2018-05-13

2018-07-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-智能化精準(zhǔn)施肥及肥料深施技術(shù)及其裝備（2016YFD0200600）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT13039）

王 超，博士生，主要從事保護(hù)性耕作研究。 Email：superwang_999@sina.com

李洪文，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作研究。 Email：lhwen@cau.edu.cn

王 超，劉從京，李洪文，王慶杰，何 進(jìn)，盧彩云. 非對(duì)稱式大小圓盤開溝裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(18)：28－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.004 http://www.tcsae.org

Wang Chao, Liu Congjing, Li Hongwen, Wang Qingjie, He Jin, Lu Caiyun. Design and experiment of asymmetric large-small double discs ditching device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 28－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.004 http://www.tcsae.org