油菜機(jī)械直播機(jī)開(kāi)溝淺旋裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張青松 齊 濤 敖 倩 舒彩霞 廖宜濤 廖慶喜

(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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070)

0 引言

長(zhǎng)江中下游是我國(guó)冬油菜的主產(chǎn)區(qū),其種植方式以稻油輪作為主[1]。為了提高油菜直播作業(yè)生產(chǎn)效率,在稻茬田留有均勻拋撒的切碎秸稈地表,采用開(kāi)溝撒播的多工序單獨(dú)作業(yè)種植模式。該模式多工序單獨(dú)作業(yè),需多種機(jī)具配套,油菜種子落于秸稈覆蓋地表,易形成“晾種”,出苗率低,立式旋轉(zhuǎn)開(kāi)畦溝裝置開(kāi)溝拋土,畦溝土壤廂面覆蓋不均勻,廂面不平,不適宜油菜輕簡(jiǎn)高效生產(chǎn)需求[2-3]。為適應(yīng)油菜輕簡(jiǎn)高效生產(chǎn)作業(yè)需求,設(shè)計(jì)一種適合油菜高效生產(chǎn)作業(yè)的油菜種床整備裝置具有重要意義。

針對(duì)輕簡(jiǎn)高效作業(yè)機(jī)具,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。MALASLI等[4]對(duì)免耕播種機(jī)上圓盤開(kāi)溝器進(jìn)行受力分析,得出圓盤角度增加會(huì)降低作業(yè)阻力; TOROTWA等[5]擬合鼴鼠爪曲線,設(shè)計(jì)了一種缺口圓盤,降低了作業(yè)阻力并提高了切茬率;張銀平等[6]通過(guò)反轉(zhuǎn)滅茬與正轉(zhuǎn)防堵相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)秸稈覆蓋地水稻免耕播種;賈洪雷等[7]對(duì)免耕播種機(jī)進(jìn)行研究,提高免耕播種機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量;史乃煜等[8]基于最速降線原理,設(shè)計(jì)了一種免耕播種機(jī)強(qiáng)制回土裝置,有效提高了土壤回填率;趙艷忠等[9]設(shè)計(jì)了免耕播種機(jī)側(cè)深分層施肥部件,提高了免耕播種機(jī)橫向穩(wěn)定性。國(guó)外對(duì)于高效作業(yè)機(jī)具的研究主要集中在大型聯(lián)合機(jī)械上,一次完成多道作業(yè)工序,生產(chǎn)效率高,適合大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè),而我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)農(nóng)田面積小,較為分散,國(guó)外大型機(jī)械不適合該區(qū)域作業(yè),因此,針對(duì)該區(qū)域油菜輕簡(jiǎn)高效生產(chǎn)作業(yè)的種床整備裝置研究較少,生產(chǎn)上缺乏相關(guān)集成機(jī)具。

為提高長(zhǎng)江中下游冬油菜產(chǎn)區(qū)油菜機(jī)械作業(yè)生產(chǎn)效率,同時(shí)針對(duì)目前生產(chǎn)上相關(guān)機(jī)具作業(yè)時(shí),易出現(xiàn)廂面不平、碎土質(zhì)量不高及“晾種”,導(dǎo)致油菜出苗率低的生產(chǎn)難題,本文設(shè)計(jì)一種油菜機(jī)械直播機(jī)開(kāi)溝淺旋裝置,通過(guò)中間開(kāi)畦溝、畦溝土壤拋送覆蓋兩側(cè)廂面,淺旋勻土部件勻土及細(xì)碎廂面土壤和混合均勻土壤和秸稈,高效作業(yè),創(chuàng)造良好油菜種子著床條件,以期為該區(qū)域油菜輕簡(jiǎn)高效高質(zhì)機(jī)械化直播作業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

油菜機(jī)械直播機(jī)主要由開(kāi)溝淺旋裝置、破土犁、拖土部件、中央齒輪箱、排種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、三點(diǎn)懸掛、機(jī)架等組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。其中開(kāi)溝淺旋裝置如圖1b所示,包括中間開(kāi)畦溝部件、清溝整形部件、淺旋勻土部件3部分。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of machine structure1.肥箱 2.排種器和種箱 3.拖土板 4.淺旋勻土部件 5.清溝整形部件 6.破土犁 7.中間開(kāi)畦溝部件 8.中央齒輪箱 9.機(jī)架 10.三點(diǎn)懸掛 11.淺旋彎刀 12.螺旋勻土葉片 13.開(kāi)畦溝彎刀 14.淺旋刀盤 15.刀軸

中間開(kāi)畦溝部件包括左、右2個(gè)開(kāi)畦溝刀盤,對(duì)稱布置在中央齒輪箱兩側(cè),其刀盤上安裝有開(kāi)畦溝彎刀。淺旋勻土部件包括左、右2個(gè)刀輥,對(duì)稱布置在中間開(kāi)畦溝部件兩側(cè),每個(gè)刀輥刀軸上安裝有淺旋彎刀、淺旋彎刀刀盤及螺旋勻土葉片。破土犁安裝于中間開(kāi)畦溝部件正前方,清溝整形部件安裝于中間開(kāi)畦溝部件正后方。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

1.2 工作原理

機(jī)具作業(yè)時(shí),由拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具向前移動(dòng),拖拉機(jī)PTO通過(guò)萬(wàn)向節(jié)向中央齒輪箱傳遞動(dòng)力,中央齒輪箱輸出軸帶動(dòng)中間開(kāi)畦溝部件和淺旋勻土部件同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)具作業(yè)前進(jìn)過(guò)程中,作業(yè)效果如圖2所示,肥料施于未耕地表,破土犁作業(yè)消除中央齒輪箱安裝區(qū)域的漏耕區(qū);中間開(kāi)畦溝部件開(kāi)畦溝彎刀高速旋切土壤,并將土壤拋送至畦溝兩側(cè)廂面,初步作業(yè)出畦溝。淺旋勻土部件左右兩邊刀輥轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)螺旋勻土葉片和淺旋彎刀作業(yè);螺旋勻土葉片作業(yè)使中間開(kāi)畦溝部件開(kāi)畦溝彎刀作業(yè)拋送的土壤均勻覆蓋廂面;淺旋彎刀淺旋作業(yè),旋切未耕地表土壤和秸稈,使作業(yè)廂面土壤細(xì)碎、土壤和秸稈混合均勻;拖土板壓實(shí)平整廂面,達(dá)到合適的土壤空隙度,創(chuàng)造良好油菜種子著床條件;清溝整形部件清理畦溝底部松碎土壤及壓實(shí)畦溝溝壁,作業(yè)出溝壁緊實(shí)、溝型穩(wěn)定的排水畦溝。最后,油菜種子通過(guò)排種系統(tǒng)播于作業(yè)廂面,完成機(jī)具整個(gè)作業(yè)功能。

圖2 油菜機(jī)械直播機(jī)作業(yè)效果圖Fig.2 Operation effect diagram of rapeseed direct seeding1.肥料 2.畦溝 3.淺旋土壤層 4.油菜籽 5.未埋覆的稻茬秸稈 6.地表秸稈

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 中間開(kāi)畦溝部件設(shè)計(jì)

2.1.1開(kāi)畦溝彎刀刃口曲線設(shè)計(jì)

中間開(kāi)畦溝彎刀的刃口曲線由正切刃、過(guò)渡刃和側(cè)切刃組成,其中正切刃采用空間曲線,形成一個(gè)弧形的曲面,即為開(kāi)畦溝彎刀的正切面,在正切刃上各點(diǎn)處的滑切角沿著刃線的增大而增大,能夠增大土壤顆粒的脫出速度。為了能夠使開(kāi)畦溝彎刀的正切面和側(cè)切面光滑過(guò)渡,設(shè)計(jì)了一段空間曲線的過(guò)渡刃,過(guò)渡面的弧面可提高開(kāi)畦溝彎刀的側(cè)向拋土性能及分散在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的集中應(yīng)力,避免刀具產(chǎn)生疲勞破壞。

在開(kāi)畦溝作業(yè)過(guò)程中,開(kāi)畦溝彎刀的側(cè)切刃沿縱向入土,使土壤和作物根茬沿刃口發(fā)生滑切,開(kāi)畦溝彎刀作業(yè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 開(kāi)畦溝彎刀作業(yè)狀態(tài)分析Fig.3 Diagrams of force on trenching knife in operation

開(kāi)畦溝彎刀在作業(yè)過(guò)程中,結(jié)合圖3a所示,開(kāi)畦溝彎刀在入土作業(yè)時(shí),受力方程為

(1)

式中FN——開(kāi)畦溝彎刀對(duì)土壤和秸稈壓力,N

Ff——開(kāi)畦溝彎刀所受的摩擦力,N

G——土壤和秸稈重力,N

Fc——向心力,N

Fk——科氏力,N

β′——摩擦力與重力的夾角,(°)

μ——開(kāi)畦溝彎刀與土壤顆粒間的摩擦因數(shù)

τ1——開(kāi)畦溝彎刀的靜態(tài)滑切角,(°)

r——螺旋線極徑,mm

ω——中間開(kāi)畦溝彎刀回轉(zhuǎn)角速度,rad/s

v0——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s

m——土壤質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量,kg

開(kāi)畦溝彎刀在脫離土壤時(shí),受力如圖3b所示,受力方程為

(2)

式中Fa——離心力,N

由式(1)、(2)可知,開(kāi)畦溝彎刀在入土和脫離土壤2個(gè)階段時(shí),開(kāi)畦溝彎刀的側(cè)切刃螺旋線極徑r應(yīng)滿足

(3)

常見(jiàn)的刃口曲線主要有阿基米德螺旋線、正弦指數(shù)曲線和等角螺旋線[10],根據(jù)相關(guān)研究可知[11],當(dāng)安裝角大于15°時(shí),阿基米德螺旋線的滑切角大于正弦指數(shù)曲線,且側(cè)切刃刃口曲線為阿基米德螺旋線的旋耕刀片多應(yīng)用于旋耕深度小于300 mm、作業(yè)幅寬小于200 mm的旋耕作業(yè),適用于油菜開(kāi)畦溝作業(yè),因此選取阿基米德螺旋線作為開(kāi)畦溝彎刀片的側(cè)切刃刃口曲線。根據(jù)側(cè)切刃阿基米德螺旋線方程,可確定螺旋線極徑r為

r=r0(1+Kθ)

(4)

式中K——靜態(tài)滑切角正切值與極徑比例系數(shù)

θ——刃口曲線任意點(diǎn)處極角,rad

r0——阿基米德螺旋線起點(diǎn)處極徑,mm

由式(4)可知,獨(dú)立參數(shù)包括刃口曲線起點(diǎn)處極徑r0與比例系數(shù)K,當(dāng)開(kāi)畦溝彎刀的刃口曲線初始極徑r0為160 mm,終點(diǎn)處極徑取320 mm,靜態(tài)滑切角τ1為40°～70°時(shí),滿足式(3)設(shè)計(jì)要求,將值代入

(5)

式中τ0——刃口曲線的動(dòng)態(tài)滑切角,(°)

λ——旋耕速比

R——刀尖處半徑,mm

得到動(dòng)態(tài)滑切角τ0為36°～66°,可得K為2.62～17.17。將K取整,由于K>15時(shí)曲線逐漸趨于平滑,因此K取為3～15內(nèi)整數(shù),在此范圍,得到不同K值的阿基米德螺旋線刃口曲線,如圖4所示。

圖4 不同比例系數(shù)下的阿基米德螺旋線Fig.4 Archimedean spirals at different scale factors

由圖4所示,K越小,刃口曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng),開(kāi)畦溝作業(yè)時(shí),刀片與土壤相互作用的時(shí)間就越長(zhǎng);當(dāng)K≥8時(shí),阿基米德螺旋線截取范圍變短,滑切角變小,因此K最佳取值為5,則開(kāi)畦溝彎刀的側(cè)切刃方程為

r=160(1+5θ)

2.1.2刀盤安裝彎刀數(shù)量分析

機(jī)具工作時(shí),開(kāi)畦溝彎刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線[12]。以開(kāi)畦溝刀盤圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,則開(kāi)畦溝彎刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 中間開(kāi)畦溝彎刀運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Diagram of movement of rotary blade

由圖5可知,中間開(kāi)畦溝彎刀沿著余擺線的軌跡形狀運(yùn)動(dòng),在同一回轉(zhuǎn)平面上兩相鄰刀片切下的土垡厚為切土節(jié)距S,切土節(jié)距S對(duì)畦溝兩側(cè)廂面上的覆土層土壤的細(xì)碎程度有較大影響,切土節(jié)距S越大,則切下的土垡厚度越大,土壤細(xì)碎程度越低。切土節(jié)距計(jì)算式為

(6)

式中Z——同一切削小區(qū)內(nèi)的刀片數(shù)量

由式(6)可知,當(dāng)油菜直播機(jī)前進(jìn)速度v0和淺旋勻土刀輥角速度ω為定值時(shí),切土節(jié)距與同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)開(kāi)畦溝彎刀數(shù)量Z有關(guān)。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,在稻茬田切土節(jié)距S為60～90 mm,為保證機(jī)具作業(yè)碎土質(zhì)量,切土節(jié)距S取60 mm,得出同一切削單元內(nèi)安裝4把開(kāi)畦溝彎刀。

2.2 清溝整形部件設(shè)計(jì)

中間開(kāi)畦溝部件作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)土壤回流現(xiàn)象,且作業(yè)后的初步畦溝溝壁不緊實(shí)、易坍塌、溝形不穩(wěn)定,因此清溝整形部件對(duì)畦溝進(jìn)行壓實(shí)、清溝整形,以提高開(kāi)畦溝作業(yè)的穩(wěn)定性。

清溝整形部件主要由破土面ABCD及ABC′D′、整形面CDFE和C′D′F′E′、上下底板和犁柱等組成,犁柱上有安裝孔,便于調(diào)節(jié)開(kāi)畦溝深度。作業(yè)時(shí)土壤隨破土面向兩側(cè)移動(dòng),流經(jīng)清溝整形部件的整形面時(shí),通過(guò)整形面對(duì)土壤進(jìn)行側(cè)向擠壓,形成完整的畦溝溝形。

清溝整形部件中左右對(duì)稱布置的平面ABCD和ABC′D′為破土面,兩破土面傾斜相交形成一個(gè)倒梯形的截面CC′D′D。破土面在前進(jìn)的過(guò)程中主要受到向前的推力FX和向兩側(cè)的壓力FY。當(dāng)清溝整形部件刃口角ψ為90°時(shí),破土面在前進(jìn)的過(guò)程中主要受到的擠力FX和壓力FY相等,此時(shí)清溝整形部件破土效果最佳。

清溝整形部件主要是通過(guò)整形面對(duì)土壤進(jìn)行擠壓成型[13],對(duì)整形面土壤顆粒進(jìn)行受力分析,受力如圖6a所示。

圖6 清溝整形部件受力分析Fig.6 Force analysis of trench cleaning and shaping components

土壤質(zhì)點(diǎn)M受力方程為

(7)

式中FX——質(zhì)點(diǎn)所受壓力在X方向分力,N

FY——質(zhì)點(diǎn)所受壓力在Y方向分力,N

FZ——質(zhì)點(diǎn)所受壓力在Z方向分力,N

fXY——質(zhì)點(diǎn)所受摩擦力在XOY平面分力,N

fYZ——質(zhì)點(diǎn)所受摩擦力在YOZ平面分力,N

f′XY——摩擦力fXY在Y方向分力,N

f′YZ——摩擦力fYZ在Y方向分力,N

φ——整形面?zhèn)让鎯A角,(°)

γ——整形面前面傾角,(°)

aX——質(zhì)點(diǎn)加速度在X方向分量,m/s2

aY——質(zhì)點(diǎn)加速度在Y方向分量,m/s2

aZ——質(zhì)點(diǎn)加速度在Z方向分量,m/s2

φ1——土壤摩擦角,(°)

整理式(7)可得

(8)

根據(jù)擠壓力學(xué)理論可得,土壤摩擦角φ1、整形面的側(cè)面傾角φ和前面傾角γ是影響整形面作業(yè)效果主要因素。由式(8)可知,當(dāng)整形面?zhèn)让鎯A角φ滿足φ<90°-φ1時(shí),加速度沿Z軸的分量值aZ越大,整形面對(duì)初步畦溝的向下擠壓力越大,土壤摩擦角φ1為23°[14],因此整形面?zhèn)让鎯A角φ取67°。當(dāng)整形面前面傾角γ過(guò)小,導(dǎo)致對(duì)溝壁壓實(shí)不充分,溝壁土壤松散,易掉落于溝底,影響畦溝形狀和質(zhì)量,過(guò)大會(huì)導(dǎo)致溝壁壓實(shí)量大,溝型變形量大,影響畦溝形狀且作業(yè)阻力大[14],綜合考慮,整形面前面傾角γ取3°。

2.3 淺旋勻土部件設(shè)計(jì)

2.3.1淺旋彎刀設(shè)計(jì)

淺旋彎刀在作業(yè)過(guò)程中,需要旋切未耕地表土壤和秸稈,使作業(yè)廂面土壤細(xì)碎、埋覆秸稈。淺旋彎刀刃口曲線對(duì)刀片作業(yè)性能具有重要影響。因淺旋彎刀結(jié)構(gòu)較小,刃口曲線較短,偏心圓弧線作為刃口曲線時(shí),淺旋彎刀刀片正切刃和側(cè)切刃可以采用同一曲線,高質(zhì)量完成廂面土壤細(xì)碎平整、秸稈埋覆功能,同時(shí)刀片安裝時(shí),其刃口貼合刀盤,降低刀片作業(yè)時(shí)夾土現(xiàn)象發(fā)生,因此正切刃和側(cè)切刃都采用偏心圓弧線。

如圖7所示建立極坐標(biāo)系,取刀軸旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)距離e處O′為偏心圓圓心,偏心圓的半徑為R′,偏心圓弧線的參數(shù)方程和靜態(tài)滑切角τ2表達(dá)式為

圖7 淺旋彎刀刃口曲線Fig.7 Edge profile of shallow rotary bender1.淺旋彎刀 2.淺旋彎刀刀盤

(9)

其中

式中ρ——刃口任一點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心距離,mm

γ1——NO連線與水平的夾角,(°)

R′——偏心圓半徑,mm

e——坐標(biāo)系原點(diǎn)與偏心圓圓心距離,mm

τ2——淺旋彎刀任一點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角,(°)

當(dāng)淺旋彎刀刃口處滑切角大于金屬與秸稈之間的摩擦角(一般為23°～33°)時(shí),則會(huì)產(chǎn)生滑切現(xiàn)象[15]。由式(9)可知,當(dāng)NO連線與水平夾角γ1一定時(shí),若偏心圓半徑R′和坐標(biāo)系原點(diǎn)與偏心圓圓心間的距離e的比值K1小于π/2,滑切角τ2隨比值K1增大而減小,但比值K1過(guò)小,會(huì)使得淺旋彎刀刃口曲線過(guò)長(zhǎng),造成淺旋彎刀與土壤接觸時(shí)間增加,增大功率消耗。當(dāng)K1為0.74時(shí),具有較好的滑切性能且刃口曲線不會(huì)過(guò)長(zhǎng)[16-17]。設(shè)計(jì)淺旋彎刀刃口曲線偏心距e為135 mm,則偏心圓弧半徑R′為182 mm,且NO連線與豎直方向的夾角γ1為97°,得淺旋彎刀滑切角τ2為42.4°。

2.3.2螺旋勻土葉片設(shè)計(jì)

在中間開(kāi)畦溝彎刀片的作用下,畦溝內(nèi)的土壤被拋送至兩側(cè)廂面,畦溝附近處堆積的土壤較多,螺旋勻土葉片可向兩側(cè)廂面輸送土壤,使作業(yè)后廂面平整,但螺旋頭數(shù)增多會(huì)增加機(jī)械裝置的復(fù)雜程度。淺旋勻土部件左刀輥上的螺旋勻土葉片旋向?yàn)樽?右刀輥上的螺旋勻土葉片旋向?yàn)橛?。螺旋勻土葉片采用圓柱螺旋線[18],其形狀取決于螺距s、螺旋半徑a1和螺旋葉片工作幅寬,其中螺旋葉片工作幅寬與淺旋勻土刀輥一致,為840 mm。圓柱螺旋線展開(kāi)為一條傾斜的直線,該直線與水平方向的夾角即為螺旋升角δ,其公式為

(10)

在螺旋勻土葉片的作用下,土壤的受力與速度都會(huì)對(duì)廂面平整度造成影響。受力分析及運(yùn)動(dòng)分析如圖8所示,將土壤顆粒簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)M建立空間坐標(biāo)系,質(zhì)點(diǎn)M受到法向推力FN1、切線方向上的摩擦力Ff1和地表對(duì)其的摩擦力f0,合力為F0。將土壤顆粒合力F0沿Y和Z方向分解成軸向分力F1和周向分力F2為

圖8 螺旋葉片分析Fig.8 Analysis of soil particles under action of spiral blade

(11)

式中φ2——土壤與螺旋葉片間摩擦角,(°)

在該參考系下質(zhì)點(diǎn)M沿螺旋勻土葉片旋轉(zhuǎn)的合速度v是由牽連速度vc與相對(duì)速度vr合成。分解合速度v,并考慮在機(jī)具前進(jìn)過(guò)程中速度v0產(chǎn)生的沿坐標(biāo)系Y軸方向的周向分速度v′m,得到土壤顆粒在Z、Y方向上的絕對(duì)分速度vY、vZ為

(12)

式中a0——土壤顆粒至刀輥中心的距離,mm

n——單位時(shí)間質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的螺旋個(gè)數(shù)

由式(11)、(12)可知,土壤顆粒所受的分力F1、F2和分速度vY、vZ與螺旋葉片螺距s、螺旋半徑a1和刀輥角速度ω有關(guān)。其中淺旋勻土刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí),螺旋勻土葉片不宜入土過(guò)深,以免增大旋耕阻力,增加功耗,且螺旋勻土葉片在土壤中會(huì)產(chǎn)生磨損,降低機(jī)具使用壽命,螺旋勻土葉片作業(yè)深度設(shè)計(jì)為10～30 mm,若使土壤從中部向兩側(cè)運(yùn)動(dòng),需滿足δ≤90°-φ,則螺旋半徑a1為80～100 mm。由式(10)～(12)可得螺距s≤546.6 mm,為避免在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生壅土現(xiàn)象,螺距s大于兩倍切土節(jié)距要求的土垡邊長(zhǎng),可得s≥120 mm,綜合考慮機(jī)具尺寸及作業(yè)效果,選取螺距s為250～350 mm。

2.3.3淺旋彎刀安裝數(shù)量分析

左右2個(gè)淺旋勻土刀輥與齒輪箱呈中間對(duì)稱布置,淺旋彎刀朝外側(cè)等距排布在刀軸上,即淺旋左彎刀安裝在左刀輥上,淺旋右彎刀安裝在右刀輥上,實(shí)現(xiàn)土壤向畦溝兩側(cè)廂面遷移。

為避免同一切土區(qū)域內(nèi)淺旋彎刀之間夾土,設(shè)計(jì)在一個(gè)淺旋彎刀刀盤上安裝兩把淺旋彎刀,且兩把淺旋彎刀相隔180°,則淺旋勻土刀輥上安裝的淺旋彎刀的總數(shù)量為

(13)

其中

B=b+b′

式中B——刀座間距,mm

Q′——淺旋勻土刀輥上淺旋彎刀總數(shù)量

Q——同一切土小區(qū)內(nèi)淺旋彎刀數(shù)量

b——淺旋彎刀工作幅寬,mm

b′——刀盤間距,取15～20 mm

D2——淺旋勻土刀輥工作幅寬,mm

淺旋彎刀在作業(yè)的過(guò)程中可與周圍的土發(fā)生撕扯,因此淺旋彎刀刀盤間隙b′取15～20 mm,經(jīng)計(jì)算淺旋刀輥上需安裝淺旋彎刀總數(shù)為40,即左、右彎刀各20。

淺旋彎刀按雙頭螺旋線排布[19],螺旋勻土葉片安裝在其間,螺旋升角δ為

(14)

當(dāng)螺旋勻土葉片作業(yè)深度為10～30 mm時(shí),螺旋半徑a1為80～100 mm,此時(shí)螺旋升角δ為30°～36°。

3 仿真

3.1 仿真模型建立

通過(guò)EDEM軟件建立離散元仿真模型,研究螺旋勻土葉片不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)裝置作業(yè)效果,如圖9所示,參照文獻(xiàn)[20-23]設(shè)置仿真模型相關(guān)參數(shù)?？紤]到長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重,土壤顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin with Bonding模型,該模型適用于模擬粘性顆粒之間破碎和斷裂。土壤顆粒半徑設(shè)置為8 mm,采用8個(gè)半徑為6 mm的球形顆粒組成的長(zhǎng)條型模型模擬實(shí)際作業(yè)中地表秸稈。

圖9 仿真模型Fig.9 Simulation model

3.2 試驗(yàn)因素與方法

開(kāi)展三因素三水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),螺旋勻土葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)因素及水平如表2所示,選取作業(yè)后廂面平整度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于機(jī)具后方的拖土板對(duì)作業(yè)廂面具有一定的平整壓實(shí)作用,為了更好地體現(xiàn)淺旋勻土刀輥的整平效果,在仿真模型中提高拖土板的高度,使其處于土槽顆粒上方,僅起到遮擋飛濺的土壤顆粒的作用,將仿真模型導(dǎo)入已建立的土槽中。仿真時(shí)設(shè)置淺旋勻土部件前進(jìn)速度為7 km/h。

表2 仿真試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Simulation experiment factors and codes

仿真結(jié)束后,利用Clipping切片功能對(duì)淺旋勻土部件作業(yè)后的土壤穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行隨機(jī)采樣,每隔500 mm截取厚度為10 mm的土壤切片作為一個(gè)樣本,每次仿真試驗(yàn)采集3個(gè)樣本。將每個(gè)樣本切片的切面分別導(dǎo)入CAD中,在作業(yè)幅寬范圍內(nèi)每隔160 mm做該處最高點(diǎn)顆粒的切線,測(cè)量此處切線與土槽底部橫線的距離,記為Xi(取樣點(diǎn)序號(hào)i=1,2,…,12),測(cè)量方法如圖10所示,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差,即為廂面平整度[24],計(jì)算式為

(15)

式中S′——廂面平整度,mm

n——取樣點(diǎn)數(shù)量,取12

3.3 結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,A、B、C為因素編碼值,對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸,建立廂面平整度S′對(duì)螺旋半徑、螺距、螺旋頭數(shù)的二次多項(xiàng)式回歸模型,其回歸方程為

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal test

S′=13.03-0.205 0A-0.536 2B-0.033 7C-
0.137 5AB+0.044 30A2+0.135 5B2+0.540 5C2

(16)

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,其結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.4 Regression equation analysis of orthogonal test results

由表4可知,螺旋半徑A、螺距B及其交互項(xiàng)AB對(duì)響應(yīng)值均具有顯著影響,其中螺旋半徑A、螺距B表現(xiàn)為極顯著,而螺旋頭數(shù)C和交互項(xiàng)AC、BC則均表現(xiàn)為不顯著,3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)廂面平整度的影響程度從大到小依次為螺距B、螺旋半徑A、螺旋頭數(shù)C。

交互項(xiàng)AB表現(xiàn)為顯著,為研究螺旋半徑與螺距間交互作用對(duì)廂面平整度的影響規(guī)律,將螺旋頭數(shù)取為1,則交互作用響應(yīng)曲面如圖11所示。

圖11 交互作用響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface for interaction

由圖11可知,在螺距一定時(shí),廂面平整度S′隨螺旋半徑增加呈先減小后增大的趨勢(shì);在螺旋半徑一定時(shí),廂面平整度隨螺距增加而先減小后增大,當(dāng)螺旋半徑為97.57 mm、螺距為336.28 mm、螺旋頭數(shù)為1.15時(shí),廂面平整度最優(yōu),為12.69 mm,為便于加工制造,螺旋勻土葉片最佳結(jié)構(gòu)參數(shù):螺旋半徑為100 mm、螺距為350 mm、螺旋頭數(shù)為1,此時(shí)螺旋升角δ為30°,對(duì)應(yīng)的淺旋彎刀及螺旋勻土葉片結(jié)構(gòu)布局如圖12所示。在該參數(shù)下,機(jī)具進(jìn)行仿真作業(yè),作業(yè)后效果如圖13所示。

圖12 淺旋勻土刀輥排布示意圖Fig.12 Arrangement diagram of uniform distribution device for furrow soil1.淺旋右彎刀 2.右螺旋葉片 3.開(kāi)畦溝右彎刀 4.開(kāi)畦溝左彎刀 5.左螺旋葉片 6.淺旋左彎刀

圖13 機(jī)具仿真作業(yè)效果Fig.13 Simulation effect

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

為驗(yàn)證油菜中間開(kāi)溝淺旋勻土裝置作業(yè)性能,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(kāi)展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)工況均為常年采用稻-油輪作模式的田塊,其土壤類型為偏黏性土,前茬作物為水稻;試驗(yàn)工況如表5所示。試驗(yàn)設(shè)備包括東方紅954型拖拉機(jī)、安裝有開(kāi)溝淺旋裝置的油菜直播機(jī)、TJSD-9570型數(shù)顯土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司,精度±0.005% FS)、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、土壤取樣環(huán)刀、電子天平、干燥箱等。

表5 試驗(yàn)工況參數(shù)Tab.5 Test conditions parameters

試驗(yàn)時(shí)設(shè)置機(jī)具作業(yè)速度為7 km/h,機(jī)組每個(gè)行程沿直線方向的作業(yè)距離為50 m,取每個(gè)行程的中間30 m作為測(cè)量區(qū)域,每組試驗(yàn)重復(fù)3次。參考NY/T 740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》和NY/T1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》,結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求,確定試驗(yàn)指標(biāo)有耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)、畦溝溝型及穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度、碎土率、秸稈埋覆率及出苗率等指標(biāo)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

安裝有開(kāi)溝淺旋裝置的油菜直播機(jī)田間作業(yè)效果如圖14及表6所示,作業(yè)后廂面平整,畦溝溝型完好,機(jī)具作業(yè)耕深平均為51.3 mm,耕深穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到90%以上,秸稈埋覆率達(dá)到84.38%,碎土率達(dá)到86.41%,廂面平整度達(dá)到30.18 mm,平均畦溝溝深為212.8 mm,上溝寬為328.2 mm,下溝寬為264.8 mm,畦溝溝深溝寬穩(wěn)定性均大于85%,無(wú)明顯土壤回流現(xiàn)象,油菜出苗率為75.47%,如圖15所示,油菜生長(zhǎng)狀態(tài)良好,裝置作業(yè)效果滿足油菜直播作業(yè)要求。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足NY/T 740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》和NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test conditions parameters

圖14 機(jī)具田間作業(yè)效果Fig.14 Effectiveness of machine work in field

圖15 播種試驗(yàn)出苗效果Fig.15 Seedling emergence results

5 結(jié)論

(1)針對(duì)油菜輕簡(jiǎn)高效生產(chǎn)需求及目前機(jī)具作業(yè)易出現(xiàn)廂面不平、碎土質(zhì)量不高及“晾種”,導(dǎo)致油菜出苗率低的生產(chǎn)難題,設(shè)計(jì)了一種油菜機(jī)械直播機(jī)開(kāi)溝淺旋裝置,實(shí)現(xiàn)中間開(kāi)畦溝、畦溝土壤拋送覆蓋兩側(cè)廂面,淺旋勻土部件勻土及細(xì)碎廂面土壤、埋覆土壤和秸稈功能。

(2)基于滑切減阻原理及擠壓力學(xué)理論,確定了中間開(kāi)畦溝部、清溝整形部件及淺旋勻土部件結(jié)構(gòu)參數(shù),得出中間開(kāi)畦溝刀盤安裝彎刀數(shù)量為4,切土節(jié)距為60 mm,清溝整形部件整形面?zhèn)让鎯A角為67°,前面傾角為3°,淺旋彎刀側(cè)切刃偏心圓半徑為182 mm,滑切角為42.4°;運(yùn)用EDEM軟件開(kāi)展正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),確定了螺旋勻土葉片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)取值:螺旋半徑為100 mm、螺距為350 mm、螺旋頭數(shù)為1,并確定了淺旋彎刀及螺旋勻土葉片結(jié)構(gòu)布局。

(3)安裝有開(kāi)溝淺旋裝置的油菜直播機(jī)田間試驗(yàn)表明,當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度為7 km/h時(shí),安裝有開(kāi)溝淺旋裝置的油菜直播機(jī)作業(yè)后廂面平整,畦溝溝型完好,機(jī)具作業(yè)耕深為51.3 mm,耕深穩(wěn)定性系數(shù)大于90%,秸稈埋覆率為84.38%,碎土率為86.41%,廂面平整度為30.18 mm,平均畦溝溝深為212.8 mm,上溝寬為328.2 mm,下溝寬為264.8 mm,畦溝溝深溝寬穩(wěn)定性系數(shù)均大于85%,油菜出苗率為75.47%,油菜生長(zhǎng)狀態(tài)良好,裝置作業(yè)效果滿足油菜直播作業(yè)要求。