免耕播種機(jī)星齒凹面盤式清秸防堵裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 奇 賈洪雷 朱龍圖 李名偉 趙佳樂

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

0 引言

秸稈覆蓋地免耕播種是一項(xiàng)先進(jìn)的耕作技術(shù)[1]，具有節(jié)約生產(chǎn)成本、保護(hù)土壤和生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在東北地區(qū)已得到大面積推廣[2-4]。該地區(qū)氣候低溫易旱、玉米生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，致使玉米秸稈較為粗壯、量大且難以腐爛[5]，春播時(shí)秸稈全量粉碎還田的秸稈覆蓋量過(guò)大、粉碎長(zhǎng)度不一致且分布不均勻，降低了防堵裝置的清秸率和作業(yè)穩(wěn)定性，易造成秸稈殘茬纏繞、堵塞播種機(jī)，降低播種作業(yè)質(zhì)量和工作效率[6-7]。清理播種行內(nèi)的秸稈和殘茬還具有提升地溫，提高種子的出苗率和出苗一致性，增加產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)[8-11]。因此，高質(zhì)量的清秸防堵作業(yè)是保障秸稈覆蓋地免耕種植模式作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)。

目前，防堵裝置按照工作原理可分為驅(qū)動(dòng)式和被動(dòng)式，其中被動(dòng)平面輪盤式防堵裝置因具有土壤擾動(dòng)小、保墑效果好、作業(yè)阻力低等優(yōu)點(diǎn)，已得到了廣泛應(yīng)用[12]。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)被動(dòng)平面輪盤式防堵裝置的輪指結(jié)構(gòu)[13-16]和輪盤結(jié)構(gòu)[17]進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高其作業(yè)質(zhì)量。平面輪盤式防堵裝置在半量秸稈還田或壟上作業(yè)時(shí)具有較高的作業(yè)質(zhì)量，當(dāng)秸稈覆蓋量過(guò)大時(shí)，其供給秸稈的拋出速度不足[17]，對(duì)秸稈的拋擲和推送作用降低，無(wú)法及時(shí)清理過(guò)量的行間秸稈，降低了清秸率；基于2BMZF-2 型免耕播種機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)的凹面結(jié)構(gòu)爪式秸稈清茬機(jī)構(gòu)，一定程度上提高了對(duì)秸稈的拋擲速度和清秸率，但是浮動(dòng)且與機(jī)架鉸接的防堵機(jī)構(gòu)無(wú)法使其在最佳工作參數(shù)下穩(wěn)定作業(yè)，作業(yè)穩(wěn)定性差；且對(duì)置安裝的輪盤存在漏清區(qū)，限制了清秸率的提高。目前，該地區(qū)應(yīng)用的免耕播種機(jī)通常安裝與播種單體架鉸接的平面爪輪式撥茬防堵機(jī)構(gòu)，當(dāng)在全量秸稈覆蓋地作業(yè)時(shí)，特別是在壟間作業(yè)時(shí)，同樣存在上述問(wèn)題。因此，需要開發(fā)一種適合該地區(qū)玉米種植模式的防堵裝置。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種能夠在中國(guó)東北地區(qū)玉米秸稈全量粉碎還田進(jìn)行高效清秸防堵作業(yè)的被動(dòng)式星齒凹面盤式防堵裝置，通過(guò)理論分析確定清秸盤結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍；通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)獲得清秸盤的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；通過(guò)田間對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的作業(yè)性能。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

星齒凹面盤式清秸防堵裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由固定架、平行四桿架、作業(yè)深度調(diào)節(jié)推桿、清秸盤安裝架和星齒凹面清秸盤組成。

圖1 星齒凹面盤式清秸防堵裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of star-toothed concave disk row cleaners1.固定架 2.平行四桿架 3.作業(yè)深度調(diào)節(jié)推桿 4.清秸盤安裝架 5.星齒凹面清秸盤

1.2 工作原理

該清秸防堵裝置安裝在免耕播種單體的正前方，沿著拖拉機(jī)的前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。作業(yè)前，通過(guò)作業(yè)深度調(diào)節(jié)推桿調(diào)節(jié)清秸盤星齒的入土深度，使星齒穿過(guò)秸稈殘茬層并切入恒定深度的土壤層。作業(yè)時(shí)，清秸盤在機(jī)具的拉力和土壤的反作用力共同形成的力偶作用下繞定軸被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，星齒沿切刃方向自遠(yuǎn)及近逐漸切入秸稈殘茬層和土壤層，對(duì)其正下方秸稈和土壤進(jìn)行切削破碎，各星齒順次切削以保證清秸防堵裝置作業(yè)深度的穩(wěn)定性；清秸盤外側(cè)的秸稈殘茬沿著外表面向苗帶兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，且秸稈橫向移動(dòng)距離逐漸增加，當(dāng)秸稈運(yùn)動(dòng)到清秸盤與地面交接的末端時(shí)，秸稈在合力的作用下，沿著星齒部分凹曲面的切線方向被側(cè)向拋出；被拋擲的秸稈在慣性力和自身重力的作用下落在所清理苗帶的兩側(cè)，形成一條清潔的播種區(qū)域。隨后，播種單體在所形成的苗帶上進(jìn)行播種。

2 星齒凹面盤式清秸防堵裝置設(shè)計(jì)

2.1 清秸防堵作業(yè)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

將田間的粉碎秸稈視為散粒體，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。認(rèn)為在苗帶清秸過(guò)程中清秸盤的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速為勻速運(yùn)動(dòng)，作業(yè)深度保持穩(wěn)定[18-19]。如圖2所示建立空間直角坐標(biāo)系Oxyz，x軸為清秸防堵裝置作業(yè)時(shí)前進(jìn)方向，y軸為水平面內(nèi)與x軸垂直方向，z軸為豎直方向。分析秸稈顆粒脫離清秸盤瞬時(shí)的受力情況，包括秸稈顆粒受到的盤面瞬時(shí)支持力N(與清秸盤垂直平面夾角為γ)、秸稈顆粒受到的盤面摩擦力f(清秸盤平面上被考察點(diǎn)的切線方向)和其自身重力G。秸稈顆粒受到的合力為F，方向與其絕對(duì)運(yùn)行方向相同。

圖2 秸稈顆粒在清秸盤面運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic diagrams of straw particles at surface of disc row cleaner

將支持力N和摩擦力f向坐標(biāo)軸方向進(jìn)行分解，則秸稈顆粒沿坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

式中m——秸稈顆粒質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

t——秸稈脫離清秸盤的時(shí)間，s

γ——秸稈顆粒受到的盤面瞬時(shí)支持力與清秸盤垂直平面夾角，(°)

θ——清秸盤圓心和其與土壤交點(diǎn)的連線與豎直方向的夾角，(°)

α——清秸盤平面與前進(jìn)方向夾角，(°)

φ——秸稈顆粒與清秸盤間摩擦角，(°)

由式(1)可得

(2)

式中vx、vy、vz——秸稈顆粒在x、y、z軸方向分速度，m/s

由式(2)可知，影響秸稈顆粒脫離速度的主要外界因素是α、θ、γ。

由清秸盤的結(jié)構(gòu)可知

(3)

式中r——清秸盤回轉(zhuǎn)半徑，mm

h——清秸盤入土深度，mm

e——偏心距，mm

ρ——曲率半徑，mm

q——圓盤曲面投影長(zhǎng)度，mm

由式(3)可知，影響秸稈顆粒速度的清秸盤結(jié)構(gòu)參數(shù)為清秸盤回轉(zhuǎn)半徑r、圓盤曲面投影長(zhǎng)度q和曲率半徑ρ。

2.2 清秸盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.2.1圓盤曲面

2.2.1.1清秸盤回轉(zhuǎn)半徑r

圖3為清秸盤作業(yè)時(shí)安裝示意圖。

圖3 清秸盤安裝示意圖Fig.3 Working diagram of disc row cleaner

清秸盤平面與前進(jìn)方向夾角為α，因此，單個(gè)清秸盤的有效清秸寬度為

b=Lmnsinα

(4)

(5)

式中b——清秸盤有效清秸幅寬，mm

Lmn——清秸盤與土壤接觸的有效長(zhǎng)度，mm

為了消除兩個(gè)清秸盤間的漏清區(qū)，將清秸盤前后交錯(cuò)配置，如圖4所示。

圖4 清秸防堵裝置理論幅寬示意圖Fig.4 Sketch of theoretical width of row cleaners

因此，清秸防堵裝置形成的理論幅寬為

(6)

式中B——清秸防堵裝置理論幅寬，mm

根據(jù)星齒部分深入秸稈層及土層深度要求，按照經(jīng)驗(yàn)公式[18]計(jì)算

D=2r=KH

(7)

式中D——清秸盤直徑，mm

K——徑深比(選取范圍為3～5，設(shè)計(jì)時(shí)有效作業(yè)深度大取小值，反之取大值)

H——星齒深入秸稈及土層深度，mm

清秸盤直徑還要滿足結(jié)構(gòu)要求

D>2H+c

(8)

式中c——連接法蘭盤最大外徑，mm

2.2.1.2曲率半徑ρ和圓盤曲面投影長(zhǎng)度q

如圖5所示，清秸盤回轉(zhuǎn)半徑確定后，清秸盤的凹面結(jié)構(gòu)由曲率半徑ρ和圓盤曲面投影長(zhǎng)度q共同決定。研究表明[20]，增加星齒部分的曲率和減小圓盤曲面投影長(zhǎng)度均能加強(qiáng)清潔盤對(duì)秸稈的側(cè)推和拋擲性能，但是曲率過(guò)大或圓盤曲面投影長(zhǎng)度過(guò)小將使作業(yè)阻力增加。因此，曲率半徑ρ和圓盤曲面投影長(zhǎng)度q為影響清秸盤作業(yè)質(zhì)量的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖5 清秸盤凹面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of disc row cleaner

綜合上述分析，根據(jù)東北地區(qū)采用免耕覆蓋種植模式進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)的田間實(shí)際情況，以及玉米免耕播種機(jī)清秸防堵裝置的安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行本裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)玉米免耕播種作業(yè)技術(shù)要求，免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)需小于田面的30%，且應(yīng)為播種作業(yè)準(zhǔn)備出15～25 cm的播種區(qū)[1]。東北地區(qū)玉米常規(guī)壟距為650 mm，春季播種時(shí)覆蓋在地表的秸稈層厚度為40～50 mm，為使清秸輪轉(zhuǎn)動(dòng)效率高，設(shè)清秸盤入土深度h為20 mm，選取徑深比K為5，清秸盤法蘭盤結(jié)構(gòu)尺寸c為120 mm，清秸盤平面與前進(jìn)方向夾角α為30°[16]。綜合以上設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定取值范圍為150 mm≤r≤180 mm、30 mm≤q≤70 mm、160 mm≤ρ≤190 mm。

2.2.2圓盤星齒

2.2.2.1星齒刃口曲線

圖6 星齒刃口曲線示意圖Fig.6 Diagram of star-toothed edge curve

星齒刃口曲線的參數(shù)方程為

p2-2dpsinψ=R2-d2

(9)

式中p——切刃上任一點(diǎn)到清秸盤圓心距離，mm

d——切刃的偏心距，mm

ψ——過(guò)切刃上任一點(diǎn)和清秸盤圓心連線與水平方向夾角，(°)

R——切刃的偏心圓半徑，mm

(10)

2.2.2.2星齒數(shù)量

星齒布置如圖7所示，為保證星齒對(duì)地表的粉碎秸稈具有連續(xù)的撥動(dòng)和拋擲作用，同時(shí)避免兩星齒根部出現(xiàn)夾稈現(xiàn)象，按照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[18]要求計(jì)算星齒數(shù)量

(11)

式中s——相鄰齒根弦長(zhǎng)，應(yīng)略大于秸稈直徑，mm

圖7 星齒數(shù)量計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.7 Diagram of star-toothed number calculation

由式(11)可知，星齒數(shù)量i與回轉(zhuǎn)半徑r、圓弧投影長(zhǎng)度q有關(guān)，因此需根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)確定清秸盤星齒的數(shù)量。

2.3 清秸盤安裝架設(shè)計(jì)

清秸盤工作參數(shù)的變化影響清秸防堵裝置的作業(yè)質(zhì)量。由于作業(yè)環(huán)境地表不平、堅(jiān)實(shí)度不一致和秸稈量不均勻等，使清秸防堵裝置在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生豎直方向的位移變化。如圖8a所示，平面爪輪式清秸防堵裝置鉸接在播種單體上，當(dāng)清秸盤豎直方向位移變化量為Δh時(shí)，清秸盤的安裝傾角變化量為Δβ，改變了清秸防堵裝置設(shè)定的最優(yōu)工作參數(shù)，影響苗帶清秸質(zhì)量。針對(duì)此問(wèn)題，本文運(yùn)用平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)清秸盤的安裝架，如圖8b所示，可使清秸盤始終保持設(shè)置的工作參數(shù)運(yùn)行，避免因地況的變化導(dǎo)致清秸質(zhì)量的下降。

圖8 清秸防堵裝置工作參數(shù)隨深度變化示意圖Fig.8 Sketches of working parameters changed with working depth

3 離散元仿真

運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM建立作業(yè)部件-土壤-秸稈間作用模型，以苗帶清秸率和作業(yè)阻力為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬清秸防堵裝置田間作業(yè)環(huán)境，分析影響清秸防堵裝置作業(yè)性能的主要因素，尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為后續(xù)田間試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

3.1 離散元模型建立

3.1.1清秸防堵裝置模型

為合理有效地進(jìn)行仿真模擬與計(jì)算，對(duì)清秸防堵裝置模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除其工作過(guò)程中無(wú)關(guān)的部件。運(yùn)用三維制圖軟件Creo 對(duì)清秸防堵裝置進(jìn)行實(shí)體建模(比例1∶1)，以.igs格式導(dǎo)入EDEM軟件Geometry項(xiàng)中，仿真模型如圖9所示。設(shè)置仿真模型的材質(zhì)屬性為45號(hào)鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7.0×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

圖9 星齒凹面清秸盤幾何模型Fig.9 Geometric model of row cleaners

3.1.2土槽模型

為簡(jiǎn)化模型，縮短仿真時(shí)間，采用直徑為8 mm的球體作為土壤顆粒模型[23-24]，設(shè)定土壤顆粒力學(xué)關(guān)系模型為Hertz-Mindlin with bonding模型，剪切模量為1.0×106Pa，密度為1 850 kg/m3，泊松比為0.38；根據(jù)粉碎秸稈的實(shí)際尺寸，采用8個(gè)直徑為20 mm、球心間距為10 mm的球體組成的長(zhǎng)為90 mm的長(zhǎng)線性模型作為秸稈顆粒模型，設(shè)定秸稈顆粒力學(xué)關(guān)系模型為Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型，泊松比為0.4，剪切模量為1.0×106Pa，密度為241 kg/m3。根據(jù)文獻(xiàn)[24]得到仿真材料的接觸參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料接觸參數(shù)Tab.1 Material contact parameters of simulation

為模擬實(shí)際田間清秸作業(yè)狀態(tài)，運(yùn)用EDEM軟件建立虛擬土槽，根據(jù)該地區(qū)春季播種前田間秸稈覆蓋情況，設(shè)定土壤層厚度為50 mm，秸稈層厚度為40 mm，設(shè)置土槽尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 000 mm×650 mm×100 mm，將其設(shè)定為虛擬顆粒工廠，保證槽內(nèi)存有充足顆粒進(jìn)行仿真，如圖10所示。在生成土壤顆粒過(guò)程中，使其僅在重力作用下自由沉降，且整體生成后在顆粒群上方加載校準(zhǔn)土壤密度所需的垂直載荷，進(jìn)行土壤模型壓實(shí)，使仿真與實(shí)際土壤一致。

圖10 虛擬土槽模型Fig.10 Virtual model of bench

3.2 虛擬仿真過(guò)程

在虛擬仿真過(guò)程中，設(shè)置清秸防堵裝置位于土槽一側(cè)進(jìn)行初始作業(yè)。根據(jù)機(jī)具實(shí)際作業(yè)狀態(tài)及免耕播種農(nóng)藝要求，設(shè)置該裝置前進(jìn)速度為2.22 m/s、清秸盤入土深度為20 mm。為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置其固定時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的15%，總時(shí)間為7 s，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為土壤顆粒尺寸的2倍，以便對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)處理。仿真過(guò)程如圖11所示。

圖11 清秸作業(yè)EDEM仿真Fig.11 EDEM simulation processes of strap row clearing

4 EDEM虛擬仿真試驗(yàn)

4.1 虛擬仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究清秸防堵裝置作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)阻力變化規(guī)律，分析影響苗帶清秸作業(yè)性能的主要因素，得到理想結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，進(jìn)行EDEM 虛擬仿真正交試驗(yàn)研究。根據(jù)理論分析結(jié)果，確定清秸盤回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑和圓盤曲面投影長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，以作業(yè)后苗帶清秸率和作業(yè)阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，采用三因素三水平Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定清秸盤最佳參數(shù)組合[25-26]，試驗(yàn)因素和編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

由于目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)評(píng)價(jià)苗帶清秸作業(yè)質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)查閱相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際玉米免耕播種作業(yè)技術(shù)要求[27-28]，選取苗帶清秸率為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)考察該裝置在工作過(guò)程中的作業(yè)阻力。

(1)苗帶清秸率

利用EDEM軟件的solve report模塊，可以得到建立的秸稈顆粒在仿真作業(yè)前后的數(shù)量變化，提取作業(yè)前后線框區(qū)域內(nèi)秸稈顆粒數(shù)量，如圖12所示。

圖12 清秸率測(cè)試區(qū)域示意圖Fig.12 Schematic of clearing rate test area

對(duì)苗帶區(qū)域內(nèi)部清潔率進(jìn)行計(jì)算

(12)

式中C——苗帶清秸率，%

S1——仿真作業(yè)后秸稈數(shù)量

S——仿真作業(yè)前秸稈數(shù)量

(2)作業(yè)阻力

運(yùn)用EDEM軟件的Analyst項(xiàng)的Graph模塊，獲取清秸輪作業(yè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)受力數(shù)據(jù)，如圖13所示，計(jì)算其在穩(wěn)定工作階段的受力平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖13 清秸輪受力隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Force-time chart of row cleaner

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

虛擬試驗(yàn)操作值與參數(shù)設(shè)計(jì)值無(wú)誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，具體試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3 所示，x1、x2、x3為因素編碼值。

通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和因素方差分析，篩選出影響顯著因素，從而得出清秸率y1和作業(yè)阻力y2的回歸方程

(13)

(14)

為直觀分析試驗(yàn)因素與指標(biāo)間關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert軟件得到響應(yīng)曲面圖，如圖14所示。

根據(jù)上述回歸方程和響應(yīng)曲面圖可知，清秸輪回轉(zhuǎn)半徑和曲率半徑間對(duì)清秸率存在交互作用，如圖14a所示，其中曲率半徑比回轉(zhuǎn)半徑對(duì)清秸率的影響顯著；當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，清秸率隨曲率半徑增加而降低；當(dāng)曲率半徑一定時(shí)，清秸率隨回轉(zhuǎn)半徑增加而降低。曲率半徑和圓盤曲面投影長(zhǎng)度間對(duì)清秸率和作業(yè)阻力均存在交互作用，如圖14b、14d所示，其中曲率半徑比圓盤曲面投影長(zhǎng)度對(duì)清秸率和作業(yè)阻力的影響顯著；當(dāng)曲率半徑一定時(shí)，清秸率隨圓盤曲面投影長(zhǎng)度增加而降低，作業(yè)阻力隨圓盤曲面投影長(zhǎng)度的增加而下降；當(dāng)圓盤曲面投影長(zhǎng)度一定時(shí)，清秸率隨曲率半徑增加而降低，作業(yè)阻力隨曲率半徑的增加而下降?；剞D(zhuǎn)半徑和圓盤曲面投影長(zhǎng)度間對(duì)作業(yè)阻力存在交互作用，如圖14c所示，其中圓盤曲面投影長(zhǎng)度比回轉(zhuǎn)半徑對(duì)作業(yè)阻力的影響顯著；當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，作業(yè)阻力隨圓盤曲面投影長(zhǎng)度增加而降低；當(dāng)圓盤曲面投影長(zhǎng)度一定時(shí)，作業(yè)阻力隨回轉(zhuǎn)半徑增加而升高。分析上述影響規(guī)律產(chǎn)生的原因可知，增大清秸盤的回轉(zhuǎn)半徑，降低了清秸盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，減弱了清秸盤對(duì)秸稈的拋擲作用，從而使清秸率下降；同時(shí)，增加了清秸盤在相同作業(yè)深度條件下的有效作業(yè)面積，從而使作業(yè)阻力上升。增大曲率半徑，降低了其對(duì)秸稈的拋擲速度，減小了清秸盤的有效作業(yè)面積，從而使清秸率和作業(yè)阻力均下降。增大圓盤曲面投影長(zhǎng)度，增大了相鄰星齒的間距，使作業(yè)過(guò)程中漏清的幾率增加，同時(shí)減小了清秸盤有效作業(yè)面積，從而使清秸率和作業(yè)阻力均降低。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of tests

為得到該清秸防堵裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，遵循提高苗帶清秸率、降低作業(yè)阻力的原則，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(15)

基于Design-Expert軟件中的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理參數(shù)組合，即當(dāng)清秸盤回轉(zhuǎn)半徑為152.5 mm，曲率半徑為160 mm，圓盤曲面投影長(zhǎng)度為50.9 mm時(shí)，清秸防堵裝置作業(yè)性能較理想，其清秸率為91.2%，作業(yè)阻力為112.8 N。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，其清秸率為92.1%，作業(yè)阻力為114.2 N，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

5 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證星齒凹盤式清秸防堵裝置在田間作業(yè)時(shí)的工作性能，于2018年10月在吉林大學(xué)農(nóng)學(xué)部試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)田的土壤類型為東北黑鈣土，試驗(yàn)地前茬作物為玉米，秋季采用自走式玉米收獲機(jī)收獲的同時(shí)將全量秸稈進(jìn)行粉碎還田處理。試驗(yàn)期間日平均氣溫為12～16℃，無(wú)降雨。表4為試驗(yàn)時(shí)田間地況的主要參數(shù)。

加工試制星齒凹面盤式清秸防堵裝置，清秸盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取優(yōu)化后的結(jié)果：清秸盤回轉(zhuǎn)半徑為152.5 mm，曲率半徑為160 mm，圓盤曲面投影長(zhǎng)度為50.9 mm。星齒凹面盤式清秸防堵裝置安裝在帶有限深地輪的三點(diǎn)懸掛架上，通過(guò)懸掛架與拖拉機(jī)相連，同時(shí)在懸掛架上安裝平面爪輪式清秸防堵裝置作為對(duì)照。試驗(yàn)前，將兩清秸防堵裝置的清秸盤(輪)調(diào)至同一水平高度，調(diào)節(jié)拖拉機(jī)的上、下拉桿保證機(jī)架與地面保持水平，并調(diào)整清秸盤的入土深度為20 mm。試驗(yàn)時(shí)，控制拖拉機(jī)的前進(jìn)速度為2.22 m/s(8 km/h)，測(cè)試區(qū)域?yàn)?0 m。田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

圖15 田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.15 Platform experiment

每次試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)苗帶清秸率和苗帶清秸寬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)為穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)間隔2 m的連續(xù)10個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用電子天平稱量苗帶清秸寬度內(nèi)的殘留秸稈質(zhì)量，并與該區(qū)域內(nèi)試驗(yàn)前秸稈質(zhì)量作比值，計(jì)算苗帶清秸率；使用鋼尺對(duì)測(cè)點(diǎn)的苗帶清秸寬度進(jìn)行測(cè)量。每次試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)六分力測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)兩種防堵裝置的作業(yè)阻力進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)重復(fù)3 次，測(cè)試結(jié)果取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)效果和測(cè)量過(guò)程如圖16所示，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

圖16 作業(yè)效果及測(cè)量指標(biāo)Fig.16 Operation effect and measurement index

裝置類型苗帶清秸率/%苗帶清秸寬度/mm作業(yè)阻力/N測(cè)量值平均值測(cè)量值平均值測(cè)量值平均值星齒凹面盤式清秸防堵裝置93.491.391.992.2251.7235.5240.3242.5146.4137.7143.6142.6平面爪輪式清秸防堵裝置72.475.868.772.3178.5186.2172.4179.0182.7197.5176.4185.5

由表5可知，在相同工況下星齒凹面盤式清秸防堵裝置田間的苗帶清秸率為92.2%，作業(yè)阻力為142.6 N，苗帶清秸寬度為242.5 mm，均優(yōu)于平面爪輪式清秸防堵裝置，且苗帶清秸率提升效果顯著(P<0.01)。分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，清秸盤的凹面結(jié)構(gòu)提高了粉碎秸稈的拋擲初速度，使秸稈更利于被分到苗帶兩側(cè)；星齒凹面盤式清秸防堵裝置的兩個(gè)清秸盤相交錯(cuò)重疊，消除了清秸盤間的漏清區(qū)，使工作幅寬內(nèi)的秸稈得到充分的清理；星齒凹面盤的切刃更易于切斷秸稈和切入土壤，提高了作業(yè)深度和苗帶清秸寬度的穩(wěn)定性；平行四桿架維持清秸盤的工作參數(shù)，提高作業(yè)穩(wěn)定性。通過(guò)與仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，田間苗帶清秸作業(yè)質(zhì)量與仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果基本一致，但是實(shí)際作業(yè)阻力高于仿真結(jié)果，產(chǎn)生誤差的原因可能是仿真環(huán)境過(guò)于理想，而田間土壤的含水率和容積密度更大，增加了作業(yè)阻力，但誤差在可接受范圍內(nèi)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，星齒凹盤防堵裝置達(dá)到很好的作業(yè)效果，清理的苗帶滿足免耕播種作業(yè)的農(nóng)藝要求。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新型星齒凹面盤式清秸防堵裝置，能夠在玉米秸稈全量粉碎還田地進(jìn)行高效的清秸防堵作業(yè)，清秸率高，工作性能穩(wěn)定，作業(yè)后地表滿足免耕播種機(jī)播種作業(yè)要求。

(2)通過(guò)對(duì)秸稈在清秸盤表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行理論分析，得出影響清秸防堵裝置作業(yè)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)為清秸盤回轉(zhuǎn)半徑r、圓盤曲面投影長(zhǎng)度q和曲率半徑ρ，通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算確定了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍為150 mm≤r≤180 mm、30 mm≤q≤70 mm、160 mm≤ρ≤190 mm。

(3)以清秸盤回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑和圓盤曲面投影長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，以苗帶清秸率、作業(yè)阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，采用虛擬正交試驗(yàn)方法建立了因素與指標(biāo)間數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法建立了優(yōu)化模型，得出被動(dòng)式星齒凹盤防堵裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：清秸盤回轉(zhuǎn)半徑為152.5 mm、曲率半徑為160 mm、圓盤曲面投影長(zhǎng)度為50.9 mm。

(4)田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，星齒凹盤防堵裝置清秸率為92.2%，苗帶清秸寬度為242.5 mm，作業(yè)阻力為142.6 N，其綜合作業(yè)性能優(yōu)于平面爪輪式防堵裝置，清理的苗帶滿足免耕播種作業(yè)的農(nóng)藝和技術(shù)要求。