油菜精量聯(lián)合直播機(jī)覆秸裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖宜濤 李玥賓 廖慶喜 樊 偉 高麗萍 陳 慧

(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

油菜是我國(guó)重要的油料作物，兼具飼料、綠肥、食用菜薹、觀花旅游等多用途發(fā)展?jié)摿1-2]。在我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，油菜種植模式一般為稻油輪作。在前茬水稻收獲后，接茬油菜種植采用精量聯(lián)合直播方式，一次性完成油菜種植所有工序[3-4]，從而實(shí)現(xiàn)油菜輕簡(jiǎn)化栽培，具有輕簡(jiǎn)高效、節(jié)本增效等顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到廣泛推廣應(yīng)用。在長(zhǎng)期研究與生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，隨著水稻產(chǎn)量的逐年增加，水稻收獲后秸稈殘留量大，且稻茬田土壤黏重板結(jié)，在秸稈禁燒的背景下，聯(lián)合直播作業(yè)機(jī)具易出現(xiàn)觸土工作部件纏繞壅堵、種子落在秸稈上難以出苗等問(wèn)題[5]。稻茬田油菜直播時(shí)對(duì)前茬秸稈處理成為亟待解決的問(wèn)題。

目前，對(duì)秸稈處理有離田和還田兩種方式。離田處理采用撿拾打捆機(jī)械將農(nóng)作物收獲后的秸稈收集、打捆、外運(yùn)[6-7]；還田處理是將秸稈留田、自然腐解入土，主要包括混埋還田、溝埋還田、留高茬還田和覆蓋還田等方式，還田處理可以改良土壤理化特性、增加土壤中養(yǎng)分含量、提高土壤生物活性[8-10]。

覆蓋還田是秸稈還田處理的有效方式，其工藝是作物收獲后秸稈直接覆蓋在土壤表面，讓其自然風(fēng)化分解。覆蓋還田不僅能夠抑制土壤風(fēng)蝕、吸收自然降水、降低土壤中水分蒸發(fā)速度，從而提高土壤含水率[11-12]，而且秸稈腐爛后可以增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤固氮能力[13-15]。將秸稈覆蓋在播種后的廂面上，可以有效改良土壤結(jié)構(gòu)，在促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)還能抑制雜草生長(zhǎng)，是一種蓄水、保墑、增產(chǎn)的農(nóng)藝措施[16-18]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同作物種植及前茬秸稈覆蓋還田的相關(guān)技術(shù)裝備進(jìn)行了研究。如國(guó)外種植玉米、大豆時(shí)通常將秸稈覆蓋還田，與少免耕等耕作方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作，并開(kāi)發(fā)了秸稈殘茬處理、淺旋淺耕、少免耕以及深松等作業(yè)機(jī)具[19-22]。在國(guó)內(nèi)，王漢羊等[23]針對(duì)麥茬地大豆種植區(qū)研制了2BMFJ-3型麥茬地免耕覆秸大豆精密播種機(jī)，顧峰瑋等[24]針對(duì)麥茬地花生種植區(qū)提出了“潔區(qū)播種”思路，并研制了花生免耕播種機(jī)，牛琪等[25]針對(duì)玉米秸稈地小麥種植區(qū)研制了玉米秸稈后覆蓋小麥播種機(jī)，施印炎等[26]針對(duì)稻茬地小麥種植區(qū)設(shè)計(jì)了全量秸稈粉碎條鋪與種帶分型清秸裝置，整機(jī)需配備88.3 kW拖拉機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。

在我國(guó)長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)水旱交替輪作模式下，油菜種植作業(yè)工序多，水稻秸稈質(zhì)地柔軟難以粉碎，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，復(fù)式作業(yè)工作難度大，而油菜種植后進(jìn)行秸稈覆蓋會(huì)提高土壤含水率、增加養(yǎng)分吸收量，從而達(dá)到增產(chǎn)的效果[27]。本文將油菜種植農(nóng)藝要求與秸稈覆蓋還田工藝相結(jié)合，在已推廣應(yīng)用的油菜精量聯(lián)合直播機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與其配套的覆秸裝置，通過(guò)分析工作原理確定覆秸裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)覆秸功能，并與直播機(jī)配合一次性完成秸稈撿拾、堆集、輸送以及旋耕滅茬、開(kāi)畦溝、施肥、播種后覆秸等作業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

稻茬田油菜覆草直播機(jī)主要由配套油菜精量聯(lián)合直播機(jī)的主機(jī)架、主變速箱、旋耕整地裝置、排肥系統(tǒng)、排種系統(tǒng)、開(kāi)畦溝犁、平土板等和覆秸裝置組成；覆秸裝置位于播種機(jī)前端，由前變速箱、彈齒滾筒式撿拾裝置、螺旋輸送裝置、鏈?zhǔn)教嵘b置和秸稈均勻鋪放裝置組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸、掛接，其中彈齒滾筒式撿拾裝置安裝于整機(jī)最前端，安裝位置上下可調(diào)，進(jìn)而控制撿拾高度，螺旋輸送裝置位于機(jī)具兩側(cè)板間，肥箱置于螺旋輸送裝置正上方，兩套鏈?zhǔn)教嵘b置對(duì)稱安裝在機(jī)具兩側(cè)，秸稈均勻鋪放裝置安裝于鏈?zhǔn)教嵘b置出倉(cāng)口處，排種裝置位于機(jī)具后側(cè)；前變速箱置于主機(jī)架前端，旋耕部件位于主變速箱兩側(cè)。油菜覆秸直播機(jī)結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)如圖1、表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

整機(jī)掛接在拖拉機(jī)上，動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力后輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接傳輸至前變速箱，前變速箱將動(dòng)力分兩路，左輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳輸至彈齒撿拾器、螺旋輸送裝置、鏈?zhǔn)教嵘b置及秸稈均勻鋪放裝置，后輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳輸至主變速箱后將動(dòng)力傳輸給旋耕部件。排肥裝置和排種裝置均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)，機(jī)組前進(jìn)，彈齒撿拾器將秸稈拾起向后拋送至螺旋輸送裝置，同時(shí)對(duì)地表進(jìn)行旋耕整地、開(kāi)溝，并進(jìn)行施肥、播種，秸稈經(jīng)螺旋輸送裝置推送到兩側(cè)排草口后，經(jīng)鏈?zhǔn)教嵘b置提起并運(yùn)輸拋出，最后經(jīng)秸稈均勻鋪放裝置均勻地拋撒到地表，覆蓋在播種后的廂面上，完成覆秸作業(yè)。機(jī)具一次性作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)旋耕、滅茬、開(kāi)溝、施肥、播種、秸稈清理覆蓋還田等功能，完成稻茬田油菜種植所有工序。

2 關(guān)鍵環(huán)節(jié)部件設(shè)計(jì)

2.1 拾秸集秸環(huán)節(jié)

秸稈的撿拾、堆集由圖1中的彈齒滾筒式撿拾裝置、螺旋輸送裝置和撿拾高度調(diào)節(jié)裝置組配完成。

2.1.1撿拾裝置基本參數(shù)選擇與物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

彈齒滾筒式撿拾裝置主要由彈齒、曲柄、凸輪滑道、彈齒軸、外殼等組成，是一個(gè)反轉(zhuǎn)后的擺動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)[28]。彈齒在隨撿拾中心軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，隨機(jī)具勻速前進(jìn)，并且受到凸輪滑道內(nèi)壁的控制，相對(duì)于滾筒擺動(dòng)。因此，彈齒在凸輪滑道內(nèi)可以完成撿拾、升舉、卸草、空回4個(gè)階段動(dòng)作[29]。

如圖2所示，內(nèi)部虛線繪制的半徑為R的圓形為彈齒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡，外部虛線繪制的封閉曲線為彈齒端部運(yùn)動(dòng)軌跡，由圓弧段AB、BC、CD，過(guò)渡曲線段DE、KA和直線段EF、FK組成的封閉曲線為撿拾器導(dǎo)向軌道中心線軌跡。結(jié)合當(dāng)前撿拾器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及彈齒擺動(dòng)規(guī)律，綜合考慮彈齒相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，確定各相位角，撿拾階段對(duì)應(yīng)軌道中心線AB段，確定彈齒相位角θ1為90°，升舉階段對(duì)應(yīng)軌道中心線BC段，確定彈齒相位角θ2為90°，卸草階段對(duì)應(yīng)軌道中心線CF段，確定彈齒相位角θ3為110°，空回階段對(duì)應(yīng)軌道中心線FA段，確定彈齒相位角θ4為70°[30]。

撿拾裝置幅寬與機(jī)具設(shè)計(jì)工作幅寬一致，為2 000 mm，彈齒桿上彈齒間距一般在63～100 mm范圍內(nèi)[31]，彈齒排數(shù)一般為3～5排，本文撿拾裝置主要用于撿拾稻茬田秸稈，故彈齒間距選擇65 mm，密齒型，彈齒排數(shù)選擇4排[32]。

水稻秸稈在經(jīng)撿拾、升舉后需在離心力的作用下才能離開(kāi)彈齒桿，從而順利落到螺旋輸送裝置上，為秸稈堆集創(chuàng)造有利條件。在彈齒升舉階段與卸料階段臨界點(diǎn)進(jìn)行秸稈運(yùn)動(dòng)和受力分析，找到秸稈離開(kāi)彈齒桿拋向螺旋輸送裝置的極限條件[33]。

根據(jù)前文對(duì)彈齒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)以及擺動(dòng)分析，得出彈齒拋送秸稈的動(dòng)作應(yīng)在圓弧CD段進(jìn)行，滾輪在軌道中心線CD段滑動(dòng)，此時(shí)彈齒桿跟隨滾筒繞撿拾中心軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)且不發(fā)生相對(duì)擺動(dòng)。因此可以將勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的撿拾器滾筒軸心視為動(dòng)參考系，將勻速前進(jìn)的機(jī)組視為定參考系。將水稻秸稈簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)P，設(shè)為彈齒將水稻秸稈拋出的瞬時(shí)位置，其受力分析如圖2所示。

根據(jù)加速度合成定理，有

(1)

式中aa——絕對(duì)加速度，m/s2

ac——科氏加速度，m/s2

ae——牽連加速度，m/s2

ar——相對(duì)加速度，m/s2

R1——水稻秸稈質(zhì)心P到撿拾裝置軸心O的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m

ω——撿拾滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程在PO方向的投影為

(2)

其中

(3)

彈齒桿上拋出水稻秸稈的條件為

(4)

(5)

式中n1——彈齒撿拾中心軸轉(zhuǎn)速，r/min

v——質(zhì)點(diǎn)P線速度，m/s

N——質(zhì)點(diǎn)P所受彈齒桿支持力，N

G——質(zhì)點(diǎn)P所受重力，N

Ff——質(zhì)點(diǎn)P所受摩擦力，N

μ——水稻秸稈與彈齒桿表面摩擦因數(shù)

g——重力加速度，取9.8 m/s2

α——OP與Y軸夾角，(°)

β——OP與彈齒桿夾角，(°)

m′——質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kg

其中，摩擦因數(shù)μ為已知量，α隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸增大，β為定值，圖2中點(diǎn)C為彈齒桿拋送秸稈臨界位置，根據(jù)前文確定的撿拾裝置基本參數(shù)及撿拾彈齒相位角，取水稻秸稈與彈齒桿表面摩擦因數(shù)μ=0.3[34]，通過(guò)計(jì)算可得n1≥66.9 r/min。

撿拾器彈齒線速度直接影響撿拾效果，其值一般不小于機(jī)具前進(jìn)速度，且秸稈在被拋出離開(kāi)彈齒時(shí)應(yīng)具有一定的初速度，結(jié)合目前成型彈齒滾筒撿拾器參數(shù)，初步設(shè)計(jì)彈齒撿拾中心軸轉(zhuǎn)速n1=80 r/min。

2.1.2集秸裝置基本參數(shù)選擇與物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

根據(jù)拾秸裝置安裝位置以及整機(jī)工作要求，所設(shè)計(jì)的集秸裝置主要由螺旋輸送裝置等組成，如圖3所示。彈齒撿拾裝置向后拋出的秸稈落入螺旋輸送裝置，秸稈經(jīng)兩反向螺旋輸送葉片推動(dòng)，由中間向兩邊排草口輸送。

為保證機(jī)具順暢作業(yè)，螺旋輸送裝置的輸送量必須大于秸稈撿拾喂入量。在水稻聯(lián)合收獲機(jī)工作后的稻茬田試驗(yàn)地表秸稈量為0.9 kg/m2，本機(jī)具有效撿拾幅寬為2 m，機(jī)具田間作業(yè)速度0.7 m/s，經(jīng)計(jì)算，撿拾喂入量q為1.3 kg/s(不考慮漏撿的情況下)。螺旋輸送裝置的輸送量為

(6)

式中Q1——輸送量,kg/s

D——螺旋輸送器葉片外直徑，m

d——螺旋輸送器軸徑，m

S——螺旋輸送器葉片螺距，m

λ——螺旋輸送器葉片與輸送殼體底部間隙，m

ψ——填充系數(shù)，取0.3～0.4

γ——受壓縮的干草體積密度，取40 kg/m3

C——螺旋輸送器傾斜輸送系數(shù)，水平輸送，取1

n2——螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速，r/min

整理可得

Q1=2.1×10-10Sn2[(D-2λ)2-d2]≥q

(7)

(8)

根據(jù)圖4分析可得，螺旋輸送裝置升角α1為arcsin(S/(2πr))，α2為物料與螺旋輸送器葉片摩擦角，物料沿x軸方向運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)速度為vx，與螺旋輸送器葉片表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的圓周速度為vt[35]，計(jì)算式為

(9)

(10)

式中r——物料到螺旋輸送器軸中心的距離，m

f——物料與螺旋輸送器葉片表面摩擦因數(shù)

當(dāng)螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速n2與摩擦因數(shù)f一定時(shí)，在同一位置，葉片螺距越大，則物料運(yùn)動(dòng)速度越大。為了使物料順利水平推送，應(yīng)保證推進(jìn)速度vx大于圓周速度vt，臨界點(diǎn)滿足vx=vt，則螺旋輸送器葉片螺距S與最大外徑D關(guān)系為

(11)

其中農(nóng)業(yè)物料對(duì)鋼的摩擦因數(shù)f一般取0.3～0.6，則

S≤(0.8～1.6)D

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械螺旋輸送標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際設(shè)計(jì)需求，確定螺旋輸送器葉片螺距S為300 mm，葉片外直徑D為300 mm，軸徑d為76 mm；葉片與輸送殼體底部間隙λ為5 mm，則螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速n2≥264 r/min。

螺旋輸送裝置應(yīng)選擇適宜的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)易纏草且會(huì)加劇整機(jī)的振動(dòng)，增加機(jī)具工作時(shí)的不穩(wěn)定性，因此，集秸裝置螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速n2取270 r/min。

2.1.3拾秸集秸環(huán)節(jié)關(guān)鍵部件位置關(guān)系確定

為保證秸稈在經(jīng)過(guò)撿拾后能順暢地被拋向集秸裝置，需要通過(guò)理論計(jì)算確定拾秸裝置與集秸裝置的位置關(guān)系。彈齒撿拾器在安裝時(shí)，為了不損壞彈齒桿，要求彈齒桿端部在運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)位置應(yīng)與地面有一定的高度，撿拾滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈齒桿不與螺旋輸送葉片發(fā)生干涉。

如圖5所示，假設(shè)撿拾滾筒與螺旋輸送器中心軸距D0正好為彈齒桿端部到撿拾滾筒中心的距離L與螺旋輸送葉片半徑R2之和，則

(12)

整理得

式中β1——拾秸裝置安裝角，(°)

β2——撿拾滾筒中心和螺旋輸送器軸中心連線與豎直方向夾角，(°)

h1——彈齒桿端部最低點(diǎn)位置離地高度，m

h2——集秸裝置底板離地高度，m

D1——撿拾器安裝板到滾筒中心距離，m

D2——輸送殼體底部水平距離，m

L、h2、D1、D2、R2、λ為已知量，代入式(12)求解，確定撿拾器離地高度為42 mm，安裝角為8°。

2.2 送秸覆秸環(huán)節(jié)

送秸覆秸環(huán)節(jié)由圖1中的鏈?zhǔn)教嵘b置和秸稈均勻鋪放裝置組配完成。鏈?zhǔn)教嵘b置可將集秸裝置推送到兩側(cè)排草口的秸稈抓起并向后提升輸送，秸稈均勻鋪放裝置在出倉(cāng)口可將秸稈均勻地覆蓋到地表。

2.2.1鏈?zhǔn)教嵘b置基本參數(shù)選擇

兩套鏈?zhǔn)教嵘b置對(duì)稱布置于螺旋輸送裝置兩側(cè)排草口處，結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)輸送倉(cāng)寬度小于1.2 m時(shí)，往往采用雙排鏈輪，根據(jù)本機(jī)空間結(jié)構(gòu)布局，選擇輸送倉(cāng)寬度為0.5 m，因此采用雙排鏈輪。U型耙齒桿固定在鏈條上，隨鏈條運(yùn)動(dòng)且不產(chǎn)生相對(duì)速度，可以將秸稈抓起。

為保證物料輸送過(guò)程中不堵塞，鏈?zhǔn)教嵘b置的輸送量應(yīng)大于螺旋輸送裝置的輸送量，由2.1.2節(jié)可知，鏈?zhǔn)教嵘b置輸送量Q2應(yīng)大于1.3 kg/s，即

(13)

則主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n3為

(14)

式中vL——主動(dòng)鏈輪線速度，m/s

b——輸送倉(cāng)寬度，m

D3——主動(dòng)鏈輪直徑，m

h3——耙齒頂與輸送倉(cāng)底板距離，m

h4——耙齒桿高度，m

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》及本機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，確定耙齒桿高度h4為40 mm，耙齒頂與輸送倉(cāng)底板距離h3為20 mm，主動(dòng)鏈輪直徑D3為119 mm，代入式(14)得鏈?zhǔn)教嵘b置主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n3≥263 r/min，取整，確定鏈?zhǔn)教嵘b置主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n3為270 r/min。

2.2.2秸稈均勻鋪放裝置基本參數(shù)選擇

秸稈經(jīng)提升輸送后能否在播種作業(yè)后的廂面上均勻覆蓋非常重要，若油菜種帶上出現(xiàn)秸稈堆積現(xiàn)象，不僅不利于保墑保溫，而且可能會(huì)悶苗，影響后期出苗。因此設(shè)計(jì)了均勻鋪放裝置以保證秸稈覆蓋還田均勻性。該裝置可視為“開(kāi)放”式螺旋輸送器，結(jié)構(gòu)如圖7所示，螺旋輸送器置于機(jī)具后方鏈?zhǔn)教嵘b置出倉(cāng)口斜下方，兩反向螺旋輸送葉片固定在軸上，可將秸稈由兩側(cè)向中間推送，遮草板既可以避免秸稈回飛，又可以將兩套鏈?zhǔn)教嵘b置固定相連，增加機(jī)具穩(wěn)定性，秸稈可在機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，向后運(yùn)動(dòng)并向中間移動(dòng)，鋪放到地表。

如圖8所示，秸稈在經(jīng)鏈?zhǔn)教嵘b置輸送從出倉(cāng)口拋出時(shí)具有一定的初速度v1，此時(shí)少部分秸稈直接撒落到對(duì)應(yīng)出倉(cāng)口位置的地表，其余部分經(jīng)螺旋輸送器向中間推送，螺旋輸送器為“開(kāi)放”式結(jié)構(gòu)，隨著量的積累，秸稈會(huì)不斷從出草口排出，均勻鋪放到播種后的廂面上。

考慮空氣阻力對(duì)拋出秸稈整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響，空氣阻力與空氣密度、物料運(yùn)動(dòng)速度以及形狀體積等因素有關(guān)，其中在低速情況下，空氣阻力與物料速度一次方成正比[36]。由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律，可得到拋出秸稈斜上拋運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(15)

式中m——拋出秸稈質(zhì)量，kg

x、y——秸稈在t時(shí)刻的軌跡坐標(biāo)值，m

t——秸稈運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

k——空氣阻力系數(shù)，kg/s

vx、vy——秸稈在t時(shí)刻的速度在X、Y軸上的投影，m/s

θ——拋出秸稈軌跡與水平方向夾角，(°)

分離變量，求解方程(15)，得到位移關(guān)系方程為

(16)

秸稈拋出后在t1時(shí)刻，水平方向運(yùn)動(dòng)位移為x1，水平方向的運(yùn)動(dòng)速度為v2，豎直位移達(dá)到H，豎直方向的運(yùn)動(dòng)速度vy為0，之后做平拋運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律，可得到拋出秸稈平拋運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(17)

分離變量，求解方程(17)，得到位移關(guān)系方程為

(18)

根據(jù)前文對(duì)各環(huán)節(jié)工作部件的分析，求出v1為2.6 m/s，拋出秸稈軌跡與水平方向夾角即鏈?zhǔn)教嵘b置相對(duì)機(jī)具安裝傾角θ為10°，可得到t1、v2和H，代入運(yùn)動(dòng)軌跡方程，擬取坐標(biāo)點(diǎn)(150 mm，-100 mm)，確定均勻鋪放裝置安裝位置。秸稈在螺旋輸送裝置上水平推送速度應(yīng)大于相對(duì)滑動(dòng)速度，才會(huì)向中間推送拋撒，而轉(zhuǎn)速過(guò)快，又會(huì)發(fā)生秸稈纏繞，因此根據(jù)秸稈在此位置的瞬時(shí)速度，確定均勻鋪放裝置軸轉(zhuǎn)速范圍為200～350 r/min。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

稻茬田油菜覆秸直播機(jī)采用分路傳動(dòng)系統(tǒng)(圖9)，即撿拾傳動(dòng)系統(tǒng)、秸稈輸送-覆秸傳動(dòng)系統(tǒng)和旋耕整地傳動(dòng)系統(tǒng)。撿拾傳動(dòng)系統(tǒng)由前變速箱、鏈傳動(dòng)和圓柱齒輪傳動(dòng)組成，動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸輸出，經(jīng)前變速箱錐齒輪傳動(dòng)減速后，由左輸出軸經(jīng)鏈傳動(dòng)、圓柱齒輪傳動(dòng)后傳遞給撿拾器。秸稈輸送-覆秸傳動(dòng)系統(tǒng)由前變速箱、鏈傳動(dòng)以及各關(guān)鍵工作部件組成，動(dòng)力從前變速箱左輸出軸經(jīng)鏈傳動(dòng)依次傳遞給螺旋輸送裝置、鏈?zhǔn)教嵘b置和均勻鋪放裝置。旋耕整地傳動(dòng)系統(tǒng)由前變速箱、主變速箱組成，動(dòng)力從拖拉機(jī)后輸出軸輸出，經(jīng)前變速箱后輸出軸輸出，再經(jīng)主變速箱錐齒輪傳動(dòng)傳遞給兩側(cè)旋耕系統(tǒng)。

傳動(dòng)比計(jì)算公式為

(19)

式中i——撿拾傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比

i′——輸送-覆秸傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比

i″——旋耕整地傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比

n——拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min

n4——秸稈均勻鋪放裝置軸轉(zhuǎn)速，r/min

n6——撿拾器過(guò)渡軸轉(zhuǎn)速，r/min

根據(jù)前文分析得，n1=80 r/min，n2=270 r/min，n3=270 r/min，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速n取標(biāo)準(zhǔn)值540 r/min，綜合各關(guān)鍵部件速度要求，合理分配傳動(dòng)比，i=5.386，i1=2，i2=1.91，i3=1.41，i4=2.45，i5=1，i7=1，i8=1，i9=2。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法與測(cè)試指標(biāo)

為驗(yàn)證理論分析確定各環(huán)節(jié)工作部件轉(zhuǎn)速可行性，開(kāi)展性能試驗(yàn)。試驗(yàn)方法和測(cè)試指標(biāo)參照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5160—2010《牧草撿拾器》、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 10395.20—2010《撿拾打捆機(jī)》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 500—2002《秸稈還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量》以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》進(jìn)行，主要測(cè)試指標(biāo)：秸稈輸送順暢穩(wěn)定性(纏草量)、秸稈覆蓋均勻率、秸稈撿拾率與機(jī)組通過(guò)性等，如圖10所示。

3.1.1秸稈輸送順暢穩(wěn)定性

整機(jī)工作部件較多，各傳動(dòng)環(huán)節(jié)連接緊湊，而稻茬田秸稈呈團(tuán)狀且韌性大，容易使旋轉(zhuǎn)部件發(fā)生纏繞和堵塞現(xiàn)象，為測(cè)試覆秸裝置秸稈輸送順暢穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試?yán)p草量。試驗(yàn)在理論設(shè)計(jì)所確定的撿拾滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min、螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和鏈?zhǔn)教嵘b置轉(zhuǎn)速為270 r/min工作參數(shù)下進(jìn)行，試驗(yàn)選用東風(fēng)井關(guān)954型輪式拖拉機(jī)提供動(dòng)力(69.9 kW)，采用人工向集秸裝置兩側(cè)喂草的方式，控制喂入量分別為0.9、1.1、1.3 kg/s，喂入時(shí)間為10 s，每組喂入量下的試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行5次，連續(xù)5次試驗(yàn)之間不清理輸送裝置上纏繞秸稈，相同喂入量試驗(yàn)完成后，清理輸送裝置上纏繞的秸稈再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在均勻覆秸裝置下側(cè)水平地面上鋪一層2 m寬塑料薄膜，每次試驗(yàn)后，將拋撒到塑料薄膜的秸稈稱量，計(jì)算出纏草量，并觀察覆秸裝置各工作部件發(fā)生堵塞的次數(shù)。計(jì)算公式為

W0=W1-W2

(20)

式中W0——纏草量，kg

W1——喂入秸稈總質(zhì)量，kg

W2——拋撒秸稈總質(zhì)量，kg

3.1.2秸稈覆蓋均勻率

均勻鋪放裝置可以將鏈?zhǔn)教嵘b置拋撒后的秸稈由兩側(cè)向中間推送，從而將秸稈鋪放到播種后的廂面上，若其轉(zhuǎn)速較低，推送效果會(huì)較差，轉(zhuǎn)速過(guò)高，容易回帶纏草。為了得到均勻鋪放裝置合理轉(zhuǎn)速，結(jié)合前文理論分析確定的轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速分別為210、240、270、300、330 r/min性能試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。目前，由于秸稈覆蓋均勻性尚無(wú)專門(mén)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 500—2002《秸稈還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，設(shè)計(jì)了秸稈覆蓋均勻性測(cè)試方案：試驗(yàn)選用東風(fēng)井關(guān)954型輪式拖拉機(jī)提供動(dòng)力，采用人工向集秸裝置兩側(cè)喂入的方式，控制喂入量為1.3 kg/s，喂入時(shí)間3 s，則需喂入3.9 kg，結(jié)合3.1.1節(jié)所測(cè)數(shù)據(jù)，考慮纏草量，確定共喂入4 kg，每次每側(cè)在3 s內(nèi)平緩喂入2 kg，在均勻覆入裝置下側(cè)水平地面上鋪一層2 m寬塑料薄膜，等分成寬為500 mm的4個(gè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)區(qū)域內(nèi)的秸稈質(zhì)量，覆蓋均勻率計(jì)算公式為

(21)

式中mi——第i個(gè)區(qū)域內(nèi)覆蓋質(zhì)量，kg

mmax——4個(gè)區(qū)域內(nèi)覆蓋質(zhì)量最大值，kg

mmin——4個(gè)區(qū)域內(nèi)覆蓋質(zhì)量最小值，kg

Fb——秸稈覆蓋均勻率，%

3.1.3秸稈撿拾率與機(jī)組通過(guò)性

以秸稈撿拾率為試驗(yàn)指標(biāo)，在聯(lián)合收獲后的稻茬田，先清理散落秸稈，并保留立茬，按秸稈量0.9 kg/m2均勻布置3個(gè)長(zhǎng)10 m、寬2 m的測(cè)試區(qū)域，并將周?chē)斩捛謇砀蓛?。機(jī)具前進(jìn)速度為0.7 m/s，彈齒撿拾裝置滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min。試驗(yàn)前，將均勻鋪放裝置拆卸，在鏈?zhǔn)教嵘b置出倉(cāng)口處套上帆布袋，收集所有拋出的秸稈稱量并記錄機(jī)具發(fā)生堵塞次數(shù)。計(jì)算秸稈撿拾率，并求3個(gè)區(qū)域的平均值，計(jì)算公式為

(22)

式中Sj——秸稈撿拾率，%

W3——測(cè)試區(qū)域秸稈總質(zhì)量，kg

W4——撿拾秸稈質(zhì)量，kg

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1秸稈輸送順暢穩(wěn)定性

由不同喂入量下測(cè)定的機(jī)具纏草量(圖11)可知，覆秸裝置工作部件出現(xiàn)了纏草，纏草部位主要集中在集秸裝置螺旋輸送器軸兩側(cè)排草口處，但隨著機(jī)具工作時(shí)長(zhǎng)增加，纏草量穩(wěn)定在0.1 kg左右，并存在隨機(jī)波動(dòng)，表明秸稈在工作部件上纏繞累積到一定量后，便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在所有試驗(yàn)過(guò)程中，只有一次試驗(yàn)在集秸裝置兩側(cè)排草口處發(fā)生了輕微堵塞，各關(guān)鍵環(huán)節(jié)部件工作穩(wěn)定，能達(dá)到技術(shù)要求。

3.2.2秸稈覆蓋均勻率

由不同轉(zhuǎn)速下測(cè)定的均勻鋪放裝置秸稈覆蓋均勻率可知，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速小于300 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速每增加30 r/min，覆蓋均勻率提高20%～35%，但是均小于90%，主要是因?yàn)殇伔叛b置轉(zhuǎn)速偏低，秸稈未有效推移，大部分被直接拋撒在鏈?zhǔn)教嵘b置出口處對(duì)應(yīng)區(qū)域；速度越低，兩側(cè)區(qū)域堆集秸稈越多，速度增大后，運(yùn)移到中間區(qū)域的秸稈量增加，覆蓋均勻率提升，當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，覆蓋均勻率最高，超過(guò)92%；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，達(dá)到330 r/min時(shí)，鋪放裝置轉(zhuǎn)速過(guò)快，秸稈被推送到中間區(qū)域較多，導(dǎo)致秸稈不均勻堆集，覆蓋均勻率下降(表2)。

表2 秸稈覆蓋均勻率試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3秸稈撿拾率與機(jī)組通過(guò)性

由表3可知，在秸稈量為0.9 kg/m2工況下，3個(gè)測(cè)試區(qū)內(nèi)秸稈撿拾率均值為92.8%，且每個(gè)測(cè)試區(qū)內(nèi)秸稈撿拾率均大于90%，滿足設(shè)計(jì)要求，符合秸稈撿拾機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組在田間作業(yè)時(shí)，各關(guān)鍵環(huán)節(jié)工作部件未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，通過(guò)性良好。

表3 秸稈撿拾率試驗(yàn)結(jié)果

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證油菜精量聯(lián)合直播機(jī)覆草裝置的作業(yè)效果及整機(jī)工作順暢穩(wěn)定性，于2020年10月在湖北省監(jiān)利市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開(kāi)展田間試驗(yàn)，此試驗(yàn)田塊常年為稻油輪作模式，試驗(yàn)地表為全喂入聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)后稻茬田，試驗(yàn)前未對(duì)地表殘茬作任何清理，秸稈平均留茬高度為427 mm，地表秸稈總量為2.32 kg/m2，地表散落秸稈量為0.92 kg/m2，秸稈含水率為59.63%，土壤為偏黏性土。試驗(yàn)機(jī)具為油菜覆秸直播機(jī)，試驗(yàn)選用東風(fēng)井關(guān)954型輪式拖拉機(jī)。整機(jī)作業(yè)效果如圖12所示。

試驗(yàn)表明，覆秸直播機(jī)在田間試驗(yàn)過(guò)程中，秸稈通過(guò)性能好，各環(huán)節(jié)工作部件作業(yè)穩(wěn)定，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)基本滿足技術(shù)要求。但是均勻鋪放裝置受田間作業(yè)環(huán)境影響以及作業(yè)前田間秸稈分布不均勻，機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，在各旋轉(zhuǎn)部件保持一定轉(zhuǎn)速比下，秸稈拋出時(shí)間不同，導(dǎo)致覆草均勻性降低，后續(xù)需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)前茬稻田秸稈量大，油菜直播作業(yè)時(shí)易發(fā)生纏繞堵塞的問(wèn)題，考慮秸稈覆蓋還田對(duì)作物生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種與已推廣應(yīng)用油菜精量聯(lián)合直播機(jī)配套使用的覆草裝置。覆草直播機(jī)一次作業(yè)可以完成秸稈撿拾、堆集、輸送以及旋耕滅茬、開(kāi)溝、施肥、播種后覆蓋等工序，不僅有效利用了秸稈資源，還可實(shí)現(xiàn)油菜種植栽培技術(shù)輕簡(jiǎn)化。

(2)通過(guò)理論分析確定了關(guān)鍵環(huán)節(jié)工作部件結(jié)構(gòu)參數(shù)、安裝位置與安裝角以及工作轉(zhuǎn)速范圍，在不同喂入量下進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明，覆秸直播機(jī)各工作部件秸稈輸送順暢穩(wěn)定性較好，理論分析確定的轉(zhuǎn)速可靠，符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)撿拾滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min、集秸裝置螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和鏈?zhǔn)教嵘b置轉(zhuǎn)速均為270 r/min時(shí)，機(jī)具作業(yè)順暢，秸稈撿拾率達(dá)到90%以上，符合撿拾機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)均勻鋪放裝置轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，覆蓋均勻率最高，超過(guò)92%。

(3)田間試驗(yàn)表明，覆秸直播機(jī)整機(jī)秸稈通過(guò)性能良好，各環(huán)節(jié)工作部件作業(yè)穩(wěn)定。