適配免耕播種單體的清秸裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯守印 紀(jì)張馳 薛東輝 王 星 馮斌杰 陳海濤,3

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省主要農(nóng)作物生產(chǎn)機(jī)械化材料化技術(shù)創(chuàng)新中心, 哈爾濱 150030;3.黑龍江東方學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150066)

0 引言

保護(hù)性耕作技術(shù)具有減少土壤風(fēng)蝕、水蝕,提高土壤肥力和抗旱能力,阻止土壤退化,改良土壤結(jié)構(gòu)等重要功能[1],是東北黑土地保護(hù)的重要舉措和保證糧食產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)的重要方法之一。東北地區(qū)秋季玉米秸稈產(chǎn)量較大[2],秸稈全量地表覆蓋還田條件下,春季免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)秸稈容易纏繞及堵塞播種、施肥和覆土鎮(zhèn)壓等觸土部件,導(dǎo)致播種和出苗質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成作物產(chǎn)量降低。高效的秸稈清理技術(shù)是解決免耕播種機(jī)秸稈堵塞、提高作業(yè)質(zhì)量和效率的核心,是保護(hù)性耕作技術(shù)推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)免耕播種機(jī)配套的清秸裝置主要包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式和被動(dòng)式兩種形式[3]。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式清秸裝置多利用高速旋轉(zhuǎn)的刀具對(duì)播種帶內(nèi)的秸稈進(jìn)行切削、沖擊破碎并與土壤適度混合,土壤擾動(dòng)量大、功耗高、作業(yè)效率低,同時(shí),高強(qiáng)度土壤耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及土壤生物群落破壞嚴(yán)重,不利于農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。被動(dòng)式清秸裝置依靠機(jī)具自重和土壤摩擦力的作用被動(dòng)旋轉(zhuǎn),將地表覆蓋的秸稈清理到播種帶兩側(cè),與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式清秸裝置相比具有土壤擾動(dòng)小、功耗低、能夠?qū)崿F(xiàn)高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn),但在秸稈覆蓋量較大條件下,作業(yè)質(zhì)量會(huì)顯著降低,影響免耕播種質(zhì)量和作業(yè)效率。東北地區(qū)保護(hù)性耕作技術(shù)實(shí)施過程中主要以同位仿形免耕播種機(jī)完成播種作業(yè),其裝配的同位仿形免耕播種單體配套的清秸裝置為被動(dòng)式。目前,對(duì)于適配同位仿形免耕播種單體的清秸裝置研究主要集中在通過改進(jìn)被動(dòng)式清秸裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工作參數(shù)來提高作業(yè)質(zhì)量。賈洪雷等[4]針對(duì)東北地區(qū)保護(hù)性耕作模式,基于2BMZF-2型免耕播種機(jī),改進(jìn)設(shè)計(jì)一種具有凹面結(jié)構(gòu)的秸稈清理裝置,分析了作業(yè)速度、入土深度和運(yùn)動(dòng)偏角對(duì)清茬效果的影響。王奇等[5]通過離散元仿真的方法對(duì)星齒凹面盤式清茬防堵裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),確定了星齒凹面盤的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。曹鑫鵬等[6]為解決清理后的播種帶秸稈回流問題設(shè)計(jì)了一種撥茬齒盤,對(duì)影響撥茬齒盤作業(yè)性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析,確定了撥茬齒盤最佳工作參數(shù)。GURSOY[7]和RAOUFAT等[8]針對(duì)安裝清秸裝置和不安裝清秸裝置對(duì)免耕播種作業(yè)速度、秸稈被壓入土壤概率和出苗質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。LEKAVICIENE等[9]通過改變清秸裝置滑移角、齒盤間隙和作業(yè)速度分析清秸率變化規(guī)律。SIEMENS等[10]設(shè)計(jì)了一種銳角開溝器配套使用秸稈清理裝置,并與未加裝清秸裝置機(jī)具進(jìn)行了作物出苗對(duì)比試驗(yàn)。

基于上述研究現(xiàn)狀,結(jié)合東北地區(qū)秸稈覆蓋量及免耕播種需求,本文設(shè)計(jì)一種適用于重度秸稈覆蓋地區(qū)的具有秸稈軸向加速推送功能的清秸裝置,通過分析清秸裝置清理秸稈機(jī)理,完成關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)并確定影響其工作性能主要參數(shù)及取值范圍。在此基礎(chǔ)上,采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法,在構(gòu)建的EDEM-ADAMS聯(lián)合仿真試驗(yàn)平臺(tái)上,通過虛擬仿真試驗(yàn)確定影響清秸裝置工作性能最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果。

1 清秸裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1.1結(jié)構(gòu)組成

清秸裝置與免耕播種單體配置關(guān)系及結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,免耕播種單體包括機(jī)架、仿形機(jī)構(gòu)、排種器、清秸裝置、破茬圓盤、仿形輪和覆土鎮(zhèn)壓裝置等,其中清秸裝置主要由支撐臂、調(diào)節(jié)凸輪、清秸輪和助推螺旋組成,清秸輪與助推螺旋剛性連接,工作時(shí)共同繞回轉(zhuǎn)中心自轉(zhuǎn),助推螺旋由圓錐凸臺(tái)和葉片焊接而成。清秸裝置與機(jī)架剛性連接,通過調(diào)節(jié)凸輪可調(diào)整清秸輪和助推螺旋與機(jī)架相對(duì)位置,從而保證清秸輪接地壓力,降低清秸輪和助推螺旋滑轉(zhuǎn)率,保證秸稈清理質(zhì)量和工作效率。

圖1 清秸裝置與免耕播種單體配置關(guān)系及結(jié)構(gòu)組成

1.1.2工作原理

以清秸輪回轉(zhuǎn)中心o為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,如圖2a所示,機(jī)具前進(jìn)方向與x軸正方向重合。假設(shè)播種單體在拖拉機(jī)牽引下保持勻速直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸正方向,并且清秸輪作純滾動(dòng)、無滑移。

圖2 清秸裝置工作原理

清秸輪輪齒的任意一端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為一條空間曲線,將其運(yùn)動(dòng)軌跡投影到xoz面內(nèi),如圖2b所示,可將清秸輪齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分解為從點(diǎn)a到點(diǎn)b0的純滾動(dòng)和從點(diǎn)b0到點(diǎn)b的平移運(yùn)動(dòng),從清秸輪運(yùn)動(dòng)軌跡合成角度可以發(fā)現(xiàn)清秸輪具有在其回轉(zhuǎn)平面的法向方向推運(yùn)秸稈的功能;將運(yùn)動(dòng)軌跡投影到xoy面內(nèi),如圖2d所示,輪齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為一固定擺線,輪齒對(duì)秸稈無向后拋撒作用。通過上述分析,清秸輪主要通過清秸輪回轉(zhuǎn)平面對(duì)播種帶上的秸稈沿回轉(zhuǎn)平面軸向側(cè)向推運(yùn)從而實(shí)現(xiàn)秸稈清理,如圖2c所示。由于東北地區(qū)玉米秸稈量較大,當(dāng)免耕播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)清秸輪不能將秸稈及時(shí)推送至播種帶外,秸稈很容易在清秸輪前方積聚,積聚秸稈會(huì)導(dǎo)致免耕播種作業(yè)的清秸率降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成觸土部件的堵塞,機(jī)具無法正常作業(yè)。

通過上述分析,為提高清秸裝置在重度秸稈覆蓋條件下的高速作業(yè)性能,基于同位仿形免耕播種單體,本文設(shè)計(jì)一種具有秸稈助推功能清秸裝置,助推螺旋固定在清秸輪的外側(cè),隨清秸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。助推螺旋可加速將積聚在清秸輪回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的秸稈軸向推運(yùn)至播種條帶兩側(cè),達(dá)到播種帶秸稈清理,提高機(jī)具通過性和播種質(zhì)量。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1清秸輪設(shè)計(jì)

清秸裝置的清秸幅寬設(shè)計(jì)主要根據(jù)玉米種植農(nóng)藝要求。清秸幅寬過小時(shí),影響開溝、仿形以及覆土鎮(zhèn)壓效果;清秸幅寬過大時(shí),機(jī)具牽引阻力和土壤擾動(dòng)量增大,高速作業(yè)時(shí)秸稈積聚現(xiàn)象嚴(yán)重。清秸裝置清理秸稈動(dòng)力通過清秸輪與土壤相互作用傳遞,圖3為清秸輪工作位置簡(jiǎn)圖,點(diǎn)M、N是清秸輪外徑與地表交點(diǎn)。清秸輪與地表相交的寬度LMN可表示為

圖3 清秸輪工作位置簡(jiǎn)圖

(1)

式中R——清秸輪半徑,mm

H——入土深度,mm

本次設(shè)計(jì)清秸裝置的清秸輪采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置,為防止清秸輪間秸稈堵塞,兩清秸輪間預(yù)留一定量間隙,如圖4所示,結(jié)合圖2和圖3,清秸裝置的清秸幅寬可表示為

圖4 清秸輪清秸幅寬示意圖

B=(LMN+2R)sinα+b

(2)

式中B——清秸幅寬,mm

α——工作偏角,(°)

b——清秸輪間隙,mm

由式(2)可知,清秸幅寬與清秸輪半徑、入土深度、工作偏角、清秸輪間隙有關(guān)。當(dāng)清秸輪半徑一定時(shí),清秸幅寬隨工作偏角增大而增大;當(dāng)工作偏角一定時(shí),清秸幅寬隨著清秸輪半徑增大而增大。

可根據(jù)清秸輪入土深度和秸稈厚度確定清秸輪半徑,其經(jīng)驗(yàn)公式[11]為

(3)

式中K——徑深比

東北地區(qū)春季播種作業(yè)時(shí)地表秸稈厚度為40～50 mm,為保證清秸輪能夠有效轉(zhuǎn)動(dòng),設(shè)計(jì)清秸輪的入土深度為20 mm,設(shè)計(jì)深度為秸稈及土壤層深度,選取徑深比為5[5],代入式(3)可得清秸輪半徑為175 mm。根據(jù)免耕播種的作業(yè)要求,玉米播種帶寬度為140～320 mm[12],在兩個(gè)清秸輪中間設(shè)置間隙10～30 mm能夠提高清秸裝置的通過性[13],將已知參數(shù)代入式(2),確定滿足清秸幅寬條件的工作偏角為15°～35°。

清秸輪作業(yè)過程中應(yīng)保證將秸稈及時(shí)推出播種帶的同時(shí)秸稈能夠順利脫離清秸輪,清秸輪輪齒形狀對(duì)秸稈纏繞影響較大,清秸輪輪齒形狀設(shè)計(jì)不合理,將導(dǎo)致秸稈纏繞,嚴(yán)重時(shí)造成清秸裝置堵塞[14]?；薪鞘乔褰蛰嗇嘄X曲線上任一點(diǎn)的速度矢量與該點(diǎn)輪齒曲線法線之間所夾銳角。滑切角是清秸輪輪齒形狀設(shè)計(jì)的重要參數(shù),合理的設(shè)計(jì)可有效避免清秸輪纏繞秸稈[15]。滑切角應(yīng)大于部件與秸稈間的摩擦角[16],當(dāng)選取滑切角較小時(shí),清秸輪輪齒曲線曲率半徑較大,曲線平直,秸稈不易脫離輪齒,導(dǎo)致秸稈纏繞、堵塞;當(dāng)選取滑切角過大時(shí),秸稈在輪齒上滑移能力增強(qiáng),雖然秸稈容易從清秸輪輪齒上脫離,但會(huì)導(dǎo)致輪齒曲線的長(zhǎng)度增加,相同入土深度下,輪齒在土壤中的面積增大,增大工作阻力并加劇了輪齒磨損[17]。如圖5所示,本次設(shè)計(jì)清秸輪的輪齒曲線由直線和偏心圓的一部分弧長(zhǎng)組成。

圖5 清秸輪輪齒形狀

由圖5可得輪齒偏心直線方程為

ρsinτ-e1=0

(4)

式中e1——偏心直線的偏心距,mm

ρ——輪齒曲線上任一點(diǎn)的向徑,mm

τ——輪齒曲線上向徑點(diǎn)ρ處滑切角,(°)

同理,由圖5可得輪齒偏心圓弧曲線方程為

(5)

式中e2——偏心圓弧的偏心距,mm

R1——偏心圓半徑,mm

當(dāng)輪齒偏心圓弧曲線選擇較小的e2/R1時(shí),輪齒曲線的滑切性能較好,但當(dāng)選擇e2/R1過小時(shí),輪齒弧線和懸臂長(zhǎng)度增長(zhǎng),導(dǎo)致輪齒根部強(qiáng)度降低,容易折斷。參照文獻(xiàn)[5,18],當(dāng)e2/R1選取0.74時(shí),清秸輪輪齒具有較好的作業(yè)性能,故本文輪齒弧線的e2/R1選為0.74。設(shè)計(jì)清秸輪齒根圓半徑為60 mm,最大滑切角為60°,由式(4)可得,偏心直線的偏心距為52 mm。同理,輪齒偏心圓弧曲線在齒頂圓處最大滑切角為60°,由式(5)可得偏心圓半徑為124 mm,偏心圓弧偏心距為91 mm。

為保證清秸輪能夠連續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng),降低滑移,同時(shí)為了避免相鄰輪齒根部空間過小而夾塞秸稈,需要正確確定清秸輪輪齒數(shù)。清秸輪輪齒數(shù)可表示為

(6)

式中N——清秸輪輪齒數(shù)

l——清秸輪齒長(zhǎng),mm

s——相鄰齒根弦長(zhǎng),mm

當(dāng)清秸輪直徑和清秸輪齒長(zhǎng)確定后,隨著輪齒數(shù)增加,相鄰齒根弦長(zhǎng)會(huì)減小。清秸輪輪齒數(shù)較多時(shí),相鄰齒根弦長(zhǎng)較小,易出現(xiàn)秸稈堵塞,清秸輪輪齒數(shù)較少時(shí),清秸輪轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn),易出現(xiàn)滑移,相鄰齒根弦長(zhǎng)應(yīng)大于秸稈直徑,本文相鄰齒根弦長(zhǎng)設(shè)計(jì)為26 mm,由式(6)可得清秸輪輪齒數(shù)為14。

1.2.2助推螺旋設(shè)計(jì)

對(duì)秸稈在助推螺旋上受力進(jìn)行分析。為便于分析,將秸稈視為質(zhì)點(diǎn),將螺旋面視為斜直線,秸稈受力如圖6a所示。

圖6 秸稈受力與運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)秸稈位于助推螺旋的葉片上時(shí),秸稈受到垂直于螺旋面的法向推力與沿螺旋面的摩擦力,如需秸稈沿軸向移動(dòng),需要法向推力的軸向分力大于軸向阻力,即需要滿足

Fntanβsinθ

(7)

式中θ——螺旋升角,(°)

Fn——法向推力,N

β——摩擦角,(°)

整理式(7)可得

θ<90°-β

(8)

助推螺旋與玉米秸稈最大摩擦角為33°,由式(8)可得螺旋升角小于57°,為便于試驗(yàn)研究,本文設(shè)計(jì)助推螺旋的螺旋升角最大值為60°。

(9)

其中

(10)

式中v——絕對(duì)速度,m/s

vx——軸向速度,m/s

vy——徑向速度,m/s

vr——牽連速度,m/s

n——助推螺旋轉(zhuǎn)速,r/min

S——螺距,mm

最終西雙借出三萬。因?yàn)楦鶕?jù)那位醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，樓蘭從現(xiàn)在到病死，還得消耗三萬塊錢。他甚至能夠推斷出樓蘭的死期，描敘出樓蘭臨死的表情。當(dāng)然，醫(yī)生補(bǔ)充一句，像她這種狀況，隨時(shí)都有可能死掉。西雙從醫(yī)院出來就分別給同事香格、北黛和呼倫打了電話，向他們每人借了三千塊錢，加上羅衫的一萬，再加上自己的一萬一千，正好湊夠三萬塊。在羅衫的單身公寓里，西雙把一沓錢甩得啪啪脆響，三萬塊吶！我怎么這么偉大？羅衫說這是你借給她們的又不是捐給她們的，你一點(diǎn)兒損失也沒有。西雙說萬一她們沒有能力償還呢？羅衫說那你就把我們的錢先還上再說。放心，我會(huì)給你編書立傳……

整理式(9)得

(11)

由式(11)可知,隨螺旋升角增大,秸稈軸向速度減小,為使秸稈獲得較大軸向速度,螺旋角不易選擇過大,但過小螺旋升角又容易導(dǎo)致秸稈在助推螺旋上滑移,綜合上述因素最小螺旋角初定為20°,螺旋升角確定為20°～60°。

在忽略螺旋葉片與秸稈的摩擦,并且秸稈軸向速度與螺旋面推運(yùn)速度相等的情況下,助推螺旋的秸稈輸送量可表示為

(12)

式中Q——輸送量,kg/s

D——螺旋葉片直徑,mm

d——圓錐凸臺(tái)直徑,mm

φ——填充系數(shù)

ρ0——秸稈堆積密度,kg/m3

由式(12)可知,當(dāng)物料和螺旋升角確定時(shí),影響輸送量的因素有助推螺旋轉(zhuǎn)速、螺旋葉片直徑和螺距,并且各因素均與輸送量正相關(guān),所以,在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)選擇較大的螺距和螺旋葉片直徑,但由于螺旋葉片直徑受清秸輪直徑限制,本次設(shè)計(jì)螺旋葉片最大直徑為300 mm。

參照文獻(xiàn)[11],標(biāo)準(zhǔn)水平螺旋輸送機(jī)螺距可表示為

S=(0.8～1.0)D

(13)

由式(13)可知,螺距的選取與螺旋葉片直徑相關(guān),本文研究的輸送物料為玉米秸稈,物料形狀和尺寸均不規(guī)則,選取較大螺距,本文設(shè)計(jì)螺距為240～300 mm。

圓錐凸臺(tái)直徑與螺旋葉片直徑的關(guān)系[11]可表示為

d=(0.2～0.35)D

(14)

由式(14)可得圓錐凸臺(tái)最大直徑105 mm,最小直徑為48 mm,助推螺旋葉片厚度設(shè)計(jì)為2 mm,材料選擇Q235,螺旋葉片數(shù)初步設(shè)定為2～6,助推螺旋結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 助推螺旋結(jié)構(gòu)圖

2 基于EDEM-ADAMS聯(lián)合仿真試驗(yàn)

清秸裝置作業(yè)過程中涉及的秸稈、土壤均具有離散特性,利用離散單元法進(jìn)行仿真分析,不僅能清晰觀察到秸稈和土壤作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而且能克服環(huán)境條件的影響,降低試驗(yàn)裝置的加工成本,縮短試驗(yàn)的周期。單一采用離散元軟件EDEM仿真無法模擬清秸輪在外力作用下的被動(dòng)旋轉(zhuǎn),所以采用離散元仿真軟件EDEM和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS聯(lián)合仿真。為探究各因素對(duì)清秸裝置工作性能的影響規(guī)律,采用聯(lián)合仿真與二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究[19]。

2.1 ADAMS仿真平臺(tái)構(gòu)建

在ADAMS軟件中構(gòu)建清秸裝置的運(yùn)動(dòng)模型,EDEM軟件中清秸裝置的位置可以通過仿真接口與ADAMS中模型的位置保持同步,從而在EDEM中實(shí)現(xiàn)裝置的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。對(duì)SolidWorks中構(gòu)建的清秸裝置三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,保留對(duì)仿真結(jié)果影響重要的零件[20-21],在ADAMS中對(duì)清秸裝置添加約束及驅(qū)動(dòng),其中包括旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副和直線運(yùn)動(dòng)等,同時(shí),對(duì)G-Force進(jìn)行設(shè)置,將G-Force的位置設(shè)置在每個(gè)部件的質(zhì)心處,G-Force的局部坐標(biāo)系與ADAMS軟件的全局坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的方向保持一致,ADAMS軟件中構(gòu)建的清秸裝置運(yùn)動(dòng)模型如圖8所示。

圖8 清秸裝置運(yùn)動(dòng)仿真模型

2.2 EDEM仿真平臺(tái)構(gòu)建

由于實(shí)際土壤環(huán)境比較復(fù)雜,在仿真試驗(yàn)中假定土壤模型為球狀且土壤顆粒大小都相等,忽略土壤中的碎石、砂粒等,選擇模擬土壤顆粒直徑為5 mm。將土壤顆粒通過重力沉積方法在長(zhǎng)×寬×高為1 000 mm×5 000 mm×250 mm的虛擬土槽中生成40 mm的土壤層,在土壤層上方加載生成實(shí)測(cè)土壤密度所需垂直載荷,使虛擬土壤層與實(shí)際土壤層特性保持一致[22]。為使生成的土壤層在物理特性上更加接近真實(shí)土壤,采用Hertz-Mindlin with JKR模型,清秸裝置與土壤、土壤與土壤表面接觸能分別為6.8 J/m2和3.5 J/m2[23-26]。根據(jù)秸稈幾何尺寸測(cè)量,試驗(yàn)玉米秸稈實(shí)際長(zhǎng)度為5～12 cm,對(duì)秸稈模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用10個(gè)球心間隔10 mm、直徑10 mm的球連接而成秸稈模型[4-5,27],通過顆粒工廠生成,均勻鋪設(shè)在土壤層上。將SolidWorks中簡(jiǎn)化的清秸裝置三維模型導(dǎo)入到EDEM中,將清秸裝置材質(zhì)設(shè)置為Q235,參照文獻(xiàn)[22],確定各材料接觸和本征參數(shù)如表1所示。

表1 材料接觸和本征參數(shù)

2.3 仿真試驗(yàn)方案

在構(gòu)建的EDEM和ADAMS仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上,通過ADAMS Co-simulation和二次開發(fā)API耦合配置文件建立EDEM-ADAMS聯(lián)合仿真平臺(tái)。為探究清秸裝置主要參數(shù)對(duì)作業(yè)性能的影響,采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法,以作業(yè)速度、工作偏角、螺旋升角、螺旋葉片數(shù)為試驗(yàn)因素,清秸率、工作阻力為性能評(píng)價(jià)指標(biāo),根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)確定試驗(yàn)因素取值范圍:作業(yè)速度為5.4～12.6 km/h、工作偏角為15°～35°、螺旋升角為20°～60°、螺旋葉片數(shù)為2～6片。因素編碼如表2所示,仿真試驗(yàn)過程如圖9所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼

圖9 EDEM-ADAMS聯(lián)合仿真試驗(yàn)過程

2.4 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

清秸率是指清秸裝置作業(yè)前后清秸幅寬內(nèi)剩余秸稈量與原秸稈量的比值。在EDEM中可以通過后處理模塊的grain in group功能測(cè)量作業(yè)前后清秸幅寬區(qū)域(完成清秸作業(yè)后在清秸幅寬內(nèi)隨機(jī)選取4個(gè)長(zhǎng)為180 mm區(qū)域)內(nèi)的秸稈質(zhì)量,清秸率計(jì)算公式可表示為

(15)

式中p——清秸率,%

Wh——測(cè)區(qū)作業(yè)后秸稈量,kg

Wq——測(cè)區(qū)作業(yè)前秸稈量,kg

工作阻力是指在作業(yè)過程中清秸裝置所受到的阻力?？赏ㄟ^ADAMS中的Postprocessor繪制工作阻力曲線,提取清秸裝置穩(wěn)定作業(yè)后的工作阻力,以平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2.5 結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示,共計(jì)25種參數(shù)組合,中心點(diǎn)組合試驗(yàn)重復(fù)12次。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

通過對(duì)虛擬仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),隨作業(yè)速度增加,清秸輪轉(zhuǎn)速增加,但清秸輪實(shí)際轉(zhuǎn)速比理論轉(zhuǎn)速平均下降32%,說明清秸輪在清理秸稈過程中存在較大滑移,并且滑移率隨作業(yè)速度增大呈先增大后減小趨勢(shì)。清秸輪滑移對(duì)清秸裝置工作質(zhì)量影響較大,說明被動(dòng)式清秸裝置在較低或較高作業(yè)速度條件下應(yīng)用會(huì)受到限制,這也同樣驗(yàn)證了同位仿形免耕播種機(jī)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中,機(jī)具起步階段速度較低易出現(xiàn)秸稈堵塞現(xiàn)象。

不同參數(shù)組合條件下秸稈在清秸裝置的作用下均表現(xiàn)出相似的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和速度云圖如圖10所示,秸稈主要由清秸輪和助推螺旋沿清秸輪回轉(zhuǎn)平面法向推運(yùn),較少部分秸稈被清秸輪輪齒回帶后拋出,這也說明了上述對(duì)清秸輪輪齒形狀設(shè)計(jì)較為合理。由圖10可以發(fā)現(xiàn),作業(yè)速度增加會(huì)顯著提高秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)速度,即可以提高清秸裝置推運(yùn)秸稈效率,但是由于清秸裝置為被動(dòng)式,隨著清秸裝置推運(yùn)秸稈速度增大,機(jī)具作業(yè)速度也會(huì)增大,單位時(shí)間內(nèi)積聚的秸稈量也增加,如圖10r所示,當(dāng)速度過大時(shí)仍會(huì)導(dǎo)致清秸率降低。由于清秸裝置采用被動(dòng)式,作業(yè)過程中依靠土壤反力和牽引力形成的力偶被動(dòng)旋轉(zhuǎn),并且入土深度較小,所以對(duì)土壤擾動(dòng)量較小,土壤擾動(dòng)情況如圖10所示,雖然清秸裝置的清秸輪設(shè)計(jì)時(shí)采用對(duì)稱布置,但從土壤擾動(dòng)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)稱布置的清秸輪并未產(chǎn)生對(duì)稱布置的溝形,這與實(shí)際生產(chǎn)過程相似。工作偏角和作業(yè)速度對(duì)土壤擾動(dòng)影響較大,如圖10s、10t所示,當(dāng)工作偏角較大時(shí),由土壤擾動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)溝形較相似,土壤擾動(dòng)量較大;如圖10q、10r所示,當(dāng)作業(yè)速度較小時(shí),由土壤擾動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)溝形較相似,土壤擾動(dòng)量較越小。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,如表4所示。螺旋升角對(duì)清秸率具有顯著影響,作業(yè)速度、工作偏角、螺旋葉片數(shù)對(duì)清秸率具有極顯著影響,影響由大至小依次為作業(yè)速度、工作偏角、螺旋葉片數(shù)、螺旋升角,工作偏角和螺旋葉片數(shù)之間的交互作用對(duì)清秸率有極顯著影響;螺旋升角對(duì)工作阻力具有顯著影響,作業(yè)速度、工作偏角、螺旋葉片數(shù)對(duì)工作阻力均具有極顯著影響,影響由大至小依次為作業(yè)速度、工作偏角、螺旋葉片數(shù)、螺旋升角,作業(yè)速度和工作偏角之間的交互作用對(duì)阻力有極顯著影響。

表4 方差分析

2.5.1各因素對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

作業(yè)速度和螺旋升角對(duì)清秸率的影響規(guī)律如圖11a所示,當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí),清秸率隨螺旋升角增大而降低,主要是由于在螺距和助推螺旋轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨螺旋升角的增大,助推螺旋對(duì)秸稈產(chǎn)生的軸向速度降低,當(dāng)軸向速度較小時(shí),部分秸稈無法清理,清秸率降低,這與理論分析結(jié)果一致。當(dāng)螺旋升角一定時(shí),清秸率隨作業(yè)速度增大而增大,主要由于清秸輪是被動(dòng)旋轉(zhuǎn),當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度增大,清秸輪的轉(zhuǎn)速隨之增大,助推螺旋軸向推運(yùn)秸稈效率提高,清秸率升高。

圖11 各因素對(duì)清秸率的影響

工作偏角和螺旋葉片數(shù)對(duì)清秸率的影響規(guī)律如圖11b所示,當(dāng)工作偏角小于20°時(shí),清秸率隨螺旋葉片數(shù)增多而升高,工作偏角在20°～35°之間時(shí),清秸率隨螺旋葉片數(shù)增多呈先增大后減小的趨勢(shì),這主要是由于,當(dāng)工作偏角較小時(shí),清秸輪前方積聚的秸稈量少,隨著螺旋葉片數(shù)的增多,螺旋葉片清理秸稈的頻率變大,積聚的秸稈清理徹底,清秸率升高。當(dāng)工作偏角大于20°時(shí),清秸輪前方容易積聚秸稈,當(dāng)螺旋葉片數(shù)過多時(shí),葉片間距減小,進(jìn)入葉片間隙中的秸稈不能及時(shí)排出,導(dǎo)致助推螺旋清秸功能減弱,清秸率降低。

工作偏角和作業(yè)速度對(duì)清秸率的影響規(guī)律如圖11c所示,當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí),清秸率隨工作偏角的增大而升高,主要是由于隨著工作偏角的增大,清秸裝置的清秸幅寬變大,清秸輪與秸稈接觸面積增大,清理秸稈效果提高,清秸率隨之升高。

作業(yè)速度和工作偏角對(duì)工作阻力的影響規(guī)律如圖12a所示,當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí),工作阻力隨工作偏角增大而增大,當(dāng)作業(yè)速度小于7.2 km/h時(shí)阻力總體變化不明顯,這主要是由于工作偏角越大,清秸輪有效作業(yè)幅寬也隨之增加,增大了清秸輪與土壤、秸稈的有效接觸面積,工作阻力增大。當(dāng)作業(yè)速度較小時(shí),清秸輪前方積聚的秸稈量小,工作偏角的增大對(duì)阻力的影響小,說明在試驗(yàn)條件下,工作偏角對(duì)阻力影響遠(yuǎn)小于作業(yè)速度。

圖12 各因素對(duì)工作阻力的影響

螺旋升角和螺旋葉片數(shù)對(duì)阻力的影響規(guī)律如圖12b所示,當(dāng)螺旋葉片數(shù)一定時(shí),工作阻力隨螺旋升角增大而增大,主要是由于隨著螺旋升角增大,螺旋葉片與土壤、秸稈的有效接觸面積在前進(jìn)方向上的接觸面積增大,工作阻力隨之增大;當(dāng)螺旋升角一定時(shí),工作阻力隨螺旋葉片數(shù)增多而增大,主要是由于螺旋葉片接觸秸稈的頻率升高,工作阻力增大。

作業(yè)速度和螺旋升角對(duì)阻力的影響規(guī)律如圖12c所示,當(dāng)螺旋升角一定時(shí),工作阻力隨作業(yè)速度增大而增大,主要是由于作業(yè)速增大,清秸裝置前方堆積的秸稈量增加,工作阻力增大。

2.5.2參數(shù)組合優(yōu)化

優(yōu)化原則為保證播種單體工作性能前提下,提高作業(yè)效率。在作業(yè)速度為5.4～12.6 km/h、工作偏角為15°～35°、螺旋升角為20°～60°、螺旋葉片數(shù)為2～6約束條件下,以清秸率獲取最大值、工作阻力獲取最小值為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)和約束條件可表示為

(16)

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化。考慮到工作偏角在工作過程中可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,作業(yè)速度會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化,所以,本文在螺旋升角為40°,螺旋葉片數(shù)為4的條件下進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如圖13所示。圖中黃色區(qū)域?yàn)樽罴压ぷ鲄^(qū)域,當(dāng)作業(yè)速度7.5～10.7 km/h、工作偏角20.0°～32.5°時(shí),清秸率大于85%,工作阻力小于110 N,優(yōu)化結(jié)果滿足免耕播種相關(guān)農(nóng)藝要求。

圖13 優(yōu)化結(jié)果

3 田間試驗(yàn)

根據(jù)參數(shù)組合優(yōu)化結(jié)果完成試驗(yàn)樣機(jī)加工、裝配以及調(diào)試后進(jìn)行田間試驗(yàn),如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)儀器設(shè)備連接與評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)量

試驗(yàn)主要儀器與裝置如圖14a所示,包括604型拖拉機(jī)(中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司)、三點(diǎn)懸掛試驗(yàn)機(jī)架、清秸裝置、田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院)、TZS-1型土壤濕度計(jì)(浙江托普儀器有限公司)、PV6.08型土壤硬度計(jì)(荷蘭Eijkelkamp公司)、ACS-30型電子秤(永康市華鷹衡器有限公司)、數(shù)碼攝像機(jī)、皮尺(量程:30 m,精度:1 cm)、卷尺(量程:5 m,精度:1 mm)、秒表等。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定方法

清秸率采用人工方法測(cè)量。試驗(yàn)前,在測(cè)試長(zhǎng)度20 m內(nèi)平均選取4個(gè)位置,測(cè)量長(zhǎng)度為180 mm清秸幅寬內(nèi)秸稈質(zhì)量,測(cè)量結(jié)束后將秸稈鋪放回原位并做好標(biāo)記,試驗(yàn)后,對(duì)標(biāo)定位置秸稈質(zhì)量再次測(cè)量,應(yīng)用式(15)計(jì)算清秸率,取4組數(shù)據(jù)平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。

工作阻力采用田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量和采集。每組試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)度為20 m,提取清秸裝置穩(wěn)定作業(yè)后的工作阻力數(shù)據(jù),取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證聯(lián)合仿真結(jié)果的正確性,對(duì)仿真試驗(yàn)優(yōu)化的最優(yōu)參數(shù)組合裝置進(jìn)行田間試驗(yàn),即加工工作偏角30°、螺旋升角40°和螺旋葉片數(shù)4的清秸裝置安裝在三點(diǎn)懸掛試驗(yàn)機(jī)架上,在作業(yè)速度為8、9、10 km/h條件下進(jìn)行測(cè)試。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,在各作業(yè)速度條件下清秸率均大于82%,工作阻力均小于112 N,清秸率、工作阻力測(cè)量結(jié)果與仿真試驗(yàn)基本一致。由于仿真試驗(yàn)所構(gòu)建的土壤以及秸稈模型相對(duì)理想,無法準(zhǔn)確模擬出復(fù)雜的田間環(huán)境,同時(shí),田間作業(yè)過程中,受自然風(fēng)影響導(dǎo)致清理后的秸稈存在回流到播種帶內(nèi),影響清秸率測(cè)量,所以田間試驗(yàn)清秸率略低于仿真試驗(yàn)結(jié)果,實(shí)際工作阻力的結(jié)果高于仿真試驗(yàn)的結(jié)果,但誤差均在允許范圍,田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明聯(lián)合仿真優(yōu)化結(jié)果可信。

3.3 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比優(yōu)化清秸裝置和未優(yōu)化清秸裝置對(duì)播種帶的清理效果以及工作阻力,在作業(yè)速度8、9、10 km/h進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖15所示,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明,未優(yōu)化清秸裝置在作業(yè)速度為8 km/h時(shí),清秸率為76.1%,作業(yè)速度為10 km/h時(shí),清秸率為63.2%,高速作業(yè)時(shí)清秸率較低,并且秸稈積聚堵塞播種、施肥觸土部件。優(yōu)化清秸裝置在3種作業(yè)速度條件下均具有良好的秸稈清理效果,清秸率均大于82%,作業(yè)速度10 km/h下相對(duì)未優(yōu)化清秸裝置清秸率提高33.5%。在作業(yè)速度8、9 km/h時(shí),未優(yōu)化清秸裝置工作阻力小于優(yōu)化清秸裝置,隨著作業(yè)速度的增加,當(dāng)作業(yè)速度為10 km/h時(shí),兩種清秸裝置的工作阻力無顯著性差異。

表5 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖15 田間對(duì)比試驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)針對(duì)同位仿形免耕播種單體,改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種具有秸稈軸向加速推送功能的清秸裝置,為重度秸稈覆蓋、高速作業(yè)條件下免耕播種秸稈清理提供了技術(shù)支持。

(2)確定了影響清秸裝置清秸率和工作阻力主要因素,各因素對(duì)清秸率影響顯著性由大至小依次為作業(yè)速度、工作偏角、螺旋葉片數(shù)、螺旋升角,工作偏角和螺旋葉片數(shù)之間的交互作用對(duì)清秸率具有極顯著影響;各因素對(duì)工作阻力影響顯著性由大至小依次為作業(yè)速度、工作偏角、螺旋葉片數(shù)、螺旋升角,作業(yè)速度和工作偏角之間的交互作用對(duì)工作阻力具有極顯著影響。優(yōu)化參數(shù)組合為螺旋升角40°、螺旋葉片數(shù)4、作業(yè)速度7.5～10.7 km/h、工作偏角20.0°～32.5°時(shí),清秸率大于85%,工作阻力小于110 N。

(3)田間試驗(yàn)表明,優(yōu)化清秸裝置在作業(yè)速度8、9、10 km/h條件下均具有良好的秸稈清理效果,清秸率均大于82%。作業(yè)速度10 km/h時(shí),相對(duì)未優(yōu)化清秸裝置清秸率提高33.5%,兩種清秸裝置的工作阻力無顯著性差異。