王金峰 陳博聞 姜 巖 朱 敏 夏俊芳 王金武

(1.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院佳木斯農業(yè)機械化研究所， 佳木斯 154004；3.常州漢森機械有限公司， 常州 213033； 4.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070)

0 引言

2018年黑龍江省水稻產量高達2 685.5萬t[1]，高產量的同時伴隨著大量秸稈產生[2-3]，加快推進農作物秸稈資源綜合利用是中國亟待解決的問題。秸稈機械化還田是秸稈資源綜合利用的最直接形式[4]，可為土壤提供豐富的有機物，有效改善土壤團粒結構，減少化肥用量，提高作物質量[5-7]。東北地區(qū)秸稈具有產出量高、韌性強的特點[8]，為機械化秸稈還田帶來諸多不便，秸稈焚燒仍是東北地區(qū)水稻秸稈的主要處理方式，對環(huán)境破壞巨大[9-11]。目前，東北地區(qū)水稻秸稈機械還田作業(yè)主要分為秸稈粉碎拋撒、犁翻、旋耕3道工序，需要機組多次進地，造成土壤壓實[12]。此外，作業(yè)效果較差，來年泡田時秸稈漂浮現(xiàn)象嚴重，需要人工進行打撈，嚴重影響后續(xù)插秧作業(yè)質量[13]。

水稻秸稈還田機具是水稻秸稈還田技術應用的核心載體。趙海波等[14]研制的SGTN-140型雙軸滅茬旋耕機采用正旋雙軸進行作業(yè)，一次作業(yè)即可完成兩次旋耕，作業(yè)效果優(yōu)于單軸正旋作業(yè)，但雙刀輥導致機具質量較大。熊元芳[15]研制的水田埋草旋耕機采用正旋橫刀彎刀組合的方式對刀具進行排列，單個刀輥一次作業(yè)即可對秸稈完成兩次旋耕，但依舊存在正旋耕作耕深較淺的問題，無法滿足東北地區(qū)秸稈深埋作業(yè)需求。

針對東北地區(qū)秸稈特點，王金武團隊[16-17]提出了反旋秸稈深埋還田技術，與其他秸稈處理方式相比，機組僅需要一次進地作業(yè)即可完成水稻秸稈深埋還田作業(yè)，且秸稈翻埋效果較好，轉年泡田時，基本無水稻秸稈漂浮現(xiàn)象。但因還田方式為反旋作業(yè)，土壤與秸稈需多次被刀具拋揚，且前方壅土嚴重[18]，導致機具牽引功率需求較大，正常作業(yè)需要匹配88 kW以上拖拉機，影響秸稈還田技術的推廣。

基于上述分析，本文結合東北地區(qū)秸稈還田現(xiàn)狀，設計一種適用于反旋水稻秸稈深埋還田技術的還田刀，通過對反旋還田刀結構及工作原理進行分析，建立土壤與刀具間相對位移數(shù)學模型，探究各設計參數(shù)對土壤拋出角及拋出速度的影響規(guī)律，設計新型反旋還田刀，針對還田刀對整機進行配置，減輕水稻秸稈全量深埋還田機作業(yè)時的壅土現(xiàn)象，降低對牽引功率的需求。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

水稻秸稈全量深埋還田機前端至后端部件依次為三角懸掛裝置、傳動系統(tǒng)、罩殼、旋耕裝置和擋草柵，其中旋耕裝置為主要工作部件，水稻秸稈全量深埋還田機結構如圖1所示。

圖1 水稻秸稈全量深埋還田機結構圖Fig.1 Sketch of high stubble rice straw deep buried into field machine1.三角懸掛裝置 2.傳動系統(tǒng) 3.罩殼 4.旋耕裝置 5.擋草柵

水稻秸稈全量深埋還田機作業(yè)時，通過三角懸掛裝置與拖拉機相連，通過萬向節(jié)聯(lián)軸器將拖拉機的動力輸出軸與傳動系統(tǒng)的動力輸入軸相連，傳動系統(tǒng)將動力傳遞到旋耕裝置驅動其工作。

1.2 工作原理

工作時，旋耕裝置通過反旋作業(yè)對秸稈與土壤進行切削，將土壤與秸稈拋向空中，秸稈質量較輕，被拋起高度較低，在空中停留時間較短、先于土壤落于地面，同時大塊土壤與秸稈撞擊在擋草柵上，部分大塊土壤撞擊擋草柵后落于擋草柵前方，其余大塊土壤因與擋草柵撞擊破碎成小塊土壤通過擋草柵落于擋草柵后方，形成秸稈在下、土壤在上，土壤顆粒上細下粗的理想耕作土壤環(huán)境，如圖2所示。

圖2 水稻秸稈全量深埋還田機反旋作業(yè)工作原理圖Fig.2 Operation processes of rice straw returning machine reverse-rotary working1.未耕地 2.秸稈 3.機具 4.小塊土壤 5.大塊土壤

因作業(yè)時刀輥旋轉方向與機具前進方向相反，導致機具首次拋揚土壤方向為刀輥前方，造成刀輥前方壅土。機具首次拋揚土壤方向為刀輥前方的主要原因是，在反旋還田刀設計過程中仍沿用傳統(tǒng)旋耕刀設計思路，將刀具的滑切能力作為刀具的主要設計指標[19]，導致刀具拋土性能較差，增強刀具拋土性能，將機具首次拋揚土壤方向變?yōu)榈遁伜蠓娇蓽p輕刀輥前方壅土現(xiàn)象，如圖3所示。

2 旋耕裝置設計與工作過程分析

2.1 旋耕裝置總體結構

旋耕裝置的作用是將土壤與秸稈拋向機具后方，并進行掩埋。旋耕裝置包括連接轉盤、刀輥、刀盤和還田刀4部分，其結構如圖4所示。

圖3 水稻秸稈全量深埋還田機反旋作業(yè)拋土方向示意圖Fig.3 Schematic of direction of throwing by returning machine reverse-rotary working

圖4 旋耕裝置結構簡圖Fig.4 Structural diagram of rotary tillage device1.連接轉盤 2.刀輥 3.刀盤 4.還田刀

其中連接轉盤通過螺栓與罩殼固接，連接轉盤與刀輥之間通過軸承連接相對轉動，刀盤焊接在刀輥上，還田刀通過螺栓安裝在刀盤上。

圖6 動力學及運動學分析示意圖Fig.6 Schematics of kinetic analysis

2.2 刀輥設計

東北地區(qū)為北方水稻一熟區(qū)，水稻產量相對較大、產生秸稈較多，為滿足收獲機械喂入量要求，聯(lián)合收獲機收獲后秸稈留茬高度為150～250 mm。針對這一情況，以水稻秸稈留茬高度300 mm以下作為作業(yè)環(huán)境對刀輥進行設計。為避免刀輥大量纏草，刀輥橫截面周長應該大于水稻秸稈留茬高度，但如果刀輥直徑過大，就會導致刀輥轉動慣量、質量過大，不利于降低牽引功率需求。根據(jù)

C=πd

(1)

式中C——刀輥周長，mm

d——刀輥直徑，mm

水稻秸稈全量深埋還田機刀輥直徑確定為100 mm。

根據(jù)水稻秸稈全量深埋還田機工作過程中土壤的不同運動狀態(tài)，將水稻秸稈全量深埋還田機工作過程分為加速、拋運、空轉3個階段，對應的圓心角分別為θ1、θ2和θ3，如圖5所示。加速階段自土壤與還田刀接觸開始，直到土壤被還田刀拋出或土壤與還田刀達到相對靜止狀態(tài)結束，拋運階段自土壤與還田刀達到相對靜止狀態(tài)開始，直到土壤被還田刀拋出結束，空轉階段自土壤被還田刀拋出開始，直到還田刀再次與土壤接觸結束。建立各階段土壤顆粒運動數(shù)學模型，探究還田刀各結構參數(shù)及作業(yè)參數(shù)對土壤加速能力、拋揚角度的影響規(guī)律。

圖5 工作過程各階段示意圖Fig.5 Schematic of each stage of working process

2.3 加速階段分析

取單一土壤顆粒M作為研究對象，忽略土壤顆粒間的相互作用力，在土壤顆粒M與還田刀接觸前，土壤顆粒M為靜止狀態(tài)，加速階段過程中，土壤顆粒M由靜止狀態(tài)逐漸加速，直到土壤顆粒M與還田刀相對靜止或被還田刀拋出，加速階段結束。

土壤顆粒M被拋出時絕對速度和拋出角度是評價還田刀拋土性能的主要指標，過土壤顆粒M作平行于刀盤的平面P，選取還田刀建立動參考系Oxyz，以旋轉中心O點為原點，以支持力FN方向為坐標系x軸正方向，以平面P內動摩擦力方向為坐標系y軸正方向，垂直x軸與y軸建立z軸。對土壤顆粒M進行運動學及動力學分析。土壤顆粒M運動狀態(tài)受重力G、支持力FN、動摩擦力f及科氏力Fc影響，如圖6所示，其動力學方程為

FM=G+FN+f+Fc=mar+mae

(2)

式中FM——土壤顆粒M所受合力，N

ar——土壤顆粒與還田刀間相對加速度，m/s2

ae——土壤顆粒與還田刀間牽連加速度，m/s2

假設土壤顆粒M在還田刀上無跳動和滾動現(xiàn)象且沿z軸方向與還田刀無相對位移，土壤顆粒M的運動主要分為繞旋轉中心O的勻速圓周牽連運動及沿y軸方向的直線相對運動，如圖6所示，除支持力FN及動摩擦力f以外所有力均作用在平面P內，土壤顆粒M沿z軸方向相對靜止。在平面Oyz內支持力與摩擦力平衡，如圖7所示，動摩擦力f可分為z軸方向動摩擦力fz和y軸方向動摩擦力fy。

圖7 平面Oyz受力示意圖Fig.7 Schematic of force analysis of plane Oyz

支持力FN的分力分別為Fp和Fz，F(xiàn)p可分解為土壤提供向心力的分力F1和土壤平衡豎直方向受力的分力F2，F(xiàn)1可分解為Fe和Fy，F(xiàn)e為土壤顆粒牽連運動向心力，F(xiàn)y為支持力FN在y軸方向分力，如圖8所示。土壤顆粒M力學平衡方程為

marz=uFNsinφ-FNcotξ=0

(3)

mae=mω2rM=Fy/cos(ζ-σ)

(4)

marn=F2+Fc-Gsinα=0

(5)

marτ=fy+Gcosα+Fy

(6)

式中arz——土壤z軸方向相對加速度，m/s2

u——土壤與還田刀間摩擦因數(shù)

φ——動摩擦力與y軸方向夾角，rad

ξ——還田刀彎折角，rad

ω——刀輥轉動角速度，rad/s

rM——土壤與旋轉中心間的距離，m

ζ——還田刀彎折線角，rad

σ——土壤顆粒和旋轉中心間連線與刀柄中軸線夾角，rad

arn——土壤的法向相對加速度，m/s2

arτ——土壤的切向相對加速度，m/s2

α——還田刀彎折線與豎直方向間夾角，rad

由式(3)～(6)可得

FN=(mω2rMsin(ζ-σ)-2mvrω+mgsinα)cosξ

(7)

圖8 P平面支持力分解示意圖Fig.8 Schematic of decomposition of normal force of plane P

(8)

(9)

(10)

α=α0+ωt

(11)

(12)

式中α0——還田刀彎折線與豎直方向間初始夾角，rad

L1——還田刀橫截面端點沿彎折線方向與刀柄中軸線距離，m

L2——旋轉中心沿刀柄中軸線方向與還田刀橫截面的距離，m

Lr——土壤與還田刀間相對位移，m

rmax——還田刀最大旋轉半徑，m

vr——土壤與還田刀間相對運動速度，m/s

由式(7)～(12)可知，隨著時間t增加角度α正比例線性增加，隨著角度α增大，ar逐漸減小，α0約為0.2π。土壤顆粒M和還田刀間相對運動加速度ar與相對運動速度vr、相對位移Lr之間的關系為

(13)

由式(13)可得土壤顆粒M與還田刀間相對位移Lr關于土壤與還田刀接觸時間t的微分方程

(14)

當初始時刻t0時，土壤顆粒M與還田刀間初始相對位移Lr0為0，土壤顆粒M初始相對速度vr0表達式為

vr0=ωrmax

(15)

當土壤顆粒M與還田刀間相對位移Lr大于還田刀的切向寬度L時，土壤顆粒M被還田刀拋出。加速階段結束邊界條件為：土壤顆粒達最大速度(相對還田刀速度vr為0)或土壤顆粒被還田刀拋出(相對位移Lr大于L)時。

2.4 拋運階段分析

拋運階段自土壤顆粒M與還田刀保持相對靜止開始，直到土壤顆粒M與還田刀重新發(fā)生相對位移被還田刀拋出或還田刀對土壤顆粒M無支撐作用時結束。

拋運階段土壤顆粒M與還田刀不發(fā)生相對位移，所以拋運階段土壤受力與加速階段土壤受力相比，除所受到的摩擦力由動摩擦力變?yōu)殪o摩擦力以外，其余受力分析與土壤加速階段一致，且切向相對加速度為0，邊界條件表達式為

Gcosα+Fy-fy≥0

(16)

當土壤顆粒M與還田刀重新發(fā)生相對位移時，土壤顆粒M所受的摩擦力重新變?yōu)閯幽Σ亮Γ芰Ψ治雠c土壤加速階段一致，其邊界條件表達式為

Gcosα+Fy-fy<0

(17)

當還田刀對土壤顆粒M無支撐作用時，土壤顆粒M在重力作用下進行自由落體運動，當α大于π時，土壤顆粒M與還田刀的位置關系如圖9所示，還田刀不再對土壤顆粒M提供支持力，拋運階段結束。

圖9 運土階段結束示意圖Fig.9 Schematic of ending of moving stage

若土壤顆粒M在加速階段或拋運階段提前被還田刀拋出，則土壤顆粒M沒有與還田刀達到相對靜止狀態(tài)，絕對速度沒有達到最大速度。因此理想狀態(tài)下還田刀拋運階段應到如圖9所示情況下結束拋運階段。

2.5 空轉階段分析

空轉階段自還田刀對土壤顆粒M無支撐作用開始，直到還田刀再次與土壤接觸時結束。選取旋轉中心為定坐標系原點建立動參考系Ox′y′，沿水平方向建立坐標系x′軸，沿豎直方向建立坐標系y′軸，v1為土壤顆粒M與機具間的相對速度?？辙D階段，土壤顆粒M做拋物線運動，土壤顆粒M只受重力作用，其土壤顆粒M位置關系式為

x=x0+v1tcosδ

(18)

(19)

式中δ——土壤顆粒被還田刀拋出方向與水平方向的夾角，rad

x0——土壤顆粒被拋出時水平初始距離， m

y0——土壤顆粒被拋出時豎直初始距離， m

當土壤顆粒M在圖9所示位置時，土壤顆粒M與還田刀之間無相互作用，土壤顆粒M只在重力的作用下做拋物線運動，土壤顆粒M被還田刀拋出方向與水平方向夾角δ和土壤顆粒M被拋出時間tL均為定值，其表達式為

(20)

δ=ζ

(21)

土壤被拋出時，土壤顆粒M與機具間相對速度v1以及土壤顆粒M與機具間水平相對速度vx表達式為

v1=ωrM

(22)

(23)

2.6 數(shù)學模型分析

通過分析加速階段、拋運階段數(shù)學模型可知，土壤拋出角度與速度主要由還田刀彎折角、還田刀彎折線角、還田刀寬度、刀輥轉速所決定。理想狀態(tài)下，土壤顆粒應在加速階段結束時與還田刀進行相對靜止運動，達到土壤顆粒絕對速度最大的目的，土壤顆粒在拋運階段始終與還田刀進行相對靜止運動直到運動至如圖9所示情況，進入空轉階段。

由式(3)、(7)可知，還田刀彎折角ξ越接近90°，土壤顆粒與還田刀間y軸方向的摩擦力越大，對土壤顆粒加速能力越強。還田刀彎折線角ζ是影響土壤顆粒與還田刀間相對加速度的主要因素，由式(8)可知彎折線角ζ越小，還田刀對土壤顆粒加速能力越強，但如果彎折線角過小會導致入土角變小，造成入土消耗過大[19]。還田刀切向寬度要大于土壤顆粒最大相對位移，防止土壤顆粒提前被還田刀拋出，保證拋出時土壤顆粒的絕對運動速度。雖然刀輥轉速越快，離心力越大，土壤顆粒所受的摩擦力越大，對土壤顆粒加速能力越強，但由式(15)可知，刀輥轉速越快初始相對速度越快，加速時間也會因土壤顆粒被提前拋出變短，同時刀輥轉速決定了經過一次切削、拋揚土壤顆粒所能達到的最高絕對速度，因此土壤顆粒最大絕對速度不是隨著刀輥轉速增大而增大，而是土壤顆粒最大絕對速度隨著刀輥轉速增大先增大后減小。

角度σ隨著時間變化而變化，導致支持力Fp的分解力F1、F2發(fā)生變化，同時角度σ也隨著土壤顆粒位置變化而變化，因此根據(jù)已建立的加速階段、拋運階段數(shù)學模型，采用Matlab對微分方程進行逐步求解，分析各因素對土壤運動的影響規(guī)律。東北地區(qū)土壤類型主要為黑土，根據(jù)文獻可知土壤與金屬之間摩擦角約為40°[20-21]，確定還田刀彎折線角為55°，還田刀彎折角為77°，L1為103 mm，L2為174 mm，還田刀切向寬度為100 mm，刀輥轉速為190 r/min，根據(jù)所確定參數(shù)，得到土壤顆粒與還田刀間相對位移隨時間變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 相對位移與相對速度隨時間變化曲線Fig.10 Changing curves of relative displacement and velocity with time

根據(jù)數(shù)學模型推導可知，當還田刀彎折線角為55°、還田刀彎折角為77°、還田刀切向寬度為100 mm、刀輥轉速為190 r/min的條件下，拋揚時間0.042 6 s時，土壤顆粒與還田刀相對靜止，進入拋運階段，土壤在離心力的作用下，始終與還田刀保持相對靜止狀態(tài)，無相對運動，直到拋揚時間0.12 s時，土壤顆粒不受還田刀作用，只在重力作用下進行拋物線運動，土壤顆粒被還田刀拋出進入空轉階段，由式(22)、(23)可得出被拋出時土壤與機具間相對速度v1約為3.5 m/s，x軸方向絕對速度vx約為2 m/s。水稻秸稈全量深埋還田機作業(yè)前進速度v2不大于0.85 m/s，土壤顆粒首次被拋揚時絕對速度va方向為刀輥后方。

圖11 還田刀示意圖Fig.11 Sketch of cutting tool

2.7 還田刀排列方式

還田刀結構如圖11所示。還田刀切向寬度L、理論幅寬B1和最大旋轉半徑rmax表達式分別為

(24)

B1=(l-a1)sinξ

(25)

a2=a1+bcotζ

(26)

rmax=a2+(l-a2)cosξ+l1-l2

(27)

式中b——還田刀寬度，mm

B1——單個還田刀理論幅寬，mm

l——還田刀展平長度，mm

a1——還田刀彎折刀柄短邊長度，mm

a2——還田刀彎折刀柄長邊長度，mm

l1——旋轉中心到兩刀具安裝孔連接線的距離，mm

l2——還田刀上平面與兩刀具安裝孔連接線的距離，mm

其中a1為40 mm，l為220 mm，l1為986 mm，l2為20 mm，L為100 mm，最大旋轉半徑rmax約為250 mm，通過式(24)～(27)確定還田刀寬度b為80 mm，單個還田刀理論幅寬B1為175 mm。

還田刀切向寬度應大于切土節(jié)距，切土節(jié)距表達式為

(28)

式中S——還田刀每次切削土壤的切土節(jié)距，m

Z——同一回轉平面還田刀數(shù)

n——刀輥轉速，r/min

根據(jù)牽引機具低速3擋前進速度v2為0.85 m/s，刀輥轉速n為190 r/min，由式(28)計算得出當同一回轉平面刀片個數(shù)為3時，切土節(jié)距為85 mm，小于還田刀切向寬度L。

根據(jù)單個還田刀理論幅寬B1，確定8個刀盤，刀盤軸向間距為256 mm，相鄰刀盤定位孔轉角為15°，還田刀排列如圖12所示。

圖12 還田刀安裝排列示意圖Fig.12 Schematic of arrangement of cutting tool

由圖12可知，水稻秸稈全量深埋還田機的每個刀盤上交錯安裝左刀、右刀各3把，在同一時刻左刀與右刀各有一把入土，以保證工作穩(wěn)定和刀軸負荷均勻，且還田刀均按照螺旋線規(guī)則安裝[22-23]。

3 傳動系統(tǒng)與擋草柵設計

3.1 傳動系統(tǒng)

作業(yè)過程中東方紅系列拖拉機動力輸出軸轉速n1約為540 r/min，已設計刀輥轉速n為190 r/min，傳動系統(tǒng)的總體傳動比i表達式為

(29)

由式(29)可得傳動比i為54∶19，采購選取傳動比ic為54∶23的齒輪箱，確定副傳動箱傳動比if為23∶19，根據(jù)拖拉機三角懸掛高度及設計耕深，確定傳動軸與刀輥的距離約為425 mm，通過查閱機械手冊，副傳動箱齒輪選取模數(shù)為8.15的齒輪，Ⅰ級齒輪、Ⅱ級齒輪、Ⅲ級齒輪齒數(shù)z1、z2、z3分別為19、31、23，如圖13所示，傳動軸和刀輥間距離為424 mm。傳動比表達式為

(30)

圖13 旋耕裝置傳動示意圖Fig.13 Structural diagram of rotary tillage device1.齒輪箱 2.齒輪箱動力輸入軸 3.傳動軸 4.變速箱 5.Ⅰ級齒輪 6.Ⅱ級齒輪 7.Ⅲ級齒輪 8.刀輥

3.2 擋草柵

擋草柵作用是對大塊土壤進行二次破碎，同時使水稻秸稈與大塊土壤撞擊在擋草柵上時落于擋草柵前方。擋草柵由擋草柵安裝架、擋草柵條兩部分組成，其結構如圖14所示。

圖14 擋草柵結構簡圖Fig.14 Structural diagram of grass grid block1.擋草柵安裝架 2.擋草柵條

根據(jù)國家標準將最大直徑小于4 cm的塊狀土壤定義為破碎程度合格的土壤，因此相鄰擋草柵條間距應小于4 cm，根據(jù)機具幅寬210 cm，確定擋草柵條間距3.6 cm，擋草柵條個數(shù)為58個。

4 田間試驗

4.1 試驗設備與條件

為驗證水稻秸稈全量深埋還田機在不同作業(yè)環(huán)境下作業(yè)效果，對水稻秸稈深埋還田機進行田間試驗。試驗分別于黑龍江省建三江分局七星農場和黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)許堡鄉(xiāng)郎堡村農業(yè)農村部水稻萬畝高產示范基地進行。其中建三江分局七星農場土壤類型為黑土[24]，距地表深度為15～20 cm的土壤堅實度為750～1 200 kPa，土壤含水率為15%～20%；呼蘭區(qū)土壤類型為黑土，距地表深度為15～20 cm的土壤堅實度為600～1 000 kPa，含水率為35%～40%。配套牽引拖拉機均選用東方紅LX904型拖拉機，牽引功率為66 kW，經測量，東方紅LX904型拖拉機油門控制在90%左右時，低速1擋作業(yè)速度為1.6 km/h、低速2擋作業(yè)速度為2.3 km/h、低速3擋作業(yè)速度為3 km/h。

試驗器材包括：直尺、重力計(20 kg)、卷尺(5 m)、SL-TYA型硬度計、土壤水分測試儀、膠織袋、電子秤(120 kg)、剪刀、塑料袋、軟繩等。

4.2 田間試驗方法

影響水稻秸稈全量深埋還田機作業(yè)質量的主要參數(shù)包括：留茬高度、離地間隙和前進速度。留茬過高，水稻秸稈全量深埋還田機作業(yè)時刀輥易纏草，無法正常作業(yè)；留茬過低，粉碎的水稻秸稈過多，來年泡田時易產生秸稈漂浮現(xiàn)象；留茬高度可以通過控制收獲機械割臺高度進行控制。離地間隙為水稻秸稈全量深埋還田機罩殼前端橫梁底部與地面間豎直距離，可以通過調整牽引機具三點懸掛進行控制，如圖2所示；離地間隙越小，則耕深越大、還田率越高，但能耗隨之增加，若離地間隙過大，耕深過小，則無法對秸稈進行有效掩埋。前進速度主要影響切土截距，從而影響地面平整度及碎土率，前進速度可以通過切換牽引機具不同擋位進行控制。因此，本試驗在土壤含水率為15%～20%，土壤堅實度為750～1 200 kPa的條件下進行作業(yè)，選取留茬高度、離地間隙和前進速度作為試驗因素，各因素選取三水平進行正交試驗，選取耕深、碎土率、還田率和地面平整度作為指標評價作業(yè)質量。試驗因素水平編碼見表1。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment for field operation

耕深和碎土率測量方式參考NT/Y 499—2013《旋耕機作業(yè)質量》。還田率是衡量作業(yè)質量的重要指標，測量方法為在未耕地上測定單位面積內地表上秸稈質量，記錄其數(shù)值為m1。再在已耕地上測定單位面積內地表上秸稈質量，記錄其數(shù)值m2。還田率ε為

(31)

地面平整度決定了后續(xù)水整地以及插秧的作業(yè)質量，因此也作為衡量作業(yè)質量的一個指標，測量方法為：截取一根長度為2 m的軟繩，拉直后平放于地表，使軟繩緊貼地表。測量軟繩兩端的水平距離為La，地面平整度ψ為

(32)

4.3 試驗結果與分析

田間試驗結果及極差分析見表2，方差分析見表3。A、B、C分別代表留茬高度、離地間隙、前進速度水平值。

表2 田間試驗結果Tab.2 Test results of experiment for field operation

注：Ki表示各因素i水平所對應的各試驗指標之和，ki表示各因素i水平所對應的各試驗指標平均值，R表示各因素各水平下試驗指標平均值極差。

由表2可知，3個因素對耕深影響的主次順序為離地間隙、留茬高度(前進速度)，說明離地間隙對耕深影響最大，留茬高度與前進速度對耕深影響較小。3個因素對還田率影響的主次順序為留茬高度、離地間隙、前進速度，說明留茬高度對還田率影響最大，其次為離地間隙，前進速度的影響最小。3個因素對地面平整度影響的主次順序為前進速度、留茬高度、離地間隙，說明前進速度對地面平整度影響最大，其次為留茬高度，離地間隙對地面平整度影響最小。3個因素對碎土率影響主次順序依次為前進速度、離地間隙、留茬高度，說明前進速度對碎土率影響最大，其次為離地間隙，留茬高度對碎土率影響最小。

由表3可知，對于試驗指標耕深來說，離地間隙的影響極顯著。對于試驗指標還田率來說，留茬高度及離地間隙的影響極顯著。對試驗指標地面平整度來說，前進速度的影響極顯著。對于試驗指標碎土率來說，留茬高度的影響極顯著，前進速度的影響顯著。

表3 方差分析結果Tab.3 Results of variance analysis

注：*表示影響顯著，** 表示影響極顯著。

綜合分析表2、3，耕深最大的組合為A3B1C1，還田率最優(yōu)組合為A1B1C1，地面平整度最優(yōu)組合為A1B3C1，碎土率最優(yōu)方案為A3B1C1。水稻秸稈全量深埋還田機可以在牽引功率66 kW，作業(yè)速度不高于低速3擋(3 km/h)，留茬高度不大于260 mm的情況下完成作業(yè),且還田率達到85%，碎土率與地面平整度均達到95%。試驗效果如圖15所示。

圖15 還田效果圖Fig.15 Returning field renderings

如圖15所示，作業(yè)過程中水稻秸稈全量深埋還田機前方壅土現(xiàn)象明顯減輕，但水稻秸稈全量深埋還田機兩側限深板拖草現(xiàn)象嚴重，后續(xù)將增加脫草裝置，對水稻秸稈全量深埋還田機進行改進。

4.4 適應性水田驗證試驗

為驗證水稻秸稈全量深埋還田機在含水率為35%～40%的粘重土壤條件下的作業(yè)效果，選取東方紅LX-904型拖拉機作為牽引機具，選取低速2擋為作業(yè)擋位，留茬高度約為260 mm，離地間隙70 mm，進行了適應性驗證試驗。測試結果見表4。各項指標均符合作業(yè)要求，作業(yè)效果如圖16所示。

5 結論

(1)設計了一種水稻秸稈全量深埋還田機，能夠有效減輕水稻秸稈全量深埋還田機作業(yè)時刀輥前方壅土現(xiàn)象，降低水稻秸稈全量深埋還田機對牽引功率的需求。

表4 適應性水田驗證試驗結果Tab.4 Results of field test to verify suitability of paddy field

圖16 適應性水田驗證試驗還田效果圖Fig.16 Returning field renderings of field test to verify suitability of paddy field

(2)通過建立加速階段及拋運階段土壤顆粒與刀具間相對位移數(shù)學模型和空轉階段土壤顆粒運動模型，探究還田刀各參數(shù)對刀具拋揚土壤能力的影響規(guī)律，確定了還田刀彎折線角為55°，還田刀彎折角為77°，還田刀寬度為80 mm，刀輥轉速為190 r/min，并完成整機配置。

(3)通過田間試驗證明，水稻秸稈全量深埋還田機可以在牽引功率66 kW，作業(yè)速度不高于低速3擋(3 km/h)，留茬高度不大于260 mm的情況下完成作業(yè)，且還田率達到85%，碎土率與地面平整度均達到95%。水稻秸稈全量深埋還田機前方壅土現(xiàn)象有明顯減輕，但水稻秸稈全量深埋還田機兩側限深板拖草現(xiàn)象嚴重，需要增加脫草結構進行改進。

(4)通過呼蘭區(qū)水田田間試驗證明，水稻秸稈全量深埋還田機可在牽引功率66 kW、土壤含水率35%～40%、留茬高度260 mm、離地間隙70 mm環(huán)境下完成作業(yè)，且還田率、地面平整度、耕深各指標均滿足農藝要求。