田 陽，林 靜，李寶筏，張桐嘉，齊 林，王佳琦

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氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機設計與試驗

田 陽，林 靜※，李寶筏，張桐嘉，齊 林，王佳琦

（沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，沈陽 110866）

針對東北黑土區(qū)合理耕層構建秸稈深埋還田的技術要求，實現(xiàn)虛實并存合理耕層結構，研制了氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機，能夠一次完成破茬、秸稈撿拾粉碎、開溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能。機具主要由傳動系統(tǒng)、破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開溝裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成。其關鍵部件是氣力輸送裝置，應用離散元氣固耦合數(shù)值模擬法對秸稈在氣力氣力輸送裝置中不同轉速下的運動過程進行了數(shù)值模擬研究，得到了秸稈和氣流輸送氣固耦合的運動規(guī)律。正交試驗結果表明，機具運行最優(yōu)參數(shù)組合為開溝裝置轉速215 r/min，風機轉速1 850 r/min，機具作業(yè)速度3.0 km/h。田間試驗表明，在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，秸稈深埋率為94%，秸稈粉碎合格率為94.2%，碎土率為95.4%，滿足了東北黑土區(qū)秸稈深埋還田技術指標要求，為秸稈深埋還田機的改制和評價提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；計算機仿真；設計；深埋還田；合理耕層；試驗

0 引 言

目前東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，長期以小型動力機具作業(yè)為主，深翻、深松等作業(yè)面積越來越少，導致耕層變淺、犁底層增厚、耕層有效土壤數(shù)量減少、土壤結構變差、貯水能力、抗逆性減弱，使土壤耕層存在“淺、實、少”的問題，嚴重限制了玉米產(chǎn)量的提高[1-4]。條帶式秸稈深埋還田將秸稈深埋還田與虛實并存耕層結構相結合，通過將地表的秸稈深埋于行間和苗帶局部鎮(zhèn)壓的方式來實現(xiàn)，使其具有改善耕層土壤結構，提高土壤有機質、氮、磷、鉀等含量；打破犁底層，減少地表徑流，提高自然降水的利用率，增強土壤水分保墑能力；改善植物性狀、提高出苗率，提高玉米的抗倒伏性和逆境的適應性[5-8]。

條帶式秸稈深埋還田是解決東北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田耕層“淺、實、少”問題的主要途徑[9-16]，其工藝實現(xiàn)過程是：破茬、行間開溝、秸稈收集輸送溝內、覆土鎮(zhèn)壓，實現(xiàn)將秸稈深埋于土壤25 cm以上。目前國內對于條帶秸稈深埋還田機的研究還處于起步階段機具，機具推廣使用還不成熟、功能還有待完善，主要存在掩埋深度不夠、掩埋合格率有待提高、結構復雜、功耗高、機具作業(yè)效率低等問題。國外關于秸稈深埋還田機的研究還未見報道。因此東北黑土區(qū)迫切需要能實現(xiàn)條帶秸稈深埋還田作業(yè)的配套機具。

王川等[17]研制了一種秸稈深埋保護性耕作復合機具能將地表90%的秸稈深埋到地表10 cm以下。魏鳳蘭[18]研制的氣吸式秸稈復合還田機將覆蓋在地表的粉碎秸稈吸入風機內，經(jīng)導料筒引至壟溝。鄭智旗等[19]研制的秸稈撿拾粉碎掩埋復式還田機，能夠將20%～50%秸稈掩埋于行間15 cm以下。林靜等[20]研制的1JHL-2型秸稈深埋還田機，可以實現(xiàn)秸稈全量深埋還田，適用于東北平原中南部棕壤土區(qū)合理耕層構建的秸稈深埋還田的技術要求。但是其存在一些不足：變螺旋開溝裝置加工工藝復雜，且耐磨性有待提高；開溝寬度為400 mm，當掩埋秸稈量較少時開溝寬度過大會造成較高的功耗；彈齒式秸稈輸送裝置，彈齒間有較大間隙，很難將擁入輸送裝置內的土壤顆粒排除，輸送秸稈量較大時易發(fā)生堵塞。

本文結合公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目“旱地合理耕層構建技術指標研究”，結合東北黑土區(qū)耕層障礙性問題配套一種秸稈深埋還田機，以提高秸稈深埋率、精確控制秸稈掩埋深度、降低作業(yè)工功耗、提高機具作業(yè)的流暢性為出發(fā)點研制出一次作業(yè)可同時完成破茬、秸稈撿拾粉碎、氣力輸送、開溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能，實現(xiàn)虛實并存合理耕層結構，為東北黑土區(qū)合理耕層構建配套新型機具。

1 整機的總體結構與工作機理

1.1 整機的總體結構

氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機，主要由機架、傳動系統(tǒng)、破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開溝分土裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等部分組成，如圖1所示。其關鍵部件是破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開溝分土裝置、覆土裝置和鎮(zhèn)壓裝置。氣力輸送裝置，布置在撿拾粉碎裝置后方，由螺旋輸送裝置、風機、輸送管道和卸料管道等組成；在螺旋輸送裝置和卸料管道下方設計安裝了開溝分土裝置；在卸料管道后方依次設計安裝了由左右覆土鏟組成的覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等，完成秸稈撿拾粉碎、開溝、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能。

1. 機架 2. 前傳動箱 3. 懸掛裝置 4. 破茬裝置 5. 撿拾粉碎裝置 6. 氣力輸送裝置 7. 后傳動箱 8. 開溝分土裝置 9. 覆土裝置 10. 鎮(zhèn)壓裝置

機具采用三點懸掛方式，拖拉機動力輸出軸與機具的前傳動箱相聯(lián)，前傳動箱分別聯(lián)結帶傳動總成和后傳動箱，后傳動箱聯(lián)接鏈傳動總成。帶傳動總成驅動撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置鏈傳動總成驅動開溝裝置工作。

1.2 工作機理

機具工作條件是玉米收獲后將長度在5～25 cm的碎秸稈灑在地表，同時地表留有10～30 cm高的殘茬。破茬裝置將玉米根茬粉碎后，撿拾粉碎裝置通過高速旋轉將地表的留茬和秸稈粉碎并拋送至氣力輸送裝置。撿拾粉碎裝置工作后清理地表，使開溝分土裝置在無秸稈的地表工作。開溝分土裝置在行間開出深埋溝后將土壤分流到深埋溝兩側。隨后氣力輸送裝置將秸稈送入深埋溝內。覆土裝置將土回填后，由鎮(zhèn)壓裝置將深埋溝內的碎秸稈和回填土壓實。整機主要技術參數(shù)要求如表1所示。

表1 氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機技術參數(shù)

2 關鍵部件設計

2.1 撿拾粉碎裝置的設計

撿拾粉碎裝置由定刀片、粉碎罩殼、動刀片和動刀軸組成，其結構如圖2所示。定刀設置在粉碎罩殼內側。

1. 定刀片 2. 粉碎裝置罩殼 3. 動刀片 4. 動刀軸

2.1.1 動刀輥的結構設計

為提高秸稈粉碎質量采用動刀、定刀支撐切割的方式。粉碎刀選用作用面積、剪切力較大的Y型甩刀，其具有較好的撿拾粉碎性能[20]。動刀采用雙螺旋對稱排列方式，每次只有2把甩刀同時作業(yè)，負荷均勻，離心力小。動刀輥的排列數(shù)量計算公式為

式中N為甩刀數(shù)量；B為機具作業(yè)幅寬，cm；C為粉碎刀密度，對于Y型甩刀一般采取0.23～0.40。將B=130 cm，C=0.3 代入式（1）得N=39，實際裝配40 片刀。

2.1.2 動刀輥轉速和回轉半徑

動刀輥轉速和回轉半徑是秸稈深埋還田機設計的主要參數(shù)，其大小會影響秸稈撿拾粉碎質量和秸稈深埋率。動刀輥的轉速計算公式

式中n為動刀軸轉速，r/min；v為動刀刀端線速度，m/s；v為機具前進速度，m/s；r為動刀最大回轉半徑，m；h為動刀距地面距離，m。

機具前進速度取0.833 m/s；若動刀工作時緊貼地表，則會打土使其產(chǎn)生反沖擊力，導致刀具磨損和斷裂，縮短刀具的使用壽命。同時刀具入土會將地表上的土粒和秸稈一同拋入風機，風機很難將土粒排出，長時間工作會導致風機堵死而無法正常工作。取動刀距離地表3 cm?？紤]整機結構設計配置關系，及參考目前國內外秸稈撿拾粉碎裝置動刀回轉半徑在0.24～0.35 m范圍，選取動刀回轉半徑r為0.26 m。有一定剛度莖稈無支撐粉碎時動刀刀端線速度大于48 m/s才能達到良好的粉碎效果。將設計參數(shù)帶入式（2）計算得動刀輥轉速n為2 000 r/min。

2.2 開溝分土裝置的設計

2.2.1 開溝分土裝置的結構

根據(jù)合理耕層構建技術要求，秸稈深埋還田機要具有行間深松作業(yè)效果，其開溝深度應大于25 cm，選擇開溝深度為27 cm。根據(jù)田間測試，當秸稈覆蓋量為1.2、1.4和1.6 kg/m2，工作幅寬為1.3 m，深埋溝深度為27 cm，寬度為310、355、400 mm時掩埋秸稈深度能夠達到200 mm。秸稈深埋溝模型如圖3所示。1為秸稈填入深埋溝內的厚度，為12 cm；2為回填土層的厚度，為15 cm；3為覆蓋在深埋溝表面的土層厚度，為5 cm；開溝深度為1與2之和，為27 cm。

注：h1為秸稈層厚度，cm；h2為回填土厚度，cm；h3為覆土層厚度，cm；L為深埋溝寬度，cm。

開溝分土裝置結構如圖4所示，主要由開溝主軸、開溝刀盤、C型開溝刀、分土主板、分土上板和分土側板組成。其中分土板由分土主板、分土上板、分土側板組成。2個刀盤可沿軸向移動，調節(jié)開溝裝置開溝寬度，開溝寬度為300～400 mm使其符合條帶秸稈深埋的開溝寬度。其工作時，C型開溝刀逆旋將土壤顆粒向前上方拋出，土壤顆粒撞到分土主板后向兩側運動，撞到分土側板后落到深埋溝的兩側。

1. 開溝主軸 2. C型開溝刀 3. 分土主板 4. 分土上板 5. 開溝刀盤6. 分土側板

2.2.2 開溝分土裝置主要參數(shù)的確定

開溝分土裝置工作時，反轉開溝土垡向前上方拋，后續(xù)刀片具有清溝鏟功能所以選擇反轉開溝。C型開溝刀是一種反轉式作業(yè)刀具，刀身較寬，厚度大，工作幅寬可達120 mm，且開溝寬度相同時扭矩小于旋耕刀。所以采用C型開溝刀。根據(jù)合理耕層構建的技術要求，開溝深度H為270 mm開溝裝置的動力由鏈輪傳動，鏈輪半徑為75 mm，同時最低點距離地面10 mm，所以刀盤半徑為355 mm。研究表明開溝裝置正常工作時其線速度應大于慣性卸載的臨界圓周速度，>臨，臨=5 m/s[21]。開溝裝置的圓周線速度高于8.5～9 m/s時，其受力隨著圓周線速度增加而急劇增加。根據(jù)刀盤線速度v應該在5～9 m/s，選取刀盤的圓周線速度v為8 m/s。刀盤的轉速為

式中n為刀盤轉速，r/min。其中v=8 m/s，r=355 代入式（3），n為215.2 r/min。

切土節(jié)距和刀片數(shù)量的關系式為

式中Z為同一旋轉切削面刀片數(shù)；S為切土節(jié)距，m。

在不同類型的土質下切土節(jié)距范圍在0.5～6 cm，本機具根據(jù)設計要求選用5 cm，機組前進速度v為3 km/h，刀盤轉速=215.2 r/min 代入式（4）得Z=4.6，取整Z=5，C型開溝刀在刀盤左右對稱均勻分布。每個刀盤共5組C型開溝刀，共10組C型開溝刀。

反轉方式開溝時，土壤顆粒會向前上方拋出，為了使土壤顆粒落到深埋溝兩側，便于土壤回填需要安裝分土板。開溝裝置的半徑為355 mm，為了防止分土板與開溝裝置干涉，且為拋土留出空間，分土板內圓與開溝裝置的外徑距離為25 mm，因此內圓半徑為380 mm，為了節(jié)省空間，使機具結構更加緊湊，分土板的外圓半徑設計為500 mm；分土主板夾角為120o，使向上運動的土壤顆粒接觸到分土上板后，向兩側飛去，撞到分土側板后落到深埋溝兩側；分土側板間距為700 mm，土壤顆粒在距離溝壁約200 mm的距離落下，使其不會直接落回深埋溝內，同時便于覆土。

2.2.3 開溝裝置的仿真分析

應用離散元軟件EDEM進行開溝分土作業(yè)的的虛擬試驗，分析開溝分土裝置的轉速和結構能否開出符合要求的深埋溝。將建好的仿真模型導入到EDEM中，其中土槽尺寸為1 m′0.6 m′0.4 m。為使分析更加精確，只分析其穩(wěn)定工作時的工作指標，建立的2種土壤顆粒模型在土槽中央部分0.2 m′0.4 m′0.27 m的區(qū)域用土壤顆粒1填充為分析對象，其余部分用土壤顆粒2填充，如圖5所示。開溝刀選用C型開溝刀，機具的前進速度為3 km/h、刀盤轉速為215.2 r/min、開溝深度為270 mm、開溝寬度為400 mm。

圖5 開溝分土裝置仿真模型

根據(jù)EDEM軟件模擬土壤顆粒的特點和秸稈深埋還田機的工作要求，選取深埋溝的結構、土壤顆粒分布作為虛擬試驗的分析對象。

深埋溝結構如圖6所示，利用EDEM軟件的網(wǎng)格劃分功能（Grid Bin Group模塊）對土槽區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，中間線框坐標為（–200，200）、（50，320），開出的溝形為矩形溝，寬度為400 mm，深度為270 mm，溝底、溝壁平整。

圖6 深埋開溝結構模型

開溝后顆粒1的分布如表2所示。開溝寬度為400 mm,所以區(qū)域（–200，–60）、（–60，60）、（60，200）為深埋溝區(qū)域，共有1 324 個土壤顆粒占全部土壤顆粒的6%，是拋出的土壤顆粒堆積在深埋溝兩側后重新滑落到深埋溝內的。土壤顆粒多集中在（–540，–420）至（–300，–200）和（540，420）至（300，200）6個區(qū)域內，即土壤顆粒經(jīng)過分土板的分流后多落在距溝壁340 mm處。結果表明：開溝裝置能夠開出符合要求的矩形深埋溝；土壤顆粒經(jīng)過分土板的分流后會落在掩溝兩側較近的距離，便于后續(xù)的覆土鎮(zhèn)壓。

表2 開溝后土壤顆粒分布

2.3 氣力輸送裝置的設計

2.3.1 氣力輸送裝置的結構

氣力輸送裝置的結構如圖7所示，主要由風機葉片、風機殼、輸送管道、卸料管道、螺旋輸送裝置等組成。其工作時撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后拋送至螺旋輸送裝置，螺旋輸送裝置將碎秸稈推送至風機，秸稈在風機葉片高速旋轉下被拋送至輸送管道，秸稈在一定的初速度下受氣流作用經(jīng)過輸送管道和卸料管道，將秸稈由機具行進方向左側的風機內送入開溝裝置后方的深埋溝內。

2.3.2 氣力輸送裝置參數(shù)的計算

氣力輸送裝置生產(chǎn)率Q1的計算公式為

式中q為秸稈產(chǎn)量，kg/hm2。取B工作幅寬為1.3 m，當最大秸稈量為16 000 kg/hm2、機具行進速度為3 km/h即0.83 m/s時，計算的理論的生產(chǎn)率為6.1 t/h。

1. 風機葉片 2. 風機殼 3. 輸送管道 4. 卸料管道 5. 螺旋輸送裝置

1. Fan blade 2.Fan case 3.Conveying pipe 4. Discharging pipe 5.Screw conveyer

圖7 氣力輸送裝置結構示意圖

Fig.7 Structure diagram of pneumatic conveying device

螺旋輸送裝置的生產(chǎn)率計算公式為

式中D為螺旋外徑，m；為螺距，m；n為螺旋每分鐘轉速，r/min；為螺旋外徑與輸送管內表面的間隙，m；為螺旋軸直徑，m；為傾斜輸送系數(shù)；為被輸送物料的單位容積質量，t/m3；K為充滿系數(shù)。由于螺旋輸送物料為長度小于100 mm的碎秸稈。參考《農(nóng)業(yè)機械手冊》[22]，選螺旋外徑D為250 mm 螺距為200 mm取螺旋軸直徑為120 mm，螺旋外徑與輸送管內表面的間隙為5 mm，螺旋厚度為3 mm，充滿系數(shù)K為0.4，螺旋生產(chǎn)率為Q為6.1 t/h，螺旋轉速n>767 r/min時其推進量可達到6.1 t/h。

機具工作時玉米秸稈通過風機內部，為防止堵塞選為3葉片徑向圓周均勻分布。風機輸送碎秸稈時管內直徑為200～300 mm，輸送秸稈的混合濃度比較小，選擇橫截面為200 mm′200 mm方形管道。在輸送管道中，氣流輸送秸稈是借助空氣動力作用，秸稈受到空氣動力的大小與空氣含秸稈的相對速度有關。撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后，秸稈長度小于10 cm，應用農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗臺測試玉米秸稈懸浮速為11.9 m/s。

為了保證輸送秸稈在輸送管道中的流暢輸送，氣流速度應該略大于秸稈的懸浮速度。即

式中v為輸送氣流速度，m/s；k為輸送氣流系數(shù)在1.1～2.5范圍變化，與輸送物的濃度有關；懸為輸送物料的懸浮速度，m/s。當輸送物料為秸稈且混合濃度比m在1.0～2.0時選取k值為2.2。秸稈的懸浮速度為11.9 m/s，則輸送氣流速度v為26.2 m/s。混合濃度比計算公式為

式中d為輸送管道邊長，m；ρ為空氣密度，kg/m3。根據(jù)氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機的設計要求其生產(chǎn)率Q1為6.1 t/h，即6 100 kg /h，輸送管道邊長d為0.2 m，空氣密度ρ為1.25 kg/m3，則混合濃度比m為1.29，符合原條件。

氣力輸送裝置的全壓由靜壓ΔP和動壓ΔP組成，其中靜壓主要由管道沿程壓力損失ΔP彎頭壓力損失ΔP局部壓力損失ΔP、提升壓力損失ΔP、加速壓力損失ΔP等組成。沿程壓力損失計算公式為

式中λ為沿程壓力損失系數(shù)；L為管道長度，m；D為管道當量直徑，m；

管道采用薄鐵皮制成λ為0.045，管道長度L為2.8 m,管道當量直徑 D為0.225 m,則管道沿程壓力損失DP為230.5 Pa。彎頭壓力損失計算公式為

式中λ為彎頭壓力損失系數(shù)。共有2個彎頭，λ為0.724，則彎頭壓力損失為317.9 Pa。局部圧力損失DP比較小可以忽略不計。提升壓力損失計算公式為

式中λ為提升壓力損失系數(shù)；h為提升高度，m。λ為14.4，提升高度為1.8 m，則提升壓力損失為23.2 Pa。

加速壓力損失計算公式為

式中λ為加速壓力損失系數(shù)，λ為0.41，則加速壓力損失為226.9 Pa。動壓計算公式為

計算得動壓ΔP為429 Pa，則全壓為1 227.5 Pa?？紤]其他損失，將全壓加大10%左右，取1 350 Pa。風機轉速n和葉輪直徑間的關系為

式中D為葉輪直徑，m；φ為風機系數(shù)。

在滿足氣力輸送裝置生產(chǎn)率的前提下，理論上葉輪直徑越大，所需要的轉速越小。結合機具作業(yè)時風機殼體須有一定離地間隙的要求，設計葉輪直徑為0.56 m，農(nóng)用風機φ一般取0.3則風機轉速n為2 073.2 r/min，實際轉速略大則風機轉速為2 150 r/min。

物料通過風機葉輪時葉輪內徑計算公式為

式中D為葉輪內徑，m。取值為0.28 m。葉輪與風機外殼的間距為18 mm，則葉輪寬為0.164 m。

2.3.3 氣力輸送裝置的離散元氣固耦合數(shù)值模擬

由于葉輪和輸送管路之間的動靜干涉以及氣流與秸稈之間的相互影響，氣力輸送裝置工作時其內部秸稈與氣流的流動運動非常復雜，對其進行試驗觀察或經(jīng)驗公式計算比較困難，因此本文采用離散元氣固耦合數(shù)值模擬方法（DEM-CFD）對氣力輸送裝置進行數(shù)值模擬為氣力輸送裝置的設計提供技術依據(jù)。

氣固耦合數(shù)值模擬計算模型與桿狀顆粒的離散元模型[23]如式（16）、（17）所示。

桿狀顆粒和氣象耦合作用的流體相控制方程[24-25]

式中為流體的密度，kg/m3；為流體的速度，m/s；1為流體的壓力，Pa； f,i為流體和顆粒間的作用力，N；?為流體計算單元的體積，m3；k為計算單元內顆粒的數(shù)量；為夜體的黏性應力張力，N；為局部空隙率[26]；V為顆粒體積，m3。

流體-顆粒作用力[27-29]

式中drag,i為桿狀顆粒的曳力，N；A為桿狀顆粒等效體積球的截面，m2；C為桿狀顆粒阻力系數(shù)；為關于雷諾的系數(shù)；Re為顆粒雷諾數(shù)；d為桿狀顆粒的等效體積球的直徑，m；μ為流體的黏度，Pa·s；為等效體積球與實際顆粒的表面積的比值；⊥為等效體積球的截面積與實際顆粒在垂直來流方向的投影面積的比值。

EDEM采用表面網(wǎng)格來描述邊界表面，從而實現(xiàn)與CFD流體網(wǎng)格邊界表面元素的點對點耦合。首先使用三維建模軟件Pro/E建立氣力輸送裝置的實體模型，然后將Pro/E所生產(chǎn)的實體模型，導入到CFD的前處理軟件ICEM中，對其進行網(wǎng)格劃分后分別導入到fluent和EDEM中。在EDEM中采用多球面聚合法建立單個秸稈顆粒模型，由14個直徑為11.2 mm的圓球相互重疊構造而成，由于撿拾粉碎裝置作業(yè)后秸稈長度小于10 cm，所以秸稈的離散元模型長度為10 cm，密度為266.8 kg/m3，如圖8所示。

圖8 EDEM秸稈顆粒模型

風機拋送秸稈的條件的是葉輪端部線速度達到30～45 m/s即

式中N為葉輪實現(xiàn)拋送條件的最小轉速，r/min；v為葉輪線速度，m/s；取葉輪線速度v為45 m/s，葉片直徑D為0.56 m，則N為1 523.8 r/min，只有當N超過1 523.8 r/min才能實現(xiàn)秸稈的拋送，所以選取葉輪的轉速為1 550、1 850、2 150 r/min進行仿真分析。由式（5）得整機生產(chǎn)率Q為6.1 t/h，即在EDEM中顆粒工廠每秒生成1.7 kg的秸稈。機具工作時由螺旋輸送裝置將秸稈輸送至風機，則秸稈的初速度由螺旋的結構及轉速確定[30]。

式中為秸稈與葉片間的摩擦系數(shù)；為螺旋半徑，mm。取螺距為200 mm，螺旋轉速n分別為1 550、1 850、 2 150 r/min，秸稈與葉片間的摩擦系數(shù)為0.12，螺旋半徑為125 mm。計算得秸稈初速度v0分別4.35、4.92、5.43 m/s。氣流入口邊界條件設為速度入口，與秸稈的初速度相同，出口為1標準大氣壓。

流場在0.4 s后處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以只分析0.4 s后的運動狀態(tài)。圖9為氣力輸送裝置仿真模型，工作過程中秸稈在風機殼出口處、第一個拐點、第二個拐點、和卸料管道出口處速度變化較大，所以設置傳感器監(jiān)測以上4個區(qū)域在0.4～1.2 s時秸稈與氣流速度。風機轉速為1 550、1 850 、2 150 r/min，時間為0.4～1.2 s時4個點的秸稈與氣流速度見表3。卸料管道將秸稈排出后直接送入深埋溝內，而當風機轉速為2 150 r/min時氣流出口速度最大為32 m/s，秸稈速度為8.43 m/s，氣流出口速度過大會導致卸料口將秸稈吹出深埋溝外。風機轉速為1 550 r/min時，在第二拐點處的速度為3.78 m/s，當輸送量增大或秸稈濕度大時，會產(chǎn)生堵塞的情況，綜上所述，風機轉速為1 850 r/min時秸稈和氣流的運動速度較為合適。

1. 風機殼出口 2. 第一拐點 3. 第二拐點 4. 卸料管道出口

表3 不同風機轉速下氣力輸送裝置中秸稈和氣流速度

3 田間試驗

3.1 試驗條件及設備

田間試驗在2017年10月21日沈陽市遼中區(qū)朱家房鎮(zhèn)白溝村進行。秋季玉米留茬地，留茬高度平均為12 cm，玉米播種行距60 cm，平均株距32 cm。土壤為東北黑土，含水率均值19.43%，5 cm深處土壤的平均含水率為16.4%，土壤堅實度為1 341 kPa；10 cm深處土層土壤平均含水率為18.4%，土壤堅實度為1 322 kPa；20 cm深處土壤平均含水率為20.42%，土壤堅實度為1 367 kPa；25 cm深土壤平均含水率為22.5%，土壤堅實度為1 512 kPa；通過實地測量，土壤的內摩擦角為35.62°。田間秸稈覆蓋量為1.6 kg/m2。調試開溝分土裝置使其開溝寬度為400 mm、開溝深度為270 mm。

選用東方紅LX1 000型拖拉機（100 kW）SM-2型高精度土壤水分測量儀（澳作生態(tài)儀器有限公司），測量范圍 0.05～0.6 m3/m3，精度在0～40 ℃時為0.05 m3/m3；SC900 型土壤緊實度測量儀（澳作生態(tài)儀器有限公司），量程0～45 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm、35 kPa，質量1.25 kg；皮尺、卷尺、直尺等。

刀盤線速度v低于5 m/s時開溝刀無法將土壤顆粒拋出深埋溝，刀盤線速度高于9 m/s會加大扭矩，增加功耗。選擇刀盤線速范圍在6.5～8 m/s，即轉速范圍在175～215 r/min。氣力輸送裝置轉速過低會導致風機堵塞，轉速過高卸料口的的氣力流會將秸稈吹出深埋溝，根據(jù)前文分析風機的轉速范圍在1 550～2 150 r/min。機具的作業(yè)速度越低其深埋效果越好但生產(chǎn)率越低，為了保證機具的生產(chǎn)率選擇機具作業(yè)速度范圍在3～5 km/h。試驗因素取值如表4所示。

表4 因素水平

作業(yè)區(qū)域為30 m′1.8 m，將作業(yè)區(qū)域內的碎秸稈清理收集后，按試驗所需的秸稈量將秸稈均勻鋪撒在作業(yè)區(qū)域內，每組試驗重復3次，取平均值。將作業(yè)區(qū)域分為5個區(qū)，每個區(qū)域內隨機選取5個點，以這5個點為中心畫出180 cm′60 cm的矩形區(qū)域采集所需的試驗數(shù)據(jù)。圖10為田間試驗現(xiàn)場，表4為試驗因素水平表。

圖10 田間試驗

3.2 試驗指標

該機具研制的主要目的是，將秸稈深埋，秸稈的深埋率是該機具試驗最重要的指標，深埋率越大越好。

式中為秸稈深埋率，%；1為深埋深度大于20 cm的秸稈質量，kg；2為測試區(qū)域秸稈質量，kg。

3.3 試驗結果分析

試驗方案和結果如表5所示，試驗結果數(shù)據(jù)方差分析如表6所示。根據(jù)表6可知3個因素對深埋率均為顯著影響。通過表5可知誤差項極差遠低于其他因素極差，說明因素間的交互作用對試驗指標影響不明顯，可以不考慮，深埋率的影響因素主次順序為，深埋率最大組合為123即最優(yōu)組合，機具前進速度為3 km/h，風機轉速為1 850 r/min，開溝裝置的轉速為215 r/min。

3.4 最優(yōu)組合試驗驗證

在最優(yōu)組合參數(shù)條件下對試驗樣機進行作業(yè)性能試驗，測試其開溝質量，秸稈粉碎合格率和深埋質量，每組試驗重復3次，取平均值。試驗條件同3.1節(jié)。

試驗性能指標為開溝深度、碎土率、秸稈深埋率和秸稈粉碎合格率。碎土率為作業(yè)后邊長小于4 cm土塊質量與總質量的比，計算公式為

式中3為作業(yè)后邊長大于4 cm的土塊質量，kg；4為作業(yè)后土塊總質量，kg。

表5 試驗方案和結果

表6 正交試驗方差分析

秸稈深埋率測量方法同本節(jié)3.2。秸稈粉碎合格率(%)為

式中5為測試區(qū)域長度大于10 cm的秸稈量，kg；6為性能測試區(qū)域秸稈質量，kg。

經(jīng)過試驗，得到開溝深度為275.1 mm、碎土率為95.4%，起到了深松作業(yè)的效果。秸稈粉碎合格率為94.2%，秸稈的深埋率值為94%，滿足秸稈深埋還田與合理耕層構建的技術要求。

4 結 論

1）根據(jù)東北黑區(qū)秸稈深埋還田的技術要求，研制了氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機，一次作業(yè)可實現(xiàn)破茬、秸稈撿拾粉碎、開溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能。通過秸稈深埋還田改制農(nóng)田土壤剖面的不良性狀，提高土壤有機質含量，同時達到秸稈有效處理。

2）在撿拾粉碎裝置的轉速為2 000 r/min、開溝寬度為400 mm、秸稈覆蓋量為1.6 kg/m2時，經(jīng)正交試驗得機具運行的最優(yōu)參數(shù)組合為：開溝裝置的轉速215 r/min；風機轉速為1 850 r/min；機具作業(yè)速度為3.0 km/h。

3）田間試驗表明，在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，開溝深度為275.1 mm、碎土率為95.4%，起到了深松作業(yè)的效果。秸稈粉碎合格率為94.2%，秸稈深埋率為94%，滿足秸稈深埋還田與合理耕層構建的技術要求。

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Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine

Tian Yang, Lin Jing※, Li Baofa, Zhang Tongjia, Qi Lin, Wang Jiaqi

(110866,)

In Northeast black soil region, people always use small power equipment as their main mode in agricultural production at present, and deep tillage and subsoiling operation area is less and less, leading to the problems of shallow soil, plough layer thickened, reducing the number of effective soil layers, soil structure becoming poor, water storage capacity and adversity resistance weakened. It seriously restricts the increase of corn yield. Constructing reasonable plowing mode is the main way to solve the problem of “shallow, compact and less” cropland in the dry farming area of Northeast China. Therefore, it is an effective way to prevent soil degradation and increase grain yield by changing tillage measures to construct reasonable plough layer. The deep straw returning to the field and the “straw belt tight intercropping and loosening” plowing mode are used to achieve the soil improvement by embedding the straw on the surface between the rows and the seedling zone. It also has the advantages of deep burial of straw and the pattern of inter-row subsoiling in the plough layer, which is an important mode for the construction of soil fertile plough layer. The pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine is mainly composed of rack, drive system, stubble breaking device, pickup pulverizing device, conveying device, ditching device, soil covering device, repressing device, and so on. Pneumatic conveying device is arranged at the rear of pickup pulverizing device, and it is mainly composed of auger, blower, pipeline and discharging pipe. A ditching device is installed under the dragline and the discharge pipe. The soil covering device which is composed of 2 cladding plates and the repressing device are installed at the rear of the unloading pipeline. It can finish straw pickup, ditching, deep straw burial, soil covering, and so on. The pickup pulverizing device pulverized the stubble and crushed straw on the surface by high velocity rotation and threw it into the conveying device to realize the crushing and collection. The working processes can be carried out in one operation, such as breaking stubble, picking up straw to smash, opening trenches and crushing soil, deep loosening between rows, deep burial of straw, compacting, and so on. The conveying device, which is one of the key components, is mainly composed of fan blade, wind machine shell, conveying pipe, discharging pipe and screw conveyor. After crushing, the pickup crushing device throws the crushed straw into the screw conveyor, which pushes the straw to the fan as the conveying device working. Then, the straw is thrown to conveying pipe with high velocity revolution fan blade, and the straw goes through the conveying pipe and discharging pipe under a certain initial velocity of airflow. At last, the straw is fed into the straw deep burial ditch behind the ditching device from the fan lies in the left side of the machine. . The motion process of straw in pneumatic conveying system at different velocity was numerically simulated by using the dynamic effect model with computational fluid dynamics (DEM-CFD). The results show that the minimum velocity of straw is 5.39 m/s, the velocity at exit is 6.27 m/s, and the velocity of air flow is 2-28 m/s at the rotational velocity of 1 850 r/min. The field test shows that, when the operating velocity is 3 km/h, the ditching width is 400 mm, the amount of straw is 1.6 kg/m2, and the ditching depth is 270 mm, the straw buried rate is 94%, the pass rate is 94.2%, the soil breaking rate is about 95.4%, and the buried depth reaches 200 mm; the technical indicators of stable operation can meet the technical requirements of agricultural machinery. This machine can realize the combined operation of stubble and straw pulverization, deep burial of straw and deep loosening between lines. It can enhance soil porosity, improve soil moisture and enhance soil organic matter, which can create good soil environment conditions for dryland sowing in Northeast China.

agricultural machinery; computer simulation; design; deep buried backfield; reasonable plough layer; test

田 陽，林 靜，李寶筏，張桐嘉，齊 林，王佳琦.氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(14)：10－18. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002 http://www.tcsae.org

Tian Yang, Lin Jing, Li Baofa, Zhang Tongjia, Qi Lin, Wang Jiaqi.Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 10－18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002 http://www.tcsae.org

2018-02-10

2018-05-20

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503116-09）；遼寧省農(nóng)村經(jīng)濟委員會與質量技術監(jiān)督局地方標準項目（2016160-27）；國家自然科學基金資助項目（51275318）

田 陽，博士生，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。 Email：125532823@qq.com

林 靜，教授，博士生導師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。Email：synydxlj69@163.com。中國農(nóng)業(yè)工程學會會員：林 靜（E041200749S）

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002

S224.29

A

1002-6819(2018)-14-0010-09