于建軍，李保謙，王萬章，袁玲合，王建波，朱晨輝

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

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旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)土壤作業(yè)部件的設(shè)計(jì)

于建軍，李保謙，王萬章，袁玲合，王建波，朱晨輝

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

為解決黃淮海一年兩熟地區(qū)玉米免耕播種中秸稈擁堵的問題，提出了一種旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)方案。其土壤作業(yè)部件主要由刀盤、刀軸及安裝在刀盤上的一組旋刀組成，作業(yè)中旋刀對(duì)土壤及地表秸稈進(jìn)行開溝、切碎。該機(jī)驅(qū)動(dòng)地輪前置，作業(yè)中可一次性完成秸稈切碎、開溝、種肥異位同播、覆土及鎮(zhèn)壓等多道工序。采用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，描述了旋刀的運(yùn)動(dòng)軌跡及單個(gè)周期內(nèi)旋刀沿機(jī)具前進(jìn)方向的位移量。對(duì)土壤作業(yè)部件進(jìn)行力學(xué)和功耗分析，闡明了土壤作業(yè)部件的切土及碎草特性。田間試驗(yàn)表明：機(jī)具通過性良好，切土滅茬效果明顯，溝寬160mm，溝深80～120mm，種、肥深度變異系數(shù)分別為10.5%和5.9%，地輪打滑率為6.2%，動(dòng)土量約26%，很好地滿足了玉米免耕播種農(nóng)藝要求。

玉米；免耕播種機(jī)；旋刀；運(yùn)動(dòng)仿真

0 引言

玉米免耕機(jī)械化播種技術(shù)是在小麥茬地里直接播種，一次性完成滅茬、開溝、播種、施肥及鎮(zhèn)壓等多道工序[1]，具有搶時(shí)搶墑、節(jié)省勞動(dòng)力等特點(diǎn)，解決了黃淮海一年兩熟地區(qū)玉米的免耕播種問題，具有增產(chǎn)增收、保護(hù)環(huán)境的實(shí)效。目前，免耕播種機(jī)上安裝的多為被動(dòng)防堵作用的鏟式開溝器和全旋耕式免耕裝置。前者碎土性差，長(zhǎng)期作業(yè)時(shí)開溝器的磨損嚴(yán)重，對(duì)秸稈、根茬不能有效地切斷；后者作業(yè)時(shí)動(dòng)力消耗大，土壤撓動(dòng)性大，影響播種質(zhì)量[2-4]。本文提出的旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)與66.2kW以上的拖拉機(jī)配套，采用三點(diǎn)懸掛式掛接，由帶旋刀的刀軸刀盤滅茬開溝裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)行開溝，開溝寬度160mm，深度80～120mm；根據(jù)刀盤的對(duì)行布置，旋刀在開溝、切草的同時(shí)將部分秸稈、莖茬等分離到背壟上，為苗帶創(chuàng)建一個(gè)利于種子著床的播種環(huán)境。該機(jī)一次性可完成秸稈粉碎、對(duì)行開溝、種肥異位同播及覆土鎮(zhèn)壓等多道作業(yè)工序，減少了田間作業(yè)次數(shù)，降低了作業(yè)成本和功耗，可明顯提高玉米播種質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)主要適用于黃淮海一年兩熟地區(qū)玉米的免耕播種，主要由機(jī)架、變速箱、前置地輪、刀軸刀盤裝置、圓盤式開溝器、肥腿、種管、傳動(dòng)裝置、玉米播種單體及種肥箱等組成，如圖1所示。

1.刀軸刀盤總成 2.機(jī)架部分 3.傳動(dòng)部分 4.施肥部分 5.玉米播種單體

該機(jī)采用驅(qū)動(dòng)地輪前置，經(jīng)鏈傳動(dòng)從前往后為播種、施肥提供動(dòng)力。前置驅(qū)動(dòng)地輪行走在未旋耕的地上，在壓力彈簧作用下增大地輪對(duì)地面的附著力，減小了地輪的打滑率。機(jī)架前方安裝有切土、碎草作用的旋刀式刀軸刀盤裝置，動(dòng)力來源于拖拉機(jī)后方的動(dòng)力輸出軸，經(jīng)萬向節(jié)傳遞，變速箱減速后傳到刀軸，旋刀組對(duì)行分布實(shí)現(xiàn)滅茬開溝，玉米播種單體上的圓盤開溝器在清理過的種床苗帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)二次開溝進(jìn)行播種。玉米播種單體上帶有平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，保證了播深一致；指夾式排種器實(shí)現(xiàn)精密播種。

2 土壤作業(yè)部件的設(shè)計(jì)

刀盤總成由刀盤、刀片、聯(lián)接螺栓等組成[5]，如圖2所示。刀盤上分布有螺栓孔，用于固定刀片。刀盤兩側(cè)固定有6個(gè)刀片，相鄰刀片成60°分布。刀片材料選用8mm厚的65Mn，與刀盤面成10.8°夾角安裝，入土側(cè)有刃口,利于開溝。聯(lián)接螺栓為8.8級(jí)M12的35鋼。

作業(yè)時(shí)，刀軸帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤呈對(duì)分布，間距為100mm，實(shí)現(xiàn)對(duì)行滅茬開溝。旋刀片與刀盤間成10.8°夾角，刀盤兩側(cè)的旋刀片在切土、切斷秸稈、根茬的同時(shí)將部分土壤和切斷的秸稈、根茬分離推送到背壟上，為苗帶處種子的入土著床提供有利的環(huán)境，溝寬為160mm，深度為80～120mm?；谵r(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，按照農(nóng)藝上玉米等行距600mm的種植模式，刀盤在刀軸上的布置如圖3所示。

圖2 刀盤與旋刀結(jié)構(gòu)

圖3 玉米播種時(shí)刀盤在刀軸上的布置

2.1 旋刀的運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)具作業(yè)時(shí)，刀盤上旋刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是沿著機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和隨刀軸刀盤一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是余擺線[6]，如圖4所示。以刀盤刀軸的旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，使X軸正向與播種機(jī)前進(jìn)方向一致，Y軸正向垂直向下。設(shè)播種機(jī)的水平前進(jìn)速度為vm，刀盤刀軸的旋轉(zhuǎn)角速度為ω，以旋刀某一入土端點(diǎn)為研究對(duì)象，則端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中vm—播種機(jī)水平前進(jìn)速度(m/s)；

R—旋刀的回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—旋刀回轉(zhuǎn)角速度(rad/s)。

對(duì)式(1)關(guān)于時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，則速度為

(2)

旋刀端點(diǎn)絕對(duì)速度的大小為

圖4 旋刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)

其中，Rω為旋刀端點(diǎn)A的圓周速度。令λ=Rω/vm，即旋刀端點(diǎn)圓周速度與機(jī)組前進(jìn)速度比值，λ值對(duì)旋刀的工作軌跡有一定的影響。當(dāng)λ﹤1時(shí)，不論旋刀運(yùn)動(dòng)到什么位置，都有vm﹥0，旋刀端點(diǎn)的水平分速度始終與機(jī)器前進(jìn)的方向相同，旋刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為短擺線，不能向后切土，出現(xiàn)刀片端點(diǎn)向前推土現(xiàn)象，不能進(jìn)行切土碎草；當(dāng)λ>1時(shí)，運(yùn)動(dòng)過程中有vm﹤0，旋刀端點(diǎn)的水平分速度與機(jī)器前進(jìn)方向相反，旋刀能夠向后切削土壤和切斷秸稈，旋刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，對(duì)土壤有二次疏松作用。經(jīng)計(jì)算，λ=6.65。

2.2 旋刀的仿真分析

通過SolidWorks軟件建立刀軸刀盤三維模型，并保存為parasolid類型的.X_T文件，導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置仿真環(huán)境，系統(tǒng)單位設(shè)置為MMKs[7-8]。調(diào)整模型的前進(jìn)方向與仿真環(huán)境下的X-Y坐標(biāo)系呈平行關(guān)系，模型前進(jìn)方向與X軸正方向一致；添加各部件間的相關(guān)約束和驅(qū)動(dòng)關(guān)系，如圖5所示。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，在旋刀端點(diǎn)上標(biāo)記一個(gè)Marker49點(diǎn)，設(shè)置Simulation環(huán)境中的仿真參數(shù)，移動(dòng)驅(qū)動(dòng)為1 278mm/s，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)為1 920d/s，取仿真終止時(shí)間為2.75個(gè)運(yùn)動(dòng)周期約0.52s，步長(zhǎng)為100。觀察仿真運(yùn)動(dòng)，在Post/Processor后處理環(huán)境中生成關(guān)于Marker49點(diǎn)沿X、Y軸的位移、速度仿真曲線。

圖5 添加好約束和驅(qū)動(dòng)的刀盤刀軸模型和旋刀的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6為旋刀沿X、Y軸兩方向的位移-時(shí)間曲線。在水平前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和刀軸刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下，旋刀沿X軸方向的位移為一條平滑的呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)的曲線，單個(gè)周期內(nèi)位移為240mm；旋刀沿Y軸方向的位移為一條呈正(余)弦周期變化的曲線，位移變化量為527mm。圖7為旋刀沿X、Y軸方向的速度-時(shí)間曲線，均呈周期性正(余)弦曲線變化趨勢(shì)，X軸方向速度變化7 518～10 073mm/s，Y軸方向上的速度趨于穩(wěn)定，接近8 795mm/s，圖中負(fù)值表示方向。

圖6 X 、Y方向位移—時(shí)間曲線圖

2.3 旋刀的切土、碎草分析

旋刀在入土作業(yè)過程中，克服阻力進(jìn)行切土和秸稈的切斷。設(shè)刀尖點(diǎn)處有一草莖m，在被旋刀切斷過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡為aa，過刀尖點(diǎn)分別作運(yùn)動(dòng)軌跡aa的切線AA和刃口切線kk。假設(shè)旋刀作用于草莖的力為N，則可將N分解成沿m點(diǎn)軌跡切線方向的砍切力P和沿刃口曲線kk的滑切力T[9]，如圖8所示。由圖8可知：T=Ntanτ，F(xiàn)=Ntanφ，P=N/cosτ。其中，F(xiàn)為土壤摩擦阻力；τ為滑切角；φ為草莖與旋刀刃間的摩擦角，一般為26°～45°?？城辛具有一定的切土和碎草作用，要保證在滑切作用下草莖被切斷，還應(yīng)有T﹥F，即τ﹥?chǔ)铡＿\(yùn)動(dòng)過程中，τ值越大，滑切作用越明顯。由于旋刀在刀盤兩側(cè)呈60°角分布，且與刀盤面呈10.8°夾角，在砍切力和滑切力作用下，圓盤兩側(cè)的旋刀在切土、切斷秸稈、根茬的同時(shí)將部分土壤和切斷的秸稈及根茬分離推送到背壟上，清理了苗帶，為播種作業(yè)時(shí)種子的入土著床提供有利的環(huán)境。

圖8 滑切作用分析

2.4 刀輥受力及切削功耗分析

旋刀對(duì)土壤進(jìn)行切削、拋出時(shí)，刀輥所受的阻力由各旋刀的阻力合成，如圖9所示。其大小、方向和作用點(diǎn)與土壤的物理性狀、耕深、轉(zhuǎn)速、刀的轉(zhuǎn)角和前進(jìn)速度等各因素有關(guān)[10-11]。為便于分析，根據(jù)試驗(yàn)資料，半徑為R的彎刀切土?xí)r，其阻力合力的作用半徑R’=0.9R。以刀輥旋轉(zhuǎn)中心為圓心O，未耕地表水平線與圓周相交于A點(diǎn)，相對(duì)于OA夾角20°作OC。由于旋刀為直刀，在OC上的δR處確定P點(diǎn)為合力作用點(diǎn)，當(dāng)δ=0.9時(shí)，R，=0.9R，δ為取值系數(shù)。假設(shè)Q在刀輥上為均布載荷，則Q=m/R’，m=9550P/n。其中，m為刀輥扭矩；P為刀輥功率；n為轉(zhuǎn)速。計(jì)算得Q=7429.6N。

圖9 刀輥受力

由幾何關(guān)系可得

式中R—旋刀端點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

H—耕深(mm)；

Q—均布載荷(N)。

由R=254mm、H=120mm，得β=58°，α=38°，Px=5854.4N，Py=4568N。

在切土開溝作業(yè)的每個(gè)瞬時(shí)，每個(gè)刀盤上都有一個(gè)旋刀完全入土，理論上可視為集中在單個(gè)旋刀片的受力是Q/8，即928.7N?；趩蝹€(gè)旋刀片與刀盤之間的聯(lián)接螺栓，保證載荷為53 400N。經(jīng)受力強(qiáng)度校核，滿足作業(yè)要求。

刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，影響功耗的因素很多，其中，總功率的消耗以切土和拋土功率消耗為主。參照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)經(jīng)驗(yàn)公式[11]得

N=0.1KλHVmB

其中，N為刀輥對(duì)土壤切削和拋送的功耗；H為旋刀切土深度(cm)；Vm為機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)；B為幅寬(m)，基于刀盤在刀軸上的分布，該機(jī)實(shí)際作業(yè)幅寬為0.64m。Kλ與土壤堅(jiān)實(shí)度、耕深修正系數(shù)、土壤含水率修正系數(shù)、殘茬植被修正系數(shù)、作業(yè)方式修正系數(shù)等值有關(guān)，查文獻(xiàn)取值，Kλ=9.79，則N=9.6kW。

3 田間播種試驗(yàn)

播種試驗(yàn)在河南長(zhǎng)葛市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，使用旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)進(jìn)行玉米免耕播種試驗(yàn)，如圖10、圖11所示。主要依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機(jī)》、GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》、NY/T 1143-2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》等。田間試驗(yàn)的檢測(cè)內(nèi)容主要包括機(jī)具通過性、種肥覆土狀況、種肥間距及地輪打滑率等。試驗(yàn)地為一年兩熟旱地，土質(zhì)為壤土，前茬作物為小麥；行距為寬窄行(12+20)cm，殘茬高度為18～25cm，覆蓋量為1.3kg/m2；土壤堅(jiān)實(shí)度26kg/cm2，土壤含水率為14.8%(0～5cm)、21.2%(5～10cm)；選用的拖拉機(jī)為東方紅LX1204；播種速度為4.6km/h。

圖10 玉米播種田間試驗(yàn)

圖11 田間開溝情況

試驗(yàn)結(jié)果表明：旋刀式刀軸刀盤滅茬開溝裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)行開溝，切土和切碎秸稈、根茬后，將部分土壤和秸稈分離推送到背壟上，清理了播種苗帶，溝寬160mm，溝深80～120mm，動(dòng)土量約26%。通過性試驗(yàn)測(cè)試中，機(jī)具沒有發(fā)生擁堵現(xiàn)象，開溝滅茬能力強(qiáng)，通過性良好。人工對(duì)旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示：播種平均深度為43 mm，變異系數(shù)為10.5%，施肥平均深度為88 mm，變異系數(shù)為5.9%，驅(qū)動(dòng)地輪打滑率為6.2%，沒有出現(xiàn)晾籽現(xiàn)象，播種質(zhì)量良好。

4 結(jié)論

1)旋刀式玉米免耕施肥播種機(jī)，安裝帶有旋刀的刀軸刀盤滅茬開溝裝置。在開溝過程中，旋刀將部分土壤和切斷的秸稈、根茬分離推送到背壟上，清理了播種苗帶，為播種作業(yè)提供良好的種床環(huán)境，溝寬160mm，溝深80～120mm。

2)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真分析表明：旋刀運(yùn)動(dòng)軌跡為一條余擺線，λ值為6.65，符合作業(yè)要求。旋刀在向后切削土壤和切斷秸稈、根茬的同時(shí)，對(duì)苗帶土壤有二次疏松作用。單個(gè)周期內(nèi)，旋刀沿X軸方向(機(jī)具前進(jìn)方向)的位移為一條平滑的呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)的曲線，位移量為240mm，沿Y軸方向的位移為一條呈正(余)弦周期變化的曲線，最大位移為527mm，驗(yàn)證了建模的合理性及理論運(yùn)動(dòng)分析與實(shí)際作業(yè)相符合的特性。

3)通過對(duì)刀輥進(jìn)行理論受力校核和土壤切削功耗分析，作用于單個(gè)旋刀的力為928.7N，遠(yuǎn)小于固定螺栓的保證載荷，滿足作業(yè)要求。刀輥的切土(草)、拋土(草)功率消耗為9.6kW，功耗較小，對(duì)土壤的撓動(dòng)性小。

4)田間試驗(yàn)表明：機(jī)具的通過性良好，播種平均深度43 mm，施肥平均深度88mm，種、肥深度變異系數(shù)分別為10.5%和5.9%，地輪滑移率6.2%，株距合格率96%，動(dòng)土量約26%，顯著提高了玉米播種質(zhì)量。

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Design of the Soil Working Part of Corn No-till Fertilizing Seeder with Rotary Blade

Yu Jianjun, Li Baoqian, Wang Wanzhang, Yuan Linghe , Wang Jianbo, Zhu Chenhui

(Mechanical and Electrical Engineering College, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops , Zhengzhou 450002, China)

With large amount of straw mulching and blockage, a corn no-till fertilizing seeder with rotary blade has been developed for the double cropping area in huang-huai-hai. The soil working part mainly has the cutter head, the cutter shaft and a set of rotary blades arranged on the cutter head. With driving wheel front and rotary furrowing device, this machine could accomplish many procedures, such as stubble chopping, furrow opening, seeds and fertilizer placement ectopic simulcasting, suppressed etc. The kinematic and dynamic cutting action analysis describes the motion trajectory and cutting soil, grass and furrowing features of rotary blade. Simulation analysis in ADAMS about the rotary blade shows that, moving track is a trochoid and the displacement variation along the X axis within a time period , Field performance test result showed that machine passing is developed, cutting stubble and furrow opening work well, with 160 mm wide and 80～120mm depth . The variations for seed and fertilizer depth are 10.5% and 5.9% respectively, wheel slip ratio is 6.2%, soil disturbance is about 26%, meeting the requirements of corn no-till seeding agronomy.

corn; no-till planter; rotary knife; motion simulation

2016-01-18

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A210038)

于建軍(1987-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)yujj228@163.com。

王萬章(1963-)，男，河南孟津人，教授，博士生導(dǎo)師。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0162-05