壟作免耕播種機(jī)被動(dòng)式防纏繞破茬清壟裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

林 靜 呂洲翼 李宏哲 王鑫宇 王東銳

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 沈陽 110866; 2.鐵嶺縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心, 鐵嶺 112600)

0 引言

免耕播種機(jī)需要在有秸稈覆蓋的地表完成播種作業(yè),故有效防堵防纏繞是順利實(shí)施免耕播種的前提[1]。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞免耕播種機(jī)如何高效切茬、清秸、防堵進(jìn)行了大量研究[2-13]。目前,驅(qū)動(dòng)式防堵裝置具有較好的防堵效果[14-16],但是其土壤擾動(dòng)較大,播種時(shí)會(huì)破壞原壟,形成新溝,從而喪失了壟作模式的優(yōu)點(diǎn)。被動(dòng)式防堵裝置土壤擾動(dòng)小[17-19],但在秸稈覆蓋量大的情況下作業(yè)效果不佳,無法滿足玉米壟作免耕播種的技術(shù)要求[20]。

針對(duì)上述問題,本文以自主研制的阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀為基礎(chǔ),優(yōu)化設(shè)計(jì)一種被動(dòng)式防纏繞破茬清壟裝置,同時(shí)實(shí)現(xiàn)破茬和清壟的功能。并通過理論分析、仿真研究和田間試驗(yàn)確定破茬清壟裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

玉米免耕播種機(jī)防纏繞破茬清壟裝置如圖1所示,由阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀、星型清壟輪、彈簧等組成。其中星型清壟輪與機(jī)具前進(jìn)方向呈一定夾角偏置安裝,使清壟輪兼具向后撥動(dòng)和側(cè)推秸稈的作用。

圖1 防纏繞破茬清壟裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of anti-winding stubble breaking and ridge clearing device1.彈簧 2.阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀 3.高度調(diào)節(jié)裝置 4.星型清壟輪 5.固定板 6.支撐板

1.2 工作原理

該裝置在拖拉機(jī)帶動(dòng)及土壤摩擦力的作用下滾動(dòng)旋轉(zhuǎn),兼有無支撐和有支撐兩種切割方式。當(dāng)破茬刀底部與壟上秸稈接觸時(shí),破茬刀刃口上的鋸齒嵌住秸稈進(jìn)行無支撐切割;當(dāng)破茬刀與壟上根茬接觸時(shí),玉米根茬固定在土壤里,被刀刃切割時(shí)不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng),進(jìn)行有支撐切割,破開玉米根茬的根上節(jié)(俗稱“五叉股”)。被切碎的秸稈與破開的根茬會(huì)在清壟輪的作用下,被側(cè)推至兩側(cè)的壟溝中,從而實(shí)現(xiàn)防堵防纏繞功能,增加了機(jī)具的通過性,并在壟上提供了清潔的播種區(qū)域,為免耕播種種床創(chuàng)造良好的條件,保證了播種質(zhì)量。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 破茬刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1刃口曲線設(shè)計(jì)

破茬刀的刃口曲線形狀設(shè)計(jì)為阿基米德螺線鋸齒型刀刃缺口,優(yōu)點(diǎn)是:動(dòng)滑切角隨著刃口的切入至切出越來越大,滑切效果好;對(duì)于地表以下的根茬可以漸進(jìn)式破茬入土,入土效果好,破茬率顯著提高[21]。

阿基米德螺線如圖2所示,A為破茬刀刃口曲線局部放大視圖,L為與起始位置夾角每增大θ1時(shí)半徑增加的長(zhǎng)度,刃口曲線為阿基米德螺線,其坐標(biāo)方程為

圖2 阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of Archimedes spiral serrated notch disc stubble cutter

(1)

式中R0——起始半徑,mm

k——常數(shù)

θ——當(dāng)前位置與原點(diǎn)連線和初始半徑位置之間的夾角,(°)

由此可得破茬刀的最大半徑Rmax計(jì)算公式為

Rmax=R0+kφ

(2)

式中φ——缺口包角,(°)

2.1.2破茬刀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀置于坐標(biāo)系xOy中,其中心點(diǎn)與坐標(biāo)系原點(diǎn)O重合,x軸水平向右為正方向,y軸豎直向上為正方向,令第1個(gè)缺口的起始半徑方向與y軸正方向重合,各缺口以y軸正方向開始逆時(shí)針依次編號(hào),以此建立刃口曲線的參數(shù)方程為

(3)

式中Z——破茬刀的缺口數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有研究[22],玉米根茬的根上節(jié)深度平均為70 mm,為了能夠完全破開玉米根茬的根上節(jié),確定破茬刀結(jié)構(gòu)參數(shù)為缺口數(shù)11,最大半徑215 mm,起始半徑175 mm,包角32.72°。并且由于鋸齒形刀片在切割秸稈的過程中,受到的合力較小,受力比較均勻,切割效率高,切割效果好[23-24]。因此,參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[25],在刃口曲線上加工出齒高為5 mm、齒寬為10 mm的鋸齒,以此增加破茬刀的滑切效果與切茬能力,從而實(shí)現(xiàn)破茬刀的防纏繞防堵功能。

2.2 破茬刀運(yùn)動(dòng)分析

2.2.1破茬刀運(yùn)動(dòng)軌跡分析

阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀的同一個(gè)缺口刃上不同點(diǎn)具有不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。其運(yùn)動(dòng)軌跡與機(jī)具前進(jìn)速度Vm、破茬刀旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān)。而破茬刀轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間T與機(jī)具前進(jìn)速度Vm、破茬刀最大半徑Rmax和起始半徑R0相關(guān)[21],其轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間T為

(4)

由此可得破茬刀旋轉(zhuǎn)角速度為

(5)

根據(jù)刃口曲線的參數(shù)方程、機(jī)具前進(jìn)速度以及破茬刀旋轉(zhuǎn)角速度,即可得到破茬刀在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,其運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)方程為

(6)

式中t——破茬刀工作時(shí)間,s

選取第1個(gè)缺口處的刃口運(yùn)動(dòng)軌跡作為研究對(duì)象,設(shè)最大半徑處為點(diǎn)A、θ為φ/2處為點(diǎn)B、起始半徑處為點(diǎn)C,當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度Vm為5 km/h時(shí),其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。其中點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線,點(diǎn)B與點(diǎn)C完成切割后會(huì)迅速抬升,不會(huì)出現(xiàn)出土?xí)r向后拋土的現(xiàn)象,可以有效減少對(duì)土壤的擾動(dòng),并且快速抬升可以將破茬刀上附著的殘茬與土壤甩掉,減少帶土和纏繞。

圖3 破茬刀同一刃線上不同點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Movement track of different points on the same cutting edge line of stubble cutter

2.2.2破茬刀入土?xí)r動(dòng)滑切角分析

在破茬刀切茬過程中動(dòng)滑切角會(huì)影響切茬效果[26],因此對(duì)破茬刀切茬過程中的動(dòng)滑切角進(jìn)行分析研究。如圖4所示,選取破茬刀第1個(gè)缺口處的刀刃入土任意一點(diǎn)P進(jìn)行速度分析,以破茬刀中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,水平向右為x軸正方向,豎直向下為y軸正方向建立xOy坐標(biāo)系。此時(shí)該刀刃的刃口曲線參數(shù)方程為

圖4 破茬刀刃口曲線上點(diǎn)P速度分析Fig.4 Velocity analysis of point P on curve of stubble cutting edge

(7)

且清壟輪主偏角δ為刃口曲線在點(diǎn)P處的切線與水平方向的夾角,由此可得出清壟輪主偏角δ的計(jì)算公式為

(8)

將式(7)代入式(8)可得清壟輪主偏角δ的計(jì)算公式為

(9)

對(duì)點(diǎn)P的速度分析計(jì)算公式為

(10)

式中V1——點(diǎn)P線速度,km/h

Vx——點(diǎn)P水平方向上速度,km/h

Vy——點(diǎn)P豎直方向上速度,km/h

Vp——點(diǎn)P合速度,km/h

由式(7)、(8)可得點(diǎn)P的速度方向角β計(jì)算公式為

(11)

滑切角γ計(jì)算公式為

γ=β-δ

(12)

將式(9)、(11)代入式(12),即可得到在前進(jìn)速度固定的情況下,刃口曲線上點(diǎn)A、B、C在入土切茬時(shí)滑切角隨時(shí)間的變化關(guān)系。同時(shí)根據(jù)式(6)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程,可以得到在前進(jìn)速度固定的情況下,刃口曲線上點(diǎn)A、B、C的入土深度與時(shí)間的關(guān)系。由此即可得到,當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度Vm為5 km/h時(shí),刃口曲線上點(diǎn)A、B、C在入土切茬時(shí)滑切角與入土深度的關(guān)系,如圖5所示。由圖中曲線可知刃口處的動(dòng)滑切角隨著刃口的切入越來越大,由此可以避免出現(xiàn)常規(guī)缺口圓盤的漏切問題。同時(shí)可以明確地觀察到,破茬刀刃口處的滑切角隨著該點(diǎn)處半徑的增大在逐漸減小,這有利于使未被切斷的根茬在壓入土后最終被切斷,以提高破茬刀的切茬與防纏繞效果。

圖5 破茬刀刃口滑切角與入土深度關(guān)系曲線Fig.5 Curves of sliding cutting angle of stubble cutting edge and buried depth

2.3 清壟輪設(shè)計(jì)

2.3.1清壟輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清壟輪齒形設(shè)計(jì)為螺旋線形的星型結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是刀刃每旋轉(zhuǎn)單位角度,其徑向切入土壤中的長(zhǎng)度是相同的,因此刀刃切土?xí)r負(fù)荷變化比較均勻。且清壟輪的主要目的是為了清除壟上的雜草與秸稈,減少雜草等對(duì)其的纏繞,因此清壟過程中需要有較大的滑切角[25]。設(shè)計(jì)時(shí)齒形對(duì)θ取4/5次方,以此確定的齒形在相同位置,具有更小的曲率半徑和更大的滑切角,其齒形曲線方程的極坐標(biāo)方程為

(13)

式中R——極徑,mm

根據(jù)現(xiàn)有研究[22],選取清壟輪最大半徑為165 mm,起始半徑為115 mm,缺口數(shù)為12。其齒形曲線如圖6所示。

圖6 清壟輪齒形結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Ridge cleaning cutter tooth structure diagram

2.3.2清壟輪運(yùn)動(dòng)分析

清壟輪在清除壟上雜草與秸稈的過程中,會(huì)對(duì)秸稈等進(jìn)行推移與拋撒,如圖7a所示。而秸稈的覆蓋情況會(huì)影響耕地徑流量與土壤侵蝕量[27],因此對(duì)雜草與秸稈的拋撒規(guī)律進(jìn)行研究。對(duì)清壟輪將要拋撒出的秸稈進(jìn)行速度分析,令機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向,水平方向上與x軸呈90°夾角向外為y軸正方向,豎直向上為z軸正方向,如圖7b所示。

圖7 清壟輪拋撒秸稈運(yùn)動(dòng)分析Fig.7 Movement analysis of straw throwing by ridge clearing wheel1.清壟輪 2.秸稈 3.壟臺(tái) 4.耕層

設(shè)點(diǎn)Q為秸稈被拋撒出去的臨界點(diǎn),秸稈的拋撒方向?yàn)榍鍓泡喌膫?cè)后方,與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角為清壟輪偏置角α。并假設(shè)將秸稈視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn),忽略空氣阻力與秸稈之間的碰撞,可以得到秸稈離開清壟輪之后的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(14)

式中H1——清壟輪入土深度,mm

βQ——秸稈在點(diǎn)Q處拋撒方向與水平方向夾角,(°)

在初始速度不變的情況下,當(dāng)拋射角βQ為π/4時(shí),拋撒的距離最遠(yuǎn),根據(jù)公式(14)可得秸稈拋撒的最遠(yuǎn)距離Ly為

(15)

式中H——壟高,mm

g——重力加速度,m/s2

當(dāng)壟高為130 mm,清壟輪入土深度為20 mm時(shí),取偏置角20°～50°進(jìn)行研究[22]。根據(jù)式(15)可得,秸稈在y方向上被拋撒的最遠(yuǎn)距離隨清壟偏置角α的增大呈先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)偏置角為43°時(shí)秸稈拋撒達(dá)到最遠(yuǎn)距離。當(dāng)偏置角較小時(shí),拋撒距離過近,會(huì)導(dǎo)致在秸稈雜草量較大的區(qū)域作業(yè)時(shí)有可能發(fā)生堵塞。但隨著偏置角不斷增大,清壟輪受到的阻力也會(huì)不斷增大。因此選擇適中的偏置角為25°～35°。

清壟輪清壟寬度b計(jì)算公式為

(16)

將偏置角α為25°～35°代入式(16)中可得,清壟輪的清壟寬度b為67～90 mm,達(dá)到了免耕播種清壟的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求[28]。

3 仿真

對(duì)防纏繞破茬清壟裝置進(jìn)行3D建模,再通過離散元仿真軟件EDEM建立破茬清壟裝置-土壤-根茬-秸稈間的相互作用模型。對(duì)破茬清壟裝置作業(yè)過程進(jìn)行仿真模擬,以機(jī)具工作時(shí)的前進(jìn)速度Vm、破茬刀入土深度h、清壟輪安裝偏置角α為試驗(yàn)因素,以破茬率和清秸率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),設(shè)計(jì)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),分析影響破茬清壟裝置作業(yè)性能的主要因素,以尋求最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,為田間試驗(yàn)提供理論參考。

3.1 仿真建模

實(shí)際作業(yè)過程中,破茬刀與清壟輪為主要作業(yè)部件,因此對(duì)破茬清壟裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,去除仿真過程中無關(guān)部件后導(dǎo)入EDEM軟件中,設(shè)置仿真模型的材料為65Mn鋼,泊松比為0.3,剪切模量為7.0×1010Pa,密度為7 800 kg/m3。選擇Hertz-Mindlin with no slip 模型作為土壤顆粒間接觸模型[29-30],其中土壤模型由直徑3 mm的球形顆粒表示,壟臺(tái)尺寸為壟頂寬250 mm、壟底寬260 mm、壟臺(tái)高135 mm、壟長(zhǎng)4 300 mm,泊松比為0.38,剪切模量為1×106Pa,密度為2 650 kg/m3。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量,地表覆蓋秸稈的尺寸為平均直徑15 mm、長(zhǎng)80～110 mm。選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型作為根茬顆粒間接觸模型[31]。采用由直徑15 mm、粘結(jié)半徑5 mm的球形顆粒組成長(zhǎng)度為80、90、100、110 mm的長(zhǎng)線性模型作為秸稈顆粒模型,秸稈覆蓋量設(shè)定為1.3 kg/m2。秸稈泊松比為0.3,剪切模量為1×106Pa,密度為240 kg/m3。

根茬尺寸為直徑25 mm、高170 mm、根上節(jié)長(zhǎng)度70 mm,主須直徑2 mm、長(zhǎng)100 mm,須根直徑1 mm、長(zhǎng)20 mm,如圖8所示。通過SolidWorks構(gòu)建根茬的空心模型,再導(dǎo)入到EDEM中,模型內(nèi)部填充根茬顆粒。選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型作為根茬顆粒間接觸模型,顆粒選擇半徑為1.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒,粘結(jié)半徑為1.7 mm。根茬顆粒與土壤顆粒之間的接觸模型選JKR模型[32],土壤根茬表面能為10 J/m2,泊松比為0.3,剪切模量為6.6×106Pa,密度為860 kg/m3。

圖8 根茬模型Fig.8 Corn rootstalk model

根茬排布情況為每5個(gè)根茬為一組,1號(hào)根茬中心位于中心線上,2號(hào)與3號(hào)根茬分別位于中心線兩側(cè)10 mm處,4號(hào)與5號(hào)根茬分別位于中心線兩側(cè)5 mm處,株距為200 mm,每組試驗(yàn)排布2組根茬,如圖9a所示。仿真過程如圖9所示,仿真材料間的接觸參數(shù)如表1所示[33-36]。

表1 仿真材料接觸參數(shù)Tab.1 Material contact parameters for simulation

圖9 仿真過程Fig.9 Simulation process1.壟溝 2.壟臺(tái) 3.破茬清壟裝置 4.根茬 5.秸稈

3.2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為深入研究破茬清壟裝置的作業(yè)效果,根據(jù)理論分析結(jié)果,確定以機(jī)具工作時(shí)前進(jìn)速度Vm、破茬刀入土深度h、清壟輪安裝偏置角α為試驗(yàn)因素,以破茬率和清秸率為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法,確定該防纏繞破茬清壟裝置的最優(yōu)參數(shù)組合,試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors and coding

試驗(yàn)指標(biāo)參考GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播種機(jī)》,結(jié)合實(shí)際玉米免耕播種作業(yè)要求,選擇破茬率與清秸率為試驗(yàn)指標(biāo)。選擇壟上作業(yè)區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū)域。

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示,X1、X2、X3為因素編碼值。分別對(duì)破茬率與清秸率進(jìn)行方差分析。

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test plan and experimental result

表4 破茬率方差分析Tab.4 Variance analysis of stubble breaking rate

(17)

表5 清秸率方差分析Tab.5 Variance analysis of straw removal rate

(18)

3.4 參數(shù)優(yōu)化

為了得到破茬清壟裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合,采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法,對(duì)影響破茬率和清秸率的各個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),遵循提高破茬率和清秸率的原則,結(jié)合各試驗(yàn)因素的邊界條件,建立參數(shù)目標(biāo)函數(shù)為

(19)

基于Design-Expert對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,結(jié)合實(shí)際作業(yè)要求,得到最優(yōu)參數(shù)組合為:機(jī)具前進(jìn)速度7 km/h、破茬刀入土深度75 mm、清壟輪安裝偏置角30°,此時(shí)裝置的破茬率為92.46%,清秸率為93.96%。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證防纏繞破茬清壟裝置在田間作業(yè)時(shí)的工作性能,于2021年4月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn),如圖10所示。玉米根茬平均高度為17.5 cm,平均直徑為2.6 cm,平均含水率為15.4%。玉米秸稈長(zhǎng)度為5～15 cm,秸稈覆蓋量為1.39 kg/m2,平均含水率為17.2%。試驗(yàn)田土壤類型為棕壤土,地表土壤緊實(shí)度119 kPa,5 cm處為351 kPa,10 cm處為479 kPa,15 cm處為960 kPa。0～10 cm處土壤含水率為12.2%,10～20 cm處為14.5%。5 cm處土壤溫度為15.2℃,10 cm處為12.6℃,15 cm處為11.5℃。配套動(dòng)力為東方紅-30型拖拉機(jī)。機(jī)具前進(jìn)速度為7 km/h,破茬刀入土深度為75 mm,清壟輪安裝偏置角為30°。

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Field experiment

4.2 試驗(yàn)方法

(1)機(jī)具通過性

田間試驗(yàn)過程中根據(jù)NY/T 1768—2009《免耕播種機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》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。測(cè)試長(zhǎng)度為60 m,觀察作業(yè)過程中機(jī)具被根茬、秸稈纏繞堵塞情況。

(2)破茬率

采用五點(diǎn)取樣法對(duì)穩(wěn)定作業(yè)區(qū)域進(jìn)行取點(diǎn),對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)相同面積區(qū)域內(nèi)作業(yè)前后的壟上根茬數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù),得到初始根茬數(shù)量與作業(yè)后根茬數(shù)量,計(jì)算得出平均破茬率Y3。

(3)清秸率

采用五點(diǎn)取樣法對(duì)穩(wěn)定作業(yè)區(qū)域進(jìn)行取點(diǎn),使用電子秤對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)相同面積區(qū)域內(nèi)作業(yè)前后的全部秸稈分別進(jìn)行稱量,得到初始秸稈質(zhì)量與作業(yè)后秸稈質(zhì)量,計(jì)算得出平均清秸率Y4。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過5次有效田間試驗(yàn),測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明,安裝有防纏繞破茬清壟裝置的免耕播種機(jī)未發(fā)生秸稈壅堵及纏繞情況,機(jī)具通過性良好,平均破茬率Y3為92.21%,平均清秸率Y4為93.49%,驗(yàn)證了仿真理論研究結(jié)果。田間試驗(yàn)表明,機(jī)具具有良好的通過性,破茬率、清秸率等作業(yè)性能質(zhì)量指標(biāo)滿足東北玉米壟作免耕播種作業(yè)農(nóng)藝和技術(shù)要求。

5 結(jié)論

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種適合東北玉米壟作模式的防纏繞破茬清壟裝置,該裝置通過阿基米德螺線鋸齒型缺口圓盤破茬刀對(duì)秸稈與根茬進(jìn)行切割,通過清壟輪將壟臺(tái)上的殘茬與秸稈側(cè)推進(jìn)壟溝,有效提高了破茬率與清秸率,達(dá)到了防纏繞防堵的功能,可為免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

(2)通過對(duì)破茬清壟裝置運(yùn)動(dòng)分析,得到影響破茬清壟裝置作業(yè)性能的主要參數(shù)為機(jī)具前進(jìn)速度Vm、破茬刀入土深度h以及清壟輪安裝偏置角α。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍為25°≤α≤35°,清壟輪的清壟寬度b為67～90 mm。

(3)通過離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析,設(shè)計(jì)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)破茬清壟裝置進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。得到防纏繞破茬清壟裝置各因素對(duì)破茬率影響顯著順序?yàn)?機(jī)具前進(jìn)速度Vm、破茬刀入土深度h、清壟輪安裝偏置角α。各因素對(duì)清秸率影響顯著順序?yàn)?機(jī)具前進(jìn)速度Vm、清壟輪安裝偏置角α、破茬刀入土深度h。得到的最佳組合參數(shù)為:機(jī)具前進(jìn)速度Vm為7 km/h、破茬刀入土深度h為75 mm、清壟輪安裝偏置角α為30°。

(4)對(duì)仿真試驗(yàn)得到的最佳組合參數(shù)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。田間驗(yàn)證表明在秸稈覆蓋量為1.39 kg/m2的情況下,機(jī)具前進(jìn)速度為7 km/h時(shí),破茬率為92.21%,清秸率為93.49%,達(dá)到了防纏繞防堵的功能,機(jī)具通過性顯著提高,滿足東北玉米壟作免耕播種作業(yè)農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)技術(shù)要求。