秸稈分撥引導式玉米免耕防堵機構設計與試驗

牛萌萌 方會敏 CHANDIO F A 史 嵩 薛艷芳 劉 虎

(1.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100； 2.信德農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院， 坦杜阿拉亞 70060；3.山東省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所， 濟南 250100)

0 引言

小麥收獲后直接免耕播種玉米利于培肥地力、蓄水保墑、改善環(huán)境等[1]，但大量存在的麥秸稈給玉米播種作業(yè)帶來了困難。播種機在麥茬地作業(yè)時極易堵塞，從而直接導致播種不均勻、晾籽等問題，進而影響出苗和產(chǎn)量[2]。小麥秸稈堵塞已成為阻礙玉米免耕播種質量提高的關鍵制約因素之一。

小麥秸稈是各向異性、非均質和非線性的柔性體。秸稈個體在外部作用力下會發(fā)生彎曲，但小麥秸稈具有良好的彈性恢復能力，當秸稈懸臂彎曲時，將有平均70%的變形可恢復[3]。而對于秸稈群體而言，在壓縮時小麥秸稈群體的成型性較玉米秸稈和棉花秸稈差[4]；要達到相同的壓縮密度，小麥秸稈發(fā)生的應變比水稻秸稈和玉米秸稈大[5]。所以，麥秸稈在受外力作用后發(fā)生變形、且易回彈，麥秸稈在被機構水平撥離苗帶后就會發(fā)生一定程度的回填。

目前免耕防堵形式一般分為切茬防堵和撥拋防堵。切茬防堵技術主要利用圓盤開溝器實現(xiàn)滾動切茬，在國外免耕播種機上使用較多[6-11]。撥拋防堵技術是在開溝器前部或側部增設防堵機構等實現(xiàn)秸稈的移位[12-14]。采取撥拋方式的秸稈處理方法，能在一定程度上緩解玉米免耕播種機堵塞問題。王韋韋等[13]設計的主動式秸稈移位裝置，張喜瑞等[15]設計的水平撥草輪，王慶杰等[16]設計的伸縮撥桿，高娜娜等[17]設計的驅動分禾桿與被動分禾柵板組合裝置，都是將苗帶內秸稈平行撥/擠至機具一側或兩側。而苗帶內秸稈向苗帶外的平行運動會加劇原有苗帶外秸稈的密集程度，出現(xiàn)秸稈回填阻礙播種的情況。姚宗路等[18]借助Carr指數(shù)法得出，麥秸的壓縮率大，屬于難流動物料?；诖?，可通過設計某種機構使其引導部分秸稈攀升至其他秸稈之上，形成層疊式堆積，從而緩解秸稈單純水平流動時對原位置秸稈的擠壓，減少秸稈回填。

本文提出秸稈分撥引導的防堵思路，在撥拋式防堵裝置的基礎上，通過引導秸稈攀升、實現(xiàn)上升層疊的方式，充分利用苗帶兩側的垂直空間，緩解秸稈平行撥離苗帶時造成的秸稈局部集中，從而實現(xiàn)有效防堵。設計阿基米德螺線型防堵機構，并將其安裝在玉米免耕播種機上，通過秸稈的運動行為驗證本文思路，并以機具通過性、晾籽率和秸稈清除率為指標，進行田間作業(yè)性能試驗。

1 工作原理與結構設計

1.1 結構

阿基米德螺線型液力主動防纏開溝施肥裝置主要由動力輸出部件、防纏撥草部件和開溝施肥部件3部分組成，如圖1所示。動力輸出部件為液壓馬達，防纏撥草部件的撥草輪呈螺旋圓錐狀，開溝施肥部件則是刀刃型開溝鏟。

圖1 玉米免耕播種機Fig.1 No-till maize planter1.三點懸掛部件 2.機架 3.液力主動防纏開溝施肥部件 4.四桿浮動部件 5.開溝播種部件 6.播種器 7.驅動輪 8.種箱9.肥箱 10.液壓馬達 11.聯(lián)軸器 12.立式軸承座 13.撥草輪 14.臥式軸承座 15.開溝鏟 16.施肥管 17.鏟柄 18.安裝板

圖2 阿基米德螺線型撥草輪Fig.2 Archimedes spiral clearing wheel1.安裝軸 2.撥草曲面體

每組阿基米德螺線型液力主動防纏開溝施肥裝置通過其上的安裝板用U型螺栓固定在機架上，液壓馬達的動力由牽引拖拉機提供。裝置中撥草輪的上下兩端分別通過上端的立式軸承座和下端的臥式軸承座安裝在鏟柄和開溝鏟上，通過聯(lián)軸器將撥草輪上端與液壓馬達下端輸出軸相連。螺旋圓錐狀撥草輪包含4個撥草曲面體，每個曲面體的豎直投影外輪廓線為阿基米德螺線(圖2)，4個撥草曲面體均布地焊接在安裝軸上。撥草曲面體下端的旋轉空間能將臥式軸承座完全包裹，有效避免撥草輪下端的纏草壅土問題。

阿基米德螺線型液力主動防纏開溝施肥裝置集成安裝在玉米免耕播種機上，整機技術參數(shù)見表1。

表1 玉米免耕播種機主要技術參數(shù)Tab.1 Main parameters of no-till maize planter

1.2 工作原理

引導秸稈攀升實現(xiàn)上升層疊的分撥引導防堵作業(yè)思路是指：待播區(qū)地表上的秸稈在防堵機構旋轉擾動下，沿著逆時針方向向苗帶一側運動；運動過程中秸稈在撥爪阿基米德螺線的引導作用和周圍秸稈的擠壓作用下，實現(xiàn)沿撥爪上升并旋轉的復合運動；之后沿撥草輪旋轉方向被拋出。實現(xiàn)充分利用苗帶兩側的垂直空間，緩解秸稈平行撥離苗帶時造成的秸稈局部集中。通過撥爪分撥與阿基米德螺線引導的雙重作用，實現(xiàn)秸稈遠離苗帶并減少回填。

1.3 撥草輪設計

撥草輪作業(yè)運動示意圖如圖3所示。設計時選擇撥草輪的最大旋轉半徑ro(最低作用點的旋轉半徑)為60 mm，此時撥草輪下端外輪廓恰與開溝鏟座邊緣對齊，以消除其入土時對土壤造成的過多擾動。進一步考慮加工工藝和難度，選定最小旋轉半徑rs(最高作用點的旋轉半徑)為20 mm，安裝軸半徑rz為10 mm。

圖3 撥草輪作業(yè)運動示意圖Fig.3 Schematics of motion of cleaning wheel

撥草輪的最佳旋轉速度應滿足撥草輪旋轉作用空間與前進作業(yè)速度下產(chǎn)生的待作用空間實現(xiàn)等量交換。參照螺旋輸送生產(chǎn)率計算公式[19]，撥草輪在單位時間內的撥草作業(yè)空間應滿足：抵消免耕播種機以某前進速度在單位時間內沿前進方向產(chǎn)生的播種苗帶上的待撥草體積，即

2nt0zraro=aλvst0B

(1)

其中

ra=ro-rz

(2)

式中ra——撥草輪最大有效作用半徑，mm

n——撥草輪轉速，r/min

z——撥草輪上撥草曲面體數(shù)量，取4

a——單位轉換系數(shù)

λ——作業(yè)空間重疊系數(shù)，撥草輪實際工作時需滿足λ≥1

vs——作業(yè)前進速度，km/h

t0——單位工作時間，s

B——播種苗帶寬度，mm

式(1)中苗帶寬度B等于撥草輪直徑2ro，即式(1)化簡后為：nz(ro-rz)=aλvs，取vs=7 km/h，則撥草輪需要的工作轉速n≥584 r/min。

2 秸稈運動定性分析

2.1 秸稈物理及力學性質

在Instron5943型電子萬能試驗機上對秸稈進行剪切和彎曲性能試驗；同時使用游標卡尺和直尺，對小麥秸稈的厚度、直徑等參數(shù)進行測量，秸稈的物理及力學性質參數(shù)見表2。

表2 小麥秸稈主要物理和力學性質參數(shù)Tab.2 Main physical and mechanical parameters of wheat straw

秸稈受力發(fā)生變形，形變達到一定程度后不可恢復。秸稈受力發(fā)生彎曲，秸稈的變形隨著施加作用力的增加而增加。懸臂彎曲時，秸稈發(fā)生不可恢復永久變形時的作用力為0.84 N，此時秸稈變形撓度為39 mm；簡支彎曲時，秸稈發(fā)生永久不可恢復變形時的作用力為25.94 N，此時秸稈變形撓度為12 mm。

無論秸稈以懸臂或者簡支方式受力，若施加力未達到一定值時，秸稈的變形都可以恢復，秸稈的這種彈性恢復能力導致防堵機構將秸稈水平撥離苗帶后秸稈群體的短時間急劇壓縮極易回填苗帶阻礙播種?；诮斩挼拇肆W性質，設計阿基米德螺線型撥草輪，利用曲線引導秸稈克服壓縮移出苗帶，實現(xiàn)秸稈群體的層疊式堆積，緩解水平壓縮，減少秸稈回填。

2.2 秸稈動力學分析

如圖4(圖中v為秸稈的合速度，m/s)所示，螺旋撥草輪工作時，位于撥草輪前方的目標秸稈個體在初始階段受到來自周圍秸稈的擠壓力、撥草輪摩擦力等作用，在各作用力作用下沿著撥草輪的螺旋外輪廓線向上滑移并隨撥草輪旋轉運動；在此過程中，目標秸稈運動速度逐漸增加。目標秸稈在撥草輪作用下運動至撥草輪側方后，周圍秸稈對目標秸稈的作用力變小，目標秸稈在漸大的離心力和漸小的秸稈擠壓力等作用下，沿斜上方被向外拋出。每個秸稈個體皆以類似運動方式運動，秸稈群體的運動形式呈流動狀。在阿基米德螺線型撥草輪作用下，秸稈群體不斷地向苗帶側呈分層式集堆，有效清除了播種時苗帶內的秸稈。

圖4 秸稈受力與運動分析Fig.4 Force analysis and motion analysis of straw

如圖4a所示，目標秸稈受到來自周圍秸稈的作用力，其沿撥草曲面切線和法線方向的合力分別為

(3)

式中Fsn——周圍秸稈對目標秸稈沿撥草曲面切線方向的合力，N

Fst——周圍秸稈對目標秸稈沿撥草曲面法線方向的合力，N

Fs3——側方秸稈對目標秸稈水平的推力，N

Fs2——上方秸稈對目標秸稈向下的壓力，N

αn——撥草曲面的螺旋升角，(°)

而目標秸稈受到來自撥草輪曲面的沿曲面切線和法線方向的力分別為

(4)

(5)

式中Fm3——撥草輪曲面對目標秸稈沿撥草曲面切線方向的摩擦力，N

Fm1——撥草輪曲面對目標秸稈沿撥草曲面法線方向的作用力，N

μ——秸稈與撥草輪之間的摩擦因數(shù)

K——目標秸稈受到的科氏力，N

s——目標秸稈質點動坐標值，m

t——時間，s

m——目標秸稈的質量，g

ω——撥草輪的旋轉角速度，rad/s

在撥草輪曲面和周圍秸稈共同作用下，目標秸稈沿螺旋撥草曲面向上滑移，結合式(3)和式(4)可得目標秸稈沿撥草曲面切線方向運動的微分方程為

(6)

在目標秸稈與撥草輪曲面接觸初期，前方秸稈對目標秸稈向后的推力Fs1和撥草輪對目標秸稈沿前進方向的推力Fm2基本為一對平衡力。但當目標秸稈在撥草輪作用下運動至撥草輪側方以后，周圍秸稈對目標秸稈的作用力變小，目標秸稈在離心力Fa的作用下，沿斜上方被向外拋出，離心力為

Fa=mrnω2

(7)

式中rn——不同高度作用點的旋轉半徑，mm

撥草曲面體的豎直投影外輪廓線為阿基米德螺線，其極坐標方程為

(8)

式中θn——螺旋線上不同高度作用點相對于最低作用點的旋轉角，rad

如圖4b所示，阿基米德螺線型撥草輪螺旋線上各點的水平圓周速度為

vr=ωrn

(9)

撥草輪螺旋線上不同高度作用點，所對應的半徑相同的圓柱面上的螺旋輪廓線切線方向與水平面之間的夾角αn為

(10)

式中l(wèi)——螺旋線旋轉180°的垂直旋升距離，mm

目標秸稈相對于作用點沿螺旋輪廓線切線方向的相對速度vk沿對應半徑的圓柱螺旋線切線方向的分速度vk1為

(11)

式中k——滑移系數(shù)，k<1

依據(jù)合速度與分速度的正交分解關系，可得

(12)

vk2=vk1tanβ

(13)

式中vk2——vk指向旋轉中心方向的分速度，m/s

β——分速度vk1與速度vk之間的夾角，(°)

圖4b中，螺旋撥草輪工作時，在秸稈沿著螺旋外輪廓向上滑移的過程中，秸稈相對于撥草輪的運動會產(chǎn)生一個向后的分速度，即vk2，此分速度可以緩解由于機具的作業(yè)前進速度vs而引起的向前推擁秸稈現(xiàn)象。

3 秸稈運動定量分析

運用離散元分析軟件EDEM 2.7建立秸稈-土壤-防堵機構相互作用的仿真模型，如圖5所示。仿真共生成60 000個土壤顆粒和2 400個秸稈顆粒(36、76、116 mm秸稈顆粒各800個)。選用的土壤顆粒半徑為5 mm，秸稈顆粒半徑為3 mm、球心間隔為5 mm；仿真過程中使用的防堵機構及土壤、秸稈顆粒的材料參數(shù)和相互接觸參數(shù)參照文獻[20-21]。仿真初期，以H-M bongding模型生成土壤顆粒，然后在其表面以自然堆積狀態(tài)生成秸稈顆粒。

圖5 秸稈-土壤-防堵機構相互作用模型Fig.5 Simulation model of straw-soil-anti-blocking mechanism interaction

3.1 單個秸稈的運動

選擇一秸稈作為秸稈示蹤器，追蹤其在不同時刻的運動，見圖6。仿真開始時，該秸稈靜止位于防堵機構前方地表；后在防堵機構和周圍秸稈群體的綜合作用下，以一定的速度沿著機構旋轉方向攀升；之后，秸稈在漸大的離心力和漸小的秸稈支撐力作用下被拋出。此秸稈示蹤器的運動驗證了本文的引導秸稈攀升的防堵思路。

圖6 秸稈在不同時刻的運動位置Fig.6 Location of straw particle at different time

3.2 秸稈群體的運動

利用建立的秸稈全覆蓋模型，對阿基米德螺線式防堵機構工作范圍內所有秸稈顆粒的運動進行追蹤。仿真開始前隨機生成的秸稈顆粒位置為秸稈初始位置；仿真結束后記錄每個秸稈顆粒的最終位置，即為該秸稈終了位置。仿真開始前，所有秸稈在垂直方向主要分布在130～180 mm范圍內，其中36、76、116 mm秸稈在此范圍的比例分別為95.5%、95.1%和88.4%。仿真結束后，36、76、116 mm的秸稈在此范圍的比例分別降為56.6%、47.4%和39.1%。而31.2%的36 mm、46.8%的76 mm和55.9%的116 mm秸稈最終位置在180 mm以上范圍內。

對180 mm以上范圍的秸稈，以垂直坐標增量為10 mm進行秸稈垂直位置的進一步細分，見圖7。 3種長度的秸稈在垂直方向上的分布相對比較均勻，且越長的秸稈上升比例越大。圖中秸稈群體在垂直方向的分布證實了防堵機構作用后的秸稈充分利用了苗帶側的垂直空間，緩解了秸稈的局部集中，驗證了本文的實現(xiàn)秸稈上升層疊的防堵思路。

圖7 秸稈的垂直分布Fig.7 Vertical distribution of straw

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗于2018年7月7日在山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院章丘試驗田進行，該試驗田常年作業(yè)模式為小麥玉米一年兩熟。試驗時秸稈覆蓋量1.43 kg/m2，秸稈含水率為19.4%。土壤密度為1.72 g/cm3，0～5 cm、5～10 cm土層內土壤平均含水率分別為11.5%和12.5%，土壤緊實度為1.23 MPa。

4.2 試驗方法

防堵作業(yè)性能中的機具通過性和晾籽率指標及測試方法參照文獻[22]；另外加入了秸稈清除率指標[22]，考查阿基米德螺線型防堵機構對秸稈的撥撒清除能力。

4.3 試驗結果

阿基米德螺線型防堵機構安裝在免耕播種機機架上的田間作業(yè)效果見圖8。

圖8 裝有防堵機構的玉米免耕播種機作業(yè)效果Fig.8 Sowing effect of no-till maize planter equipped with Archimedes spiral anti-blocking mechanism

4.3.1機具通過性與晾籽率

在播種過程中，阿基米德螺線型防堵機構作業(yè)順暢，未發(fā)生中、重度堵塞及晾籽。

4.3.2秸稈清除率

防堵機構在不同工作參數(shù)下工作時的秸稈清除率見圖9。不同前進速度下對應秸稈清除效果最優(yōu)時的工作轉速不同：當機具前進速度較低(2 km/h或4 km/h)時，3種機構轉速下的秸稈清除率對比顯示低轉速(400 r/min)時的秸稈清除率最高；當機具前進速度高于4 km/h時，防堵機構轉速為600 r/min與各前進速度搭配作業(yè)的秸稈清除效果最優(yōu)。旋轉部件轉速越高，對周圍秸稈的擾動范圍越大，因此防堵機構的最佳工作轉速并不是在機構轉速最高時。

圖9 機構不同轉速下的秸稈清除率Fig.9 Straw clearance rate at different rotational speeds

對于同一轉速下的秸稈清除率而言，清除率隨著前進速度的變化無明顯趨勢。但是相同轉速下對應秸稈清除效果最優(yōu)的前進速度相同，即防堵機構轉速為400、600、800 r/min時，最大清除率都發(fā)生在前進速度為7 km/h時。

綜上所述，防堵機構最佳工作參數(shù)為前進速度7 km/h、轉速600 r/min，這與式(1)的結論相符。

4.3.3與其他防堵機構對比

與課題組設計的圓輥撥爪式防堵機構及某商品化防堵機構的作業(yè)效果進行對比，2/3型圓輥撥爪式防堵機構作業(yè)順暢，未發(fā)生中、重度堵塞及晾籽，秸稈清除率為86.7%，出苗率為98.2%；某商品化防堵機構發(fā)生了1次嚴重堵塞，晾籽率為1.6%，秸稈清除率為78.5%，出苗率為78.9%[23]。

本文設計的防堵機構作業(yè)順暢，未發(fā)生中、重度堵塞及晾籽，秸稈清除率為92.6%，出苗率為97.4%。

5 結論

(1)提出了分撥引導的防堵思路，通過引導秸稈攀升、實現(xiàn)上升層疊的方式，充分利用苗帶兩側的垂直空間，實現(xiàn)有效防堵?；诖怂悸罚O計了阿基米德螺線型防堵機構，并進行了試驗。

(2)對秸稈運動的分析表明，阿基米德螺線型撥草輪能夠引導秸稈沿撥爪上升，并隨撥草輪旋轉，之后沿撥草輪旋轉方向拋出，能夠緩解由于機具前進速度引起的向前堆擁秸稈現(xiàn)象。

(3)通過離散元仿真對秸稈個體和秸稈群體的運動進行追蹤，進一步證實本文設計的機構能夠引導秸稈實現(xiàn)在垂直方向上的運動，充分利用苗帶側的垂直空間。

(4)田間性能試驗及對比試驗表明，機具通過性良好且無晾籽發(fā)生，最佳工作參數(shù)為前進速度7 km/h、轉速600 r/min。田間作業(yè)性能優(yōu)于團隊前期設計的圓輥撥爪式防堵機構及某商品化防堵機構。