曹鑫鵬 王慶杰 李洪文 何 進(jìn) 盧彩云

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，北京 100083)

0 引言

保護(hù)性耕作是對(duì)農(nóng)田進(jìn)行少耕免耕、用作物秸稈覆蓋地表，從而減少風(fēng)蝕和水蝕、提高土壤肥力和抗旱能力的先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[1-2]。東北地區(qū)為我國玉米主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)氣溫較低，在玉米秸稈全量粉碎還田條件下，秸稈覆蓋量大、莖稈粗壯且較難粉碎[3]。春季免耕播種時(shí)，易造成開溝器等土壤耕作部件的纏繞及壅堵，影響播種作業(yè)效果及出苗質(zhì)量[4-5]。另外，播種后秸稈覆蓋播種帶，導(dǎo)致土壤升溫緩慢，延緩玉米出苗、影響后期生長(zhǎng)，從而影響了玉米產(chǎn)量[6-8]。因此，研究高效的種帶清茬裝置是該地區(qū)推廣保護(hù)性耕作技術(shù)的關(guān)鍵。

目前，東北地區(qū)使用的種帶清茬裝置按照動(dòng)力來源可分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種，其中，被動(dòng)輪盤式清茬裝置具有動(dòng)力消耗少、保墑效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。賈洪雷等[9]通過仿真分析的方法對(duì)影響清茬效果的清茬輪工作參數(shù)進(jìn)行分析，確定了清茬輪最佳工作參數(shù)，提高了種帶清茬率。王奇等[10]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)參數(shù)進(jìn)行分析，確定了星齒凹面盤的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在提高種帶清茬率的同時(shí)降低了作業(yè)阻力。林靜等[11]通過對(duì)清壟刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了切撥防堵裝置的最佳作業(yè)參數(shù)，提高了種帶根茬切斷及清茬率?，F(xiàn)有研究多以提高種帶清茬率、降低作業(yè)阻力為目標(biāo)，并未考慮播種作業(yè)后秸稈在風(fēng)力作用下回壟和二次覆蓋種帶影響免耕播種作業(yè)質(zhì)量的問題。

為此，本文結(jié)合東北地區(qū)免耕作業(yè)秸稈覆蓋情況及播種需求，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈側(cè)向切分及拋擲、種帶表土覆蓋秸稈的側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置，通過理論分析與多因素離散元仿真試驗(yàn)獲得清茬裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并通過田間試驗(yàn)對(duì)該裝置的作業(yè)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置主要針對(duì)東北地區(qū)全量秸稈粉碎還田覆蓋條件下玉米免耕播種農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由安裝架、機(jī)架、過載彈簧、缺口切茬圓盤、仿形彈簧、撥茬齒盤和刮土板組成。撥茬齒盤安裝在缺口切茬圓盤左后方，獨(dú)立仿形。

1.2 工作原理

如圖1所示，清茬裝置通過安裝架安裝在免耕播種機(jī)開溝裝置前方，撥茬齒盤中心與種帶中心對(duì)齊，沿機(jī)具前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。作業(yè)前，根據(jù)作業(yè)地表情況，調(diào)節(jié)缺口切茬圓盤入土深度H與撥茬齒盤入土深度h；作業(yè)時(shí)，缺口切茬圓盤將種帶中心右側(cè)10 cm處秸稈在地表土壤的支撐作用下切斷，同時(shí)切碎地表硬土并將秸稈及硬土向左上方拋送至撥茬齒盤清理寬度b1范圍內(nèi)，撥茬齒盤齒尖沿切茬圓盤切出土壤位置入土，在地表秸稈及土壤的力矩作用下，繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；秸稈及表土在撥茬齒盤的作用下沿其切線方向向種帶左側(cè)前方滑移，當(dāng)秸稈及表土運(yùn)動(dòng)到撥茬齒盤外圓方向與地面交點(diǎn)位置時(shí)，秸稈及表土在撥茬齒盤的作用下沿凹面切線方向向左前方先后拋出；被側(cè)向拋擲的秸稈在重力與慣性力的作用下先落至種帶左側(cè)后被種帶表土覆蓋。在切茬圓盤的切茬及撥茬齒盤側(cè)向拋茬的作用下，清理出寬度為B的清潔種帶，同時(shí)利用種帶表土將側(cè)向拋擲的秸稈覆蓋。

2 清茬裝置設(shè)計(jì)

2.1 側(cè)置切刀機(jī)構(gòu)

目前東北地區(qū)播種機(jī)多采用撥茬輪清理種帶，田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅靠撥茬裝置側(cè)推作用無法將長(zhǎng)秸稈拋離種帶，同時(shí)撥茬輪齒較難入土，影響清茬裝置作業(yè)穩(wěn)定性；在播種帶中心切斷秸稈，秸稈易被壓入播種帶影響清茬率的進(jìn)一步提高。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了側(cè)置切刀機(jī)構(gòu)，主要由圖1中的安裝架、缺口切茬圓盤、刮土板和過載彈簧組成，可保證切茬圓盤在種帶一側(cè)切分地表秸稈的同時(shí)破碎并側(cè)推地表硬土，提高撥茬齒盤的作業(yè)效果及穩(wěn)定性。

2.1.1切刀類型

圓盤式切茬裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定且具有較好的滑切性能，因此選用圓盤刀對(duì)秸稈殘茬進(jìn)行切割。缺口圓盤相較于平面圓盤及波紋圓盤，對(duì)秸稈殘茬的砍切作用較強(qiáng)，入土阻力較小且具有一定的分茬作用[12]，最終確定切刀類型為缺口圓盤。

2.1.2切茬圓盤直徑

為保證切茬圓盤在秸稈覆蓋量較大地表具有良好的通過性，需滿足秸稈切割過程中不被切茬圓盤推動(dòng)，通過靜力學(xué)分析可知，切茬圓盤需要滿足的條件為

(1)

式中D1——切茬圓盤直徑，mm

h1——切茬圓盤入土深度，mm

d——秸稈直徑，mm

φ1——秸稈與地面摩擦角，(°)

φ2——秸稈與切茬圓盤摩擦角，(°)

結(jié)合實(shí)地測(cè)量取秸稈直徑d=35 mm；為保證穩(wěn)定切茬效果，切茬圓盤入土深度通常為80～100 mm[13]，本文取最大入土深度h1=100 mm；玉米秸稈與65Mn鋼摩擦角為23°～33°，計(jì)算中取最大值φ2=33°[14]；針對(duì)播種機(jī)工作地表情況，秸稈與地面摩擦角φ1按30°計(jì)算，得圓盤直徑D1≥430 mm。切茬圓盤直徑越大，圓盤對(duì)秸稈殘茬的切割效果越好[14]，但是隨著圓盤直徑增大，圓盤入土壓力增大[15]，設(shè)計(jì)中常取430～460 mm[5,16]，為保證切茬圓盤較好的切茬效果，本文取切茬圓盤直徑D1=460 mm。

2.1.3切茬圓盤安裝

切茬圓盤與前進(jìn)方向的偏角及與豎直方向的傾角影響切茬圓盤對(duì)秸稈側(cè)拋?zhàn)饔?、破茬能力及牽引阻力。在一定垂直壓力下，隨著切茬圓盤傾角的增大，切茬圓盤切茬率降低，且牽引阻力降低。當(dāng)切茬圓盤的偏角增大時(shí)，對(duì)秸稈及地表硬土的側(cè)拋?zhàn)饔迷矫黠@，有利于撥茬齒盤的側(cè)向撥茬，但相同切茬深度下切茬圓盤所需垂直壓力增大。為提高撥茬齒盤的作業(yè)效果，選擇切茬圓盤安裝偏角為5°，傾角為0°[14,16-17]。

2.2 撥茬齒盤機(jī)構(gòu)

2.2.1運(yùn)動(dòng)分析

撥茬齒盤是清茬裝置主要工作部件，安裝在切茬圓盤側(cè)后方，其盤面與前進(jìn)方向及豎直方向成一定的角度，作業(yè)過程中撥茬齒盤被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，利用撥齒將秸稈及表土拋送至行間，因此撥齒在地表上的運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響撥茬裝置作業(yè)質(zhì)量。假定撥茬過程中撥茬齒盤前進(jìn)速度為勻速，作業(yè)深度保持穩(wěn)定，對(duì)撥茬齒盤撥茬過程進(jìn)行分析[13]。由于撥齒數(shù)量較多，現(xiàn)以4個(gè)均布撥齒為例，建立如圖2所示的坐標(biāo)系，y軸正向?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)方向。

撥茬齒盤撥茬過程中，撥茬齒盤在連接支臂的拉力和土壤的反作用力下繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在仿形裝置的作用下齒尖入土，齒根位置與地表相切，撥齒邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊推動(dòng)秸稈沿地表向側(cè)前方滑移。如圖2所示，撥茬齒盤與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角為α，當(dāng)機(jī)器以速度vj沿前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，撥茬齒盤角速度為ω。作業(yè)過程中撥茬齒盤齒尖的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為以圓盤中心連線OO′為回轉(zhuǎn)中心的空間螺線，撥茬齒盤旋轉(zhuǎn)一周在地表留下4條間距為d1的曲線，撥齒自點(diǎn)P位置開始入土，當(dāng)?shù)竭_(dá)P1位置時(shí)撥齒出土，秸稈及表土沿?fù)懿琮X盤曲面切線被拋離種帶。

理想狀態(tài)下?lián)荦X沿地表的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡即為秸稈與地表土的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖3所示，曲線PEP1為在撥齒作用下秸稈與表土沿地表的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，其運(yùn)動(dòng)過程可分解為：在平面圓盤作用下沿地表的直線滑移PG及沿凹面圓盤的齒刃滑移FE，其中曲線FE沿地表的投影為直線GE。實(shí)際撥茬過程中，兩種滑移同時(shí)發(fā)生，無先后順序[14]。

撥齒沿地表劃過軌跡方程為

(2)

式中vx、vy——撥茬齒盤沿x、y軸分速度，m/s

lde——齒刃沿地面的投影長(zhǎng)度，mm

b2——地表軌跡寬度，mm

w——撥齒寬度，mm

d1——相鄰撥齒沿地表絕對(duì)軌跡間距，mm

rc——齒根圓半徑，mm

n——撥齒數(shù)量

由式(2)可知，影響撥齒沿地表運(yùn)動(dòng)軌跡的因素有α、vx、vy、lde、rc、w、n。

由撥茬齒盤的結(jié)構(gòu)可知

(3)

式中ρ——曲率半徑，mm

r——回轉(zhuǎn)半徑，mm

t——時(shí)間，s

l——撥齒長(zhǎng)度，mm

δ1——地表秸稈覆蓋厚度，mm

由式(2)、(3)可知，影響撥茬齒盤清茬效果及秸稈壓土量的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑r、曲率半徑ρ，撥齒長(zhǎng)度l、寬度w、齒數(shù)n。

2.2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.2.1撥茬齒盤輪盤

(1)回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長(zhǎng)度

在地表秸稈覆蓋情況相同條件下，撥茬齒盤的清茬寬度如圖4所示。

作業(yè)過程中撥茬齒盤與前進(jìn)方向偏角為α?xí)r，撥茬齒盤理論清茬寬度b1為

b1=lMNsinα

(4)

(5)

式中l(wèi)MN——撥茬齒盤與地表交點(diǎn)距離，mm

由式(4)、(5)可知，種帶清茬寬度b1由撥齒長(zhǎng)度l及回轉(zhuǎn)半徑r共同決定，為滿足清理指定寬度的種帶要求，需選擇合適的撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長(zhǎng)度。

(2)曲率半徑

具有一定曲率的撥茬齒盤對(duì)地表秸稈、殘茬等覆蓋物有側(cè)推作用和翻拋?zhàn)饔?，秸稈、殘茬及表土可沿曲面上升、拋擲，在秸稈覆蓋量較大情況下，撥茬、脫茬及脫土效果更理想[15]。

(3)厚度

撥茬齒盤厚度δ2越小，撥齒入土壓力越小，但磨損較快且容易插入秸稈，影響作業(yè)穩(wěn)定性。撥茬齒盤的厚度參照現(xiàn)有平面彎齒式撥草輪及圓盤耙在粘重土壤上作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)公式[16]

δ2=0.016r+1

(6)

式中δ2——撥茬齒盤厚度，mm

撥茬齒盤厚度取6 mm。

2.2.2.2撥茬齒盤撥齒

(1)撥齒傾角

按照撥齒與過圓心直線的夾角θ的大小，撥茬齒盤撥齒布置形式可分為徑向(θ=0°)、前傾(θ>0°)和后傾(θ<0°)。當(dāng)撥齒前傾時(shí)，撥茬過程中撥齒AB段接觸秸稈，秸稈受力如圖5所示，為達(dá)到撥茬的效果需滿足

f1+f2cos(φ-θ)≤Fsin(φ-θ)

(7)

式中f1——地表對(duì)秸稈的摩擦力，N

f2——撥齒對(duì)秸稈的摩擦力，N

F——撥齒對(duì)秸稈的壓力，N

φ——某時(shí)刻撥齒與地表的夾角，(°)

由式(7)、圖5可知，隨著θ的減小，撥齒撥動(dòng)秸稈所需的作用力F減小，撥齒拋茬作用減小。當(dāng)θ<0時(shí)，在作業(yè)過程中秸稈與撥齒會(huì)發(fā)生自鎖，不利于脫茬作業(yè)。結(jié)合現(xiàn)有的撥茬輪指結(jié)構(gòu)，最終選定撥齒前傾角為30°。

(2)撥齒寬度

撥齒寬度w越大，秸稈與齒尖接觸面積越大，從而增大撥齒的入土壓力；但當(dāng)撥齒寬度過小時(shí)，撥齒易插入秸稈中，降低撥齒強(qiáng)度。綜合考慮東北地區(qū)秸稈直徑、撥齒強(qiáng)度及現(xiàn)有免耕撥草輪撥齒寬度，選擇撥齒寬度w為16 mm。

(3)齒數(shù)

撥茬齒盤撥齒齒數(shù)n為

(8)

式中d2——相鄰撥齒間距，mm

撥齒的排列方式如圖6所示，撥茬齒盤的齒距需要在保證對(duì)秸稈連續(xù)撥動(dòng)、拋送，防止兩個(gè)撥齒齒根部分夾稈、漏撥的基礎(chǔ)上，降低撥齒入土壓力。由式(8)可知，撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑r與齒長(zhǎng)l相同情況下?lián)荦X齒數(shù)n越多，相鄰撥齒間距d2越小，清茬效果越好，但撥茬齒盤入土壓力增大，且撥齒間距過小時(shí)易夾稈，影響脫茬，因此需根據(jù)撥茬齒盤半徑與撥齒長(zhǎng)度確定齒數(shù)n。

2.2.3撥茬齒盤安裝

撥茬齒盤的入土深度直接影響其清茬效果及秸稈壓土量?，F(xiàn)有的免耕撥草輪安裝大多以鉸接的方式與機(jī)架連接，撥齒的入土深度變化較大，嚴(yán)重影響撥茬作業(yè)質(zhì)量及穩(wěn)定性。針對(duì)現(xiàn)有的撥茬機(jī)構(gòu)仿形能力較差的問題，設(shè)計(jì)的撥茬齒盤仿形機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由安裝架、仿形彈簧、撥茬齒盤支臂組成。當(dāng)?shù)乇砥鸱鼤r(shí)，通過彈簧的彈性變形，實(shí)現(xiàn)撥茬齒盤的對(duì)地仿形。為達(dá)到最佳拋茬效果與合理拋送距離，確定撥茬齒盤與前進(jìn)方向偏角為37.5°，與豎直方向傾角為15°[9,18]。

3 仿真分析

為研究清茬防堵裝置在東北一年一熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地的清茬作業(yè)性能，分析影響清茬防堵裝置作業(yè)性能的撥茬齒盤結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用離散元軟件EDEM建立土壤-秸稈仿真模型，以撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑和撥齒長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，以清茬率和秸稈壓土量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，從而得到種帶清茬裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 土壤秸稈模型的建立

3.1.1清茬裝置模型

清茬裝置田間作業(yè)過程中，缺口切茬圓盤與撥茬齒盤為主要作業(yè)部件，因此對(duì)清茬裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除仿真過程中無關(guān)部件后導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖7所示。設(shè)置仿真模型的材料為65Mn鋼，泊松比為0.3，剪切模量為7.0×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

3.1.2土壤秸稈模型

為真實(shí)地反映田間秸稈與土壤在清茬裝置作用下的速度與位移情況，在EDEM中建立土壤模型并覆蓋秸稈。選擇Hertz-Mindlin with no slip模型作為土壤顆粒間接觸模型，其中土壤模型由半徑5 mm的球形顆粒表示，建立土槽尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 400 mm×700 mm×100 mm，土壤厚度為100 mm，土壤密度2 650 kg/m3。土槽高度與土壤厚度相同，保證土槽邊緣不影響秸稈的運(yùn)動(dòng)。

圖7所示為初始狀態(tài)時(shí)地表覆蓋情況，通過對(duì)收獲機(jī)粉碎后地表覆蓋物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，播種期地表覆蓋物主要分為細(xì)碎葉片及莖稈兩大類。因此仿真試驗(yàn)中按兩種覆蓋物的平均尺寸及質(zhì)量分布分別生成尺寸為3 mm×6 mm×39 mm的葉片共487 g，及尺寸(長(zhǎng)軸×短軸×高)為13.5 mm×17 mm×170 mm橢圓形截面玉米莖稈共521 g。為加快仿真速度，初始狀態(tài)時(shí)默認(rèn)切茬圓盤將秸稈切斷，因此以切茬圓盤為中心，兩側(cè)分別預(yù)留寬度為20 mm無秸稈覆蓋區(qū)域，其中玉米秸稈密度243 kg/m3，秸稈覆蓋量為1.2 kg/m2。根據(jù)文獻(xiàn)[10,19-21]得到仿真材料間接觸參數(shù)如表1所示。

表1 仿真試驗(yàn)材料接觸參數(shù)Tab.1 Material contact parameters of simulation

3.2 仿真試驗(yàn)方法

根據(jù)玉米免耕播種作業(yè)情況，設(shè)置清茬裝置作業(yè)速度為6 km/h，切茬圓盤入土深度為80 mm，撥茬齒盤齒根距土槽上表面30 mm。通過預(yù)試驗(yàn)確定保證仿真準(zhǔn)確性的固定時(shí)間步長(zhǎng)為8.2×10-5s，總仿真時(shí)間為1.2 s。以上文理論分析中選定的撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑r、曲率半徑ρ、撥齒長(zhǎng)度l為試驗(yàn)因素，以清茬裝置種帶清茬率與秸稈壓土量為試驗(yàn)指標(biāo)，采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，確定各因素及其交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，優(yōu)化撥茬齒盤最佳參數(shù)組合，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Experimental factors codes

3.2.1種帶清茬率測(cè)定

目前國內(nèi)對(duì)于免耕作業(yè)機(jī)具清茬效果的測(cè)定主要通過清茬率來確定。仿真試驗(yàn)中通過修改仿真區(qū)域的大小，提取清茬裝置作業(yè)前后20 cm寬度種帶內(nèi)秸稈顆粒質(zhì)量的變化來計(jì)算清茬裝置清茬率，如圖8所示。

3.2.2秸稈壓土量測(cè)定

秸稈壓土量通過調(diào)整仿真區(qū)域，提取仿真結(jié)束后種帶間土槽上表面土壤顆粒數(shù)量，計(jì)算得

(9)

式中V——秸稈總壓土量，cm3

V0——土槽總體積，cm3

n1——土槽上表面顆粒數(shù)量

n0——土槽總顆粒數(shù)量

3.3 仿真結(jié)果分析

側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of tests

3.3.1回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到試驗(yàn)指標(biāo)種帶清茬率Y1與秸稈壓土量Y2的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

種帶清茬率Y1方差分析如表4所示，由表可知，試驗(yàn)整體模型極顯著(P<0.01)?；剞D(zhuǎn)半徑x1與撥齒長(zhǎng)度x3影響極顯著，其他各項(xiàng)不顯著，回轉(zhuǎn)半徑對(duì)種帶清茬率的影響大于撥齒長(zhǎng)度。剔除交互項(xiàng)與二次項(xiàng)中的不顯著因素，得到種帶清茬率Y1回歸方程

Y1=107.95-0.07x1-4.88×10-4x2-0.09x3

(10)

表4 種帶清茬率方差分析Tab.4 Variance analysis of stubble removal rate

秸稈壓土量Y2方差分析如表5所示，由表可知，試驗(yàn)整體模型顯著(P<0.01)。回轉(zhuǎn)半徑x1、曲率半徑x2、撥齒長(zhǎng)度x3、回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長(zhǎng)度的交互項(xiàng)x1x3對(duì)壓土量Y2的影響極顯著。剔除不顯著因素，得到種帶清茬率Y2回歸方程

表5 秸稈壓土量方差分析Tab.5 Variance analysis of straw covering soil amount

Y2=30 764.94-4.66x1-159.51x2-
550.80x3+3.73x1x3

(11)

3.3.2結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理得出各因素及其交互項(xiàng)對(duì)種帶清茬率與秸稈壓土量的影響，通過仿真試驗(yàn)確定各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響機(jī)理。

對(duì)于種帶清茬率Y1，在選定回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長(zhǎng)度范圍內(nèi)，種帶清茬率與撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑及撥齒長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)。隨著撥齒長(zhǎng)度的增加，秸稈沿?fù)荦X齒間漏撥的幾率增加。隨回轉(zhuǎn)半徑的增大，切茬圓盤與撥茬齒盤回轉(zhuǎn)中心距離增加，缺口切茬圓盤對(duì)清茬作業(yè)的輔助作用降低；切茬圓盤、撥茬齒盤與地面交線距離增加，造成漏清區(qū)，限制清茬率的提高。玉米免耕播種作業(yè)中種帶清茬率越高，種帶秸稈越少，對(duì)玉米生長(zhǎng)影響越小。

對(duì)于秸稈壓土量Y2，選定回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑及撥齒長(zhǎng)度范圍內(nèi)，曲率半徑與秸稈壓土量呈負(fù)相關(guān)，回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長(zhǎng)度對(duì)秸稈壓土量存在交互作用。當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，秸稈壓土量與撥齒長(zhǎng)度呈正相關(guān)；當(dāng)撥齒長(zhǎng)度一定時(shí)，秸稈壓土量與回轉(zhuǎn)半徑呈正相關(guān)。曲率半徑減小，種帶土壤更易沿曲面上升，秸稈壓土量增大；隨撥齒長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)半徑增加，單位寬度內(nèi)的撥茬齒盤撥齒入土投影面積增大，秸稈壓土量增大，對(duì)種床地表干土的清理效果增加。秸稈壓土量越大，秸稈被風(fēng)吹回種帶的可能越小，但種帶拋土量過大造成種帶與種帶間高度差，不利于地溫的提升，影響前期種子出苗。

為獲得該種帶清茬裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，遵循提高種帶清茬率、保證秸稈壓土量的原則，根據(jù)播種機(jī)實(shí)際作業(yè)條件及理論分析選擇優(yōu)化的約束條件，建立目標(biāo)及約束函數(shù)

(12)

對(duì)目標(biāo)函數(shù)中參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到多種參數(shù)組合?？紤]到實(shí)際作業(yè)要求，得到的最優(yōu)組合為：撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑163 mm、曲率半徑350 mm、撥齒長(zhǎng)度52 mm，種帶清茬率為91.8%，秸稈壓土量為5 190 cm3/m2。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行虛擬驗(yàn)證試驗(yàn)，其清秸率為91%，秸稈壓土量為5 259 cm3/m2，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述理論分析及仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性并測(cè)定側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬防堵裝置的田間作業(yè)性能，于2020年5月在遼寧省撫順市清原滿族自治縣進(jìn)行玉米播種試驗(yàn)，試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為黑壤土，試驗(yàn)地常期春玉米連作，秋季采用自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)收獲的同時(shí)將秸稈進(jìn)行全量粉碎還田，播種試驗(yàn)期間日平均氣溫16～22℃，無降水，試驗(yàn)區(qū)田間地況主要參數(shù)如表6所示。

表6 田間試驗(yàn)主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of field tests

加工試制側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置，撥茬齒盤結(jié)構(gòu)參數(shù)選取仿真分析優(yōu)化后結(jié)果：回轉(zhuǎn)半徑為163 mm，曲率半徑為350 mm，撥齒長(zhǎng)度、寬度、齒數(shù)分別為52 mm、16 mm、19。清茬裝置安裝在玉米免耕播種機(jī)播種單體前方，撥茬齒盤中心正對(duì)種帶中心。試驗(yàn)前根據(jù)土壤緊實(shí)度與秸稈覆蓋情況調(diào)節(jié)切茬圓盤入土深度與撥茬齒盤仿形彈簧預(yù)緊力，保證缺口切茬圓盤將秸稈切斷，撥茬齒盤撥齒入土，田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

每次試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)種帶及種帶兩側(cè)秸稈及土壤分布進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量區(qū)域劃分如圖10所示，圖中紅色線與種帶中心對(duì)齊，由于秸稈單側(cè)拋擲，因此在作業(yè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇種帶左側(cè)長(zhǎng)度40 cm，右側(cè)長(zhǎng)度20 cm、寬度15 cm的測(cè)量區(qū)，將測(cè)量區(qū)劃分為長(zhǎng)度5 cm、寬度15 cm共計(jì)10個(gè)測(cè)量小區(qū)，分別取樣測(cè)量每個(gè)小區(qū)內(nèi)的秸稈質(zhì)量、表土質(zhì)量。作業(yè)后在作業(yè)區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)取平均值，通過對(duì)比作業(yè)前后種帶秸稈覆蓋質(zhì)量與種帶間土壤質(zhì)量的變化計(jì)算種帶清茬率與秸稈壓土量，其中種帶土壤分布測(cè)量以種帶最低點(diǎn)為零點(diǎn)，種帶間土壤分布測(cè)量以未耕作地表為零點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，秸稈及種帶表土向橫坐標(biāo)軸正向拋擲。

由圖11可知，在切茬圓盤與撥茬齒盤的作用下，種帶秸稈及表土被側(cè)向拋擲，作業(yè)完成后種帶右側(cè)秸稈被表土覆蓋，種帶左側(cè)表土堆積且高于種帶，有利于抑制秸稈回壟現(xiàn)象。當(dāng)作業(yè)速度為6 km/h時(shí)，20 cm寬種帶清茬率為91.4%，種帶間地表秸稈壓土量為5 833 cm3/m2，其中秸稈壓土量誤差較大，較仿真試驗(yàn)增加10.9%，可能是由于仿真過程中土壤顆粒半徑較大，同時(shí)土壤模型未考慮顆粒間粘結(jié)力造成。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置滿足東北地區(qū)對(duì)玉米播種種帶清茬率要求，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的側(cè)拋及表土覆蓋，播種作業(yè)后秸稈未出現(xiàn)被風(fēng)吹回已清理播種帶現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)一種適用于東北地區(qū)玉米免耕播種的側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置，該裝置通過缺口切茬圓盤對(duì)種帶一側(cè)秸稈進(jìn)行切分，使用撥茬齒盤將種帶秸稈撥離，并利用種帶表土將秸稈掩埋覆蓋，明顯抑制了秸稈回壟現(xiàn)象。

(2)通過對(duì)撥茬過程中撥齒沿地表的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，確定影響撥茬齒盤作業(yè)性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑及撥齒長(zhǎng)度。以種帶清茬率和秸稈壓土量為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)各影響因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合仿真試驗(yàn)，得出撥茬齒盤的最優(yōu)參數(shù)組合為：回轉(zhuǎn)半徑163 mm、曲率半徑350 mm、撥齒長(zhǎng)度52 mm。

(3)田間試驗(yàn)表明，側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置清茬效果較好，對(duì)種帶間秸稈的掩埋壓土效果明顯，在20 cm清茬寬度下，種帶清茬率91.4%、秸稈壓土量為5 833 cm3/m2，與仿真結(jié)果基本一致。