玉米原茬地側(cè)向清茬刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯守印，陳海濤，鄒 震，魏志鵬，張巖龍

玉米原茬地側(cè)向清茬刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯守印，陳海濤※，鄒 震，魏志鵬，張巖龍

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

針對玉米原茬地免耕播種作業(yè)過程中殘留玉米根茬和須根導(dǎo)致施肥播種部件堵塞、播種質(zhì)量降低等問題，該文設(shè)計(jì)了一種玉米原茬地免耕播種用側(cè)向清茬刀，分析了側(cè)向清茬刀工作與結(jié)構(gòu)參數(shù)對根茬清除率、土壤擾動(dòng)率和功耗的影響。對側(cè)向清茬刀清茬、輸送、拋扔等作業(yè)過程進(jìn)行分析，并依此對側(cè)向清茬刀結(jié)構(gòu)及正切刃工作曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了影響其作業(yè)性能的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)用三因素三水平正交試驗(yàn)和模糊綜合評價(jià)方法，選取正切刃折彎角、正切刃寬度、清茬刀角速度為影響因素，根茬清除率、土壤擾動(dòng)率、當(dāng)量功耗為性能指標(biāo)，對影響作業(yè)性能的側(cè)向清茬刀結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：在作業(yè)速度7.2 km/h條件下，正切刃折彎角0.86 rad、正切刃寬度50 mm、清茬刀角速度52 rad/s時(shí)，根茬清除率為94.3%，土壤擾動(dòng)率為54.3%，當(dāng)量功耗為3.4 kW，工作過程中未出現(xiàn)堵塞與秸稈纏繞現(xiàn)象。研究結(jié)果可為玉米原茬地免耕播種作業(yè)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；免耕播種；玉米根茬；側(cè)向清茬刀

0 引 言

玉米原茬地免耕播種時(shí)地表覆蓋大量秸稈，根茬殘留，造成免耕播種機(jī)施肥、播種開溝部件堵塞，影響播種單體仿形裝置工作，導(dǎo)致播種粒距一致性和播深穩(wěn)定性降低；種子被根茬架空，出苗率降低[1-2]。根茬處理裝置是免耕播種機(jī)核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響種床構(gòu)建質(zhì)量和施肥播種效果，從而影響作物出苗質(zhì)量和最終籽粒產(chǎn)量[3-8]。

玉米原茬地免耕播種時(shí)根茬處理方式有主動(dòng)破茬和被動(dòng)破茬2種。主動(dòng)破茬是應(yīng)用高速旋轉(zhuǎn)工作部件對根茬進(jìn)行重復(fù)打擊、切割，強(qiáng)制粉碎后與土壤混合[9-12]，清茬效果較好，但作業(yè)效率低，功率消耗高，土壤擾動(dòng)量大，散墑嚴(yán)重，秸稈混入土壤中后種子容易被架空導(dǎo)致出苗率降低。被動(dòng)破茬是在施肥、播種開溝器前加裝破茬圓盤刀，破茬圓盤刀依靠機(jī)具自身質(zhì)量產(chǎn)生的垂壓力和鋒利刃口對秸稈、根茬剖切[13-16]。被動(dòng)破茬的免耕播種機(jī)質(zhì)量較大，主要以牽引式為主，當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度較高時(shí)容易造成破茬深度較淺，并且不能清茬，只能側(cè)茬播種，容易導(dǎo)致機(jī)具跑偏，土壤壓實(shí)嚴(yán)重，甚至破壞壟形[17]。

2BMFJ型茬地免耕播種機(jī)的側(cè)向清秸裝置能夠在施肥、播種和藥劑噴施等作業(yè)之前完成種床表面覆蓋的玉米秸稈清理和適度破碎，秸稈清除率、能耗和生產(chǎn)效率均滿足實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)要求[18-19]。但由于側(cè)向清秸刀結(jié)構(gòu)限制，不能實(shí)現(xiàn)玉米根茬的完全清理和有效輸送，導(dǎo)致施肥播種工作部件堵塞，功耗升高，機(jī)具作業(yè)質(zhì)量降低，嚴(yán)重時(shí)甚至無法作業(yè)。

本文在玉米原茬地種床整備側(cè)向滑切清秸刀齒研究[20]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種清秸后玉米原茬地免耕播種用側(cè)向清茬刀，并對其清茬作業(yè)過程進(jìn)行分析，完成側(cè)向清茬刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)和模糊綜合評價(jià)相結(jié)合的方法，對影響側(cè)向清茬刀工作性能的相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化，以提高機(jī)具的玉米根茬清茬率，降低功率消耗，為玉米原茬地免耕播種前根茬清理提供可行性技術(shù)方案。

1 根茬清理部件結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 部件結(jié)構(gòu)

根茬清理部件主要由側(cè)向清秸刀、側(cè)向清茬刀、固定軸和轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

目前根茬清理部件僅裝配有側(cè)向清秸刀，能夠?qū)崿F(xiàn)地表玉米秸稈清理和玉米根茬的切削功能[21-22]，但是由于側(cè)向清秸刀為板型刀，對玉米根茬和須根僅起到切削作用，無法將根茬及須根移出種床，導(dǎo)致后續(xù)施肥播種部件堵塞，機(jī)具無法正常工作。

1.鎖緊裝置 2.安裝座 3.鏈輪 4.連接套 5.驅(qū)動(dòng)半軸 6.密封 7.軸承 8.側(cè)向清秸刀 9.側(cè)向清茬刀 10.鎖緊螺栓 11.固定軸 12.轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸

針對上述問題，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)玉米根茬和須根清理的側(cè)向清茬刀，并與側(cè)向清秸刀配合完成玉米根茬清理。在位于施肥播種裝置正前方清秸裝置內(nèi)固裝與免耕播種作業(yè)行數(shù)相同數(shù)量的根茬清理部件，如圖2a所示，根茬清理部件軸向平行于機(jī)具前進(jìn)方向（軸正方向），同時(shí)繞固定軸（軸）高速旋轉(zhuǎn)，如圖2b所示，固定于轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸上的側(cè)向清秸刀在機(jī)具前進(jìn)方向首先完成地表秸稈的清理，同時(shí)對根茬進(jìn)行切削，經(jīng)側(cè)向清秸刀多次切削的根茬已經(jīng)松動(dòng)并且大部分須根被切斷，布置于側(cè)向清秸刀后的側(cè)向清茬刀正切刃對切削后的根茬斜向滑切，切斷剩余須根和主根，并對根茬進(jìn)行拋撒。

圖2 側(cè)向清茬刀工作原理

根茬經(jīng)過側(cè)向清秸刀剖切和側(cè)向清茬刀滑切、拋撒后被運(yùn)移出種床，避免了直接應(yīng)用側(cè)向清茬刀清茬造成種床破壞，最大限度保證種床質(zhì)量。被移出種床的根茬通過各級(jí)根茬清理部件之間連續(xù)輸送運(yùn)移到根茬拋撒部件下方，通過調(diào)節(jié)拋撒部件轉(zhuǎn)速和拋撒調(diào)控裝置角度實(shí)現(xiàn)對玉米根茬拋送距離的控制。

2 側(cè)向清茬刀作業(yè)過程分析

2.1 茬區(qū)土壤擾動(dòng)量分析

側(cè)向清茬刀清茬區(qū)寬度是影響根茬清除率的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)也是土壤擾動(dòng)量的決定參數(shù)。茬區(qū)土壤擾動(dòng)量小則清茬效果低，土壤擾動(dòng)量大則動(dòng)力消耗大，散墑嚴(yán)重，機(jī)具可靠性降低。假設(shè)機(jī)具沿軸正方向以速度（km/h）做直線運(yùn)動(dòng)，根茬清理部件繞軸以角速度（rad/s）勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖2b所示，側(cè)向清茬刀清茬寬度是以側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑為圓的一段弦長，由圖3所示。

注：W為清茬寬度，mm；b為壟頂寬，mm； H為最大清茬深度，mm；R為側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑，mm；ψ為壟臺(tái)傾角，rad。

由圖3可知，清茬寬度為

由式（1）可知，工作時(shí)，當(dāng)側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑為定值時(shí)，隨著最大清茬深度增大清茬寬度近似線性增大；當(dāng)最大清茬深度為定值時(shí)，隨著側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑增大清茬寬度減小。

當(dāng)側(cè)向清茬刀達(dá)到最大清茬深度時(shí)，側(cè)向清茬刀相對運(yùn)動(dòng)速度與絕對運(yùn)動(dòng)速度夾角為

式中為側(cè)向清茬刀相對速度與絕對速度夾角，rad。

由圖2b和圖3可知，側(cè)向清茬刀在平面內(nèi)產(chǎn)生的土壤擾動(dòng)面積為

式中r為側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)平面在平面的土壤擾動(dòng)投影面積，mm2；為壟距，mm。

由式（2）和式（3）可得側(cè)向清茬刀在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的土壤擾動(dòng)面積為

式中a為側(cè)向清茬刀在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的土壤擾動(dòng)面積，mm2。

因此，側(cè)向清茬刀一次切削的土壤擾動(dòng)量可近似表示為

式中a為側(cè)向清茬刀在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的土壤擾動(dòng)量，mm3；為側(cè)向清茬刀正切刃曲線系數(shù)（≤1）；為正切刃折彎系數(shù)（≤1）；為正切刃寬度，mm。

其中側(cè)向清茬刀正切刃曲線系數(shù)與刃口曲線方程有關(guān)，當(dāng)正切刃為直線時(shí)正切刃曲線系數(shù)為1。正切刃折彎系數(shù)與正切刃折彎角有關(guān)，當(dāng)正切刃折彎角為π/2時(shí)正切刃折彎系數(shù)為1。

由式（1）、式（3）和式（5）可知，土壤擾動(dòng)量與最大清茬深度、側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑、機(jī)具作業(yè)速度、側(cè)向清茬刀正切刃曲線系數(shù)和正切刃折彎角系數(shù)等參數(shù)相關(guān)。在機(jī)具作業(yè)速度為7.2 km/h，正切刃曲線系數(shù)為1，正切刃彎角系數(shù)為1條件下，由式（5）可得最大清茬深度與側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑對土壤擾動(dòng)量的影響，如圖4所示，當(dāng)最大清茬深度一定時(shí)，土壤擾動(dòng)量隨著側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑增大而減??；當(dāng)側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，土壤擾動(dòng)量隨最大清茬深度增加而增加。側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑與清茬深度、轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸直徑和壟距有關(guān)，一般應(yīng)在滿足作業(yè)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和農(nóng)藝要求條件下選擇較大回轉(zhuǎn)半徑尺寸，以保證秸稈有效的通過性，但轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸和壟距為定值，限制了側(cè)向清茬刀的尺寸，通過分析，側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑需滿足

其中

式中為轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸直徑，mm；max為秸稈最大離地高度，mm；1為刀軸安裝座高度，mm；max為殘留秸稈最大長度，mm。

轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸直徑過小容易出現(xiàn)秸稈纏繞，影響機(jī)具正常工作；直徑過大會(huì)導(dǎo)致裝置質(zhì)量增加，影響機(jī)組縱向穩(wěn)定性。統(tǒng)計(jì)機(jī)械收獲后最長秸稈長度為310 mm，由式（6）可得轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸直徑需大于99 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)成品無縫管尺寸，轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸直徑設(shè)計(jì)為133 mm。秸稈最大離地高度為280 mm，生產(chǎn)中最小壟距為450 mm，將已知條件帶入式（6）可得側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑尺寸在350～383.5 mm之間，考慮機(jī)具裝配誤差和參考側(cè)向清秸刀回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)尺寸[20]，本文設(shè)計(jì)清茬刀回轉(zhuǎn)半徑為370 mm。

圖4 最大清茬深度與土壤擾動(dòng)量關(guān)系

2.2 軸向清茬距離分析

不同玉米栽培模式要求的每公頃保苗數(shù)不同，播種株距差異較大。為了實(shí)現(xiàn)根茬的全部清除，除了保證一次切削土壤擾動(dòng)量，根茬清理部件軸向相鄰刀片的清茬距離也是關(guān)鍵因素。清茬距離過大容易出現(xiàn)根茬漏清或者須根清理不完全，清茬距離過小則土壤擾動(dòng)頻繁，增加了功率消耗，容易散墑。所以需對側(cè)向清茬刀的軸向清茬距離進(jìn)行理論分析。

為了降低清茬時(shí)沖擊載荷造成機(jī)具振動(dòng)，側(cè)向清茬刀沿旋轉(zhuǎn)刀軸采用多頭螺旋線方式排布，確保每個(gè)根茬清理部件同一時(shí)間只有一個(gè)側(cè)向清茬刀工作。影響軸向清茬距離的主要因素包括機(jī)具作業(yè)速度、清茬刀角速度、周向清茬刀數(shù)量、軸向清茬刀組數(shù)、軸向安裝間距和螺旋線頭數(shù)[19]。軸向相鄰2組清茬刀清茬時(shí)間間隔1（s）為

式中1為周向清茬刀數(shù)量；2為軸向清茬刀組數(shù)。

周向相鄰清茬刀清茬時(shí)間間隔2（s）為

由式（7）和式（8）可知軸向和周向相鄰清茬刀清茬時(shí)間間隔內(nèi)機(jī)具前進(jìn)距離為

式中1為軸向相鄰清茬刀清茬時(shí)間機(jī)具前進(jìn)距離，mm；2為周向相鄰清茬刀清茬時(shí)間機(jī)具前進(jìn)距離，mm。

為保證不出現(xiàn)漏切并且清茬距離相等，需滿足

其中

式中0為軸向相鄰2組清茬刀安裝距離，mm。

通過前期研究，機(jī)具作業(yè)速度與秸稈、根茬清除率呈負(fù)相關(guān)，對于現(xiàn)有清秸裝置寬幅作業(yè)（作業(yè)幅寬大于2.6 m），當(dāng)作業(yè)速度大于7.2 km/h時(shí)，秸稈出現(xiàn)殘留，施肥播種部件容易堵塞，為保證最大作業(yè)效率，后續(xù)試驗(yàn)研究機(jī)具作業(yè)速度設(shè)定為7.2 km/h。清茬刀角速度越大清茬距離越小，清茬效果越好，但過高的角速度導(dǎo)致功率消耗增加，初步選取清茬刀角速度為42 rad/s。軸向清茬刀數(shù)量和軸向清茬刀安裝距離量級(jí)過大會(huì)導(dǎo)致機(jī)具質(zhì)量增加和質(zhì)心后移，影響機(jī)組縱向穩(wěn)定性，過小容易造成根茬清理不完全和堵塞，根據(jù)根茬幾何尺寸，設(shè)計(jì)軸向相鄰2組清茬刀安裝距離0為90 mm，軸向清茬刀數(shù)量2為3，由式（10）可得周向清茬刀數(shù)量為3組。

2.3 根茬輸送能力分析

側(cè)向清茬刀實(shí)現(xiàn)玉米根茬及須根的清理，同時(shí)完成根茬的側(cè)向輸送，防止根茬殘留造成機(jī)具堵塞。為保證根茬有效實(shí)現(xiàn)側(cè)向輸送，需對根茬輸送過程進(jìn)行分析。通過高速攝像技術(shù)，確定根茬基本實(shí)現(xiàn)逐級(jí)輸送，共4級(jí)，即根茬脫離一級(jí)根茬清理部件后被二級(jí)根茬清理部件接收，完成一級(jí)輸送，輸送原理如圖5所示。

注：紅色直線表示軸向第2組側(cè)向清茬刀；綠色直線表示軸向第3組側(cè)向清茬刀；藍(lán)色直線表示軸向第4組側(cè)向清茬刀；黑色直線表示軸向第1組側(cè)向清茬刀；h為壟高，mm；v0為根茬拋出時(shí)初始速度，m·s-1；φ為根茬拋出角，rad。

由圖5可知，二級(jí)根茬清理部件分為3個(gè)象限重復(fù)工作，每個(gè)象限有4個(gè)輸送區(qū)間，共計(jì)12個(gè)輸送區(qū)間，其中第一和第二輸送區(qū)間完成本條帶根茬的輸送，其余輸送區(qū)間完成根茬的接收工作，為最大效率完成根茬的側(cè)向輸送，需滿足一級(jí)根茬清理部件拋撒的根茬在其脫離側(cè)向清茬刀后最短時(shí)間內(nèi)被二級(jí)根茬清理部件接收，所以二級(jí)根茬清理部件需在第一象限的第三輸送區(qū)間完成根茬的接收，由此可得

其中

由式（11）可知，決定根茬是否能夠在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸送的因素包括根茬拋出時(shí)的初始速度、根茬拋出角、清茬刀角速度和機(jī)具作業(yè)速度，而根茬拋出時(shí)初始速度、根茬拋出角與清茬刀角速度和回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)，為了確定清茬刀角速度合理范圍，采用高速攝像技術(shù)和單因素試驗(yàn)進(jìn)行研究。高速攝像設(shè)備是由美國生產(chǎn)的Phantom v5.1型高速攝像機(jī)，攝像記錄速度最大達(dá)95 000 幀/s和1 200幅/s，分辨率1 024×1 024。補(bǔ)光設(shè)備為QH-1300w2型新聞補(bǔ)光燈，色溫3 200 K。試驗(yàn)裝置如圖 6所示。

1.高速攝像機(jī) 2.電源 3.變頻器 4.秸稈輸送軌道 5.根茬清理部件 6.補(bǔ)光燈 7.載物臺(tái) 8.電動(dòng)機(jī)

秸稈鋪設(shè)于載物臺(tái)表面，由秸稈輸送軌道帶動(dòng)模擬實(shí)際機(jī)具前進(jìn)作業(yè)。根茬清理部件側(cè)向清茬刀旋轉(zhuǎn)平面垂直于秸稈輸送軌道，2套裝置動(dòng)力均由變頻器控制電機(jī)提供。為了便于觀察，試驗(yàn)過程只對側(cè)向清茬刀在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)秸稈拋撒過程進(jìn)行拍攝，獲取秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡。本次試驗(yàn)清茬刀角速度設(shè)定為22、32、42、52、62、72 rad/s，每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)10次，均以10 ms時(shí)間間隔獲取10幀圖像進(jìn)行觀察分析，7a、7b、7c為清茬刀角速度42 rad/s時(shí)根茬不同時(shí)刻拋撒狀態(tài)。通過圖像標(biāo)記可知，秸稈拋撒過程垂直方向位移均處在二級(jí)根茬清理部件的第一象限第三輸送區(qū)間，并且秸稈在10 ms時(shí)水平方向位移達(dá)到二級(jí)根茬清理部件接收區(qū)間，滿足秸稈在最短時(shí)間內(nèi)被二級(jí)根茬清理部件接收的條件。

選取根茬脫離側(cè)向清茬刀時(shí)為運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻，觀察垂直和水平方向根茬位置隨時(shí)間變化規(guī)律，應(yīng)用軟件Phantom Camera Control Application 2.8對根茬運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行提取，確定根茬拋出時(shí)初始速度、根茬拋出角和各時(shí)間點(diǎn)位移。7d、7e為機(jī)具作業(yè)速度為7.2 km/h，清茬刀角速度為42 rad/s時(shí)根茬實(shí)際位移隨時(shí)間變化規(guī)律，將所得數(shù)據(jù)帶入式（11）中，該角速度滿足理論分析要求，同理，對其余5個(gè)處理清茬刀角速度進(jìn)行分析，最終確定42、52和62 rad/s處理滿足根茬被高效接收條件。

圖7 根茬拋撒過程不同時(shí)刻狀態(tài)

2.4 根茬拋撒能力分析

根茬經(jīng)過清茬、輸送后進(jìn)入拋撒工序。運(yùn)動(dòng)過程中主要受到自身重力、空氣阻力和玉米碎秸對其作用力影響，因根茬密度遠(yuǎn)大于玉米碎秸，并且玉米根茬拋撒過程迎風(fēng)面積較小，本文忽略空氣和玉米碎秸對根茬作用，僅考慮根茬處于重力場中的運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

注: y0為根茬拋出時(shí)垂直距離，mm；x0為根茬拋出時(shí)水平距離，mm；Hmax為根茬拋扔最大高度，mm；Lmax為根茬拋扔最遠(yuǎn)距離，mm。

為了獲得最大拋撒距離，將拋撒調(diào)控裝置調(diào)至水平位置，即對根茬運(yùn)動(dòng)軌跡無影響，可得根茬拋出后運(yùn)動(dòng)方程為

由式（12）可知，根茬運(yùn)動(dòng)軌跡為一條開口向下的拋物線，其拋撒最大高度和最遠(yuǎn)距離主要與根茬拋出初速度和根茬拋出角有關(guān)。拋撒最遠(yuǎn)距離為

由式（13）可知，根茬拋出角為π/4時(shí)達(dá)到最大拋撒距離。根茬拋出初速度與側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑、清茬刀角速度、離心力和摩擦力等因素有關(guān)，因根茬在清茬刀表面運(yùn)動(dòng)時(shí)間極短，可忽略根茬于側(cè)向清茬刀表面運(yùn)動(dòng)，通過根茬側(cè)向輸送效率可知最小拋出速度為19.24 m/s，可得最小拋撒距離為1.96 m。最大拋撒距離通過高速攝像標(biāo)記根茬脫離拋撒側(cè)向清茬刀最高速度為47.21 m/s，可得最大拋撒距離為4.82 m。

3 側(cè)向清茬刀正切刃設(shè)計(jì)

通過側(cè)向清秸刀的設(shè)計(jì)已經(jīng)確定滑切刃關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和刃口曲線方程，本文主要針對根茬清理正切刃結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖9所示，側(cè)向清茬刀由3部分組成，為裝夾部分，為滑切部分，為正切刃部分。側(cè)向清茬刀設(shè)計(jì)厚度為10 mm，采用65Mn調(diào)質(zhì)處理，和部分 HRC43～48，部分HRC49～53。試驗(yàn)平均磨損率為2.75 mg/h，工作最大撓度為4.2 mm，各項(xiàng)指標(biāo)滿足工作要求。

側(cè)向清茬刀工作時(shí)所受的土壤阻力與側(cè)向清茬刀的結(jié)構(gòu)相關(guān)，特別是刃口曲線對其影響較大。正切刃的作用是從側(cè)面將土壤中被切裂的玉米根茬進(jìn)行切斷并將其帶出沿刃口滑移進(jìn)行側(cè)拋，保證清茬刀完成根茬清理且不纏繞、不堵塞。側(cè)向清茬刀在工作時(shí)具有較高線速度，為使正切刃曲線速度變化平穩(wěn)避免局部沖擊，在滑切刃和正切刃曲線的連接處設(shè)計(jì)圓滑過渡。本文設(shè)計(jì)的正切刃曲線為空間曲線。

注：R0為初始半徑，mm；la為滑切刃側(cè)向長度，mm；θ為正切刃面積角，rad；α為正切刃折彎角，rad； l2為正切刃側(cè)向長度，mm；l1為正切刃工作側(cè)向長度，mm；r為正切刃折彎角半徑，mm；lz為直柄側(cè)向長度，mm；lmax為正切刃展開最大長度，mm；B為正切刃寬度，mm。

由圖9a可知，正切刃曲線在平面上的投影為半徑的一段圓弧，點(diǎn)為折彎中心線處，可得點(diǎn)坐標(biāo)為

正切刃曲線在平面內(nèi)勻位于半徑的圓上，所以其上的所有點(diǎn)速度大小相等，由此可得包含點(diǎn)速度的直線方程為

由式（15）可得包含點(diǎn)的速度平面方程為

式中為正切刃軸方向系數(shù)。

當(dāng)平面通過點(diǎn)，即通過軸方向正切刃最大寬度位置處，由式（16）可得

聯(lián)立式（14）、式（16）和式（17）可得正切刃曲線參數(shù)方程為

由式（18）可知，正切刃曲線方程與側(cè)向清茬刀回轉(zhuǎn)半徑、正切刃面積角、清茬刀角速度相關(guān)。

對于初始半徑0，如圖9a所示，在保證清茬深度和切削量的條件下選取最小值，以保證滑切效果，避免秸稈纏繞。根據(jù)單因素試驗(yàn)，根茬清除率隨著最大清茬深度的增加而增加，當(dāng)最大清茬深度為50 mm時(shí)，根茬清除率基本保持不變，在保證最小土壤擾動(dòng)量前提下，設(shè)計(jì)最大清茬深度為50 mm。初始半徑為側(cè)向最大切削量的一元二次函數(shù)[23]，表達(dá)式為

式中為側(cè)向最大切削量，mm。

由式（19）可知，初始半徑存在最小值，并且最小值大于零，側(cè)向最大切削量為186 mm，經(jīng)計(jì)算初始半徑最小值為320 mm。

正切刃寬度決定了工作質(zhì)量和功率消耗，正切刃寬度的增加可以減少側(cè)向清茬刀數(shù)量、降低刀軸轉(zhuǎn)速，并且有利于防止秸稈纏繞，但由于結(jié)構(gòu)及剛度限制，正切刃寬度不能無限增大，由圖9a可知，其大小與正切刃折彎角有關(guān)，關(guān)系式為

其中

由式（20）可知，正切刃寬度與正切刃側(cè)向長度、正切刃工作側(cè)向長度、正切刃折彎角半徑有關(guān)。正切刃折彎角半徑和正切刃側(cè)向長度在保證清茬溝底平整度再允許范圍內(nèi)選擇較大的值有利于防止秸稈纏繞和黏土堵塞，本文設(shè)計(jì)正切刃折彎角半徑為30 mm，正切刃側(cè)向長度為50 mm，將已知條件帶入式（20）可得正切刃折彎角為1.094 rad，正切刃寬度為52 mm。

通過上述分析可知，影響側(cè)向清茬刀工作性能的因素包括正切刃折彎角、正切刃寬度、作業(yè)速度、清茬刀角速度等，為探尋各關(guān)鍵參數(shù)與清茬刀工作性能的相互關(guān)系，尋求最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

4 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年4月25日－5月3日在黑龍江省榮軍農(nóng)場紅豐原種種植基地實(shí)施，試驗(yàn)地塊為2018年秋季聯(lián)合收獲機(jī)收獲后玉米原茬地，如圖10所示。前茬壟距65 cm，株距24～25 cm；0～10 cm深度平均土壤堅(jiān)實(shí)度17.3 kg/cm2，平均土壤含水率34.5%；玉米根茬平均高度250 mm，平均含水率42.7%。

4.2 儀器與設(shè)備

儀器設(shè)備包括：紐荷蘭1104型拖拉機(jī)、2BMFJ-BLQ8型免耕覆秸精量播種機(jī)（共8個(gè)根茬清理部件）、JM5937A型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置、SL-TYA型硬度計(jì)、SU-LB 型土壤水分測定儀、JNNT-0型扭力測量傳感器、SFZ001型拉力測量傳感器、JM3823型適調(diào)器、電子秤、直尺、米尺等。試驗(yàn)裝置與儀器設(shè)備連接，如圖10所示。為方便采集牽引力，在播種機(jī)前加裝了牽引裝置，拉力傳感器固定在拖拉機(jī)牽引點(diǎn)與牽引裝置之間。

圖10 儀器與設(shè)備連接

4.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)前文對側(cè)向清茬刀清茬、輸送過程分析和正切刃的設(shè)計(jì)，確定正切刃折彎角、正切刃寬度和清茬刀角速度是影響清茬質(zhì)量和功耗關(guān)鍵參數(shù)，通過正切刃設(shè)計(jì)確定正切刃折彎角和正切刃寬度理論值分別為1.094 rad和52 mm，為方便加工，正切刃折彎角和正切刃寬度試驗(yàn)設(shè)計(jì)中心水平分別選擇1.05 rad和50 mm。通過前文高速攝像技術(shù)確定清茬刀角速分別為42、52和62 rad/s可以實(shí)現(xiàn)根茬高效輸送。采用三因素三水平正交試驗(yàn)方法，應(yīng)用L9（34）正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以正切刃折彎角、正切刃寬度、清茬刀角速度為影響因素，根茬清除率、土壤擾動(dòng)率、當(dāng)量功耗為性能指標(biāo)，每個(gè)處理重復(fù)3次，應(yīng)用Design-Expert 6.0.10對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差和極差分析，通過模糊綜合評價(jià)法評估最優(yōu)組合[24]。試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素和水平

各性能指標(biāo)測量方法如下：

1）根茬清除率

根茬清除率以作業(yè)幅寬內(nèi)根茬清除比例來衡量。選取50 m作業(yè)距離作為取樣長度，作業(yè)前統(tǒng)計(jì)根茬數(shù)量，作業(yè)后統(tǒng)計(jì)未被清除根茬數(shù)量。根茬清除率計(jì)算公式為

式中為根茬清除率，%；為作業(yè)范圍內(nèi)根茬總數(shù)量；為未被清除根茬數(shù)量。

2）土壤擾動(dòng)率

少免耕作業(yè)要求土壤擾動(dòng)率要小，本文設(shè)計(jì)清茬刀正切刃寬度小于軸向清茬刀交替間隔時(shí)間內(nèi)機(jī)具行進(jìn)距離，為了便于測量，以側(cè)向清茬刀切削土壤橫截面積作為土壤擾動(dòng)量評價(jià)關(guān)鍵參數(shù)，土壤擾動(dòng)率計(jì)算公式為

式中為土壤擾動(dòng)率，%；1為側(cè)向清茬刀切削土壤橫截面積，mm2；0為完整壟橫斷面面積，mm2。

3）當(dāng)量功耗

當(dāng)量功耗即每一個(gè)根茬清理部件消耗功率。通過固定于拖拉機(jī)與試驗(yàn)裝置之間的拉力傳感器測量牽引方向拉力，拖拉機(jī)與傳動(dòng)軸之間的扭矩傳感器測量清茬扭矩，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存[25-30]。當(dāng)量功耗計(jì)算式為

4.4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程和性能指標(biāo)測量如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，方差、極差分析如表3所示。由表3可知，正切刃折彎角對根茬清除率性能指標(biāo)具有極顯著影響，正切刃寬度與清茬刀角速度對性能指標(biāo)具有顯著影響，影響主次順序由大到小為正切刃折彎角、正切刃寬度、清茬刀角速度，最優(yōu)組合為131；正切刃折彎角、正切刃寬度和清茬刀角速度對土壤擾動(dòng)率具有顯著影響，影響主次順序由大到小為正切刃寬度、正切刃折彎角、清茬刀角速度，最優(yōu)組合為313；正切刃折彎角與正切刃寬度對當(dāng)量功耗性能指標(biāo)具有極顯著影響，影響主次順序由大到小為正切刃寬度、正切刃折彎角、清茬刀角速度，最優(yōu)組合為112。

圖11 試驗(yàn)過程和評價(jià)指標(biāo)測量

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

4.5 模糊綜合評價(jià)

通過上述正交試驗(yàn)結(jié)果分析，優(yōu)化出關(guān)于3項(xiàng)性能指標(biāo)的各自影響因子主次順序和最優(yōu)組合，但實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，裝置結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)組合為定值，為了評估3項(xiàng)性能評價(jià)指標(biāo)的綜合性能，獲得最優(yōu)影響因子參數(shù)組合，應(yīng)用模糊綜合評價(jià)方法[31-34]對其進(jìn)行評估。

模糊綜合評價(jià)結(jié)果，如表4所示。對模糊綜合評價(jià)結(jié)果進(jìn)行可行性和最優(yōu)組合分析如表5、表6所示。由分析結(jié)果可知，正切刃折彎角和清茬刀角速度對性能指標(biāo)影響顯著（<0.05），主次順序由大到小為：正切刃折彎角、清茬刀角速度、正切刃寬度，側(cè)向清茬刀結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合為122，即機(jī)具作業(yè)速度為7.2 km/h條件下，正切刃折彎角0.86 rad、正切刃寬度50 mm，清茬刀角速度52 rad/s。

表3 方差、極差分析結(jié)果

注：<0.01（極顯著），0.01<<0.05（顯著），下同。

Note:<0.01 (extremely significant), 0.01<<0.05 (significant), the same below.

表4 綜合評價(jià)結(jié)果

表5 方差分析

表6 極差分析

4.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

2019年5月10日在榮軍農(nóng)場紅豐原種種植基地將上述評估得出的影響因子水平最優(yōu)組合進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)，將未安裝側(cè)向清茬刀的清秸裝置作為對照組，試驗(yàn)均重復(fù)2次取均值，結(jié)果如表7所示。驗(yàn)證試驗(yàn)的3項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足實(shí)際生產(chǎn)農(nóng)藝要求，優(yōu)化結(jié)果可信。由對比試驗(yàn)可知，應(yīng)用側(cè)向清茬刀使根茬清除率提高了14.3%，當(dāng)量功耗降低了24%，土壤擾動(dòng)率增加了2.8%。這主要是由于側(cè)向清茬刀可以及時(shí)將玉米根茬清理，減少了側(cè)向清秸刀對玉米根茬的重復(fù)滑切，有效降低了當(dāng)量功耗，并提高了根茬清除率，但由于側(cè)向清茬刀正切刃存在，導(dǎo)致土壤擾動(dòng)率略有增大。

表7 結(jié)果驗(yàn)證和對比

玉米根茬經(jīng)根茬拋撒部件加速后拋撒距離進(jìn)行測量，根茬拋撒距離范圍為1.4～5.2 m，與理論分析基本相符，并滿足實(shí)際作業(yè)需求。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種用于玉米原茬地根茬清理用側(cè)向清茬刀，確定了影響其工作性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。

2）對于根茬清除率評價(jià)指標(biāo)，正切刃折彎角具有極顯著影響，正切刃寬度和清茬刀角速度具有顯著影響，影響主次順序由大到小為正切刃折彎角、正切刃寬度、清茬刀角速度；對于土壤擾動(dòng)率評價(jià)指標(biāo)，正切刃折彎角、正切刃寬度和清茬刀角速度均具有顯著影響，影響主次順序由大到小為正切刃寬度、正切刃折彎角、清茬刀角速度；對于當(dāng)量功耗評價(jià)指標(biāo)，正切刃折彎角和正切刃寬度具有極顯著影響，影響主次順序由大到小為正切刃寬度、正切刃折彎角、清茬刀角速度。

3）運(yùn)用正交試驗(yàn)和模糊綜合評價(jià)相結(jié)合方法，對影響側(cè)向清茬刀工作性能因素進(jìn)行參數(shù)組合優(yōu)化，在機(jī)具作業(yè)速度7.2 km/h條件下，正切刃折彎角0.86 rad、正切刃寬度50 mm、清茬刀角速度52 rad/s時(shí)，根茬清除率為94.3%，土壤擾動(dòng)量為54.3%，當(dāng)量功耗為3.4 kW，根茬拋撒距離范圍為1.4～5.2 m，滿足實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)要求。

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Design and test of lateral stubble cleaning blade for corn stubble field

Hou Shouyin, Chen Haitao※, Zou Zhen, Wei Zhipeng, Zhang Yanlong

(,,150030,)

Non-till farming has attracted increasing attention in developing sustainable agriculture, but the straws and the stubbles left over after harvest could block dispatch of fertilizer and seeds in seed drilling, which could detach the seeds and soil and result in nonuniform seed drilling both vertically and horizontally. Therefore, developing devices able to clean and crush the corn straw on seedbed before fertilization and seed drilling/spraying are demanded. However, the existing blade in such devices for laterally cutting the stubbles cannot completely clean and transport the stubble. The leftovers in soil make seed drilling problematic as they could block seed dispatch, increase energy consumption and, under certain circumstances, even make the sowing device unbale to operate. In order to resolve these problems, we designed a device to laterally cut and remove the stubbles from corn field. In this paper, we analyzed its efficacy in stubble clearance, soil disturbance, energy consumption, as well as conveying and throwing the cut/cleaned stubbles. The optimal structure of the stubble-cleaning blade and the working parameters of the device were calculated by taking the bending angle of the blade α, the transverse cutting edge, and the angular velocity of the bladeas determinants, and the stubble clearance rate, soil disturbance rate and equivalent energy consumption of the blade as quantitative indexes of its performance, using the three-factor and three-level orthogonal test and the fuzzy comprehensive evaluation method. The results showed that the stubble clearance rate was significantly impacted by the bending angle, while the performance indexes were significantly impacted by the width and angular velocity of the blade. The factors that affected the performance of the device were ranked in the order of bending angle > transverse cutting edge > angular velocity. It was also found that soil disturbance rate was mostly impacted by the transverse cutting edge, followed by the bending angle and the angular velocity, while the equivalent energy consumption was mostly affected the transverse cutting edge, followed by the bending angle and the velocity of the cutter tooth angle. The optimized results for the device operation were that when the operation speed was 7.2 km/h, the bending angle was 0.86 rad, the transverse cutting edge was 50 mm, and the angular velocity was 52 rad/s, the associated stubble clearance rate was 94.3%, soil disturbance rate was 54.3%, and the equivalent energy consumption was 3.4 kW. Under these conditions, clogging and straw entanglement did not occur. The results in this paper are helpful for designing devices to clear straw and stubbles left over after harvest in no-till farming.

agricultural machinery; design; experiment; no-tillage sowing; corn stubble; lateral stubble cleaning blade

侯守印，陳海濤，鄒 震，魏志鵬，張巖龍. 玉米原茬地側(cè)向清茬刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(2)：59－69.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.008 http://www.tcsae.org

Hou Shouyin, Chen Haitao, Zou Zhen, Wei Zhipeng, Zhang Yanlong. Design and test of lateral stubble cleaning blade for corn stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 59－69. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.008 http://www.tcsae.org

2019-09-10

2019-10-24

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（GARS-04）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0201004）；北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（KF18-05）

侯守印，博士生，工程師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究。Email：houshouyin.cn@163.com

陳海濤，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及生物質(zhì)材料研究。Email：htchen@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.008

S222.23

A

1002-6819(2020)-02-0059-11