水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀優(yōu)化設(shè)計與試驗

王金峰 張 鑫 唐 漢 王金武 翁武雄 楊東澤

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

0 引言

東北地區(qū)是中國水稻種植的主要區(qū)域。目前東北地區(qū)面臨土壤板結(jié)退化，秸稈焚燒污染環(huán)境等問題[1-3]。秸稈還田可以提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)，同時可有效減少農(nóng)田秸稈焚燒，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。但是由于東北地區(qū)特殊的地理環(huán)境，造成了秸稈量大、腐解緩慢的問題，普通旋耕機(jī)作業(yè)后導(dǎo)致秸稈埋入土層較淺，影響后續(xù)插秧工作[6]。根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，秸稈還田率應(yīng)大于85%，還田深度應(yīng)大于18 cm，才能基本滿足秸稈還田腐解要求[7]。

周勇等[8]研制的水田高茬秸稈還田耕整機(jī)采用雙刀輥式螺旋刀，前置刀輥實現(xiàn)秸稈埋覆，后置刀輥實現(xiàn)秸稈的再次壓埋，機(jī)具作業(yè)后能夠滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求，但存在機(jī)具重量過大的問題。王金武團(tuán)隊[6,9]提出一種水稻秸稈深埋還田技術(shù)，機(jī)具采用反旋作業(yè)方式，還田刀從底部開始向上切削土壤，更多的土壤因張力作用而破裂，作業(yè)后可以形成秸稈在下、土壤在上的理想作業(yè)環(huán)境，但存在功耗過大的問題。

本文針對上述問題，擬設(shè)計一種秸稈反旋深埋滑切還田刀，對還田刀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析及優(yōu)化設(shè)計，在保證還田刀拋土能力的同時，增加還田刀的滑切性能，減少纏草現(xiàn)象，降低還田機(jī)作業(yè)時的功率消耗，運用離散元仿真軟件EDEM探究還田刀與土壤-秸稈的作用機(jī)理，對比分析傳統(tǒng)還田刀與滑切還田刀的作業(yè)指標(biāo)，通過田間試驗驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢驗滑切還田刀在高含水率地塊的作業(yè)效果。

1 反旋深埋滑切還田刀結(jié)構(gòu)與工作原理

還田刀作為還田機(jī)的重要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對還田機(jī)的作業(yè)效果和功率消耗有很大影響，圖1為反旋深埋滑切還田刀的正視圖與左視圖。還田刀由側(cè)切部分、正切部分和過渡部分組成，側(cè)切刃與正切刃采用相同的阿基米德螺旋線設(shè)計，保證了側(cè)切刃與正切刃的平滑過渡及刃口的滑切性能，側(cè)切面為平面，主要用于切割破碎土壤，正切面為曲面，采用圓弧曲線設(shè)計，保證了還田刀的拋土能力與更小的切土功耗。還田刀的具體工作原理見文獻(xiàn)[6]，傳統(tǒng)還田刀正切刃先入土，側(cè)切刃后入土，秸稈由正切刃向側(cè)切刃滑動，容易纏繞在刀軸和還田刀柄端位置上，同時還田刀的入土沖擊大、功耗大[10]，反旋深埋滑切還田刀在作業(yè)時側(cè)切刃先入土，正切刃后入土，秸稈由側(cè)切刃向正切刃滑動，不容易造成纏草現(xiàn)象，入土沖擊小，同時刃口設(shè)計為楔形，降低切削阻力，減少切土功耗。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 還田刀刃口曲線設(shè)計

以還田刀的滑切角為主要設(shè)計指標(biāo)，采用阿基米德螺旋線對還田刀刃口曲線進(jìn)行設(shè)計[9-10]。還田刀刃口滑切角定義為刃口曲線任意一點的速度方向與該點法平面之間的夾角[11]。如圖2所示，選取還田刀刃口曲線上一點M為動點進(jìn)行分析，以地面為定參考系，刀輥軸為動參考系，點M繞刀輥軸的勻速圓周運動為相對運動，相對速度vr為點M的圓周速度，牽引運動為刀輥軸沿前進(jìn)方向的勻速直線運動，牽引速度ve為還田機(jī)的前進(jìn)速度，絕對速度va為相對速度vr與牽引速度ve的矢量和。還田刀能夠?qū)⑼寥琅c秸稈順利脫出的滑切角為35°～55°[12]，由于反旋的作業(yè)方式，滑切還田刀的動態(tài)滑切角小于靜態(tài)滑切角[13]，因此要保證反旋深埋滑切還田刀的滑切能力須使動態(tài)滑切角不小于35°。

假設(shè)機(jī)具作業(yè)時刀軸逆時針勻速旋轉(zhuǎn)，機(jī)具勻速向右前進(jìn)。對還田刀刃口動態(tài)滑切角方程進(jìn)行求解，以x軸為起始點進(jìn)行計算，則還田刀刃口曲線上任意一點可由方程表示為

(1)

用向量方程ρ表示刃口曲線上任意一點

ρ=r(φ)sinφi+r(φ)cosφj+z(φ)k

(2)

式中φ——刃口上任意點與x軸夾角，rad

r(φ)——刃口上任意點極徑，mm

根據(jù)定義求解還田刀滑切角方程，需要先求解刃口曲線任意一點的切線方程

T=dρ/dφ=(r′(φ)sinφ+r(φ)cosφ)i+
(r′(φ)cosφ-r(φ)sinφ)j+z′(φ)k

(3)

此切線方程由曲線參數(shù)決定，應(yīng)考慮機(jī)具前進(jìn)速度對滑切角的影響，根據(jù)坐標(biāo)平移與旋轉(zhuǎn)公式得到還田刀跟隨機(jī)具前進(jìn)運動狀態(tài)下的刃口曲線上任一點的矢徑ρ*和切線方程T*為

ρ*=(vet+r(φ)sin(φ+ωt))i+
(r(φ)cos(φ+ωt))j+z(φ)k

(4)

T*=(r′(φ)sin(φ+ωt)+r(φ)cos(φ+ωt))i+
(r′(φ)cos(φ+ωt)-r(φ)sin(φ+ωt))j+z′(φ)k

(5)

式中ω——刀片端點M處角速度，rad/s

t——還田刀運動時間，s

刃口曲線上任一點的速度矢量va為

va=dρ*/dt=(ve+ωr(φ)cos(φ+ωt))i-
ωr(φ)sin(φ+ωt)j

(6)

根據(jù)滑切角的定義得知va和T*之間的夾角為刃口曲線動態(tài)滑切角τ′d的余角，即刃口曲線動態(tài)切割角γ′d，有

cosγ′d=cos(va,T*)=va·T*/(vaT*)

(7)

(8)

令α=φ+ωt，r′=r′(φ)=dr(φ)/dφ，r=r(φ)，z′=z′(φ)=dz(φ)/dφ，將公式(8)代入公式(7)得

(9)

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，某角的正切值與余弦值存在關(guān)系

(10)

將公式(9)代入公式(10)得到動態(tài)切割角γ′d正切值表達(dá)式為

(11)

因此，動態(tài)滑切角τ′d的表達(dá)式為

(12)

當(dāng)z′=0時，式(12)表示的是側(cè)切刃曲線的動態(tài)滑切角τd，即

(13)

當(dāng)還田機(jī)作業(yè)時，刃口曲線上各點的絕對速度va與相對速度vr之間存在一個夾角Δτ，Δτ為滑切還田刀的動態(tài)滑切角與靜態(tài)滑切角的差值，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系

(14)

求解得

(15)

已知還田機(jī)最佳作業(yè)條件為前進(jìn)速度選用低速一擋(1.5 km/h)，刀輥轉(zhuǎn)速選用250 r/min，根據(jù)公式(15)可知：當(dāng)前進(jìn)速度ve越大，刀軸角速度ω越小時，Δτ越大，滑切還田刀的動態(tài)滑切角越小，相反當(dāng)前進(jìn)速度ve越小，刀軸角速度ω越大時，Δτ越小，滑切還田刀的動態(tài)滑切角越大，因此選用前進(jìn)速度為3 km/h，刀輥轉(zhuǎn)速為190 r/min的作業(yè)條件為臨界條件進(jìn)行刃口曲線設(shè)計，保證滑切還田刀在低刀輥轉(zhuǎn)速、高前進(jìn)速度的工況下滿足滑切條件，設(shè)計的阿基米德螺旋方程為

r=2.703 2φ+19

(16)

方程求導(dǎo)得r′=2.703 2 mm/(°)=154.91 mm/rad。

將設(shè)計的側(cè)切刃刃口曲線(式(16))代入公式(13)、(15)進(jìn)行求解，考慮秸稈深埋還田時對耕深的要求，選取還田刀側(cè)切刃起始點位置r為126.7 mm，終點位置r為196.5 mm，從中按比例選取8個點求解，如表1所示。

表1 側(cè)切刃各角度計算值Tab.1 Calculated values of various angles of side cutting edge

由計算結(jié)果可知，所設(shè)計的側(cè)切刃動態(tài)滑切角由刀柄部至刀端部逐漸增大，側(cè)切刃起點位置的滑切角略小于35°，已知刀盤半徑為120 mm，在實際工作過程中可認(rèn)為側(cè)切刃起始點位置并不切割土壤，其余各位置均滿足還田刀的滑切條件。

2.2 還田刀正切面設(shè)計

傳統(tǒng)還田刀多采用平面正切面，此類型正切面不能兼顧切土與拋土能力，采用曲面設(shè)計正切面可以解決此問題，使用曲母線構(gòu)造正切面，可用圓弧作為正切面母線[14]。

如圖3所示，設(shè)正切刃上任意一點坐標(biāo)為(x，y，z)，圓弧母線的圓心坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，圓弧半徑為rθ，在任意平行于側(cè)切刃的切面內(nèi)，圓弧母線方程為

(17)

圓弧圓心坐標(biāo)為

(18)

式中η——正切刃任意點切線與y軸夾角

由圖3得各角度之間存在關(guān)系

(19)

式中ψ——正切刃任意點處的安裝角

將式(1)、(18)、(19)代入式(17)得

X2+Y2-2r(φ)rθcos(2φ-ψ)-
2x(r(φ)sinφ+rθsin(φ-ψ))-

2Y(r(φ)cosφ-rθcos(φ-ψ))+r2(φ)=0

(20)

式(20)為還田刀正切面圓弧母線方程，為保證還田刀側(cè)切刃與正切刃的滑切性能與平滑過渡，防止刃口曲線曲率突變導(dǎo)致還田刀滑切性能降低出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，正切刃使用與側(cè)切刃相同的阿基米德螺旋線進(jìn)行設(shè)計，正切面的設(shè)計要求為：保證還田刀拋土性能的同時減少還田刀切土功耗。還田刀的耕寬由正切面決定，耕寬過小還田刀拋土性能降低，嚴(yán)重時會造成漏耕現(xiàn)象，耕寬過大還田刀拋土性能提高，但不利于滑切脫草，增加還田刀作業(yè)功耗，已知還田機(jī)兩刀盤之間的距離為242 mm，為探究不同圓弧半徑與耕寬的關(guān)系，首先選取rθ為50、60、70、80、90 mm 5種情況對還田刀耕寬進(jìn)行計算分析，確定圓弧半徑范圍。耕寬分別為113.0、111.4、105.0、86.6、80.9 mm。隨著rθ增大耕寬逐漸減小，由于土壤之間的黏結(jié)作用，還田刀在高速轉(zhuǎn)動過程中左側(cè)還田刀與右側(cè)還田刀之間可預(yù)留10～20 mm距離，可以在保證還田刀拋土能力的同時為秸稈和土壤滑脫出還田刀提供一定的空間，因此理想的還田刀耕寬為111～116 mm，選擇rθ為50 mm或60 mm，且最大不超過60 mm。

正切面安裝角為正切面的主要參數(shù)之一，安裝角越大切土阻力越小，但拋土、覆蓋能力變差[15]，為進(jìn)一步確定rθ的取值，對還田刀正切面安裝角進(jìn)行分析，使用Creo 5.0軟件對兩種不同rθ的還田刀正切面安裝角進(jìn)行測量，rθ=60 mm時的數(shù)據(jù)記為A組，rθ=50 mm時的數(shù)據(jù)記為B組，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種圓弧半徑的滑切還田刀正切面安裝角測量結(jié)果Tab.2 Measurement results of installation angle tangent section of two kinds of slip-cutting straw returning blade with arc radius

由表2可以得出，兩種不同半徑的圓弧母線測量的刃口極徑基本一致，圓弧母線半徑為60 mm時的安裝角普遍大于圓弧母線半徑為50 mm時的安裝角，在允許最大安裝角的范圍內(nèi)，安裝角越大還田刀的功耗越小[15]，在Z軸坐標(biāo)值由0過渡至80 mm過程中，兩種不同半徑的圓弧母線安裝角變化幅度不大，變化規(guī)律都是先增大后減小，rθ=60 mm時，安裝角最大為42.4°，最小為39.2°，rθ=50 mm時，安裝角最大為41.8°，最小為39.1°，說明兩種不同半徑的圓弧母線正切面在前段和中段基本一致，不能作為選擇依據(jù)，但在80 mm過渡至90 mm過程中，ψA由41.5°變化至40.8°，降低0.7°，ψB由40.3°變化至33.7°，降低6.6°，分析原因為：在還田刀長度確定的情況下，圓弧半徑過小會導(dǎo)致還田刀正切面末段回轉(zhuǎn)過大，此情況下還田刀正切面形成U型，不利于還田刀拋出土壤，更不利于秸稈從正切刃滑出，增大了切土阻力，不利于秸稈還田，綜上所述選擇圓弧母線半徑為60 mm設(shè)計正切面，此時正切面滿足耕寬要求，且正切面安裝角較大，切土功耗最小，在保證還田刀拋土能力的同時最大限度地降低切土功耗。

3 離散元模型建立與仿真分析

濕黏水稻土的還田刀-土壤-秸稈互作規(guī)律比較復(fù)雜，可通過離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真分析[16]，以還田刀作業(yè)時的功耗和秸稈還田率為主要評價指標(biāo)，結(jié)合多因素試驗分析影響還田刀作業(yè)功耗的主要因素，為后續(xù)田間試驗驗證奠定基礎(chǔ)。

3.1 還田刀模型建立

使用Creo 5.0軟件建立還田刀及刀盤三維模型(比例1∶1)，為了簡化仿真計算量，以.step格式導(dǎo)入EDEM軟件，選用merge命令使模型為一個整體[17]，如圖4所示。設(shè)置還田刀及刀盤模型材料屬性為65Mn鋼，泊松比為0.35，剪切模量為7.8×1010Pa，密度為7 850 kg/m3[18]。

3.2 土壤模型建立

土壤顆粒的大小和形狀比較復(fù)雜，為了簡化仿真計算量和時間，在保證仿真可靠性前提下，采用半徑為5 mm的球形顆粒模擬土壤顆粒[19-21]。

由于濕黏土壤的黏結(jié)力比較大，選用Hertz-Mindlin with bonding接觸模型模擬土壤顆粒間、土壤顆粒與還田刀、土壤顆粒與秸稈顆粒的黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎等關(guān)系[22-24]，該顆粒接觸模型具有5個參數(shù)，分別是：黏結(jié)法向剛度sn與黏結(jié)切向剛度sτ、黏結(jié)法向臨界應(yīng)力σmax與黏結(jié)切向臨界應(yīng)力τmax及顆粒黏結(jié)半徑Rb，合理設(shè)置5個參數(shù)可以模擬水稻土壤黏性特征[25-26]，取sn=sτ，σmax=τmax，可以簡化參數(shù)標(biāo)定[26-27]，取黏結(jié)切向剛度為5×107N/m3[25-26]，以土壤宏觀剪切、壓縮破壞強(qiáng)度為參考，確定耕作層、底層土壤顆粒黏結(jié)強(qiáng)度的臨界應(yīng)力分別為3×105Pa和5×105Pa[25-26]，土壤顆粒黏結(jié)半徑由土壤的含水率和密度計算得出，為了進(jìn)一步模擬真實土壤環(huán)境，設(shè)置土槽尺寸為1 000 mm×500 mm×400 mm，0～150 mm為土壤耕作層，150～300 mm為土壤底層[28]，仿真參數(shù)見表3[16-18,20-21]。

表3 土壤及還田刀離散元模型接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameters of discrete element model of soil and straw returning blade

3.3 秸稈模型建立

建立柔性秸稈模型較為復(fù)雜[29]，在水稻收獲機(jī)收獲后，秸稈多被粉碎為100 mm以下的小段秸稈，還田刀多數(shù)情況下對秸稈形成擾動作用而不是切割[29]，故采用13個直徑為5 mm、球心間隔為4 mm的秸稈顆粒組成長53 mm的秸稈模型，根據(jù)實際收獲機(jī)收獲后地表秸稈覆蓋量為336～353 g/m2，設(shè)置秸稈顆粒生成數(shù)量，具體仿真參數(shù)見表4[30]。

表4 秸稈離散元模型接觸參數(shù)Tab.4 Contact parameters of straw discrete element model

圖5a為EDEM建立的仿真土槽及秸稈模型，由上至下依次為秸稈層、耕作層和底層，圖5b為土壤顆粒間bond鍵。

3.4 虛擬仿真過程及結(jié)果分析

在虛擬作業(yè)過程中，設(shè)置滑切還田刀從土槽左側(cè)以1.5 km/h的速度勻速向右前進(jìn)，以250 r/min

的轉(zhuǎn)速勻速反旋切割土壤，設(shè)置固定時間步長為5.76×10-5s，即Rayleigh時間步長的10%，單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為顆粒平均半徑的3倍，總仿真時長15 s，每0.01 s保存一次仿真數(shù)據(jù)[18]。

選取14.01 s時仿真結(jié)果，對底層土壤顆粒運動進(jìn)行分析，將土壤顆粒分為4個區(qū)域，如圖6所示，將土壤顆粒按速度分為3個等級，3.75×10-14～0.7 m/s為低速顆粒，0.7～2.1 m/s為中速顆粒，2.1～3.5 m/s為高速顆粒，以網(wǎng)格劃分土壤顆粒并分別計算各等級顆粒數(shù)量為243、1 403、745。

對區(qū)域1顆粒運動趨勢進(jìn)行分析，如圖7a所示，底層土壤顆粒受還田刀作用后，有向各個方向的運動趨勢，多數(shù)顆粒向還田機(jī)前方運動，這些顆粒落地后造成還田機(jī)前方壅土，還田刀會重復(fù)切削此區(qū)域顆粒導(dǎo)致功耗增加，因此該區(qū)域顆粒越少越有利于還田機(jī)作業(yè)功耗的降低。

如圖7b所示，區(qū)域2顆粒為還田刀邊緣的土壤顆粒，在加速過程中提前脫離還田刀后，有向前和向下的運動趨勢，向前運動的土壤顆粒撞擊罩殼后，一部分黏附在罩殼上，另一部分被反彈后與向下運動的土壤顆粒落于還田機(jī)前方形成壅土，因此合理設(shè)計前罩殼曲線可以在一定程度上減少機(jī)具前方壅土現(xiàn)象，達(dá)到降低功耗的目的。

如圖7c所示，區(qū)域3土壤顆粒受還田刀正切面摩擦力作用先加速至與還田刀速度相同，后隨還田刀一起勻速運動，土壤顆粒速度較大，具有向上和向后運動的趨勢，此區(qū)域土壤顆粒越多說明滑切還田刀的拋土性能越好。

如圖7d所示，區(qū)域4土壤顆粒的運動可近似為拋物線運動，在運動過程中，較輕的秸稈顆粒動能小，先于土壤落下，土壤顆粒覆蓋在秸稈上，以此實現(xiàn)秸稈的深埋還田。

圖8為耕作層土壤顆粒仿真結(jié)果，按上述分區(qū)方法對耕作層土壤進(jìn)行分析，土壤顆粒的運動趨勢與底層土壤顆粒基本一致。

計算各個區(qū)域土壤顆粒數(shù)量及不同速度土壤顆粒比例，如圖9所示。將區(qū)域1和區(qū)域2土壤顆粒數(shù)所占耕作區(qū)總土壤顆粒數(shù)的比例稱為壅土比例，為26.7%，此部分土壤顆粒所占比例越低，還田機(jī)因重復(fù)切削所消耗的功耗越低；將區(qū)域3和區(qū)域4土壤顆粒所占耕作區(qū)總土壤顆粒數(shù)的比例稱為拋土比例，為73.3%，此部分土壤顆粒所占比例越高，還田機(jī)拋土性能越好。以壅土比例和拋土比例作為衡量還田刀作業(yè)效果的指標(biāo)之一。

如圖10，以秸稈還田率為衡量還田刀作業(yè)效果的另一指標(biāo)，在已耕作區(qū)域?qū)⒙袢胪寥赖慕斩掝w粒標(biāo)記為紅色，計算埋入土壤的秸稈顆粒占耕作區(qū)域總秸稈顆粒數(shù)的比例為95.3%，滿足秸稈還田的作業(yè)指標(biāo)，由圖可以看出，還田機(jī)作業(yè)后，底層土壤與耕作層土壤混合均勻，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高蓄水能力，有利于水稻產(chǎn)量的提高。

導(dǎo)入傳統(tǒng)還田刀模型進(jìn)行仿真對照試驗，14 s時仿真結(jié)果如圖11，分析計算作業(yè)后秸稈還田率為95.8%，統(tǒng)計耕作層與底層的各區(qū)域土壤顆粒數(shù)量并計算拋土比例，結(jié)果如表5。

表5 不同區(qū)域顆粒數(shù)量及比例Tab.5 Number and proportion of particles in different regions

對傳統(tǒng)還田刀與滑切還田刀的作業(yè)功耗進(jìn)行對比分析，導(dǎo)出12～14.5 s還田刀功耗如圖12所示，還田刀功耗呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：12～12.9 s時，還田刀由空轉(zhuǎn)開始切土，還田刀功耗逐漸增大，主要用于側(cè)切刃破碎土壤顆粒和正切面運送土壤顆粒；12.9～13 s時，還田刀功耗呈下降趨勢，分析原因為部分不穩(wěn)定土壤顆粒未加速至與還田刀速度相同而提前拋出，形成區(qū)域1顆粒；13～13.1 s，還田刀做功用于土壤顆粒重力勢能和動能的增加，雖然仍有部分土壤顆粒脫離還田刀形成區(qū)域1和區(qū)域2，但還田刀總體功耗仍然呈增大趨勢，且還田刀功耗逐漸達(dá)到最大值；13.1～13.5 s時，還田刀向后拋送土壤顆粒，大部分土壤顆粒被拋向后方，還田刀功耗迅速減小至最低后開始下一次運送土壤顆粒過程。

仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的秸稈反旋滑切還田刀耕作層土壤顆粒拋土比例為73.3%，底層土壤顆粒拋土比例為74.3%，傳統(tǒng)還田刀耕作層拋土比例為75.6%，底層土壤顆粒拋土比例為76.5%，差值分別為2.3、2.2個百分點，可認(rèn)為兩種還田刀拋土性能基本相同；在相同耕作區(qū)域以紅色表示埋入土壤的秸稈顆粒，以黃色表示未埋入土壤的秸稈顆粒，計算兩種還田刀作業(yè)后還田率分別為95.3%和95.8%，均滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求；計算秸稈反旋滑切還田刀的每秒平均功耗為851.6 J，傳統(tǒng)還田刀的每秒平均功耗為1 041 J，每秒平均功耗降低了18.19%，所設(shè)計的秸稈反旋滑切還田刀在保證還田刀拋土性能的同時，提高了還田刀的滑切性能，降低了還田機(jī)作業(yè)功耗。

3.5 虛擬仿真多因素試驗

影響還田機(jī)作業(yè)功耗的主要因素有：還田機(jī)前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和留茬高度。在其他條件不變的情況下，機(jī)具前進(jìn)速度過大，切土節(jié)距變大，碎土率和地表平整度降低；由于反旋的作業(yè)方式導(dǎo)致刀輥轉(zhuǎn)速過高時，機(jī)具的功耗增大，刀輥轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致向后拋土率降低，機(jī)具前方壅土，重復(fù)切削土壤導(dǎo)致功耗增大；留茬高度過高容易導(dǎo)致機(jī)具刀輥纏草，功耗增大。

為探究影響還田機(jī)作業(yè)功耗的主要因素，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗設(shè)計，根據(jù)拖拉機(jī)實際作業(yè)條件[31]及文獻(xiàn)[6，9]的機(jī)具作業(yè)條件，設(shè)計試驗因素編碼見表6。仿真試驗結(jié)果見表7。

表6 試驗因素編碼Tab.6 Codes of experiment factors

表7 仿真試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.7 Simulation test design and results

運用Design-Expert軟件進(jìn)行分析得到還田機(jī)功耗的二次多項式回歸模型為

Y=98.60+0.04A-0.46B-5.55C-8.16×
10-5A2+1.06×10-3B2+0.55C2+1.39×
10-6AB+1.11×10-4AC+0.02BC

(21)

對回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表8，模型的P值小于0.000 1，表明回歸模型高度顯著，模型失擬項P值為0.584 4，大于0.05，模型的失擬性不顯著，模型擬合程度高；預(yù)測R2(0.828)與調(diào)整R2(0.941 2)差值小于0.2，兩者基本一致，精度測量信噪比為20.712，比率大于4，說明模型具有較高的可靠性。由表中數(shù)據(jù)可知刀輥轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度對還田機(jī)功耗影響極顯著，留茬高度對還田機(jī)功耗影響顯著，影響從大到小依次為：刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、留茬高度。

表8 還田刀功耗二次多項式模型方差分析Tab.8 Analysis of variance of quadratic polynomial model for power consumption of straw returning blade

繪制各因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖。由圖13a可知，在留茬高度為200 mm時，隨著刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度的增加，機(jī)具功耗逐漸增大，刀輥轉(zhuǎn)速的增大速率約為機(jī)具前進(jìn)速度的兩倍。由圖13b可知，在前進(jìn)速度為2.25 km/h，留茬高度在140～260 mm范圍內(nèi)，還田機(jī)功耗隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在刀輥轉(zhuǎn)速較低時，拋土性能降低導(dǎo)致機(jī)具前方壅土，功耗較大，在190～205 r/min范圍內(nèi)隨著刀輥轉(zhuǎn)速的提高，拋土性能提高，功耗減小，在205～250 r/min范圍內(nèi)，功耗隨著刀輥轉(zhuǎn)速的提高逐漸增大，且增大速率逐漸增大，在刀輥轉(zhuǎn)速較高時，留茬高度的變化對機(jī)具功耗的影響較小。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

為檢驗水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀的田間作業(yè)效果，樣刀加工安裝完成后于2020年9月24日在黑龍江省佳木斯市樺川縣玉成農(nóng)場水稻種植基地，以及于2020年10月19日在佳木斯市前進(jìn)鎮(zhèn)前進(jìn)農(nóng)場進(jìn)行了秸稈還田田間試驗。

樺川縣玉成農(nóng)場田間試驗時間較早，屬于提前收獲后直接進(jìn)行秸稈還田作業(yè)，秸稈和土壤含水率較高，其環(huán)境并不適宜進(jìn)行秸稈還田作業(yè)，兩田間試驗地點的作業(yè)環(huán)境及工況條件見表9。兩地田間試驗效果如圖14所示。

表9 作業(yè)環(huán)境及工況條件Tab.9 Working environment and working conditions

根據(jù)NY/T 499—2013《旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，測量并記錄作業(yè)后耕深、還田率及地表平整度，秸稈還田率測試方法為：在未作業(yè)區(qū)域從對角線等間距選取5點作為測量點，每點分別選取1 m2測量，收集地表的秸稈稱量記為M1，M2，…，M5(g)，還田機(jī)作業(yè)后，在已經(jīng)作業(yè)區(qū)域選取相同5點測量地表上秸稈，記為m1，m2，…，m5(g)，還田率ε計算式為

(22)

地表平整度測量方法為：過耕后地表線的最高點，垂直于還田機(jī)前進(jìn)方向作一水平直線為基準(zhǔn)線，選取大于還田機(jī)幅寬的寬度分成10等份，在等分點上作垂線與地表相交并測量各交點至基準(zhǔn)線的距離記為hi，則地表平整度h計算式為

(23)

4.2 結(jié)果與分析

分別記錄兩次田間試驗數(shù)據(jù)并代入式(22)、(23)計算秸稈還田率及平整度，表10為兩試驗地點還田率、平整度和耕深對比。

表10 試驗指標(biāo)對比Tab.10 Comparison of test indexes

前進(jìn)鎮(zhèn)田間試驗的秸稈還田率平均值為89.7%，樺川縣田間試驗的秸稈還田率平均值為87.9%，將田間試驗結(jié)果與EDEM仿真試驗結(jié)果進(jìn)行比較，還田率相對誤差為6.29%和8.42%，分析原因為：在土壤含水率較高時，部分秸稈與土壤混合后很難分離，無法先于土壤落地形成秸稈在下、土壤在上的結(jié)構(gòu)?；谝陨戏治稣J(rèn)為各指標(biāo)相對誤差在允許的范圍內(nèi)，驗證了還田刀設(shè)計及仿真分析的可行性和合理性，實際測量的還田率出現(xiàn)波動，分析原因為收獲時秸稈拋撒不均勻?qū)е虏煌瑴y量點的秸稈覆蓋量不同，在秸稈覆蓋量較大的測量點，還田率較低；另一方面在實際作業(yè)過程中，受田間地塊條件及人為因素等影響，還田機(jī)前進(jìn)速度及刀輥轉(zhuǎn)速會有小幅度變動，從而影響秸稈還田率。

前進(jìn)鎮(zhèn)田間試驗的平整度平均值為2.1 cm，樺川縣田間試驗的平整度平均值為3.7 cm，計算兩組數(shù)據(jù)方差為0.041 6和1.053 6，前進(jìn)鎮(zhèn)的作業(yè)后地表平整度穩(wěn)定性好，分析原因為土壤含水率較低時，機(jī)具的碎土效果好，大塊土壤撞擊擋草柵后先落地，小塊土壤穿過檔草柵后，覆蓋在大塊土壤上，地表平整；土壤含水率較高時，大塊土壤堵塞擋草柵，導(dǎo)致部分小塊土壤無法穿過擋草柵，無法形成大塊土壤在下、小塊土壤在上的結(jié)構(gòu)。

前進(jìn)鎮(zhèn)田間試驗的耕深平均值為18.9 cm，樺川縣田間試驗的耕深平均值為18.8 cm，兩次田間試驗耕深基本一致，方差分別為0.054 4和0.161 6，樺川縣田間試驗耕深穩(wěn)定性相對于前進(jìn)鎮(zhèn)較差，原因為在土壤含水率較高時，拖拉機(jī)下陷嚴(yán)重導(dǎo)致耕深不穩(wěn)定。

由試驗結(jié)果可知：所設(shè)計的深埋滑切還田刀在含水率為25%～30%的地塊作業(yè)時，還田率為87.9%，地表平整度為3.7 cm，耕深為18.8 cm；在含水率為20%～25%地塊作業(yè)時，還田率為89.7%，地表平整度為2.1 cm，耕深為18.9 cm，均滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀，在減輕水稻秸稈全量深埋還田機(jī)作業(yè)時刀輥前方壅土現(xiàn)象的同時，增加了還田刀的滑切能力，每秒平均功耗降低了18.19%。

(2)根據(jù)土壤及秸稈各項物料參數(shù)，運用離散元軟件EDEM建立顆粒模型，并進(jìn)行秸稈深埋還田仿真試驗，分析了土壤拋運規(guī)律，驗證了滑切還田刀的拋土性能和滑切性能，仿真作業(yè)后還田率與傳統(tǒng)還田刀還田率基本一致，對還田刀作業(yè)功耗進(jìn)行分析，正交試驗表明，還田機(jī)功耗受刀輥轉(zhuǎn)速影響最大。

(3)通過田間試驗，對比分析了滑切還田刀在不同含水率地塊的3項作業(yè)指標(biāo)，驗證了滑切還田刀的作業(yè)效果及仿真試驗的可靠性，試驗結(jié)果表明：在土壤含水率為20%～30%，地表秸稈覆蓋量為336 ～353 g/m2，拖拉機(jī)作業(yè)速度為低速一擋(1.5 km/h)，刀輥轉(zhuǎn)速為250 r/min時，秸稈深埋滑切還田刀作業(yè)后，平均耕深為18 cm左右，還田率為87.9%～89.7%，地表平整度為2.1～3.7 cm，作業(yè)指標(biāo)均滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求。