梅方煒 ，張志毅 ，李旭東 ，趙 偉 ，曹 歡 ，朱新華 ※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

0 引 言

秸稈覆蓋是重要的耕地保護(hù)措施，具有蓄水保墑、培肥地力、改善土壤結(jié)構(gòu)、抑制雜草、防止土壤侵蝕和次生鹽漬化等效果[1-2]。與地膜覆蓋、生草覆蓋等方式相比，秸稈覆蓋表現(xiàn)出更突出的綜合效果優(yōu)勢(shì)和生態(tài)可持續(xù)前景[3]。眾多研究表明，秸稈覆蓋可提高糧食作物、蔬菜和果樹(shù)的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-7]。秸稈覆蓋不僅被用于耕地生產(chǎn)力提升，還被用于水土保持和受火災(zāi)影響的林地恢復(fù)[8-9]。在荒漠和鹽堿地土壤改良中，秸稈覆蓋被用于固定流沙或降低耕層土壤鹽堿濃度[10-11]。由于秸稈覆蓋及其腐解物的理化和生物作用，秸稈覆蓋也被用于礦區(qū)、城市受損耕地修復(fù)[12]。地表覆蓋是秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物利用的重要途徑，可減少因焚燒引起的環(huán)境危害[13]。通過(guò)秸稈覆蓋增加土壤碳匯以減少碳排放，有助于日益緊迫的“碳達(dá)峰、碳中和”政策的實(shí)施[14]。然而，目前秸稈覆蓋的研究主要聚焦于機(jī)理、效果、經(jīng)濟(jì)性與生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)方面[15-16]，對(duì)如何大規(guī)模實(shí)施秸稈覆蓋技術(shù)的研究鮮有報(bào)道。秸稈覆蓋作業(yè)量大，人工作業(yè)成本高、效率低。機(jī)械化技術(shù)和裝備的缺少阻礙了秸稈覆蓋技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。目前，有關(guān)果園秸稈機(jī)械化覆蓋技術(shù)與裝備研究鮮有報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)研制了一種果園秸稈覆蓋機(jī)[17]。該機(jī)車(chē)箱容積6 m3，裝載量大。通過(guò)齒帶式解捆鋪料裝置將農(nóng)作物秸稈解捆、破碎并鋪撒于果園行間，首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化秸稈覆蓋技術(shù)。但解捆鋪料裝置作業(yè)時(shí)易出現(xiàn)秸稈堵塞現(xiàn)象，影響作業(yè)質(zhì)量和效率。因此，探明解捆鋪料裝置秸稈堵塞成因，并研制適用于秸稈覆蓋機(jī)的防堵裝置已成為亟待解決的問(wèn)題。

秸稈堵塞在秸稈-機(jī)械作用過(guò)程中時(shí)常發(fā)生。但秸稈-機(jī)械間的堵塞機(jī)制因秸稈存在形式和機(jī)械部件不同而不同。秸稈材料常見(jiàn)存在形式包括秸稈束、松散秸稈團(tuán)、壓縮的秸稈捆或包等類(lèi)型。目前，對(duì)于秸稈束、松散秸稈團(tuán)與機(jī)械的相互作用引起的堵塞的研究較多。如谷物聯(lián)合收割機(jī)中的切割器、脫粒滾筒[18]，飼草撿拾打捆機(jī)中的撿拾和輸送部件[19]，秸稈揉絲機(jī)中的排料部件[20]，免耕播種機(jī)中的秸稈撿拾或切碎部件[21]等。對(duì)于秸稈捆與解捆裝置間的堵塞問(wèn)題的研究報(bào)道較少。秸稈飼料破包機(jī)解捆時(shí)，與秸稈捆的作用部件一般為齒輥，因單位時(shí)間內(nèi)一般投喂量較小，不易發(fā)生堵塞[22]。而在果園秸稈覆蓋機(jī)中，解捆鋪料裝置為齒帶結(jié)構(gòu)，且單位時(shí)間鋪料量大[17]。目前，關(guān)于齒帶式解捆鋪料裝置的堵塞機(jī)制和防堵裝置的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。離散元（DEM）仿真模擬是分析顆粒物料與機(jī)械作用的重要手段，已被廣泛用于分析秸稈顆粒與機(jī)械之間的作用機(jī)制[23-24]。通過(guò)離散元仿真探索解捆鋪料裝置中秸稈堵塞原因具有可行性。然而，由于秸稈捆離散元模型的復(fù)雜性，目前對(duì)于秸稈捆與機(jī)械之間的離散元仿真依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)秸稈覆蓋機(jī)解捆鋪料裝置易堵塞的問(wèn)題，通過(guò)理論分析明確秸稈堵塞形成的力學(xué)機(jī)制；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種彈齒式防堵裝置，并確定防堵裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)；結(jié)合DEM 仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證防堵裝置的性能，以提高其作業(yè)穩(wěn)定性。

1 秸稈覆蓋機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

自解捆式果園秸稈覆蓋機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由履帶底盤(pán)、料箱、刮板送料機(jī)構(gòu)和解捆鋪料裝置組成。解捆鋪料裝置為齒帶式結(jié)構(gòu)，安裝于料箱的后部，其底部與刮板送料機(jī)構(gòu)的末端構(gòu)成出料口。解捆鋪料裝置的齒帶上通過(guò)刀座等間距固定有多排刀齒，相鄰刀座上的刀齒在齒帶平面上交錯(cuò)排布。

圖1 秸稈覆蓋機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理Fig.1 Overall structure and working principle of straw mulching machine

作業(yè)時(shí)，覆蓋機(jī)以一定速度行駛，位于覆蓋機(jī)料箱底部的刮板送料機(jī)構(gòu)將裝載的多層秸稈捆向解捆鋪料裝置推送。解捆鋪料裝置齒帶上的刀齒割斷捆繩，對(duì)秸稈進(jìn)行梳刷、破碎，形成松散秸稈。刀齒撥帶秸稈經(jīng)勻料梳齒進(jìn)一步破碎、勻料后從出料口拋出，鋪撒于地表形成秸稈覆蓋層。

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of whole machine

2 防堵機(jī)理分析與防堵裝置設(shè)計(jì)

秸稈覆蓋機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，解捆鋪料裝置對(duì)松散的小麥秸稈鋪料效果良好，但對(duì)秸稈捆進(jìn)行解捆鋪料時(shí)易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，不能滿(mǎn)足秸稈覆蓋作業(yè)要求。因此，開(kāi)展防堵機(jī)理分析與防堵裝置設(shè)計(jì)。

2.1 秸稈解捆過(guò)程分析與堵塞機(jī)理

解捆鋪料作業(yè)過(guò)程中，齒帶帶動(dòng)刀齒回轉(zhuǎn)，與秸稈捆接觸。刀齒沖擊、梳刷秸稈捆，切斷捆繩并破碎秸稈，進(jìn)而帶動(dòng)秸稈束下行。在出料口，聚集的秸稈束被壓縮，長(zhǎng)莖稈被切斷，并逐漸被刀齒帶出出料口，進(jìn)而拋撒鋪料，如圖2a 所示。在此過(guò)程中，齒帶的受力為

圖2 秸稈解捆過(guò)程與堵塞形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of straw unbaling process and blocking formation

式中Ftatol為齒帶阻力，N。

假定齒帶工作長(zhǎng)度為L(zhǎng)W（m），單位長(zhǎng)度齒帶與秸稈捆的接觸壓力為FL（N），齒帶與秸稈捆的摩擦系數(shù)為f，接觸秸稈捆的撥料刀排數(shù)為n，單排刀齒數(shù)為m，單個(gè)刀齒梳刷阻力為T(mén)br（N），單個(gè)刀齒壓縮、切割秸稈阻力為T(mén)cu（N）。則Fbr=nmTbr，F(xiàn)be=LWFLf，F(xiàn)cu=nmTcu，式（1）可寫(xiě)為

由式（2）可知，當(dāng)解捆鋪料裝置工作時(shí)，齒帶同時(shí)與多層秸稈捆接觸，刀齒對(duì)多層秸稈捆進(jìn)行梳刷。刀齒梳刷阻力Fbr與工作刀齒數(shù)成正比。齒帶與秸稈捆間的摩擦阻力Fbe與齒帶工作長(zhǎng)度LW成正比。同時(shí)，工作刀齒數(shù)越多，出料口處的秸稈聚集量越大，刀齒壓縮、切割秸稈的阻力Fcu越大。因此，解捆鋪料裝置堵塞的原因之一是齒帶工作長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)（秸稈梳刷量大于出料口排出量），在出料口形成三角形高壓聚集區(qū)。當(dāng)三角區(qū)壓力過(guò)大時(shí)，引起刀齒壓縮、切割秸稈的阻力Fcu和出口段齒帶Fbe劇增，形成堵塞。

方形秸稈捆打捆成型時(shí)，打捆機(jī)分批供料壓縮，在秸稈捆內(nèi)部形成相對(duì)獨(dú)立的秸稈餅塊。秸稈餅塊之間粘結(jié)力較小。當(dāng)秸稈捆繩被刀齒切斷后，秸稈捆內(nèi)排列緊密的秸稈餅間失去約束作用。秸稈餅塊上部首先受到刀齒梳刷、沖擊作用，秸稈餅前傾（圖2a）。后續(xù)刀齒繼續(xù)撥料進(jìn)一步加劇秸稈餅塊前傾程度，引起秸稈餅塊被快速壓縮、彎曲、折疊，如圖2b 所示。秸稈瞬時(shí)擾動(dòng)量急劇增大，引起齒帶阻力Ftotal急劇波動(dòng)。當(dāng)梳刷阻力與撥料阻力波動(dòng)過(guò)大時(shí)造成秸稈堵塞。因此，秸稈餅塊前傾是秸稈堵塞的另一個(gè)原因。

2.2 彈齒式防堵裝置

針對(duì)上述秸稈堵塞形成的2 個(gè)原因，防堵裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制秸稈捆與齒帶的接觸長(zhǎng)度，避免切繩后秸稈餅塊前傾。為此，本文提出彈齒式防堵裝置設(shè)計(jì)方案，如圖3 所示。該方案通過(guò)在秸稈捆與解捆鋪料裝置之間增加擋料板縮短秸稈捆與齒帶之間的接觸長(zhǎng)度。同時(shí)，在擋料板底端設(shè)置彈齒單元，以避免切繩后秸稈餅塊前傾。

圖3 彈齒式解捆鋪料防堵裝置及其安裝位置Fig.3 Spring-tooth anti-blocking device and its' installation position

2.2.1 彈齒式防堵裝置設(shè)計(jì)

彈齒式防堵裝置安裝于秸稈解捆鋪料裝置排料端（圖3a），主要由擋料板、彈齒、限位桿等組成（圖3b）。作業(yè)時(shí)，擋料板在秸稈捆與解捆鋪料裝置間形成局部阻隔，確保解捆鋪料裝置僅與底層秸稈捆接觸，以控制秸稈捆與齒帶的接觸長(zhǎng)度。通過(guò)減少秸稈在出料口內(nèi)側(cè)聚集，避免高壓聚集區(qū)形成。彈齒作用于秸稈捆的迎刃面（秸稈捆前端與刀齒接觸的立面）上部，可防止秸稈捆被切繩后秸稈餅塊前傾，避免秸稈瞬時(shí)擾動(dòng)量急劇增大引起齒帶阻力Ftotal急劇波動(dòng)。彈齒具有彈性，可適應(yīng)不同秸稈捆尺寸（高度）。當(dāng)秸稈捆高度變化時(shí)，彈齒可適度變形以更好地阻止秸稈餅塊前傾，進(jìn)而穩(wěn)定喂入量和阻力矩，與擋料板共同起到防止秸稈堵塞的作用。

2.2.2 彈齒關(guān)鍵參數(shù)確定

彈齒是彈齒式防堵裝置的關(guān)鍵部件，由彈齒、彈簧、固定套等組成（圖4）。參考前期研究[25]，并綜合考慮防堵裝置結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)際工況，設(shè)計(jì)組合彈簧分別由外徑20 mm、線徑4 mm 和外徑10 mm、線徑2 mm 的壓簧組成，固定套長(zhǎng)度為50 mm，擋齒采用直徑為6 mm的彈簧鋼。

圖4 彈齒單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of spring tooth unit

解捆鋪料作業(yè)時(shí)，刮板送料機(jī)構(gòu)將秸稈捆向解捆裝置推送，彈齒作用于底層秸稈捆上部，防止秸稈捆被切繩后秸稈餅塊前傾。彈齒在秸稈捆的擠壓作用下發(fā)生形變，其極限位置為彈齒末端與齒帶平面相接觸（限位桿的限位作用）。建立秸稈捆-彈齒接觸模型如圖5 所示。

圖5 彈齒受力與運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Force and kinematic analysis of spring tooth

如圖5a 所示，對(duì)彈齒進(jìn)行受力分析有：

求解得：

式中Fx為x方向上秸稈捆所受合力，N；Fy為y方向上秸稈捆所受合力，N；k為與秸稈捆接觸的彈齒數(shù)量；μ1、μ2分別為秸稈捆與彈齒和刮板之間的摩擦系數(shù)。

由式（6）可知，彈齒變形產(chǎn)生的正壓力FN與彈齒數(shù)量密切相關(guān)。而與秸稈捆接觸的彈齒數(shù)量取決于彈齒間距，本文將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)彈齒間距進(jìn)行優(yōu)化分析。

如圖5b 所示，彈齒受壓運(yùn)動(dòng)至極限位置時(shí)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

彈齒自由端的極限位置為齒帶面，為保證刀齒不接觸秸稈捆右上角以避免秸稈餅塊前傾，d1取最小值，即刀齒高度30 mm；為使刀齒與秸稈捆前端下部及時(shí)接觸進(jìn)行解捆作業(yè)，h2取50 mm；同時(shí)考慮到防堵裝置占用料箱空間盡量小，d取150 mm，彈齒的初始角α為18°。代入求得彈齒長(zhǎng)度L為300 mm，彈齒固定端安裝高度h1為200 mm。

3 DEM 仿真試驗(yàn)與分析

為明確作業(yè)部件與秸稈捆之間的作用和堵塞形成機(jī)制，借助離散元分析軟件（EDEM 2020）對(duì)秸稈解捆過(guò)程進(jìn)行分析。建立防堵裝置-秸稈捆間作用模型，通過(guò)仿真中秸稈顆粒擾動(dòng)情況分析和出料口秸稈顆粒聚集區(qū)密度變化進(jìn)一步分析防堵機(jī)理。同時(shí)，通過(guò)離散元仿真分析防堵方法的有效性，探究彈齒式防堵裝置的防堵性能。

3.1 仿真模型與參數(shù)設(shè)定

3.1.1 小麥秸稈捆離散元模型

從5 個(gè)小麥秸稈方捆內(nèi)隨機(jī)取30 個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)單根秸稈的長(zhǎng)度和直徑分布，依據(jù)測(cè)量結(jié)果將秸稈長(zhǎng)度設(shè)置為120 mm，顆粒半徑設(shè)置為2 mm。為還原單根秸稈的彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等力學(xué)特性，單根秸稈由6 節(jié)長(zhǎng)20 mm 的剛性單元構(gòu)成。相鄰剛性單元間以Bonding V2 模型中的平行粘結(jié)鍵連接。剛性單元間的粘結(jié)參數(shù)通過(guò)三點(diǎn)彎曲和剪切試驗(yàn)標(biāo)定確定[26]，單位面積法向剛度為4.155 1×109N/m3，單位面積切向剛度為8.074 9×108N/m3，抗拉強(qiáng)度為10 MPa，抗剪強(qiáng)度為1.3 MPa，粘結(jié)系數(shù)為1。單根柔性小麥秸稈模型如圖6 所示。

圖6 小麥秸稈仿真模型Fig.6 Simulation model of wheat straw stem

首先構(gòu)建秸稈捆離散元模型，根據(jù)方形小麥秸稈餅塊的物理尺寸和質(zhì)量，在秸稈壓縮腔（壓縮截面尺寸為450 mm×380 mm）中生成秸稈顆粒3 200 個(gè)，總質(zhì)量為1.008 kg；再導(dǎo)入尺寸為450 mm×380 mm 的壓板以0.5 m/s的速度對(duì)秸稈進(jìn)行壓縮，直至將所有秸稈顆粒壓縮為100 mm×450 mm×380 mm 的秸稈餅塊；最后，將6 個(gè)壓縮成型的秸稈餅塊依次排列形成尺寸為600 mm×450 mm×380 mm 的秸稈捆，秸稈捆離散元模型如圖7所示。

圖7 解捆鋪料作業(yè)仿真模型Fig.7 Simulation model of unbaling-spreading operation

為準(zhǔn)確還原秸稈捆內(nèi)部的彈性、塑性、粘性接觸特征，選擇被壓縮物料間的離散元接觸模型為EEPA（edinburgh elasto-plastic adhesion），參考文獻(xiàn)[26-27] 與秸稈餅塊單軸壓縮試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果，設(shè)置EEPA 接觸模型參數(shù)中的恒定拉脫力為0，表面能為5.194 J，接觸塑性比為0.5，加載力分支指數(shù)為1.5，粘接力黏附指數(shù)為1.662，切向力剛度為0.6。

參考文獻(xiàn)[28-29] ，結(jié)合實(shí)際標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)定仿真參數(shù)，如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)定Table 2 Simulation parameter setting

3.1.2 解捆作業(yè)仿真參數(shù)設(shè)置

加裝防堵裝置后，作業(yè)過(guò)程中上層秸稈捆被防堵裝置擋料板阻擋，只有底層秸稈捆與刀齒接觸。秸稈堵塞主要發(fā)生在底層秸稈捆與刀齒的作用區(qū)域。因此，僅建立底層秸稈捆（600 mm×450 mm×380 mm）仿真模型代表多層秸稈捆進(jìn)行模擬。對(duì)解捆鋪料裝置和防堵裝置未參與解捆過(guò)程的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。應(yīng)用Creo 軟件進(jìn)行實(shí)體建模，并將幾何模型導(dǎo)入EDEM 軟件中（圖7）。本研究的仿真和試驗(yàn)中，秸稈捆尺寸（高度）基本一致，故仿真中將彈齒設(shè)置為剛性。依據(jù)果園實(shí)際作業(yè)參數(shù)，設(shè)置刀齒線速度為2.3 m/s（即解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為220 r/min），秸稈捆推進(jìn)速度為0.05 m/s，出料口間距為10 cm。仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2.071 29×10-5s，網(wǎng)格大小為6 mm，每隔0.01 s 保存一次數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)為12 s。仿真結(jié)束后，在后處理模塊中導(dǎo)出刀齒座所受總力，根據(jù)式（8）計(jì)算刀齒解捆的阻力矩。試驗(yàn)重復(fù)3 次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

式中Ts為刀齒解捆的阻力矩，N·m；FTF為刀齒座所受力，N；r為刀齒的回轉(zhuǎn)半徑，m。

單位質(zhì)量流率下阻力矩平均值為

式中?為單位質(zhì)量流率下阻力矩平均值，N·m·s/kg；Q為質(zhì)量流率，kg/s。

3.2 解捆作業(yè)過(guò)程仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 秸稈顆粒擾動(dòng)情況與質(zhì)量流率分析

解捆作業(yè)時(shí)，秸稈顆粒速度云圖如圖8 所示，不同速度區(qū)域反映刀齒梳刷撥動(dòng)秸稈束的情況及捆內(nèi)壓力、速度的傳導(dǎo)范圍。未加裝防堵裝置時(shí)（圖8a），參與解捆的齒帶較長(zhǎng)，刀齒對(duì)秸稈顆粒產(chǎn)生的擾動(dòng)區(qū)域大，上部秸稈在刀齒作用下發(fā)生前傾。在刀齒梳刷和齒帶摩擦力作用下，擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)前傾的秸稈餅塊容易形成坍塌、折疊，同時(shí)向前傾倒的秸稈餅塊在刀齒的向下梳刷、壓縮作用下，秸稈束在出料口處迅速聚集，形成秸稈高壓區(qū)。下段齒帶摩擦阻力和刀齒切割阻力迅速增大。而刮板送料機(jī)構(gòu)及后續(xù)刀齒持續(xù)推送、擠壓秸稈，造成出料口瞬時(shí)喂入量過(guò)大，導(dǎo)致部分受擾動(dòng)秸稈顆粒無(wú)法順利通過(guò)而出現(xiàn)滯留，在出料口形成秸稈堵塞，這與2.1 節(jié)秸稈解捆過(guò)程防堵機(jī)理分析一致。

圖8 解捆鋪料時(shí)秸稈顆粒速度云圖Fig.8 Velocity cloud diagram of straw during unbaling-spreading process

加裝防堵裝置后（圖8b），防堵裝置阻擋上部秸稈與解捆裝置接觸，減少了單位時(shí)間內(nèi)參與解捆、梳刷秸稈的刀齒數(shù)量。同時(shí)，彈齒避免了秸稈餅塊的前傾、折疊和坍塌，減少了受刀齒擾動(dòng)的秸稈顆粒數(shù)量。此時(shí)，出料口處秸稈運(yùn)動(dòng)速度較為均勻，秸稈束排出過(guò)程更加順暢。防堵裝置有效避免了過(guò)量秸稈在出料口內(nèi)側(cè)的聚集滯留，具有較好的防堵性能。

在解捆鋪料裝置出料口處添加物料質(zhì)量流率傳感器，監(jiān)測(cè)單位時(shí)間內(nèi)喂料區(qū)的秸稈喂入量和出料區(qū)的秸稈出料量（圖8）。定義秸稈出料量與秸稈喂入量的比值為秸稈有效喂入率。結(jié)果表明，未加裝防堵裝置時(shí)秸稈喂入量為1.12 kg/s，秸稈出料量為0.97 kg/s，秸稈有效喂入率為86.6%；加裝防堵裝置后秸稈喂入量為0.98 kg/s，秸稈出料量為0.92 kg/s（滿(mǎn)足果園秸稈覆蓋量15.0～22.5 t/hm2的要求[30]），秸稈有效喂入率為93.8%。與未加裝防堵裝置相比，秸稈顆粒出料量降低了5.1%，秸稈有效喂入率提高了7.2 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明加裝防堵裝置降低了秸稈在喂料區(qū)的聚集滯留，對(duì)避免秸稈堵塞是有效的。

3.2.2 秸稈顆粒聚集區(qū)密度變化

捆內(nèi)不同區(qū)域秸稈密度變化在一定程度上反映捆內(nèi)壓力變化。為進(jìn)一步揭示秸稈堵塞形成機(jī)制，對(duì)DEM仿真過(guò)程中的秸稈捆內(nèi)密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)以分析捆內(nèi)壓力。通過(guò)EDEM 后處理中的Grid Bin Group 添加198 個(gè)35 mm×35 mm ×35 mm 的網(wǎng)格，用于監(jiān)測(cè)捆內(nèi)秸稈質(zhì)量分布情況。秸稈捆內(nèi)質(zhì)量分布云圖如圖9a、9b 所示，未加防堵裝置時(shí)，出料口處監(jiān)測(cè)內(nèi)的秸稈密度（質(zhì)量）較高，說(shuō)明形成了秸稈高壓區(qū)；加裝防堵裝置后，秸稈質(zhì)量分布均勻，未出現(xiàn)高壓區(qū)。

圖9 捆內(nèi)秸稈質(zhì)量及監(jiān)測(cè)區(qū)域秸稈密度變化Fig.9 Straw mass in straw bale and variation of straw density in monitoring area

圖9a、9b 中監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)秸稈密度通過(guò)式（10）計(jì)算。解捆鋪料作業(yè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的秸稈密度變化情況如圖9c 所示。

式中ρ為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)秸稈密度，kg/m3；m為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)秸稈質(zhì)量，kg；Vm為監(jiān)測(cè)區(qū)域體積，m3。

觀察發(fā)現(xiàn)，0.6 s 后裝置進(jìn)入穩(wěn)定作業(yè)階段。未加裝防堵裝置時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的秸稈平均密度為96.13 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為5.19 kg/m3；加裝防堵裝置后秸稈平均密度為51.90 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為5.13 kg/m3。加裝防堵裝置后秸稈平均密度降低了46%，有效降低了出料口內(nèi)側(cè)的壓力和解捆鋪料阻力，避免了高壓區(qū)和堵塞的形成。

3.2.3 解捆過(guò)程秸稈單位質(zhì)量流率下刀齒解捆阻力矩分析

根據(jù)式（9）可知，未加裝防堵裝置時(shí)出料區(qū)單位質(zhì)量流率下刀齒解捆阻力矩平均值為20.42 N·m·s/kg，加裝防堵裝置后為14.68 N·m·s/kg。與未加裝防堵裝置相比，出料區(qū)單位質(zhì)量流率下刀齒解捆阻力矩降低了28.1%。說(shuō)明防堵裝置減少了排出單位質(zhì)量秸稈所需阻力矩，即在相同出料量下，防堵裝置有效降低了解捆阻力矩，具有較好的防堵性能。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

4.1.1 試驗(yàn)條件與方法

為了驗(yàn)證防堵裝置的有效性，2021 年4 月在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)站開(kāi)展秸稈解捆與防堵裝置性能試驗(yàn)。果園秸稈覆蓋機(jī)如圖10 所示。小麥秸稈方捆來(lái)自中國(guó)扶風(fēng)大明秸稈收儲(chǔ)公司。方捆尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1 000 mm×450 mm×380 mm，密度為56 kg/m3，含水率為10.35%。

圖10 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.10 Prototype test

試驗(yàn)時(shí)秸稈覆蓋機(jī)保持1.0 km/h 的作業(yè)速度，出料口間距為10 cm。依據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果[25]，在解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速200～240 r/min、刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速5.0～10.0 r/min 和彈齒間距60～100 mm 時(shí)，秸稈覆蓋機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，且秸稈覆蓋厚度滿(mǎn)足作業(yè)要求。因此，以解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速和彈齒間距為試驗(yàn)因素，以阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差為試驗(yàn)指標(biāo)?；贒esign-Expert 軟件采用Box-Behnken Design (BBD) 設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)。因素水平編碼如表3 所示，正交試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4 所示。共15 個(gè)試驗(yàn)，包含3 個(gè)中心點(diǎn)（允許估計(jì)的誤差），使系統(tǒng)性能在研究的任何試驗(yàn)點(diǎn)都能得到評(píng)估[31]。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3 次。

表3 試驗(yàn)因素編碼Table 3 Coding of experimental factors level

表4 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Regression orthogonal experimental plan and results

4.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在相同出料口間距和排料量情況下，解捆鋪料裝置的阻力矩波動(dòng)大小（即阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差σT）最能反映防堵裝置的效果。σT越小，說(shuō)明解捆過(guò)程越穩(wěn)定，防堵裝置的防堵效果越好。因此，以阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差σT作為試驗(yàn)指標(biāo)。

通過(guò)CHPM480 型液壓測(cè)試儀（25 MPa）采集解捆鋪料裝置穩(wěn)定作業(yè)后的液壓馬達(dá)回路壓力，阻力矩及其標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如下:

式中Ti為第i點(diǎn)解捆鋪料裝置阻力矩，N·m；為解捆鋪料裝置平均阻力矩，N·m；T為解捆鋪料裝置阻力矩，N·m；p為解捆鋪料裝置液壓馬達(dá)液壓回路中的油壓，MPa；V為解捆鋪料裝置液壓馬達(dá)的排量，125 mL/r；ηmm為馬達(dá)的機(jī)械效率，依據(jù)技術(shù)手冊(cè)取0.87。

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

在Design-Expert 軟件中對(duì)Box-Behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，建立阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差σT回歸模型。阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差模型方差分析結(jié)果如表5 所示。模型決定系數(shù)R2為 0.981，擬合性較好；模型極顯著(P＜0.01)且失擬項(xiàng)不顯著(P＞0.05)，預(yù)測(cè)模型合理；x1、x2和x22對(duì)σT有極顯著影響(P＜0.01)，x3、x2x3和x32對(duì)σT有顯著影響(P＜0.05)。

表5 阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差模型方差分析Table 5 Variance analysis of standard deviation model of resistance torque

σT與各因素之間的回歸方程為

4.2.2 響應(yīng)曲面分析與參數(shù)優(yōu)化

解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為220 r/min 時(shí)，刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速X2和彈齒間距X3對(duì)解捆鋪料裝置阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差σT的交互作用如圖11 所示。刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差隨彈齒間距先增大后減??；彈齒間距一定時(shí)，阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差隨刮板速度的增大而急劇增加，然后緩慢減小。

圖11 刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速和彈齒間距交互作用對(duì)阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差σT 的影響Fig.11 Influence of interaction of active roller rotate speed of scraper feeding mechanism and spacing of spring teeth on standard deviation of resistance torque σT

對(duì)阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差模型采用最小值原則求解，得到最優(yōu)解參數(shù)組合為：解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為225 r/min、刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為5.0 r/min、擋料彈齒間距為100 mm。

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

實(shí)際作業(yè)中，為滿(mǎn)足不同的秸稈覆蓋量要求，可通過(guò)調(diào)整解捆鋪料裝置及刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速調(diào)控秸稈覆蓋厚度。為了解不同解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下的防堵效果，在未安裝和安裝防堵裝置的情況下分別進(jìn)行秸稈解捆鋪料試驗(yàn)。試驗(yàn)中，固定刮板主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速5.0 r/min、彈齒間距100 mm。將解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為185、225 和265 r/min。試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如圖12 和表6 所示。

表6 是否加裝防堵裝置下解捆鋪料裝置的阻力矩對(duì)比Table 6 Comparison of resistance torque of the unbalingspreading device with or without installed anti-blocking device

圖12 不同主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下解捆鋪料裝置阻力矩變化曲線Fig.12 Change curve of resistance torque of unbaling-spreading device at different active roller rotate speed

由表6 可知，與未加裝防堵裝置相比，185、225 和265 r/min 三個(gè)主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下，解捆鋪料裝置阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差降低率分別為29.5%、34.0%和30.7%；同時(shí)，平均阻力矩和峰值阻力矩降低率分別為16.1%和28.5%。驗(yàn)證試驗(yàn)證明，通過(guò)彈齒式防堵裝置控制齒帶工作長(zhǎng)度并避免秸稈餅塊前傾的防堵方案是有效的。

4.4 果園試驗(yàn)

2021 年5 月在陜西楊凌扶特斯公司蘋(píng)果園進(jìn)行機(jī)械化秸稈覆蓋試驗(yàn)。果樹(shù)種植行距3.5 m，株距1.2 m。秸稈覆蓋機(jī)的工作參數(shù)取4.2 節(jié)中優(yōu)化結(jié)果。作業(yè)時(shí)機(jī)器后方安裝覆土裝置，對(duì)秸稈覆蓋層進(jìn)行薄土覆蓋，以消除秸稈覆蓋層引起果園火災(zāi)的隱患。秸稈層厚度測(cè)量采用五點(diǎn)取樣法，解捆鋪料裝置阻力矩采用CHPM480 型液壓測(cè)試儀測(cè)量，試驗(yàn)重復(fù)3 次。作業(yè)前在果園行間地表中線等距放置5 個(gè)正方形平板（800 mm×800 mm），作業(yè)時(shí)使秸稈覆蓋于平板表面以便測(cè)量其厚度。試驗(yàn)時(shí)車(chē)速為1.0 km/h，出料口間距為10 cm。試驗(yàn)中解捆鋪料裝置工作平穩(wěn)，排料均勻，未發(fā)生秸稈堵塞現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，解捆鋪料裝置阻力矩平均值為48.32 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為13.42 N·m；秸稈覆蓋層厚度為11.8 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.3 cm，滿(mǎn)足秸稈覆蓋要求。試驗(yàn)效果如圖13 所示。

圖13 果園試驗(yàn)Fig.13 Test in orchard

5 結(jié) 論

1）秸稈解捆過(guò)程力學(xué)分析表明，齒帶-秸稈捆接觸長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)和秸稈餅塊前傾引起解捆鋪料裝置阻力矩大且劇烈波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致秸稈堵塞。

2）提出了一種彈齒式防堵方法及并設(shè)計(jì)了防堵裝置?；贒EM 仿真研究了秸稈解捆過(guò)程中堵塞形成及彈齒式防堵裝置的防堵機(jī)制。秸稈擾動(dòng)和網(wǎng)格密度分析表明，未加裝防堵裝置時(shí)，刀齒解捆時(shí)對(duì)秸稈的擾動(dòng)大，并引起秸稈餅塊前傾，在出料口形成高壓區(qū)。防堵裝置有效降低了刀齒擾動(dòng)區(qū)域，出料口內(nèi)側(cè)秸稈密度降低46%，避免了秸稈在出料口的滯留和高壓區(qū)形成。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，與未加裝防堵裝置相比，185、225 和265 r/min 三個(gè)解捆鋪料裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下，解捆鋪料裝置阻力矩標(biāo)準(zhǔn)差降低率分別為29.5%、34.0%和30.7%，同時(shí)平均阻力矩和峰值阻力矩降低率分別為16.1%和28.5%，所設(shè)計(jì)的防堵裝置作業(yè)效果良好。