姚文燕 趙殿報(bào) 苗河泉 崔培德 魏懋健 刁培松

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255049)

0 引言

小麥玉米接茬輪作是黃淮海地區(qū)主要的種植模式，近年來(lái)隨著保護(hù)性耕作技術(shù)的推廣和應(yīng)用，對(duì)玉米免耕播種機(jī)具提出了更高的要求。目前小麥聯(lián)合收獲秸稈處理方式仍存在小麥秸稈粉碎過(guò)長(zhǎng)、拋撒不均勻和留茬過(guò)高的現(xiàn)象，過(guò)量的殘茬對(duì)下茬作物的免耕播種造成了困難。此外，還田后的秸稈多浮于地表，短期內(nèi)不易腐爛，殘留在播種帶上的秸稈直接影響后期玉米的生長(zhǎng)[1-3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)麥秸覆蓋地免耕播種機(jī)防堵裝置進(jìn)行大量的研究，根據(jù)秸稈流移動(dòng)方向提出了被動(dòng)清茬撥草輪齒式[4]和導(dǎo)草輥式[5]防堵裝置，但不適用于秸稈量較大的地區(qū)。根據(jù)“秸稈移位”提出了主動(dòng)立式刀輥[6-7]、垂直刀齒式[8]、縱向彈齒式[9-10]和刀齒式[11-12]等新型防堵裝置，雖在一定程度上解決了玉米免耕播種問(wèn)題，但存在功耗過(guò)大、殘茬撥離苗帶發(fā)生回填、沒(méi)被撥離的根茬易回彈等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)斜置清茬主要是以玉米原茬地為主，少有將斜置旋耕應(yīng)用到麥茬地，現(xiàn)有的研究表明在特定條件下斜置旋耕可有效降低功耗，提高側(cè)拋量。針對(duì)旋切清茬，趙宏波等[13]設(shè)計(jì)了一種只有側(cè)切刃的旋切刀，將旋切刀運(yùn)用到條帶式旋切后拋防堵裝置，實(shí)現(xiàn)降耗清茬的作用。針對(duì)傾斜刀齒側(cè)拋清茬，陳海濤等[14]設(shè)計(jì)了一種傾斜刀齒主動(dòng)式防堵裝置，清秸刀回轉(zhuǎn)軸垂直面與機(jī)具前進(jìn)夾角為20°，有效減少玉米殘茬向播種帶的拋撒量。在斜置旋耕方面，王國(guó)林等[15]最早提出一種刀輥與機(jī)組前進(jìn)方向呈一偏角、可降低功耗的新型旋耕方式，并進(jìn)行理論分析；孔令德等[16]對(duì)斜置旋耕進(jìn)行了大量研究，在特定的條件下斜置角在15°～20°時(shí)，旋耕比功耗可達(dá)到最小值，且斜置旋耕與正置旋耕相比可有效地降低功耗；高建民等[17]提出斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕，實(shí)現(xiàn)低能耗與短刀深旋耕的功能。上述研究為斜置淺旋清茬提供了理論和技術(shù)支撐。

本研究主要解決玉米免耕播種時(shí)小麥秸稈覆蓋量大的問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)秸稈與土壤混埋時(shí)，增大秸稈殘茬側(cè)向拋出播種帶的距離，有效減少殘茬的回填率。通過(guò)理論分析與離散元相結(jié)合的方式，確定防堵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和影響工作性能的因素，結(jié)合土槽試驗(yàn)對(duì)其工作性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期為防堵裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 防堵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 防堵裝置工作原理

在不改變旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，增大觸茬面積(切削寬度)和切茬角，防堵裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該裝置是由兩組旋耕裝置構(gòu)成，每組配備2個(gè)旋耕刀(IT225型)，旋耕刀固定于刀盤上，工作時(shí)刀軸帶動(dòng)耕刀旋轉(zhuǎn)，旋耕刀回轉(zhuǎn)平面與機(jī)具前進(jìn)方向呈一定的夾角，清茬時(shí)刀刃按與刀軸中心的距離先近后遠(yuǎn)依次接觸秸稈土壤，對(duì)覆蓋在地表的秸稈及雜草進(jìn)行切割與撥離，同時(shí)將部分殘茬側(cè)向拋出到苗帶一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)苗帶的淺旋耕作。清茬后苗帶形成一條類似W形溝，利于施肥開(kāi)溝器從溝內(nèi)穿過(guò)，形成一條清潔的苗帶種床環(huán)境，可有效解決苗帶秸稈擁堵問(wèn)題。

圖1 防堵試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of anti-blocking test device1.電機(jī) 2.扭矩傳感器 3.聯(lián)軸器 4.傳動(dòng)帶 5.萬(wàn)向聯(lián)軸器機(jī)架 6.角度調(diào)節(jié)裝置 7.深度調(diào)節(jié)裝置 8.機(jī)架 9.刀盤 10.耕刀

1.2 防堵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1清茬幅寬

黃淮海地區(qū)小麥種植規(guī)格以傳統(tǒng)條播和寬苗帶播種為主，條播行距為120～180 mm，苗帶寬20～40 mm，3行為1幅；寬苗帶播種行距為280～300 mm，苗帶寬80～120 mm，均勻播種；玉米種植行距以600 mm為主，種植行距內(nèi)小麥殘茬寬度具有不均勻性，寬度可達(dá)240 mm。過(guò)量的殘茬對(duì)開(kāi)溝器作業(yè)造成困難，減少殘茬在播種帶上的堆積，需對(duì)清茬寬度做出要求。在淺旋清茬斜置式防堵裝置中單側(cè)耕刀清茬寬度為w1、兩組耕刀中間預(yù)留的最小未清茬耕作寬度為w2，清茬幅寬為W。結(jié)合圖2a可知，單側(cè)耕刀清茬寬度為

圖2 防堵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagrams of anti-blocking device

(1)

式中LBC——耕刀切土與離土徑向距離，mm

R——耕刀回轉(zhuǎn)半徑，mm

h——耕深，mm

θ——耕刀回轉(zhuǎn)平面與前進(jìn)方向傾角，(°)

清茬幅寬為

(2)

由上述可知，在耕深與回轉(zhuǎn)半徑保持恒定時(shí)，清茬幅寬與傾角、最小未清茬耕作間距有關(guān)。

1.2.2最小未清茬耕作間距

在對(duì)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)過(guò)程分析中，最小未清茬耕作間距由裝置結(jié)構(gòu)和作業(yè)要求決定。兩組耕刀在空間延長(zhǎng)線的交點(diǎn)為M，折彎處展開(kāi)線端點(diǎn)距離為L(zhǎng)AA1，耕刀折彎處展開(kāi)線端點(diǎn)到折彎處距離為L(zhǎng)AB。工作時(shí)兩組耕刀在空間上最短接觸距離為耕刀折彎處，最小未清茬耕作距離為

(3)

(4)

目前玉米播種機(jī)常規(guī)圓盤開(kāi)溝器開(kāi)溝寬度為1.5～4 mm，鋤鏟式與芯鏵組合式開(kāi)溝器開(kāi)溝寬度為50 mm。考慮到刀型安裝問(wèn)題，當(dāng)兩組耕刀折彎處展開(kāi)線端點(diǎn)距離為50 mm，耕深為50 mm，耕刀回轉(zhuǎn)半徑為225 mm，耕刀與機(jī)具前進(jìn)方傾角為18.5°時(shí)，最小未清茬耕作間距100 mm，清茬幅寬277 mm。

1.2.3傾角

以耕刀頂點(diǎn)與土壤接觸最低點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系O1xyz，x軸為耕刀回轉(zhuǎn)方向，與機(jī)具前進(jìn)方向傾角為θ，y軸為苗帶清整方向，z軸為地面垂直方向，耕刀頂點(diǎn)在x、y、z軸方向的分速度為

(5)

式中v——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

ω——耕刀角速度，rad/s

因耕刀在清茬過(guò)程中，一面旋轉(zhuǎn)，一面隨機(jī)具前進(jìn)，因此耕刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是刀軸旋轉(zhuǎn)和機(jī)具前進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成，耕刀頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是余擺線。

在地面坐標(biāo)系xO1y上，耕刀頂點(diǎn)的速度為

(6)

式中vxy——耕刀側(cè)推速度，m/s

在地面坐標(biāo)系xO1z上，耕刀頂點(diǎn)的速度為

(7)

式中vxz——耕刀后拋速度，m/s

在坐標(biāo)系O1xyz上，耕刀頂點(diǎn)的絕對(duì)速度為

(8)

式中vxyz——耕刀頂點(diǎn)的絕對(duì)速度，m/s

根據(jù)公式(6)～(8)，利用Origin 2017繪制出機(jī)具前進(jìn)速度為8 km/h、轉(zhuǎn)速為400 r/min和傾角為0°～90°時(shí)，耕刀頂點(diǎn)側(cè)推速度vxy、后拋速度vxz和絕對(duì)速度vxyz隨相位角ωt的變化曲線。由圖3可知，0°、45°、90°是θ的3個(gè)特殊傾角，當(dāng)θ為0°時(shí)相同相位角內(nèi)側(cè)推速度波動(dòng)最大；當(dāng)θ為90°時(shí)相同相位角內(nèi)后拋速度、絕對(duì)速度保持不變；當(dāng)θ在0°～45°時(shí)，耕刀側(cè)推速度、后拋速度、絕對(duì)速度三者相對(duì)于相同相位角內(nèi)的速度波動(dòng)相差較?。浑S著θ的增加，θ趨近90°時(shí)相同相位角內(nèi)3種速度的波動(dòng)減小，后拋速度和絕對(duì)速度趨于平穩(wěn)。根據(jù)耕刀的類型，傾角大于45°時(shí)，耕刀彎折角受力會(huì)隨之增大，不適用此刀型。因側(cè)推速度和后拋速度直接影響殘茬撥離苗帶的距離和土壤擾動(dòng)系數(shù)，速度過(guò)大土壤擾動(dòng)系數(shù)增加，過(guò)小不利于秸稈的清除。選取22.5°、30°、37.5°作為傾角，進(jìn)行耕刀頂點(diǎn)速度變化趨勢(shì)分析，由圖3可知在此區(qū)間相同相位角內(nèi)3種速度的波動(dòng)相差不大。因此，結(jié)合公式與耕刀頂點(diǎn)變化曲線可知傾角的取值范圍為0°～45°，根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]經(jīng)綜合考慮選取15°～45°作為清茬裝置耕刀與機(jī)具前進(jìn)方向傾角范圍。

圖3 耕刀頂點(diǎn)速度與位移變化曲線Fig.3 Curves of speed and displacement at top of rotary blade

1.2.4耕深

淺旋耕作時(shí)，耕刀動(dòng)土量與工作幅寬、正切面彎折角、入土深度、正切刀面寬度有關(guān)，動(dòng)土量越大，耕刀承受工作阻力也越大。條播耕作是以形成寬50～200 mm和深50～200 mm窄苗床帶的保護(hù)性耕作方法[18]。目前黃淮海地區(qū)玉米種肥深度一般在30～50 mm，底肥深度較大且宜采用分層施肥裝置，殘茬對(duì)其影響不大。小麥根系在土壤中沿豎向?yàn)樯铣硐孪?，根系主要集中于離地表60 mm處，綜上在對(duì)耕刀耕深選取時(shí)，取h≤50 mm即可，本文試驗(yàn)裝置通過(guò)限深輪來(lái)達(dá)到淺旋深度要求。

2 秸稈與土壤運(yùn)動(dòng)分析

圖4 秸稈與土壤受力分析Fig.4 Stress analysis of straw and soil

耕刀到達(dá)點(diǎn)H時(shí)，在耕刀的作用下秸稈和土壤發(fā)生變形，撥茬入土受力公式為

(9)

式中φ——重力與摩擦力的夾角，(°)

μ——摩擦因數(shù)

τ——靜態(tài)滑切角，(°)

ρ——螺線極徑，mm

Fc——科氏力，N

Fcp——向心力，N

FN——耕刀對(duì)秸稈和土壤的壓力，N

Ff——耕刀與秸稈、土壤的摩擦力，N

m——秸稈和土壤質(zhì)量，g

耕刀到達(dá)點(diǎn)D時(shí)，秸稈和土壤開(kāi)始脫離耕刀，脫茬離土受力公式為

(10)

式中Fcf——離心力，N

由式(9)、(10)可得到耕刀在清茬過(guò)程中的兩個(gè)階段，秸稈與土壤運(yùn)動(dòng)應(yīng)符合

(11)

秸稈與土壤在耕刀側(cè)切刃AC段時(shí)，耕刀側(cè)切刃符合等進(jìn)螺線，根據(jù)側(cè)切刃等進(jìn)螺旋線方程[17]可確定螺線極徑為

(12)

式中ρ0——螺線起點(diǎn)的極徑，mm

ρn——螺線終點(diǎn)處極徑，取205～215 mm

β——螺線上任意點(diǎn)的極角，rad

τn——螺線終點(diǎn)處的滑切角，取50°～60°

根據(jù)螺線起點(diǎn)的極徑和切土節(jié)距[20]關(guān)系可知

(13)

秸稈與土壤在耕刀正切刃CE段時(shí)，耕刀正切刃是一空間曲線，位于刀軸外圓柱面上，在與側(cè)切刃曲線面上的投影可近似圓弧，正切刃與側(cè)切刃的刃口過(guò)渡線此處不計(jì)。將正切刃沿折彎處展開(kāi)在平面上，假設(shè)展開(kāi)線同樣符合等進(jìn)螺旋線，根據(jù)三角函數(shù)得到空間點(diǎn)D′到旋轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)的距離為

(14)

式中ρ1——點(diǎn)B處螺線極徑，mm

ρ2——點(diǎn)D處螺線極徑，mm

ρ3——點(diǎn)D′處螺線極徑，mm

Δβ——點(diǎn)B到點(diǎn)D螺線極角的增量，(°)

δ——正切部彎折角，(°)

由式(14)可知，折彎處正切刃任一點(diǎn)處對(duì)刀軸的扭矩大于具有相同極徑刀刃的耕刀(正切部無(wú)彎折)，即在選擇耕刀時(shí)在滿足工作條件的基礎(chǔ)上選擇折彎角較小的耕刀。由圖4可得出在正切刃CE處，回轉(zhuǎn)半徑R3等于ρ2。通過(guò)上述分析可知，秸稈與土壤在側(cè)切刃AC處時(shí)，回轉(zhuǎn)半徑R滿足式(12)；在正切刃CE處時(shí)，回轉(zhuǎn)半徑R滿足式(14)。將耕刀不同刃點(diǎn)處回轉(zhuǎn)半徑代入式(11)可得耕刀側(cè)切刃AC段與正切刃CE段有

(15)

(16)

由式(15)、(16)可以看出，在作業(yè)參數(shù)確定的情況下，秸稈與土壤在刀刃上的受力與滑切角、極角、重力與摩擦力的夾角、正切部彎折角相關(guān)。當(dāng)?shù)度谢《仍黾訒r(shí)，滑切角減小，重力與摩擦力的夾角增大，極角減小，可為后期耕刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。在耕刀類型確定的情況下，耕刀在不同刃點(diǎn)的受力情況與機(jī)具前進(jìn)速度、刀軸角速度、傾角和耕深相關(guān)。因此，本研究是在耕刀類型和耕深確定的情況下，以前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速和傾角為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)。

3 防堵裝置參數(shù)仿真優(yōu)化

3.1 仿真模型與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為提高計(jì)算機(jī)處理效率，根據(jù)試驗(yàn)仿真要求在EDEM中建立土槽簡(jiǎn)化模型。土槽尺寸為6 000 mm×600 mm×240 mm(長(zhǎng)×寬×高)，其中秸稈、土壤覆蓋整個(gè)土槽模型，土壤顆粒直徑設(shè)置為8 mm，秸稈模型采用直徑為10 mm、球心間距為5 mm的球體組合成總長(zhǎng)為100 mm的長(zhǎng)線型。顆粒與顆粒、顆粒與幾何體(耕刀)之間的接觸模型和參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[21-23]。土槽模型完成后，秸稈層位于土壤層上方，土壤顆粒靜態(tài)填充土槽深度約為50 mm，根據(jù)提取的數(shù)據(jù)得到秸稈根數(shù)為2 000。通過(guò)離散元模擬防堵裝置在田間作業(yè)過(guò)程，以秸稈清除率、土壤擾動(dòng)系數(shù)和功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并在秸稈量一定的情況下對(duì)影響作業(yè)性能的主要因素刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度和傾角進(jìn)行顯著分析，根據(jù)需求對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的參數(shù)組合，試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

(1)秸稈清除率測(cè)定：在距離耕刀工作開(kāi)始位置 1 500 mm處，選取600 mm(寬)×1 000 mm(長(zhǎng))×100 mm(高)的網(wǎng)格(圖5)。按步長(zhǎng)0.1 s輸出網(wǎng)格上秸稈的根數(shù)，統(tǒng)計(jì)未耕作與耕作后網(wǎng)格上秸稈的根數(shù)，計(jì)算秸稈清除率。

圖5 秸稈清除率測(cè)定Fig.5 Determination of straw cleaning rate

(2)土壤擾動(dòng)系數(shù)：通過(guò)仿真軟件的clipping功能，選取距中心點(diǎn)-1 000 mm、層厚為100 mm處，作為防堵裝置通過(guò)的切平面，近似計(jì)算出剩余物料的截面積。土壤與秸稈在耕刀通過(guò)前后的寬度與深度測(cè)量如圖6所示，土壤擾動(dòng)系數(shù)計(jì)算公式為

圖6 橫截面積測(cè)定Fig.6 Determination of cross-sectional area

(17)

式中r——土壤擾動(dòng)系數(shù)，%

S——未耕作時(shí)橫截面積，mm2

S1——耕作后橫截面積，mm2

(3)功耗測(cè)定：根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功耗的關(guān)系，提取所有顆粒在整個(gè)仿真過(guò)程中每一步施加到防堵裝置的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算得出工作過(guò)程中裝置的功耗

(18)

式中P0——仿真過(guò)程總功耗，kW

T——仿真全過(guò)程的總轉(zhuǎn)矩，N·m

n——耕刀工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速，r/min

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1回歸模型建立與方差分析

運(yùn)用Design-Expert對(duì)裝置參數(shù)進(jìn)三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)(中心點(diǎn)為9)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行回歸分析與顯著性檢驗(yàn)。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and results

(1)秸稈清除率

秸稈清除率試驗(yàn)結(jié)果方差如表3所示。整體試驗(yàn)結(jié)果顯著(0.01≤P<0.05)，刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、傾角對(duì)秸稈清除率影響分別為較顯著、顯著、極顯著，交互項(xiàng)與二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值都不顯著，各因素對(duì)響應(yīng)值的影響主次順序是C、B、A。剔除不顯著因素后，得到各因素水平對(duì)秸稈清除率影響的回歸方程為

表3 性能指標(biāo)方差分析Tab.3 Analysis of variance of performance index

Y1=82.11+2.25A-2.71B+5.47C

(19)

對(duì)方差進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)P=0.287 8，不顯著(P>0.1)，表明試驗(yàn)分析結(jié)果合理，回歸方程擬合度高。模型決定系數(shù)R2在剔除不顯著因素前后分別為0.699 6、0.645 4，表明該模型可以擬合65%以上的結(jié)果，用來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

(2)土壤擾動(dòng)系數(shù)

土壤擾動(dòng)系數(shù)整體試驗(yàn)結(jié)果顯著(0.01≤P<0.05)，刀軸轉(zhuǎn)速A、前進(jìn)速度B、傾角C對(duì)土壤擾動(dòng)系數(shù)影響分別為較顯著、較顯著、極顯著，刀軸轉(zhuǎn)速A與傾角C交互項(xiàng)以及傾角C的二次項(xiàng)對(duì)土壤擾動(dòng)系數(shù)影響顯著，其余項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值都不顯著。各因素對(duì)響應(yīng)值的影響主次順序是C、B、A。剔除不顯著因素后，得到各因素水平對(duì)土壤擾動(dòng)系數(shù)影響的回歸方程為

Y2=49.45+2.63A-2.68B+5.08C-4.03AC+2.34C2

(20)

對(duì)方差進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)P=0.851 6，不顯著(P>0.1)，表明試驗(yàn)分析結(jié)果合理，回歸方程擬合度高。模型決定系數(shù)R2在剔除不顯著因素前后分別為0.686 7、0.678 4，表明該模型可以擬合68%以上的結(jié)果，用來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

(3)功耗

功耗試驗(yàn)結(jié)果方差如表3所示，整體試驗(yàn)結(jié)果極顯著(P<0.01)，刀軸轉(zhuǎn)速A、前進(jìn)速度B、傾角C對(duì)功耗影響分別為極顯著、較顯著、極顯著，前進(jìn)速度B與傾角C交互項(xiàng)對(duì)功耗影響較顯著，前進(jìn)速度B的二次項(xiàng)對(duì)功耗影響顯著，傾角C的二次項(xiàng)對(duì)功耗影響較顯著，其余項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值都不顯著。各因素對(duì)響應(yīng)值的影響主次順序是C、A、B。剔除不顯著因素后，得到各因素水平對(duì)功耗影響的回歸方程為

Y3=6.49+0.56A+0.4B+0.74C-0.47BC-0.31B2+0.27C2

(21)

對(duì)方差進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)P=0.212，不顯著(P>0.1)，表明試驗(yàn)分析結(jié)果合理，回歸方程擬合度高。模型決定系數(shù)R2在剔除不顯著因素前后分別為0.771 2、0.741 4，表明該模型可以擬合74%以上的結(jié)果，用來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

3.2.2響應(yīng)面分析

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到轉(zhuǎn)速、傾角和前進(jìn)速度交互作用對(duì)土壤擾動(dòng)系數(shù)與功耗的響應(yīng)曲面，如圖7所示。

圖7 交互因素對(duì)各指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surfaces of interaction factors to indexes

前進(jìn)速度為6 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)速和傾角交互對(duì)土壤擾動(dòng)系數(shù)影響如圖7a所示，土壤擾動(dòng)系數(shù)隨著傾角與轉(zhuǎn)速的增加而增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為400～645 r/min時(shí)，土壤擾動(dòng)系數(shù)隨傾角的減小而減小，轉(zhuǎn)速為645～800 r/min時(shí)趨勢(shì)相反，在土壤擾動(dòng)系數(shù)較小的情況，轉(zhuǎn)速的最優(yōu)取值范圍為400～645 r/min。當(dāng)傾角為15°～35°時(shí)，土壤擾動(dòng)系數(shù)與轉(zhuǎn)速正相關(guān)；當(dāng)傾角為35°～45°時(shí)，土壤擾動(dòng)系數(shù)與轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)，傾角的最優(yōu)取值范圍為15°～35°。當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，前進(jìn)速度和傾角交互對(duì)功耗影響如圖7b所示，當(dāng)速度為6～8.4 km/h時(shí)，功耗與傾角正相關(guān)，在8.4～10 km/h時(shí)負(fù)相關(guān)；當(dāng)傾角為15°～37.5°時(shí)，功耗與速度正相關(guān)，37.5°～45°時(shí)負(fù)相關(guān)。

3.2.3參數(shù)優(yōu)化

為獲得較優(yōu)工作性能參數(shù)，對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件和工作要求，選擇目標(biāo)函數(shù)和約束條件，目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

(22)

在對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面分析時(shí)，得到參數(shù)最優(yōu)的組合為：轉(zhuǎn)速400 r/min、前進(jìn)速度6 km/h、傾角18.5°，此時(shí)秸稈清除率為74.5%、土壤擾動(dòng)系數(shù)為34.7%、功耗為1.36 kW。

4 室內(nèi)土槽試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本研究試驗(yàn)在土槽中進(jìn)行(圖8)，臺(tái)架裝置固定到臺(tái)車上，臺(tái)車提供試驗(yàn)裝置恒定的前進(jìn)速度和準(zhǔn)確的作業(yè)深度，電機(jī)通過(guò)變頻器為試驗(yàn)提供刀軸所需轉(zhuǎn)速，角度調(diào)節(jié)裝置和萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)0°～45°范圍內(nèi)傾角調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中工作扭矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器HCNJ-101、雙路信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊MKMN-2將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)，M400軟件實(shí)時(shí)記錄裝置轉(zhuǎn)速-扭矩動(dòng)態(tài)變化。

圖8 土槽試驗(yàn)Fig.8 Soil bin test

本試驗(yàn)采用土槽內(nèi)原有的砂壤土，耕作前將土壤進(jìn)行充分灌溉，待土壤層可進(jìn)行耕作時(shí)進(jìn)行旋耕粉碎，利用臺(tái)車自帶的鋤鏟與壓實(shí)裝置對(duì)土壤耕作層進(jìn)行壓實(shí)、整平，通過(guò)土壤水分儀(STEPS3000型)和土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x(TJS-450G型)測(cè)定含水率與耕作層土壤堅(jiān)實(shí)度。將收集的未經(jīng)處理的田間小麥秸稈均勻鋪放在1.5 m×5 m的土壤層表面，秸稈覆蓋量為0.5 kg/m2，小麥秸稈含水率為7.24%，滿足小麥殘茬覆蓋率要求，測(cè)定土壤堅(jiān)實(shí)度與含水率時(shí)隨機(jī)在防堵裝置前進(jìn)方向選取3點(diǎn)，計(jì)算其平均值，試驗(yàn)時(shí)測(cè)定結(jié)果為：土壤0～5 cm、5～10 cm 土層內(nèi)土壤平均含水率為3.45%、9.08%，土壤堅(jiān)實(shí)度為2.5、3.1 MPa。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，傾角選取0°(對(duì)照組)和18.5°(試驗(yàn)組)，刀軸轉(zhuǎn)速400 r/min，臺(tái)車前進(jìn)速度6 km/h，耕深50 mm，最小未清茬耕作間距100 mm為作業(yè)參數(shù)，對(duì)防堵裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行防堵性能試驗(yàn)，以殘茬秸稈量[24]、苗床參數(shù)[25-26]和功耗為指標(biāo)對(duì)防堵性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

(1)殘茬秸稈量的測(cè)定。單次試驗(yàn)完成后在測(cè)試區(qū)內(nèi)，收集浮在地表的秸稈，忽略掩埋在土壤層中的秸稈，稱量剩余秸稈的總質(zhì)量，計(jì)算秸稈清除率。

(2)苗床參數(shù)。苗床參數(shù)主要包含土壤擾動(dòng)系數(shù)、溝形、動(dòng)土率(≤40%)、溝深和土壤回填率等。工作時(shí)耕作深度保持不變，在測(cè)試區(qū)內(nèi)工作幅寬上隨機(jī)選取防堵裝置通過(guò)后的橫截面3處，在橫截面處用硬紙板繪制溝形[27]。為便于計(jì)算溝形面積，在測(cè)量時(shí)忽略溝形內(nèi)側(cè)面不平整區(qū)域，近似計(jì)算剩余物料的橫截面積，得出該裝置的土壤擾動(dòng)系數(shù)。測(cè)量完成后取出溝槽內(nèi)的土壤計(jì)算土壤回填率，并測(cè)量最低點(diǎn)距離地表的深度。

(3)功耗與力測(cè)定。由于試驗(yàn)裝置無(wú)法精確采集耕刀與地表接觸點(diǎn)的瞬時(shí)功耗和阻力，本試驗(yàn)是在耕刀平穩(wěn)工作后，通過(guò)提取動(dòng)態(tài)扭矩傳感器數(shù)據(jù)得到耕刀功耗。通過(guò)六分力裝置得出工作過(guò)程中測(cè)力架水平合力、垂直合力和側(cè)向合力。扭矩傳感器和六分力傳感器輸出頻率為10 Hz。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1清茬效果分析

耕刀的清茬效果主要通過(guò)土壤表層的殘茬秸稈量進(jìn)行衡量。試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行防堵裝置單刀土槽試驗(yàn)，確定合適的測(cè)試區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。在土壤疏松區(qū)域，犁溝一側(cè)形成混合物料凸起層(圖9b)，不符合實(shí)際田間作業(yè)土壤堅(jiān)實(shí)度。為符合實(shí)際田間土壤環(huán)境，選取土壤堅(jiān)實(shí)度適中的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得到土壤層堅(jiān)實(shí)度不小于1.5 MPa(0～5 cm)(圖9a)。

圖9 試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experiment results

試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4所示，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)組在轉(zhuǎn)速400 r/min時(shí)，秸稈清除率為92.5%，對(duì)照組秸稈清除率為82.5%，秸稈清除率提高14.7%。通過(guò)圖9c與圖9d可以看出，傾角的增加使秸稈側(cè)拋量增加，可有效減少秸稈回填到種溝，同時(shí)可以看出苗床上殘留的秸稈量減少，未耕作區(qū)域秸稈殘留量明顯小于傾角0°，對(duì)苗床秸稈清整效果明顯。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment results

4.3.2苗床參數(shù)

在試驗(yàn)過(guò)程中單個(gè)耕刀會(huì)在土槽內(nèi)形成一個(gè)U型溝，隨著轉(zhuǎn)速的增加切土節(jié)距增大、土壤的碎土率提高、溝底內(nèi)的凸起高度減小。防堵裝置在鋪滿秸稈的土槽內(nèi)工作時(shí)會(huì)在苗帶上形成W溝型，但由于耕刀、秸稈和土壤的相互作用造成底部和溝兩側(cè)不規(guī)則，溝型截面形狀如圖10所示，耕刀耕深不變，L為工作幅寬，L1為理論耕刀單側(cè)動(dòng)土寬度，L2為傾角18.5°時(shí)動(dòng)土寬度，L3為傾角0°時(shí)動(dòng)土寬度，傾角的增大，造成溝型邊界增大，在中部形成的凸起邊界相差不大。

圖10 溝型邊界線Fig.10 Groove boundary line

動(dòng)土率是保護(hù)性耕作少耕播種作業(yè)時(shí)的動(dòng)土程度，與地表動(dòng)土寬度和工作幅寬有關(guān)，本研究為進(jìn)一步體現(xiàn)防堵裝置的工作性能，將土壤擾動(dòng)系數(shù)和土壤回填率也作為苗床參數(shù)的指標(biāo)。參照對(duì)照組可知傾角的增加會(huì)導(dǎo)致土壤擾動(dòng)系數(shù)、動(dòng)土率和土壤回填率的變化，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，相對(duì)于對(duì)照組苗床參數(shù)分別提高72.1%、33.2%和降低5.0%。傾角的增大導(dǎo)致清茬幅寬的增加，對(duì)土壤擾動(dòng)系數(shù)與動(dòng)土率影響較大，對(duì)土壤回填率影響較小，整體相差不大，苗床參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3.3功耗

相位角是表征切土位置的重要參數(shù)，耕刀處于不同的相位角時(shí)與土壤接觸狀態(tài)不同，受力也不同[28]。耕刀在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切入土壤時(shí)的時(shí)間不同，反映在扭矩傳感器與六分力傳感器上的數(shù)值不同。根據(jù)圖2a所示，相位角的大小為ωt，當(dāng)相位角為0°時(shí)達(dá)到最大入土深度，耕刀開(kāi)始撥茬切土和脫茬離土?xí)r相位角與耕深和回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。本研究土槽試驗(yàn)耕刀回轉(zhuǎn)半徑225 mm、耕深50 mm，得到相位角為321°時(shí)開(kāi)始切土，相位角39°時(shí)出土，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)耕刀耕作占22%。根據(jù)試驗(yàn)得到轉(zhuǎn)速在400 r/min時(shí)，對(duì)照組與試驗(yàn)組功耗相差不大。傾角為18.5°時(shí)，功耗為1.51 kW(表4)，與傾角0°相比功耗增加4.7%。

水平合力反映了機(jī)具前進(jìn)方向的阻力，垂直合力反映了機(jī)具重力方向的合力，對(duì)工作穩(wěn)定性具有重要影響，側(cè)向合力反映了機(jī)具工作時(shí)左右兩側(cè)合力，影響機(jī)具的平穩(wěn)性。根據(jù)六分力傳感器得到測(cè)力架的水平合力、垂直合力和側(cè)向力合力如圖11所示，水平合力在不同傾角下，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相同，整體相差不大，而垂直合力與側(cè)向合力在傾角0°時(shí)明顯高于傾角18.5°，且與合力反向(圖11)。為更明確裝置工作時(shí)的受力情況，將試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)力架所受合力與清茬工作時(shí)測(cè)力架所受合力進(jìn)行分析得到耕刀清茬時(shí)的三向阻力(表4)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知傾角的增大會(huì)導(dǎo)致水平阻力與側(cè)向阻力的增加，垂直阻力減小，這與理論分析結(jié)果相符。

圖11 測(cè)力架三向合力變化曲線Fig.11 Variation curves of three-dimensional resultant force of dynamometer

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)式淺旋斜置式防堵裝置，通過(guò)理論分析確定裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)(傾角、回轉(zhuǎn)半徑、刀軸相對(duì)位置)和作業(yè)參數(shù)(耕深、清茬幅寬、清茬耕作間距)以及兩者之間的關(guān)系。根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)防堵作業(yè)過(guò)程中殘茬與土壤進(jìn)行受力分析，確定前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速和傾角為主要影響因素。

(2)運(yùn)用EDEM仿真試驗(yàn)，模擬裝置在田間作業(yè)過(guò)程，以秸稈清秸率、土壤擾動(dòng)系數(shù)和功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)影響作業(yè)性能的刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度和傾角進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件和工作要求，在滿足防堵性能試驗(yàn)情況下最優(yōu)參數(shù)組合為轉(zhuǎn)速400 r/min、前進(jìn)速度6 km/h、傾角18.5°，此時(shí)秸稈清除率為74.5%、土壤擾動(dòng)系數(shù)為34.7%、功耗為1.36 kW。

(3)將扭矩傳感器與六分力傳感器結(jié)合，在土槽試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)防堵裝置進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，工作參數(shù)在轉(zhuǎn)速400 r/min、前進(jìn)速度6 km/h、傾角18.5°時(shí)，秸稈清除率為92.5%、土壤擾動(dòng)系數(shù)為29.6%、功耗為1.51 kW，其余性能參數(shù)滿足作業(yè)要求。相同條件下與傾角0°對(duì)比分析，秸稈清除率與秸稈側(cè)拋量提高，整體苗床參數(shù)相差不大，功耗增加，水平阻力與側(cè)向阻力增加，垂直阻力減小。