犁旋組合式油菜直播機(jī)扣垡裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

魏國(guó)粱 張青松 劉立超 肖文立 孫文成 廖慶喜

(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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜是重要的油料作物，我國(guó)油菜種植區(qū)域可分為冬油菜和春油菜兩大產(chǎn)區(qū)[1]，其中冬油菜占總種植面積90%以上。長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)冬油菜的主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域種植模式以稻-油水旱輪作為主[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，油菜播種受前茬水稻收獲后留茬高、秸稈量大等影響，傳統(tǒng)旋耕易出現(xiàn)作業(yè)耕深淺、秸稈埋覆率低等問(wèn)題，油菜直播種床耕整作業(yè)難度大[3]。在實(shí)際生產(chǎn)中，長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)多采用先鏵式犁深翻、后旋耕的耕整方式，能解決傳統(tǒng)旋耕機(jī)耕深淺等問(wèn)題，但其工序復(fù)雜，不利于搶農(nóng)時(shí)，且對(duì)土壤產(chǎn)生二次碾壓[4-5]。

針對(duì)傳統(tǒng)耕整方式的不足，秦寬等[6]設(shè)計(jì)了犁翻旋耕復(fù)試作業(yè)耕整機(jī)，研究了作業(yè)過(guò)程中犁耕與旋耕的交互作用；劉曉鵬等[7]為解決油菜種植時(shí)因秸稈量大而導(dǎo)致機(jī)具易纏草、堵塞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)圓盤犁對(duì)置組合式耕整機(jī)，一次作業(yè)能完成種床耕整；王金武等[8]為解決水稻秸稈還田機(jī)傳統(tǒng)旋耕部件耕深較淺、秸稈還田深度不足等問(wèn)題，研制了水稻秸稈整稈深埋還田裝置，作業(yè)效果良好；MATIN等[9]研究了帶狀旋耕中3種不同刀片在不同作業(yè)參數(shù)下的扭矩變化規(guī)律；WEISE[10]研究了聯(lián)合耕整機(jī)作業(yè)功耗與前進(jìn)速度的關(guān)系。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在復(fù)式耕整機(jī)[11-15]和旋耕優(yōu)化研究[16-19]上取得了較多成果，但對(duì)扣垡作業(yè)研究較少。本文針對(duì)長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)油菜直播作業(yè)時(shí)，因前茬水稻留茬高、秸稈量大而導(dǎo)致旋耕部件作業(yè)耕深淺、埋茬率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種與油菜直播機(jī)配合，通過(guò)先抬、后扣的作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)高茬粘重土壤有序翻埋的扣垡裝置，并集成犁旋組合式油菜直播機(jī)，以期一次作業(yè)可完成秸稈翻埋、碎土平整、開畦溝、施肥、播種等作業(yè)工序。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

犁旋組合式油菜直播機(jī)主要由扣垡裝置、旋耕裝置、開畦溝裝置、排種裝置和排肥裝置組成，如圖1所示。扣垡裝置包括呈對(duì)稱布置的2組扣垡犁和安裝于中間位置的對(duì)稱翻垡犁，開畦溝裝置包括呈對(duì)稱布置的前后組合式鏵式犁，排種裝置選用離心式油菜精量排種器[20]。整機(jī)種床耕整主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作過(guò)程

犁旋組合式油菜直播機(jī)由輪式拖拉機(jī)提供動(dòng)力，作業(yè)時(shí)，扣垡裝置通過(guò)呈對(duì)稱布置的2組扣垡犁和對(duì)稱翻垡犁完成橫向1 540 mm廂面土壤的翻埋、側(cè)邊扣垡、埋茬作業(yè)；旋耕裝置由PTO輸出動(dòng)力，完成碎土、土壤側(cè)向輸送和平整廂面作業(yè)；由對(duì)稱布置在旋耕裝置兩側(cè)的開畦溝前犁完成兩側(cè)深耕和深耕盲區(qū)底層土壤的擾動(dòng)，即減小深耕盲區(qū)作業(yè)和破土作業(yè)，開畦溝后犁作業(yè)形成完整畦溝；同步的排肥裝置排出肥料，完成施肥作業(yè)；排種裝置排出油菜種子，經(jīng)導(dǎo)種管投放至作業(yè)形成的種床。

圖1 犁旋組合式油菜直播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of plowing-rotating combined rapeseed direct seeding machine1.排種裝置 2.排肥裝置 3.旋耕裝置 4.主機(jī)架 5.三點(diǎn)懸掛 6.開畦溝后犁 7.開畦溝前犁 8.對(duì)稱翻垡犁 9.扣垡犁

表1 犁旋組合式油菜直播機(jī)種床耕整主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of seedbed tillage of plowing-rotating combined rapeseed direct seeding machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 扣垡犁

2.1.1扣垡犁曲面形成原理

鏵式犁翻垡過(guò)程大致分為滾垡和竄垡兩種形式，滾垡過(guò)程分為切土、抬垡和翻垡3個(gè)階段，但在高茬水稻秸稈工況下，其翻垡階段由于高茬水稻形成較強(qiáng)支撐，易造成回垡或立垡，難以完成土垡翻埋；竄垡方式作業(yè)時(shí)，土垡沿犁體曲面上竄到一定高度后懸空扣翻，高茬水稻秸稈工況下能實(shí)現(xiàn)土垡翻埋，但不規(guī)則土垡翻埋不利于下一步耕整作業(yè)[21]?；谕鳞覍捝畋冗_(dá)到翻轉(zhuǎn)后能處于穩(wěn)定狀態(tài)的要求，參考滾垡有序翻埋和竄垡高空扣翻的優(yōu)點(diǎn)，提出土垡先抬后扣的側(cè)邊扣垡工藝方案，設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)高茬水稻秸稈工況下側(cè)邊扣垡功能扣垡犁。

根據(jù)直紋曲面形成原理，扣垡犁犁體曲面如圖2所示。一空間母線AE沿著導(dǎo)線A-B-C-D，并按照單位向量變化規(guī)律(即與x軸夾角θ變化規(guī)律)，自下而上平行移動(dòng)，形成犁體曲面。主要包括犁鏵、犁胸和犁翼3部分，犁鏵完成破土、抬垡功能，犁胸使土垡向斜上方初步翻轉(zhuǎn)和遷移，犁翼使土垡進(jìn)一步翻轉(zhuǎn)和下落，最終完成土垡側(cè)邊扣垡作業(yè)。

圖2 扣垡犁犁體曲面形成原理圖Fig.2 Schematic of surface formation of bucking plow body1.犁鏵 2.犁胸 3.犁翼

2.1.2扣垡犁曲面參數(shù)分析與建模

扣垡犁犁體曲面的工作性能主要由導(dǎo)線、母線和單位向量變化規(guī)律決定。建立導(dǎo)線數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。第1段AB選取直線，對(duì)應(yīng)犁鏵部分；第2段BC選取拋物線，其斜率逐漸變大，易于翻垡，對(duì)應(yīng)犁胸部分；第3段CD選取圓弧，其斜率增長(zhǎng)較快，易于翻扣，對(duì)應(yīng)犁翼部分。取各段端點(diǎn)A(0，0)、B(x1，z1)、C(x2，z2)、D(x3，z3)，為使導(dǎo)曲線各段之間平滑過(guò)渡，過(guò)渡點(diǎn)斜率應(yīng)相同，取點(diǎn)B、C斜率為tanα、tanβ。

圖3 導(dǎo)線形狀與參數(shù)Fig.3 Guiding curve shape and parameters

導(dǎo)線參數(shù)方程為

(1)

式中k、b、c、d、h——常數(shù)

R——圓弧半徑，cm

由圖3幾何關(guān)系可得

(2)

式中l(wèi)AB——線段Ⅰ長(zhǎng)度，cm

H1——曲線Ⅱ高度，cm

L1——曲線Ⅱ開度，cm

H2——曲線Ⅲ高度，cm

聯(lián)立方程(1)、(2)可得

(3)

由式(3)可知，導(dǎo)曲線參數(shù)方程由線段Ⅰ斜率tanα和長(zhǎng)度lAB、曲線Ⅱ的高度H1和開度L1、曲線Ⅲ的高度H2決定。參考農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)犁體曲面導(dǎo)曲線設(shè)計(jì)方法[22]，取入土角α為25°，lAB影響土垡提升高度，取15 cm，曲線Ⅱ開度L1取13.4 cm、高度H1取25.7 cm，曲線Ⅲ高度H2取10 cm，R取27.2 cm，代入式(3)求出常數(shù)k為0.47，b為3.75×10-2，c為0.40，d為6.14，h為20.87，得出導(dǎo)線參數(shù)方程。

扣垡犁用于油菜直播作業(yè)前的土壤翻埋，作業(yè)時(shí)不需形成完整的溝壁，通過(guò)土壤之間的相互撕扯形成不規(guī)則的矩形截面土垡，故扣垡犁設(shè)計(jì)寬度應(yīng)小于實(shí)際作業(yè)幅寬。E點(diǎn)坐標(biāo)為(l0tanθ0cosα1，l0，l0tanθ0sinα1)，其中l(wèi)0為扣垡犁寬度，θ0為AE與AB夾角，結(jié)合實(shí)際田間試驗(yàn)，取l0為20 cm，滿足橫向30 cm土垡扣垡作業(yè)，為提高犁鏵入土性能，θ0取45°，則θ1為50°。

為使土垡能較完全地扣垡，取θ角變化規(guī)律為逐漸減小，且犁胸位置減小較慢尾翼位置減小較快，如圖4所示，z0～z1段選取直線，z1～z3段選取拋物線，參數(shù)方程可表示為

(4)

式中a0——常數(shù)

圖4 夾角變化曲線Fig.4 Curve of angle change

已知θ1為50°，z1為lABsinα1，z3為42 cm，參考農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)犁體曲面元線角設(shè)計(jì)方法，取Δθ為10°，因此θ3為40°，代入式(4)得a0為-7.9×10-3，故夾角θ在z1～z3段拋物線開口向下，形成犁胸至尾翼這部分空間曲面時(shí)，空間母線與犁體前進(jìn)方向相反方向的夾角逐漸變小，且犁胸位置減小較慢，尾翼位置減小較快。

根據(jù)扣垡犁導(dǎo)線、母線和單位向量變化規(guī)律，制作犁體曲面樣件，加工試制扣垡犁。

2.1.3犁體曲面扣垡過(guò)程分析

土垡在犁體曲面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜，為分析其翻垡過(guò)程，取連續(xù)垡條中一段開展研究，作如下假設(shè)：①把所取某階段土垡視做剛體，不考慮其內(nèi)力和變形。②土垡在犁體曲面上運(yùn)動(dòng)時(shí)緊貼曲面。③土垡截面近似視作矩形。

扣垡犁作業(yè)時(shí)，犁鏵破土形成矩形截面的土垡，經(jīng)犁鏵抬升后在犁胸位置初步翻轉(zhuǎn)和進(jìn)一步抬升，最后經(jīng)尾翼翻扣，直至與犁體曲面脫離接觸，運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖如圖5所示。當(dāng)土垡在犁鏵上運(yùn)動(dòng)時(shí)，不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，土垡受力可合成至質(zhì)心位置，建立動(dòng)力學(xué)方程

(5)

式中m——土垡質(zhì)量，kg

ax——土垡x軸方向加速度，m/s2

ay——土垡y軸方向加速度，m/s2

az——土垡z軸方向加速度，m/s2

N——犁鏵對(duì)土垡支持力，N

G——土垡自身重力，N

Ft——下方土垡對(duì)其擠壓力，N

Fs——上方土垡對(duì)其反作用力，N

f——犁鏵對(duì)土垡的摩擦阻力，N

圖5 土垡運(yùn)動(dòng)軌跡與犁鏵位置受力簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic of track of motion of furrow slice and force of plowshare position

由式(5)可知，土垡在犁鏵上運(yùn)動(dòng)時(shí)，土垡y軸方向加速度為0，因此可得土垡受合力為

(6)

故土垡在犁鏵上運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受合力與xz平面平行。土垡沿犁鏵以?shī)A角α向水平面斜上方運(yùn)動(dòng)至犁胸位置，完成土垡上抬作業(yè)。

當(dāng)土垡運(yùn)動(dòng)至犁胸位置，所受作用力為空間任意力系，不僅在外力作用下沿著犁胸向斜上方運(yùn)動(dòng)，同時(shí)會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其受力分析如圖6所示，并建立動(dòng)力學(xué)方程

(7)

式中Nxz——犁鏵對(duì)土垡支持力在xz面分力，N

Ftxz——下方土垡對(duì)其擠壓力在xz面分力，N

Fsxz——上方土垡對(duì)其反作用力在xz面分力，N

fxz——犁鏵對(duì)土垡摩擦阻力在xz面分力，N

δ——土垡位置切線與x軸夾角，(°)

My——土垡繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，N·m

la、lb、lc、ld——各受力相對(duì)質(zhì)心的力臂，m

圖6 土垡犁胸位置受力簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic of force of furrow slice at position of plow chest

土垡在犁胸位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于犁體曲面對(duì)土垡作用力合力方向不經(jīng)過(guò)質(zhì)心，土垡會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。由圖6和式(7)可知，土垡所受作用力在xz平面上合力使土垡運(yùn)動(dòng)在xz平面分量表現(xiàn)為向斜上方運(yùn)動(dòng)，且產(chǎn)生繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)力偶。由導(dǎo)線和單位向量與x軸夾角θ變化規(guī)律幾何關(guān)系可知，土垡在犁胸位置主要為沿犁胸向斜上方遷移和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；由于土垡所受空間力系不平衡，土垡同時(shí)沿x、z軸產(chǎn)生一定翻轉(zhuǎn)。

當(dāng)土垡運(yùn)動(dòng)至犁翼位置，犁面對(duì)土垡作用力方向改變，使土垡向下翻扣，其受力分析如圖7所示。

圖7 土垡犁翼位置受力簡(jiǎn)圖Fig.7 Schematic of force of furrow slice at position of plow blade

土垡在犁翼位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，由導(dǎo)線幾何性質(zhì)和單位向量與x軸夾角θ變化規(guī)律可知，導(dǎo)線為圓弧，且單位向量與x軸夾角θ減小逐漸加快，土垡運(yùn)動(dòng)主要為沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直至與犁體曲面脫離接觸。

綜上可知，土垡在犁體曲面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為先沿犁鏵以?shī)A角α沿水平面斜上方運(yùn)動(dòng)至犁胸位置；然后土垡主要沿犁胸向斜上方遷移并繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在x、z軸方向產(chǎn)生一定翻轉(zhuǎn)；土垡在犁翼位置主要表現(xiàn)為沿著x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直至與犁體曲面脫離接觸，在自身重力作用下落地，完成翻轉(zhuǎn)作業(yè)，故設(shè)計(jì)的直紋曲面能實(shí)現(xiàn)土垡先上抬后翻扣的功能。

2.2 扣垡裝置

扣垡犁寬度為200 mm，耕作寬度為300 mm，對(duì)稱翻垡犁寬度為250 mm，耕作寬度為340 mm；扣垡裝置由對(duì)稱布置的2組扣垡犁和安裝于中間位置的對(duì)稱翻垡犁組成，相鄰的2個(gè)扣垡犁橫向中心安裝間距為300 mm，相鄰的扣垡犁和對(duì)稱翻垡犁橫向中心安裝間距為320 mm，而單個(gè)扣垡犁由于作業(yè)時(shí)兩側(cè)土壤撕扯，平均耕寬應(yīng)在300 mm以上，能避免漏耕，扣垡裝置理論作業(yè)幅寬為1 540 mm。作業(yè)時(shí)，安裝于前端的扣垡犁先將土垡翻埋至未耕地表，位于后側(cè)的扣垡犁將緊挨的土垡翻埋至前一犁體作業(yè)形成的槽溝，對(duì)稱翻垡犁將廂面中間未耕土垡對(duì)稱切割，并通過(guò)兩側(cè)犁體曲面將切割后兩土垡翻轉(zhuǎn)?？圹依缃Y(jié)構(gòu)示意圖如圖8a所示，對(duì)稱翻垡犁結(jié)構(gòu)示意圖如圖8b所示。

圖8 扣垡犁和對(duì)稱翻垡犁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural diagrams of symmetrical buckle plow1.扣垡犁犁柱 2.扣垡犁犁體曲面 3.扣垡犁犁鏵 4.對(duì)稱翻垡犁犁柱 5.對(duì)稱翻垡犁犁體曲面 6.對(duì)稱翻垡犁破土刃 7.對(duì)稱翻垡犁犁鏵

對(duì)稱翻垡犁作業(yè)時(shí)，土垡沿犁鏵向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)破土刃完成土垡對(duì)稱切割，減小土垡斷裂處土壤撕扯，避免因兩側(cè)土壤不均勻造成堵土；為避免夾土和秸稈拖拽，破土刃口垂直于水平面。對(duì)稱翻垡犁曲面由2個(gè)對(duì)稱的翻垡犁體曲面焊合脛刃線形成，單側(cè)犁體曲面設(shè)計(jì)采用水平直元線法，為使其具有較好的翻垡效果，犁體曲面設(shè)計(jì)為半螺旋型。

2.3 旋耕裝置與開畦溝裝置

扣垡裝置作業(yè)后廂面土壤呈對(duì)稱分布，且外側(cè)多中間少，旋耕裝置完成碎土作業(yè)的同時(shí)，需同步實(shí)現(xiàn)土壤向廂面內(nèi)側(cè)遷移的功能，達(dá)到廂面平整的目的。旋耕裝置作業(yè)時(shí)，單個(gè)旋耕刀片做余擺線運(yùn)動(dòng)，切削形成的垡塊向斜后方拋撒。旋耕刀輥采用雙頭螺旋排布方式，為實(shí)現(xiàn)旋耕刀輥使土壤向廂面內(nèi)側(cè)遷移的功能，提出一種同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)“倒U”形安裝方式，左刀輥安裝右彎刀，作業(yè)時(shí)切削垡塊向右后方拋撒，右刀輥安裝左彎刀，作業(yè)時(shí)切削垡塊向左后方拋撒，達(dá)到土壤向中間輸送的目的。

圖9 犁旋組合式油菜直播機(jī)旋耕裝置刀片排布示意圖Fig.9 Schematic of blade arrangement of rotary tillage device of plowing and rotary tillage combined rape seed direct seeder

旋耕裝置左右刀輥均為26把，同一回轉(zhuǎn)平面兩刀夾角取180°，旋耕刀采用雙頭螺旋排列方式，其中同一螺旋線軸向相鄰兩刀夾角為70°，刀座間距為70 mm；為減小深耕盲區(qū)對(duì)種床影響，同時(shí)提高土壤向內(nèi)側(cè)輸送能力，適當(dāng)增大深耕盲區(qū)旋耕耕深，參考GB/T 5669—2017 《旋耕機(jī)械 刀和刀座》[23]，內(nèi)側(cè)刀片選取ⅡT245旋耕刀，外側(cè)刀片選取ⅡT260旋耕刀。犁旋組合式油菜直播機(jī)旋耕裝置刀片排布如圖9所示。

選取前后組合式開畦溝裝置[24]，主要由鏵式前犁和鏵式后犁組成?？圹已b置作業(yè)后，鏵式前犁完成畦溝破土、外側(cè)土垡翻垡和擾動(dòng)，將外側(cè)土垡輸送至旋耕刀輥，同時(shí)減小種床未深耕盲區(qū)，旋耕裝置完成土壤細(xì)碎、平整和內(nèi)側(cè)輸送，鏵式后犁完成畦溝整形，形成適宜油菜播種的種床。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的扣垡裝置功能和犁旋組合式油菜直播機(jī)作業(yè)性能，于2019年9月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)基地開展扣垡犁單體試驗(yàn)，于2019年10月在湖北省監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻-油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開展犁旋組合式油菜直播機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)，以成熟應(yīng)用的且僅有旋耕裝置的2BFQ-8型油菜直播機(jī)[25](以下簡(jiǎn)稱旋耕式油菜直播機(jī))為對(duì)照。試驗(yàn)田塊均常年采用稻-油輪作模式，土壤為偏黏性土，試驗(yàn)前各田塊工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)田塊工況參數(shù)Tab.2 Working condition parameters of test field

扣垡裝置功能性試驗(yàn)和犁旋組合式油菜直播機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)配套動(dòng)力分別為東方紅954型和東風(fēng)井關(guān)954型輪式拖拉機(jī)，試驗(yàn)器材包括：直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、土壤堅(jiān)實(shí)度儀(浙江托普儀器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5%)、土壤取樣環(huán)刀、干燥箱等。

3.2 試驗(yàn)方法

扣垡裝置功能性試驗(yàn)為扣垡犁單體在長(zhǎng)江中下游高茬粘重地表扣垡效果的驗(yàn)證，其中左側(cè)扣垡犁與右側(cè)扣垡犁呈對(duì)稱布置，中間保持合適安裝距離，避免左右兩扣垡犁作業(yè)時(shí)產(chǎn)生干涉，通過(guò)安裝于機(jī)架兩側(cè)限深輪控制扣垡犁作業(yè)深度。試驗(yàn)前調(diào)節(jié)限深輪高度，使犁耕深度為180～200 mm；通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位和手油門位置，使試驗(yàn)臺(tái)架平均作業(yè)速度為2.5 km/h。試驗(yàn)機(jī)組沿直線方向作業(yè)距離為40 m，取中間行程30 m為測(cè)量區(qū)域，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，參考GB/T 14225.3—93《鏵式犁試驗(yàn)方法》，確定試驗(yàn)以扣垡率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，土垡在翻轉(zhuǎn)后其殘茬表面與水平面夾角小于90°為扣垡，扣垡犁單體作業(yè)后扣垡率為

(8)

式中r——扣垡率，%L2——扣垡長(zhǎng)度，m

L——測(cè)量區(qū)域長(zhǎng)度，m

犁旋組合式油菜直播機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)為對(duì)比研究犁旋組合式油菜直播機(jī)和旋耕式油菜直播機(jī)在長(zhǎng)江中下游高茬水稻秸稈工況下種床耕整效果，犁旋組合式油菜直播機(jī)如圖10所示。犁旋組合式油菜直播機(jī)旋耕額定轉(zhuǎn)速為240 r/min，試驗(yàn)前通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)上拉桿高度和液壓手柄位置保證犁耕作業(yè)深度為180～200 mm，旋耕深度為90～110 mm，調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位和手油門位置保證整機(jī)平均作業(yè)速度為2.5 km/h；旋耕式油菜直播機(jī)旋耕額定轉(zhuǎn)速為270 r/min，耕深為80～120 mm，試驗(yàn)前調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位和手油門位置保證平均作業(yè)速度為2.5 km/h。試驗(yàn)機(jī)組沿直線方向作業(yè)距離為40 m，取中間行程30 m為測(cè)量區(qū)域，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。參考NY/T 499—2013《旋耕機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》和NT/Y 2709—2015《油菜播種機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》，結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，確定試驗(yàn)以耕深及其穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度、碎土率和秸稈埋覆率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖10 試驗(yàn)機(jī)具實(shí)物Fig.10 Physical map of test machine

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1扣垡犁單體田間功能性試驗(yàn)

扣垡犁在高茬水稻秸稈工況下具有較好的扣垡效果，由表3可知，扣垡犁作業(yè)平均耕深在182～191 mm之間，平均扣垡率為93.41%，耕深穩(wěn)定性系數(shù)高于92%，能較好地實(shí)現(xiàn)高茬水稻秸稈扣垡功能；平均耕寬在300 mm以上，滿足扣垡犁耕寬設(shè)計(jì)要求，耕寬穩(wěn)定性系數(shù)在73.26%～81.65%之間，分析認(rèn)為扣垡犁破土抬垡作業(yè)時(shí)通過(guò)土壤之間相互撕扯，不形成完整溝壁，實(shí)際耕寬大于扣垡犁設(shè)計(jì)幅寬，耕寬穩(wěn)定性系數(shù)較低是合理的。

表3 扣垡犁田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Field test results of buckle plow

扣垡犁單體能較好地實(shí)現(xiàn)扣垡功能，故扣垡裝置具有較好的作業(yè)性能。

3.3.2整機(jī)田間對(duì)比試驗(yàn)

犁旋組合式油菜直播機(jī)在高茬水稻秸稈工況下具有較好的種床耕整效果，田間作業(yè)效果如圖11所示；犁旋組合式油菜直播機(jī)和旋耕式油菜直播機(jī)耕深及其穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度和碎土率均滿足油菜播種要求，作業(yè)后各評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4。

圖11 整機(jī)田間作業(yè)Fig.11 Field test of complete machine

由表4可知，在工況2、3下，犁旋組合式油菜直播機(jī)平均耕深分別為249、231 mm，相對(duì)旋耕式油菜直播機(jī)平均耕深分別提高了137、110 mm；秸稈埋覆率分別為90.35%、91.24%，相對(duì)旋耕式油菜直播機(jī)秸稈埋覆率分別提高了33.94、28.36個(gè)百分點(diǎn)。

在高茬水稻秸稈的工況下，旋耕式油菜直播機(jī)作業(yè)時(shí)旋耕刀先與地表秸稈接觸，由于水稻秸稈韌性強(qiáng)，旋耕刀無(wú)法有效切斷秸稈，影響其切削土壤能力，導(dǎo)致整機(jī)耕深和秸稈埋覆率較低。而犁旋組合式油菜直播機(jī)作業(yè)時(shí)，通過(guò)扣垡裝置埋覆秸稈，旋耕裝置細(xì)碎平整土壤，從而整機(jī)具有較好的作業(yè)深度和秸稈埋覆率。

表4 田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Field comparison test results

綜上分析，在長(zhǎng)江中下游稻油輪作高茬水稻秸稈工況下，犁旋組合式油菜直播機(jī)作業(yè)后耕深和秸稈埋覆率明顯優(yōu)于旋耕式油菜直播機(jī)，提高了作業(yè)功效和油菜種床耕整質(zhì)量，達(dá)到了油菜種床耕整要求[26]。

4 結(jié)論

(1)為提高油菜直播時(shí)的作業(yè)耕深和秸稈埋覆率，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)先抬、后扣的作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)高茬粘重土壤有序翻埋的扣垡犁，并集成了與油菜直播機(jī)配合作業(yè)的扣垡裝置，研發(fā)了犁翻旋耕組合式油菜直播機(jī)。分析闡述了扣垡犁曲面形成原理，確定了其關(guān)鍵影響因素導(dǎo)線、元線角、母線的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了土垡與扣垡犁力學(xué)模型，闡明了犁體曲面扣垡過(guò)程。

(2)扣垡犁單體田間功能性試驗(yàn)表明：在高茬秸稈工況下，扣垡犁平均耕寬在300 mm以上，滿足扣垡犁耕寬設(shè)計(jì)要求；扣垡犁作業(yè)平均耕深在182～191 mm之間，平均扣垡率為93.41%，耕深穩(wěn)定性系數(shù)高于92%，能較好地實(shí)現(xiàn)高茬水稻秸稈的扣垡功能，扣垡裝置作業(yè)性能較好。

(3)在2種不同水稻秸稈工況下，兩機(jī)具作業(yè)質(zhì)量均滿足油菜播種要求；犁旋組合式油菜直播機(jī)平均耕深分別為249、231 mm，相對(duì)旋耕式油菜直播機(jī)平均耕深分別提高了137、110 mm；秸稈埋覆率分別為90.35%、91.24%，相對(duì)旋耕式油菜直播機(jī)秸稈埋覆率分別提高了33.94、28.36個(gè)百分點(diǎn)，耕整效果優(yōu)于僅有旋耕裝置的油菜直播機(jī)。