高 振 盧彩云 位旭陽(yáng) 李洪文 何 進(jìn) 王慶杰

(1.中國(guó)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科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 北京 100083;3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所, 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

中國(guó)東北黑土區(qū)總面積約1.03×106km2,是世界排名第三的黑土區(qū)[1-3]。保護(hù)性耕作技術(shù)是實(shí)施黑土地保護(hù)的有效舉措,其技術(shù)要點(diǎn)主要是對(duì)農(nóng)田實(shí)行免耕、少耕和作物秸稈覆蓋地表[4-6]。東北地區(qū)玉米秸稈量大,秸稈全量還田條件下,地溫回升慢,出苗不齊,且機(jī)械化播種容易造成機(jī)具堵塞、播種晾籽等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題,研究人員提出條帶耕作的方法,即通過(guò)秸稈集行,形成清秸帶和秸稈帶相間的地表環(huán)境,研究發(fā)現(xiàn),條帶耕作技術(shù)具有土壤擾動(dòng)小,作業(yè)成本低,地溫提升快等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。

條帶秸稈清理裝置是玉米條帶清秸耕整機(jī)的重要組成部分,直接影響清秸帶秸稈殘留量和后續(xù)播種難易程度,是條帶耕整機(jī)研究的重點(diǎn)。于暢暢等[10]提出螺旋切分式種帶清秸裝置結(jié)構(gòu),由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)切口圓盤(pán)切割秸稈,在清茬刀的旋轉(zhuǎn)推送下,將秸稈輸送到清秸帶兩側(cè)。陳海濤等[11]提出螺旋刀齒秸稈清理裝置,將清秸刀螺旋周布,由拖拉機(jī)后輸出軸主動(dòng)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)種床秸稈清茬、拋撒。袁盼盼等[12]提出滴灌帶秸稈清理裝置,可根據(jù)滴灌帶作業(yè)要求完成不同次序的種帶清理。林靜等[13]提出的星型清壟裝置,圓盤(pán)犁刀能夠完成無(wú)支撐和有支撐兩種切割方式,在玉米壟作地完成清壟工作方便后續(xù)播種。

條帶耕整機(jī)的作業(yè)性能與條耕質(zhì)量密切相關(guān),國(guó)內(nèi)對(duì)條帶耕整機(jī)研究尚處于起步階段,無(wú)法滿足東北黑土地條帶耕作需求。條帶集行是條帶耕作的核心,東北地區(qū)秸稈量大,現(xiàn)有條帶秸稈清理裝置集行效果差、秸稈清理率低,難以直接應(yīng)用于東北地區(qū)。為此,本文設(shè)計(jì)一種協(xié)撥組合式條帶秸稈清理裝置,以期實(shí)現(xiàn)秸稈集行并降低土壤擾動(dòng)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

協(xié)撥組合式條帶秸稈清理裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由地表自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和協(xié)撥組合清秸輪組成。地表自適應(yīng)機(jī)構(gòu)包括仿形支撐座、仿形調(diào)節(jié)裝置和平行四連桿架,仿形支撐座焊接在機(jī)架上,平行四連桿架采用專(zhuān)用自鎖螺母鉸接。協(xié)撥組合清秸輪包括清秸輪、清秸輪安裝架和限深輪,清秸輪和限深輪通過(guò)軸承座固定在清秸輪安裝架上,清秸輪安裝架采用專(zhuān)用自鎖螺母與平行四連桿架鉸接。

圖1 協(xié)撥組合式條帶秸稈清理裝置Fig.1 Co-stirring combined strip straw cleaning device1.清秸輪 2.清秸輪安裝架 3.仿形支撐座 4.仿形調(diào)節(jié)裝置 5.平行四連桿架 6.清秸輪安裝架 7.限深輪

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí),地表自適應(yīng)機(jī)構(gòu)根據(jù)地表起伏對(duì)協(xié)撥組合清秸輪單體的垂直位置進(jìn)行調(diào)整,保證清秸輪輪齒始終與地面秸稈接觸,避免撥秸失效。協(xié)撥組合清秸輪在地面摩擦力和牽引力形成的旋轉(zhuǎn)力矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)左右清秸輪的配合作業(yè),將秸稈導(dǎo)流撥送至清秸輪兩側(cè)形成清秸帶。

秸稈在協(xié)撥組合式條帶秸稈清理裝置作用下的流動(dòng)情況如圖2所示,圖中紅色框線區(qū)域?yàn)榍褰諑?清秸帶兩側(cè)是秸稈帶。清秸輪以速度v0進(jìn)行作業(yè)時(shí),清秸輪齒首先觸碰秸稈,秸稈沿著清秸輪輪面向后流動(dòng),在輪齒的連續(xù)推送下,秸稈持續(xù)沿輪面流動(dòng),最終輪齒與秸稈分離,秸稈維持末速度斜拋,落到地面形成秸稈帶。

圖2 秸稈清理示意圖Fig.2 Schematic of straw cleaning1.清秸帶殘留秸稈 2.左清秸輪 3.右清秸輪 4.秸稈帶秸稈

2 協(xié)撥清秸輪設(shè)計(jì)

清秸輪是協(xié)撥組合式條帶秸稈清理裝置的核心部件,為了滿足秸稈集行要求,分析秸稈集行時(shí)清秸輪施加給秸稈的作用力,合理設(shè)計(jì)清秸輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置方案。

2.1 清秸輪齒形設(shè)計(jì)

2.1.1清秸輪齒形選擇

按照輪齒切線與過(guò)圓心直線的關(guān)系,清秸輪齒形可分為徑向、前傾和后傾[14]。以清秸輪開(kāi)始碰觸秸稈時(shí)刻和清秸輪將秸稈撥離地面時(shí)刻為例,對(duì)兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中不同齒形清秸輪作用下的秸稈進(jìn)行受力分析。通過(guò)對(duì)比清理秸稈過(guò)程中秸稈的受力變化,分析不同齒形清秸輪清理秸稈的效果。

清秸輪開(kāi)始觸碰秸稈時(shí),秸稈受力情況如圖3所示。以秸稈中心為坐標(biāo)原點(diǎn),以平行地面方向?yàn)閄軸,以垂直地面方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系。秸稈在清秸輪的推移下向X軸方向運(yùn)動(dòng),僅分析輪面方向秸稈的受力情況,此時(shí)秸稈受自身重力G1,清秸輪對(duì)秸稈的摩擦力f1,清秸輪對(duì)秸稈的支持力N1,地面對(duì)秸稈的摩擦力f2,地面對(duì)秸稈的支持力N2。

圖3 清秸輪剛接觸秸稈時(shí)秸稈受力分析Fig.3 Force analysis of straw when straw cleaning wheel just touched straw

由于清秸輪剛觸碰秸稈時(shí),豎直方向相對(duì)地面無(wú)運(yùn)動(dòng),即秸稈豎直方向受力平衡,秸稈沿著地面向前滾動(dòng),此時(shí)秸稈沿著地面方向的速度由水平方向的合力決定。3種清秸輪水平方向合力為

(1)

根據(jù)式(1)設(shè)函數(shù)

Y=N1cosФ-f1sinФ-f2

(2)

對(duì)式(2)求導(dǎo)得

Y′=-N1sinФ-f1cosФ

(3)

式中FaX——徑向清秸輪水平方向合力,N

FbX——后傾清秸輪水平方向合力,N

FcX——前傾清秸輪水平方向合力,N

Ф——f1與G1的夾角

由圖3可知,清秸輪對(duì)秸稈的摩擦力與秸稈重力的夾角Ф小于π/2,則式(3)小于零,即隨著夾角Ф的增大Y減小,其中Ф2>Ф1>Ф3,即FcX>FaX>FbX。所以,按照清秸輪剛觸碰秸稈時(shí)秸稈沿水平方向向前移動(dòng)的趨勢(shì),將3種清秸輪由大到小排序?yàn)?前傾清秸輪、徑向清秸輪、后傾清秸輪。隨著清秸輪繼續(xù)撥動(dòng)秸稈,清秸輪對(duì)秸稈的摩擦力與秸稈重力的夾角Ф先減少后增大,但夾角Ф始終小于π/2。所以,隨著清秸輪繼續(xù)撥動(dòng)秸稈,按照秸稈沿水平方向向前移動(dòng)的趨勢(shì),將3種清秸輪排序仍為:前傾清秸輪、徑向清秸輪、后傾清秸輪。

清秸輪將秸稈撥離地面時(shí)刻,秸稈的受力情況如圖4所示。以秸稈中心為坐標(biāo)原點(diǎn),以垂直齒面方向?yàn)閄軸,以平行齒面方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系。秸稈在清秸輪作用下沿X軸拋離,對(duì)輪面方向秸稈的受力情況進(jìn)行分析,此時(shí)秸稈受自身重力G1,清秸輪對(duì)秸稈的摩擦力f1,清秸輪對(duì)秸稈的支持力N1。

圖4 清秸輪拋出秸稈時(shí)秸稈受力分析Fig.4 Force analysis of straw when straw was thrown out by straw cleaning wheel

由于清秸輪將秸稈撥離地面的瞬間,地面對(duì)秸稈無(wú)作用力,因此接觸面方向秸稈受力平衡。此時(shí)秸稈垂直接觸面方向的速度由X軸方向的合力決定,3種清秸輪垂直接觸面方向的合力為

(4)

根據(jù)式(4)設(shè)函數(shù)

Y1=N1-G1sinφ

(5)

對(duì)式(5)求導(dǎo)得

Y′1=-G1cosφ

(6)

式中FaX1——徑向清秸輪垂直接觸面方向的合力,N

FbX1——后傾清秸輪垂直接觸面方向的合力,N

FcX1——前傾清秸輪垂直接觸面方向的合力,N

Ψ——G1與平行接觸面方向的夾角

由圖4可知,秸稈重力與垂直接觸面方向夾角Ψ小于π/2,則式(6)小于零,即隨著夾角Ψ的增大Y1減小。其中Ψ3>Ψ1>Ψ2,即FbX1>FaX1>FcX1,清秸輪將秸稈撥離地面時(shí),按照秸稈沿垂直接觸面方向繼續(xù)移動(dòng)的趨勢(shì),將3種清秸輪由大到小排序?yàn)?后傾清秸輪、徑向清秸輪、前傾清秸輪。

綜上所述,徑向清秸輪連續(xù)向前撥動(dòng)秸稈的性能優(yōu)于后傾清秸輪,將秸稈拋離地面的性能優(yōu)于前傾清秸輪,在剛觸碰秸稈時(shí)刻和將秸稈拋離地面時(shí)都表現(xiàn)出較好的性能。在剛接觸秸稈時(shí),它能夠平穩(wěn)地與秸稈接觸并逐漸撥動(dòng),從而減小對(duì)秸稈和設(shè)備的沖擊;在將秸稈撥離地面時(shí),能夠?qū)⒔斩捰行У貟侂x地面;而在持續(xù)撥動(dòng)階段,徑向清秸輪能夠持續(xù)有效地清理秸稈,保持清理效果的穩(wěn)定性,所以選擇徑向清秸輪。

2.1.2清秸輪齒形優(yōu)化

徑向清秸輪撥送秸稈時(shí)部分輪齒與土壤接觸,為減小清秸輪在土壤中的阻力,對(duì)徑向清秸輪齒的輪齒銳化處理。徑向清秸輪輪齒銳化前后秸稈被拋離地面時(shí)刻的受力情況如圖5所示,以秸稈中心為坐標(biāo)原點(diǎn),以垂直齒面方向?yàn)閄軸,以平行齒面方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系。

圖5 銳化前后秸稈受力分析Fig.5 Force analysis of straw before and after sharpen

從圖5可知,徑向清秸輪銳化前輪齒末端在進(jìn)入土壤時(shí)接觸面積C1大于銳化后輪齒末端在進(jìn)入土壤時(shí)接觸面積C2,銳化后阻力較小,提升了清秸輪入土能力,降低了清秸輪與土壤接觸過(guò)程中的能量損耗。徑向清秸輪銳化前后將秸稈撥離地面時(shí)秸稈的受力情況發(fā)生改變,重力與沿著接觸面方向的夾角減小。其中Ψ4>Ψ5,根據(jù)式(5)、(6)分析知,徑向清秸輪銳化后將秸稈撥離地面時(shí)垂直接觸面的趨勢(shì)增加,能夠有效提升秸稈的拋離效果。

將清秸輪輪齒銳化可以減小入土阻力,增大秸稈重力方向與垂直接觸面方向的夾角Ψ,改變清秸輪撥離秸稈時(shí)秸稈的運(yùn)動(dòng)方向,提升X軸的速度分量,降低Y軸豎直分速度,提升清秸效果。清秸輪的入土深度是影響清秸阻力的因素,如圖6所示徑向清秸輪沿著輪面方向旋轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)輪齒旋轉(zhuǎn)到與地面垂直時(shí)輪齒入土深度最大,入土阻力最大。

圖6 輪齒銳化結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Tooth sharpening structure diagram

在清秸輪入土阻力最大時(shí),同樣的銳化清秸輪在相同的入土深度時(shí),減小輪齒在土壤中水平寬度W1和W2可以減小輪齒在土壤中的工作阻力。輪齒尖端寬度W2過(guò)小,清秸輪工作過(guò)程中可能出現(xiàn)扎秸現(xiàn)象,而且清秸輪工作時(shí)尖端更易磨損,因此本文設(shè)尖端寬度W2為3 mm。由圖6幾何關(guān)系可知θ1為

(7)

式中θ1——清秸輪輪齒銳化角度,(°)

h1——清秸輪入土深度,mm

清秸輪與土壤水平接觸寬度影響輪齒的強(qiáng)度,W1越大輪齒壽命越高,因此本文W1與齒寬W相同為14 mm。

清秸輪入土深度h1為25 mm,代入式(7)得θ1為23.7°。

2.2 清秸輪參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1清秸輪理論幅寬

清秸輪工作時(shí)左右輪對(duì)置分布,圖7為右清秸輪工作示意圖,X軸為機(jī)具前進(jìn)方向,Y軸為垂直于機(jī)具前進(jìn)方向,Z軸為垂直地面方向。沿機(jī)具前進(jìn)方向正視清秸輪得到ZOY面的投影,清秸輪輪面與XOZ面的夾角為側(cè)傾角β,清秸輪入土深度為h1,清秸輪輪齒的運(yùn)動(dòng)軌跡與土壤表面水平線交點(diǎn)為嚙合點(diǎn)m和嚙合點(diǎn)n,在ZOY面清秸輪有效工作幅寬為b。從垂直地面方向俯視清秸輪得到XOY面的投影,清秸輪與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角為前傾角α,嚙合點(diǎn)m和嚙合點(diǎn)n對(duì)應(yīng)清秸輪沿輪面方向的有效寬度為L(zhǎng)mn。

圖7 清秸輪工作示意圖Fig.7 Schematic of work of straw cleaning wheel

清秸輪的入土深度影響嚙合點(diǎn)位置、清秸輪旋轉(zhuǎn)力矩和土壤擾動(dòng)量。入土深度過(guò)淺嚙合點(diǎn)m和點(diǎn)n在ZOY面的有效幅寬窄,不符合作業(yè)要求,且地面摩擦力小使清秸輪旋轉(zhuǎn)力矩過(guò)小旋轉(zhuǎn)不流暢;入土深度過(guò)大,嚙合點(diǎn)m和點(diǎn)n區(qū)間接觸土壤量大,清秸阻力大,增大土壤擾動(dòng)量,綜合考慮取清秸輪入土深度h1為25 mm。清秸輪入土深度沿輪面方向的長(zhǎng)度h2,可以近似為

(8)

結(jié)合圖7可知清秸輪沿輪面方向的有效寬度[15]Lmn為

(9)

式中R——清秸輪半徑,mm

清秸輪理論幅寬b為

(10)

2.2.2清秸輪齒長(zhǎng)和半徑

清秸輪依靠輪齒撥動(dòng)地表秸稈達(dá)到秸稈集行的目的,清秸輪齒長(zhǎng)E應(yīng)大于秸稈厚度與入土深度之和,即

E>E1+h1

(11)

式中E1——秸稈厚度,mm

東北地區(qū)條耕前秸稈層平均厚度E1=40 mm,結(jié)合清秸輪入土深度h1= 25 mm,由式(11)得輪齒長(zhǎng)度E為65 mm。

參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[16],清秸輪半徑R為

R=Kdk

(12)

式中K——徑深比,取1.5～2.5

dk——清秸輪工作深度,mm

通過(guò)限深輪限制清秸輪工作深度,清秸輪最大工作深度等于輪齒長(zhǎng)度E,得清秸輪半徑為98.5～162.5 mm。清秸輪半徑越大清秸幅寬越易滿足條耕作業(yè)農(nóng)藝要求,參考傳統(tǒng)中小型免耕播種機(jī)清茬防堵機(jī)構(gòu)參數(shù),選取清秸輪半徑為162.5 mm。

2.2.3清秸輪齒數(shù)

清秸輪齒數(shù)n決定相鄰齒之間的弧線長(zhǎng)度L1,弧線長(zhǎng)度過(guò)短,兩清秸輪間容易夾帶秸稈,弧線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),清秸輪撥秸不連續(xù)容易造成漏撥。根據(jù)圖8可知相鄰齒之間的弧線長(zhǎng)度L1為

圖8 清秸輪參數(shù)Fig.8 Parameter of straw cleaning wheel

(13)

式中θ2——相鄰齒輪間隔角,(°)

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[16],參考免耕播種機(jī)防堵機(jī)構(gòu)取清秸輪相鄰齒輪間隔角θ2為30°,由式(13) 計(jì)算此時(shí)相鄰輪齒弧線長(zhǎng)度L1為37.1 mm,弧線長(zhǎng)度L1大于玉米秸稈直徑,滿足清秸輪齒間不夾帶秸稈的要求。此時(shí)清秸輪齒數(shù)n為

(14)

將θ2代入計(jì)算得清秸輪齒數(shù)為12。

3 離散元仿真試驗(yàn)

秸稈清理率是評(píng)價(jià)條帶秸稈清理裝置的重要指標(biāo),反映條帶秸稈清理裝置的工作性能[17-19]。根據(jù)前文分析可知,清秸輪前傾角和側(cè)傾角是影響清秸輪的結(jié)構(gòu)參數(shù),影響秸稈集行效果;條帶秸稈清理裝置的前進(jìn)速度與清秸輪對(duì)秸稈的沖量有關(guān),影響秸稈集行效果。為分析條帶秸稈清理裝置的工作性能,以前進(jìn)速度、前傾角、側(cè)傾角為試驗(yàn)因素,以秸稈清理率為試驗(yàn)指標(biāo),開(kāi)展離散元仿真試驗(yàn)。

3.1 離散元仿真模型構(gòu)建

根據(jù)東北地區(qū)條耕時(shí)土壤條件,運(yùn)用EDEM離散元仿真軟件建立虛擬土槽模型。設(shè)置土槽基本尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 000 mm×1 000 mm×100 mm,在土槽上方建立顆粒工廠,生成厚100 mm的土壤顆粒。設(shè)定土壤顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with no slip[20-21]。

條帶秸稈清理裝置的工作對(duì)象主要為玉米秸稈,建立符合實(shí)際的玉米秸稈模型對(duì)保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有重要意義。根據(jù)實(shí)際測(cè)量和文獻(xiàn)[22-23],采用20個(gè)直徑18 mm、球心間距為5 mm的球體組成長(zhǎng)112 mm的長(zhǎng)圓線型模型作為玉米秸稈顆粒模型,秸稈顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with no slip模型[24-25]。玉米秸稈顆粒生成位置和下落姿態(tài)為隨機(jī)受自身重力作用下落,在土槽模型內(nèi)生成厚度為40 mm左右秸稈層。

在SolidWorks 2018中建立清秸模型,為提高仿真效率,對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,僅保留兩清秸輪作為主要工作部件,將文件另存為.stp格式導(dǎo)入EDEM軟件中,如圖9所示,清秸輪采用65Mn鋼,清秸輪與土壤、秸稈顆粒間的接觸模型選定為Hertz-Mindlin with no slip模型。設(shè)置正確的旋轉(zhuǎn)方向、角速度、前傾角和側(cè)傾角,沿旋轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn),并設(shè)置清秸輪正確的行駛方向和前進(jìn)速度,模擬清秸過(guò)程。

圖9 仿真模型與清秸輪模型Fig.9 Simulation model and straw cleaning wheel model

在清秸輪仿真過(guò)程中,清秸輪-土壤顆粒、清秸輪-秸稈顆粒、土壤-土壤顆粒、秸稈-秸稈顆粒和土壤-秸稈之間均發(fā)生接觸,并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)查閱文獻(xiàn),在EDEM軟件中設(shè)置各離散元仿真模型接觸參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)和接觸參數(shù)Tab.1 Material parameters and contact parameters

在仿真過(guò)程中通過(guò)記錄清秸作業(yè)時(shí)條帶區(qū)域內(nèi)秸稈質(zhì)量的變化,反映條帶秸稈清理裝置的工作效果。在EDEM軟件Setup Selections模塊添加Grid Bin Group傳感器,設(shè)置檢測(cè)顆粒類(lèi)型為秸稈。設(shè)置秸稈傳感器長(zhǎng)×寬×高為2 100 mm×200 mm×150 mm, 傳感器大小與理論清秸幅寬對(duì)應(yīng),秸稈傳感器的中心與土槽中心重合。

如圖10所示,仿真過(guò)程中傳感器記錄區(qū)域內(nèi)秸稈質(zhì)量變化情況。圖中綠色方框?yàn)樵O(shè)置的檢測(cè)區(qū)域,灰色顆粒為土壤顆粒,黃色和橙色顆粒為秸稈顆粒,在統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的秸稈顆粒顯示為橙色。

圖10 秸稈清理率檢測(cè)Fig.10 Detection of straw cleaning rate

每組仿真結(jié)束后,在后處理中導(dǎo)出數(shù)據(jù),秸稈清理率計(jì)算式為

(15)

式中ζ1——秸稈清理率,%

m1——仿真后秸稈質(zhì)量,kg

m0——仿真前秸稈質(zhì)量,kg

3.2 單因素試驗(yàn)

以前進(jìn)速度、前傾角、側(cè)傾角為試驗(yàn)因素,以秸稈清理率為試驗(yàn)指標(biāo),設(shè)計(jì)單因素仿真試驗(yàn),分析上述因素對(duì)仿真清秸過(guò)程中秸稈運(yùn)動(dòng)特性和秸稈清理率的影響。

3.2.1前進(jìn)速度

以清秸輪前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素,進(jìn)行單因素試驗(yàn),分析前進(jìn)速度對(duì)秸稈清理率的影響。設(shè)置清秸輪前傾角32.5°、側(cè)傾角0°、入土深度25 mm,前進(jìn)速度在4～9 km/h之間變化,增量為1 km/h。不同前進(jìn)速度時(shí),離散元仿真0.9 s時(shí)秸稈和土壤的運(yùn)動(dòng)云圖如圖11所示。

圖11 不同速度下仿真云圖Fig.11 Simulation cloud images at different speeds

由圖11可知,清秸輪前進(jìn)速度對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)速度有影響,清秸輪前進(jìn)速度越大,秸稈運(yùn)動(dòng)越劇烈。以運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到2.0 m/s的秸稈(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高速秸稈)為例,清秸輪前進(jìn)速度為7～9 km/h時(shí),高速秸稈的數(shù)量明顯高于清秸輪前進(jìn)速度為4～6 km/h。因此,提高前進(jìn)速度能夠促進(jìn)秸稈運(yùn)動(dòng)。

秸稈清理率結(jié)果如圖12所示。當(dāng)前進(jìn)速度在4～7 km/h范圍內(nèi)變化時(shí),隨著前進(jìn)速度的增加,秸稈清理率迅速提高。當(dāng)清秸輪前進(jìn)速度較小時(shí),秸稈的運(yùn)動(dòng)速度較小,導(dǎo)致一些秸稈雖然有運(yùn)動(dòng),但仍在清秸帶內(nèi)。當(dāng)前進(jìn)速度在7～9 km/h范圍內(nèi)變化時(shí),清秸輪前進(jìn)速度增加,秸稈運(yùn)動(dòng)速度增加。雖然秸稈運(yùn)動(dòng)速度增加,但短時(shí)間內(nèi)需要處理的秸稈量也隨之增加,導(dǎo)致秸稈清理率在該范圍內(nèi)沒(méi)有明顯變化。為保證條帶秸稈清理裝置的清秸質(zhì)量,秸稈清理率應(yīng)該大于80%,綜合以上分析,在正交試驗(yàn)中設(shè)定清秸輪前進(jìn)速度范圍為6～8 km/h。

圖12 不同前進(jìn)速度時(shí)秸稈清理率變化曲線Fig.12 Change curve of straw cleaning rate at different forward speeds

3.2.2前傾角

以清秸輪前傾角為試驗(yàn)因素,進(jìn)行單因素試驗(yàn),分析清秸輪的前傾角對(duì)秸稈清理率的影響。設(shè)置清秸輪前進(jìn)速度7 km/h、側(cè)傾角0°、入土深度25 mm, 參考免耕播種機(jī)清秸輪前傾角工作參數(shù),設(shè)置清秸輪前傾角在30°～35°范圍內(nèi)變化,增量為2.5°。離散元仿真至0.9 s時(shí),前傾角為30°、32.5°、35°時(shí)的秸稈運(yùn)動(dòng)云圖如圖13所示。

圖13 不同前傾角下仿真云圖Fig.13 Simulation cloud images under different forward tilt angles

由圖13可知,秸稈顆粒在清秸輪作用下向側(cè)前方運(yùn)動(dòng),形成清秸帶,當(dāng)清秸輪前傾角在30°～35°范圍內(nèi)時(shí),高速秸稈數(shù)量無(wú)明顯變化,前傾角對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)速度影響較小。當(dāng)清秸輪前傾角在30°～35°范圍內(nèi)時(shí),清秸幅寬隨清秸輪前傾角增大而增大。分析秸稈運(yùn)動(dòng)云圖可知,提升清秸輪前傾角對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)速度影響不明顯。

秸稈清理率結(jié)果如圖14所示,清秸輪前傾角在30°～35°范圍內(nèi)變化時(shí),隨清秸輪前傾角增大,秸稈清理率增大,但增量較小。條帶內(nèi)秸稈清理率均大于84%,清秸效果較好,滿足清秸要求。

圖14 不同前傾角時(shí)秸稈清理率變化曲線Fig.14 Change curve of straw cleaning rate at different forward tilt angles

3.2.3側(cè)傾角

以清秸輪側(cè)傾角為試驗(yàn)因素,進(jìn)行單因素試驗(yàn),分析清秸輪側(cè)傾角對(duì)秸稈清理率的影響。設(shè)置清秸輪前進(jìn)速度7 km/h、前傾角32.5°、入土深度25 mm, 設(shè)置清秸輪側(cè)傾角在-15°～15°范圍內(nèi)變化,增量為7.5°。離散元仿真至0.9 s時(shí),側(cè)傾角為-15°、-7.5°、0°、7.5°、15°時(shí)秸稈運(yùn)動(dòng)云圖如圖15所示。

圖15 不同側(cè)傾角下仿真云圖Fig.15 Simulation cloud images at different roll angles

由圖15可知,秸稈顆粒在清秸輪作用下向清秸輪側(cè)前方運(yùn)動(dòng),形成清秸帶,當(dāng)清秸輪側(cè)傾角在-15°～15°范圍內(nèi)變化時(shí),高速秸稈數(shù)量無(wú)明顯變化,側(cè)傾角對(duì)秸稈運(yùn)動(dòng)速度影響較小。由圖15可知,不同側(cè)傾角的清秸帶內(nèi)秸稈殘留數(shù)量差異較大,其中側(cè)傾角-15°時(shí),殘留的秸稈最多。

秸稈清理率如圖16所示。由圖16可知,隨清秸輪側(cè)傾角增加,秸稈清理率提升,在-15°～0°時(shí)秸稈清理率提升較快,在0°～15°秸稈清理率提升緩慢。清秸輪側(cè)傾角對(duì)秸稈清理率的影響較顯著,因此在正交試驗(yàn)中設(shè)定清秸輪側(cè)傾角范圍為-15°～15°。

圖16 不同側(cè)傾角時(shí)秸稈清理率的變化曲線Fig.16 Change curve of straw cleaning rate at different roll angles

3.3 正交試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)單因素離散元仿真試驗(yàn),分析清秸輪前進(jìn)速度、前傾角和側(cè)傾角對(duì)秸稈清理率的影響,為進(jìn)一步分析這3個(gè)參數(shù)對(duì)秸稈清理率影響的交互作用,獲取秸稈清理率的最佳參數(shù)組合,選取Box-Behnken試驗(yàn)方案,以清秸輪的前傾角、側(cè)傾角和前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素,秸稈清理率為試驗(yàn)指標(biāo),開(kāi)展離散元仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)因素編碼如表2所示,試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,其中x1、x2、x3為編碼值。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 Box-Behnken試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Box-Behnken test scheme and results

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果方差分析

利用分析軟件Design-Expert 10.0.7對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。通過(guò)方差分析可知,前進(jìn)速度、前傾角、側(cè)傾角對(duì)秸稈清理率影響極顯著,交互項(xiàng)中側(cè)傾角的平方項(xiàng)對(duì)秸稈清理率影響極顯著;前進(jìn)速度與前傾角的交互項(xiàng)、前傾角與側(cè)傾角的交互項(xiàng)對(duì)秸稈清理率影響顯著。主因素對(duì)秸稈清理率顯著性影響由大到小為側(cè)傾角、前傾角、前進(jìn)速度,模型失擬差P>0.05,失擬項(xiàng)不顯著,證明擬合效果較好。對(duì)不顯著項(xiàng)剔除后再次分析,得到方差分析表,結(jié)果如表5所示。其回歸方程為

表4 秸稈清理率方差分析Tab.4 Variance analysis of straw cleaning rate

表5 剔除不顯著因素秸稈清理率方差分析Tab.5 Analysis of straw cleaning rate variance of removal of insignificant factors

(16)

3.3.3響應(yīng)曲面分析

為了分析試驗(yàn)因素與秸稈清理率的關(guān)系,運(yùn)用分析軟件Design-Expert 10.0.7得到前進(jìn)速度和前傾角交互項(xiàng)及前傾角和側(cè)傾角交互項(xiàng)的顯著性響應(yīng)曲面。

圖17為側(cè)傾角0°時(shí),前傾角和前進(jìn)速度交互項(xiàng)的顯著性響應(yīng)曲面。從圖17可知,秸稈清理率與前進(jìn)速度、前傾角呈正相關(guān),并隨著前傾角增大秸稈清理率隨速度提升的增量逐漸變少。在清秸輪前傾角不變時(shí),前進(jìn)速度增加清秸輪的角速度增加,加劇秸稈與輪齒的碰撞,使秸稈更容易被集行處理,秸稈清理率增大;在前進(jìn)速度不變時(shí),由式(4)可知,清秸輪的角速度與前傾角為正弦函數(shù)關(guān)系,在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)呈正相關(guān),前傾角增大等同于提升了清秸輪的角速度,秸稈清理率提升。結(jié)合表4顯著性結(jié)果分析,清秸輪前傾角的影響效果大于前進(jìn)速度。

圖17 前進(jìn)速度和前傾角交互項(xiàng)響應(yīng)曲面Fig.17 Response surface of interaction term between forward speed and forward tilt angle

圖18為前進(jìn)速度7 km/h時(shí),清秸輪前傾角和側(cè)傾角交互項(xiàng)的顯著性響應(yīng)曲面。從圖18可以看出,秸稈清理率與清秸輪前傾角、側(cè)傾角呈正相關(guān),并隨著清秸輪前傾角、側(cè)傾角數(shù)值增大秸稈清理率提升量將逐漸變小。當(dāng)側(cè)傾角一定時(shí),前傾角增大秸稈清理率提升顯著,并隨著清秸輪側(cè)傾角的增大提升效果逐漸不明顯;當(dāng)清秸輪前傾角一定時(shí),側(cè)傾角變大清秸效果提升明顯,相關(guān)性最為顯著。當(dāng)側(cè)傾角變大時(shí),秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡向兩側(cè)的趨勢(shì)明顯,集行效果顯著,秸稈清理率提升。

圖18 前傾角和側(cè)傾角交互項(xiàng)響應(yīng)曲面Fig.18 Response surface for interaction term betweentilt angle and roll angle

3.3.4參數(shù)優(yōu)化

利用Design-Expert 10.0.7軟件中的優(yōu)化模塊,對(duì)上述回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解,得到清秸輪的最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)實(shí)際作業(yè)及相關(guān)理論得到優(yōu)化約束條件、目標(biāo)及約束函數(shù)為

(17)

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化求解得,當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為7.8 km/h、前傾角31.7°、側(cè)傾角13.4°時(shí),秸稈清理率為91.62%。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證離散元仿真結(jié)果,在遼寧省本溪市本溪滿族自治縣小市鎮(zhèn)開(kāi)展了機(jī)具田間工作性能試驗(yàn)。遼寧省本溪滿族自治縣地處遼寧省東部,屬于東北黑土區(qū),土壤肥沃,位于東經(jīng)123°34′～124°45′,北緯38°43′～43°26′之間,氣候?qū)儆诒睖貛駶?rùn)氣候,年降雨量800～1 000 mm。試驗(yàn)地區(qū)位于遼寧省本溪滿族自治縣小市鎮(zhèn)附近農(nóng)戶自種田,屬于一年一熟壟作地,前茬作物為玉米,收獲時(shí)秸稈粉碎還田,根茬無(wú)處理,試驗(yàn)地情況如圖19a所示。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)田地表情況和土壤理化特性進(jìn)行測(cè)試,包括玉米行距、株距,根茬留茬高度、根茬直徑、秸稈平均覆蓋量、土壤緊實(shí)度、溫度、土壤含水率,結(jié)果如表6所示。

表6 試驗(yàn)田地況數(shù)據(jù)采集Tab.6 Test field data collection results

開(kāi)展條帶秸稈清理裝置田間試驗(yàn)時(shí),將條帶耕整機(jī)的土壤耕整裝置、鎮(zhèn)壓裝置卸掉,如圖19b所示。設(shè)置協(xié)撥清秸輪前傾角31.7°、側(cè)傾角13.4°,對(duì)比單點(diǎn)仿形和平行四連桿仿形,機(jī)具前進(jìn)速度為6、7、8 km/h的作業(yè)效果,并測(cè)量秸稈清理率和清秸幅寬,如圖19c、19d所示,清秸作業(yè)后效果如圖19e所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1秸稈清理率

圖20為不同仿形方案下平均秸稈清理率隨前進(jìn)速度的變化趨勢(shì),機(jī)具前進(jìn)速度6～8 km/h時(shí),兩種仿形方案平均秸稈清理率為87%～90%,秸稈清理率隨前進(jìn)速度逐漸增加。

圖20 不同仿形方案下平均秸稈清理率變化曲線Fig.20 Change curves in average straw cleaning rate under different profiling schemes

4.2.2清秸幅寬

圖21為不同仿形方案下平均清秸幅寬隨前進(jìn)速度的變化趨勢(shì),在前進(jìn)速度6～8 km/h時(shí),兩種方案平均清秸幅寬為18～20.5 cm,清秸幅寬隨前進(jìn)速度先增加再減少,在前進(jìn)速度7 km/h和8 km/h時(shí)清秸幅寬差異不大。

圖21 不同仿形方案下平均清秸幅寬變化曲線Fig.21 Change curves in average width of straw cleaning under different profiling schemes

5 結(jié)論

(1)對(duì)比了不同齒形清秸輪作業(yè)時(shí)秸稈的受力情況,設(shè)計(jì)了一種徑向銳化協(xié)撥清秸輪,清秸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)為半徑162.5 mm、齒數(shù)12、齒長(zhǎng)65 mm,保證協(xié)撥清秸輪有效工作區(qū)域重疊,對(duì)置安裝時(shí)兩輪前后距離為210 mm。

(2)以秸稈清理率為試驗(yàn)指標(biāo),以清秸輪的前進(jìn)速度、前傾角和側(cè)傾角為試驗(yàn)因素,開(kāi)展離散元仿真試驗(yàn),確定協(xié)撥清秸輪工作參數(shù)機(jī)具前進(jìn)速度7.8 km/h、清秸輪前傾角31.7°、側(cè)傾角13.4°時(shí),秸稈清理率為91.62%。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明,前進(jìn)速度為6～8 km/h時(shí),協(xié)撥組合式條帶秸稈清理裝置秸稈清理率為87%～90%,清秸幅寬為18～20.5 cm。