驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖慶喜 謝昊明 張青松 張季欽 敖 倩 王 磊

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070)

0 引言

耕整地是油菜種植的重要環(huán)節(jié),油菜種床合理,耕層能夠促進(jìn)油菜生長,提高油菜產(chǎn)量[1]。長江中下游地區(qū)是冬油菜主要種植區(qū)域,該地區(qū)周年進(jìn)行稻-油或稻-稻-油水旱輪作,導(dǎo)致土壤黏重板結(jié),前茬作物留茬高,土壤含水率波動(dòng)大,采用傳統(tǒng)旋耕作業(yè)碎土率低,刀輥易纏草,秸稈埋覆性能差,且易導(dǎo)致土壤耕作層變淺,犁底層加厚,阻礙油菜生長[2],同時(shí)油菜種床整備還需完成秸稈還田、土壤細(xì)碎、平整,開畦溝多道工序[3-4]。

傳統(tǒng)旋耕式耕整機(jī)在稻-油或稻-稻-油水旱輪作的油菜種植模式下進(jìn)行耕整地作業(yè)存在碎土率不高,秸稈埋覆率低,刀輥易纏草等問題,為了提高機(jī)具在土壤黏重、地表秸稈量大的工況下作業(yè)質(zhì)量,MATIN等[5]針對(duì)亞洲黏重稻田工況,測試了3種旋耕刀片(常規(guī)型、半寬型、旋切型)以及不同(每個(gè)切土小區(qū)4、6把刀片)安裝方式下的工作性能,試驗(yàn)表明,當(dāng)切土小區(qū)旋耕刀數(shù)量為4把時(shí),3種類型刀片作業(yè)碎土率較優(yōu),切刀比常規(guī)型刀片拋土量少,但功耗有所下降。為提高旋耕刀片耕作性能,張春嶺等[6]針對(duì)稻茬田秸稈量大旋耕刀輥易纏繞的問題設(shè)計(jì)了一種六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥,以提高秸稈埋覆性能,但同一切土小區(qū)安裝刀片數(shù)量較多,易出現(xiàn)相鄰切土小區(qū)刀片攜土的情況。王金峰等[7]針對(duì)秸稈還田機(jī)作業(yè)時(shí)刀輥前方墉土的問題,設(shè)計(jì)了一種新型秸稈還田刀并對(duì)整機(jī)進(jìn)行配置,機(jī)具作業(yè)指標(biāo)滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求。趙宏波等[8]針對(duì)華北平原小麥免耕播種機(jī)在玉米秸稈覆蓋地作業(yè)時(shí)易堵塞的問題設(shè)計(jì)了一種防堵旋切刀,田間試驗(yàn)表明旋切刀通過性良好。鄭侃等[9]針對(duì)長江中下游地區(qū)旋耕作業(yè)地表平整度差的問題設(shè)計(jì)了一種漸變螺旋升角勻土旋耕刀輥,采用漸變螺旋升角旋耕刀排列方式提高了作業(yè)后地表平整度,但未解決碎土率及秸稈埋覆率低的問題。

針對(duì)傳統(tǒng)旋耕式耕整機(jī)在稻-油或稻-稻-油水旱輪作的油菜種植模式下進(jìn)行耕整地作業(yè)存在碎土率不高,秸稈埋覆率低,刀輥易纏草等問題,研制一種驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī);進(jìn)行離散元仿真驗(yàn)證整機(jī)對(duì)秸稈的埋覆性能及對(duì)土壤耕層交換的影響;開展田間試驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)在兩種工況下的作業(yè)性能,以期為長江中下游稻-油輪作地區(qū)耕整裝備結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)采用先驅(qū)動(dòng)犁翻,后雙刃旋耕的工作方式。驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)圓盤犁組、雙刃型旋耕裝置、機(jī)架、開畦溝犁、中央人字形齒輪箱、三點(diǎn)懸掛架等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作過程

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)工作時(shí),由拖拉機(jī)PTO提供動(dòng)力,齒輪箱帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置;驅(qū)動(dòng)圓盤犁組正向轉(zhuǎn)動(dòng),完成對(duì)土壤與秸稈的切削翻轉(zhuǎn),雙刃型旋耕裝置正旋對(duì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組犁翻后的土壤與秸稈進(jìn)一步作業(yè),如圖2所示;由于雙刃型旋耕裝置每把旋耕刀具有一對(duì)正切刃和側(cè)切刃,相比較傳統(tǒng)旋耕刀,傳統(tǒng)旋耕刀切削最小土壤厚度為切土節(jié)距S,雙刃型旋耕刀片回轉(zhuǎn)一周切削土壤-秸稈兩次,細(xì)碎秸稈和土壤。切土過程中,雙刃型旋耕刀短刃部正切刃會(huì)首先切削厚度為E的土壤,之后過渡到長刃部正切刃會(huì)切削厚度為B的土壤,如圖3所示;雙刃型旋耕刀片切削土壤厚度小于切土節(jié)距,有更好的碎土性能;拋土過程中,雙刃型旋耕刀片短刃部和長刃部正切刃交替拋土,將土壤與秸稈拋向機(jī)架外殼,秸稈先于土壤落入溝底,完成秸稈埋覆及土壤-秸稈混合。

圖2 驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)工作過程示意圖

圖3 雙刃型旋耕刀片工作原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 驅(qū)動(dòng)圓盤犁組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

由于驅(qū)動(dòng)圓盤犁主動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)土壤的撕裂作用,能夠較好地切斷地表殘茬,進(jìn)而將地表殘茬翻覆,同時(shí)不易堵塞。驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)時(shí),其作業(yè)轉(zhuǎn)速、作業(yè)偏角、耕作深度為影響作業(yè)性能的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)其所選用齒輪箱,驅(qū)動(dòng)圓盤犁轉(zhuǎn)速為135～180 r/min;犁組耕深過大或過小都會(huì)導(dǎo)致圓盤犁喪失對(duì)土壤、秸稈的切翻功能[10],設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁最大耕作深度為200 mm,驅(qū)動(dòng)圓盤犁直徑D計(jì)算式為

(1)

式中hmax——驅(qū)動(dòng)圓盤犁最大耕深,mm

dk——驅(qū)動(dòng)圓盤犁軸法蘭盤外徑,mm

k——系數(shù),取1.1

計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)圓盤犁直徑D≥503.63 mm,因此選用驅(qū)動(dòng)圓盤犁直徑D為510 mm,曲率半徑Rρ為550 mm;驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)過程中,需要保證驅(qū)動(dòng)圓盤犁在工作過程中滿足圓盤背面不擠壓未耕地側(cè),驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)狀態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)狀態(tài)偏角示意圖

由圖4可得

(2)

(3)

式中R′ρ——驅(qū)動(dòng)圓盤犁土壤表面處曲率半徑,mm

H——驅(qū)動(dòng)圓盤犁耕深,mm

由圖4幾何關(guān)系可得

(4)

式中Rk——圓盤犁球面中心到盤面的距離,mm

φ——驅(qū)動(dòng)圓盤犁臨界偏角,(°)

由式(4)可得,在耕作深度為200 mm時(shí),驅(qū)動(dòng)圓盤犁臨界偏角為27.06°,驅(qū)動(dòng)圓盤犁工作偏角應(yīng)大于其臨界偏角,隨著工作偏角的增大,其工作幅寬、入土性能、埋覆性能也會(huì)增加,為便于加工制造,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁工作偏角σ為28°。

驅(qū)動(dòng)圓盤犁安裝間距會(huì)直接影響作業(yè)質(zhì)量,為避免漏耕同時(shí)還要保證圓盤之間不墉土堵塞,應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)圓盤犁的翻垡性能,一般情況下實(shí)際耕幅wt應(yīng)小于耕深H。單側(cè)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組由兩個(gè)圓盤犁組成,由于圓盤犁的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),陰影部分a-b-e-d為圓盤犁實(shí)際作業(yè)范圍,b-d-g為溝底殘耕部分,如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)圓盤犁耕幅示意圖

驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后應(yīng)保證犁后溝底平整,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組溝底殘耕高度計(jì)算式為

(5)

驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后對(duì)溝底平整性的要求為

Hc≤ξhmax

(6)

式中ξ——溝底不平整系數(shù),取0.25

為了避免驅(qū)動(dòng)圓盤犁之間墉土堵塞,圓盤安裝間距應(yīng)盡量取最大值。由式(5)可得,隨著驅(qū)動(dòng)圓盤犁安裝間距增加,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組作業(yè)后溝底殘耕高度逐漸增加,按照驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后對(duì)溝底平整性的要求且考慮到加工制造的問題,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁安裝間距cd為160 mm,計(jì)算得出溝底殘耕高度為47.03 mm,滿足驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后對(duì)溝底平整性的要求。

驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)過程中其主要作用為切翻土壤秸稈,將土壤秸稈向盤口一側(cè)扭轉(zhuǎn)鋪放[11];開溝前犁對(duì)稱布置在機(jī)具兩側(cè),主要功能是開溝起土,形成初步畦溝溝型;開畦溝前犁作業(yè)過程向機(jī)組內(nèi)側(cè)翻垡堆積土壤,而驅(qū)動(dòng)圓盤犁組向機(jī)組外側(cè)翻垡堆積土壤,因此需要保證機(jī)組作業(yè)過程中驅(qū)動(dòng)圓盤犁組與開畦溝前犁共同作業(yè)而不互相干涉形成堵塞,其驅(qū)動(dòng)圓盤犁組與開畦溝前犁布局如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)圓盤犁組-開畦溝前犁布局示意圖

由于土壤間存在牽扯撕裂、交錯(cuò)堆疊等復(fù)雜情況,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組與開畦溝前犁作業(yè)后翻垡土壤尺寸結(jié)合開畦溝前犁,驅(qū)動(dòng)圓盤犁翻垡原理計(jì)算,開畦溝前犁動(dòng)土幅寬wa近似看作畦溝溝寬與溝深之和,由圖6幾何關(guān)系可得

(7)

式中wc——驅(qū)動(dòng)圓盤犁與開畦溝前犁犁尖間距,mm

wa——開畦溝前犁動(dòng)土幅寬,mm

wb——驅(qū)動(dòng)圓盤犁動(dòng)土幅寬,mm

計(jì)算得驅(qū)動(dòng)圓盤犁與開畦溝前犁犁尖間距wc應(yīng)大于688.56 mm,考慮土壤復(fù)雜工況且保證機(jī)具通過性,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁與開畦溝前犁犁尖間距為800 mm。

2.2 雙刃型旋耕裝置旋耕刀片設(shè)計(jì)

為增加旋耕后的碎土率、秸稈埋覆率,設(shè)計(jì)了有兩組刃口的雙刃型旋耕刀片。雙刃型旋耕刀片由刀柄、長刃部和短刃部組成,長刃部與短刃部分別由側(cè)切刃和正切刃組成;長刃部側(cè)切刃刃口曲線為阿基米德螺線,短刃部刃口曲線為正弦指數(shù)曲線,實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤-秸稈的切削功能;長刃部、短刃部正切刃均為空間曲線,實(shí)現(xiàn)拋土功能;雙刃型旋耕刀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 雙刃型旋耕刀片結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1長刃部側(cè)切刃刃口曲線設(shè)計(jì)與分析

雙刃型旋耕刀片長刃部側(cè)切刃刃口曲線采用阿基米德螺線。該曲線滑切角隨著回轉(zhuǎn)半徑增加逐漸增大,比較正弦指數(shù)曲線和對(duì)數(shù)螺線,阿基米德螺線平均滑切角最大,拋起土粒最多[12],且能夠增加耕深,減少摩擦阻力,防止刀具纏草[13]。其曲線方程為

(8)

式中ρ——螺線上某一點(diǎn)極徑,mm

θ——螺線上任意點(diǎn)的極角,rad

h——長刃部耕深,mm

R1——旋耕刀長刃部回轉(zhuǎn)半徑,mm

ρn——螺線終點(diǎn)處極徑,mm

θn——螺線終點(diǎn)處極角,rad

螺線終點(diǎn)處極角θn與阿基米德螺線終點(diǎn)處滑切角τn關(guān)系為

(9)

旋耕刀片側(cè)切刃刃口曲線應(yīng)滿足不纏草和阻力小的要求。其作業(yè)時(shí)受力分析如圖8所示。其中,取秸稈m為脫離體,對(duì)秸稈進(jìn)行受力分析:短刃部刃口曲線處,秸稈受到刃口曲線法線A-A′方向的法向反力N1和刃口曲線切線方向摩擦力Ff1。將法向反力N1沿刃口曲線切線方向和刀片運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向分解為T1和P1,當(dāng)T1大于刀刃對(duì)秸稈的摩擦力Ff1時(shí),秸稈將沿著刃口曲線滑移,從而脫離刀刃,因此秸稈滑切條件為T1>Ff1,長刃部受力同理。秸稈受力方程為

圖8 雙刃型旋耕刀片作業(yè)狀態(tài)受力分析

(10)

式中T1——刃口切向力,N

τc——?jiǎng)討B(tài)滑切角,(°)

φ——秸稈與材料之間的摩擦角,(°)

μ——秸稈與材料之間的摩擦因數(shù)

為降低雙刃型旋耕刀在作業(yè)過程中的耕作阻力,應(yīng)減弱刃口曲線法向方向的力,增加刃口曲線切線方向的力[14]。即滿足

(11)

動(dòng)態(tài)滑切角τc為靜態(tài)滑切角τ與由于機(jī)具前進(jìn)影響造成的Δτ之差[15],其計(jì)算公式為

τc=τ-Δτ

(12)

其中

(13)

式中λ——旋耕速比

a′——切土?xí)r刀刃上某一點(diǎn)離耕底的距離,mm

為滿足油菜廂面種植要求,驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀裝置耕深參數(shù)需要匹配,根據(jù)圖9可得

圖9 耕深匹配示意圖

(14)

式中Rr——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑,mm

d——旋耕刀軸與圓盤犁軸上下距離差,mm

驅(qū)動(dòng)圓盤犁最大耕作深度為200 mm,為保證旋耕刀片正常作業(yè),代入式(14)計(jì)算可得旋耕刀片回轉(zhuǎn)半徑Rr為150～250 mm,但考慮旋耕刀作用對(duì)象為圓盤犁犁翻土壤,為保證旋耕深度,設(shè)計(jì)長刃部旋耕深度為150 mm,回轉(zhuǎn)半徑為250 mm,切土節(jié)距90 mm;根據(jù)式(13),在旋耕速比λ一定的情況下,刀片在入土過程中Δτ逐漸減少,因此,當(dāng)?shù)度猩先我恻c(diǎn)處于地表時(shí),Δτ是工作過程中的最大值[16];參照文獻(xiàn)[17]水稻秸稈與鋼材的摩擦因數(shù)μ為0.71,摩擦角φ為35.38°,因此動(dòng)態(tài)滑切角τc>35.38°,取刃口曲線終點(diǎn)處滑切角τn為60°,動(dòng)態(tài)滑切角的變化范圍為43°～60°,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2短刃部側(cè)切刃刃口曲線設(shè)計(jì)與分析

雙刃型旋耕刀短刃部刃口曲線選用正弦指數(shù)曲線,此部分靜態(tài)滑切角與極角成線性關(guān)系,能夠防止雙刃型旋耕刀刀柄部掛草。其曲線方程為

(15)

式中ρ1——曲線起點(diǎn)極徑,mm

τ0——曲線起點(diǎn)靜態(tài)滑切角,(°)

K——曲線上靜態(tài)滑切角遞減比

θ1——曲線上任意點(diǎn)的極角,rad

選擇不同的起點(diǎn)靜態(tài)滑切角τ0和靜態(tài)滑切角遞減比能夠得到不同性能曲線。設(shè)計(jì)短刃部旋耕深度為100 mm,回轉(zhuǎn)半徑200 mm,取曲線起點(diǎn)極徑ρ1=120 mm。為保證側(cè)切刃工作過程中不纏草,刀柄基部刃口滑切角應(yīng)大于側(cè)切刃刃口曲線端點(diǎn)的滑切角,但滑切角過大,旋耕刀作業(yè)摩擦阻力增加,推薦滑切角范圍35°～55°,曲線上靜態(tài)滑切角遞減比K取0.06～0.11。本文設(shè)計(jì)取靜態(tài)滑切角τ0=52°,靜態(tài)滑切角遞減比K=0.06。

2.2.3雙刃型旋耕刀片正切刃設(shè)計(jì)與分析

雙刃型旋耕裝置工作時(shí)與地表發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),刀片的運(yùn)動(dòng)由機(jī)具的水平運(yùn)動(dòng)與刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成,長刃部與短刃部運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為余擺線,刀片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(16)

式中vm——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s

R2——旋耕刀短刃部回轉(zhuǎn)半徑,mm

ω——旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度,rad/s

ε——長刃部和短刃部之間相位角,(°)

長刃部端點(diǎn)A0絕對(duì)速度vA為

(17)

短刃部端點(diǎn)B0絕對(duì)速度vB為

(18)

為保證雙刃型旋耕刀正常工作,需實(shí)現(xiàn)長刃部和短刃部同步向后拋土,當(dāng)v1x>0,v2x>0時(shí),刀片與土壤相互擠壓,土壤向前堆積,無法向后拋土,需要保證v1x<0,v2x<0。驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)工作時(shí),機(jī)組前進(jìn)速度為1.11～1.67 m/s, 旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為290～360 r/min,旋耕速比系數(shù)λ按長刃部計(jì)算為4.55～8.48,長刃部與短刃部能夠正常向后拋土。旋耕速比系數(shù)為8.48時(shí),雙刃型旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖10 雙刃型旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

旋耕刀正切刃能夠橫向切開土壤,切出溝底,可切斷從側(cè)切刃滑移過來且尚未切斷的秸稈。旋耕刀片正切刃在切削過程中,若外磨刃面與未耕地土壤接觸,被擠壓入未耕地土壤中時(shí),會(huì)導(dǎo)致旋耕刀片耕深變淺,影響耕深穩(wěn)定性。以長刃部為研究對(duì)象對(duì)正切刃切削過程做出分析,雙刃型旋耕刀片長刃部正切刃切削過程如圖11所示。

圖11 正切刃切削過程示意圖

取雙刃型旋耕刀片長刃部端點(diǎn)在A1處轉(zhuǎn)角為0°,此時(shí)該點(diǎn)絕對(duì)速度為刀輥圓周速度ωR1與機(jī)組前進(jìn)速度之和。隨著刀輥轉(zhuǎn)角增加,絕對(duì)速度與圓周速度夾角逐漸增大,旋耕刀片正切刃端點(diǎn)絕對(duì)速度逐漸減少,點(diǎn)A1、A2絕對(duì)速度分別為

(19)

式中 Δα——點(diǎn)A2絕對(duì)速度與圓周速度ωR1夾角,(°)

vA1——點(diǎn)A1絕對(duì)速度,m/s

vA2——點(diǎn)A2絕對(duì)速度,m/s

A3為余擺線與不動(dòng)形心線C-C′的交點(diǎn),此時(shí)旋耕刀片端點(diǎn)絕對(duì)速度與圓周速度零夾角在該點(diǎn)有最大值Δαmax,其絕對(duì)速度與機(jī)具前進(jìn)速度垂直,可得

(20)

切削角α為磨刃面正面與余擺線切線的夾角。為保證旋耕刀片工作時(shí)刀背與土壤之間存在間隙,切削過程中在點(diǎn)A3處存在切削角αmin為

αmin=iv+Δε

(21)

式中iv——旋耕刀正切刃磨刃角,(°)

Δε——隙角,(°)

旋耕刀片安裝角γ為磨刃面正面與旋耕刀片運(yùn)動(dòng)半徑R1之間的夾角,為

(22)

旋耕刀片的刀背面臨界安裝角γ0計(jì)算式為

(23)

式中l(wèi)——旋耕刀片刃口寬度,mm

計(jì)算得出旋耕刀片刀背面臨界安裝角γ0為76.37°,臨界安裝角是為了避免旋耕刀正切刃切削過程中外磨刃面與未耕地土壤接觸的臨界值,在實(shí)際選用中刀背面安裝角γα應(yīng)小于臨界安裝角γ0;刀背面安裝角γα與安裝角的關(guān)系(γα=γ+iv)如圖12所示。

圖12 安裝角與刀背面安裝角

為了避免旋耕刀正切刃切削過程中外磨刃面與未耕地土壤接觸,應(yīng)盡量減小最小切削角變化范圍,但磨刃角iv過小容易導(dǎo)致刀片刃口損壞,參考旋耕刀片設(shè)計(jì)推薦值[18]設(shè)計(jì)磨刃角iv為20°,旋耕刀片安裝角γ為55°;聯(lián)合式(21)、(22)計(jì)算得出在旋耕速比系數(shù)為4.55～8.48之間變化時(shí)隙角Δε為1.31°～7.33°,符合旋耕刀片設(shè)計(jì)要求。

正切刃展開線可以是側(cè)切刃延長線替換偏心圓弧曲線,其設(shè)計(jì)要求為:正切面應(yīng)有一定的碎土翻土能力,保證工作質(zhì)量的同時(shí)盡量減少阻力。為保證雙刃型旋耕刀正切刃與側(cè)切刃滑切性能相同且兩者平滑過渡,長刃部正切刃使用阿基米德螺線,短刃部正切刃使用正弦指數(shù)曲線。且在黏重土壤工況下長刃部正切面與短刃部正切面之間應(yīng)不夾土、纏草,應(yīng)盡量減小兩正切面的重疊面積,設(shè)計(jì)長刃部正切刃工作幅寬b1為60 mm、短刃部正切刃工作幅寬b2為45 mm、折彎角β為70°、折彎半徑r0為30 mm。

2.3 雙刃型旋耕裝置刀輥設(shè)計(jì)與分析

長江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié),秸稈量大,該地區(qū)留茬高度一般在300～500 mm之間[1,19-20]。為避免旋耕刀輥大量纏繞秸稈,設(shè)計(jì)旋耕刀輥為滾筒式刀輥,且滾筒橫截面周長應(yīng)大于留茬長度。根據(jù)

C=πD1

(24)

式中C——刀輥橫截面周長,mm

D1——刀輥直徑,mm

計(jì)算確定雙刃型旋耕裝置刀輥直徑為152 mm。

旋耕刀片排列方式會(huì)影響旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量、功率消耗、機(jī)具平衡性等指標(biāo)。雙刃型旋耕裝置中,左刀輥和右刀輥為對(duì)稱結(jié)構(gòu),刀片在左、右刀輥上分別按照雙頭螺旋線排列方式排列,左右刀輥螺旋線旋向相反,升角相同。考慮與驅(qū)動(dòng)圓盤犁對(duì)土壤的作用,避免犁翻后土壤在兩側(cè)堆積造成機(jī)具堵塞,因此需要實(shí)現(xiàn)將犁翻后的土壤向機(jī)具中央輸送。為實(shí)現(xiàn)土壤向廂面內(nèi)側(cè)移動(dòng),旋耕刀按照倒U形安裝方式[21]安裝,即左刀輥安裝右彎型刀片,右刀輥安裝左彎形刀片。如圖13所示,作業(yè)時(shí)左彎刀向左后方拋土,右彎刀向右后方拋土,實(shí)現(xiàn)土壤向廂面內(nèi)側(cè)遷移。

圖13 犁旋配合作業(yè)示意圖

為避免同一切土小區(qū)內(nèi)刀片之間夾土,設(shè)計(jì)雙刃型旋耕裝置每個(gè)刀盤上安裝兩把雙刃型旋耕刀,同一切土小區(qū)內(nèi)兩把刀片夾角取180°,旋耕機(jī)刀輥上安裝刀片總數(shù)計(jì)算式為

(25)

其中

b′=b+Δb

(26)

式中b′——旋耕刀盤安裝間距,mm

b——旋耕刀工作幅寬,取b1、b2中較大值,mm

Δb——刀盤安裝間距與工作幅寬差值,mm

Z′——安裝旋耕刀總數(shù),取偶數(shù)

Z——單個(gè)切土小區(qū)旋耕刀數(shù)量

旋耕刀盤安裝間距應(yīng)大于旋耕刀工作幅寬,Δb常取15～20 mm[16],經(jīng)計(jì)算Z′≈26,即左右刀輥各安裝26把雙刃型旋耕刀片。左右刀輥初始位置安裝角度差為

(27)

式中ψ——左右刀輥安裝角度差,(°)

雙刃型旋耕裝置刀片排列示意圖如圖14所示。

圖14 雙刃型旋耕刀排列示意圖

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整的作業(yè)性能,應(yīng)用EDEM軟件構(gòu)建機(jī)具-土壤-秸稈仿真模型,由于油菜合理耕層的構(gòu)建需要完成前茬作物秸稈的處理和土壤上下層交換,因此仿真試驗(yàn)包括驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)對(duì)秸稈的埋覆性能仿真試驗(yàn)和交換土壤耕層性能仿真試驗(yàn)。

3.1 仿真模型建立

應(yīng)用SolidWorks軟件建立驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)仿真模型,除去雙圓盤、肥箱等結(jié)構(gòu),主要工作部件由驅(qū)動(dòng)圓盤犁組、雙刃型旋耕裝置、開畦溝前犁、開畦溝后犁組成,其結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 三維仿真模型

3.2 土壤-秸稈離散元模型建立

使用EDEM 2020軟件建立土壤-秸稈離散元模型。土壤接觸模型的選擇是影響離散元仿真試驗(yàn)的重要因素,為了模擬長江中下游地區(qū)土壤黏重工況,仿真使用Hertz-Mindlin with JKR模型。該模型引入顆粒間表面能和顆粒的黏性概念,適宜模擬黏重、可塑性強(qiáng)的土壤[22],土壤與工作部件之間的接觸模型為Hertz-Mindlin no Slip 模型。本文采用球形顆粒作為土壤模型,設(shè)置土壤顆粒直徑為12 mm;使用20個(gè)球形顆粒,組成長度為340 mm的長條模型作為秸稈顆粒。

建立長×寬×高為3 500 mm×3 000 mm×400 mm的土槽模型。參照文獻(xiàn)[23-25],設(shè)置土壤參數(shù):泊松比0.4、土壤密度2 680 kg/m3、土壤剪切模量2.8×107Pa;秸稈參數(shù):泊松比0.4、密度241 kg/m3、剪切模量1×106Pa;機(jī)具參數(shù):泊松比0.3、密度7 865 kg/m3、剪切模量7.9×1010Pa。模型接觸參數(shù)如表2所示。

表2 模型接觸參數(shù)

3.3 仿真過程

在EDEM軟件中調(diào)整驅(qū)動(dòng)圓盤犁組耕深為200 mm,雙刃型旋耕裝置耕深為150 mm;設(shè)置機(jī)具前進(jìn)速度為1.11 m/s,旋耕裝置轉(zhuǎn)速為290 r/min,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組轉(zhuǎn)速為135 r/min;設(shè)置Rayleigh時(shí)間步長為5%,網(wǎng)格尺寸為最小顆粒半徑的3倍,仿真總時(shí)間設(shè)置為10 s,儲(chǔ)存間隔0.01 s。本次仿真共生成416 136個(gè)土壤顆粒以及1 000個(gè)秸稈顆粒,仿真過程如圖16所示。秸稈埋覆過程如圖17所示。

圖16 仿真過程

圖17 離散元仿真秸稈埋覆過程

3.4 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

在土壤表面隨機(jī)設(shè)置3處厚度為200 mm、長度為500 mm、寬度為1 000 mm的測量區(qū)域,測量區(qū)域下方與地表平齊,計(jì)算地表秸稈質(zhì)量Wq,機(jī)具作業(yè)后重新計(jì)算地表剩余秸稈質(zhì)量Wh,整機(jī)仿真秸稈埋覆參數(shù)如表3所示。參考GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)械試驗(yàn)方法》,秸稈埋覆率Fb計(jì)算式為

表3 整機(jī)秸稈埋覆參數(shù)

(28)

通過EDEM后處理Geometry Bin模塊在整機(jī)工作后的土槽中選取長度為500 mm、寬度為500 mm、厚度為400 mm的土塊為分析區(qū)域;如圖18所示,將所選土塊表層厚度150 mm的區(qū)域等分為3層,每層厚度為50 mm,從上到下標(biāo)記每層土壤分別為顆粒1、顆粒2、顆粒3,隱藏秸稈顆粒,統(tǒng)計(jì)整機(jī)作業(yè)后每層土壤區(qū)域各顆粒的個(gè)數(shù)。

圖18 離散元仿真后土壤顆粒分布示意圖

對(duì)耕層土壤交換情況做出分析:在驅(qū)動(dòng)圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置的共同作用下,土壤耕層顆粒發(fā)生變化,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖19所示。整機(jī)作業(yè)后第1層土壤顆粒1占比44.53%,顆粒2占比37.73%,顆粒3占比17.74%;第2層土壤顆粒1占比28.65%,顆粒2占比40.89%,顆粒3占比30.46%;第3層土壤顆粒1占比26.84%,顆粒2占比28.71%,顆粒3占比44.44%;仿真試驗(yàn)證明整機(jī)作業(yè)后各層土壤交換程度高,土壤混合均勻。

圖19 離散元仿真后土壤顆粒分布

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)能夠有效地埋覆秸稈,整機(jī)作業(yè)后土壤耕層交換均勻,可適用于秸稈量大工況下田間工作。

4 田間試驗(yàn)

4.1 性能試驗(yàn)

4.1.1性能試驗(yàn)工況

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)作業(yè)性能進(jìn)行了田間性能試驗(yàn),試驗(yàn)于2022年9—10月在湖北省荊州市監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻-油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開展;在工況1開展整機(jī)與2BFQ-8型旋耕式油菜直播機(jī)作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn),在工況2開展驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)的性能驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)田塊采用稻-油輪作模式,田塊土壤為偏黏性土壤,工況1土壤條件下平均土壤堅(jiān)實(shí)度1 394.7 kPa、土壤含水率25.70%、秸稈含水率39.64%、秸稈量3.28 kg/m2、留茬高度506 mm;工況2土壤條件下平均土壤堅(jiān)實(shí)度2 274.4 kPa、土壤含水率33.27%、秸稈含水率29.87%、秸稈量1.51 kg/m2、留茬高度323 mm。

試驗(yàn)設(shè)備包括東方紅954型輪式拖拉機(jī)、驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)、2BFQ-8型旋耕式油菜直播機(jī)、土壤堅(jiān)實(shí)度儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司、精度±0.005% FS)、Trimble TX8型三維激光掃描儀、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、土壤取樣環(huán)刀等。

4.1.2性能試驗(yàn)方法

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與東方紅954型輪式拖拉機(jī)連接,調(diào)節(jié)三點(diǎn)懸掛裝置保證驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)圓盤犁耕作深度為200 mm,雙刃型旋耕裝置耕作深度為150 mm,調(diào)節(jié)拖拉機(jī)PTO輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min。機(jī)具每個(gè)作業(yè)行程直線作業(yè)50 m,取中間的行程30 m為穩(wěn)定測試區(qū)域。參考NY/T 499—2013《旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)械試驗(yàn)方法》和JB/T 10287—2015《驅(qū)動(dòng)圓盤犁》,確定以下試驗(yàn)指標(biāo):耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率、秸稈埋覆率、廂面平整度。相關(guān)的參數(shù)測量方法參照文獻(xiàn)[1,20,26]。

4.1.3性能試驗(yàn)結(jié)果

使用Trimble TX8型三維激光掃描儀測量工況1作業(yè)地表廂面質(zhì)量,并通過Trimble RealWorks導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用Matlab軟件生成三維激光掃描儀效果圖與廂面斷面如圖20所示,驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)作業(yè)后廂面平整,平均廂面平整度為24.3 mm。在工況1地塊土壤條件下,整機(jī)平均耕深、碎土率、秸稈埋覆率、耕深穩(wěn)定性系數(shù)和廂面平整度各項(xiàng)指標(biāo)均滿足油菜播種要求,工況1地塊田間性能對(duì)比效果如圖21所示,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在工況2地塊土壤條件下,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,作業(yè)效果如圖22所示,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足油菜播種要求。驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)較旋耕式油菜直播機(jī)平均碎土率提升8.94個(gè)百分點(diǎn),平均秸稈埋覆率提升24.23個(gè)百分點(diǎn)。在工況2地塊土壤條件下,整機(jī)平均碎土率為94.40%,平均秸稈埋覆率為95.20%(表5),滿足油菜直播要求。

圖20 三維激光掃描試驗(yàn)結(jié)果

圖21 對(duì)比試驗(yàn)效果(工況1)

圖22 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(工況2)

表4 田間性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(工況1)

表5 田間性能試驗(yàn)結(jié)果(工況2)

4.2 播種試驗(yàn)

4.2.1播種試驗(yàn)工況

為了進(jìn)一步驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)種床整備合理性,于2022年10月20日在湖北省荊州市監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻-油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開展播種試驗(yàn),試驗(yàn)田塊常年采用稻-油輪作模式,田塊土壤為偏黏性土,試驗(yàn)田塊工況參數(shù)如表6所示。

表6 播種試驗(yàn)工況參數(shù)

4.2.2播種試驗(yàn)效果

試驗(yàn)以東方紅954型拖拉機(jī)為動(dòng)力,整機(jī)加裝窩眼輪式排種器,開溝器選用雙圓盤式開溝器;播種行數(shù)為8行,調(diào)節(jié)行距240 mm;經(jīng)播量標(biāo)定后設(shè)置播量為1 462.5 g/hm2,播種油菜品種為華油雜62;施肥方式為旋耕混施,整機(jī)作業(yè)幅寬2.3 m,拖拉機(jī)前進(jìn)速度4 km/h。播種試驗(yàn)與出苗效果如圖23所示。

圖23 田間播種試驗(yàn)

4.3 田間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)在兩種工況下驅(qū)動(dòng)圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置共同作用能夠有效地埋覆地表秸稈,平均秸稈埋覆率為96.45%;整機(jī)作業(yè)后土壤細(xì)碎,平均碎土率為95.30%;整機(jī)耕深穩(wěn)定性系數(shù)在90%以上,平均廂面平整度為22 mm,且刀輥不纏草,機(jī)組通過性好;在工況1地塊下開展整機(jī)與2BFQ-8型旋耕式油菜直播機(jī)作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)較旋耕式油菜直播機(jī)平均碎土率提升8.94個(gè)百分點(diǎn),平均秸稈埋覆率提升24.23個(gè)百分點(diǎn)。油菜播種后,油菜出苗均勻,表明廂面質(zhì)量滿足油菜播種要求。

5 結(jié)論

(1)提出了先主動(dòng)犁耕后雙刃旋耕的聯(lián)合耕整工作方式;開展理論分析確定了驅(qū)動(dòng)圓盤犁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)圓盤犁組-開畦溝前犁布局方式;依據(jù)滑切原理確定了具有一對(duì)正切刃和側(cè)切刃的雙刃型旋耕刀片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。開展運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出雙刃型旋耕裝置的轉(zhuǎn)速范圍為290～360 r/min。根據(jù)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組結(jié)構(gòu)布局確定了雙刃型旋耕刀片按照雙頭螺旋線方式排列。

(2)建立了基于離散元方法的土壤-秸稈-機(jī)具仿真模型,仿真分析驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)秸稈埋覆性能與土壤耕層交換性能。仿真試驗(yàn)表明整機(jī)作業(yè)平均秸稈埋覆率為94.69%,且作業(yè)后土壤耕層交換混合均勻。

(3)田間性能試驗(yàn)表明,驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)通過性、適應(yīng)性好,兩種作業(yè)工況下整機(jī)作業(yè)平均廂面平整度為22 mm,平均碎土率為95.30%,平均秸稈埋覆率為96.45%;田間播種試驗(yàn)表明,整機(jī)播種后,油菜出苗均勻;廂面質(zhì)量滿足稻茬地表油菜直播種床整備的要求。