黃玉祥 高鵬洋 張慶凱 沈 浩 朱瑞祥 史江濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌712100;2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心，陜西楊凌712100;3.西安亞澳農(nóng)機股份有限公司，西安710300)

0 引言

免耕播種是保護性耕作的核心技術(shù)之一。免耕播種作業(yè)時秸稈及雜草纏繞耕作部件是造成機具通過困難、發(fā)生草土混雜和晾籽架種現(xiàn)象的主要影響因素［1-6］。因此，研發(fā)苗帶清秸率高、作業(yè)性能穩(wěn)定的草土分離裝置是提高免耕播種質(zhì)量的關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞免耕播種機的切茬破茬、清秸防堵裝置的性能參數(shù)及作業(yè)效果先后進行了大量研究［7-16］。林靜等［11］通過優(yōu)化螺線型缺口圓盤破茬刀提高破茬開溝質(zhì)量;FALLAHI 等［12］在開溝器前設(shè)計交錯星齒撥草輪，依靠機器配重和轉(zhuǎn)動的撥草輪，實現(xiàn)對苗帶秸稈及雜草的運移;王慶杰等［13］利用雙翼對稱旋切式淺松刀的側(cè)切刃和正切刃，實現(xiàn)大秸稈覆蓋量下表層土壤的松整和除草;施印炎等［14］通過調(diào)控碎秸裝置導(dǎo)流板將粉碎后向后噴射的秸稈自行分開，進而形成無秸稈障礙的播種帶;HUANG 等［15］基于秸稈移位防堵思路設(shè)計了一種秸稈移位防堵裝置，通過主動旋轉(zhuǎn)的立式刀片將苗帶的秸稈及雜草移至苗帶兩側(cè);牛萌萌等［16］提出秸稈分撥引導(dǎo)的防堵思路，通過引導(dǎo)秸稈攀升實現(xiàn)秸稈的層疊堆積，避免了秸稈回填至苗帶現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究側(cè)重于清秸方式和防堵裝置的結(jié)構(gòu)，但由于地表秸稈及雜草可自由移動，工作部件有時會將秸稈甩出，而不是切斷，因此會出現(xiàn)秸稈及雜草回填至苗帶和纏繞耕作部件等現(xiàn)象。另外，工作部件的高速旋轉(zhuǎn)造成機具振動和動力消耗較大，存在工作性能不穩(wěn)定等問題。

本文提出驅(qū)動切茬與被動導(dǎo)草相結(jié)合的技術(shù)思路，設(shè)計一種由凹面缺口圓盤刀主動切割、破碎、撥拋秸稈及雜草，導(dǎo)草板將其引導(dǎo)分流至苗帶兩側(cè)的組合式草土分離裝置。通過分析凹面缺口圓盤刀與秸稈及雜草間的相互作用運動規(guī)律，確定刀盤的關(guān)鍵參數(shù)及取值范圍，借助CFD 仿真技術(shù)得到導(dǎo)草板的最優(yōu)參數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)正交試驗設(shè)計方法和離散元仿真試驗獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，通過田間試驗驗證該裝置的作業(yè)性能。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由機架、凹面缺口圓盤刀、滅茬刀片、開溝器、刀軸、導(dǎo)草板、刀座、開溝器固定架、變速箱等組成。其中凹面缺口圓盤刀具有一定偏角α，開溝器上設(shè)有導(dǎo)草板，通過凹面缺口圓盤刀與帶有導(dǎo)草板開溝器的有效組合，實現(xiàn)對秸稈及雜草的切割、破碎、撥拋以及導(dǎo)引等過程。

圖1 切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of combined straw and soil separation device for cutting stubble and guiding grass

1.2 工作原理

該草土分離裝置采用三點懸掛掛接于拖拉機后方并沿其前進方向運動。作業(yè)時，由拖拉機動力輸出軸提供旋轉(zhuǎn)動力通過變速箱傳遞給刀軸，刀軸帶動凹面缺口圓盤刀和滅茬刀片旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)方向與機具前進方向一致)，對覆蓋在地表的秸稈及雜草進行循環(huán)切割破碎，同時開出一條“W”型溝，滅茬刀片對苗帶進行一定程度的預(yù)耕作;開溝器隨著機組前進逐漸破茬入土并開出一條“V”型溝，安裝在其上的導(dǎo)草板將破碎后的秸稈及雜草導(dǎo)入“W”型溝內(nèi)，實現(xiàn)草土分離。當(dāng)達到穩(wěn)定工作區(qū)域時，開溝器與凹面缺口圓盤刀形成定刀與動刀組合，對秸稈及雜草進行二次有支撐切割，被切斷、破碎的殘茬秸稈及雜草在導(dǎo)草板、自身重力及慣性力的作用下被導(dǎo)向苗帶兩側(cè)，形成一條清潔的苗帶種床環(huán)境，有效解決苗帶草土混雜問題，保證播種與施肥開溝器、地輪、覆土鎮(zhèn)壓器等觸土部件順利通過，進而提高免耕播種作業(yè)質(zhì)量。圖2 為切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置的工作原理與作業(yè)過程示意圖。

圖2 工作原理與作業(yè)過程示意圖Fig.2 Schematics of working principle and operation process

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1 凹面缺口圓盤刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 類型確定

凹面缺口圓盤刀的主要作用是主動切割破碎覆蓋在地表的秸稈及雜草，防止土壤耕作部件纏草堵塞。對不同類型凹面缺口圓盤刀切割秸稈及雜草時的受力情況進行分析，如圖3 所示。圖中，G 為秸稈重力，N 為地表對秸稈及雜草的支持力，F(xiàn)r和Ft分別為凹面缺口圓盤刀對秸稈及雜草的砍切力和滑切力，f1和f2分別為秸稈及雜草相對地表和凹面缺口圓盤刀的摩擦力。

不同類型凹面缺口圓盤刀的砍切、滑切作用效果不同，在低速情況下，滑切作用優(yōu)于砍切作用［17］。由圖3 可知，鋸齒形缺口和梯形缺口圓盤刀均以砍切為主，對秸稈及雜草的滑切作用較弱，因而動力消耗較大;凹弧形缺口和圓形缺口圓盤刀對秸稈及雜草均具有砍切和滑切作用，且凹弧形缺口圓盤刀的滑切作用大于圓形缺口圓盤刀。為保證秸稈及雜草在動力消耗較小和不發(fā)生滑移的條件下被有效切割破碎，選擇凹弧形缺口圓盤刀(圖3d)作為凹面缺口圓盤刀的結(jié)構(gòu)。

圖3 不同類型凹面缺口圓盤刀受力分析Fig.3 Force analyses of notched disk cutters with different types of concave surfaces

2.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

為避免刀盤因發(fā)生磨損而影響刀齒高度和入土深度，刀齒設(shè)計有齒頂寬S，且齒底寬度為2S。凹面缺口圓盤刀的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4 所示，凹弧形缺口圓盤刀刀齒的結(jié)構(gòu)由齒頂寬S、刀齒高度h 和弧高h(yuǎn)1共同決定。h1過大會導(dǎo)致刀齒對秸稈及雜草的滑切作用較大而發(fā)生滑移現(xiàn)象，h1過小引起刀齒秸稈及雜草的砍切作用較大而增大切割阻力。本文在課題組前期研究成果［18］基礎(chǔ)上，選取S 為25 mm，h1為15 mm，則凹弧形刀齒曲線半徑r 為

圖4 凹面缺口圓盤刀結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic of concave notched disc cutter

由式(1)可知，凹弧形刀齒半徑r 與刀齒高度h有關(guān)，需根據(jù)不同刀齒高度確定凹面缺口圓盤刀的刀齒曲線半徑。

2.2 刀刃運動軌跡分析

工作時，凹面缺口圓盤刀在繞刀軸旋轉(zhuǎn)的同時隨機組勻速前進，由于凹面缺口圓盤刀需將切割、破碎后的秸稈及雜草拋送至苗帶兩側(cè)，故其刀齒上任意一點的運動軌跡應(yīng)滿足余擺線。以凹面缺口圓盤刀回轉(zhuǎn)中心為原點建立XOZ 平面坐標(biāo)系，X 軸為機組前進方向，Z 軸豎直向上，對凹面缺口圓盤刀的端點M 進行運動分析，如圖5 所示，端點M 的運動方程滿足

式中 xM、zM——M 點在X 軸和Z 軸方向上位移，m

R——凹面缺口圓盤刀回轉(zhuǎn)半徑，m

ω——凹面缺口圓盤刀角速度，rad/s

v——機組前進速度，m/s

t——作業(yè)時間，s t=0 時，端點M 位于X 軸上的M0處。

圖5 凹面缺口圓盤刀上端點M 運動軌跡Fig.5 Motion trajectory of end point M on concave notched disk cutter

由式(2)可知，凹面缺口圓盤刀上端點M 的絕對運動速度為

由凹面缺口圓盤刀的結(jié)構(gòu)及作業(yè)過程可知

式中 H——凹面缺口圓盤刀入土深度，mm

結(jié)合式(2)～(4)可知，影響凹面缺口圓盤刀端點絕對速度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有刀盤入土深度H、回轉(zhuǎn)半徑R、角速度ω 以及機組前進速度v。根據(jù)課題組前期研究成果以及玉米免耕播種相關(guān)農(nóng)藝要求［5，18-19］，選取凹面缺口圓盤刀回轉(zhuǎn)半徑R 和轉(zhuǎn)速n 分別為0.2 m和400 r/min，機組前進速度v 為4 km/h。

2.3 凹面缺口圓盤刀切割秸稈運動學(xué)分析

將覆蓋在地表的秸稈及雜草視為散粒體，進行受力分析。假設(shè)在整個作業(yè)過程中凹面缺口圓盤刀為勻速運動且入土深度保持穩(wěn)定［20］，凹面缺口圓盤刀起始切割點位于刀齒高度的1/2 處。如圖6 建立空間直角坐標(biāo)系OXYZ，X 軸為機組前進方向，Y 軸為水平面內(nèi)與X 軸垂直方向，Z 軸為豎直方向。

利用空間力系的二次投影法，將凹面缺口圓盤刀開始切割秸稈及雜草時所受的力沿X、Y、Z 方向進行分解，可知秸稈及雜草顆粒沿坐標(biāo)軸方向的運動微分方程為

圖6 凹面缺口圓盤刀切割秸稈起始點受力分析Fig.6 Analysis diagram of force at starting point of straw cutting with concave notched disc cutter

式中 m——秸稈及雜草質(zhì)點質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

β——凹面缺口圓盤刀回轉(zhuǎn)中心和秸稈及雜草起始接觸點連線與機組前進方向的夾角，(°)

τ——凹面缺口圓盤刀回轉(zhuǎn)中心和秸稈及雜草起始接觸點連線與滑切力夾角，(°)

φ1——秸稈及雜草與地表間摩擦角，(°)

φ2——秸稈及雜草與凹面缺口圓盤刀間的摩擦角，(°)

由式(5)可得凹面缺口圓盤刀與秸稈起始接觸點處秸稈質(zhì)點在X、Y、Z 軸的分速度為

結(jié)合凹面缺口圓盤刀的結(jié)構(gòu)可知

式中 d——秸稈及雜草直徑，mm

由式(6)、(7)可知，影響秸稈切割速度的凹面缺口圓盤刀結(jié)構(gòu)參數(shù)還有α、h 和τ，而τ 取決于凹面缺口圓盤刀的刀齒形狀，結(jié)合課題組前期研究［19］和玉米免耕精量播種機的作業(yè)要求，選取凹面缺口圓盤刀刀盤偏角范圍為6° ～30°，刀齒高度取值范圍為40 ～100 mm。

2.4 凹面缺口圓盤刀拋撒秸稈運動學(xué)分析

凹面缺口圓盤刀對覆蓋于地表的秸稈及雜草進行切割、破碎的同時將其撥拋至苗帶兩側(cè)，為了研究秸稈及雜草的拋撒規(guī)律，對凹面缺口圓盤刀拋撒秸稈的瞬時運動狀態(tài)進行了分析，并作如下假設(shè):將秸稈簡化為一個質(zhì)點;凹面缺口圓盤刀在勻速條件下運動;忽略空氣阻力的影響;忽略秸稈及雜草間的相互碰撞。秸稈及雜草在脫離凹面缺口圓盤刀的瞬時做斜上拋運動［21］，其拋撒過程如圖7 所示。

圖7 秸稈拋撒運動學(xué)分析Fig.7 Kinematic analysis diagram of straw scattering

假設(shè)N 點為秸稈脫離凹面缺口圓盤刀齒約束的臨界點，并且凹面缺口圓盤刀從該點開始將秸稈及雜草撥拋至苗帶兩側(cè)和機組前進方向的后方，則秸稈及雜草顆粒在N 點的絕對速度vc為

式中 vc——秸稈及雜草顆粒脫離凹面缺口圓盤刀的瞬時速度，m/s

由凹面缺口圓盤刀的結(jié)構(gòu)及其工作參數(shù)可知，秸稈及雜草顆粒在N 點拋出后沿坐標(biāo)軸的運動軌跡方程為

式中 H1——秸稈及雜草顆粒起拋點與溝底的垂直距離，m

Xc——秸稈及雜草在X 軸方向的拋出距離，m

Yc——秸稈及雜草在Y 軸方向的拋出距離，m

Zc——秸稈及雜草在Z 軸方向的拋出距離，m

由式(9)可知，秸稈及雜草顆粒水平向后的最大拋撒距離L1為

式中 δ——秸稈及雜草在N 點處的拋射角，(°)

秸稈及雜草顆粒向水平面內(nèi)垂直于機組前進方向的最大拋撒距離L2為

同理可知，秸稈及雜草在豎直方向的最大拋撒高度H2為通過上述分析可知，秸稈及雜草質(zhì)點再次回落至地面時，其在水平面內(nèi)的拋撒距離最遠(yuǎn)，當(dāng)拋射角δ 為π/4、秸稈及雜草質(zhì)點的拋撒時間為vcsinδ/g 時，根據(jù)凹面缺口圓盤刀不同結(jié)構(gòu)參數(shù)確定L1、L2和H2。

2.5 導(dǎo)草板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.5.1 力學(xué)分析

設(shè)計導(dǎo)草板的目的是利用其自身的形狀特點將凹面缺口圓盤刀和滅茬刀片破碎后的秸稈及雜草順利分流，防止因發(fā)生回填現(xiàn)象而引起晾籽架種，影響免耕播種質(zhì)量。本文重點探討3 種不同形狀導(dǎo)草板對秸稈及雜草的導(dǎo)流能力，并對秸稈及雜草脫離導(dǎo)草板(以直型導(dǎo)草板為例)的瞬時進行運動學(xué)分析，如圖8 所示。

圖8 導(dǎo)草板主要參數(shù)與力學(xué)分析Fig.8 Analysis diagram of main parameters and mechanics of guide grass plate

由圖8 可建立秸稈及雜草顆粒沿機組前進方向的運動微分方程

其中

式中 FN——秸稈及雜草在垂直于機組前進方向的水平面內(nèi)受到的導(dǎo)草板瞬時支持力，N

f——秸稈及雜草與導(dǎo)草板間的摩擦力，N

F——拖拉機牽引力，N

ε——秸稈及雜草脫離導(dǎo)草板瞬時所在切線方向與機組前進方向的夾角，(°)

φ3——秸稈及雜草與導(dǎo)草板間摩擦角，(°)

P——拖拉機輸出功率，W

由式(13)、(14)可知，保證秸稈及雜草能夠沿機組前進反方向運動的條件為

導(dǎo)草板的高度、長度以及相對苗帶偏離的角度等參數(shù)由其安裝位置和玉米免耕播種的農(nóng)藝要求決定。由式(15)可知，導(dǎo)草板的導(dǎo)流效果主要與ε 有關(guān)，導(dǎo)草板的形狀決定ε，ε 越小導(dǎo)流效果越好。結(jié)合圖8 可知，凸型導(dǎo)草板更有利于秸稈及雜草分流。

2.5.2 CFD 仿真分析

Fluent 可直觀顯示流場區(qū)域，為選擇合理的凸型導(dǎo)草板結(jié)構(gòu)，參考高娜娜等［6］研究方法對5 種半徑凸型導(dǎo)草板進行了繞流模擬分析，得到導(dǎo)草板在流場內(nèi)速度和壓力分布云圖如圖9 所示。

圖9 不同半徑凸型導(dǎo)草板速度和壓力分布云圖Fig.9 Velocity and pressure distribution cloud charts of convex guide grass plates with different radius

圖9 表明，當(dāng)秸稈及雜草流經(jīng)導(dǎo)草板時，由于其自身具有一定黏性，導(dǎo)致壁面速度迅速下降，繞流完成后逐漸上升至邊界層外的流體速度。其中半徑為150 mm 的凸型導(dǎo)草板速度趨于穩(wěn)定的時間相對較短，流體流出邊界層時的速度較大，流體流經(jīng)導(dǎo)草板時壓力發(fā)生變化的區(qū)域較長，并且能夠快速上升至邊界層外流體壓力。綜上分析可知，半徑為150 mm 的凸型導(dǎo)草板壁面速度和壓力變化穩(wěn)定，并且變化后能夠快速達到邊界層外流速度和壓力，導(dǎo)流效果較好。

3 離散元仿真試驗

運用離散元仿真軟件EDEM 2.7 建立草土分離裝置-土壤-秸稈間的相互作用模型，模擬草土分離裝置實際作業(yè)工況，以苗帶秸稈清除率為主要評價指標(biāo)，分析影響草土分離裝置作業(yè)性能的主要因素，尋求凹面缺口圓盤刀的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為后續(xù)田間驗證試驗奠定基礎(chǔ)。

3.1 仿真建模

為合理有效地進行仿真計算，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在SolidWorks 中按1∶1的比例建立組合式草土分離裝置的3D 幾何模型并對其進行簡化，去除與工作過程無關(guān)的零部件并另存為.igs 格式后導(dǎo)入EDEM 2.7 的Geometry 選項中。為平衡計算機的計算能力和仿真效率，便于分析該裝置對苗帶秸稈及雜草的影響規(guī)律，選用半徑為3 mm 的球形顆粒作為土壤顆粒，顆粒間的接觸選用Hertz-Mindlin with bonding 接觸模型［22］，采用由直徑10 mm、球心間隔3 mm 組成的長為85 mm 的長線性模型作為秸稈及雜草顆粒模型［23］，設(shè)置秸稈模型的力學(xué)關(guān)系模型為Hertz-Mindlin 無滑動接觸模型，離散元仿真基本參數(shù)如表1 所示［24-27］。

表1 離散元仿真模型基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of discrete element simulation model

為滿足玉米免耕播種要求，根據(jù)玉米免耕施肥播種深度、田間秸稈覆蓋情況以及組合式草土分離裝置的有效工作幅寬，在EDEM 中建立長×寬×高為1 500 mm×600 mm×200 mm 的虛擬土槽，其中土壤層厚度為160 mm，秸稈層厚度為40 mm。設(shè)定仿真總時間為8.8 s，其中0 ～5.5 s 生成高160 mm 的土壤顆粒并自然沉降;5.5 ～7 s 生成高40 mm 的秸稈及雜草顆粒并自然沉降［24］，建立的草土分離裝置-土壤-秸稈間的相互作用模型如圖10 所示。

圖10 草土分離裝置-土壤-秸稈間的相互作用模型Fig.10 Interaction model of grass-soil separation device，soil and straw

3.2 仿真過程

在虛擬仿真過程中，設(shè)置草土分離裝置位于虛擬土槽的一側(cè)開始作業(yè)。根據(jù)實際作業(yè)工況和玉米免耕施肥播種農(nóng)藝要求，設(shè)置該裝置前進速度為4 km/h、開溝器入土深度為120 mm，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為土壤顆粒尺寸的3 倍，以便對后續(xù)試驗數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)處理，將組合式草土分離裝置導(dǎo)入所生成的虛擬土槽中，設(shè)定仿真計算時間為1.8 s。仿真作業(yè)過程如圖11 所示。

圖11 草土分離裝置仿真作業(yè)過程Fig.11 Simulation process of grass and soil separation device

3.3 仿真試驗設(shè)計

為深入研究組合式草土分離裝置的作業(yè)效果，根據(jù)理論分析結(jié)果，確定凹面缺口圓盤刀的刀盤入土深度H、刀齒高度h 以及刀盤偏角α 為試驗因素，以苗帶秸稈清除率為試驗評價指標(biāo)，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合優(yōu)化試驗方法，確定該草土分離裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，試驗因素編碼如表2 所示。

將試驗方案和數(shù)據(jù)錄入Design-Expert 中并對其進行回歸分析，通過在EDEM 中Analyst 選項中的Selection 模塊輸出作業(yè)前后網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的秸稈數(shù)量，如圖12 所示。具體試驗方案和結(jié)果如表3 所示，A、B、C 為因素編碼值。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Factors and codes of test

圖12 苗帶秸稈清除效果測試區(qū)域Fig.12 Seedling with straw removal effect test area

表3 試驗設(shè)計方案與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

3.4 仿真試驗結(jié)果與分析

運用Design-Expert 軟件對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)合響應(yīng)面分析法進行顯著性和回歸擬合度分析，建立苗帶秸稈清除率的回歸模型，采用多目標(biāo)變量優(yōu)化方法進行參數(shù)優(yōu)化，得到組合式草土分離裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

3.4.1 回歸模型與顯著性方差分析

苗帶秸稈清除率的回歸模型與顯著性方差分析結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，凹面缺口圓盤刀的刀盤入土深度H、刀齒高度h 以及刀盤偏角α 對苗帶秸稈清除率均具有顯著影響，仿真試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。各因素對苗帶秸稈清除率影響的主次順序為刀盤偏角、入土深度和刀齒高度，篩選出影響顯著的因素，從而得到苗帶秸稈清除率Q 的回歸方程為

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

3.4.2 響應(yīng)曲面分析

圖13 各因素對苗帶秸稈清除率影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surfaces of influence of various factors on clearance rate of seedling straws

為進一步直觀分析各試驗因素與試驗評價指標(biāo)間的關(guān)系，運用Design-Expert 軟件得到各因素交互作用對苗帶秸稈清除率的響應(yīng)曲面如圖13所示。由圖13a 可知，當(dāng)?shù)侗P刀齒高度一定時，苗帶秸稈清除率隨刀盤入土深度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當(dāng)?shù)侗P入土深度一定時，苗帶秸稈清除率隨刀盤刀齒高度的增大基本呈線性增大趨勢，增幅相對較小。由圖13b 可知，當(dāng)?shù)侗P偏角一定時，苗帶秸稈清除率隨刀盤入土深度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當(dāng)?shù)侗P入土深度一定時，苗帶秸稈清除率隨刀盤偏角的增大而逐漸增大。由圖13c 可知，當(dāng)?shù)侗P偏角一定時，苗帶秸稈清除率隨刀盤刀齒高度的增大而增大;當(dāng)?shù)侗P刀齒高度一定時，苗帶秸稈清除率隨刀盤偏角的增大而增大。分析上述影響規(guī)律產(chǎn)生的原因可知，當(dāng)凹面缺口圓盤刀的入土深度過大時，一部分秸稈及雜草被刀齒嵌入土壤中，苗帶秸稈清除率減小;增大刀齒高度，則刀盤切割秸稈及雜草的有效長度越大，苗帶秸稈清除率越大，但刀齒高度越大，則機具所占體積越大，刀具易受磨損，強度要求較高;刀盤偏角越大，刀盤的有效切割幅寬越大，苗帶秸稈清除率越大，但刀盤偏角過大也會導(dǎo)致作業(yè)阻力增大，此時需對各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化

為了得到該草土分離裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，采用多目標(biāo)變量優(yōu)化方法，對影響苗帶秸稈清除率的各個試驗因素進行優(yōu)化設(shè)計，遵循提高苗帶秸稈清除率的原則，結(jié)合各試驗因素的邊界條件，由非線性規(guī)劃參數(shù)模型

基于Design-Expert 軟件中的Optimization 模塊進行參數(shù)優(yōu)化并分析求解，從優(yōu)化結(jié)果中選取一組優(yōu)化方案作為最優(yōu)參數(shù)組合，即當(dāng)凹面缺口圓盤刀的刀盤入土深度為73.63 mm、刀齒高度為69.70 mm 和刀盤偏角為23.41°時，該裝置對秸稈及雜草的清除率達到98.15%，說明理論分析結(jié)果可靠，仿真試驗優(yōu)化的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為后續(xù)的田間試驗提供了借鑒。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為驗證切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置田間作業(yè)性能，在陜西省武功縣貞元鎮(zhèn)(34°18'N，108°12'E)開展了田間驗證試驗。試驗田的土質(zhì)類型為塿土，試驗地前茬作物為小麥，地表有秸稈和殘茬覆蓋，試驗期間平均溫度為17.6℃。根據(jù)優(yōu)化后凹面缺口圓盤刀刀盤入土深度73.63 mm，刀齒高度69.70 mm，刀盤偏角23.41°，加工試制了切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置并安裝在2BMJ-4 型玉米免耕精量播種機機架上，設(shè)定機組前進速度為4 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，開溝器的入土深度根據(jù)當(dāng)?shù)赜衩酌飧シN的施肥深度要求設(shè)定為120 mm，秸稈平均留茬高度為147.4 mm，覆蓋量為0.98 kg/m2，含水率為16.32%;土壤堅實度為2.03 MPa，含水率為18.68%，密度為1.53 g/cm3。田間試驗現(xiàn)場如圖14 所示。

圖14 田間試驗現(xiàn)場Fig.14 Field experiment scene

4.2 試驗內(nèi)容與方法

4.2.1 機具通過性

根據(jù)NY/T 1768—2009《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機鑒定總站免耕播種機性能檢測要求，在正常作業(yè)速度下，以60 m 為測試區(qū)域長度，分別按照輕微、中度、重度堵塞描述并記錄切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置在工作過程中發(fā)生堵塞的程度，不堵塞或一次輕微堵塞視為合格［19，28］。

4.2.2 苗帶秸稈清除率

試驗前，測試單位長度苗帶寬度內(nèi)的秸稈及雜草質(zhì)量，作業(yè)行程結(jié)束后，對苗帶剩余的秸稈質(zhì)量進行測量，測試點為穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)間隔為1 m 的連續(xù)10 個測點。使用電子天平稱量作業(yè)后苗帶上殘余的秸稈及雜草質(zhì)量，計算得到組合式草土分離裝置的苗帶秸稈清除率

式中 M1——作業(yè)前苗帶秸稈質(zhì)量，kg

M2——作業(yè)后苗帶殘余秸稈及雜草質(zhì)量，kg

4.2.3 溝型尺寸及土壤擾動量

整個裝置以正常速度作業(yè)后，在60 m 作業(yè)區(qū)域內(nèi)隨機取10 個點，人工扒開土層，利用鋼尺測量作業(yè)后的溝寬和溝深等溝型尺寸［29］，計算土壤擾動量

式中 η——土壤擾動量，%

W——實際開溝寬度，mm

K——播種行距，mm

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1 機具通過性

安裝有切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置的玉米免耕精量播種機作業(yè)過程順暢，未發(fā)生中度、重度堵塞和晾籽架種現(xiàn)象，表明該裝置的機具通過性能良好，防堵能力較強。

4.3.2 苗帶秸稈清除率

作業(yè)前后苗帶上的秸稈及雜草分布情況如圖15 所示，苗帶秸稈及雜草測量結(jié)果如表5 所示。由表5 可知，該裝置的平均苗帶秸稈清除率為90.16%，滿足玉米免耕精量播種機對苗帶種床環(huán)境的農(nóng)藝要求。

圖15 作業(yè)前后苗帶上的秸稈分布情況Fig.15 Distributions of straw in seedling belt before and after operation

表5 苗帶秸稈清除效果測定結(jié)果Tab.5 Results of stalk removal in seedlings

4.3.3 溝型尺寸及土壤擾動量

對切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置作業(yè)后的溝型尺寸進行測量并計算土壤擾動量。作業(yè)后的開溝深度和寬度測量過程如圖16 所示，田間測定的溝型尺寸與計算所得的土壤擾動量如表6 所示。

由表6 可知，切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置作業(yè)后的平均開溝寬度為125.1 mm，平均開溝深度為126.9 mm，二者均能滿足玉米免耕施肥深度要求，且平均土壤擾動量為20.85%，滿足玉米免耕播種對土壤擾動的農(nóng)藝要求。

圖16 開溝深度和寬度測量過程示意圖Fig.16 Schematics of trench depth and width measurement process

表6 土壤溝型尺寸測定結(jié)果Tab.6 Measurement results of soil groove size

綜上分析可知，本文設(shè)計的切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置的田間作業(yè)性能與仿真結(jié)果基本一致，但實際田間苗帶秸稈清除率低于仿真結(jié)果，產(chǎn)生的原因可能是仿真作業(yè)環(huán)境較為理想，而田間土壤的含水率、密度等相對較大，秸稈及雜草分布冗雜且覆蓋量不一，地表起伏較大，從而降低了苗帶秸稈清除率。田間驗證試驗結(jié)果表明，切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置的作業(yè)性能穩(wěn)定，機具通過性能良好，土壤擾動量較小，作業(yè)后的苗帶及種床環(huán)境滿足玉米免耕播種的農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種玉米免耕播種機驅(qū)動切茬與被動導(dǎo)草有效結(jié)合的草土分離裝置，采用凹面缺口圓盤刀和帶有導(dǎo)草板的開溝器分別對秸稈及雜草進行切割撥拋和引導(dǎo)分流，避免了秸稈及雜草回填至苗帶和草土混雜現(xiàn)象。

(2)影響切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置作業(yè)性能的主要因素有凹面缺口圓盤刀的回轉(zhuǎn)半徑R、刀盤入土深度H、刀齒高度h、刀盤偏角α，各因素的取值及范圍為:R = 200 mm、20 mm ≤H ≤100 mm、40 mm≤h≤100 mm、6°≤α≤30°。

(3)通過旋轉(zhuǎn)正交試驗設(shè)計方法和EDEM 仿真得到切茬導(dǎo)草組合式草土分離裝置的最佳參數(shù)組合為:刀盤入土深度73.63 mm、刀齒高度69.70 mm 和刀盤偏角23.41°。田間驗證試驗結(jié)果表明，該裝置的機具通過性良好，平均苗帶秸稈清除率為90.16%，平均土壤擾動量為20.85%，且作業(yè)性能穩(wěn)定，作業(yè)后的各項指標(biāo)均滿足玉米免耕播種的農(nóng)藝要求。