少免耕播種機(jī)條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置研究

趙宏波 何 進(jìn) 鄭智旗 張振國,3 劉文政

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

保護(hù)性耕作包含少耕免耕、秸稈覆蓋和輪作，是一項(xiàng)降低土壤水蝕風(fēng)蝕、改良土壤結(jié)構(gòu)、蓄水保墑、節(jié)本增效的可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)[1-3]。在華北平原一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地少免耕播種小麥時(shí)，由于前茬玉米秸稈量大，秸稈極易纏繞在開溝器等土壤耕作部件上，造成堵塞，影響播種質(zhì)量，降低作業(yè)效率；且種床混有秸稈，導(dǎo)致種子無法與土壤充分接觸，降低了小麥出苗率。因此，解決堵塞和種床清理問題是進(jìn)行少免耕播種的關(guān)鍵[4-5]。

根據(jù)動(dòng)力來源，清秸防堵技術(shù)及機(jī)具可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類：被動(dòng)式種床清理防堵機(jī)具采用圓盤、星型除草輪等部件，在地表摩擦力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過將秸稈切斷及撥向兩側(cè)的方法防止堵塞，其結(jié)構(gòu)簡單、能耗小，但清秸防堵能力有限[6-7]；主動(dòng)式清秸防堵機(jī)具主要利用粉碎、切、拋等方法，將秸稈高速切斷粉碎或拋到開溝器兩側(cè)及后方，阻斷秸稈積聚過程，從而避免其纏繞堵塞[8-9]。國內(nèi)外學(xué)者對少免耕播種清秸防堵裝置進(jìn)行了一系列研究[10]。條帶旋耕防堵裝置在華北一年兩熟區(qū)及某些以小地塊為主的東南亞國家應(yīng)用較為廣泛[11-12]，該裝置利用旋耕刀的旋轉(zhuǎn)將秸稈切斷并向后拋起，從而防止堵塞，其通過性較好，但由于將土壤秸稈混埋在一起，導(dǎo)致種床清潔率較低，且土壤擾動(dòng)量大、能耗較高[13]。為進(jìn)一步提高秸稈清理效果，王漢羊等[14]研究了側(cè)拋清秸，顧峰瑋等[15]提出了粉碎后拋潔區(qū)播種，均為種床清理提供了一定指導(dǎo)。但按上述方案作業(yè)后部分秸稈覆蓋在種床上，若秸稈量過大，則會(huì)影響作物出苗和生長。

本文以提升防堵性能、提高種床清潔率為目標(biāo)，基于秸稈行間側(cè)拋，通過理論分析與離散元仿真設(shè)計(jì)一種適用于華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋條件下少免耕播種小麥的條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置，并對其防堵及種床清理性能進(jìn)行試驗(yàn)，為華北一年兩熟區(qū)小麥少免耕播種清秸防堵提供可行性技術(shù)方案。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 清秸防堵裝置結(jié)構(gòu)

條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置主要由側(cè)傾刀、刀盤、刀軸等部件組成(圖1)。開溝器是少免耕播種機(jī)最容易堵塞的部件之一[16]，為減少其纏草堵塞，每個(gè)開溝器前方對應(yīng)一組條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置，與開溝器、V型土壤導(dǎo)流板等部件共同組成防堵開溝單體。該防堵裝置可與少免耕播種機(jī)鎮(zhèn)壓單元組、種肥箱、傳動(dòng)系統(tǒng)等共同組成適于華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地的小麥少免耕播種機(jī)。

圖1 條帶型行間側(cè)拋清秸裝置結(jié)構(gòu)與作業(yè)原理圖Fig.1 Structure and operation principle of strip tillage inter-row residue side-throwing device for anti-blocking seedbed-cleaning and furrow opening1.側(cè)傾刀 2.刀盤 3.刀軸 4.開溝器 5.排種管 6.V型土壤導(dǎo)流板

1.2 工作原理

播種機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力通過變速箱經(jīng)由傳動(dòng)裝置傳遞給刀軸，刀軸以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)行間側(cè)拋清秸防堵裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，切割地表秸稈并拋向側(cè)后方行間進(jìn)行清秸防堵，由于側(cè)傾刀刀身與前進(jìn)方向呈一定夾角，因此可將秸稈拋向種床兩側(cè)的行間；此外，側(cè)傾刀回轉(zhuǎn)圓周與開溝器前方上弧形定刀部分重合，形成動(dòng)定刀切割，二次切割部分長秸稈，增強(qiáng)防堵性能。與此同時(shí)側(cè)傾刀旋松種床，尖角式開溝器開溝施肥播種。清秸防堵開溝單體后方設(shè)計(jì)有V型土壤導(dǎo)流板，可將防堵裝置拋起的土壤反彈回種床，增加種床回土量。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 防堵裝置

2.1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

為使側(cè)傾刀與前進(jìn)方向呈一定夾角，產(chǎn)生側(cè)向拋秸效果，將平面旋切刀[16]沿彎折線以一定角度彎折，即可得到所設(shè)計(jì)側(cè)傾刀。如圖2所示，彎折線與刀端平面呈夾角β，沿此彎折線將旋刀彎折角α彎折后，刀身與水平面呈θ夾角，從而使清秸防堵裝置工作時(shí)(圖3)，側(cè)傾刀刀身對所接觸的秸稈產(chǎn)生側(cè)向推力，將秸稈拋向種床兩側(cè)的行間。側(cè)傾刀側(cè)切刃刃線采用正弦指數(shù)曲線，其防纏效果好，且作業(yè)功耗較小[17]。適當(dāng)增大滑切角可降低作業(yè)阻力[18-19]，因此刃線端點(diǎn)滑切角設(shè)計(jì)為60°。

圖2 側(cè)傾刀彎折示意圖Fig.2 Bending of tilt blade

條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。假設(shè)刀身上點(diǎn)D和點(diǎn)D′分別為軸向相鄰兩把側(cè)傾刀與土壤表面接觸點(diǎn)，則圖中DD′連線所在位置為作業(yè)前地表平面，DD′為播種機(jī)作業(yè)時(shí)理論種床清理寬度，則

(1)

式中，lCC′=lAA′，為兩把側(cè)傾刀內(nèi)側(cè)間距，其寬度記為b。根據(jù)相似三角形原理，可得

(2)

式中，lAC=h，為裝置入土深度，且

(3)

式中B——刀盤間距

根據(jù)圖3所示位置關(guān)系，側(cè)傾刀與前進(jìn)方向夾角α余弦函數(shù)為

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)，可得種床清理寬度

(5)

由式(5)可看出，種床清理寬度lDD′與側(cè)傾刀斜置角度α、入土深度h、刀盤間距B、側(cè)傾刀刀身長度lAE(即回轉(zhuǎn)半徑R)有關(guān)。一溝雙行播種在我國華北平原一年兩熟區(qū)應(yīng)用較為廣泛，其溝距一般為12 cm，行距28 cm，利于清秸防堵作業(yè)，因此將種床清理寬度設(shè)計(jì)為12 cm[17]。

2.1.2秸稈受力分析

參考文獻(xiàn)[20-21]對秸稈撥拋過程的研究，將地表秸稈視為散粒體進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

以秸稈為中心建立空間坐標(biāo)系，x軸負(fù)方向表示防堵裝置前進(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。對秸稈與側(cè)傾刀接觸時(shí)進(jìn)行受力分析，其受到側(cè)傾刀支持力N、摩擦力f以及自身重力mg，其中秸稈所受支持力N方向與刀身垂直。分別將側(cè)傾刀對秸稈的支持力N和摩擦力f沿x、y、z軸進(jìn)行分解，則可得到秸稈運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程

(6)

其中

(7)

式中m——秸稈質(zhì)量

g——重力加速度

φ——防堵裝置回轉(zhuǎn)中心和秸稈連線與豎直方向夾角

式(6)對時(shí)間t進(jìn)行二次積分，可得到秸稈在x、y、z軸方向上的位移Sx、Sy、Sz分別為

(8)

由式(8)可知，秸稈位移主要受防堵裝置回轉(zhuǎn)半徑R以及α、θ的影響，而θ又由彎折角α和彎折線夾角β決定，因此對R、α、β這3個(gè)因素進(jìn)行分析。

2.1.3轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

側(cè)傾刀運(yùn)動(dòng)過程中，刀刃曲線上任意一點(diǎn)做余擺線運(yùn)動(dòng)，其在豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為

(9)

式中vm——裝置前進(jìn)速度

ω——刀軸角速度

對時(shí)間t求導(dǎo)，可得側(cè)傾刀任意點(diǎn)上絕對線速度

(10)

其中

vx=vm-Rωsin(ωt)

vz=Rωcos(ωt)

馬洪亮等[22]室內(nèi)秸稈切斷試驗(yàn)表明，地表在有支撐切割秸稈且線速度大于7.4 m/s的情況下，秸稈根茬切斷率大于97%。由于小麥少免耕播種地表覆蓋的玉米秸稈量較大，為避免堵塞，前進(jìn)速度vm取1 m/s[23-24]，將前進(jìn)速度和線速度7.4 m/s代入式(10)，可得刀軸轉(zhuǎn)速范圍為197～321 r/min，為保證機(jī)具作業(yè)性能，參考盧彩云等[24]研究結(jié)果，將刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為320 r/min。

2.1.4參數(shù)優(yōu)化仿真試驗(yàn)

為確定清秸防堵裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以種床清潔率、作業(yè)扭矩、拋土率為評價(jià)指標(biāo)，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的防堵裝置進(jìn)行Box-Behnken旋轉(zhuǎn)回歸仿真試驗(yàn)，綜合選出最優(yōu)參數(shù)組合。設(shè)置的仿真試驗(yàn)因素及編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

參考孔令德等[25]斜置旋耕研究成果，為使側(cè)傾刀產(chǎn)生側(cè)拋效果的同時(shí)保證加工工藝，將側(cè)傾刀彎折角α范圍設(shè)定為10°～30°，彎折線夾角β取值范圍為30°～90°；為在保證防堵效果的前提下減小作業(yè)功耗，防堵裝置回轉(zhuǎn)半徑范圍為225～265 mm[26]。所建立的土壤-秸稈-防堵裝置離散元模型如圖5所示，模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[27]選取。其中作業(yè)扭矩利用離散元軟件命令記錄；種床清潔率旨在衡量清秸防堵裝置種床清理效果，計(jì)算式為

(11)

式中ηs——仿真測得的種床清潔率，%

X——作業(yè)前種床秸稈數(shù)量

X1——作業(yè)后種床秸稈數(shù)量

拋土率δ為被拋離種床的土壤顆粒與作業(yè)前種床土壤顆粒數(shù)量的比值，其影響播種機(jī)回土與覆土性能，從而影響播種深度。計(jì)算式為

(12)

式中δ——拋土率，%

Y——作業(yè)前種床土壤顆粒數(shù)量

Y1——作業(yè)后種床土壤顆粒數(shù)量

圖5 作業(yè)前后秸稈側(cè)拋種床清理效果圖Fig.5 Seedbed straw cleaning before and after operation

Box-Behnken旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，A、B、C為因素編碼值，分別為彎折線夾角、回轉(zhuǎn)半徑和彎折角。通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析和方差分析，從而得出作業(yè)扭矩y1、種床清潔率y2、拋土率y3的回歸方程分別為

(13)

為分析各因素對評價(jià)指標(biāo)的影響，通過Design-Expert 8.0.6軟件繪制響應(yīng)曲面(圖6)。如圖6a所示，固定彎折角，當(dāng)彎折線夾角一定時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)半徑的增加，作業(yè)扭矩逐漸增加；當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，隨著彎折線夾角的增大，作業(yè)扭矩逐漸增加。固定回轉(zhuǎn)半徑，作業(yè)扭矩隨彎折角的增大先減小后增大。其中回轉(zhuǎn)半徑影響更大。如圖6b，固定彎折角，當(dāng)彎折線夾角一定時(shí)，種床清潔率隨回轉(zhuǎn)半徑增大而增大，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，種床清潔率隨彎折線夾角的增大而增大，但不存在交互作用。固定回轉(zhuǎn)半徑，當(dāng)彎折角一定時(shí)，種床清潔率隨彎折線夾角的增大而增大。固定彎折角，當(dāng)彎折線夾角一定時(shí)，種床清潔率隨回轉(zhuǎn)半徑增大而增大，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，種床清潔率隨彎折線夾角的增大而增大，但不存在交互作用。如圖6c所示，固定彎折角，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，拋土率隨彎折線夾角的增大而增大；固定彎折線夾角，拋土率隨彎折角增大而增大，但變化趨勢不明顯。

表2 Box-Behnken旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Simulation results of Box-Behnken central composite rotatable design

圖6 各因素對作業(yè)性能影響的響應(yīng)曲面Fig.6 Responding surfaces of experimental factors on working performance

增大防堵裝置回轉(zhuǎn)半徑，側(cè)傾刀與秸稈接觸機(jī)會(huì)增加，增大了防堵裝置對秸稈的側(cè)拋?zhàn)饔茫瑥亩狗N床清潔率增加；同時(shí)，入土深度增加，側(cè)傾刀與土壤接觸增多，因此拋土率上升，且作業(yè)扭矩也增大。增大彎折角，作業(yè)扭矩先減小后增大，可能是由于開始時(shí)，由于彎折角增加，側(cè)傾刀對土壤拉、切作用增大，因此阻力下降，但隨著彎折角進(jìn)一步增大，側(cè)傾刀推土現(xiàn)象增加，因此作業(yè)扭矩增大。

利用Design-Expert 8.0.6 軟件優(yōu)化模塊，對種床清理防堵裝置回歸模型進(jìn)行有約束的目標(biāo)優(yōu)化求解，以獲取工作性能較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)組合，即實(shí)現(xiàn)較低的作業(yè)扭矩、拋土率，且確保較高的種床清潔率，需滿足目標(biāo)

(14)

同時(shí)，在優(yōu)化模塊的條件中設(shè)置3個(gè)評價(jià)指標(biāo)的重要程度，其中種床清潔率設(shè)定為“+++++”，作業(yè)扭矩設(shè)定為“++++”，拋土率設(shè)定為“+++”。得到優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)側(cè)傾刀彎折線夾角為30°，回轉(zhuǎn)半徑為250 mm，彎折角為25°時(shí)，防堵裝置綜合作業(yè)性能較優(yōu)。此時(shí)作業(yè)扭矩為46.0 N·m，拋土率為16.0%，種床清潔率為80.0%。側(cè)傾刀回轉(zhuǎn)直徑為500 mm，種床清理寬度lDD′為120 mm，則可計(jì)算出清秸防堵裝置lDC=50 mm。將上述優(yōu)化所得的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證，得種床清潔率為80.5%，作業(yè)扭矩為47.2 N·m，拋土率為15.8%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

2.1.5側(cè)傾刀有限元靜力學(xué)分析

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)側(cè)傾刀是否滿足強(qiáng)度要求，運(yùn)用SolidWorks 2016軟件中Simulation模塊進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。通過PFC3D5.0軟件測定防堵裝置在較優(yōu)參數(shù)組合下單把側(cè)傾刀扭矩的變化(圖7)。由圖7a可知，側(cè)傾刀與土壤、秸稈作用時(shí)，隨著側(cè)傾刀滑切土壤，扭矩逐漸增大，并在56°時(shí)達(dá)到峰值，最大值為35.6 N·m。之后，隨著側(cè)傾刀繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，所受扭矩逐漸下降，脫離土壤后變?yōu)榱?。因此，可確定側(cè)傾刀在作業(yè)過程中所受最大扭矩為35.6 N·m。

圖7 側(cè)傾刀有限元靜力學(xué)分析Fig.7 Finite element method force-analysis on tilt blade

側(cè)傾刀采用65Mn鋼加工，并進(jìn)行熱處理，硬度為HRC52；對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分9 811個(gè)單元，得到16 923個(gè)節(jié)點(diǎn)；由于側(cè)傾刀固定在刀座上，故對其端部添加固定約束，并加載扭矩35.6 N·m，方向垂直于側(cè)傾刀的側(cè)切面、側(cè)切刃上表面。由此可得側(cè)傾刀有限元應(yīng)力及位移云圖，如圖7b、7c所示。由分析結(jié)果可知，側(cè)傾刀最大應(yīng)力位于與刀身拐角處，為197 MPa，而65Mn鋼屈服強(qiáng)度σs為785 MPa，安全系數(shù)取2.0～2.5，可知側(cè)傾刀強(qiáng)度滿足作業(yè)要求。最大應(yīng)變同樣出現(xiàn)在彎折處，為0.714 8 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 開溝器

清秸防堵裝置工作時(shí)與開溝器配合作業(yè)，采用窄翼尖角型開溝器(圖8)，其土壤擾動(dòng)小，破土能力強(qiáng)。根據(jù)農(nóng)藝要求，華北一年兩熟區(qū)小麥播種時(shí)基肥施肥深度在80 mm左右，因此將開溝器入土深度h設(shè)計(jì)為80 mm。如果防堵裝置與開溝器入土深度一致，則會(huì)留下三角形“盲區(qū)”，側(cè)傾刀回轉(zhuǎn)面積無法覆蓋此部分區(qū)域，因此無法將此“盲區(qū)”內(nèi)的秸稈拋?zhàn)?，可能造成秸稈堵塞，因此防堵裝置入土深度應(yīng)略大于開溝器入土深度，設(shè)計(jì)為100 mm。

回轉(zhuǎn)中心到開溝器底部豎直距離H=230 mm。為增強(qiáng)防堵性能，在開溝器前方焊接一弧形板作為定刀，刀軸回轉(zhuǎn)中心與開溝器前端間距為L=230 mm。此時(shí)，側(cè)傾刀回轉(zhuǎn)面與定刀重疊間距為a=15 mm，側(cè)傾刀回轉(zhuǎn)圓周與此定刀部分重合，可形成動(dòng)定刀切割，二次切斷秸稈，從而提高了防堵性能，減少秸稈堵塞。

圖8 防堵裝置與開溝器動(dòng)定刀切割配合示意圖 Fig.8 Structure of anti-blocking device and opener

2.3 V型土壤導(dǎo)流板

作業(yè)過程中，由于側(cè)傾刀斜置，不僅會(huì)將秸稈拋向種床兩側(cè)，也可能將部分土壤拋離種床，減少種溝內(nèi)回土量，造成覆土困難，影響播深穩(wěn)定性。為此，設(shè)計(jì)了一種V型土壤導(dǎo)流板(圖9)，該板安裝于開溝器后上方，機(jī)架底部，當(dāng)防堵裝置作業(yè)時(shí)，側(cè)傾刀拋起的秸稈由于密度小、體積大，空氣阻力大，大部分會(huì)提前落下[29-30]，而土壤顆粒拋擲距離較遠(yuǎn)，接觸到該導(dǎo)流板時(shí)，導(dǎo)流板可對拋起的土壤顆粒產(chǎn)生回彈作用，使部分土壤反彈回到苗帶，從而增加種床回土量，保證種子均勻覆土。

圖9 V型土壤導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖Fig.9 Structure of V-type soil guidance board

由于彎折角α設(shè)計(jì)為25°，土壤理論側(cè)向拋射角度應(yīng)小于等于25°，為使土壤顆粒撞擊到導(dǎo)流板后被反彈回種床，將V型土壤導(dǎo)流板夾角σ設(shè)計(jì)為130°。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)V型土壤導(dǎo)流板土壤導(dǎo)流效果，將防堵開溝裝置與所設(shè)計(jì)擋板導(dǎo)入離散元土壤-秸稈模型，與普通擋板進(jìn)行對比模擬，兩種擋板與防堵裝置和開溝器組成的單體如圖10所示。

圖10 普通擋板和V型土壤導(dǎo)流板仿真對比Fig.10 Comparison of traditional and V-type soil guidance board

仿真結(jié)果表明：普通擋板種床清潔率為80.5%，拋土率為16.0%，而設(shè)計(jì)的V型土壤導(dǎo)流板種床清潔率為80.3%，拋土率為11.3%，拋土率降低了4.7個(gè)百分點(diǎn)，而種床清潔率僅降低0.2個(gè)百分點(diǎn)，無顯著性差異。表明所設(shè)計(jì)的V型土壤導(dǎo)流板可減少拋土，有利于種床回土與種子覆土。

2.4 防纏板

清秸防堵裝置刀軸易纏繞雜草，降低防堵裝置作業(yè)性能。根據(jù)鄭侃[31]研究結(jié)果，纏草過程受摩擦因數(shù)、刀軸半徑、秸稈長度等影響，刀軸半徑越大，越不易產(chǎn)生纏草現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)一種防纏板，安裝在軸向兩個(gè)刀盤之間，可以增加刀軸半徑，減少刀軸纏草(圖11)。

圖11 防纏板結(jié)構(gòu)圖與裝配圖Fig.11 Anti-twining board structure1.短防纏板 2.刀盤 3.長防纏板

該防纏板安裝在軸向相鄰刀盤之間，通過螺栓與刀盤固接。長防纏板固定在兩組相鄰防堵裝置刀盤之間，其長度為240 mm；短防纏板固定在同組防堵裝置相鄰刀盤上，長度為150 mm。兩種防纏板寬度均為30 mm，因此可以將刀軸半徑提高30 mm，減輕秸稈、雜草纏繞現(xiàn)象。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和條件

田間試驗(yàn)于2018年10月在河南省洛陽市鑫樂機(jī)械設(shè)備有限公司試驗(yàn)地進(jìn)行(圖12)。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土，0～10 cm深度土壤含水率為12.3%，試驗(yàn)地前茬作物為玉米，玉米收獲時(shí)，秸稈經(jīng)過聯(lián)合收獲機(jī)粉碎、秸稈粉碎還田機(jī)粉碎后均勻覆蓋于田間地表，秸稈粉碎長度合格率為86%(長度小于等于10 cm)，平均長度為9.6 cm，含水率為16.3%，秸稈覆蓋量為1.6 kg/m2。為測定所設(shè)計(jì)行間側(cè)拋清秸裝置作業(yè)性能，將其安裝在自行設(shè)計(jì)的小麥少免耕播種機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，該播種機(jī)幅寬為2 380 mm，一次作業(yè)可播種6行小麥。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的側(cè)傾刀作業(yè)性能，將其和傳統(tǒng)旋耕刀、平面旋切刀分別安裝在清秸防堵裝置上進(jìn)行對比試驗(yàn)(圖13)，傳統(tǒng)旋耕刀通常應(yīng)用在條帶旋耕或旋耕播種機(jī)上，在華北一年兩熟區(qū)應(yīng)用廣泛；平面旋切刀去掉了傳統(tǒng)旋耕刀的正切刃部分，將其應(yīng)用在條帶型防堵裝置上，可降低土壤擾動(dòng)和作業(yè)阻力[12]。

圖12 田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment

圖13 分別搭載3種旋刀的防堵裝置Fig.13 Anti-blocking device with three kinds of blades

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

試驗(yàn)按照GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》規(guī)定的方法，進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量測試。檢測設(shè)備包括扭矩轉(zhuǎn)速測試儀、電子秤、小刀、卷尺和鐵鍬等。試驗(yàn)指標(biāo)如下：

(1)通過性

GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》合格標(biāo)準(zhǔn)為“在剛收獲的玉米地，植被覆蓋量為0.3～0.6 kg/m2(秸稈含水率不大于25%)的條件下，能按使用說明書規(guī)定的速度作業(yè)，不允許發(fā)生重度堵塞”，根據(jù)堵塞程度可分為輕度堵塞、中度堵塞和重度堵塞，測試區(qū)長度為60 m。

(2)作業(yè)扭矩

扭矩測試傳感儀安裝方式及數(shù)據(jù)采集界面如圖14所示。進(jìn)行田間試驗(yàn)測定前，首先將扭矩測試傳感儀母端與拖拉機(jī)后輸出軸連接，然后另外一端連接萬向節(jié)，萬向節(jié)掛接播種機(jī)。安裝時(shí)應(yīng)在機(jī)具三點(diǎn)懸掛處提前安裝延長板，避免三點(diǎn)懸掛無法與機(jī)具正常連接。試驗(yàn)時(shí)，首先測定機(jī)具空轉(zhuǎn)時(shí)扭矩，然后測定3種裝置正常作業(yè)時(shí)扭矩，裝置實(shí)際作業(yè)扭矩為兩者差值，重復(fù)3次并取平均值。

圖14 作業(yè)扭矩測定 Fig.14 Determining of torque requirement1.扭矩測試傳感儀 2.蓄電池 3.便攜式計(jì)算機(jī)

(3)種床清潔率

播種作業(yè)前，對地表每平方米秸稈量w1稱量，測定秸稈覆蓋量。作業(yè)后，稱取種床20 cm 長度內(nèi)秸稈量，并換算為每平方米秸稈量w2，每種處理測定10 個(gè)點(diǎn)求取平均值。種床清潔率ηt為

(15)

(4)溝型尺寸、土壤擾動(dòng)量及回土量

待播種機(jī)以正常速度作業(yè)后，隨機(jī)取2行，每行在50 m內(nèi)隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)，人工扒開土層測量溝寬、溝深等溝型尺寸。土壤擾動(dòng)量η表示為

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式中D——實(shí)際開溝寬度，mm

S——播種行距，mm

在作業(yè)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)選取5個(gè)點(diǎn)，稱取種溝20 cm長度范圍內(nèi)松土土塊總質(zhì)量m為回土量。

(5)播種質(zhì)量

播種機(jī)作業(yè)后，扒開種床測定播種、施肥深度及種肥間距，每個(gè)行程隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測定，取平均值并計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算式為

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其中

(18)

(19)

hi——第i點(diǎn)開溝深度，mm

N——測定點(diǎn)數(shù)

K——溝深標(biāo)準(zhǔn)差，mm

U——溝深穩(wěn)定性系數(shù)，%

(6)小麥出苗率

于小麥播種兩周后對出苗率進(jìn)行測定，記錄小麥出苗數(shù)并根據(jù)播種量計(jì)算出苗率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1通過性

播種機(jī)通過性能測試結(jié)果如表3所示，觀測試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，搭載3種旋刀的清秸防堵裝置播種機(jī)均未發(fā)生中度及以上堵塞，通過性能良好，符合國標(biāo)要求。其中側(cè)傾刀和傳統(tǒng)旋耕刀均未發(fā)生任何堵塞，且沒有出現(xiàn)刀軸纏草現(xiàn)象, 僅有平面旋切刀由于掛住地表未完全粉碎的長秸稈發(fā)生了一次輕度堵塞，但隨著機(jī)具繼續(xù)前進(jìn)，所纏秸稈可被平面旋切刀拋出，不影響作業(yè)質(zhì)量。試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)清秸防堵裝置通過性能良好。

3.3.2種床清潔率和作業(yè)扭矩

如表4所示，3種刀片類型中，側(cè)傾刀種床清潔率最高，為82.7%，相較于傳統(tǒng)旋耕刀和平面旋切刀分別提高22.7、26.1個(gè)百分點(diǎn)，可為小麥種子提供較為清潔的種床。田間試驗(yàn)測得的種床清潔率高于離散元仿真的80.5%，分析其原因可能在于仿真中秸稈模型為剛體，分散地放置于地表，而田間秸稈雜亂無章地纏擾在一起呈團(tuán)狀，防堵裝置側(cè)拋秸稈時(shí)秸稈團(tuán)被連帶一起拋起，故種床清潔率更高。

表3 播種機(jī)通過性能測定結(jié)果Tab.3 Anti-blocking performance results

表4 播種機(jī)作業(yè)扭矩和種床清潔率測定結(jié)果Tab.4 Torque requirement and seedbed cleaning indexof anti-blocking device

側(cè)傾刀清秸防堵裝置作業(yè)扭矩為298.2 N·m，相比傳統(tǒng)旋耕刀和平面旋切刀分別減小了21.3%和3.3%。這是因?yàn)閭?cè)傾刀拋土量相對傳統(tǒng)旋耕刀較小，且旋刀與前進(jìn)方程呈一定夾角，作業(yè)時(shí)可降低作業(yè)扭矩[25]。離散元仿真所得單組扭矩為47.2 N·m，真實(shí)試驗(yàn)單組當(dāng)量扭矩為49.7 N·m，與真實(shí)試驗(yàn)誤差為5.3%，表明離散元仿真的真實(shí)性和可行性，行間側(cè)拋防堵裝置具有良好的減阻效果。

3.3.3土壤擾動(dòng)量及播種質(zhì)量

土壤擾動(dòng)量及播種質(zhì)量測試結(jié)果如表5所示，其中側(cè)傾刀土壤擾動(dòng)量最小，為31.25%，顯著低于傳統(tǒng)旋耕刀和平面旋切刀。這是由于搭載其他兩種旋刀的防堵裝置開出的溝為矩形，而側(cè)傾刀由于向內(nèi)側(cè)傾斜，因此開出的溝為梯形，這有助于減小土壤擾動(dòng)和作業(yè)功耗。

表5 土壤擾動(dòng)量及播種質(zhì)量測定結(jié)果Tab.5 Results of soil disturbance and seeding quality

3種旋刀中平面旋切刀回土量最大，為775 g，側(cè)傾刀次之，為723 g，傳統(tǒng)旋耕刀最小，為596 g，傳統(tǒng)旋耕刀回土量顯著小于平面旋切刀，側(cè)傾刀與其他相比均無顯著差異。而播種質(zhì)量測定結(jié)果表明，側(cè)傾刀型行間側(cè)拋清秸防堵裝置少免耕播種平均播種深度為3.6 cm，施肥深度為9.1 cm，種肥間距為5.5 cm，且深度穩(wěn)定性系數(shù)均大于90%，表明側(cè)傾刀防堵裝置覆土效果良好，滿足國標(biāo)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求。

3.3.4小麥出苗率

3種旋刀防堵裝置作業(yè)后小麥出苗率如圖15a(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著)所示，側(cè)傾刀出苗率最高，為89.5%，平面旋切刀次之，為79.7%，傳統(tǒng)旋耕刀出苗率最低，為75.2%，側(cè)傾刀相較于平面旋切刀和傳統(tǒng)旋耕刀，出苗率分別提高了9.8、14.3個(gè)百分點(diǎn)，表明此作業(yè)方式有利于小麥出苗。田間出苗情況如圖15b所示，側(cè)傾刀出苗較為均勻，而傳統(tǒng)旋耕刀出現(xiàn)了缺苗斷壟現(xiàn)象，且由于種床秸稈量較高，發(fā)現(xiàn)部分麥苗顏色發(fā)黃，不利于后期生長[32]。

圖15 田間試驗(yàn)小麥出苗情況Fig.15 Wheat emergence of field experiment

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地少免耕播種小麥的條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置，通過理論分析和正交旋轉(zhuǎn)回歸仿真試驗(yàn)，確定防堵裝置較優(yōu)參數(shù)組合為：側(cè)傾刀彎折線夾角30°、彎折角25°、回轉(zhuǎn)半徑250 mm。

(2)配合種床清理防堵裝置，分別設(shè)計(jì)了一溝雙行種肥分施開溝器、V型土壤導(dǎo)流板與防纏板。其中，種肥分施開溝器前方裝有定刀，可與防堵裝置形成動(dòng)定刀切割，提高了防堵性能；V型土壤導(dǎo)流板夾角為130°，可將拋起的土壤顆粒反彈回種床，增加了回土量；防纏板寬度為30 mm，可使刀軸半徑增加30 mm，減少了刀軸纏草。

(3)玉米秸稈覆蓋地小麥播種試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的條帶型行間側(cè)拋清秸防堵裝置未發(fā)生堵塞和纏草現(xiàn)象，種床清潔率為82.7%，作業(yè)扭矩為298.2 N·m，作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定，滿足少免耕播種國標(biāo)和農(nóng)藝要求。