王 奇 唐 漢 周文琪 王金武

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

清秸防堵裝置是保護(hù)性耕作系統(tǒng)中免耕模式和條帶耕作模式必不可少的工作部件，具有清理播種行內(nèi)殘留秸稈、為開溝和播種作業(yè)環(huán)節(jié)準(zhǔn)備清秸苗帶的功能[1-3]。清潔一致的苗帶寬度和合理的秸稈拋擲距離能夠提高后續(xù)播種作業(yè)質(zhì)量和工作效率[4-6]，促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量提高[7-9]。因此，清秸防堵裝置已成為精密播種技術(shù)研究重點(diǎn)。

對(duì)置雙盤式清秸防堵裝置具有土壤擾動(dòng)小、保墑效果好、作業(yè)阻力低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用在免耕播種機(jī)和條帶耕整機(jī)上[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過改進(jìn)清秸盤結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工作參數(shù)來提高苗帶清秸率[10-15]，對(duì)秸稈橫向拋擲的合理距離和幅寬穩(wěn)定性控制的研究較少。相關(guān)研究表明，輪盤間距和工作偏角等工作參數(shù)影響清秸裝置的作業(yè)質(zhì)量，參數(shù)應(yīng)始終保持在合理范圍內(nèi)，從而確保作業(yè)性能的可靠性[11，16-17]；通過增加配重塊、彈簧、氣壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等方法對(duì)清秸裝置進(jìn)行入土深度控制，在一定程度上能夠提高裝置仿形能力和作業(yè)性能穩(wěn)定性，但并不能根據(jù)免耕復(fù)雜地況變化主動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的作業(yè)幅寬，無法保證作業(yè)幅寬穩(wěn)定性[18-19]。

本文以設(shè)計(jì)的星齒凹盤式清秸防堵裝置為研究載體，對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行理論分析和仿真優(yōu)化，運(yùn)用S型拉壓力傳感器和電動(dòng)直線推桿協(xié)同作用設(shè)計(jì)幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)，在保證清秸率的前提下實(shí)時(shí)調(diào)控清秸幅寬和秸稈橫向移動(dòng)最大距離，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，以期為同類工作部件的設(shè)計(jì)提供參考。

1 農(nóng)藝要求

對(duì)置雙盤式清秸防堵裝置作業(yè)時(shí)，清秸盤將預(yù)清理?xiàng)l帶內(nèi)的秸稈向兩側(cè)推移和拋擲，如圖1所示。圖中RS為播種時(shí)玉米種植理論行距；RW為條帶清理理論寬度；Dl為秸稈橫向移動(dòng)距離的合理區(qū)間；D為實(shí)際秸稈橫向移動(dòng)最大距離。因此，在作業(yè)過程中應(yīng)始終避免清秸裝置將本行內(nèi)清理的秸稈拋擲到相鄰行的預(yù)清理?xiàng)l帶區(qū)域，以防止相鄰行的作業(yè)負(fù)擔(dān)增加、苗帶清秸率降低的現(xiàn)象發(fā)生。

東北地區(qū)采用免耕覆蓋種植模式下進(jìn)行玉米免耕播種作業(yè)的技術(shù)要求，免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)需小于田面的30%，且應(yīng)為播種作業(yè)準(zhǔn)備出15～25 cm的播種區(qū)[20-21]。東北地區(qū)玉米常規(guī)壟壟距為65 cm。因此，秸稈橫向移動(dòng)距離范圍應(yīng)為15～50 cm。

2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，由固定架、平行四桿架、星齒凹面清秸盤和作業(yè)幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其中作業(yè)幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)由 S型壓力傳感器、電動(dòng)直線推桿、連接件和幅寬控制器組成，S型壓力傳感器和電動(dòng)直線推桿通過連接件相連組成壓力監(jiān)控單元，其兩端分別與固定架和平行四桿架鉸接，幅寬控制器固定安裝在機(jī)架上。

該裝置作業(yè)前，根據(jù)地況條件和作業(yè)幅寬要求，通過幅寬控制器設(shè)定清秸裝置的目標(biāo)幅寬(即S型壓力傳感器的目標(biāo)監(jiān)測(cè)壓力)，使清秸盤在重力和下壓力的作用下插入秸稈層并與預(yù)定深度的土壤層接觸，達(dá)到設(shè)定作業(yè)幅寬。作業(yè)時(shí)，隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)；通過微控制器將實(shí)時(shí)讀取的壓力傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的幅寬，當(dāng)實(shí)測(cè)幅寬偏離設(shè)定的幅寬閾值范圍時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)推桿做出相應(yīng)伸長或收縮，使清秸裝置在設(shè)定的作業(yè)幅寬下穩(wěn)定運(yùn)行；清秸盤在機(jī)具的拉力和土壤的反作用力共同形成的力偶作用下繞定軸進(jìn)行被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，將清秸盤外側(cè)的秸稈殘茬沿著其外表面向條帶兩側(cè)推移，且秸稈橫向移動(dòng)距離逐漸增加，當(dāng)秸稈運(yùn)動(dòng)到清秸盤與地面交接的末端時(shí)，秸稈在旋轉(zhuǎn)的清秸盤對(duì)其產(chǎn)生的合力的作用下沿著星齒部分的凹曲面的切線方向被側(cè)向拋出；被拋擲的秸稈在慣性力和自身重力的作用下落在所清理?xiàng)l帶的兩側(cè)，從而形成清潔一致的條帶。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 工作參數(shù)分析

清秸防堵裝置的關(guān)鍵工作部件為星齒凹面清秸盤[14]。圖3為清秸盤垂直狀態(tài)入土深度為h時(shí)，其與土壤間相對(duì)位置的簡圖，點(diǎn)m、n分別為清秸盤與地面的兩個(gè)交點(diǎn)。由圖3可知，清秸盤與地表相交線段Lmn長度可表示為

(1)

式中r——清秸盤半徑，mm

γ——清秸盤和地面交點(diǎn)與垂直方向夾角，(°)

當(dāng)清秸盤與前進(jìn)方向的工作偏角為α，且與豎直平面的工作傾角為β時(shí)，以清秸盤圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立Oxyz空間直角坐標(biāo)系，其中x軸為機(jī)具前進(jìn)方向，y軸為與機(jī)具前進(jìn)方向垂直的水平方向，z軸為豎直方向，如圖4所示。

于是，單個(gè)清秸盤的有效作業(yè)幅寬b′和y方向的漏清區(qū)域c′為

(2)

(3)

該清秸防堵裝置采用交錯(cuò)對(duì)置的形式進(jìn)行清秸盤的布置，如圖5所示。

根據(jù)式(2)和式(3)將星齒凹面盤式清秸防堵裝置的理論作業(yè)幅寬和兩個(gè)清秸盤間的理論漏清區(qū)域表示為

(4)

式中LB——清秸裝置理論作業(yè)幅寬，mm

LC——清秸裝置理論漏清寬度，mm

e——兩個(gè)清秸盤間交點(diǎn)的水平距離(兩清秸盤重疊時(shí)為負(fù)值；否則為正值)，mm

整理得

(5)

由式(5)可知，該清秸防堵裝置的作業(yè)幅寬LB和理論漏清寬度LC的尺寸取決于清秸盤半徑r、入土深度h、工作偏角α、工作傾角β和2個(gè)清秸盤間交點(diǎn)的水平距離(即兩個(gè)清秸盤中心的水平距離L)。

綜合上述分析，結(jié)合東北地區(qū)玉米生產(chǎn)實(shí)際情況，春季播種時(shí)覆蓋在地表的秸稈層厚度為40～50 mm，常規(guī)壟壟距為650 mm，為提高清秸盤轉(zhuǎn)動(dòng)效率，設(shè)定清秸盤入土深度h為20 mm，星齒凹面清秸盤半徑r為152.5 mm。綜合上述設(shè)計(jì)要求，參考圓盤犁和圓盤耙的工作偏角[22]，經(jīng)計(jì)算，確定各參數(shù)取值范圍為90 mm≤L≤195 mm、15°≤α≤30°、10°≤β≤25°。

3.2 幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由式(5)可知，當(dāng)清秸裝置各項(xiàng)參數(shù)確定后，其作業(yè)幅寬只與清秸盤入土深度有關(guān)。在相同工況和入土深度條件下，清秸盤對(duì)地壓力穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)[23-24]，基于此開發(fā)幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)，其主要由S型壓力傳感器、電動(dòng)直線推桿和幅寬控制器等組成，如圖6所示。

S型壓力傳感器為清秸盤對(duì)地壓力檢測(cè)元件，電動(dòng)直線推桿為幅寬調(diào)節(jié)執(zhí)行部件，二者通過連接件相連組成壓力監(jiān)控單元，其兩端分別與固定架和平行四桿架鉸接。為了避免受環(huán)境影響清秸裝置需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其受力分析簡圖如圖7所示。

對(duì)清秸裝置進(jìn)行受力分析可得

FcosδLopcosθ=FNLoqcosθ

(6)

其中

式中F——電動(dòng)直線推桿輸出支持力，N

δ——由于外界影響導(dǎo)致壓力監(jiān)控單元與鉛錘方向間夾角，(°)

Lop——兩連桿鉸接點(diǎn)和傳感器與連桿鉸接點(diǎn)間線段長度，mm

FN——清秸裝置受到地表支持力，N

Loq——水平連桿鉸接點(diǎn)間線段長度，mm

θ——由于外界影響水平連桿與水平面間夾角，(°)

根據(jù)清秸裝置結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，當(dāng)清秸輪相對(duì)初始水平位置單向變動(dòng)30 mm(實(shí)際作業(yè)中)時(shí)，δ對(duì)應(yīng)變化值為0.17°，可近似表示為

F=3FN

(7)

因此，可以通過監(jiān)測(cè)清秸裝置作業(yè)過程中清秸盤的對(duì)地壓力，實(shí)時(shí)調(diào)控清秸盤入土深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)幅寬的自動(dòng)控制，提高幅寬穩(wěn)定性。

系統(tǒng)主要硬件原理如圖8所示，其中，標(biāo)號(hào)U1為微控制器，采用STM32F103ZET6單片機(jī)，其工作頻率可達(dá)72 MHz，I/O口及內(nèi)部資源豐富，滿足設(shè)計(jì)需求；標(biāo)號(hào)P1為S型壓力傳感器，其信號(hào)輸出端S+和S-通過變送放大器后分別與單片機(jī)的ADC輸入引腳PA1、PA2相連接；標(biāo)號(hào)K1、K2為型號(hào)相同的兩個(gè)繼電器，用于控制電動(dòng)推桿的伸縮變換，二者的控制端分別與單片機(jī)的I/O引腳PG6、PG7相連，公共端分別與電動(dòng)推桿的兩個(gè)信號(hào)線相連接，常閉端與24 V電源連通，常開端接地。當(dāng)單片機(jī)在PG6引腳輸出高電平、PG7引腳輸出低電平時(shí)，電動(dòng)推桿做伸長運(yùn)動(dòng)；反之，電動(dòng)推桿做收縮運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)PG6和PG7為相同電平(高電平或低電平)時(shí)，電動(dòng)推桿不動(dòng)作。標(biāo)號(hào)S1～S2為按鍵模塊，標(biāo)號(hào)U2為液晶顯示模塊，二者共同實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

S型壓力傳感器為杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MIK-LCS1-100kg型傳感器，其測(cè)量精度誤差為0.1%，測(cè)量量程為100 kg；采用的變送放大器型號(hào)為HSTL-BLSM，可將壓力傳感器的輸出值變換到電壓0～5 V范圍。幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。系統(tǒng)開始工作后，首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口及相關(guān)寄存器，并采用數(shù)組形式存儲(chǔ)清秸裝置作業(yè)幅寬與S型壓力傳感器輸出檢測(cè)值之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)；之后，STM32單片機(jī)讀取S型壓力傳感器輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換值Vad，并根據(jù)存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換參數(shù)將Vad換算成對(duì)應(yīng)的幅寬Bt，此時(shí)的幅寬Bt即為實(shí)時(shí)檢測(cè)幅寬。當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)幅寬Bt大于設(shè)定的作業(yè)幅寬閾值B0時(shí)，STM32單片機(jī)將計(jì)算出對(duì)應(yīng)的差值ΔB(ΔB=Bt-B0)，并據(jù)此控制電動(dòng)推桿作出相應(yīng)地收縮，使清秸裝置回到設(shè)定的作業(yè)幅寬；反之，當(dāng)Bt小于B0時(shí)，STM32單片機(jī)根據(jù)二者差值ΔB(ΔB=B0-Bt)，使電動(dòng)推桿伸長相應(yīng)的行程，以保持裝置按設(shè)定幅寬進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，相關(guān)信息(如設(shè)定幅寬B0和實(shí)時(shí)檢測(cè)幅寬Bt等)將在液晶顯示屏上予以顯示。

4 離散元仿真試驗(yàn)與分析

運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM建立作業(yè)部件-土壤-秸稈間作用模型對(duì)清秸防堵裝置田間作業(yè)環(huán)境進(jìn)行模擬，分析影響其作業(yè)性能的主要因素，從而尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合。

4.1 離散元模型建立

為合理有效地進(jìn)行仿真模擬與計(jì)算，對(duì)清秸防堵裝置模型進(jìn)行簡化處理，去除其工作過程中無關(guān)的部件。運(yùn)用三維制圖軟件Creo 對(duì)清秸防堵裝置進(jìn)行實(shí)體建模(比例1∶1)，以.igs格式導(dǎo)入EDEM軟件Geometry項(xiàng)中，仿真模型如圖11所示。設(shè)置仿真模型的材質(zhì)屬性為45號(hào)鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7.0×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

為簡化模型，采用直徑為8 mm的球體作為土壤顆粒模型[25-26]，設(shè)定土壤顆粒力學(xué)關(guān)系模型為Hertz-Mindlin with bonding模型，泊松比為0.38，剪切模量為1.0×106Pa，密度為1 850 kg/m3；國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械秸稈粉碎還田機(jī)》要求玉米秸稈粉碎長度不大于100 mm，并且根據(jù)田間粉碎秸稈實(shí)際尺寸采用8個(gè)直徑為20 mm、球心間距為10 mm的球體組成的長為90 mm的長線性模型作為秸稈顆粒模型，設(shè)定秸稈顆粒力學(xué)關(guān)系模型為Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型，泊松比為0.4，剪切模量為1.0×106Pa，密度為241 kg/m3。根據(jù)文獻(xiàn)[26]得到仿真材料的接觸參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料的接觸參數(shù)Tab.1 Contact parameters of simulated materials

為模擬實(shí)際田間清秸作業(yè)狀態(tài)，運(yùn)用EDEM軟件建立虛擬土槽，根據(jù)該地區(qū)春季播種前田間秸稈覆蓋情況，設(shè)定土壤層厚度為50 mm，秸稈層厚度為40 mm，設(shè)置土槽基本尺寸(長×寬×高)為2 000 mm×650 mm×90 mm，將其設(shè)定為虛擬顆粒工廠，保證槽內(nèi)存有充足顆粒進(jìn)行仿真，如圖12所示。在生成土壤顆粒過程中，使其僅在重力作用下自由沉降，且整體生成后在顆粒群上方加載校準(zhǔn)土壤密度所需的垂直載荷，進(jìn)行土壤模型壓實(shí)，使仿真與實(shí)際土壤保持一致。

4.2 虛擬仿真過程

在虛擬仿真過程中，設(shè)置清秸防堵裝置位于土槽一側(cè)進(jìn)行初始作業(yè)。根據(jù)機(jī)具實(shí)際作業(yè)狀態(tài)及免耕播種農(nóng)藝要求，設(shè)置該裝置前進(jìn)速度為2.22 m/s、清秸盤入土深度為20 mm。為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置其固定時(shí)間步長為Rayleigh時(shí)間步長的15%，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為土壤顆粒尺寸的2倍，數(shù)據(jù)導(dǎo)出時(shí)間間隔為0.01 s，以便對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)處理。仿真過程如圖13所示。

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為提高試驗(yàn)的可控性及準(zhǔn)確性，根據(jù)理論分析結(jié)果選取清秸盤間距、工作偏角和工作傾角為試驗(yàn)因素，使用Design-Expert軟件進(jìn)行三因素四水平正交試驗(yàn)，選用L16(45)正交表[27-28]，不考慮3個(gè)因素間的交互作用，因素和水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test factors and levels

由于目前國內(nèi)外尚無評(píng)價(jià)苗帶清秸作業(yè)質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通過查閱相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際玉米免耕播種作業(yè)技術(shù)要求[29-31]，選取苗帶清秸率和秸稈橫向移動(dòng)最大距離為試驗(yàn)指標(biāo)。

利用EDEM軟件獲得的solve report模塊，可得建立的秸稈顆粒在仿真作業(yè)前后的數(shù)量變化，提取作業(yè)前后線框區(qū)域內(nèi)秸稈顆粒數(shù)量，如圖14所示。

利用EDEM軟件的后處理功能輸出帶有尺寸基準(zhǔn)的圖片，再利用Adobe Photoshop軟件添加實(shí)際尺寸標(biāo)尺，讀取被拋擲秸稈在標(biāo)尺上的數(shù)值，即為秸稈橫向移動(dòng)最大距離D，如圖15所示。每組試驗(yàn)隨機(jī)選取位置記錄5個(gè)數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值，記為試驗(yàn)結(jié)果。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示，A、B、C為因素水平值。

在滿足實(shí)際免耕播種作業(yè)要求的條帶清秸寬度范圍內(nèi)，苗帶清秸率越高，則綜合作業(yè)性能越好。由表3極差分析可知，影響苗帶清秸率指標(biāo)的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋汗ぷ髌荁、清秸盤間距A、工作傾角C，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B4C4；影響秸稈橫向移動(dòng)最大距離的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋呵褰毡P間距A、工作偏角B、工作傾角C，當(dāng)參數(shù)組合為A1B1C4和A4B4C1時(shí)，分別為秸稈橫向移動(dòng)最大距離的最小值和最大值。根據(jù)實(shí)際田間生產(chǎn)作業(yè)要求及該清秸裝置自身特點(diǎn)，確定影響該清秸裝置綜合作業(yè)性能的主次順序因素為：工作偏角B、清秸盤間距A、工作傾角C。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test plan and results

清秸裝置作業(yè)時(shí)，主要依靠清秸盤的被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)將與之接觸的地表殘留秸稈推移和拋擲到苗帶兩側(cè)。兩個(gè)清秸盤的間距越大，則產(chǎn)生的漏清區(qū)域越大，使兩個(gè)清秸盤間有越多的秸稈無法與清秸盤相接觸，因此苗帶清秸率隨著清秸盤間距的增加而降低。工作偏角越大，清秸盤有效作業(yè)幅寬也隨之增加，使漏清間距減小，提高了秸稈與清秸盤的有效接觸面積，所以隨著工作偏角的增加，清秸率升高。工作傾角的增大，使清秸盤向內(nèi)側(cè)傾斜，減小了漏清間距，使清秸率增加。

清秸盤間距越大，使秸稈脫離清秸盤的初始位置和秸稈被拋起后最終的下落位置越遠(yuǎn)離清秸裝置的中心，因此，增加了秸稈的橫向移動(dòng)距離。工作偏角越大，同樣使秸稈脫離清秸盤的初始位置與清秸裝置中心的間距增加，同時(shí)增大的清秸盤偏角使秸稈與盤面間的相互作用更加強(qiáng)烈，且盤面對(duì)拋出秸稈的導(dǎo)流作用，使秸稈橫向移動(dòng)距離增大。工作傾角的分析與工作偏角相似，但是由于工作傾角向內(nèi)側(cè)傾斜，則使得秸稈橫向移動(dòng)最大距離隨工作傾角的增加而減小。

為準(zhǔn)確判斷各因素水平對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響的顯著性，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性判斷，其顯著水平設(shè)定為0.01，方差分析計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，方差分析結(jié)果與上述極差分析相符合，即工作偏角和清秸盤間距對(duì)苗帶清秸率和秸稈橫向移動(dòng)最大距離影響極顯著；工作傾角對(duì)苗帶清秸率和秸稈橫向最大移動(dòng)距離影響顯著。

表4 試驗(yàn)方差分析Tab.4 Analysis of test variance

4.5 試驗(yàn)優(yōu)化

為得到清秸裝置最佳工作參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，遵循在秸稈橫向拋擲不發(fā)生相互影響條件下提高苗帶清秸率的原則，采用多目標(biāo)變量優(yōu)化方法，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(8)

基于Design-Expert 6.0.10軟件中的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，可得多組優(yōu)化參數(shù)組合，綜合分析并從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理參數(shù)組合為A1B4C2，即清秸盤間距為90 mm、工作偏角為30°、工作傾角為15°時(shí)，該裝置苗帶清秸率為93.2%，秸稈橫向移動(dòng)最大距離為40.3 mm。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在2018年10月于吉林大學(xué)農(nóng)學(xué)部試驗(yàn)田進(jìn)行，土壤類型屬于中國東北典型黑黏土，試驗(yàn)期間日平均氣溫為12～16℃，幾乎無降雨。試驗(yàn)地前茬作物為玉米，秋季收獲時(shí)進(jìn)行了全量秸稈粉碎覆蓋還田(地上部分的玉米秸稈被全部粉碎并均勻地平鋪在地表上)，粉碎秸稈長度為8～12 cm。試驗(yàn)地塊0～100 mm深度內(nèi)，土壤堅(jiān)實(shí)度為0.985 MPa，容積密度為1.21 g/cm3，含水率為24.6%，溫度為11.8℃。

5.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置性能試驗(yàn)前，進(jìn)行作業(yè)幅寬-清秸盤對(duì)地壓力檢測(cè)的標(biāo)定試驗(yàn)，獲取二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)，不開啟幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)，使用LabView系統(tǒng)程序，通過USB66530數(shù)據(jù)采集卡對(duì)S型壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；記錄機(jī)具穩(wěn)定運(yùn)行50 m內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過Excel電子表格將采集數(shù)據(jù)換算為清秸盤對(duì)地壓力，并計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。試驗(yàn)過程中，調(diào)整星齒凹面清秸輪入土深度為20 mm，并分別設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為6、8、10、12 km/h進(jìn)行條帶清秸作業(yè)，在各種速度工況下重復(fù)3次。試驗(yàn)情況如圖16所示。

為考察幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置的作業(yè)性能，進(jìn)行田間性能檢測(cè)試驗(yàn)，并與安裝仿形彈簧條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)用清秸裝置工作參數(shù)為：清秸盤間距為90 mm、工作偏角為30°、工作傾角為15°，仿形彈簧參數(shù)為：線徑為5 mm、中心徑為30 mm、有效圈數(shù)為22。試驗(yàn)前，調(diào)整星齒凹面清秸輪入土深度為20 mm，調(diào)節(jié)所得標(biāo)定結(jié)果設(shè)置檢測(cè)初始值。試驗(yàn)過程中，分別設(shè)定播種機(jī)具以6、8、10、12 km/h進(jìn)行條帶清秸作業(yè)。每組試驗(yàn)的作業(yè)行程為50 m，其中包括兩端預(yù)留的10 m調(diào)整區(qū)和中間穩(wěn)定工作的30 m數(shù)據(jù)采集區(qū)，在各種速度工況下重復(fù)3次，試驗(yàn)情況如圖17所示，被測(cè)清秸防堵裝置如圖18所示。

5.3 試驗(yàn)指標(biāo)

由于目前國內(nèi)外尚無評(píng)價(jià)條帶清秸作業(yè)質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通過查閱相關(guān)資料及條帶耕作技術(shù)要求，選取苗帶清秸率、清秸幅寬穩(wěn)定性系數(shù)和秸稈橫向移動(dòng)最大距離為田間試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)苗帶清秸率

使用電子天平稱量苗帶清秸幅寬內(nèi)殘留秸稈質(zhì)量，并與該區(qū)域試驗(yàn)前秸稈質(zhì)量作比值，計(jì)算苗帶清秸率，在穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)間隔1 m連續(xù)采集20個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采樣如圖19a所示。

(2)清秸幅寬穩(wěn)定性系數(shù)

將鋼板尺與機(jī)組前進(jìn)方向垂直放置，測(cè)量清秸行兩側(cè)清理區(qū)域與未清理區(qū)域界線間距，記為清秸幅寬值，測(cè)點(diǎn)與苗帶清秸率測(cè)點(diǎn)相同，測(cè)定方法如圖19b所示。計(jì)算式為

(10)

其中

(11)

(12)

式中aj——第j個(gè)行程幅寬平均值，cm

aji——第j個(gè)行程中第i個(gè)點(diǎn)的幅寬，cm

nj——第j個(gè)行程中測(cè)定點(diǎn)數(shù)

Uj——第j個(gè)行程中幅寬穩(wěn)定性系數(shù)

Sj——第j個(gè)行程幅寬標(biāo)準(zhǔn)差，cm

(3)秸稈橫向移動(dòng)最大距離

使用鋼板尺測(cè)量被拋擲秸稈到清秸區(qū)中心的最大距離，記為秸稈橫向移動(dòng)最大距離，測(cè)點(diǎn)與苗帶清秸率測(cè)點(diǎn)相同，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值，測(cè)定方法如圖19c所示。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果

5.4.1標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果與分析

作業(yè)幅寬-清秸盤對(duì)地壓力檢測(cè)值標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。由于地表秸稈覆蓋不均勻和土壤緊實(shí)度不同等因素，使同一速度條件下被測(cè)裝置在作業(yè)工程中的受力主要集中在某一數(shù)值范圍內(nèi)變化，并且隨著前進(jìn)速度升高，清秸盤對(duì)地壓力呈上升趨勢(shì)，這與其他土壤耕作部件的結(jié)論相似[32-33]。

根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，以平均值為初始閾值，誤差精度設(shè)置為15%，設(shè)定幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)的初始閾值及范圍如表5所示。

表5 幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)的初始閾值及范圍Tab.5 Initial threshold and range of automatic width control system

5.4.2田間性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置的田間性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Field test results of automatic control row cleaners

由表6可知，在相同工況下，隨著前進(jìn)速度增加，清秸率和秸稈橫向移動(dòng)最大距離呈上升趨勢(shì)，而幅寬穩(wěn)定性系數(shù)呈降低趨勢(shì)，原因可能是前進(jìn)速度增加使清秸盤的轉(zhuǎn)速升高，增大了其與秸稈的相互作用力和對(duì)秸稈的拋擲效率。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)幅寬穩(wěn)定性系數(shù)具有極顯著性影響(P<0.01)，兩種處理相差8.7 個(gè)百分點(diǎn)，有效提高幅寬的穩(wěn)定性。通過與仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，田間作業(yè)質(zhì)量與仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果基本一致，但是田間秸稈橫向移動(dòng)最大距離略小于仿真試驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)生誤差的原因可能是仿真環(huán)境過于理想，而田間秸稈的含水率和容積密度更大，所需拋擲能量更多，但誤差在可接受范圍內(nèi)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置具有較高的清秸作業(yè)質(zhì)量，清秸率高達(dá)92.3%，幅寬穩(wěn)定性系數(shù)高達(dá)92.1%，能夠適應(yīng)東北地區(qū)大秸稈覆蓋量的作業(yè)地況，清理的條帶滿足玉米種植作業(yè)的農(nóng)藝要求。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種幅寬自動(dòng)控制清秸防堵裝置，該裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控清秸幅寬，其清秸率高，秸稈拋擲距離合理，工作性能穩(wěn)定，作業(yè)后地表滿足免耕播種作業(yè)要求。

(2)對(duì)清秸裝置工作參數(shù)進(jìn)行了理論分析，得出影響其作業(yè)性能的主要工作參數(shù)為清秸盤間距L、工作偏角α和工作傾角β，確定了各參數(shù)的取值范圍為90 mm≤L≤195 mm、15°≤α≤30°、10°≤β≤25°。仿真試驗(yàn)表明，影響裝置綜合作業(yè)性能的主次因素順序?yàn)椋呵褰毡P間距、工作偏角和工作傾角，最優(yōu)參數(shù)組合為L=90 mm、α=30°和β=15°。

(3)運(yùn)用S型壓力傳感器和電動(dòng)直線推桿協(xié)同作用設(shè)計(jì)了幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控清秸盤對(duì)地壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)其作業(yè)幅寬。通過田間試驗(yàn)，得到了各速度水平下作業(yè)幅寬與作業(yè)阻力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(4)田間試驗(yàn)表明，幅寬自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠有效提高幅寬穩(wěn)定性，幅寬穩(wěn)定性系數(shù)提高了8.7個(gè)百分點(diǎn)；該裝置苗帶清秸率為92.3%，秸稈橫向移動(dòng)最大距離為40.2 mm，幅寬穩(wěn)定性系數(shù)為92.1%，具有較高的清秸作業(yè)質(zhì)量，能夠適應(yīng)東北地區(qū)大秸稈覆蓋量下的作業(yè)地況，清理的條帶滿足玉米種植作業(yè)的農(nóng)藝要求。