人字型水旱兩用旋埋刀輥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

祝英豪 張居敏 曾 榮 張文良 楊全軍 夏俊芳

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

水旱輪作是符合長江中下游多熟制稻作區(qū)周年農(nóng)時(shí)季節(jié)要求的主要種植制度之一[1]。長期以來，傳統(tǒng)的耕作方式及過度的化肥依賴導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，生態(tài)環(huán)境惡化[2-3]。秸稈還田能夠增加土壤活性、恢復(fù)地力，同時(shí)避免秸稈焚燒，緩解茬口農(nóng)時(shí)緊張，是解決水旱輪作區(qū)土壤耕作及秸稈處理問題的首選方案[4-8]。

目前，傳統(tǒng)的旋耕刀輥使用較為普遍，由于其刀軸防纏性能和秸稈埋覆效果不理想，使其應(yīng)用受秸稈切碎長度及留茬高度的限制。因此，為耕作部件創(chuàng)造適耕環(huán)境成為現(xiàn)階段聯(lián)合收獲機(jī)的附加作業(yè)任務(wù)，這勢必加重聯(lián)合收獲機(jī)的負(fù)荷，降低收割效率及質(zhì)量。為增強(qiáng)作業(yè)機(jī)具在秸稈地的通過性，為后續(xù)栽播提供優(yōu)質(zhì)種床，鄭智旗等[9]和林靜等[10]分別設(shè)計(jì)了一種將粉碎的秸稈收集后埋入溝中的還田裝備，但在長江中下游水旱輪作區(qū)，土壤常年干濕交替，粘結(jié)性強(qiáng)，秸稈量多、留茬高、韌性大，秸稈粉碎程度難以滿足要求，且易在水田中形成漂茬或與土壤混合粘附在一起影響收集效果，因此粉碎入溝的還田方式常用于質(zhì)地較脆的小麥、玉米等旱作物秸稈及非粘性土壤區(qū)域。為了解決水稻秸稈在濕粘環(huán)境下的還田問題，高茬、整株秸稈直接旋埋的思路逐漸應(yīng)用于秸稈還田耕整機(jī)具的設(shè)計(jì)中[11-12]。

本課題組多年從事機(jī)械化秸稈還田技術(shù)研究，提出高茬水稻秸稈直接掩埋的還田技術(shù)，研制的水旱兩用秸稈還田組合刀輥[13]將螺旋橫刀與傳統(tǒng)的旋耕彎刀以螺旋交錯(cuò)的排列方式有機(jī)地結(jié)合為一體，兼顧水田和旱地，有效防止秸稈纏繞刀軸，避免秸稈預(yù)粉碎處理，一次耕作即可滿足栽培的農(nóng)藝要求。但該刀輥仍存在受力不均勻、功耗偏高等問題，致使推廣受阻。為此，本文利用離散元軟件(EDEM)仿真分析螺旋橫刀排列方式與刀輥受載的關(guān)系，選擇最優(yōu)排列，并基于這種排列對刀輥其他部件及布局進(jìn)行設(shè)計(jì)；為進(jìn)一步降低作業(yè)功耗，建立螺旋橫刀切削土壤的數(shù)學(xué)模型，對影響切削阻力的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)一種人字型水旱兩用旋埋刀輥，以期為解決水旱輪作模式中的秸稈直接還田問題提供相應(yīng)技術(shù)裝備。

1 螺旋橫刀排列方式離散元仿真分析

離散元法(Discrete element method，DEM)廣泛應(yīng)用于土壤耕作部件的優(yōu)化、設(shè)計(jì)與機(jī)理分析[14-16]。旋耕刀輥切削土壤的受力關(guān)系復(fù)雜，通過田間試驗(yàn)很難測得刀輥真實(shí)的受力情況，因此利用離散元法構(gòu)建土壤模型，借助仿真試驗(yàn)，對刀輥的排列方式進(jìn)行優(yōu)化分析。

1.1 刀輥建模

合理的刀具排列方式有利于減小刀輥功耗、延長機(jī)具使用壽命，提升作業(yè)質(zhì)量的穩(wěn)定性[17]?，F(xiàn)有組合刀輥同一分段區(qū)間刀具相隔120°均勻分布，相鄰分段區(qū)間刀具旋向相反，前段刀輥螺旋橫刀末端與后段螺旋橫刀始端錯(cuò)開60°以螺旋交錯(cuò)的方式排列，如圖1a。理想狀態(tài)下，令每段刀輥軸向力為f(ωt+φ0)，則整輥軸向力F(t)為

(1)

式中ω——刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

t——刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s

φ0——刀輥初始相位角，(°)

圖1 螺旋橫刀排列方式示意圖Fig.1 Sketches of arrangement mode of helical blades

從式中可以看出刀輥的軸向力始終無法抵消，一方面土壤的側(cè)向反作用力致使刀具切土產(chǎn)生額外的摩擦阻力；另一方面導(dǎo)致機(jī)具橫向偏移晃動(dòng)。對稱的排列方式可保證互為反向的刀具在任一時(shí)刻入土程度相同、數(shù)量相等，能有效避免上述情況的發(fā)生。螺旋橫刀刀身為大螺距螺旋體，橫向跨度大，為了達(dá)到對稱排列的目的，需將各段螺旋橫刀首尾相連，有人字型與鋸齒型兩種排列方式，如圖1b、1c所示。

為綜合分析刀輥的受載情況，選取軸向力和沿周向的扭矩作為響應(yīng)值，考慮到組合刀輥中旋耕刀的最優(yōu)排布根據(jù)螺旋橫刀排列方式的不同互有差異，在3種刀輥模型中僅對螺旋橫刀進(jìn)行裝配，目的是排除旋耕刀布局中與排列方式無關(guān)的變量對刀輥響應(yīng)值的干擾。

1.2 土壤模型的構(gòu)建

長江中下游稻作區(qū)土壤為粘性質(zhì)地，土壤之間粘結(jié)性強(qiáng)，含水率大，宜選用 EDEM軟件中Hertz-Mindlin with Bonding模型作為土壤顆粒間的接觸模型，該模型以土壤顆粒間設(shè)置粘結(jié)鍵的方式表征濕粘土壤的團(tuán)聚行為[18]。粘結(jié)鍵可以承受和傳遞一定的力與力矩，共有5個(gè)接觸參數(shù)描述該鍵的粘結(jié)特性，其中法向剛度與切向剛度用來計(jì)算粘結(jié)鍵所受的載荷；法向臨界應(yīng)力與切向臨界應(yīng)力用來計(jì)算粘結(jié)鍵斷裂所需要的載荷；粘結(jié)半徑表示顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)鍵所需要的距離。為了簡化模型，使切向參數(shù)與法向參數(shù)在數(shù)值上相等[14,19]，同時(shí)認(rèn)為土壤之間的粘結(jié)源于土粒間的液橋，所以可用粘結(jié)半徑衡量土壤含水率[20]。模擬土壤時(shí)，粘結(jié)剛度的數(shù)量級為107～108N/m3，臨界應(yīng)力數(shù)量級為104～105Pa[19,21]，水旱輪作多熟制稻作區(qū)土壤干濕交替，含水率常年在25%～45%之間，且土壤破壞所需的外力隨含水率增大而減小，考慮到本研究的適用范圍，選擇高、中、低3個(gè)水平模擬土壤所處的3個(gè)濕度狀態(tài)，分別開展3種刀輥的仿真試驗(yàn)，選用的接觸模型參數(shù)如表1所示。其中顆粒形狀采用最常用的圓球模型，半徑設(shè)置為8 mm；土壤顆粒的本征參數(shù)密度、剪切模量、泊松比是材料自身固有的特性參數(shù)，依次為[18]1 208 kg/m3、6×107Pa、0.38；材料基本接觸參數(shù)為各材料之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)，分別設(shè)置為[22]0.2、0.3、0.4(土壤-土壤)和0.3、0.05、0.5(土壤-45號(hào)鋼)。

表1 土壤顆粒粘結(jié)參數(shù)Tab.1 Bond parameters of soil particles

1.3 EDEM仿真過程

根據(jù)刀輥幅寬，在模型中建立尺寸(長×寬×高)為2 500 mm×2 400 mm×300 mm土槽箱，在土槽箱上表面設(shè)置顆粒工廠，以重力沉積法生成478 527個(gè)土壤顆粒，導(dǎo)出顆粒文件。在顆粒文件中設(shè)置接觸模型，輸入粘結(jié)參數(shù)并導(dǎo)入刀輥模型。刀輥材質(zhì)為45號(hào)鋼，密度、剪切模量、泊松比依次為7 850 kg/m3、7.9×1010Pa、0.3。刀輥轉(zhuǎn)速250 r/min(0～2.8 s)，垂直入土速度0.75 m/s(0～0.2 s)，前進(jìn)速度0.8 m/s(0.2～2.8 s)，0.001 s時(shí)對土壤顆粒進(jìn)行粘結(jié)，固定時(shí)間步長為1.24×10-5s，由于顆粒較多，為縮短仿真周期，設(shè)置以刀輥為中心，與刀輥同步平動(dòng)，尺寸(長×寬×高)為800 mm×2 400 mm×800 mm的動(dòng)態(tài)仿真域。動(dòng)態(tài)仿真域外的顆粒，以0.01 s為檢測間隔，設(shè)定連續(xù)3次檢測位移均小于自身半徑的5%時(shí)，顆粒處于暫時(shí)“凍結(jié)”狀態(tài)，軟件不再更新這些顆粒的數(shù)據(jù)，直至進(jìn)入動(dòng)態(tài)仿真域后被激活，仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

1.4 仿真結(jié)果與分析

仿真完成后，依次在軟件中輸出刀輥的軸向力與扭矩?cái)?shù)據(jù)，由軸向力標(biāo)準(zhǔn)差Fs評價(jià)軸向受載穩(wěn)定性情況，由扭矩均值Ta評價(jià)刀輥周向受載情況，結(jié)果如圖3所示。

在圖3中，各刀輥在高、中、低3個(gè)含水率水平的土壤模型下，受載變化趨勢相同，響應(yīng)值隨土壤含水率的降低而升高，說明粘結(jié)參數(shù)的選取符合濕度的要求。同類土壤模型，軸向受載穩(wěn)定性從低到高依次為：交錯(cuò)型、鋸齒型、人字型，周向受載從大到小依次為：鋸齒型、交錯(cuò)型、人字型，這種排序并不受土壤模型影響，說明響應(yīng)值的變異主要來源于螺旋橫刀的排列方式。

圖3 不同土壤模型螺旋橫刀各排列方式受載對比示意圖Fig.3 Schematics of loading comparison of different arrangement helical blades under different soil models

當(dāng)?shù)遁亴ν寥李w粒切削時(shí)，鋸齒型的排列方式共有6把螺旋橫刀同步參與切削作業(yè)，交錯(cuò)型與人字型分別為3把與2把，所以人字型刀輥工作更加平穩(wěn)，切削阻力更小(圖3b)。交錯(cuò)型的非對稱結(jié)構(gòu)造成軸向力波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差；鋸齒型與人字型同為對稱結(jié)構(gòu)，軸向受載理應(yīng)相同，但圖3a中顯示人字型軸向受載穩(wěn)定性明顯較優(yōu)，這是因?yàn)殡x散元模型中土槽里的土壤顆粒隨機(jī)生成并排列，各位置處顆粒分布不均勻，這與田間的實(shí)際情況類似，軸向力的波動(dòng)與顆粒不均勻相關(guān)，而鋸齒型刀輥切削阻力較大，強(qiáng)化了這種不均勻性引起的軸向力波動(dòng)。綜上，人字型排列方式的軸向受載穩(wěn)定性與切削阻力均優(yōu)于鋸齒型和交錯(cuò)型，因此選用人字型的排列方式對刀輥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 刀輥零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 刀盤設(shè)計(jì)

刀盤上共設(shè)有6個(gè)用于安裝旋耕刀的徑向通槽和3個(gè)安裝彎刀的軸向通槽，軸向通槽相隔120°均勻分布，徑向通槽位于軸向通槽兩側(cè)，與軸向通槽的夾角為β，為防止各刀槽相互干渉，β設(shè)置為37.8°，刀盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic of cutter head

螺旋橫刀焊接在兩彎刀之間，并由彎刀安裝在刀盤上，人字型的排列方式需將相鄰的螺旋橫刀首尾相連，為實(shí)現(xiàn)這種排列方式，在刀盤上開設(shè)軸向通槽，相鄰的螺旋橫刀焊接組件中互為反向的彎刀相貼合共同占用一個(gè)軸向通槽，兩側(cè)由夾板通過螺栓連接進(jìn)行軸向固定，擋板焊接在刀盤外緣，防止夾板、彎刀、螺栓整體沿槽滑移，起到徑向定位的作用。刀盤軸向通槽的設(shè)置，解決了螺旋橫刀的安裝問題，為軸向通槽的設(shè)置預(yù)留了空間，同時(shí)解決了螺旋橫刀焊接組件無法整體拆裝的問題，解除軸向固定后，沿軸向可替換拆裝螺旋橫刀焊接組件，便于刀輥的維護(hù)與更換。

刀盤徑向通槽加裝旋耕刀，一方面，螺旋橫刀入土側(cè)與刀盤在同一回轉(zhuǎn)面上，可使螺旋橫刀率先切土的一端始終工作在旋耕刀已耕區(qū)域內(nèi)，有利于減輕螺旋橫刀的入土阻力，增強(qiáng)了螺旋橫刀的切土和秸稈埋覆性能；另一方面，傳統(tǒng)旋耕刀輥為了防止壅土現(xiàn)象，往往采用小升角雙螺旋排列，相鄰兩旋耕刀之間至少相差24°[23]，而在交錯(cuò)型組合刀輥中，由于螺旋橫刀結(jié)構(gòu)尺寸及排列方式的限制，旋耕刀必須安裝在刀盤之間的刀座中，兩旋耕刀的夾角不足15°，刀盤加裝旋耕刀，充分利用刀輥軸向間隙，增加兩刀的間距以彌補(bǔ)夾角過小的不足。

2.2 旋耕刀排列

2.2.1旋耕刀軸向排列

圖5 刀輥中間區(qū)域(第3、4段)刀具排列展開圖Fig.5 Arrangement drawing of blades in middle area (the third and fourth parts)of blade roller

為配合人字型排列布局的要求，旋耕刀軸向排列如圖5所示。每段刀輥中安裝在刀座中的旋耕刀以刀盤旋耕刀為初始位置按螺旋線均勻排布，且每條排布螺旋線的升角與螺旋橫刀的升角δ相等，刀輥同側(cè)相鄰兩旋耕刀軸向間距相等。同側(cè)的3段(第1、2、3段為左側(cè)，第4、5、6段為右側(cè))刀輥之間旋耕刀排布螺旋線升角、旋向相同，安裝同向刀具，初始相位角以螺旋橫刀軸向轉(zhuǎn)角αL為公差呈等差數(shù)列；異側(cè)相對稱的3組刀輥之間排布螺旋線初始相位角、升角相同，旋向相反，安裝反向旋耕刀。

人字型刀輥規(guī)定左側(cè)裝左旋耕刀，右側(cè)裝右旋耕刀，兩側(cè)采用同向相繼切土，使旋耕刀將切下的土壤向兩邊推移，除左右兩側(cè)第一列旋耕刀外，其它旋耕刀切土?xí)r減少了一個(gè)約束面，使土壤更容易破壞，并達(dá)到旋耕節(jié)能降耗的目的[24]。每段刀輥中旋耕刀與螺旋橫刀對土壤的軸流側(cè)推方向相反，螺旋橫刀將已側(cè)移的土壤拉回由拖板抹平，有效提高了耕后的地表平整度。

2.2.2旋耕刀周向排列

刀輥功能的實(shí)現(xiàn)是建立在螺旋橫刀工作在旋耕刀已耕區(qū)域的條件下，旋耕刀正切刃有一定的破茬寬度，后續(xù)螺旋橫刀耕在旋耕刀正切刃與側(cè)切刃之間過渡的圓弧處時(shí)，旋耕刀對后續(xù)螺旋橫刀起到了完全破茬作用，能最大限度地降低螺旋橫刀切土阻力，發(fā)揮秸稈掩埋優(yōu)勢[25]。除旋耕刀要比螺旋橫刀有更大的回轉(zhuǎn)半徑外，兩者之間的夾角也影響后續(xù)螺旋橫刀在接觸地面過程中前進(jìn)的距離是否超出旋耕刀所耕范圍。

如圖6所示，刀輥旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)位于地表上H處，取O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸與前進(jìn)方向相同，y軸豎直向下，以x軸水平方向?yàn)槌跏枷辔唬越撬俣圈貏蛩傩D(zhuǎn)，同時(shí)刀輥以速度vm勻速前進(jìn)。螺旋橫刀刃口M與旋耕刀刃口N位于同一回轉(zhuǎn)截面，其中刃口N的旋轉(zhuǎn)半徑R0(φ)與其相位角φ一一映射，刃口M的旋轉(zhuǎn)半徑為定值R，相位角相對于刃口N滯后Δφ。刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)后，刃口M、N與地表接觸所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度分別為φM、φN，期間對應(yīng)刀輥前進(jìn)的距離SM、SN可表示為

(2)

(3)

螺旋橫刀刃口M的切土位置M1的橫坐標(biāo)xM為

(4)

旋耕刀刃口N的切土位置N1的橫坐標(biāo)xN為

(5)

圖6 刃口切土位置數(shù)學(xué)模型Fig.6 Mathematical model of cutting position

定義螺旋橫刀與旋耕刀切土位置相同的兩刃口之間的相位夾角為兩刀的裝配夾角，當(dāng)xM=xN，M1與N1重合，刃口M和刃口N切土位置相同，Δφ即為裝配夾角，將式(2)～(5)整合并代入等式xM=xN中得

(6)

旋耕刀正切刃至側(cè)切刃過渡圓弧處刃口的旋轉(zhuǎn)半徑為R0(45°)=0.238 m，完全破茬時(shí)，兩刀的裝配夾角Δφ為59°。

2.3 螺旋橫刀參數(shù)優(yōu)化

螺旋橫刀為大螺距螺旋體，沿刀刃有固定的旋轉(zhuǎn)半徑、靜態(tài)滑切角[26]和靜態(tài)切土角[27]。為實(shí)現(xiàn)壓覆秸稈的功能，防止未切斷的秸稈沿刃口曲線滑脫，螺旋橫刀的滑切角需小于與秸稈的摩擦角[28-29]，耕作時(shí)刃口相當(dāng)于被秸稈包裹，隨著刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)，將其壓入土壤。前期研究成果表明現(xiàn)有螺旋橫刀的滑切角能夠滿足壓稈掩埋的實(shí)際需求[30]，但目前螺旋橫刀仍存在切削阻力過大的問題。建立螺旋橫刀切土過程的數(shù)學(xué)模型，如圖7所示。

圖7 螺旋橫刀切土過程的數(shù)學(xué)模型Fig.7 Mathematical model diagrams of process of cutting soil with helical blade

螺旋橫刀在切削土壤時(shí)，為了防止刀背抵壓未耕土壤，參數(shù)需滿足

θ+ξ+αi≤90°

(7)

式中θ——螺旋橫刀安裝角，(°)

ξ——螺旋橫刀磨刃角，(°)

αi——圓周速度與切削速度的夾角，(°)

在圖7b中根據(jù)位置三角形OiPiQi與速度三角形(圓周速度vω、牽引速度vm、切削速度vi)相似的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在三角形OiPiQi中由正弦定理可求得轉(zhuǎn)角φi與速度夾角αi的關(guān)系為

(8)

其中

λ=vω/vm

由于螺旋橫刀的安裝角θ與靜態(tài)切土角互余，所以θ值越大時(shí)，切土阻力越小，將αi的最大值(Q2處)代入式(7)則

(9)

考慮到秸稈由螺旋橫刀壓入土壤后，與土壤在相互揉搓中撕裂破碎，螺旋橫刀出土撥動(dòng)并拋起土壤，覆蓋表層未完全壓覆的秸稈，進(jìn)一步增加秸稈的埋覆效果。拋土量可由螺旋橫刀的拋土寬度定性表示為

WP=Wcosθ

(10)

式中WP——靜態(tài)拋土寬度，mm

W——螺旋橫刀寬度，mm

1GMC-70型旋耕埋草機(jī)選用了較小的安裝角[30-31]以增加拋土量，為了達(dá)到與1GMC-70型旋耕埋草機(jī)相同的秸稈埋覆效果，同時(shí)降低切削阻力，通過加大刀寬彌補(bǔ)因安裝角變大而損失的拋土寬度。螺旋橫刀安裝角θ由17°增至50°，滿足式(9)的要求，刀寬W由最初的25 mm增至35 mm，滿足式(10)的要求。

3 田間試驗(yàn)

3.1 刀輥農(nóng)田適應(yīng)性檢測試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)條件和試驗(yàn)儀器

2017年1月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地，開展人字型水旱兩用旋埋刀輥農(nóng)田適應(yīng)性檢測試驗(yàn)。共選取5塊試驗(yàn)田，進(jìn)行不同程度泡水處理，耕前參數(shù)如表2所示。所選的5塊試驗(yàn)田土壤類型均為長江中下游常見的水稻土，粘性質(zhì)地，田內(nèi)為晚稻收獲后經(jīng)晾曬的秸稈，秸稈高度在30～60 cm之間。由泰山904A型輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)，作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s。檢測儀器主要有：JEA-2002型多功能電子天平(上海浦春計(jì)量儀器有限公司，精度：0.01 g)、TJSD-750型土壤堅(jiān)實(shí)度測定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)、土壤水分測試儀(英國DELTA-T公司)、鋼卷尺、鋼尺、水平儀、自制1 m2方框等。

表2 耕前參數(shù)Tab.2 Parameters before tillage

3.1.2試驗(yàn)檢測項(xiàng)目

依據(jù)GB/T 24685—2009《水田平地?cái)嚌{機(jī)》和GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》并結(jié)合實(shí)際情況確定試驗(yàn)檢測項(xiàng)目：耕深、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、耕后單幅平整度、秸稈埋覆率，所有測量項(xiàng)目均為5個(gè)行程的均值。檢測指標(biāo)參考文獻(xiàn)[32]中組合刀輥的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(1)耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)

使用鋼尺插入測量區(qū)中耕后土壤讀取耕深數(shù)值，以2 m為間隔左右兩側(cè)各測定一點(diǎn)，每行程總測量點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)。耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為

(11)

(12)

式中h——耕深，cm

hi——所測行程中第i個(gè)位置的耕深，cm

n——所測行程的總測量點(diǎn)數(shù)

U——耕深穩(wěn)定性系數(shù)，%

(2)耕后單幅平整度

在耕幅內(nèi)沿垂直于機(jī)具前進(jìn)方向放置水平儀，并將水平儀按長度10等分，測定各等分點(diǎn)至地表的距離，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差。每行程隨機(jī)測3個(gè)位置，所有測量位置數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的均值即為耕后單幅平整度。

(3)秸稈埋覆率

在每個(gè)行程測量區(qū)中隨機(jī)選取一點(diǎn)放置1 m2方框，測量方框內(nèi)所有未被埋覆的秸稈質(zhì)量，秸稈埋覆率計(jì)算公式為

(13)

式中M——秸稈埋覆率，%

mq——耕前單位面積秸稈質(zhì)量，g/m2

mh——耕后單位面積未被埋覆秸稈質(zhì)量，g/m2

3.1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

人字型水旱兩用旋埋刀輥田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，耕后效果如圖8所示。

表3 田間作業(yè)性能檢測結(jié)果Tab.3 Measurement results of working performance

圖8 刀輥耕后效果Fig.8 Diagrams after tillage of herringbone type rotary blade roller

由表3可知，所有檢測項(xiàng)目均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但刀輥在田塊Ⅰ中的耕后效果相對于其他田塊，明顯較差，耕深、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、耕后單幅平整度大幅低于平均值，秸稈量965 g/m2，但埋覆率僅有90.25%，這與土壤含水率有直接關(guān)系。堅(jiān)實(shí)度儀不斷貫入土壤的過程中，不僅要克服與土壤的摩擦力，而且探頭壁帶動(dòng)粘附的土壤顆粒向下運(yùn)動(dòng)，還要克服由土壤層間摩擦形成的粘滯力，與刀具切削過程一致。由表2看出，試驗(yàn)田土壤的堅(jiān)實(shí)度隨含水率的上升呈下降趨勢，對于田塊Ⅰ而言，由于缺乏足夠的水分潤滑，田塊耕作阻力較大，耕深相對較淺，耕深穩(wěn)定性較差。從土壤形變角度來看，25.03%的含水率使土壤表現(xiàn)出極強(qiáng)的粘塑性，土壤能夠承受較大的塑性形變而不會(huì)輕易斷裂、破碎，隨著刀片沿余擺線運(yùn)動(dòng)，因切削與地面分離的垡塊被刀片拋起，在離心力和后續(xù)刀具的作用下分解為若干泥塊散落土層表面。由于碎土不充分導(dǎo)致秸稈不能均勻覆蓋，地表平整度差，需經(jīng)拖板鎮(zhèn)壓刮平。因此對于粘性土壤而言，土壤粘塑性較強(qiáng)時(shí)，耕作難度較大。

3.2 優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件與方法

為驗(yàn)證刀輥優(yōu)化結(jié)果，2017年12月進(jìn)行不同工況轉(zhuǎn)速下刀輥排列方式及螺旋橫刀安裝角對比試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表4。試驗(yàn)田為粘性土壤，泡水12 h，堅(jiān)實(shí)度為642 kPa，含水率為51.75%，天然密度為1.70 g/cm3，田間為晚稻秸稈，高54.4 cm，秸稈量為1 420 g/m2。各刀輥幅寬均設(shè)計(jì)為220 cm，使用刀寬為35 mm的螺旋橫刀，機(jī)具由東方紅LX954型輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用低速3擋，輸出轉(zhuǎn)速設(shè)置為540、630、720 r/min 3種工況，共計(jì)4種刀輥，每種工況各刀輥均重復(fù)3次，每次行程20 m，整個(gè)試驗(yàn)保持18 cm的耕深不變，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

表4 優(yōu)化檢測試驗(yàn)因素水平Tab.4 Testing factors and levels of optimized test experiment

圖9 田間試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.9 Field test site

由于作業(yè)環(huán)境一致，耕作效果的差異主要來自機(jī)具，水田耕整后因刀輥結(jié)構(gòu)不同造成平整度的差異大多被刀輥后的拖板所掩蓋，作為以秸稈還田見長的耕整刀輥，往往最關(guān)心的是還田效果及功耗，為更好說明刀輥的優(yōu)劣，選取秸稈埋覆率和功耗為檢測項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，功率由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(北京中航科儀測控技術(shù)有限公司，轉(zhuǎn)速測量范圍0～4 000 r/min；扭矩測量范圍0～3 000 N·m)測量，經(jīng)無線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器采集計(jì)算后，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

表5為刀輥優(yōu)化驗(yàn)證田間試驗(yàn)結(jié)果，從秸稈埋覆效果來看，僅有2號(hào)刀輥和4號(hào)刀輥出現(xiàn)埋覆率不足90%的情況，所用螺旋橫刀安裝角均為35°，經(jīng)計(jì)算裝配35°安裝角刀輥的平均埋覆率為89.67%，而50°的為91.08%，刀寬一定時(shí)安裝角越小拋土寬度越大，埋覆效果應(yīng)該越好，出現(xiàn)這種情況很有可能與水田土壤性質(zhì)有關(guān)，粘性土壤含水率較大經(jīng)旋耕刀切削攪拌后呈泥漿狀，表現(xiàn)出一定的流體特征，堆積效果差，螺旋橫刀帶動(dòng)泥漿的瞬間，泥漿會(huì)因重力滑離刀片，所以兩種螺旋橫刀實(shí)際拋土量不高且相差不大，秸稈埋覆的主要方式則是壓覆，35°安裝角比50°安裝角在耕作時(shí)刃口上揚(yáng)15°，意味著壓覆秸稈時(shí)35°安裝角螺旋橫刀刃口對秸稈的切碎效果不如50°，刀輥連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將有未切斷的秸稈被刃口帶出地表，在質(zhì)地較軟的土壤中表現(xiàn)更明顯。

從刀輥的功耗角度來看，在拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速提升時(shí)，功耗有上升趨勢；裝配50°安裝角螺旋橫刀的人字型刀輥與交錯(cuò)型刀輥相比，在3個(gè)轉(zhuǎn)速工況下降低功耗7.49%、16.85%和0.34%，裝配35°螺旋橫刀時(shí)降低功耗17.01%、8.85%和1.81%； 50°螺旋橫刀與35°螺旋橫刀裝配在人字型刀輥中對比時(shí)，在3個(gè)轉(zhuǎn)速工況下降低功耗6.81%、12.41%和12.91%，在交錯(cuò)型刀輥中降低功耗16.46%、3.98%和14.26%。從上述分析中可見，螺旋橫刀優(yōu)化后，切土阻力較優(yōu)化前顯著降低；人字型刀輥兩側(cè)螺旋式漸進(jìn)入土，切土平穩(wěn)，刀盤旋耕刀有助于為螺旋橫刀創(chuàng)造更有利的入土環(huán)境，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

表5 刀輥對比試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Measurement results of comparative tests

4 結(jié)論

(1)基于離散元方法，優(yōu)化了組合刀輥的排列方式，形成一種人字型水旱兩用旋埋刀輥；該刀輥采用人字型對稱結(jié)構(gòu)，土壤對刀具的側(cè)向反作用力被抵消，兩側(cè)刀具螺旋式漸進(jìn)入土，作業(yè)性能穩(wěn)定可靠；優(yōu)化螺旋橫刀安裝角和裝配角，分別為50°和59°，進(jìn)一步降低了螺旋橫刀的耕作阻力；刀盤裝配旋耕刀，增強(qiáng)了螺旋橫刀的入土和耕作性能，同時(shí)增加旋耕刀軸向排布間隔以防壅土。

(2)不同田塊間刀輥性能檢測試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)刀輥適用于大多數(shù)水稻田的秸稈埋覆與土壤耕作，耕深均值18.10 cm、耕深穩(wěn)定性系數(shù)均值92.75%、耕后單幅平整度均值2.00 cm、秸稈埋覆率均值92.60%，均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足農(nóng)藝栽培要求，其中水田與旱地相比，有更好的耕作效果。

(3)為驗(yàn)證刀輥優(yōu)化結(jié)果，以秸稈埋覆率與作業(yè)功耗為考核目標(biāo)，對刀輥排列形式和螺旋橫刀安裝角進(jìn)行田間對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：在水田中刀輥埋覆秸稈主要靠螺旋橫刀的壓覆效應(yīng)，安裝角在秸稈切斷能力方面間接影響埋覆效果；在不降低秸稈埋覆效果的情況下，人字型排列較交錯(cuò)型降低能耗0.34%～17.01%，50°安裝角的螺旋橫刀較35°的降低功耗6.81%～16.46%，達(dá)到了節(jié)能降耗的優(yōu)化目的。