玉米免耕分段式播種開溝器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

竇金蓮

(乾安縣贊字鄉(xiāng)綜合服務(wù)中心，吉林 乾安 131400)

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物之一[1]，同時(shí)也是畜禽飼料和工業(yè)原料之一，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。我國玉米主要分布在東北地區(qū)、華北地區(qū)和西南地區(qū)[2]。保護(hù)性耕作技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛和應(yīng)用效果最好的耕地保護(hù)技術(shù)，主要是指通過對土壤進(jìn)行少耕和免耕，結(jié)合秸稈覆蓋等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減少土壤侵蝕，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。玉米免耕播種技術(shù)主要是在玉米秸稈殘茬覆蓋的地表上，利用免耕播種機(jī)進(jìn)行玉米播種。玉米免耕播種技術(shù)對配套農(nóng)機(jī)具要求較高，因此，提高免耕播種機(jī)工作質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)玉米免耕播種技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵和保障[3]。

開溝器是玉米免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一，主要作用是根據(jù)農(nóng)藝要求，開出深淺一致、整齊的種溝，為玉米播種提供良好的土壤環(huán)境。但是目前玉米免耕播種機(jī)普遍存在播深不一致、均勻性差等問題，嚴(yán)重限制了玉米免耕播種機(jī)的應(yīng)用與推廣。

目前，在國內(nèi)外相關(guān)研究中，主要集中在開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及各種理論模型分析中，研究目標(biāo)主要集中在降低開溝阻力和減少對土壤擾動(dòng)，但是針對提高玉米免耕播種機(jī)開溝器播深一致性的研究較少。播種一致性直接影響玉米的出苗率和后期產(chǎn)量，是限制玉米免耕播種技術(shù)大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題與技術(shù)，因此，對玉米免耕播種機(jī)開溝器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對于提高免耕播種機(jī)的工作效率具有重要意義。

1 開溝器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對免耕播種技術(shù)研究較早，對開溝器的參數(shù)優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用效果等開展了大量研究。

1.1 參數(shù)優(yōu)化

為了構(gòu)建良好的種床環(huán)境，付彥濤等[4]研發(fā)一種氣吸式玉米免耕播種開溝器，可以顯著提高對土壤的輸送能力，同時(shí)可以提高作物出苗率。王勇[5]提出一種在深施肥狀態(tài)下玉米免耕機(jī)開溝器，并對開溝器田間作業(yè)性能和工作阻力的影響進(jìn)行分析驗(yàn)證。李榮峰[6]為了提高開溝器田間作業(yè)性能，針對黏濕土壤設(shè)計(jì)一種玉米高效免耕播種機(jī)，對開溝器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，在播種開溝過程中可以減少對土壤的擾動(dòng)。

1.2 作業(yè)效果

針對開溝器田間作業(yè)效果主要從開溝器入土角度、刀片幾何形狀等因素分析對開溝器田間作業(yè)效果的影響，趙淑紅等[7]研究表明，開溝器在田間的入土角度越大，其土壤翻耕能力越低，入土角度越小，翻耕能力越高，可以顯著降低對土壤的擾動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，趙淑紅、譚賀文等[8]以理論模型與田間試驗(yàn)相結(jié)合研制出一種多功能集成的免耕播種開溝裝置，田間工作阻力較小，綜合性能較優(yōu)。

2 分段式播種開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 開溝器未入土部分斜刃設(shè)計(jì)

玉米秸稈殘茬還田后覆蓋在表面，在進(jìn)行玉米免耕播種時(shí)，地表覆蓋的秸稈會大量集中在開溝器前端，嚴(yán)重時(shí)會造成機(jī)器堵塞與開溝器損壞，因此，將開溝器未入土部分設(shè)計(jì)為斜刃，在玉米免耕播種過程中切割地表秸稈，提高機(jī)器的田間通過性。相關(guān)研究表明，造成免耕播種機(jī)堵塞的主要問題是地表橫向秸稈，并且隨著機(jī)器的行進(jìn)，堵塞的秸稈會越來越多。取橫向秸稈為研究目標(biāo)，秸稈與開溝器未入土的部分斜刃AB接觸，緊接著，開溝器沿著X軸平行移動(dòng)，斜刃AB對秸稈的切割沿著τ方向移動(dòng)，沿著X方向進(jìn)行秸稈切割，開溝器斜刃AB對秸稈的受力分析和位移如圖1和圖2所示。

圖1 秸稈受力分析圖

圖2 秸稈位移分析圖

秸稈動(dòng)力學(xué)方程為

FN-Ffcosφ=maecosφ

(1)

Ffsinφ-Fτ=maτ-maesinφ

(2)

Fτ=FNtanθ

(3)

式中FN—秸稈受到開溝器斜刃法向力，N；

Fτ—秸稈受到開溝器沿斜刃摩擦力，N；

Ff—秸稈受到與前進(jìn)方向反向摩擦力，N；

ae—秸稈的牽連加速度,m·s-2；

aτ—秸稈的相對加速度,m·s-2；

m—秸稈的質(zhì)量,kg；

φ—開溝器斜刃滑切角,(°)；

θ—秸稈與開溝器斜刃滑動(dòng)摩擦角，(°)。

由圖2可知

(4)

(5)

(6)

式中v—開溝器作業(yè)速度，m·s-1；

t—斜刃AB對秸稈M切割所用時(shí)間，s：

d—秸稈M的直徑,mm;

h—秸稈相對斜刃AB的運(yùn)動(dòng)距離，mm；

s—相對加速度a使秸稈M相對斜刃AB運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的滑移距離，mm。

由圖1和圖2可知，對開溝器斜刃AB切割秸稈的功耗W1可以表示為

W1=FN·d+Ff·h+Fτ·S

(7)

假設(shè)開溝器在田間勻速前進(jìn)，則ae=0，秸稈相對于開溝器斜刃開始加速移動(dòng)

Ff=FNcosφ

(8)

假設(shè)秸稈在地表均勻排列，則斜刃AB每次在田間切割的秸稈總量n為

(9)

式中l(wèi)—斜刃AB的高度，mm。

聯(lián)立上式求解得，開溝器斜刃AB切割秸稈總功耗W2為

(10)

由公式(10)可知，開溝器斜刃AB切割秸稈總消耗與滑切角φ有關(guān)，開溝器作業(yè)速度為4 km·h-1，開溝器斜刃AB高度為140 mm，秸稈與AB的滑動(dòng)摩擦角為27°，帶入公式(10)可知，最優(yōu)開溝器滑切角為32.24°，在此選擇為32°。

2.2 其他參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)開溝器入土?xí)r，入土間隙角過小會影響開溝器入土性能，入土間隙角過大，則不能達(dá)到相應(yīng)的開溝深度，選擇開溝器開溝器入土間隙角為5°；當(dāng)開溝器橫向?qū)挾容^小時(shí)(小于鏟柄橫向?qū)挾?，可以降低對土壤的擾動(dòng)。開溝器的橫向?qū)挾冗x取為15 mm，溝鏟柄采用20 mm×40 mm的鋼管，長度選擇為450 mm。

3 田間試驗(yàn)

為了評估玉米免耕分段式播種開溝器田間工作性能，選取尖角式、滑刀式、雙圓盤式開溝器進(jìn)行田間對比試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地塊為玉米秸稈還田免耕地，試驗(yàn)區(qū)域面積為3 000 m2，基本土壤及秸稈理化性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)所需拖拉機(jī)為約翰迪爾354。

表1 土壤及玉米秸稈基本性質(zhì)

3.2 試驗(yàn)方法

選取不同開溝器下播種變異系數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，設(shè)置開溝器田間前進(jìn)速度為4.8 km·h-1，開溝器配重為0.08 kN，田間秸稈覆蓋量為0.8 kg·m-2。每個(gè)開溝器田間試驗(yàn)面積為寬度20 m，長度50 m。

3.3 結(jié)果與分析

不同類型開溝器的播深變異系數(shù)結(jié)果如表2所示。由表2可知，播種變異系數(shù)大小分別為雙圓盤式開溝器>滑刀式開溝器>尖角式開溝器>分段式開溝器，結(jié)果表明，分段式播種開溝器播種變異系數(shù)最小，播深一致性較優(yōu)。

表2 不同開溝器播深變異系數(shù) 單位：%

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究提出一種玉米免耕分段式播種開溝器，并對分段式播種開溝器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)，最后開展田間試驗(yàn)，選取尖角式、滑刀式、雙圓盤式開溝器進(jìn)行田間對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，分段式播種開溝器播種變異系數(shù)最小，播深一致性較優(yōu)。

4.2 展望

未來在進(jìn)行免耕播種機(jī)開溝器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮復(fù)雜環(huán)境下對開溝器作業(yè)性能的影響，如開溝器的減粘、脫附等條件下參數(shù)優(yōu)化。

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