康 艷 廖慶喜,2 廖宜濤,2 韓靜軒 程 昊 張青松,2

(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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070)

0 引言

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)主要的油菜產(chǎn)區(qū),種植模式以稻油輪作為主,該地區(qū)油菜播種作業(yè)工序復(fù)雜且效率低下,播種后種子易落在秸稈殘茬上,影響種子出苗率[1-3]。隨著秸稈還田制度的推廣應(yīng)用,對(duì)稻茬田塊進(jìn)行少耕或免耕作業(yè)(保護(hù)性耕作)已成為一種新趨勢(shì)[4-8]。為提高作業(yè)效率,設(shè)計(jì)一種寬幅高效的油菜直播機(jī)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)保護(hù)性耕作進(jìn)行了一系列研究[9],羅紅旗等[10]設(shè)計(jì)了2BML型壟作免耕播種機(jī),一次作業(yè)可完成淺旋滅茬、開(kāi)溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等免耕播種要求;胡紅等[11]針對(duì)長(zhǎng)江中下游稻麥輪作區(qū)稻茬田免耕播種小麥機(jī)具作業(yè)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種寬幅精量少耕播種機(jī),有效提高了小麥播種效率。針對(duì)淺旋少耕的保護(hù)性耕作模式,姚文燕等[12]設(shè)計(jì)了一種淺旋清茬斜置式防堵裝置,有效解決了小麥播種時(shí)開(kāi)溝器堵塞問(wèn)題;鄭侃等[13]提出表土蓋種-溝土勻攤的土壤分流式作業(yè)模式,設(shè)計(jì)了一種寬苗帶小麥少耕播種機(jī);王加一等[14]基于理論推導(dǎo)和農(nóng)藝學(xué)測(cè)量,提出玉米條帶式少耕的作業(yè)方式,有效降低了動(dòng)土量和耕作阻力。部分專家學(xué)者針對(duì)開(kāi)溝裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)[15-18],并結(jié)合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和非動(dòng)力防堵裝置相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)免耕播種機(jī),解決機(jī)具播種過(guò)程中的堵塞問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)免耕、少耕以及開(kāi)溝機(jī)具的研究主要集中在玉米、小麥等作物,機(jī)具作業(yè)幅寬多為2 m或2.3 m,針對(duì)油菜寬幅高效式播種機(jī)研究較少。國(guó)外少免耕播種機(jī)[19-20]的土壤耕作部件以被動(dòng)式為主,不適用于長(zhǎng)江中下游地區(qū)黏重土壤工況。

為解決長(zhǎng)江中下游地區(qū)油菜播種作業(yè)工序復(fù)雜、效率低的問(wèn)題,結(jié)合保護(hù)性耕作理念與機(jī)具寬幅高效的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)一種適用于稻油輪作區(qū)寬幅、可折疊的油菜淺旋式精量聯(lián)合直播機(jī),一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)開(kāi)畦溝、淺旋滅茬、油菜精量播種、種床覆土等功能,以期為提高油菜播種作業(yè)效率的機(jī)具設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 總體結(jié)構(gòu)組成

油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)主要由機(jī)架、淺旋刀輥、液壓折疊系統(tǒng)、開(kāi)溝裝置、排種系統(tǒng)等組成,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中開(kāi)溝裝置與淺旋刀輥組成的開(kāi)溝淺旋滅茬裝置、液壓折疊系統(tǒng)是機(jī)具作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)寬幅可折疊和開(kāi)溝淺旋滅茬作業(yè)的關(guān)鍵部件。該機(jī)具包括左右兩組開(kāi)溝淺旋滅茬裝置,通過(guò)液壓折疊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)翻折,每一組開(kāi)溝淺旋滅茬裝置的折疊由兩個(gè)液壓缸同時(shí)驅(qū)動(dòng),后置兩組機(jī)械離心式油菜精量排種器。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

圖1 油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of rapeseed wide-width folding shallow-rotation combined precision direct seeder1.排種系統(tǒng) 2.液壓折疊系統(tǒng) 3.分土導(dǎo)流板 4.開(kāi)溝裝置 5.齒輪箱 6.機(jī)架 7.限深地輪 8.淺旋刀輥

1.2 工作過(guò)程

油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)掛接,由拖拉機(jī)提供液壓油,依托液壓折疊控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)具的折疊與平放。運(yùn)輸時(shí),將機(jī)具提升并折疊,在作業(yè)前將機(jī)具平放,作業(yè)過(guò)程中由拖拉機(jī)輸出軸提供動(dòng)力,經(jīng)中央傳動(dòng)箱、萬(wàn)向傳動(dòng)軸帶動(dòng)淺旋刀輥和開(kāi)溝裝置運(yùn)行,淺旋刀輥旋轉(zhuǎn)滅茬、開(kāi)溝裝置開(kāi)出畦溝并將溝土經(jīng)由分土導(dǎo)流板均勻覆于廂面,為油菜播種提供適宜的種床條件;后置兩組機(jī)械離心式油菜精量排種器,機(jī)具一次下地作業(yè)可實(shí)現(xiàn)開(kāi)畦溝、淺旋滅茬、精量播種、種床覆土等工序,完成幅寬4 000 mm共12行油菜播種作業(yè),作業(yè)工藝圖如圖2所示。

圖2 油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)作業(yè)工藝圖Fig.2 Operation process drawing of rapeseed wide-width folding shallow-rotation combined precision direct seeder1.油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī) 2.水稻秸稈 3.油菜種子 4.排水畦溝 5.已旋耕土壤層 6.未旋耕土壤層

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 液壓折疊系統(tǒng)

2.1.1液壓折疊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局與自由度

現(xiàn)有折疊式旋耕機(jī)有后翻折疊、側(cè)翻折疊兩種形式,油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)每一組折疊部分包括開(kāi)溝裝置和淺旋刀輥,折疊部分質(zhì)量占據(jù)整機(jī)的70%以上,采用后翻折疊方式,折疊狀態(tài)下整機(jī)重心過(guò)于靠后,影響田間通過(guò)性,故本文采用側(cè)翻折疊的形式對(duì)液壓折疊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)機(jī)具幅寬和折疊作業(yè)要求,初定液壓缸位置和整機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖3所示,其中點(diǎn)A1、B1、C1、A2、B2、C2為各部件的鉸接點(diǎn)。兩側(cè)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置分別以主機(jī)架的鉸接點(diǎn)C1、C2為旋轉(zhuǎn)中心,液壓缸收縮帶動(dòng)點(diǎn)A1、A2做圓周運(yùn)動(dòng)完成折疊過(guò)程。

圖3 液壓折疊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局示意圖Fig.3 Structural layout diagram of hydraulic folding system

為保證液壓折疊系統(tǒng)能夠正常以旋轉(zhuǎn)中心做圓周運(yùn)動(dòng),其折疊機(jī)構(gòu)自由度應(yīng)為1,即機(jī)構(gòu)具有唯一確定的運(yùn)動(dòng)路徑,滿足機(jī)組平放與折疊運(yùn)動(dòng)要求。以液壓折疊系統(tǒng)一側(cè)為例,計(jì)算折疊機(jī)構(gòu)自由度:開(kāi)溝淺旋滅茬裝置整體可視為一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,液壓油缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可視為活塞桿、缸體兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,二者為面與面接觸的低副約束,則折疊機(jī)構(gòu)一側(cè)共有4個(gè)低副約束,由

Fn=3n′-2Pl-Ph

(1)

式中Fn——機(jī)構(gòu)自由度

n′——活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

Pl——低副數(shù)目Ph——高副數(shù)目

計(jì)算得自由度為1,符合運(yùn)動(dòng)要求。

液壓缸行程由開(kāi)溝淺旋滅茬裝置運(yùn)動(dòng)范圍決定,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,液壓缸帶動(dòng)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置沿桿長(zhǎng)方向雙向運(yùn)動(dòng),有效行程要求較長(zhǎng),故采用雙向作用單活塞桿液壓缸。為保證機(jī)具在平放狀態(tài)下兩側(cè)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置均處于水平位置,消除兩側(cè)液壓缸因運(yùn)動(dòng)速度差異造成兩組開(kāi)溝淺旋滅茬裝置在平放狀態(tài)下不對(duì)稱而影響作業(yè)廂面平整度的問(wèn)題,液壓缸伸縮極限位置需分別與開(kāi)溝淺旋滅茬裝置平放、折疊狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。以一側(cè)液壓缸為例,分析開(kāi)溝淺旋滅茬裝置折疊極限位置(平放與折疊),確定液壓缸行程,如圖4所示。

圖4 液壓折疊系統(tǒng)極限位置示意圖Fig.4 Sketches of limit position of hydraulic folding system

液壓缸驅(qū)動(dòng)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置在第一連接座孔中心(A1)、第二連接座孔中心(B1)、旋轉(zhuǎn)中心(C1)3點(diǎn)構(gòu)成的平面內(nèi)繞旋轉(zhuǎn)中心(C1)翻轉(zhuǎn)。以水平方向?yàn)閤方向,豎直向上方向?yàn)閥方向,鉸接點(diǎn)C1為原點(diǎn),建立坐標(biāo)系如圖4a所示?？紤]機(jī)具實(shí)際尺寸,初步選取鉸接點(diǎn)A1到鉸接點(diǎn)C1的水平距離e0為1 280 mm,點(diǎn)B1到點(diǎn)C1的水平距離n0為30 mm,設(shè)液壓缸行程為s,參考液壓缸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[21-22],在兩極限位置下液壓缸兩安裝孔軸心距離分別為l0=s+270、l1=2s+270,根據(jù)各設(shè)定值和兩極限位置幾何關(guān)系,構(gòu)建關(guān)于行程s與B1C1之間距離h0的方程

(2)

利用Matlab計(jì)算得到方程4組有效解:①h0=2 601.2 mm,s=-1 591.2 mm。②h0=452.1 mm,s=557.9 mm。③h0=677.6 mm,s=-872.4 mm。④h0=3 095.8 mm,s=1 545.8 mm。

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局,結(jié)合液壓缸標(biāo)準(zhǔn)缸型行程尺寸對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后優(yōu)化取整,確定B1C1之間距離h0為470 mm、液壓缸行程s為600 mm。為使液壓缸處于伸長(zhǎng)極限位置時(shí)兩側(cè)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置均處于水平狀態(tài),根據(jù)設(shè)計(jì)的液壓缸行程,調(diào)整鉸接點(diǎn)A1到鉸接點(diǎn)C1的水平距離e0為1 338 mm,點(diǎn)B1到點(diǎn)C1的水平距離n0為55 mm。

2.1.2液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與受力分析

為確定機(jī)具折疊過(guò)程中液壓缸所受載荷,根據(jù)整體布局和液壓缸行程參數(shù)對(duì)一側(cè)液壓缸進(jìn)行分析,運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5a所示。開(kāi)溝淺旋滅茬裝置折疊時(shí)運(yùn)動(dòng)速度緩慢,可將折疊過(guò)程中每一瞬間看作一個(gè)平衡位置。

圖5 液壓折疊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)受力分析示意圖Fig.5 Schematics of motion force analysis of hydraulic folding system

忽略液壓缸自身重力,將其視為二力桿,對(duì)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置AC進(jìn)行受力分析,如圖5b所示,根據(jù)力矩平衡原理對(duì)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)C取矩,當(dāng)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置轉(zhuǎn)角為α1時(shí)可得

(3)

式中F——液壓缸對(duì)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置拉力,N

Fg——開(kāi)溝淺旋滅茬裝置所受重力,N

α2——液壓缸與水平線所夾銳角,(°)

b1——旋轉(zhuǎn)中心C與質(zhì)心G之間距離,mm

b2——液壓缸鉸接點(diǎn)A與旋轉(zhuǎn)中心C之間距離,mm

設(shè)點(diǎn)A坐標(biāo)(xA,yA),點(diǎn)B坐標(biāo)(xB,yB),則有

(4)

其中

(5)

根據(jù)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置所受重力以及質(zhì)心位置和液壓缸相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定Fg為4 905 N,b1為454 mm,b2為1 338 mm,將各數(shù)值代入式(3)中,機(jī)具折疊過(guò)程中液壓缸受力變化曲線如圖6所示。

圖6 液壓缸受力變化曲線Fig.6 Trend of force changes in hydraulic cylinders

由圖6可知,機(jī)具在折疊過(guò)程中,當(dāng)α1為0°,即當(dāng)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置處于水平位置時(shí),液壓缸受力最大,最大值為5 206 N。當(dāng)機(jī)具在田間作業(yè)時(shí),兩側(cè)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置處于水平位置,進(jìn)一步分析機(jī)組在田間作業(yè)過(guò)程中液壓缸的受力情況,保證機(jī)具在旋耕播種作業(yè)過(guò)程中整機(jī)穩(wěn)定性。

旋耕刀軸的單刀阻扭矩變化波動(dòng)較大,刀軸的阻扭矩T由相繼入土的各單刀阻扭矩合成,波動(dòng)幅度較小,故在此分析淺旋刀軸切土阻力Z。將切土阻力Z視為在刀軸上的均布載荷,近似計(jì)算刀軸的平均切土阻力Z及其分力。圖7為淺旋刀輥受力示意圖,圖中點(diǎn)P為切土阻力Z作用點(diǎn),端點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑為R的旋耕彎刀切土?xí)r,其切土阻力合力的作用點(diǎn)半徑ROP=0.9R,則

圖7 淺旋刀輥受力示意圖Fig.7 Schematic of force on shallow rotary tool roll

(6)

式中Zx——切土阻力水平分力,N

Zy——切土阻力豎直分力,N

θ1——切土阻力Z與水平方向所夾銳角,(°)

切土阻力的水平分力Zx對(duì)液壓缸所受載荷基本無(wú)影響,田間作業(yè)工況下影響液壓缸受力的主要因素為刀軸阻力在豎直方向的分力Zy。Zy始終垂直地面向上,對(duì)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置起到支撐作用;同理,開(kāi)溝刀盤(pán)切土?xí)r其豎直方向阻力也始終垂直地面向上,結(jié)合式(3)可知,在田間作業(yè)過(guò)程中單側(cè)液壓缸受到的作用力小于液壓缸在水平靜止?fàn)顟B(tài)下受到的最大作用力5 206 N;為保證機(jī)具穩(wěn)定運(yùn)行,整機(jī)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu),為避免單個(gè)液壓缸受力過(guò)大,左右可折疊部分均采用2個(gè)均布的液壓缸,有效保證整機(jī)穩(wěn)定性。

參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[23]中拖拉機(jī)液壓輸出壓力,初定液壓缸工作壓力p為1.6×106Pa。為防止折疊過(guò)程中壓力突變?cè)斐蓹C(jī)具大幅抖動(dòng),回油路安裝背壓閥,參考液壓與氣壓傳動(dòng)中液壓缸參考背壓表(表2)[24],初選背壓pb為8×105Pa。

表2 液壓缸參考背壓Tab.2 Hydraulic cylinder reference back pressure Pa

根據(jù)《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[22]可知液壓缸缸筒內(nèi)徑Dy計(jì)算式為

(7)

(8)

式中Fmax——最大負(fù)載,N

p1——液壓缸工作壓力,Pa

代入各值可得Dy為53.62 mm,根據(jù)活塞桿受力狀態(tài),當(dāng)p1<5×106Pa,此時(shí)活塞桿直徑d=(0.5～0.55)Dy,代入Dy值,可得d=(26.81～29.49) mm,為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,綜合考慮各參數(shù)向上取整,確定液壓缸筒內(nèi)徑Dy為60 mm,活塞桿直徑d為30 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)所得參數(shù)對(duì)液壓缸所能承受的負(fù)載Fe進(jìn)行計(jì)算,將各值代入

(9)

可得Fe為3 392.9 N,是實(shí)際液壓缸承受最大負(fù)載(2 603 N)的1.3倍,滿足油菜直播機(jī)折疊時(shí)的作業(yè)需求。

2.1.3液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

為實(shí)現(xiàn)油菜直播機(jī)由拖拉機(jī)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的折疊要求,設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)控制回路如圖8所示。

圖8 液壓折疊系統(tǒng)液壓控制回路Fig.8 Hydraulic folding system hydraulic control loop1.拖拉機(jī)油泵 2.拖拉機(jī)液壓油箱 3.直動(dòng)式溢流閥 4、11.背壓閥 5、10.M型三位四通換向閥 6～9.雙向活塞液壓缸 12.單向閥

該系統(tǒng)中包括雙向活塞液壓缸、M型三位四通換向閥、單向閥、直動(dòng)式溢流閥、拖拉機(jī)油泵等液壓元件。其中雙向活塞液壓缸在液壓系統(tǒng)中為執(zhí)行元件,其往復(fù)運(yùn)動(dòng)可直接實(shí)現(xiàn)機(jī)具左右兩側(cè)開(kāi)溝淺旋滅茬裝置的翻折;M型三位四通換向閥處于中位時(shí),液壓泵可卸荷,啟停平穩(wěn),可多個(gè)并聯(lián)作業(yè),通過(guò)手柄的操控實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。單向閥在液壓系統(tǒng)進(jìn)油路允許液壓油單向流動(dòng)防止泵回油;直動(dòng)式溢流閥在整個(gè)液壓系統(tǒng)中可以起到調(diào)節(jié)主油路壓力的作用,當(dāng)油路壓力超過(guò)溢流閥預(yù)設(shè)壓力時(shí),可與油箱連通卸壓,同時(shí)起到液壓系統(tǒng)安全閥的作用;直動(dòng)式溢流閥4、11在液壓回路中充當(dāng)背壓閥作用,使液壓回路維持一定背壓值,與M型三位四通換向閥在中位時(shí)構(gòu)成液壓卸載回路;基于此系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)油菜直播機(jī)的折疊與平放的作業(yè)要求。

機(jī)組處于田間作業(yè)狀態(tài)時(shí),液壓系統(tǒng)中的2個(gè)M型三位四通換向閥均處于中位,提升液壓缸無(wú)法執(zhí)行伸縮動(dòng)作,即兩組開(kāi)溝淺旋滅茬裝置在作業(yè)過(guò)程中始終保持水平狀態(tài),保證了寬幅作業(yè)的廂面平整度。

2.2 開(kāi)溝淺旋滅茬裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)

開(kāi)溝淺旋滅茬裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示,主要包括機(jī)架、齒輪箱、開(kāi)溝刀盤(pán)、淺旋刀輥、分土犁尖、分土導(dǎo)流板、仿形清溝鏟等部件。作業(yè)過(guò)程中,分土犁尖首先接觸地表,將開(kāi)溝刀盤(pán)間的土壤分散至兩側(cè),畦溝區(qū)域土壤在開(kāi)溝刀作用下經(jīng)分土導(dǎo)流板均勻覆蓋至廂面,后端仿形清溝鏟將溝內(nèi)余土清除,完成開(kāi)溝作業(yè)。同時(shí)淺旋刀輥對(duì)地表進(jìn)行滅茬處理,使稻茬與溝土混合覆于地表;隨后由平土托板平整覆土層,為油菜播種提供良好的種床條件。

圖9 開(kāi)溝淺旋滅茬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of ditching and shallow rotation stubble removal device1.齒輪箱 2.機(jī)架 3.分土導(dǎo)流板 4.仿形清溝鏟 5.分土犁尖 6.開(kāi)溝刀盤(pán) 7.淺旋刀輥

2.2.1開(kāi)溝刀盤(pán)設(shè)計(jì)與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求[23],設(shè)定油菜種植畦溝深度為150～200 mm,寬度為300 mm,溝型為矩形溝;為實(shí)現(xiàn)淺旋滅茬作業(yè)要求,設(shè)定旋耕作業(yè)深度為5～55 mm。為保證開(kāi)溝質(zhì)量,采用左右雙刀盤(pán)完成開(kāi)溝作業(yè),開(kāi)溝刀安裝在刀盤(pán)雙側(cè),避免刀盤(pán)側(cè)壁與溝壁直接摩擦造成畦溝塌陷,兩側(cè)刀片交替切割土壤,完成刀盤(pán)寬度范圍內(nèi)土垡切拋,開(kāi)溝刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 開(kāi)溝刀盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagram of trenching cutter head1.齒輪箱 2.開(kāi)溝刀盤(pán) 3.分土前犁

為保證機(jī)具的適用性與互換性,刀具均采用標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀具,其中淺旋滅茬刀輥安裝標(biāo)準(zhǔn)175淺旋刀,開(kāi)溝刀盤(pán)安裝標(biāo)準(zhǔn)195旋耕刀,確定開(kāi)溝回轉(zhuǎn)半徑和淺旋刀輥回轉(zhuǎn)半徑分別為320、175 mm。機(jī)具刀軸轉(zhuǎn)速較高時(shí),有利于提高碎土率、覆土均勻性及廂面平整度。機(jī)具田間作業(yè)時(shí),拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸PTO轉(zhuǎn)速為540～720 r/min,機(jī)具傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1.5∶1, 確定刀軸轉(zhuǎn)速為360～480 r/min。

開(kāi)溝刀切土節(jié)距對(duì)碎土率、廂面平整度影響較大,計(jì)算式為

(10)

式中S——切土節(jié)距,mm

v——機(jī)組前進(jìn)速度,m/s

z——開(kāi)溝刀盤(pán)上安裝的開(kāi)溝刀數(shù)量

n——刀軸轉(zhuǎn)速,r/min

對(duì)于黏重土壤工況,切土節(jié)距一般取40～60 mm[25],為保證寬幅種床作業(yè)質(zhì)量和廂面平整度,選取切土節(jié)距S為20～30 mm。由式(10)可知,在刀軸轉(zhuǎn)速一定的情況下,影響切土節(jié)距的主要因素為機(jī)組前進(jìn)速度v及開(kāi)溝刀盤(pán)上安裝的開(kāi)溝刀數(shù)量z,且與機(jī)具前進(jìn)速度成正比,與開(kāi)溝刀數(shù)量成反比,在切土節(jié)距范圍一定的前提下,開(kāi)溝刀數(shù)量較少會(huì)限制機(jī)組前進(jìn)速度。為保證機(jī)具作業(yè)效果,提高機(jī)具作業(yè)效率,基于切土節(jié)距計(jì)算公式,確定開(kāi)溝刀盤(pán)上安裝的開(kāi)溝刀數(shù)量z為8,機(jī)組前進(jìn)速度v為3.6～5.0 km/h。

2.2.2分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

開(kāi)溝刀片切割土垡時(shí),土壤沿開(kāi)溝刀盤(pán)相切的后方拋出,為保證廂面平整,設(shè)計(jì)分土導(dǎo)流板使土壤受約束改變運(yùn)動(dòng)方向便于均勻覆于廂面。分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)安裝示意圖如圖11所示,主要由中間板、分土板、導(dǎo)向板組成,中間板將兩側(cè)分土板連接于一體;分土板將溝土分散至開(kāi)溝刀盤(pán)兩側(cè),有效防止溝內(nèi)回流;導(dǎo)向板將土壤顆粒分散導(dǎo)向至廂面。分土導(dǎo)流板整體呈圓弧狀,為使分土導(dǎo)流板可以籠罩全部土壤,圓弧的上端與機(jī)架相連接,圓弧的下端與地表平齊。

圖11 分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)與空間布局Fig.11 Structure and spatial layout of soil dividing deflector1.安裝孔 2.開(kāi)溝裝置 3.中間板 4.分土板 5.導(dǎo)向板

由圖11可知,分土導(dǎo)流板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有側(cè)置傳動(dòng)箱中面至分土導(dǎo)流板連接座的安裝距離r1、導(dǎo)向板長(zhǎng)度Xf、分土板角度θ和中間板長(zhǎng)度Xk等,根據(jù)圖11中幾何位置,對(duì)分土導(dǎo)流板各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析:

安裝距離r1影響土壤經(jīng)開(kāi)溝刀拋出至分土板間的運(yùn)動(dòng)距離,結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)布局,確定安裝距離r1范圍:200 mm≤r1≤300 mm;為避免導(dǎo)向板與機(jī)架出現(xiàn)縫隙,其上緣應(yīng)保證與機(jī)架平齊,同時(shí)導(dǎo)向板長(zhǎng)度Xf受到機(jī)架空間結(jié)構(gòu)與分土板長(zhǎng)度的約束,綜合分析,確定導(dǎo)向板長(zhǎng)度范圍:200 mm≤Xf≤600 mm;分土板安裝角度θ,與分土板長(zhǎng)度Xj和分土板高度Xg有關(guān),為保證分土作業(yè)效果,確定安裝角度范圍:30°≤θ≤60°;中間板長(zhǎng)度Xk確定為兩開(kāi)溝刀盤(pán)的橫向距離,即Xk=200 mm。

綜上所述,側(cè)置傳動(dòng)箱中面至分土導(dǎo)流板連接座的安裝距離r1、分土板角度θ、導(dǎo)向板長(zhǎng)度Xf3個(gè)參數(shù)確定后即可確定分土導(dǎo)流板的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)。為保證覆土均勻性,將通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)確定分土導(dǎo)流板較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

3 分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真

分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)影響種床覆土均勻性,對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的分土導(dǎo)流板覆土均勻性進(jìn)行仿真分析,確定較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

3.1 模型建立

為分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合對(duì)分土導(dǎo)流板的覆土均勻性,基于EDEM開(kāi)展仿真分析,仿真模型如圖12所示。其中土壤顆粒的接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding模型,顆粒半徑為8 mm,仿真所用本征參數(shù)和接觸參數(shù)主要通過(guò)文獻(xiàn)[26-29]和試驗(yàn)獲得,其中,土壤和鋼體泊松比分別為0.38、0.3,密度分別為1 280、7 850 kg/m3,剪切模量分別為1×106、7.9×1010Pa,模型接觸參數(shù)如表3所示。

表3 模型接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameters of model

圖12 仿真模型Fig.12 Simulation model1.機(jī)具 2.土槽 3.畦溝土壤

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)2.2.2節(jié)對(duì)分土導(dǎo)流板的分析結(jié)果,以安裝距離r1、導(dǎo)向板長(zhǎng)度Xf、分土板角度θ作為試驗(yàn)因素開(kāi)展三因素三水平正交試驗(yàn),設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素編碼如表4所示。

表4 因素編碼Tab.4 Factors and coding

根據(jù)油菜田間種植農(nóng)藝要求以及油菜播種機(jī)實(shí)際作業(yè)效率,設(shè)定機(jī)組前進(jìn)速度為3.6 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、開(kāi)溝深度為150 mm。采用EDEM軟件中Geometry Bin功能模塊,在作業(yè)后的廂面沿作業(yè)前地表平面構(gòu)建如圖13所示的方塊集合,每一個(gè)方塊為100 mm×100 mm×100 mm的正方體,統(tǒng)計(jì)每個(gè)方塊中的顆粒個(gè)數(shù),用來(lái)模擬真實(shí)作業(yè)后該對(duì)應(yīng)區(qū)域單位體積內(nèi)的土壤數(shù)量,按照機(jī)具作業(yè)技術(shù)要求,選取距溝緣兩側(cè)1 000 mm范圍內(nèi)的廂面作為橫向測(cè)量范圍。在測(cè)量區(qū)域內(nèi),沿作業(yè)方向在穩(wěn)定段等距截取10組橫向格組。

圖13 仿真后處理結(jié)果Fig.13 Simulation post-processing results

3.3 結(jié)果分析

仿真試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.5 Simulation test design and results

將表5的內(nèi)容導(dǎo)入Design-Expert軟件中,處理分析相關(guān)數(shù)據(jù),各因素及指標(biāo)的回歸分析如表6所示。

表6 仿真試驗(yàn)回歸模型方差分析Tab.6 Simulation test regression model analysis of variance

如表6所示,對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析,該回歸模型P<0.01,表示回歸模型高度顯著,模型失擬項(xiàng)P>0.05,模型的失擬性不顯著,模型擬合程度高。得到各因素與覆土均勻性的回歸響應(yīng)面方程為

(11)

圖14 各因素對(duì)覆土均勻性影響響應(yīng)面分析Fig.14 Response surface analyses of factors on uniformity of overlying soil

由圖14a可知,當(dāng)安裝距離為250 mm時(shí),在導(dǎo)向板長(zhǎng)度各水平下,覆土均勻性隨著分土板角度增大呈先下降后上升的趨勢(shì);在分土板角度各水平下,覆土均勻性隨著導(dǎo)向板長(zhǎng)度增大呈逐漸增大的趨勢(shì);當(dāng)導(dǎo)向板長(zhǎng)度為600 mm、分土板角度為30°時(shí),覆土均勻性最大值為80.41%。由圖14b可知,當(dāng)導(dǎo)向板長(zhǎng)度為400 mm時(shí),在安裝距離各水平下,覆土均勻性隨著分土板角度增大呈先下降后上升的趨勢(shì);在分土板角度各水平下,覆土均勻性隨著安裝距離增大呈先下降后上升的趨勢(shì);當(dāng)安裝距離為200 mm、分土板角度為60°時(shí),覆土均勻性為87.07%。由圖 14c可知,當(dāng)分土板角度為45°時(shí),在安裝距離各水平下,覆土均勻性最大值隨著導(dǎo)向板長(zhǎng)度增大呈逐漸增大的趨勢(shì);在導(dǎo)向板長(zhǎng)度各水平下,覆土均勻性隨著安裝距離增大呈先下降后上升的趨勢(shì);當(dāng)安裝距離為200 mm、導(dǎo)向板長(zhǎng)度為600 mm時(shí),覆土均勻性最大值為90.48%。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析可得,分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)中安裝距離r1與導(dǎo)向板長(zhǎng)度Xf對(duì)覆土均勻性的影響為極顯著,分土板角度θ對(duì)覆土均勻性影響不顯著,各因素間無(wú)交互作用;安裝距離因素的平方項(xiàng)影響極顯著,其余因素平方項(xiàng)影響不顯著。在安裝距離為200 mm、導(dǎo)向板長(zhǎng)度為600 mm、分土板角度為60°時(shí),可得到最大的覆土均勻性93.33%。以較優(yōu)分土導(dǎo)流板參數(shù)重新進(jìn)行仿真,進(jìn)行3次仿真試驗(yàn)求其均值,可得平均覆土均勻性為92.13%,與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致,說(shuō)明回歸方程準(zhǔn)確。

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)的田間作業(yè)效果,以碎土率、秸稈埋覆率、廂面平整度、畦溝深度、溝深穩(wěn)定性系數(shù)、畦溝寬度、成苗率作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn),綜合評(píng)價(jià)該機(jī)具作業(yè)效果。

4.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在湖北省荊州市監(jiān)利縣進(jìn)行,整機(jī)配套動(dòng)力為東方紅LX-954型拖拉機(jī),后掛接油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī),試驗(yàn)設(shè)備包括Trimble三維激光掃描儀、土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)量?jī)x、電子稱量器、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、環(huán)刀組件、取土框、直尺、卷尺等,試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)地塊相關(guān)工況參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表7所示。

表7 作業(yè)前地表工況Tab.7 Surface conditions before operation

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前設(shè)定機(jī)組前進(jìn)速度為3.6 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、畦溝深度為150 mm,作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試方法參考標(biāo)準(zhǔn)NY/T 740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》與NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)量,確定每次試驗(yàn)行程長(zhǎng)度為100 m,以中間60 m范圍內(nèi)作為測(cè)試區(qū)域。其中,碎土率、秸稈埋覆率、廂面平整度、成苗率測(cè)定方法如下:

測(cè)量碎土率時(shí),在作業(yè)地表覆土層范圍內(nèi),沿行程等間距用500 mm×500 mm的矩形框圈定5個(gè)測(cè)量區(qū),采集區(qū)域內(nèi)的土塊,土塊按最長(zhǎng)邊計(jì)量,以小于等于40 mm的土塊質(zhì)量對(duì)該測(cè)量區(qū)全部土壤質(zhì)量的占比作為碎土率,取5組數(shù)據(jù)平均值,計(jì)算式為

(12)

(13)

式中E0i——第i個(gè)測(cè)量區(qū)矩形框內(nèi)邊長(zhǎng)最大值小于等于40 mm土塊質(zhì)量,g

Ei——第i個(gè)測(cè)量區(qū)矩形框內(nèi)覆土層范圍內(nèi)全部土塊質(zhì)量,g

Gi——第i個(gè)測(cè)量區(qū)的碎土率,%

N1——作業(yè)區(qū)域內(nèi)選定的測(cè)量區(qū)個(gè)數(shù),個(gè)

G——整機(jī)作業(yè)后碎土率,%

測(cè)量秸稈埋覆率時(shí),在作業(yè)行程方向等距用500 mm×500 mm的矩形框圈定5個(gè)取樣區(qū)域,采集測(cè)量區(qū)內(nèi)所有秸稈,并將浮于地表的秸稈分袋取樣稱量,秸稈埋覆率計(jì)算式為

(14)

(15)

式中Lqi——第i取樣組測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有秸稈質(zhì)量,g

Lhi——第i取樣組測(cè)量區(qū)域內(nèi)浮于地表秸稈質(zhì)量,g

Ji——第i取樣組的秸稈埋覆率,%

N2——在作業(yè)區(qū)域內(nèi)選定的取樣區(qū)個(gè)數(shù),個(gè)

J——秸稈埋覆率,%

測(cè)量廂面平整度時(shí),采用三維激光掃描以及配套處理軟件的非接觸式掃描分析法,該方法相較傳統(tǒng)地表接觸式廂面平整度測(cè)量法精度更高;機(jī)具作業(yè)完成后,運(yùn)用Trimble三維激光掃描儀,將作業(yè)地表特性以空間點(diǎn)云形式進(jìn)行表達(dá),掃描作業(yè)如圖15所示。

圖15 作業(yè)地表廂面三維數(shù)字化建模Fig.15 3D digital modeling of operating surface compartment

在行程方向的穩(wěn)定作業(yè)區(qū)域內(nèi),等間距取10段截面,將該截面的坐標(biāo)點(diǎn)密度降低10倍,導(dǎo)出降低密度后的點(diǎn)云坐標(biāo),提取點(diǎn)的高程方向坐標(biāo)值,可得每一段截面的平整度,以10段不同截面平整度均值表示該行程作業(yè)后的廂面平整度,計(jì)算式為

(16)

其中

(17)

式中Xij——第i段截面第j個(gè)點(diǎn)的高程坐標(biāo)值,mm

Ximax——第i段截面各點(diǎn)高程坐標(biāo)值的最大值,mm

Ri——第i段截面點(diǎn)數(shù)量,個(gè)

R′ ——所劃分的截面數(shù)量,個(gè)

Pi——第i段截面平整度,mm

PX——廂面平整度,mm

在完成播種作業(yè)14～21 d后,測(cè)量油菜成苗率[30],隨機(jī)選取試驗(yàn)地塊3個(gè)測(cè)量區(qū)域,每個(gè)區(qū)域面積為1 m2,測(cè)定每個(gè)區(qū)域內(nèi)各行的苗數(shù),計(jì)算式為

(18)

(19)

式中Qc——播種粒數(shù),粒/m2

Q——播種量,g/m2

Qk——種子千粒質(zhì)量,g

Qs——田間實(shí)際成苗數(shù),株/m2

c——成苗率,%

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)整機(jī)作業(yè)效果如圖16所示,試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test results

圖16 田間作業(yè)效果Fig.16 Effects of field operation

由表8可知,油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)作業(yè)后種床碎土率為91.62%且可有效地對(duì)秸稈殘茬進(jìn)行埋覆,其秸稈埋覆率為90.72%,均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求;廂面平整度為13.17 mm,表明該機(jī)

具開(kāi)溝拋土裝置拋土均勻,且液壓折疊裝置作業(yè)穩(wěn)定;油菜成苗率為73.89%,表明該機(jī)具作業(yè)后種床質(zhì)量較好,成苗率較高。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足NY/T 740—2003《田間開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》和NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)為解決長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)油菜播種工序復(fù)雜、作業(yè)效率低的問(wèn)題,結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求,研制一種油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī),一次作業(yè)可進(jìn)行開(kāi)畦溝、淺旋滅茬、油菜播種、種床覆土等作業(yè)工序,完成幅寬4 000 mm共12行油菜播種作業(yè)要求。

(2)根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局和作業(yè)需求,確定了液壓折疊系統(tǒng)和開(kāi)溝淺旋滅茬裝置的基本結(jié)構(gòu)?；跈C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和力矩平衡原理對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析,并運(yùn)用Matlab軟件確定了液壓缸具體的結(jié)構(gòu)參數(shù);根據(jù)開(kāi)溝淺旋滅茬作業(yè)要求,確定了開(kāi)溝刀、淺旋刀輥旋轉(zhuǎn)半徑分別為320、175 mm,刀軸轉(zhuǎn)速為360～480 r/min,開(kāi)溝刀盤(pán)開(kāi)溝刀數(shù)量為8,機(jī)組前進(jìn)速度為3.6～5 km/h?；谡麢C(jī)結(jié)構(gòu)布局和理論分析,確定分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍,利用EDEM仿真軟件,對(duì)分土導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)組合進(jìn)行分析,得到較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:安裝距離200 mm、導(dǎo)向板長(zhǎng)度600 mm、分土板角度60°。

(3)油菜寬幅折疊式淺旋精量聯(lián)合直播機(jī)的田間試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度為3.6 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、畦溝深度為150 mm時(shí),種床碎土率為91.62%,秸稈埋覆率為90.72%,廂面平整度為13.17 mm,油菜成苗率為73.89%,油菜生長(zhǎng)狀態(tài)良好,整機(jī)作業(yè)效果滿足油菜直播作業(yè)要求。