孔德剛 ，張 超 ，張 帥，趙 剛

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.徐工集團工程機械股份有限公司壓路機研究所，江蘇 徐州 221004）

農(nóng)業(yè)部近年已經(jīng)將秸稈還田列為“豐收計劃”和“沃土計劃”的主要內(nèi)容[1]。秸稈還田不僅可以調(diào)節(jié)、穩(wěn)定土壤溫度，還能提高土壤肥力、蓄水保墑、提高水分利用率[2]、減少病蟲害、提高作物產(chǎn)量[3]。當(dāng)前秸稈還田的主要方式有翻壓還田和覆蓋還田，秸稈深施還田（將粉碎秸稈深施于土壤深層）作為一種新型還田方式，相比其它方式，除可改良土壤結(jié)構(gòu)[4-6]、增加有機質(zhì)含量[7]，還可提升春播期土壤溫度，對防治耕地水土流失具有良好效果,近年來已引起學(xué)者的關(guān)注并開展研究。東北、華北、西南玉米產(chǎn)區(qū)秸稈還田的作物產(chǎn)量分別平均增加632.0、371.6和290.4 kg·hm-2[8]。秸稈深施還田的深度在15～20 cm時可以明顯提高土壤溫度和蓄水性能[9-10]。

實施和推廣秸稈深施還田技術(shù)，需要配套機械裝備作為支持。本文根據(jù)秸稈深施還田的技術(shù)要求、結(jié)合中耕機、螺旋輸送器原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計螺旋輸送式秸稈深施機，對其深施裝置和輸送螺旋進行受力分析與有限元分析，并通過正交試驗研究各考查因素對深施裝置行進阻力的影響，旨在為秸稈深施還田技術(shù)及其裝備的研究與開發(fā)提供相關(guān)依據(jù)。

1 秸稈深施機設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

組成見圖1。深施裝置設(shè)置于機架橫梁中間；限深裝置位于機架兩側(cè)；秸稈輸送裝置采用水平布置的螺旋輸送器，上端連接料箱，輸出端與深施裝置相連。

圖1 秸稈深施機總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Gross structure of straw deep application machine

1.2 工作原理

秸稈深施機通過懸掛架與拖拉機連接，液壓馬達靠油管連接到拖拉機液壓輸出接口，為秸稈輸送裝置提供動力，秸稈輸送裝置通過聯(lián)軸器與液壓馬達輸出軸連接。秸稈深施作業(yè)時，深施裝置隨機架移動，其下部與深施鏟切開土壤，同時液壓馬達輸出動力驅(qū)動輸送螺旋轉(zhuǎn)動，進而將料箱里的粉碎秸稈輸送到深施裝置中，秸稈在自身重力和輸送螺旋推力作用下經(jīng)深施裝置下端出口進入土壤。

1.3 主要裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 深施裝置

如圖2-a，深施裝置由連接板1、鏟柄2、導(dǎo)料管3、護板4、深施鏟5等組成。深施裝置的作業(yè)環(huán)境要求其應(yīng)具有較高強度、剛度和耐磨性。深施裝置的鏟柱由鏟柄（斷面50 mm×25 mm，材料為65Mn）2和導(dǎo)料管（內(nèi)徑80 mm，材料為Q235）3組合而成；深施鏟參照鑿形深松鏟的相關(guān)技術(shù)要求設(shè)計，焊接在鏟柄下端。深施鏟上側(cè)與鏟柱的入土部分前側(cè)設(shè)置V型護板，有利于碎土并能減小阻力；導(dǎo)料管固定在鏟柄后側(cè)，上端與輸送螺旋連接。

圖2 深施裝置和秸稈輸送裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structureof deep application and straw transport device

1.3.2 秸稈輸送裝置

秸稈輸送裝置如圖2-b所示，主要由連接板1、外殼2、輸送螺旋3、卡簧4、軸承5、軸承套6、軸承座7、支撐板8等組成。輸送螺旋葉片直接焊在軸上，葉片的螺旋角α設(shè)計為20°。螺旋葉片外徑76 mm，內(nèi)徑26 mm，葉片螺距50 mm，葉片厚度2 mm。輸送螺旋轉(zhuǎn)速范圍設(shè)計為100～170 r·min-1，輸送螺旋軸部對置安裝一對推力軸承以改善懸臂受力狀態(tài)。軸承座設(shè)計成法蘭形式，通過螺栓與支撐板連接。外殼上方開設(shè)秸稈進料口，與料箱出口連接。秸稈輸送裝置的生產(chǎn)率(深施量)Q可依據(jù)下式計算：

式中，Q為螺旋輸送器的生產(chǎn)率；D為葉片外徑；d為葉片內(nèi)徑；t為葉片螺距；λ為葉片與外殼間隙；n為輸送器轉(zhuǎn)速；ψ為輸送秸稈的充滿系數(shù)，一般取0.3～0.4；γ為秸稈單位容積質(zhì)量；C為輸送器輸送系數(shù)。

本設(shè)計中，D=76 mm，d=26 mm，t=50 mm，λ=2 mm，n=100～170 r·min-1，ψ=0.3，秸稈單位體積質(zhì)量（秸稈長度為20 mm時）γ=35 kg·m-3，C=1，將上面數(shù)據(jù)代入式（1），得出秸稈深施機單機深施量Q為0.19～0.32 kg·min-1，即為本機的設(shè)計深施量。

2 深施裝置與輸送螺旋受力分析

2.1 深施裝置受力分析

深施鏟與鏟柱是深施裝置的關(guān)鍵部件，秸稈深施機作業(yè)時深施鏟和鏟柱的刃口都切削土壤，土壤受到擠壓后變形，土壤內(nèi)部之間以及土壤與深施鏟和鏟柱的摩擦作用也有助于破碎土壤。由松土機理知深施作業(yè)總工作阻力F主要包括深施鏟的受力F1和鏟柱的受力F2。

2.1.1 深施鏟

如圖3-a所示。對深施鏟受力分析，作用在深施鏟上的力包括牽引力F0、法向壓力N0、摩擦阻力μ1·N0(μ1為鏟面與土壤的摩擦系數(shù))以及切削阻力kb（k為單位幅寬土壤的純切削阻力，b為深施鏟寬度），δ為深施鏟碎土角，可建立平衡方程如下。

經(jīng)驗證土壤純切削阻力kb很小，只有阻力急劇增大或鏟刃口變鈍等情況下方予考慮，通常可以忽略不計[11]，所以牽引力F0主要受法向壓力、摩擦阻力和深施鏟幾何參數(shù)的影響。深施鏟所受阻力F1和牽引力F0大小相等，方向相反。

2.1.2 鏟柱

圖3-b為鏟柱受力分析圖，α為鏟柱V型護板的夾角。根據(jù)垂直耕作切削部件的力學(xué)模型理論,作用在鏟柱上的力主要有法向壓力N2和摩擦阻力μ1·N2(μ1為鏟柱與土壤的摩擦系數(shù))，將其合成可以得出鏟柱受到的總阻力F2。

圖3 深施鏟與鏟柱受力Fig.3 Force of deep application shovel and shovel column

式（3）表明，鏟柱受力F2主要與法向壓力、摩擦阻力和V型護板的夾角有關(guān)。

2.2 輸送螺旋受力分析

輸送螺旋直接影響秸稈深施機作業(yè)效率和功耗，其實際受力較為復(fù)雜，為方便分析，假設(shè)秸稈對螺旋葉片的作用力位于葉片中徑處，選取中徑處任一質(zhì)點，則該點處的受力如圖4所示。

圖4 輸送螺旋受力Fig.4 Force of transport helix

由圖4可得X方向平衡方程。

式中，N1為輸送秸稈對葉片的法向壓力；N2為葉片外緣處靜止秸稈對輸送秸稈的徑向壓力；f1為秸稈與葉片的摩擦系數(shù)；f2為秸稈之間的摩擦系數(shù)；α為螺旋角。

根據(jù)側(cè)壓系數(shù)與谷物腔原理可以求出徑向壓力N2和輸送螺旋向前總推力F。

式中：A=（sinα+f1cosα）/（cosα-f1sinα）；ρ0為秸稈密度；L1為輸送螺旋工作長度；R為輸送螺旋的半徑；d1為輸送螺旋的內(nèi)徑；λ為側(cè)壓系數(shù)；H0為葉片邊緣與外殼內(nèi)壁的距離。

由（5）式計算出徑向壓力N2，將其帶入（4）式可得到法向壓力N1和摩擦阻力，進而進行輸送螺旋的強度計算。利用輸送螺旋向前總推力F則可以計算輸送螺旋的功率等參數(shù)。

3 深施裝置與輸送螺旋有限元分析

3.1 深施裝置有限元分析

利用CATIA軟件的有限元模塊對深施裝置進行分析。在深施深度為20 cm條件下，設(shè)定碎土角δ分別為10°、15°、20°、25°、30°和35°，設(shè)定深施裝置頂端為完全約束，對鏟和鏟柱施加阻力F1和F2，得到深施裝置變形和應(yīng)力的分析結(jié)果，如圖5-a、5-b所示（此圖彩版見封二）。

圖5 深施裝置有限元分析結(jié)果Fig.5 FEA results of deep application device

由圖5-a知，深施裝置的最大變形發(fā)生在深施鏟處，并且最大變形量隨著δ的增大而增大，例如在δ＝10°時為0.783 mm，在δ＝20°時則增至0.806 mm；由圖5-b知，深施裝置最大應(yīng)力集中在頂端連接板處，隨δ增大，應(yīng)力集中范圍逐漸增大，而最大應(yīng)力值卻逐漸減小，例如最大應(yīng)力在δ=10°時 為246 MPa，在δ=25°時 為177 MPa，在δ=35°時為156 MPa，其最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

為保證秸稈深施深度穩(wěn)定性，深施鏟碎土角δ一般不小于20°，δ過大會使應(yīng)力集中范圍擴大，故將深施鏟碎土角δ設(shè)計為25°。分析結(jié)果表明δ取25°時深施裝置滿足要求。

3.2 輸送螺旋有限元分析

利用CATIA軟件，對輸送裝置中的輸送螺旋進行有限元分析。由于工作中螺旋繞軸旋轉(zhuǎn)，故需約束其余五個自由度。外力以分布載荷的形式施加于輸送螺旋葉片上，以輸送螺旋轉(zhuǎn)速150 r·min-1為例，其分析結(jié)果如圖6所示（此圖彩版見封二）。

圖6 輸送螺旋有限元分析結(jié)果Fig.6 FEA results of transport helix

由圖6-a可知，輸送螺旋的變形量自螺旋軸向螺旋葉片外緣逐漸增大，葉片外緣最大變形量為4.07×10-5mm；由圖6-b可知，輸送螺旋的應(yīng)力主要集中在葉片的根部，最大應(yīng)力值為0.11 MPa，小于其許用應(yīng)力。同樣條件下，對轉(zhuǎn)速為100～170 r·min-1的輸送螺旋進行有限元分析，其變形量與150 r·min-1時相近，其最大應(yīng)力均小于許用值，滿足要求。

4 深施裝置行進阻力正交試驗

秸稈深施機深施裝置的行進阻力直接影響整機工作性能，在第2節(jié)中已對其受力情況進行理論分析與計算，本節(jié)通過試驗進一步研究深施裝置行進阻力與影響其變化的各因素之間關(guān)系。影響深施裝置行進阻力的因素很多，主要有深施深度（A）、土壤密度(B)、行進速度(C)等。為此，以A、B、C為考查因素、以行進阻力為試驗指標設(shè)計三因素三水平正交試驗，選用L9(34)標準正交表。深施深度選取15、20、25 cm三個水平；土壤密度（土壤密度由人工控制得到）選取1.1、1.6、2.1 g·cm-3三個水平；行進速度選取0.5、1.0、1.5 km·h-1三個水平，試驗方案詳見表1。

試驗指標行進阻力要求其數(shù)值越小越好，試驗結(jié)果如表1所示。通過求解各因素的水平均值可以明顯得出：最佳因素水平組合為A3B3C3,即最佳深施深度為15 cm、最佳土壤密度為1.1 g·cm-3、最佳行進速度為0.5 km·h-1。各因素三個水平的均值都滿足關(guān)系：均值1＞均值2＞均值3，說明隨深施深度、土壤密度和行進速度的增大，行進阻力也增大。由極差分析可直觀得出各因素影響試驗指標的主次順序為：B、A、C，即土壤密度對行進阻力的影響較大，深施深度的影響程度次之，機具行進速度對其影響較小。由于行進速度對行進阻力影響較小，故實際工作時機具行進速度可以根據(jù)拖拉機功率適當(dāng)增減。

表1 正交試驗方案及結(jié)果Table 1 Programme and result of the orthogonal experiment

5 結(jié) 論

a.秸稈深施機可將粉碎秸稈深施于耕地深層15～25 cm處，單機設(shè)計深施量為0.19～0.32 kg·min-1。實際作業(yè)中可根據(jù)需要增加單機數(shù)量以匹配不同功率的拖拉機。

b.有限元分析表明深施裝置的深施鏟前端變形最大，并隨碎土角增大而增大；鏟柄與連接板相接處的應(yīng)力最大并隨碎土角增大而減??；輸送螺旋的最大變形出現(xiàn)在葉片外緣，最大應(yīng)力位置為葉片根部。本機設(shè)計深施鏟碎土角為25°，輸送螺旋轉(zhuǎn)速為100～170 r·min-1。

c.試驗結(jié)果表明，影響深施裝置行進阻力的因素的主次順序依次為：土壤密度、深施深度、行進速度，且行進阻力隨著深施深度、土壤密度、行進速度的增大而增大。

[1]謝平,韓民,姜興順.實施“沃土工程”強化秸稈還田[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,32(5):944.

[2]解文艷,樊貴盛,周懷平.秸稈還田方式對旱地玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(11):60-67.

[3]楊志臣,呂貽忠,張鳳榮,等.秸稈還田和腐熟有機肥對水稻土培肥效果對比分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(3):214-218.

[4]王珍,馮浩.秸稈不同還田方式對土壤入滲特性及持水能力的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(4):75-80.

[5]Kasteel R,Garnier P,Vachier P.Dye tracer infiltration in the plough layer after straw in corporation[J].Geoderma,2007,137(3/4):360-369.

[6]Dinah M S Cabiles,Olivyn R Angeles,Sarah E Johnson.Faster residue decomposition of brittle stem rice mutant due to finer breakage during threshing[J].Soil and Tillage Research,2008,98(2):211-216.

[7]賀文勝,仇志強,孟秀蘭.機械化秸稈整體翻埋還田的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2003,34(5):179-180.

[8]王如芳,張吉旺,董樹亭,等.我國玉米主產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用現(xiàn)狀及其效果[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(6):1504-1510.

[9]常曉慧,孔德剛,井上光弘,等.秸稈還田方式對春播期土壤溫度的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,42(8):117-120.

[10]張帥,孔德剛,常曉慧,等.秸稈深施對土壤蓄水能力的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,41(6):127-129.

[11]Gunn JT,Tramontini V N.Oscillations of tillage tool[J].Agricultural Engineering,1995,36(11):725-729.