廖宜濤 李玥賓 廖慶喜 樊 偉 高麗萍 陳 慧

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070)

0 引言

油菜是我國重要的油料作物，兼具飼料、綠肥、食用菜薹、觀花旅游等多用途發(fā)展?jié)摿1-2]。在我國長江中下游地區(qū)，油菜種植模式一般為稻油輪作。在前茬水稻收獲后，接茬油菜種植采用精量聯(lián)合直播方式，一次性完成油菜種植所有工序[3-4]，從而實現(xiàn)油菜輕簡化栽培，具有輕簡高效、節(jié)本增效等顯著優(yōu)勢，近年來得到廣泛推廣應(yīng)用。在長期研究與生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，隨著水稻產(chǎn)量的逐年增加，水稻收獲后秸稈殘留量大，且稻茬田土壤黏重板結(jié)，在秸稈禁燒的背景下，聯(lián)合直播作業(yè)機具易出現(xiàn)觸土工作部件纏繞壅堵、種子落在秸稈上難以出苗等問題[5]。稻茬田油菜直播時對前茬秸稈處理成為亟待解決的問題。

目前，對秸稈處理有離田和還田兩種方式。離田處理采用撿拾打捆機械將農(nóng)作物收獲后的秸稈收集、打捆、外運[6-7]；還田處理是將秸稈留田、自然腐解入土，主要包括混埋還田、溝埋還田、留高茬還田和覆蓋還田等方式，還田處理可以改良土壤理化特性、增加土壤中養(yǎng)分含量、提高土壤生物活性[8-10]。

覆蓋還田是秸稈還田處理的有效方式，其工藝是作物收獲后秸稈直接覆蓋在土壤表面，讓其自然風化分解。覆蓋還田不僅能夠抑制土壤風蝕、吸收自然降水、降低土壤中水分蒸發(fā)速度，從而提高土壤含水率[11-12]，而且秸稈腐爛后可以增加土壤中的有機質(zhì)含量，提高土壤固氮能力[13-15]。將秸稈覆蓋在播種后的廂面上，可以有效改良土壤結(jié)構(gòu)，在促進作物根系生長發(fā)育的同時還能抑制雜草生長，是一種蓄水、保墑、增產(chǎn)的農(nóng)藝措施[16-18]。

國內(nèi)外學(xué)者對不同作物種植及前茬秸稈覆蓋還田的相關(guān)技術(shù)裝備進行了研究。如國外種植玉米、大豆時通常將秸稈覆蓋還田，與少免耕等耕作方式相結(jié)合實現(xiàn)保護性耕作，并開發(fā)了秸稈殘茬處理、淺旋淺耕、少免耕以及深松等作業(yè)機具[19-22]。在國內(nèi)，王漢羊等[23]針對麥茬地大豆種植區(qū)研制了2BMFJ-3型麥茬地免耕覆秸大豆精密播種機，顧峰瑋等[24]針對麥茬地花生種植區(qū)提出了“潔區(qū)播種”思路，并研制了花生免耕播種機，牛琪等[25]針對玉米秸稈地小麥種植區(qū)研制了玉米秸稈后覆蓋小麥播種機，施印炎等[26]針對稻茬地小麥種植區(qū)設(shè)計了全量秸稈粉碎條鋪與種帶分型清秸裝置，整機需配備88.3 kW拖拉機來提供動力。

在我國長江中下游稻油輪作區(qū)水旱交替輪作模式下，油菜種植作業(yè)工序多，水稻秸稈質(zhì)地柔軟難以粉碎，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，復(fù)式作業(yè)工作難度大，而油菜種植后進行秸稈覆蓋會提高土壤含水率、增加養(yǎng)分吸收量，從而達到增產(chǎn)的效果[27]。本文將油菜種植農(nóng)藝要求與秸稈覆蓋還田工藝相結(jié)合，在已推廣應(yīng)用的油菜精量聯(lián)合直播機基礎(chǔ)上，設(shè)計與其配套的覆秸裝置，通過分析工作原理確定覆秸裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實現(xiàn)覆秸功能，并與直播機配合一次性完成秸稈撿拾、堆集、輸送以及旋耕滅茬、開畦溝、施肥、播種后覆秸等作業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

稻茬田油菜覆草直播機主要由配套油菜精量聯(lián)合直播機的主機架、主變速箱、旋耕整地裝置、排肥系統(tǒng)、排種系統(tǒng)、開畦溝犁、平土板等和覆秸裝置組成；覆秸裝置位于播種機前端，由前變速箱、彈齒滾筒式撿拾裝置、螺旋輸送裝置、鏈式提升裝置和秸稈均勻鋪放裝置組成。整機結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸、掛接，其中彈齒滾筒式撿拾裝置安裝于整機最前端，安裝位置上下可調(diào)，進而控制撿拾高度，螺旋輸送裝置位于機具兩側(cè)板間，肥箱置于螺旋輸送裝置正上方，兩套鏈式提升裝置對稱安裝在機具兩側(cè)，秸稈均勻鋪放裝置安裝于鏈式提升裝置出倉口處，排種裝置位于機具后側(cè)；前變速箱置于主機架前端，旋耕部件位于主變速箱兩側(cè)。油菜覆秸直播機結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)如圖1、表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

整機掛接在拖拉機上，動力由拖拉機動力后輸出軸通過萬向節(jié)連接傳輸至前變速箱，前變速箱將動力分兩路，左輸出軸通過萬向節(jié)將動力傳輸至彈齒撿拾器、螺旋輸送裝置、鏈式提升裝置及秸稈均勻鋪放裝置，后輸出軸通過萬向節(jié)將動力傳輸至主變速箱后將動力傳輸給旋耕部件。排肥裝置和排種裝置均采用電機驅(qū)動。工作時，機組前進，彈齒撿拾器將秸稈拾起向后拋送至螺旋輸送裝置，同時對地表進行旋耕整地、開溝，并進行施肥、播種，秸稈經(jīng)螺旋輸送裝置推送到兩側(cè)排草口后，經(jīng)鏈式提升裝置提起并運輸拋出，最后經(jīng)秸稈均勻鋪放裝置均勻地拋撒到地表，覆蓋在播種后的廂面上，完成覆秸作業(yè)。機具一次性作業(yè)，可實現(xiàn)旋耕、滅茬、開溝、施肥、播種、秸稈清理覆蓋還田等功能，完成稻茬田油菜種植所有工序。

2 關(guān)鍵環(huán)節(jié)部件設(shè)計

2.1 拾秸集秸環(huán)節(jié)

秸稈的撿拾、堆集由圖1中的彈齒滾筒式撿拾裝置、螺旋輸送裝置和撿拾高度調(diào)節(jié)裝置組配完成。

2.1.1撿拾裝置基本參數(shù)選擇與物料運動過程分析

彈齒滾筒式撿拾裝置主要由彈齒、曲柄、凸輪滑道、彈齒軸、外殼等組成，是一個反轉(zhuǎn)后的擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)[28]。彈齒在隨撿拾中心軸勻速轉(zhuǎn)動的同時，隨機具勻速前進，并且受到凸輪滑道內(nèi)壁的控制，相對于滾筒擺動。因此，彈齒在凸輪滑道內(nèi)可以完成撿拾、升舉、卸草、空回4個階段動作[29]。

如圖2所示，內(nèi)部虛線繪制的半徑為R的圓形為彈齒隨滾筒轉(zhuǎn)動軌跡，外部虛線繪制的封閉曲線為彈齒端部運動軌跡，由圓弧段AB、BC、CD，過渡曲線段DE、KA和直線段EF、FK組成的封閉曲線為撿拾器導(dǎo)向軌道中心線軌跡。結(jié)合當前撿拾器的機構(gòu)特點及彈齒擺動規(guī)律，綜合考慮彈齒相對運動和絕對運動方向，確定各相位角，撿拾階段對應(yīng)軌道中心線AB段，確定彈齒相位角θ1為90°，升舉階段對應(yīng)軌道中心線BC段，確定彈齒相位角θ2為90°，卸草階段對應(yīng)軌道中心線CF段，確定彈齒相位角θ3為110°，空回階段對應(yīng)軌道中心線FA段，確定彈齒相位角θ4為70°[30]。

撿拾裝置幅寬與機具設(shè)計工作幅寬一致，為2 000 mm，彈齒桿上彈齒間距一般在63～100 mm范圍內(nèi)[31]，彈齒排數(shù)一般為3～5排，本文撿拾裝置主要用于撿拾稻茬田秸稈，故彈齒間距選擇65 mm，密齒型，彈齒排數(shù)選擇4排[32]。

水稻秸稈在經(jīng)撿拾、升舉后需在離心力的作用下才能離開彈齒桿，從而順利落到螺旋輸送裝置上，為秸稈堆集創(chuàng)造有利條件。在彈齒升舉階段與卸料階段臨界點進行秸稈運動和受力分析，找到秸稈離開彈齒桿拋向螺旋輸送裝置的極限條件[33]。

根據(jù)前文對彈齒運動過程中的姿態(tài)以及擺動分析，得出彈齒拋送秸稈的動作應(yīng)在圓弧CD段進行，滾輪在軌道中心線CD段滑動，此時彈齒桿跟隨滾筒繞撿拾中心軸勻速轉(zhuǎn)動且不發(fā)生相對擺動。因此可以將勻速轉(zhuǎn)動的撿拾器滾筒軸心視為動參考系，將勻速前進的機組視為定參考系。將水稻秸稈簡化為質(zhì)點P，設(shè)為彈齒將水稻秸稈拋出的瞬時位置，其受力分析如圖2所示。

根據(jù)加速度合成定理，有

(1)

式中aa——絕對加速度，m/s2

ac——科氏加速度，m/s2

ae——牽連加速度，m/s2

ar——相對加速度，m/s2

R1——水稻秸稈質(zhì)心P到撿拾裝置軸心O的轉(zhuǎn)動半徑，m

ω——撿拾滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

質(zhì)點運動微分方程在PO方向的投影為

(2)

其中

(3)

彈齒桿上拋出水稻秸稈的條件為

(4)

(5)

式中n1——彈齒撿拾中心軸轉(zhuǎn)速，r/min

v——質(zhì)點P線速度，m/s

N——質(zhì)點P所受彈齒桿支持力，N

G——質(zhì)點P所受重力，N

Ff——質(zhì)點P所受摩擦力，N

μ——水稻秸稈與彈齒桿表面摩擦因數(shù)

g——重力加速度，取9.8 m/s2

α——OP與Y軸夾角，(°)

β——OP與彈齒桿夾角，(°)

m′——質(zhì)點質(zhì)量，kg

其中，摩擦因數(shù)μ為已知量，α隨滾筒轉(zhuǎn)動逐漸增大，β為定值，圖2中點C為彈齒桿拋送秸稈臨界位置，根據(jù)前文確定的撿拾裝置基本參數(shù)及撿拾彈齒相位角，取水稻秸稈與彈齒桿表面摩擦因數(shù)μ=0.3[34]，通過計算可得n1≥66.9 r/min。

撿拾器彈齒線速度直接影響撿拾效果，其值一般不小于機具前進速度，且秸稈在被拋出離開彈齒時應(yīng)具有一定的初速度，結(jié)合目前成型彈齒滾筒撿拾器參數(shù)，初步設(shè)計彈齒撿拾中心軸轉(zhuǎn)速n1=80 r/min。

2.1.2集秸裝置基本參數(shù)選擇與物料運動過程分析

根據(jù)拾秸裝置安裝位置以及整機工作要求，所設(shè)計的集秸裝置主要由螺旋輸送裝置等組成，如圖3所示。彈齒撿拾裝置向后拋出的秸稈落入螺旋輸送裝置，秸稈經(jīng)兩反向螺旋輸送葉片推動，由中間向兩邊排草口輸送。

為保證機具順暢作業(yè)，螺旋輸送裝置的輸送量必須大于秸稈撿拾喂入量。在水稻聯(lián)合收獲機工作后的稻茬田試驗地表秸稈量為0.9 kg/m2，本機具有效撿拾幅寬為2 m，機具田間作業(yè)速度0.7 m/s，經(jīng)計算，撿拾喂入量q為1.3 kg/s(不考慮漏撿的情況下)。螺旋輸送裝置的輸送量為

(6)

式中Q1——輸送量,kg/s

D——螺旋輸送器葉片外直徑，m

d——螺旋輸送器軸徑，m

S——螺旋輸送器葉片螺距，m

λ——螺旋輸送器葉片與輸送殼體底部間隙，m

ψ——填充系數(shù)，取0.3～0.4

γ——受壓縮的干草體積密度，取40 kg/m3

C——螺旋輸送器傾斜輸送系數(shù)，水平輸送，取1

n2——螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速，r/min

整理可得

Q1=2.1×10-10Sn2[(D-2λ)2-d2]≥q

(7)

(8)

根據(jù)圖4分析可得，螺旋輸送裝置升角α1為arcsin(S/(2πr))，α2為物料與螺旋輸送器葉片摩擦角，物料沿x軸方向運動的推進速度為vx，與螺旋輸送器葉片表面發(fā)生相對滑動的圓周速度為vt[35]，計算式為

(9)

(10)

式中r——物料到螺旋輸送器軸中心的距離，m

f——物料與螺旋輸送器葉片表面摩擦因數(shù)

當螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速n2與摩擦因數(shù)f一定時，在同一位置，葉片螺距越大，則物料運動速度越大。為了使物料順利水平推送，應(yīng)保證推進速度vx大于圓周速度vt，臨界點滿足vx=vt，則螺旋輸送器葉片螺距S與最大外徑D關(guān)系為

(11)

其中農(nóng)業(yè)物料對鋼的摩擦因數(shù)f一般取0.3～0.6，則

S≤(0.8～1.6)D

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械螺旋輸送標準及實際設(shè)計需求，確定螺旋輸送器葉片螺距S為300 mm，葉片外直徑D為300 mm，軸徑d為76 mm；葉片與輸送殼體底部間隙λ為5 mm，則螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速n2≥264 r/min。

螺旋輸送裝置應(yīng)選擇適宜的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過高時易纏草且會加劇整機的振動，增加機具工作時的不穩(wěn)定性，因此，集秸裝置螺旋輸送器軸轉(zhuǎn)速n2取270 r/min。

2.1.3拾秸集秸環(huán)節(jié)關(guān)鍵部件位置關(guān)系確定

為保證秸稈在經(jīng)過撿拾后能順暢地被拋向集秸裝置，需要通過理論計算確定拾秸裝置與集秸裝置的位置關(guān)系。彈齒撿拾器在安裝時，為了不損壞彈齒桿，要求彈齒桿端部在運動到最低點位置應(yīng)與地面有一定的高度，撿拾滾筒在轉(zhuǎn)動時，彈齒桿不與螺旋輸送葉片發(fā)生干涉。

如圖5所示，假設(shè)撿拾滾筒與螺旋輸送器中心軸距D0正好為彈齒桿端部到撿拾滾筒中心的距離L與螺旋輸送葉片半徑R2之和，則

(12)

整理得

式中β1——拾秸裝置安裝角，(°)

β2——撿拾滾筒中心和螺旋輸送器軸中心連線與豎直方向夾角，(°)

h1——彈齒桿端部最低點位置離地高度，m

h2——集秸裝置底板離地高度，m

D1——撿拾器安裝板到滾筒中心距離，m

D2——輸送殼體底部水平距離，m

L、h2、D1、D2、R2、λ為已知量，代入式(12)求解，確定撿拾器離地高度為42 mm，安裝角為8°。

2.2 送秸覆秸環(huán)節(jié)

送秸覆秸環(huán)節(jié)由圖1中的鏈式提升裝置和秸稈均勻鋪放裝置組配完成。鏈式提升裝置可將集秸裝置推送到兩側(cè)排草口的秸稈抓起并向后提升輸送，秸稈均勻鋪放裝置在出倉口可將秸稈均勻地覆蓋到地表。

2.2.1鏈式提升裝置基本參數(shù)選擇

兩套鏈式提升裝置對稱布置于螺旋輸送裝置兩側(cè)排草口處，結(jié)構(gòu)如圖6所示。當輸送倉寬度小于1.2 m時，往往采用雙排鏈輪，根據(jù)本機空間結(jié)構(gòu)布局，選擇輸送倉寬度為0.5 m，因此采用雙排鏈輪。U型耙齒桿固定在鏈條上，隨鏈條運動且不產(chǎn)生相對速度，可以將秸稈抓起。

為保證物料輸送過程中不堵塞，鏈式提升裝置的輸送量應(yīng)大于螺旋輸送裝置的輸送量，由2.1.2節(jié)可知，鏈式提升裝置輸送量Q2應(yīng)大于1.3 kg/s，即

(13)

則主動軸轉(zhuǎn)速n3為

(14)

式中vL——主動鏈輪線速度，m/s

b——輸送倉寬度，m

D3——主動鏈輪直徑，m

h3——耙齒頂與輸送倉底板距離，m

h4——耙齒桿高度，m

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》及本機實際設(shè)計需求，確定耙齒桿高度h4為40 mm，耙齒頂與輸送倉底板距離h3為20 mm，主動鏈輪直徑D3為119 mm，代入式(14)得鏈式提升裝置主動軸轉(zhuǎn)速n3≥263 r/min，取整，確定鏈式提升裝置主動軸轉(zhuǎn)速n3為270 r/min。

2.2.2秸稈均勻鋪放裝置基本參數(shù)選擇

秸稈經(jīng)提升輸送后能否在播種作業(yè)后的廂面上均勻覆蓋非常重要，若油菜種帶上出現(xiàn)秸稈堆積現(xiàn)象，不僅不利于保墑保溫，而且可能會悶苗，影響后期出苗。因此設(shè)計了均勻鋪放裝置以保證秸稈覆蓋還田均勻性。該裝置可視為“開放”式螺旋輸送器，結(jié)構(gòu)如圖7所示，螺旋輸送器置于機具后方鏈式提升裝置出倉口斜下方，兩反向螺旋輸送葉片固定在軸上，可將秸稈由兩側(cè)向中間推送，遮草板既可以避免秸稈回飛，又可以將兩套鏈式提升裝置固定相連，增加機具穩(wěn)定性，秸稈可在機具前進運動狀態(tài)下，向后運動并向中間移動，鋪放到地表。

如圖8所示，秸稈在經(jīng)鏈式提升裝置輸送從出倉口拋出時具有一定的初速度v1，此時少部分秸稈直接撒落到對應(yīng)出倉口位置的地表，其余部分經(jīng)螺旋輸送器向中間推送，螺旋輸送器為“開放”式結(jié)構(gòu)，隨著量的積累，秸稈會不斷從出草口排出，均勻鋪放到播種后的廂面上。

考慮空氣阻力對拋出秸稈整個運動過程的影響，空氣阻力與空氣密度、物料運動速度以及形狀體積等因素有關(guān)，其中在低速情況下，空氣阻力與物料速度一次方成正比[36]。由運動學(xué)公式和牛頓第二定律，可得到拋出秸稈斜上拋運動軌跡方程為

(15)

式中m——拋出秸稈質(zhì)量，kg

x、y——秸稈在t時刻的軌跡坐標值，m

t——秸稈運動時間，s

k——空氣阻力系數(shù)，kg/s

vx、vy——秸稈在t時刻的速度在X、Y軸上的投影，m/s

θ——拋出秸稈軌跡與水平方向夾角，(°)

分離變量，求解方程(15)，得到位移關(guān)系方程為

(16)

秸稈拋出后在t1時刻，水平方向運動位移為x1，水平方向的運動速度為v2，豎直位移達到H，豎直方向的運動速度vy為0，之后做平拋運動，由運動學(xué)公式和牛頓第二定律，可得到拋出秸稈平拋運動軌跡方程為

(17)

分離變量，求解方程(17)，得到位移關(guān)系方程為

(18)

根據(jù)前文對各環(huán)節(jié)工作部件的分析，求出v1為2.6 m/s，拋出秸稈軌跡與水平方向夾角即鏈式提升裝置相對機具安裝傾角θ為10°，可得到t1、v2和H，代入運動軌跡方程，擬取坐標點(150 mm，-100 mm)，確定均勻鋪放裝置安裝位置。秸稈在螺旋輸送裝置上水平推送速度應(yīng)大于相對滑動速度，才會向中間推送拋撒，而轉(zhuǎn)速過快，又會發(fā)生秸稈纏繞，因此根據(jù)秸稈在此位置的瞬時速度，確定均勻鋪放裝置軸轉(zhuǎn)速范圍為200～350 r/min。

2.3 傳動系統(tǒng)

稻茬田油菜覆秸直播機采用分路傳動系統(tǒng)(圖9)，即撿拾傳動系統(tǒng)、秸稈輸送-覆秸傳動系統(tǒng)和旋耕整地傳動系統(tǒng)。撿拾傳動系統(tǒng)由前變速箱、鏈傳動和圓柱齒輪傳動組成，動力從拖拉機后輸出軸輸出，經(jīng)前變速箱錐齒輪傳動減速后，由左輸出軸經(jīng)鏈傳動、圓柱齒輪傳動后傳遞給撿拾器。秸稈輸送-覆秸傳動系統(tǒng)由前變速箱、鏈傳動以及各關(guān)鍵工作部件組成，動力從前變速箱左輸出軸經(jīng)鏈傳動依次傳遞給螺旋輸送裝置、鏈式提升裝置和均勻鋪放裝置。旋耕整地傳動系統(tǒng)由前變速箱、主變速箱組成，動力從拖拉機后輸出軸輸出，經(jīng)前變速箱后輸出軸輸出，再經(jīng)主變速箱錐齒輪傳動傳遞給兩側(cè)旋耕系統(tǒng)。

傳動比計算公式為

(19)

式中i——撿拾傳動系統(tǒng)總傳動比

i′——輸送-覆秸傳動系統(tǒng)總傳動比

i″——旋耕整地傳動系統(tǒng)總傳動比

n——拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min

n4——秸稈均勻鋪放裝置軸轉(zhuǎn)速，r/min

n6——撿拾器過渡軸轉(zhuǎn)速，r/min

根據(jù)前文分析得，n1=80 r/min，n2=270 r/min，n3=270 r/min，拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速n取標準值540 r/min，綜合各關(guān)鍵部件速度要求，合理分配傳動比，i=5.386，i1=2，i2=1.91，i3=1.41，i4=2.45，i5=1，i7=1，i8=1，i9=2。

3 性能試驗

3.1 試驗方法與測試指標

為驗證理論分析確定各環(huán)節(jié)工作部件轉(zhuǎn)速可行性，開展性能試驗。試驗方法和測試指標參照機械行業(yè)標準JB/T 5160—2010《牧草撿拾器》、國家標準GB 10395.20—2010《撿拾打捆機》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 500—2002《秸稈還田機作業(yè)質(zhì)量》以及國家標準GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》進行，主要測試指標：秸稈輸送順暢穩(wěn)定性(纏草量)、秸稈覆蓋均勻率、秸稈撿拾率與機組通過性等，如圖10所示。

3.1.1秸稈輸送順暢穩(wěn)定性

整機工作部件較多，各傳動環(huán)節(jié)連接緊湊，而稻茬田秸稈呈團狀且韌性大，容易使旋轉(zhuǎn)部件發(fā)生纏繞和堵塞現(xiàn)象，為測試覆秸裝置秸稈輸送順暢穩(wěn)定性，設(shè)計了臺架試驗測試纏草量。試驗在理論設(shè)計所確定的撿拾滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min、螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和鏈式提升裝置轉(zhuǎn)速為270 r/min工作參數(shù)下進行，試驗選用東風井關(guān)954型輪式拖拉機提供動力(69.9 kW)，采用人工向集秸裝置兩側(cè)喂草的方式，控制喂入量分別為0.9、1.1、1.3 kg/s，喂入時間為10 s，每組喂入量下的試驗連續(xù)進行5次，連續(xù)5次試驗之間不清理輸送裝置上纏繞秸稈，相同喂入量試驗完成后，清理輸送裝置上纏繞的秸稈再進行下一組試驗。試驗時，在均勻覆秸裝置下側(cè)水平地面上鋪一層2 m寬塑料薄膜，每次試驗后，將拋撒到塑料薄膜的秸稈稱量，計算出纏草量，并觀察覆秸裝置各工作部件發(fā)生堵塞的次數(shù)。計算公式為

W0=W1-W2

(20)

式中W0——纏草量，kg

W1——喂入秸稈總質(zhì)量，kg

W2——拋撒秸稈總質(zhì)量，kg

3.1.2秸稈覆蓋均勻率

均勻鋪放裝置可以將鏈式提升裝置拋撒后的秸稈由兩側(cè)向中間推送，從而將秸稈鋪放到播種后的廂面上，若其轉(zhuǎn)速較低，推送效果會較差，轉(zhuǎn)速過高，容易回帶纏草。為了得到均勻鋪放裝置合理轉(zhuǎn)速，結(jié)合前文理論分析確定的轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)計了轉(zhuǎn)速分別為210、240、270、300、330 r/min性能試驗，每組試驗重復(fù)3次。目前，由于秸稈覆蓋均勻性尚無專門的相關(guān)行業(yè)標準，因此參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 500—2002《秸稈還田機作業(yè)質(zhì)量》，設(shè)計了秸稈覆蓋均勻性測試方案：試驗選用東風井關(guān)954型輪式拖拉機提供動力，采用人工向集秸裝置兩側(cè)喂入的方式，控制喂入量為1.3 kg/s，喂入時間3 s，則需喂入3.9 kg，結(jié)合3.1.1節(jié)所測數(shù)據(jù)，考慮纏草量，確定共喂入4 kg，每次每側(cè)在3 s內(nèi)平緩喂入2 kg，在均勻覆入裝置下側(cè)水平地面上鋪一層2 m寬塑料薄膜，等分成寬為500 mm的4個區(qū)域，測量每個區(qū)域內(nèi)的秸稈質(zhì)量，覆蓋均勻率計算公式為

(21)

式中mi——第i個區(qū)域內(nèi)覆蓋質(zhì)量，kg

mmax——4個區(qū)域內(nèi)覆蓋質(zhì)量最大值，kg

mmin——4個區(qū)域內(nèi)覆蓋質(zhì)量最小值，kg

Fb——秸稈覆蓋均勻率，%

3.1.3秸稈撿拾率與機組通過性

以秸稈撿拾率為試驗指標，在聯(lián)合收獲后的稻茬田，先清理散落秸稈，并保留立茬，按秸稈量0.9 kg/m2均勻布置3個長10 m、寬2 m的測試區(qū)域，并將周圍秸稈清理干凈。機具前進速度為0.7 m/s，彈齒撿拾裝置滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min。試驗前，將均勻鋪放裝置拆卸，在鏈式提升裝置出倉口處套上帆布袋，收集所有拋出的秸稈稱量并記錄機具發(fā)生堵塞次數(shù)。計算秸稈撿拾率，并求3個區(qū)域的平均值，計算公式為

(22)

式中Sj——秸稈撿拾率，%

W3——測試區(qū)域秸稈總質(zhì)量，kg

W4——撿拾秸稈質(zhì)量，kg

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1秸稈輸送順暢穩(wěn)定性

由不同喂入量下測定的機具纏草量(圖11)可知，覆秸裝置工作部件出現(xiàn)了纏草，纏草部位主要集中在集秸裝置螺旋輸送器軸兩側(cè)排草口處，但隨著機具工作時長增加，纏草量穩(wěn)定在0.1 kg左右，并存在隨機波動，表明秸稈在工作部件上纏繞累積到一定量后，便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在所有試驗過程中，只有一次試驗在集秸裝置兩側(cè)排草口處發(fā)生了輕微堵塞，各關(guān)鍵環(huán)節(jié)部件工作穩(wěn)定，能達到技術(shù)要求。

3.2.2秸稈覆蓋均勻率

由不同轉(zhuǎn)速下測定的均勻鋪放裝置秸稈覆蓋均勻率可知，當螺旋轉(zhuǎn)速小于300 r/min時，轉(zhuǎn)速每增加30 r/min，覆蓋均勻率提高20%～35%，但是均小于90%，主要是因為鋪放裝置轉(zhuǎn)速偏低，秸稈未有效推移，大部分被直接拋撒在鏈式提升裝置出口處對應(yīng)區(qū)域；速度越低，兩側(cè)區(qū)域堆集秸稈越多，速度增大后，運移到中間區(qū)域的秸稈量增加，覆蓋均勻率提升，當轉(zhuǎn)速為300 r/min時，覆蓋均勻率最高，超過92%；當轉(zhuǎn)速進一步增大，達到330 r/min時，鋪放裝置轉(zhuǎn)速過快，秸稈被推送到中間區(qū)域較多，導(dǎo)致秸稈不均勻堆集，覆蓋均勻率下降(表2)。

表2 秸稈覆蓋均勻率試驗結(jié)果

3.2.3秸稈撿拾率與機組通過性

由表3可知，在秸稈量為0.9 kg/m2工況下，3個測試區(qū)內(nèi)秸稈撿拾率均值為92.8%，且每個測試區(qū)內(nèi)秸稈撿拾率均大于90%，滿足設(shè)計要求，符合秸稈撿拾機械標準。機組在田間作業(yè)時，各關(guān)鍵環(huán)節(jié)工作部件未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，通過性良好。

表3 秸稈撿拾率試驗結(jié)果

4 田間試驗

為驗證油菜精量聯(lián)合直播機覆草裝置的作業(yè)效果及整機工作順暢穩(wěn)定性，于2020年10月在湖北省監(jiān)利市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻油輪作全程機械化生產(chǎn)示范基地開展田間試驗，此試驗田塊常年為稻油輪作模式，試驗地表為全喂入聯(lián)合收獲機作業(yè)后稻茬田，試驗前未對地表殘茬作任何清理，秸稈平均留茬高度為427 mm，地表秸稈總量為2.32 kg/m2，地表散落秸稈量為0.92 kg/m2，秸稈含水率為59.63%，土壤為偏黏性土。試驗機具為油菜覆秸直播機，試驗選用東風井關(guān)954型輪式拖拉機。整機作業(yè)效果如圖12所示。

試驗表明，覆秸直播機在田間試驗過程中，秸稈通過性能好，各環(huán)節(jié)工作部件作業(yè)穩(wěn)定，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，各項設(shè)計指標基本滿足技術(shù)要求。但是均勻鋪放裝置受田間作業(yè)環(huán)境影響以及作業(yè)前田間秸稈分布不均勻，機具作業(yè)過程中，在各旋轉(zhuǎn)部件保持一定轉(zhuǎn)速比下，秸稈拋出時間不同，導(dǎo)致覆草均勻性降低，后續(xù)需要進一步改進和提高。

5 結(jié)論

(1)針對長江中下游稻油輪作區(qū)前茬稻田秸稈量大，油菜直播作業(yè)時易發(fā)生纏繞堵塞的問題，考慮秸稈覆蓋還田對作物生長的優(yōu)勢，結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種與已推廣應(yīng)用油菜精量聯(lián)合直播機配套使用的覆草裝置。覆草直播機一次作業(yè)可以完成秸稈撿拾、堆集、輸送以及旋耕滅茬、開溝、施肥、播種后覆蓋等工序，不僅有效利用了秸稈資源，還可實現(xiàn)油菜種植栽培技術(shù)輕簡化。

(2)通過理論分析確定了關(guān)鍵環(huán)節(jié)工作部件結(jié)構(gòu)參數(shù)、安裝位置與安裝角以及工作轉(zhuǎn)速范圍，在不同喂入量下進行性能測試試驗，結(jié)果表明，覆秸直播機各工作部件秸稈輸送順暢穩(wěn)定性較好，理論分析確定的轉(zhuǎn)速可靠，符合作業(yè)標準要求；當撿拾滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min、集秸裝置螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和鏈式提升裝置轉(zhuǎn)速均為270 r/min時，機具作業(yè)順暢，秸稈撿拾率達到90%以上，符合撿拾機械標準要求；當均勻鋪放裝置轉(zhuǎn)速為300 r/min時，覆蓋均勻率最高，超過92%。

(3)田間試驗表明，覆秸直播機整機秸稈通過性能良好，各環(huán)節(jié)工作部件作業(yè)穩(wěn)定。