免耕播種機(jī)凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)

賈洪雷 劉 行 余海波 路 云 郭春江 齊江濤

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130022； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130022)

0 引言

保護(hù)性耕作模式中的秸稈還田環(huán)節(jié)，可以改善土壤結(jié)構(gòu)培肥地力，顯著提高土壤微生物活性[1-3]。我國東北地區(qū)，玉米秸稈粗大量多，還田作業(yè)后不易腐爛，導(dǎo)致播種質(zhì)量下降、作物出苗率降低[4-5]，特別是在玉米寬窄行種植模式下，由于窄行播種單體距離變近，單位幅寬內(nèi)秸稈覆蓋率增加，秸稈經(jīng)翻拋后更易于卷入并積聚在清茬機(jī)構(gòu)與相鄰部件之間，進(jìn)而造成堵塞。目前主要的清茬裝置有兩類：一種是主動(dòng)式清茬機(jī)構(gòu)，一種是被動(dòng)式清茬機(jī)構(gòu)[6-7]。主動(dòng)式清茬機(jī)構(gòu)適用于高速旋耕作業(yè)，但該裝置能耗高、動(dòng)土量大、機(jī)器振動(dòng)噪聲大、作業(yè)環(huán)境差、安全性差[8-10]。被動(dòng)式清茬裝置多為破茬刀和清茬輪的組合裝置，對秸稈覆蓋量的適應(yīng)性差，難以解決秸稈覆蓋量大時(shí)的堵塞問題[11-13]。

本文針對東北地區(qū)保護(hù)性耕作模式，設(shè)計(jì)一種具有凹面結(jié)構(gòu)的秸稈清茬機(jī)構(gòu)，能對農(nóng)田地表覆蓋的玉米秸稈進(jìn)行有效清理。作業(yè)時(shí)，清茬機(jī)構(gòu)輪爪將秸稈向后拋，其凹面結(jié)構(gòu)對與輪爪接觸的秸稈施加側(cè)推力，使秸稈拋向側(cè)后方，從而達(dá)到更好的清理效果。

1 清茬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的清茬機(jī)構(gòu)安裝在吉林省康達(dá)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的2BMZF-2型免耕播種機(jī)上，整機(jī)主要包括：清茬裝置、施肥裝置、播種裝置、開溝裝置以及覆土鎮(zhèn)壓裝置。免耕播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：整機(jī)質(zhì)量776 kg，播種幅寬1 200～1 400 mm，播種行數(shù)為2行，行距為560～700 mm，播種深度為50～70 mm，施肥深度為80～100 mm，作業(yè)速度為4～10 km/h，理論株距為120～450 mm。所設(shè)計(jì)的凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)安裝在免耕播種機(jī)前端位置，具體位置如圖1所示。

圖1 免耕播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of no-tillage planter1.凹面爪式清茬機(jī)構(gòu) 2.機(jī)架 3.鎮(zhèn)壓輪 4.限深輪 5.開溝器 6.破茬刀

1.2 清茬裝置結(jié)構(gòu)

保護(hù)性耕作模式中，清茬機(jī)構(gòu)對于地表秸稈的清理效果與免耕播種機(jī)前進(jìn)速度、清茬輪入土深度以及清茬輪運(yùn)動(dòng)偏角等有關(guān)。清茬機(jī)構(gòu)與免耕播種機(jī)通過左右彎臂相連接，通過凸輪可以調(diào)整清茬輪入土深度、降低土壤擾動(dòng)量，保證種床清潔質(zhì)量。凹面清茬輪呈“人”字型交錯(cuò)安裝在支臂架上，如圖2所示。兩個(gè)清茬輪為交錯(cuò)結(jié)構(gòu)、配合使用，前端收斂且有重合工作區(qū)域δ，輪盤周圍均勻分布著輪爪[14]。

作業(yè)時(shí)，凹面清茬輪在免耕播種機(jī)的牽引下向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)凹面清茬輪同地表及其覆蓋物相接觸，產(chǎn)生摩擦力，在力偶作用下使得輪爪轉(zhuǎn)動(dòng)；作業(yè)的輪爪撿拾并翻拋秸稈，達(dá)到清理種床的目的。

圖2 清茬機(jī)構(gòu)Fig.2 Clearance mechanisms1.清茬輪輪盤 2.彎臂 3.支架

1.3 清茬機(jī)構(gòu)參數(shù)確定

1.3.1清茬輪輪盤參數(shù)

(1)嚙合點(diǎn)高度

清茬機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，兩輪收斂于嚙合點(diǎn)，清茬輪嚙合高度h為嚙合點(diǎn)到地面的距離。秸稈還田清茬作業(yè)設(shè)計(jì)要求h略小于秸稈及雜草高度[15],本文h取40 mm。

(2)清茬輪輪盤直徑

如圖3所示，清茬輪的各輪爪以后傾形式均勻分布在凹面輪盤周圍，清茬輪輪爪刃角與接觸地面相垂直。

圖3 清茬輪輪盤三維圖Fig.3 3D diagram of stubble clearance wheel disc

根據(jù)清茬輪入土深度、土壤中擾動(dòng)量及根茬處理要求等，參照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊凹面圓盤耙片的設(shè)計(jì)[16]，設(shè)計(jì)凹面輪盤投影直徑為

D=Kd

(1)

式中D——清茬輪輪盤投影直徑，mm

K——徑深比

d——清茬輪入土深度，mm

通過調(diào)節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)改變清茬機(jī)構(gòu)入土深度，保證種床清理效果的同時(shí)避免不必要的土壤擾動(dòng)，入土深度d取值范圍為50 mm≤d≤70 mm，本文K取5，所設(shè)計(jì)的清茬輪最大入土深度為70 mm，由公式(1)將輪盤投影直徑設(shè)計(jì)為350 mm。

(3)清茬機(jī)構(gòu)凹面輪盤曲率半徑

所設(shè)計(jì)清茬輪由安裝平面、工作曲面(凹面輪盤)兩部分組成，凹面輪盤的曲率半徑是該機(jī)構(gòu)的主要工作參數(shù)，其曲率半徑ρ越大，清茬輪越接近平面，土壤擾動(dòng)量越小，但其對秸稈翻拋能力越?。环粗?，輪盤曲率半徑減小，土壤擾動(dòng)量增加，但秸稈側(cè)拋效果增強(qiáng)，種床清理效果增強(qiáng)。因此，需合理選擇曲率半徑，借鑒凹形圓盤式壟臺清理裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)[13]、綜合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊技術(shù)要求[16]，將清茬輪輪盤曲率半徑ρ設(shè)定為1 346 mm。

1.3.2清茬輪輪爪的參數(shù)

(1)布置形式

輪爪布置形式按方向可分為徑向、前傾、后傾3種，如圖4所示。

圖4 輪爪的布置形式Fig.4 Distribution patterns of finger

輪爪布置為徑向形式時(shí)，利于撥茬、撿拾等作業(yè)步驟，但秸稈及雜草被清茬輪撿拾后旋轉(zhuǎn)一周又被翻拋回清茬輪的前端，不利于脫茬，會(huì)造成清茬機(jī)構(gòu)被秸稈和雜草纏繞，引發(fā)機(jī)具二次堵塞。

輪爪布置為前傾形式時(shí)，清茬輪低速作業(yè)情況下，輪爪撿拾的秸稈無法向外翻拋而會(huì)從爪間自動(dòng)落下；清茬輪在高速作業(yè)情況下，秸稈及雜草在清茬輪輪爪間會(huì)發(fā)生自鎖，不會(huì)被拋出也不會(huì)掉落，所以清茬輪前傾布置形式不適合清茬作業(yè)。

輪爪布置為后傾方式時(shí)，后傾角增加有利于秸稈及雜草外拋，且秸稈及雜草越接近清茬輪輪爪端部，向外拋送所滿足的角速度越低，越易脫茬[17]，所以本文將輪爪布置成后傾形式。

(2)數(shù)量

凹面清茬輪輪爪既要滿足清茬機(jī)構(gòu)作業(yè)強(qiáng)度條件也要保證秸稈及雜草可順利被拋送，所以輪爪數(shù)量并非越多越好。參考中小型免耕播種機(jī)防堵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[6]，在保證根齒不夾稈的情況下可以多取[15]，本文設(shè)計(jì)的凹面清茬輪輪爪取12個(gè)。

1.3.3清茬輪運(yùn)動(dòng)偏角

建立三維坐標(biāo)系Oxyz，以清茬輪輪爪頂點(diǎn)處在最大入土深度時(shí)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，x軸、y軸分別平行和垂直于清茬輪安裝平面，z軸垂直于地表。清茬輪與機(jī)具前進(jìn)方向夾角為λ，清茬輪運(yùn)動(dòng)偏角分析如圖5所示，運(yùn)動(dòng)速度分析如圖6所示。圖中P為清茬輪輪爪的任一頂點(diǎn)，圖中P′為輪爪入土?xí)r的頂點(diǎn)。

圖5 清茬輪運(yùn)動(dòng)偏角分析Fig.5 Diagram of motion angle analysis

圖6 清茬輪運(yùn)動(dòng)速度分析Fig.6 Analysis diagram of clearance wheel speed

如圖5所示，對清茬輪進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)分析，清茬輪的實(shí)際前進(jìn)速度為v0，清茬輪由O到B的運(yùn)動(dòng)可以等同于由O滾動(dòng)到A，然后再由A滑動(dòng)到B，即滾動(dòng)速度為v0cosλ，滑動(dòng)速度為v0sinλ。這里僅僅說明凹形圓盤兩種運(yùn)動(dòng)(滾動(dòng)和側(cè)向平移)速度的關(guān)系，真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程中，兩種運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生，而無先后順序[13]。

清茬輪有滑移距離lAB，所以清茬輪對于秸稈殘茬有側(cè)推作用，當(dāng)運(yùn)動(dòng)偏角λ增大時(shí)，側(cè)推距離lAB就會(huì)相應(yīng)增大，種床清理效果增強(qiáng)，當(dāng)超過45°接近于90°時(shí)，清茬輪在前進(jìn)方向上的推動(dòng)作用大于向兩側(cè)的側(cè)推作用，不利于向兩側(cè)翻拋秸稈，作業(yè)效果變差；反之，如果運(yùn)動(dòng)偏角λ減小，滑移距離lAB減小，側(cè)推作用也會(huì)變小。當(dāng)運(yùn)動(dòng)偏角過小時(shí)，清茬輪亦不能將秸稈有效側(cè)推到兩側(cè)，會(huì)把秸稈翻拋到清茬輪后方，從而導(dǎo)致機(jī)具堵塞，所以運(yùn)動(dòng)偏角λ過大或者過小都將對作業(yè)效果產(chǎn)生不利的影響，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中交錯(cuò)雙圓盤分草器[16]及平面清茬輪的運(yùn)動(dòng)偏角[19]，本文λ選取30.0°、37.5°、45.0° 3個(gè)水平。

1.4 清茬輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖6所示，清茬機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，凹面輪盤輪爪觸土，輪爪帶動(dòng)秸稈向側(cè)后方運(yùn)動(dòng)，理想狀態(tài)下，凹面輪盤輪爪頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即為秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡方程，探究秸稈隨輪爪頂點(diǎn)同步運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程，并分析此過程中側(cè)推速度的變化趨勢。

由圖6可得，選取清茬輪輪爪任一頂點(diǎn)P，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡，軌跡方程可表示為

(2)

式中t——免耕播種機(jī)運(yùn)行時(shí)間，s

ω——清茬輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

R——清茬輪投影半徑，mm

假設(shè)清茬輪在牽引力作用下以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，對式(2)中的時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，可得清茬輪輪爪各頂點(diǎn)的速度分量，具體為

(3)

在Oxy平面內(nèi)，由vx和vy合成得到的速度vxy為

(4)

式中vxy——清茬輪側(cè)推速度，m/s

根據(jù)式(4)，利用Origin軟件繪制出機(jī)具速度v0分別為1.67 m/s(6 km/h)、2.22 m/s(8 km/h)、2.77 m/s(10 km/h)時(shí)，清茬輪運(yùn)動(dòng)偏角為30.0°、37.5°、45.0°時(shí)，P點(diǎn)的側(cè)推速度vxy隨相位角ωt的變化圖。

如圖7所示，側(cè)推速度隨著相位角的變化而變化[19]，當(dāng)側(cè)推速度的波動(dòng)較大時(shí)，清茬輪的工作穩(wěn)定性會(huì)降低，影響作業(yè)效果和作業(yè)效率。當(dāng)運(yùn)動(dòng)偏角λ=30.0°時(shí)側(cè)推速度隨相位角的變化波動(dòng)最大，當(dāng)λ=37.5°時(shí)側(cè)推速度波動(dòng)最小。

所設(shè)計(jì)清茬輪的最大入土深度d為70 mm，由于清茬輪的投影直徑為350 mm，如圖8所示，在圖8a中，當(dāng)相位角ωt為0 rad時(shí)，清茬輪頂點(diǎn)P0在最大入土深度處，在圖8b中，清茬輪頂點(diǎn)由P0運(yùn)動(dòng)到P1處，此時(shí)清茬輪頂點(diǎn)處于出土的狀態(tài)，根據(jù)最大入土深度和清茬輪投影直徑可以計(jì)算此時(shí)的相位角ωt為0.93 rad，因此可以得出相位角ωt在0～0.93 rad之間時(shí)清茬輪的輪爪在土壤中運(yùn)動(dòng)，對土壤產(chǎn)生擾動(dòng)作用。由于保護(hù)性耕作的意義是降低機(jī)具對土壤的擾動(dòng)，ωt在0～0.93 rad之間時(shí)，λ=37.5°的輪爪側(cè)推速度vxy最小，清茬輪輪爪在土壤中運(yùn)動(dòng)速度越小，對土壤的擾動(dòng)越小。

圖7 側(cè)推速度變化曲線Fig.7 Changing curves of rolling speed

圖8 清茬輪輪爪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析Fig.8 Analysis diagrams of clearance wheel movement

綜上，λ=37.5°時(shí)，清茬輪在地表以下時(shí)對土壤擾動(dòng)較??；輪爪出土后對秸稈具有較穩(wěn)定的側(cè)推作用，可帶動(dòng)秸稈拋向側(cè)后方。

2 清茬機(jī)構(gòu)仿真分析

2.1 清茬輪運(yùn)動(dòng)軌跡對比仿真分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)具有良好的清茬效果，采用EDEM離散元法建立清茬輪與地面系統(tǒng)力學(xué)模型，模擬清茬輪在田間作業(yè)時(shí)的受力情況，分析比較傳統(tǒng)平面清茬輪和凹面清茬輪的清茬作業(yè)情況。

首先建立松散土壤狀態(tài)下的土槽模型和清茬輪模型，將秸稈均勻分布在土槽表面，如圖9所示；根據(jù)清茬輪的受力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行過程模擬；分析比較傳統(tǒng)平面清茬輪和凹面清茬輪的清茬效果。參數(shù)選擇如下：清茬輪投影直徑D=350 mm、運(yùn)動(dòng)偏角λ=30.0°、入土深度70 mm、前進(jìn)速度1.67 m/s；凹面清茬輪曲率半徑ρ≈1 346 mm。

圖9 清茬機(jī)構(gòu)與土壤模型Fig.9 Model of stubble clearance mechanism and soil

圖10 清茬輪位移場示意圖Fig.10 Sketches of comparative displacement field of clearance wheel注：圖中線條的長度代表土壤顆粒和秸稈的位移大小，箭頭的方向代表土壤顆粒和秸稈的位移方向，線條顏色表示速度大小，顏色越深速度越大

圖10為兩種清茬輪與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。清茬輪兩側(cè)的土壤顆粒和秸稈顆粒流動(dòng)位移較大；圖10b凹面清茬輪作業(yè)中秸稈平均側(cè)向速度為1.787 2 m/s，圖10a傳統(tǒng)清茬輪秸稈平均側(cè)向速度為1.364 1 m/s，凹面清茬輪與傳統(tǒng)平面清茬輪相比對秸稈產(chǎn)生的平均側(cè)向速度提高了31.02%。因此，凹面清茬輪可以更好地將播種行的秸稈清理到側(cè)邊，具有更好的清茬效果和工作效率。

2.2 凹面清茬機(jī)構(gòu)仿真分析

凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果與機(jī)具前進(jìn)速度、運(yùn)動(dòng)偏角以及入土深度有關(guān)。田間試驗(yàn)只能直觀地測量不同參數(shù)組合對秸稈清茬率的影響，無法確定各因素各水平下清茬機(jī)構(gòu)的秸稈翻拋情況。因此采用控制變量法對各因素各水平進(jìn)行分析，尋找最佳參數(shù)組合，仿真分析試驗(yàn)指標(biāo)為位移場中的秸稈平均側(cè)向速度，表1中的x1、x2和x3分別代表機(jī)具速度、運(yùn)動(dòng)偏角和入土深度3個(gè)因素的編碼值，零水平分別為37.5°、2.22 m/s、60 mm，-1水平分別為30.0°、1.67 m/s、50 mm，1水平分別為45.0°、2.77 m/s、70 mm。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Test design

2.2.1機(jī)具速度v0對秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

試驗(yàn)組1將運(yùn)動(dòng)偏角λ及入土深度d設(shè)置為零水平，探究機(jī)具速度v0對清茬機(jī)構(gòu)的影響。

仿真模擬機(jī)具在不同前進(jìn)速度下對秸稈的翻拋情況，如圖11所示，隨著機(jī)具速度v0增大，秸稈向兩側(cè)翻拋和清理種帶效果增強(qiáng)。

圖11 不同機(jī)具速度的秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Trajectory of straws at different implement speeds

圖12為3種速度條件下的清茬輪與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。設(shè)置運(yùn)動(dòng)偏角λ及入土深度d為零水平時(shí)，隨著機(jī)具速度v0增加，清茬輪兩側(cè)的土壤顆粒和秸稈位移變大。如圖12所示，根據(jù)仿真結(jié)果，在機(jī)具前進(jìn)速度為1.67 m/s時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為1.823 4 m/s；在機(jī)具前進(jìn)速度為2.22 m/s，秸稈平均側(cè)向速度為2.327 2 m/s；在機(jī)具前進(jìn)速度為2.77 m/s時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為3.041 2 m/s。隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，凹面清茬輪作業(yè)時(shí)，秸稈的側(cè)向速度隨之增加，在機(jī)具速度為2.77 m/s時(shí)相比于機(jī)具速度為1.67 m/s時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度最大增加了66.79%。隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，清茬作業(yè)時(shí)，秸稈翻拋位移增加，秸稈側(cè)向速度增大，清茬效果增強(qiáng)。

圖12 不同機(jī)具速度的秸稈位移場示意圖Fig.12 Sketches of stalk displacement field at different implement speeds

2.2.2運(yùn)動(dòng)偏角λ對秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

試驗(yàn)組2把機(jī)具速度v0及入土深度d設(shè)置為零水平，探究運(yùn)動(dòng)偏角λ對清茬機(jī)構(gòu)的影響。

仿真模擬清茬機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)動(dòng)偏角λ條件下，清茬機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)秸稈的運(yùn)動(dòng)情況如圖13所示，隨著清茬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)偏角λ增加，秸稈翻拋效果變好，種床清理效果增強(qiáng)。

圖13 不同運(yùn)動(dòng)偏角的秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.13 Trajectory of straws at different angles of motion

圖14為清茬機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)動(dòng)偏角水平下與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。設(shè)定清茬機(jī)構(gòu)機(jī)具速度v0和入土深度d為零水平，隨著清茬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)偏角λ增加，清茬輪兩側(cè)秸稈線條速度紅色加深，秸稈側(cè)向速度增加。如圖14，清茬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)偏角為30.0°時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為2.035 1 m/s；運(yùn)動(dòng)偏角為37.5°時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為2.327 2 m/s；運(yùn)動(dòng)偏角為45°時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為2.535 2 m/s。根據(jù)仿真結(jié)果，隨著清茬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)偏角增加，秸稈側(cè)向速度增加，運(yùn)動(dòng)偏角λ由30.0°增大到37.5°時(shí)，秸稈側(cè)向速度增加了14.36%；運(yùn)動(dòng)偏角λ由37.5°增大到45.0°時(shí)，秸稈側(cè)向速度增加了8.94%。

圖14 不同運(yùn)動(dòng)偏角的秸稈位移場示意圖Fig.14 Sketches of stalk displacement field at different angles of motion

2.2.3入土深度d對秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

試驗(yàn)組3將機(jī)具速度v0及運(yùn)動(dòng)偏角λ設(shè)置為零水平，探究對清茬機(jī)構(gòu)的影響。

仿真模擬清茬機(jī)構(gòu)在入土深度不同水平下，清茬機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)秸稈的運(yùn)動(dòng)情況如圖15所示，隨著清茬機(jī)構(gòu)入土深度增加，秸稈翻拋和清理效果增強(qiáng)。

圖15 不同入土深度的秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.15 Trajectory of straws at different depths of contact

圖16為清茬機(jī)構(gòu)在3種入土深度水平下與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。設(shè)定清茬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)偏角λ及機(jī)具速度v0為零水平，如圖16所示，入土深度d為50 mm時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為2.461 7 m/s，入土深度為60 mm時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為2.327 2 m/s，入土深度為70 mm時(shí)，秸稈平均側(cè)向速度為2.908 m/s。在入土深度為50～60 mm區(qū)間內(nèi)，秸稈側(cè)向速度基本不變，在入土深度50～70 mm的整個(gè)區(qū)間內(nèi)，秸稈側(cè)向速度增加17.95%。隨著清茬機(jī)構(gòu)入土深度增加，秸稈側(cè)向速度總體呈增加趨勢。

圖16 不同入土深度的秸稈位移場示意圖Fig.16 Sketches of stalk displacement field at different depths of contact

綜上，凹面清茬機(jī)構(gòu)經(jīng)過EDEM因素水平仿真分析可以得到理論的最佳工作參數(shù)組合，具體為：機(jī)具前進(jìn)速度v0為2.77 m/s、運(yùn)動(dòng)偏角λ為45°、入土深度d為70 mm。

3 田間試驗(yàn)

通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)凹面清茬輪對比平面清茬輪具有秸稈翻拋速度快、作業(yè)效果好的優(yōu)越性，因此通過田間試驗(yàn)對其作業(yè)性能進(jìn)一步分析。

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及條件

吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院試驗(yàn)基地實(shí)測試驗(yàn)田(圖17)，尺寸50 m×50 m，兩端各預(yù)留10 m。免耕播種機(jī)分別以1.67、2.22、2.77 m/s的速度作業(yè)，沿播種條帶每隔20 cm采樣；秸稈覆蓋方式為秋季玉米收獲后秸稈全覆蓋粉碎還田，播種前地表秸稈覆蓋率為100%，土壤0～25 mm處平均緊實(shí)度為0.102 MPa，25～50 mm處為0.239 MPa，50～75 mm處為0.345 MPa，75～100 mm處平均土壤緊實(shí)度為0.424 MPa；0～50 mm處平均土壤含水率為6.3%，50～100 mm處平均土壤含水率為13.2%，100～150 mm處平均土壤含水率為16.4%。

圖17 田間試驗(yàn)Fig.17 Field trial of stubble clearance mechanism

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1628—2008，在秸稈覆蓋率不少于40%情況下，免耕播種機(jī)可順利通過并不發(fā)生堵塞。試驗(yàn)時(shí)沿種床每20 cm做一個(gè)標(biāo)記，測量長度為50 m，用標(biāo)記后的記號除以總記號數(shù)，即為種床內(nèi)秸稈覆蓋率[18,20]；每個(gè)測試區(qū)測試5次，平均值為該區(qū)域的秸稈覆蓋率；清茬作業(yè)前后，秸稈覆蓋率差值即為清茬率，機(jī)具按測試內(nèi)容進(jìn)行勻速往返作業(yè)。

清茬作業(yè)后種床內(nèi)殘薦覆蓋率為

(5)

式中F——?dú)埐绺采w率，%

D1——標(biāo)記總點(diǎn)數(shù)

D2——?dú)埐琰c(diǎn)數(shù)

根據(jù)本文田間試驗(yàn)條件，播種前地表殘茬覆蓋率為100%，則種床內(nèi)清茬率為

N=1-F

(6)

式中N——清茬率，%

3.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)Design-Expert軟件中的Box-Behnken Design(BBD)響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行正交試驗(yàn)。選擇清茬機(jī)構(gòu)最佳參數(shù)組合，同時(shí)驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)清茬機(jī)構(gòu)的清茬效果，并探尋各因素對清茬率的影響。田間試驗(yàn)參數(shù)為：運(yùn)動(dòng)偏角λ、機(jī)具速度v0以及入土深度d，試驗(yàn)指標(biāo)為清茬率N。試驗(yàn)總次數(shù)為16次，因素及水平如表2所示，作業(yè)后地表如圖18所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。方差分析如表4所示。A、B、C為因素水平值。

表2 試驗(yàn)因素及水平Tab.2 Factors and levels of experiment

圖18 作業(yè)后地表Fig.18 Surface picture of field

序號運(yùn)動(dòng)偏角λ/(°)機(jī)具速度v0/(m·s-1)入土深度d/mm清茬率/%145.02.225068.48237.51.677074.58337.52.226075.99445.02.776074.41537.52.226076.27630.02.776078.96737.52.226077.12837.52.775078.13930.02.225068.291030.01.676068.941130.02.227076.461237.52.226076.921345.02.227069.961445.01.676066.951537.52.777083.611637.51.675069.411737.52.226078.41

表4 清茬率方差分析Tab.4 Variance analysis of cleaning rate

對表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，清茬率對自變量的二次多元回歸方程為

N=76.94-1.61A+4.4B+2.54C-0.64AB-
1.67AC+0.078BC-5.13A2+0.5B2-1.01C2

(7)

(1)回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

表4中P值小于0.05項(xiàng)是影響顯著項(xiàng)，因素A、B、C、AC對清茬率的影響均為顯著項(xiàng)(P<0.05)。

(2)回歸方程的顯著性檢驗(yàn)

回歸方程F值為75.56，回歸方程顯著性水平為0.001。

(3)回歸模型失擬檢驗(yàn)

失擬項(xiàng)的P值為0.981 8，顯然P>0.05，回歸方程不失擬，清茬率模型實(shí)測值與預(yù)測值相近，該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測性能良好。

影響清茬率的3個(gè)影響因素的主次順序?yàn)椋簷C(jī)具速度v0、入土深度d、運(yùn)動(dòng)偏角λ。

3.4 數(shù)據(jù)響應(yīng)面分析

通過Design-Expert分析運(yùn)動(dòng)偏角、機(jī)具速度、入土深度對田間清茬率的影響。采用控制變量法分析，即將1個(gè)因素固定，討論剩余2個(gè)因素對其試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

(1)運(yùn)動(dòng)偏角λ和機(jī)具速度v0對清茬率的影響

將最大入土深度C設(shè)置為零水平，即d=60 mm，得到運(yùn)動(dòng)偏角A和機(jī)具速度B兩個(gè)影響因素對凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)清茬率N的二元二次回歸方程

N=76.94-1.61A+4.4B-0.64AB- 5.13A2+0.5B2

(8)

由式(8)和圖19可知當(dāng)入土深度d固定時(shí)，運(yùn)動(dòng)偏角λ和機(jī)具速度v0對清茬率均有顯著性影響，且機(jī)具速度v0影響更顯著；隨著機(jī)具速度v0的增大清茬率也隨之增大；隨著運(yùn)動(dòng)偏角λ的增大，清茬率先增后減且起伏比較大；運(yùn)動(dòng)偏角λ和機(jī)具速度v0之間無交互作用。

(2)運(yùn)動(dòng)偏角λ和入土深度d對清茬率的影響

將機(jī)具前進(jìn)速度B設(shè)置為零水平，即v0=2.22 m/s，得到運(yùn)動(dòng)偏角A和入土深度C兩個(gè)影響因素對凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)清茬率N的二元二次回歸方程

N=76.94-1.61A+2.54C-1.67AC- 5.13A2-1.01C2

(9)

由式(9)和圖20可知，當(dāng)機(jī)具速度v0固定時(shí)運(yùn)動(dòng)偏角λ和入土深度d對清茬率均有顯著性影響，且入土深度d的影響更加顯著；隨著入土深度d的增大，清茬率也隨之增大且速度增大比較平穩(wěn)；隨著運(yùn)動(dòng)偏角λ的增大，清茬率先增后減且起伏比較大；運(yùn)動(dòng)偏角λ和入土深度d之間有交互作用。

(3)機(jī)具速度v0和入土深度d對清茬率的影響

將運(yùn)動(dòng)偏角A設(shè)置為零水平，即λ=37.5°，機(jī)具速度B和入土深度C兩個(gè)影響因素對凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)清茬率N的二元二次回歸方程

N=76.94+4.4B+2.54C+0.078BC+
0.5B2-1.01C2

(10)

圖19 運(yùn)動(dòng)偏角λ和機(jī)具速度v0對清茬率的影響Fig.19 Effects of angles of motion and speed on quantity of cleaning rate of backfill

圖20 運(yùn)動(dòng)偏角λ和入土深度d對清茬率的影響Fig.20 Effects of angles of motion and soil contacting depth on quantity of cleaning rate of backfill

由式(10)和圖21可知當(dāng)運(yùn)動(dòng)偏角λ固定時(shí)機(jī)具速度v0和入土深度d對清茬率均有顯著性影響，且機(jī)具速度v0的影響更加顯著；隨機(jī)具速度v0的增大清茬率也隨之增大；隨著入土深度d的增大，清茬率也隨之增大；機(jī)具速度v0和入土深度d之間沒有交互作用。

在試驗(yàn)結(jié)果回歸分析和擬合的基礎(chǔ)上，推薦最佳工作參數(shù)組合為：運(yùn)動(dòng)偏角λ為37.5°、機(jī)具速度v0為2.77 m/s、入土深度d為70 mm。

圖21 機(jī)具速度v0和入土深度d對清茬率的影響Fig.21 Effects of speed and soil contacting depth on quantity of cleaning rate of backfill

4 結(jié)論

(1)針對傳統(tǒng)清茬機(jī)構(gòu)存在的種床清理不徹底的問題，設(shè)計(jì)了爪式凹面清茬輪，其凹面結(jié)構(gòu)可以增大對秸稈的側(cè)推速度，在秸稈全覆蓋模式下進(jìn)行種床清理作業(yè)時(shí)，清茬效果好、防堵能力強(qiáng)，適用于東北地區(qū)玉米均勻壟耕作模式及玉米寬窄行種植模式。

(2)采用離散元法構(gòu)建了傳統(tǒng)平面清茬輪和凹面清茬輪與土壤和秸稈的系統(tǒng)模型，分析了兩種清茬輪清茬作業(yè)情況，并進(jìn)行了仿真分析，研究表明：在同一條件下，本文所設(shè)計(jì)的凹面清茬輪翻拋秸稈時(shí)，秸稈翻拋速度加快，作業(yè)效果更好。

(3)根據(jù)Design-Expert軟件中Box-Behnken Design組合設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行田間正交試驗(yàn)并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化分析，得出凹面清茬機(jī)構(gòu)最佳工作參數(shù)組合為：運(yùn)動(dòng)偏角λ為37.5°、機(jī)具速度v0為2.77 m/s、入土深度d為70 mm。本文所設(shè)計(jì)的凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)，在秸稈全覆蓋條件下作業(yè)，種床內(nèi)秸稈清茬率最高可達(dá)到83.61%。