主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曹鑫鵬，王慶杰，李洪文，何 進(jìn)，盧彩云，于暢暢

主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曹鑫鵬，王慶杰，李洪文，何 進(jìn)，盧彩云，于暢暢

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，北京 100083）

針對(duì)東北地區(qū)在秸稈全量粉碎還田條件下玉米免耕播種作業(yè)時(shí)，被動(dòng)分茬式清秸裝置清秸率低，主動(dòng)條旋式清秸裝置草土混埋造成出苗率低的問題，該研究設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置，首先通過理論分析與參數(shù)計(jì)算確定了清秸彈齒關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。進(jìn)一步運(yùn)用土槽試驗(yàn)的方法，選取機(jī)組前進(jìn)速度、清秸彈齒轉(zhuǎn)速和清秸彈齒滲透量為試驗(yàn)因素，以種帶清秸率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)與影響因素回歸模型，確定清秸裝置最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為機(jī)具前進(jìn)速度1.4 m/s，清秸彈齒轉(zhuǎn)速400 r/min，彈齒滲透量19 mm。并通過田間試驗(yàn)對(duì)該裝置作業(yè)性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)組合下，20 cm寬度種帶清秸率為98.3%，平均作業(yè)功率為605 W，滿足東北地區(qū)玉米免耕播種作業(yè)農(nóng)藝和技術(shù)要求。該研究可為免耕作業(yè)機(jī)具清秸裝置設(shè)計(jì)提供參考。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；機(jī)械化；免耕播種機(jī)；種帶清理；清秸率

0 引 言

秸稈覆蓋作為保護(hù)性耕作技術(shù)的核心內(nèi)容具有減少土壤風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤肥力和抗旱能力，延緩?fù)寥劳嘶淖饔肹1-5]。秸稈覆蓋條件下免耕播種已在東北地區(qū)廣泛推廣，成為中國(guó)黑土地保護(hù)的重要舉措[6-7]。播種作業(yè)時(shí)大量秸稈覆蓋地表，易造成開溝器等土壤耕作部件的纏繞及壅堵，影響作業(yè)效果及出苗質(zhì)量[8-9]，同時(shí)東北地區(qū)播種期氣溫較低，播種后秸稈覆蓋在播種帶上延緩玉米出苗，影響玉米產(chǎn)量[10-12]。因此對(duì)播種帶秸稈進(jìn)行穩(wěn)定高效清理是免耕播種技術(shù)推廣的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)外免耕播種機(jī)上的清秸裝置按動(dòng)力來源主要分為被動(dòng)式及主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式清秸裝置多采用撥草輪、切茬圓盤等將種帶秸稈撥離或切斷來達(dá)到防堵目的[13-15]，但在秸稈覆蓋量較大條件下作業(yè)時(shí)清秸率及切茬率顯著降低，影響免耕播種質(zhì)量。主動(dòng)式清秸裝置多利用高速旋轉(zhuǎn)的旋耕刀、滅茬刀、切茬圓盤對(duì)播種帶秸稈進(jìn)行旋耕滅茬[16-18]，開溝破茬能力強(qiáng)，在一定程度上解決大量秸稈覆蓋地表免耕播種時(shí)存在的問題，但清秸部件入土存在土壤擾動(dòng)量大、草土混埋、破壞墑情等問題。主動(dòng)分茬式清秸裝置能夠結(jié)合被動(dòng)式清秸裝置土壤擾動(dòng)量小及主動(dòng)式清秸裝置在大量秸稈覆蓋條件下通過性好的特點(diǎn)，但現(xiàn)有的主動(dòng)分茬裝置主要圍繞解決播種機(jī)通過性問題進(jìn)行優(yōu)化[19-20]，仍存在播種帶清秸寬度不足、清秸率低的問題，難以滿足東北地區(qū)對(duì)玉米免耕播種作業(yè)要求。

針對(duì)上述問題，結(jié)合東北地區(qū)秸稈覆蓋量及免耕播種需求，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)⒉シN帶秸稈進(jìn)行側(cè)向堆集，清理出指定寬度播種帶的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置。通過理論分析與土槽試驗(yàn)確定清秸裝置的最佳結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)組合，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的作業(yè)性能。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置主要針對(duì)東北地區(qū)秸稈量較大的全量秸稈粉碎還田覆蓋條件下免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由清秸彈齒、清秸彈齒安裝架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傾角調(diào)節(jié)拉桿、高度調(diào)節(jié)拉桿、偏角調(diào)節(jié)板和擋簾機(jī)構(gòu)等組成，清秸彈齒呈放射狀等間距安裝于清秸彈齒安裝架。

主要技術(shù)參數(shù)：配套動(dòng)力600 W以上，清秸裝置總質(zhì)量24.7 kg，清秸作業(yè)行距400 mm以上，清秸作業(yè)寬度200 mm以上，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）880 mm×480 mm× 620 mm。

1.2 工作原理

主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置安裝在免耕播種機(jī)側(cè)深施肥開溝圓盤前方。作業(yè)前，通過調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)拉桿調(diào)節(jié)彈齒滲透量使清秸彈齒壓緊地表；通過傾角調(diào)節(jié)拉桿調(diào)節(jié)清秸彈齒安裝架回轉(zhuǎn)平面與前進(jìn)方向的傾角為20°；根據(jù)作業(yè)速度，通過偏角調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)清秸彈齒與前進(jìn)方向的偏角。作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)清秸彈齒高速旋轉(zhuǎn)，清秸彈齒依次自播種帶中心一側(cè)入土并向播種帶對(duì)側(cè)撥動(dòng)秸稈；隨著清秸彈齒的轉(zhuǎn)動(dòng)，清秸彈齒脫離地面，秸稈在重力及離心力的作用下后沿清秸彈齒絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向甩至清秸裝置一側(cè)的擋簾機(jī)構(gòu)，在擋簾的攔截作用下回落至非播種帶。作業(yè)后，在清秸彈齒及擋簾的共同作用下清理出清潔的播種帶并將地表秸稈堆集至播種機(jī)兩側(cè)非播種帶。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

清秸彈齒是主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置的主要工作部件，其作業(yè)性能決定清秸裝置清秸效果，因此，對(duì)清秸彈齒結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 清秸彈齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清秸彈齒需在將播種帶秸稈撥離、順利脫茬的基礎(chǔ)上具有一定的抗沖擊性，以避免起伏地表及石塊對(duì)彈齒的損傷[21]。清秸彈齒由底部接地作業(yè)部分與上部彈性保護(hù)部分組成，接地作業(yè)部分保證彈齒撥茬、脫茬性能；彈性保護(hù)部分保證彈齒作業(yè)過程中能夠壓緊地表的同時(shí)具有一定的彈性，避免彈齒損傷。因此，需對(duì)清秸彈齒接地作業(yè)部分與彈性保護(hù)部分進(jìn)行理論分析與參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1.1 接地部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清秸彈齒作業(yè)過程中由清秸彈齒安裝架帶動(dòng)沿回轉(zhuǎn)中心高速旋轉(zhuǎn)、彈齒齒尖循環(huán)接地將地表秸稈撥離播種帶后進(jìn)行拋秸，彈齒接地部分不僅需保證將播種帶中心秸稈順利摟至非播種帶，還需保證秸稈順利脫離。如圖2所示，影響清秸彈齒摟茬及拋秸性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有清秸彈齒接地部分總長(zhǎng)1、折彎部分豎直投影長(zhǎng)度2、折彎角及清秸彈齒外齒與內(nèi)齒間距。

田間作業(yè)過程中清秸彈齒接地總長(zhǎng)1決定彈齒安裝架離地高度，結(jié)合田間實(shí)測(cè)得東北地區(qū)秸稈留茬還田留茬平均高度為140 mm，確定的清秸彈齒接地部分總長(zhǎng)1取值為180 mm。為保證清秸彈齒順利脫茬，清秸彈齒清秸部分豎直投影長(zhǎng)度2在作業(yè)過程中需大于地表秸稈覆蓋厚度，田間實(shí)測(cè)地表秸稈覆蓋厚度為0～60 mm，設(shè)計(jì)折彎部分豎直投影長(zhǎng)度為80 mm；為防止未完全粉碎玉米秸稈在彈齒內(nèi)齒與外齒間堵塞、掛齒，彈齒間距需大于玉米秸稈最大直徑與彈齒直徑差值，田間實(shí)測(cè)地表秸稈最大直徑為34.8 mm，因此設(shè)計(jì)清秸彈齒外齒與內(nèi)齒間距60 mm；清秸彈齒接地端與豎直方向有一定的折彎角有利于脫茬，但隨著折彎角增大，清秸彈齒撥茬能力下降明顯，參考現(xiàn)有的指盤式摟草機(jī)及秸稈集行器彈齒接地角度確定清秸彈齒折彎角為45°。

2.1.2 彈性保護(hù)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清秸彈齒上部為扭轉(zhuǎn)彈簧，保證彈齒應(yīng)具有一定的彈性及韌性，當(dāng)外界作用扭矩超過預(yù)置扭矩時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧彈性形變，保護(hù)清秸彈齒免受損壞的同時(shí)使彈齒始終壓緊地表保證彈齒作業(yè)性能。因此，需根據(jù)清秸彈齒作業(yè)過程中受力確定清秸彈齒扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)。

清秸彈齒作業(yè)過程中主要受秸稈與地表的作用，單個(gè)彈齒撥動(dòng)秸稈質(zhì)量較輕，導(dǎo)致清秸彈齒過載變形的主要為地表起伏及碎石對(duì)彈齒作用力，因此本研究中主要分析清秸彈齒在清秸過程中地表對(duì)清秸彈齒作用力，進(jìn)而確定清秸彈齒彈性保護(hù)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。清秸彈齒受力主要由接地位置部分受力決定，清秸彈齒齒尖受力分析如圖3所示。

為保證彈齒壓緊地表，清秸彈齒彈性保護(hù)部分扭轉(zhuǎn)彈簧對(duì)彈齒齒尖作用力2需大于地表秸稈對(duì)清秸彈齒產(chǎn)生作用阻力的同時(shí)保證清秸彈齒免受破壞，因此清秸彈齒直徑需滿足[22]：

式中1為彈簧的曲度系數(shù)；為扭轉(zhuǎn)彈簧材料許用彎曲應(yīng)力，MPa。

根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法[22]，彈簧的曲度系數(shù)1為

式中為扭轉(zhuǎn)彈簧旋繞比；為扭轉(zhuǎn)彈簧中徑，m。

彈簧的有效圈數(shù)為

式中為扭轉(zhuǎn)彈簧材料彈性模量，MPa。

清秸彈齒工作扭轉(zhuǎn)角為

注：1為地表對(duì)清秸彈齒齒尖支持力，N；2為扭轉(zhuǎn)彈簧對(duì)清秸彈齒齒尖作用力，N；為地表對(duì)清秸彈齒齒尖的摩擦力，N；為清秸彈齒工作扭轉(zhuǎn)角，(°)；3為清秸彈齒滲透量，mm；圖中虛線部分為彈齒自由狀態(tài)位置；清秸彈齒回轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1。

Note:1is the force of the surface to the straw clean spring teeth, N;2is the force of the torsion spring on the straw clean spring teeth, N;is the friction of the surface on the straw clean spring teeth, N;is the working torsion angle of spring tooth, (°);3is the penetration length of spring tooth, mm; the dotted line in the figure is the free position of spring tooth;is the rotate speed of straw clean spring tooth, rad·s-1.

圖3 清秸彈齒齒尖受力分析

Fig.3 The force analysis of straw clean spring tooth tip

清秸裝置作業(yè)田間作業(yè)過程中通過四連桿與播種機(jī)機(jī)架連接上下浮動(dòng)仿形，當(dāng)?shù)乇砥鸱^大時(shí)，地表將清秸裝置頂起，此時(shí)清秸彈齒受力最大，同時(shí)至少有2根彈齒齒尖接地，因此地表對(duì)清秸彈齒齒尖最大支持力為四連桿后方清秸彈齒安裝及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自重，共計(jì)為19.2 kg，因此1取值為94.1 N；清秸彈齒材料為65Mn鋼，與地表土壤的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取值0.05[17]，因此取值為4.7 N；根據(jù)現(xiàn)有摟草機(jī)的摟草彈齒直徑初步假定彈齒直徑為6～10 mm，根據(jù)碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度查詢表查得C級(jí)碳素彈簧絲的抗拉強(qiáng)度為1 420～1 320 MPa，同時(shí)臨界彎曲應(yīng)力σ一般取0.8倍的抗拉強(qiáng)度，因此σ取值為1 056 MPa；為使結(jié)構(gòu)緊湊選取旋繞比為6；經(jīng)公式（1）～（3）計(jì)算得清秸彈齒直徑需大于5.7 mm，因此最終選取的清秸彈齒彈簧絲直徑為6 mm，彈簧中經(jīng)取標(biāo)準(zhǔn)值38 mm。清秸彈齒作業(yè)過程中當(dāng)遇到石塊或地形起伏時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧彈性仿形自我保護(hù)，根據(jù)地表秸稈、石塊及起伏選取的最大清秸彈齒滲透量3為40 mm；同時(shí)相較于牧草，粉碎后秸稈之間的相互牽連帶動(dòng)作用較弱，當(dāng)清秸彈齒滲透量小于零時(shí)，地表秸稈無法被彈齒撥動(dòng)，影響清秸作業(yè)效果，因此最終選取的清秸彈齒滲透量3為0～40 mm。經(jīng)公式（4）～（5）計(jì)算得扭轉(zhuǎn)彈簧工作扭轉(zhuǎn)角為38.9°，彈簧的有效圈數(shù)為4.4，因此最終選取的彈簧有效圈數(shù)為4.5圈。

2.2 彈齒安裝參數(shù)確定

2.2.1 安裝偏角確定

清秸彈齒安裝偏角主要影響接地區(qū)域位置，進(jìn)而影響彈齒拋秸方向。如圖4所示，當(dāng)清秸彈齒齒尖高于秸稈覆蓋厚度時(shí)開始拋秸，拋秸方向主要由清秸彈齒絕對(duì)速度及接地位置影響。接地位置主要由安裝偏角決定，絕對(duì)速度主要由清秸彈齒轉(zhuǎn)速及機(jī)組前進(jìn)速度決定，因此對(duì)清秸彈齒絕對(duì)速度進(jìn)行分析。

注：β為清秸裝置偏角，(°)；θ為拋秸方向與前進(jìn)方向偏角，(°)；φ為機(jī)具前進(jìn)方向與拋秸位置清秸彈齒回轉(zhuǎn)線速度方向夾角，(°)；Vj為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；Vt為清秸彈齒線速度，m·s-1；r為清秸彈齒最大回轉(zhuǎn)半徑，m.

由質(zhì)點(diǎn)的速度合成公式得：

拋秸方向與機(jī)組前進(jìn)方向偏角如圖4所示，由幾何關(guān)系得：

由式（7）可知，在清秸裝置偏角不變情況下，清秸彈齒拋秸方向由機(jī)組前進(jìn)速度與清秸彈齒轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，隨著清秸裝置安裝偏角增大，機(jī)具前進(jìn)方向與拋茬位置清秸彈齒回轉(zhuǎn)線速度方向夾角增大，通過改變清秸裝置安裝偏角可對(duì)其拋秸方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)田間作業(yè)時(shí)，為保證不同作業(yè)速度下清秸彈齒拋出秸稈落入非播種帶，擋簾機(jī)構(gòu)需根據(jù)播種機(jī)前進(jìn)速度與清秸彈齒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)彈齒組安裝偏角與擋簾機(jī)構(gòu)相對(duì)位置。

2.2.2 安裝傾角確定

清秸彈齒回轉(zhuǎn)平面水平接地，清秸彈齒旋轉(zhuǎn)清秸時(shí)，秸稈沿清秸彈齒360°圓周切線向外拋出，起不到將播種帶秸稈定向集行的作用。為解決上述問題將清秸彈齒采用如圖5a所示的前傾接地方式，只將清秸彈齒局部接地，彈齒回轉(zhuǎn)平面與水平面有一定的前傾角。清秸彈齒旋轉(zhuǎn)時(shí)接地區(qū)域水平投影面積如圖5b中22至33陰影部分所示。

清秸裝置安裝傾角為時(shí)，清秸裝置接地區(qū)域水平投影如圖5b所示，由幾何關(guān)系得：

由式（8）可知，隨著清秸裝置前傾角的增大清秸彈齒接地區(qū)域水平投影寬度減小，進(jìn)而影響清秸寬度，但隨著前傾角的增大，清秸寬度降低，清秸效率顯著降低[23]。綜上所述，結(jié)合東北地區(qū)對(duì)播種帶清理寬度、作業(yè)速度及種植行距要求，最終選定清秸彈齒最大回轉(zhuǎn)半徑為200 mm，為防止相鄰彈齒間夾稈，彈齒均勻安裝于安裝架上，安裝組數(shù)為6組；參考多頭轉(zhuǎn)子式旋轉(zhuǎn)摟草機(jī)的前傾角[24]，確定清秸裝置傾角為20°。

2.3 清秸彈齒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了保證清秸裝置通過清秸彈齒撥動(dòng)將播種帶上秸稈撥至非播種帶，防止其漏撥及重?fù)埽绊懬褰兆鳂I(yè)質(zhì)量，對(duì)清秸彈齒沿地表運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，確定清秸彈齒轉(zhuǎn)速。清秸作業(yè)時(shí)，清秸彈齒在驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下繞清秸彈齒固定架中心旋轉(zhuǎn)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，播種機(jī)帶動(dòng)清秸裝置勻速前進(jìn)為牽連運(yùn)動(dòng)，以清秸彈齒旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立固定坐標(biāo)系，軸正方向?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)方向，軸為與機(jī)具前進(jìn)方向垂直平面的水平向左方向。如圖6所示，以彈齒11連線與軸正方向重合為彈齒接觸地表秸稈起點(diǎn)，不考慮彈齒在秸稈及地表作用下的變形，對(duì)彈齒齒尖沿平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

如圖6所示，清秸彈齒自11連線點(diǎn)開始接觸并撥動(dòng)地面最上層秸稈；自22連線開始接觸地地面，當(dāng)清秸彈齒到達(dá)33連線位置時(shí)齒尖開始脫離地面，越過44連線后彈齒脫離秸稈上表面。清秸彈齒作業(yè)過程中，22至33過程中清秸彈齒始終壓緊地面，此區(qū)間為清秸彈齒主要清秸作業(yè)區(qū)域；清秸彈齒越過44連線后秸稈在自身重力及慣性力作用下開始脫離清秸彈齒，并沿清秸彈齒絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒔斩捤χ敛シN帶一側(cè)的擋簾機(jī)構(gòu)上，相鄰清秸彈齒依次入土清理地表秸稈。

清秸彈齒齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

注：O為清秸彈齒回轉(zhuǎn)中心；Vj為機(jī)組前進(jìn)速度，m·s-1；r為清秸彈齒外齒回轉(zhuǎn)半徑，m；H為單個(gè)清秸彈齒進(jìn)距，m；γ為相鄰彈齒間安裝夾角，(°)；M1、M4、N1、N4為清秸彈齒齒尖位置。

相鄰清秸彈齒齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

式中為時(shí)間，s。

單個(gè)清秸彈齒前進(jìn)距離

式中為清秸彈齒安裝個(gè)數(shù)；為清秸彈齒轉(zhuǎn)速，r/min。

通過圖6分析可知，清秸作業(yè)過程中在內(nèi)齒與外齒共同作用下將彈齒間及內(nèi)齒與外齒兩側(cè)秸稈清理，為保證相鄰2個(gè)彈齒間不漏清，取彈齒外齒與內(nèi)齒外側(cè)秸稈的清理寬度的最小值/2，因此相鄰彈齒沿地表的運(yùn)動(dòng)軌跡不漏清條件為

由上述分析可知，清秸彈齒在清秸過程中依次撥動(dòng)秸稈在地面形成余擺帶中陰影部分的軌跡，清秸彈齒沿地表運(yùn)動(dòng)軌跡需滿足相鄰彈齒余擺帶軌跡間距小于彈齒寬度，才能保證清秸作業(yè)不產(chǎn)生漏清情況。當(dāng)田間播種播種作業(yè)速度12 km/h，即機(jī)具前進(jìn)速度V為3.3 m/s、彈齒組數(shù)z為6、彈齒間距為60 mm時(shí)，經(jīng)公式（11）、（12）計(jì)算滿足彈齒不漏撥的最低轉(zhuǎn)速為278 r/min，考慮到粉碎后的秸稈之間具有一定的牽連帶動(dòng)作用，因此選取清秸彈齒轉(zhuǎn)速為200～400 r/min。

確定清秸彈齒轉(zhuǎn)速范圍后，結(jié)合免耕播種機(jī)田間播種作業(yè)速度4～12 km/h，當(dāng)清秸彈齒回轉(zhuǎn)半徑為200 mm，內(nèi)齒與外齒間距為60 mm，安裝傾角為20°，秸稈覆蓋厚度及彈齒滲透量一定且初始位置側(cè)偏角為0，理論清秸寬度為200 mm時(shí)，經(jīng)公式（7）計(jì)算得垂直側(cè)向拋秸（=90°）的清秸彈齒安裝偏角為23.6°～81.2°，同時(shí)為防止偏角過大造成的清秸寬度減小，彈齒重復(fù)作業(yè)，最終選定清秸裝置偏角調(diào)節(jié)范圍20°～60°。當(dāng)清秸彈齒偏角固定，播種作業(yè)過程中播種機(jī)作業(yè)速度或清秸彈齒回轉(zhuǎn)速度波動(dòng)時(shí)，拋秸方向隨之改變，以清秸裝置偏角中點(diǎn)40°進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)擋簾機(jī)構(gòu)距離清秸彈齒回轉(zhuǎn)中心距離為200 mm時(shí)，由播種機(jī)作業(yè)速度及清秸彈齒回轉(zhuǎn)速度改變?cè)斐傻慕斩捬厍斑M(jìn)方向前后拋灑覆蓋范圍為237.4 mm，同時(shí)擋簾寬度為300 mm，因此設(shè)置擋簾機(jī)構(gòu)沿機(jī)具前進(jìn)方向前后調(diào)節(jié)范圍為200 mm。

3 土槽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

為精準(zhǔn)控制試驗(yàn)條件，保證試驗(yàn)的有效性，于2020年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行土槽試驗(yàn)，土槽試驗(yàn)車自帶前進(jìn)速度控制系統(tǒng)，主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置通過機(jī)架安裝于試驗(yàn)車后方懸掛點(diǎn)。試驗(yàn)土壤類型為棕壤土，0～100 mm土壤平均含水率為11.21%，土壤緊實(shí)度447 kPa。對(duì)土槽土壤進(jìn)行旋耕、刮平、鎮(zhèn)壓后將粉碎后秸稈均勻鋪放于土槽上表面試驗(yàn)區(qū)域，秸稈覆蓋厚度80 mm，秸稈覆蓋量3.0 kg/m2。土槽試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如7所示。

試驗(yàn)時(shí)通過土槽試驗(yàn)車控制臺(tái)控制機(jī)組前進(jìn)速度，電機(jī)控制器調(diào)節(jié)清秸彈齒轉(zhuǎn)速，高度與傾角調(diào)節(jié)拉桿調(diào)節(jié)清秸彈齒滲透量。為保證試驗(yàn)條件的一致性，每次試驗(yàn)結(jié)束后將土槽上表秸稈清理同時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行刮平鎮(zhèn)壓處理后重新鋪放相同厚度的新秸稈。試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度10 m，前部預(yù)留5 m試驗(yàn)車加速區(qū)，保證試驗(yàn)車達(dá)到設(shè)定速度。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于免耕作業(yè)機(jī)具清秸效果的測(cè)定主要通過種帶清秸率來確定[17,25]。結(jié)合東北地區(qū)玉米免耕播種作業(yè)需求，土槽試驗(yàn)中通過稱量作業(yè)前后20 cm寬50 cm長(zhǎng)播種帶內(nèi)地表及混埋秸稈質(zhì)量的變化對(duì)清秸裝置種帶清秸率進(jìn)行計(jì)算：

式中為種帶清秸率，%；1為清秸作業(yè)后播種帶內(nèi)地表及混埋秸稈質(zhì)量，g；為清秸作業(yè)前鋪放秸稈質(zhì)量，g。

3.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

3.3.1 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析確定影響作業(yè)質(zhì)量的因素為機(jī)組前進(jìn)速度、清秸彈齒轉(zhuǎn)速與滲透量。因此選取機(jī)組前進(jìn)速度，彈齒轉(zhuǎn)速，彈齒滲透量為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，根據(jù)播種作業(yè)速度與土槽試驗(yàn)車最大前進(jìn)速度選定清秸裝置作業(yè)速度為1～2 m/s，通過前期預(yù)試驗(yàn)及理論分析中不漏撥條件選定清秸彈齒轉(zhuǎn)速范圍為200～400 r/min，清秸彈齒滲透量范圍0～40 mm。通過土槽試驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)影響因素進(jìn)行顯著性分析，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[26]。試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.3.2 回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

利用Design Expert 10.0.7 軟件[27]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到清秸率的回歸方程見式（14），并檢驗(yàn)其顯著性。

注：中心點(diǎn)的試驗(yàn)次數(shù)為9次。

Note: Number of tests for the center point is 9 times.

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，剔除不顯著因素后的清秸率方差分析如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O顯著（<0.01）。主因素中滲透量與轉(zhuǎn)速對(duì)清秸率影響極顯著（<0.01），前進(jìn)速度對(duì)清秸率影響較顯著（0.05<<0.1）；二次項(xiàng)中滲透量對(duì)清秸率影響極顯著（<0.01）；交互項(xiàng)中轉(zhuǎn)速與滲透量對(duì)清秸率影響極顯著（<0.01），前進(jìn)速度與滲透量對(duì)清秸率的影響較顯著（0.05<<0.1）；各因素對(duì)清秸率的影響主次順序?yàn)?、2、1。將不顯著因素并入殘茬項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，得到各因素與指標(biāo)間回歸模型為

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，>0.1，說明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過Design Expert 10.0.7 軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，得出因素間的較顯著與極顯著交互作用對(duì)清秸率影響的響應(yīng)曲面，如圖8所示。

表3 清秸率方差分析

由圖8a可知，對(duì)于前進(jìn)速度，初始階段隨著前進(jìn)速度的增大清秸率顯著降低；但隨彈齒滲透量繼續(xù)增大，前進(jìn)速度對(duì)清秸率的影響減弱，當(dāng)清茬彈齒滲透量大于34.6 mm時(shí)，前進(jìn)速度的增大有利于清秸率的進(jìn)一步提高。原因在于初始階段增加前進(jìn)速度增大，單個(gè)彈齒進(jìn)距，同時(shí)彈齒滲透量較小時(shí)秸稈之間相互牽連作用較弱，出現(xiàn)漏清現(xiàn)象；當(dāng)彈齒滲透量大于34.6 mm時(shí)，限制清秸率的主要因素為彈齒拋秸性能，隨著前進(jìn)速度增大，秸稈拋秸角度側(cè)移，清秸率提高。對(duì)于彈齒滲透量，初始階段隨著彈齒滲透量的增大清秸率呈先升高后降低的趨勢(shì)。原因在于初始階段隨著彈齒滲透量增大，清秸彈齒對(duì)地表壓力增大，秸稈牽連作用增強(qiáng)，有利于撥茬作業(yè)；但彈齒滲透量繼續(xù)增大，清秸彈齒與地表接地面積增大，清秸彈齒拋秸性能降低，出現(xiàn)將秸稈回拋至已清理播種帶現(xiàn)象。

如圖8b可知，對(duì)于彈齒轉(zhuǎn)速，初始階段隨著彈齒轉(zhuǎn)速的增大，單個(gè)彈齒進(jìn)距減小，清秸率呈顯著增加趨勢(shì)；但隨著彈齒滲透量的增加，彈齒轉(zhuǎn)速對(duì)清秸率的影響減弱甚至出現(xiàn)負(fù)增益現(xiàn)象。原因在于彈齒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，秸稈牽連作用較弱，隨著彈齒滲透量的增大秸稈脫離彈齒方向角改變，擋簾機(jī)構(gòu)不能完全承接秸稈，彈齒對(duì)秸稈摩擦力增大，出現(xiàn)彈齒無法順利脫茬，回拋至已經(jīng)清理種帶現(xiàn)象。

3.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為獲得主動(dòng)旋轉(zhuǎn)清秸裝置最佳作業(yè)參數(shù)，利用Design Expert 10.0.7優(yōu)化模塊對(duì)回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解，根據(jù)實(shí)際作業(yè)及相關(guān)理論選擇優(yōu)化約束條件[26,28]、目標(biāo)及約束函數(shù)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

4.2 試驗(yàn)方法

加工試制主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置，根據(jù)優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為1.4 m/s，清秸彈齒轉(zhuǎn)速為400 r/min，彈齒滲透量為19 mm。清秸裝置安裝于2BMF-2型牽引式玉米免耕施肥播種機(jī)左側(cè)播種單體缺口圓盤側(cè)深施肥開溝器前方，為避免播種機(jī)自帶清秸裝置及缺口圓盤對(duì)清秸率的影響，將播種機(jī)前進(jìn)方向左側(cè)自帶輪指式清秸裝置清秸裝置摘除，同時(shí)減小缺口圓盤入土深度，避免其對(duì)清秸率的影響，田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

表4 田間試驗(yàn)主要參數(shù)

田間試驗(yàn)過程中根據(jù)GB/T20856-2017《免（少）耕播種機(jī)》及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機(jī)鑒定推廣總站免耕播種機(jī)性能檢測(cè)要求對(duì)播種機(jī)通過性進(jìn)行測(cè)試；驅(qū)動(dòng)電機(jī)與功率計(jì)串聯(lián)安裝，采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)作業(yè)過程中電壓電流，實(shí)時(shí)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)作業(yè)功耗。試驗(yàn)當(dāng)天通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)域隨機(jī)取樣測(cè)量田間平均秸稈覆蓋量，試驗(yàn)共進(jìn)行3組，每組試驗(yàn)結(jié)束后在作業(yè)區(qū)域取樣3次，共計(jì)取樣9次，每組試驗(yàn)拖拉機(jī)前進(jìn)距離為40 m，試驗(yàn)區(qū)中部20 m寬度為試驗(yàn)采樣區(qū)，對(duì)以播種帶為中心20 cm寬度，50 cm長(zhǎng)度范圍內(nèi)殘留在播種帶上的秸稈進(jìn)行稱量，通過公式（12）計(jì)算種帶清秸率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，安裝有主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置的播種機(jī)作業(yè)順暢，未發(fā)生秸稈壅堵及纏繞情況，機(jī)具通過性顯著提高。作業(yè)后播種帶上的秸稈分布變化情況如圖10所示。

20 cm寬度種帶清秸率及單行作業(yè)功率試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。清秸裝置20 cm寬度種帶平均清秸率98.3%，單行平均作業(yè)功率為605 W。

表5 清秸率及作業(yè)功率測(cè)定結(jié)果

綜上分析可知，清秸裝置清秸率田間試驗(yàn)性能與土槽試驗(yàn)結(jié)果基本一致，作業(yè)后種帶內(nèi)秸稈在摟草彈齒的作用下清理至播種機(jī)兩側(cè)，播種機(jī)中部非播種區(qū)域根茬行殘留少量秸稈。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈全量粉碎還田條件下，主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置對(duì)地表秸稈的清理效果顯著，在最優(yōu)作業(yè)速度1.4 m/s，播種作業(yè)行距60 cm，清秸寬度20 cm條件下，單個(gè)清秸裝置作業(yè)效率0.3 hm2/h，相較于主動(dòng)條帶旋耕式清秸裝置[16-17]作業(yè)功耗降低67.5%，清秸率提高8.14%，相較于現(xiàn)有商品化被動(dòng)輪指式清秸裝置[25]提高26%。機(jī)具通過性良好，作業(yè)后種床滿足東北地區(qū)玉米免耕播種作業(yè)農(nóng)藝和技術(shù)要求。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)一種有效結(jié)合被動(dòng)式與主動(dòng)式清秸裝置優(yōu)點(diǎn)的免耕播種機(jī)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置，通過驅(qū)動(dòng)清秸彈齒旋轉(zhuǎn)將秸稈清理至非種帶，有效解決了被動(dòng)式清秸裝置清秸率低的問題。

2）確定影響主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置作業(yè)性能的主要參數(shù)為機(jī)組前進(jìn)速度、清秸彈齒轉(zhuǎn)速與滲透量，以清秸率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)各影響因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合土槽試驗(yàn)，得出清秸彈齒最優(yōu)參數(shù)組合：機(jī)組前進(jìn)速度1.4 m/s，清秸彈齒轉(zhuǎn)速400 r/min，彈齒滲透量19 mm。

3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置清秸效果顯著，在20 cm清秸寬度下種帶清秸率為98.3%，平均作業(yè)功率為605 W，種帶清秸率與土槽試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

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Design and experiment of active rotating collective straw-cleaner

Cao Xinpeng, Wang Qingjie, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun, Yu Changchang

(1,,100083,; 2.,,,100083,)

Straw mulching has been the essential component of conservation tillage to prevent wind-water erosion and degradation of soil, while improving soil fertility and drought resistance. However, a low cleaning rate of straw often occurs in the current passive straw cutting/cleaning for the seed belt in Northeast China. In an active straw cleaner, there is excessive soil disturbance with the mixed burial of straw and soil damage to the moisture, thereby reducing the emergence rate in no-tillage maize seeding. In this study, an active rotating collective straw-cleaner was designed to solve the existing problems in straw mulching for no-tillage agriculture. The straw-cleaner was mainly composed of the spring teeth of straw cleaning, frame of spring teeth, drive motor, adjustment rod of height and inclined angle, adjustment plate of deflection angle, and curtain component. Six spring teeth were included in a straw-cleaner, where the tooth pitch of spring teeth was 60 mm, and the angle to the ground was 45°. The spring teeth were installed on the same rotating plane through the mounting frame. Specifically, the maximum gyration radius of the spring tooth was 200 mm, while the forward inclination angle was 20°, and the adjustment range of the slip angle was 20°-60°. The motor drove the spring tooth during the seeding. The spring tooth first penetrated to the soil from the side of the seeding belt, and then threw the straw to the other side along the tangent direction to the curtain component. A quadratic regression rotation orthogonal test was carried out to determine the optimal parameter combination, where the unit forward speed, the rotate speed, and penetration length of spring tooth were selected as determinants with the cleaning rate of straw as the performance index. A regression model was established for the test indicators and influencing factors of straw cleaning. A soil-bin test showed that the cleaning rate of straw was significantly reduced with the increase of forward speed in the initial stage, but the effect of forward speed on the straw cleaning was weakening with the increase in penetration length of the spring tooth. The forward speed contributed to the further improvement of the cleaning rate till greater than a critical value. The cleaning rate of straw increased first and then decreased as the penetration length of the spring teeth increased. The step distance of a single spring tooth decreased, whereas, the cleaning rate of straw showed a significant increase in the initial stage when the rotate speed of the spring tooth increased. However, the rotate speed of the spring tooth showed a relatively weak effect, even to limit the further improvement of cleaning rate, as the penetration length increased. An optimal combination of parameters was achieved for the best performance of the device in the Design-Expert 10.0.7, where the unit forward speed was 1.4 m/s, the rotate speed was 400 r/min, and the penetration length of the spring tooth was 19 mm. Field experiments demonstrated that the cleaning rate of straw for the 20 cm wide belts was 98.3%, and the working power was 605 W under the optimal combination of parameters, indicating a high agronomic requirement of no-tillage maize seeding in Northeast China. This finding can provide insightful technical support to the straw cleaning device for no-tillage machines.

design; experiments; mechanization; no-tillage planter; row cleaners; straw cleaning rate

曹鑫鵬，王慶杰，李洪文，等. 主動(dòng)旋轉(zhuǎn)集行式清秸裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(6)：26-34. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.004 http://www.tcsae.org

Cao Xinpeng, Wang Qingjie, Li Hongwen, et al. Design and experiment of active rotating collective straw-cleaner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 26-34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.004 http://www.tcsae.org

2020-10-01

2021-01-13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200600)

曹鑫鵬，博士生，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作技術(shù)與裝備。Email：caoxinpeng@cau.edu.cn

王慶杰，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作技術(shù)與裝備。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.004

S223.2

A

1002-6819(2021)-06-0026-09