滅茬免耕大豆播種機的設計與試驗

王超群，曹成茂,2*，秦 寬，廖移山，宣林森

（1.安徽農業(yè)大學工學院，合肥 230036；2.農業(yè)部南方主要農作物生產技術與裝備重點實驗室，合肥 230036；3.宿州市科鳴農業(yè)機械有限公司，安徽 宿州 234113）

中國北方地區(qū)以種植小麥、大豆、玉米為主，小麥基本實現(xiàn)機器收獲，機收小麥后在全秸稈覆蓋地播種大豆較困難。傳統(tǒng)種植方式焚燒秸稈、深耕、耙地、播種，費時費力，污染空氣。在全國禁燒秸稈背景下，急需設計可一次性完成滅茬、粉碎、播種的保護性耕作機械。

免耕播種機是保護性耕作機具[1]，國內已對滅茬免耕播種機開展大量研究[2]。劉忠軍等設計茬地免耕玉米播種機[3]，劉艷芬等設計玉米壟作免耕機，采用破茬盤、切撥機構防止秸稈堵塞播種機，滅茬粉碎效果差、晾籽率高[4]；李杞超等設計2BZJ-12型大豆窄行平作精密播種機[5]，吳峰等設計秸稈粉碎后拋式免耕播種機[6]，顧峰瑋等研制麥茬全秸稈覆蓋地花生免耕播種機[7]。為解決傳統(tǒng)免耕播種在全秸稈覆蓋地作業(yè)存在堵塞架種、晾種等問題，本文設計滅茬免耕大豆播種機，以降低晾籽率、避免秸稈堵塞。

1 整機結構和工作原理

1.1 整機結構

滅茬免耕大豆播種機，包括懸架、罩殼、限位輪、仿形地輪、滅茬刀軸、動刀、定刀、機架、開溝器、種箱、排種器等組成。

如圖1所示，罩殼左右兩側對稱安裝仿形地輪，左右兩個限位輪安裝在罩殼前方，機架位于機罩殼后上方，種箱安裝在機架，排種器位于種箱底部，開溝器豎管和機架固定，滅茬刀軸位于開溝器前方，動刀座在滅茬刀軸，定刀座焊接在滅茬刀軸正上方罩殼，動刀、定刀分別安裝于動刀座、定刀座。

圖1 整機結構Fig.1 Schematic of the whole machine structure

1.2 工作原理

拖拉機以1.11～1.67 m·s-1速度前進，拖拉機動力輸出軸通過變速箱和皮帶輪將動力傳遞給滅茬刀軸，滅茬刀軸以1 800～2 000 r·min-1速度反轉，動刀隨滅茬刀軸作高速反轉運動，秸稈切斷后拋起與滅茬刀軸正上方定刀產生剪切，使秸稈粉碎向后拋灑，開溝器將種子播在無秸稈區(qū)域，實現(xiàn)潔區(qū)播種。開溝器距滅茬刀軸軸心橫向距離略大于動刀最大回轉半徑，在罩殼約束下，粉碎后秸稈和碎土沿罩殼形狀斜向下均勻拋灑在機具后方。播種大豆時左側仿形地輪帶動外槽輪式排種器實現(xiàn)7行播種。

2 關鍵部件設計

2.1 滅茬粉碎裝置設計

滅茬粉碎裝置由滅茬刀軸、動刀座、動刀、定刀座、定刀等構成。動刀座焊接在滅茬刀軸上，每兩把動刀與滅茬刀軸上動刀座通過銷釘連接。定刀通過固定螺栓和定刀座固定，定刀座焊接于滅茬刀軸正方罩殼橫板，定刀距滅茬刀軸中心距離與滅茬動刀最大回轉半徑相同，工作時，每對動刀Y型開口從定刀刃口穿過。

2.2 滅茬動刀排布

動刀排列結構如圖2所示。動刀座采用雙螺旋方式排列焊接在滅茬刀軸上，等距均勻分布，軸向相鄰距離67 cm，徑向相鄰動刀座呈85°等分。每個動刀座上安裝兩把動刀，每對動刀下端開口約120°呈Y型。

圖2 動刀排列結構Fig.2 Structure of stubble device

2.3 滅茬動刀運動軌跡

機具作業(yè)時，動刀旋轉同時隨機具前進，因此動刀絕對運動由兩種運動合成。設計滅茬刀軸轉向為反轉，動刀端點絕對運動水平分速度與機具前進方向相反，動刀運動軌跡為余擺線。

設滅茬刀軸旋轉中心為坐標原點，滅茬免耕播種施肥機前進方向為X軸正向，Y軸正向豎直向下（見圖3），Q點為動刀頂端。動刀端點初始位置與X軸重合水平，則動刀端點軌跡方程為

式中，R—動刀端點回轉半徑（m）；ω—滅茬刀軸旋轉角度速度（rad·s-1）；vm—機具前進速度（m·s-1）；t—時間（s）。

動刀端點在X軸Y軸方向分速度為

動刀端點絕對速度V為

滅茬刀軸轉速是滅茬結構關鍵參數(shù)，可通過式（6）[7]確定滅茬刀軸轉速范圍。

式中，n—刀軸轉速（r·min-1）；V—為動刀端點線速度（m·s-1）；h—切茬高度（m）。

滅茬免耕大豆播種機正常作業(yè)時，前進速度取 vm=1.11～1.67 m·s-1，取切茬高度h=0.15 m。本機設計動刀為兩個L型開口動刀片，通過螺栓對稱安裝在一個動刀座上，整體呈Y型，動刀最大回轉半徑R=0.27 m，在節(jié)能前提下提高切茬粉碎效果，取動刀端點線速度V=25 m·s-1，將以上數(shù)據(jù)代入公式（6）[7]得出滅茬刀軸轉速n ≥ 1 857 r·min-1，由于作業(yè)過程中速度、秸稈稠密度存在波動，設計滅茬刀軸轉速n為1 800～2 000 r·min-1。

圖3 動刀運動軌跡Fig.3 Trajectory of knife moving

2.4 開溝器設計

為提升開溝器入土能力，確保溝深、溝寬穩(wěn)定性，便于排種，設計開溝器類型為鋤鏟式。開溝器前端作曲面處理，后方設計成空心便于排種和排肥，根據(jù)當?shù)剞r藝要求，大豆播種行間距取30 cm，設計相鄰開溝器間距30 cm。

圖4 開溝器曲面設計Fig.4 Surface design of trench opener

假設開溝器曲面弧線OA方程為[8]

式中，a、b—圓心B坐標；r—圓半徑（mm）。

尖角處O點坐標（0，0），開溝曲面與豎直面結合處A點坐標（60，80），C點為O、A點與開溝器曲線切線交點，即，α、β為O、A處入土角。α過小，開溝器強度變小，尖角變長；α過大，入土能力差，動土嚴重，保墑效果差。經查閱資料，取α為25°[8]，β為80°。為便于分析計算，在曲線方程上作相應輔助線。D點為直線OA中垂線。在四邊形OCAB和△OBC、△ABC中，可得出式（8）：

式中，OA為點O、A間直線距離（mm）。

由A點坐標得直線OA為100 mm，將α、β值分別帶入式（8）中，得r=106 mm，再將r代入（7）得曲線方程為

則鋤鏟式開溝器曲線OA上任意一點M入土角θ計算公式為

式中，OM為曲線上P點到M點直線距離（mm）。

由于本設計鋤鏟式開溝器用于排種和排肥，開溝深度45～65 mm不等，計算時取入土深度為55 mm，即M點坐標（55，60）代入（10）中得M點入土角為35°，符合設計要求。

3 機架靜力學仿真分析

3.1 建立簡化后機架有限元模型

由于機器在實際工作中7行同時開溝，且結構簡單，機架主要由兩根60 mm×80 mm×3.5 mm方管，罩殼、兩根方管中梁和左右厚10 mm側板焊接而成，牽引力和阻力過大導致機架變形損壞，需仿真分析機架靜力。利用solidworks軟件繪制整機三維模型，將簡化后模型文件保存為.igs格式，導入ANSYS/Workbench軟件，機架材料選用普通碳素鋼，ANSYS/Workbench軟件默認材料為普通碳素鋼，無需設置材料參數(shù)。通過自動劃分網格后，更改網格尺寸，共劃分17 290個單元，47 301個節(jié)點。

3.2 加載和約束

工作時引起機架變形原因是牽引力和開溝阻力，阻力計算通過F=khd[9]（F牽引阻力，k土壤黏性系數(shù)，h開溝深度，d開溝寬度）。查閱資料并結合實際情況，溝深取5 cm，溝寬6 cm，黏性系數(shù)取8，計算牽引阻力約F=240 N，簡化后模型對應安裝開溝器及懸掛架位置設置加載和約束。

3.3 有限元分析結果

經仿真軟件分析運算得出位移分布云圖5a和應力分布云圖5b，由圖5a可知，應力集中產生于后面一根橫梁中部及與左右側板焊接處，應力最大值7.90×107Pa；位移變形最大處發(fā)生在后面一根橫梁中間部位，應變最大值1.34 mm。結合實際田間作業(yè)環(huán)境，對照普通碳素鋼材料特性可知，設計不合理，需改進。

3.4 建立改進后簡化后機架有限元模型

改進辦法：在機罩殼上方兩橫梁中間焊接4根80 mm×80 mm×5 mm連接梁，增強裝置強度。按照上述仿真步驟，將改進后簡化機架模型導入ANSYS/Workbench軟件，機架材料選用普通碳素鋼，通過自動劃分網格后，更改網格尺寸，共劃分18 186個單元，53 477個節(jié)點。

3.5 加載、約束和有限元分析結果

仿真改進后機架受載，添加相同載荷得出相應位移分布云圖6a和應力分布云圖6b，由圖6a可知，改進后機架應力分布均勻，應力最大值5.22×106Pa；位移變形最大處發(fā)生在罩殼邊緣及側板邊角處，機架應變最大值為4.64×10-5mm，對比改進前仿真結果，改進后機架剛性明顯改善，對照普通碳素鋼材料特性可知，改進合理，設計符合要求。

圖5 有限元分析結果Fig.5 Finite element analysis results

圖6 改進后有限元分析結果Fig.6 Improved finite element analysis results

4 田間試驗與結果分析

4.1 試驗條件

2018年6月18日在安徽省宿州市蘆嶺鎮(zhèn)播種大豆。蘆嶺鎮(zhèn)位于安徽省北部，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，前茬作物小麥，機收留茬高度15～22 cm，土壤絕對含水率18%～24.5%，試驗選用拖拉機型號為雷沃M1200-DA1，標定功率為88.2 kW，動力輸出軸轉速：760/1 000 r·min-1。

4.2 試驗方法

按國家標準GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機》[10]規(guī)定的方法和農業(yè)部農業(yè)機械推廣鑒定大綱《免耕施肥播種機》[11]開展滅茬免耕播種機性能試驗。試驗內容包括機具通過性、秸稈粉碎率、晾籽率、播種深度合格率、粒距合格率、重播指數(shù)、漏播指數(shù)等。檢測設備包括電子秤、卷尺和鏟子等。

4.2.1 機具通過性

測試長度為100 m，往返一個行程不發(fā)生堵塞或者有一次輕度堵塞視為合格[12]。本試驗在全秸稈覆蓋地9次播種測試。

4.2.2 秸稈粉碎效果

在測試地塊，按照對角線法選5點，每點用1 m×1 m測試框取樣；測量每個測點秸稈總質量和粉碎長度合格秸稈質量（合格秸稈長度≤8 cm），按式（11）計算各點根茬粉碎率[13]。

式中，P—根茬粉碎合格率（%）；Mh—合格秸稈質量（g）； Mz—秸稈總質量（g）。

4.2.3 晾籽率測量

在機具作業(yè)后行程內，本試驗交叉選取5個測區(qū)，每個測區(qū)長度為2 m，寬度為一個作業(yè)幅寬。按照公式（12）計算晾籽率[14]。

式中，T—晾籽率；X—晾籽數(shù)；N—區(qū)域面積內播種總數(shù)。

4.2.4 播種深度合格率

隨機取5行，每行在10 m內隨機取5個點，人工扒開土層測量播種深度（以當?shù)剞r藝要求播種深度為h，h±1 cm合格），計算播種深度合格率。

4.2.5 田間播種均勻性

播種均勻性試驗在往返各一個單程中，隨機選定5組，每組長2.5 m，寬為一個作業(yè)幅寬，在不改變種子位置前提下，把種溝覆土撥開測量，計算粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。

圖7 田間試驗Fig.7 Fieldexperiment

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of test

表2 正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal experiment

4.3 試驗結果與分析

由表2可知，麥秸稈覆蓋地9次測試，均無擁堵現(xiàn)象，機具通過性良好；在根茬粉碎率測定中，根茬粉碎狀況較好，平均根茬粉碎合格率89.40%，平均晾籽率1.42%，平均播種深度合格率87.75%，平均粒距合格指數(shù)91.72%，平均重播指數(shù)2.90%，平均漏播指數(shù)3.95%，測量數(shù)據(jù)均符合GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機》國家標準，滿足設計要求。

機具前進速度和滅茬刀軸轉速影響晾籽率和田間播種均勻性。相同前進速度，滅茬刀軸轉速越高，秸稈粉碎效果越好；相同滅茬刀軸轉速，機具前進速度越快，粒距合格指數(shù)降低，重播指數(shù)、漏播指數(shù)升高。機具前進速度和滅茬刀軸轉速對播種深度影響較小，播種深度受限深輪控制。最優(yōu)試驗因素組合是機具前進速度1.39 m·s-1、滅茬刀軸轉速2 000 r·min-1，根茬粉碎合格率、晾籽率、播種深度合格率、粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)分別為92.75%、1.28%、88.35%、92.68%、2.15%、3.82%。

5 結論

a.設計一種滅茬免耕播種施肥機，與傳統(tǒng)免耕播種機不同之處：在鋤鏟式開溝器前安裝滅茬粉碎裝置，滅茬刀軸高速反轉使動刀切斷根茬，動刀配合定刀把秸稈粉碎后拋向機具后方，實現(xiàn)潔區(qū)播種。

b.機具前進速度和滅茬刀軸轉速對播深穩(wěn)定性影響較??；機具前進速度影響田間播種均勻性；機具前進速度和滅茬刀軸轉速影響根茬粉碎合格率和晾籽率，影響因素排序為滅茬刀軸轉速＞機具前進速度；通過數(shù)學建模、運用ANSYS/Workbench軟件仿真分析關鍵部件承載情況，對后期生產加工具有指導作用。

c.經試驗驗證可實現(xiàn)潔區(qū)播種，解決秸稈堵塞播種機問題，試驗各項指標均滿足免耕播種機設計要求。最優(yōu)試驗因素組合：機具前進速度1.39 m·s-1、滅茬刀軸轉速2 000 r·min-1，根茬粉碎合格率92.75%、晾籽率1.28%、播種深度合格率93.35%、粒距合格指數(shù)92.68%、重播指數(shù)2.15%、漏播指數(shù)3.82%。