曹鑫鵬 王慶杰 李洪文 何 進(jìn) 盧彩云

(1.中國農(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農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測試驗站，北京 100083)

0 引言

保護(hù)性耕作是對農(nóng)田進(jìn)行少耕免耕、用作物秸稈覆蓋地表，從而減少風(fēng)蝕和水蝕、提高土壤肥力和抗旱能力的先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[1-2]。東北地區(qū)為我國玉米主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)氣溫較低，在玉米秸稈全量粉碎還田條件下，秸稈覆蓋量大、莖稈粗壯且較難粉碎[3]。春季免耕播種時，易造成開溝器等土壤耕作部件的纏繞及壅堵，影響播種作業(yè)效果及出苗質(zhì)量[4-5]。另外，播種后秸稈覆蓋播種帶，導(dǎo)致土壤升溫緩慢，延緩玉米出苗、影響后期生長，從而影響了玉米產(chǎn)量[6-8]。因此，研究高效的種帶清茬裝置是該地區(qū)推廣保護(hù)性耕作技術(shù)的關(guān)鍵。

目前，東北地區(qū)使用的種帶清茬裝置按照動力來源可分為主動式與被動式兩種，其中，被動輪盤式清茬裝置具有動力消耗少、保墑效果好、成本低等優(yōu)點，應(yīng)用較為廣泛。賈洪雷等[9]通過仿真分析的方法對影響清茬效果的清茬輪工作參數(shù)進(jìn)行分析，確定了清茬輪最佳工作參數(shù)，提高了種帶清茬率。王奇等[10]通過離散元仿真的方法對星齒凹面盤式清茬防堵裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，確定了星齒凹面盤的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在提高種帶清茬率的同時降低了作業(yè)阻力。林靜等[11]通過對清壟刀進(jìn)行運動學(xué)分析，確定了切撥防堵裝置的最佳作業(yè)參數(shù)，提高了種帶根茬切斷及清茬率?，F(xiàn)有研究多以提高種帶清茬率、降低作業(yè)阻力為目標(biāo)，并未考慮播種作業(yè)后秸稈在風(fēng)力作用下回壟和二次覆蓋種帶影響免耕播種作業(yè)質(zhì)量的問題。

為此，本文結(jié)合東北地區(qū)免耕作業(yè)秸稈覆蓋情況及播種需求，設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈側(cè)向切分及拋擲、種帶表土覆蓋秸稈的側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置，通過理論分析與多因素離散元仿真試驗獲得清茬裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并通過田間試驗對該裝置的作業(yè)性能進(jìn)行驗證。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置主要針對東北地區(qū)全量秸稈粉碎還田覆蓋條件下玉米免耕播種農(nóng)藝要求設(shè)計。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由安裝架、機架、過載彈簧、缺口切茬圓盤、仿形彈簧、撥茬齒盤和刮土板組成。撥茬齒盤安裝在缺口切茬圓盤左后方，獨立仿形。

1.2 工作原理

如圖1所示，清茬裝置通過安裝架安裝在免耕播種機開溝裝置前方，撥茬齒盤中心與種帶中心對齊，沿機具前進(jìn)方向運動。作業(yè)前，根據(jù)作業(yè)地表情況，調(diào)節(jié)缺口切茬圓盤入土深度H與撥茬齒盤入土深度h；作業(yè)時，缺口切茬圓盤將種帶中心右側(cè)10 cm處秸稈在地表土壤的支撐作用下切斷，同時切碎地表硬土并將秸稈及硬土向左上方拋送至撥茬齒盤清理寬度b1范圍內(nèi)，撥茬齒盤齒尖沿切茬圓盤切出土壤位置入土，在地表秸稈及土壤的力矩作用下，繞定軸轉(zhuǎn)動；秸稈及表土在撥茬齒盤的作用下沿其切線方向向種帶左側(cè)前方滑移，當(dāng)秸稈及表土運動到撥茬齒盤外圓方向與地面交點位置時，秸稈及表土在撥茬齒盤的作用下沿凹面切線方向向左前方先后拋出；被側(cè)向拋擲的秸稈在重力與慣性力的作用下先落至種帶左側(cè)后被種帶表土覆蓋。在切茬圓盤的切茬及撥茬齒盤側(cè)向拋茬的作用下，清理出寬度為B的清潔種帶，同時利用種帶表土將側(cè)向拋擲的秸稈覆蓋。

2 清茬裝置設(shè)計

2.1 側(cè)置切刀機構(gòu)

目前東北地區(qū)播種機多采用撥茬輪清理種帶，田間試驗發(fā)現(xiàn)，僅靠撥茬裝置側(cè)推作用無法將長秸稈拋離種帶，同時撥茬輪齒較難入土，影響清茬裝置作業(yè)穩(wěn)定性；在播種帶中心切斷秸稈，秸稈易被壓入播種帶影響清茬率的進(jìn)一步提高。針對以上問題，設(shè)計了側(cè)置切刀機構(gòu)，主要由圖1中的安裝架、缺口切茬圓盤、刮土板和過載彈簧組成，可保證切茬圓盤在種帶一側(cè)切分地表秸稈的同時破碎并側(cè)推地表硬土，提高撥茬齒盤的作業(yè)效果及穩(wěn)定性。

2.1.1切刀類型

圓盤式切茬裝置結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定且具有較好的滑切性能，因此選用圓盤刀對秸稈殘茬進(jìn)行切割。缺口圓盤相較于平面圓盤及波紋圓盤，對秸稈殘茬的砍切作用較強，入土阻力較小且具有一定的分茬作用[12]，最終確定切刀類型為缺口圓盤。

2.1.2切茬圓盤直徑

為保證切茬圓盤在秸稈覆蓋量較大地表具有良好的通過性，需滿足秸稈切割過程中不被切茬圓盤推動，通過靜力學(xué)分析可知，切茬圓盤需要滿足的條件為

(1)

式中D1——切茬圓盤直徑，mm

h1——切茬圓盤入土深度，mm

d——秸稈直徑，mm

φ1——秸稈與地面摩擦角，(°)

φ2——秸稈與切茬圓盤摩擦角，(°)

結(jié)合實地測量取秸稈直徑d=35 mm；為保證穩(wěn)定切茬效果，切茬圓盤入土深度通常為80～100 mm[13]，本文取最大入土深度h1=100 mm；玉米秸稈與65Mn鋼摩擦角為23°～33°，計算中取最大值φ2=33°[14]；針對播種機工作地表情況，秸稈與地面摩擦角φ1按30°計算，得圓盤直徑D1≥430 mm。切茬圓盤直徑越大，圓盤對秸稈殘茬的切割效果越好[14]，但是隨著圓盤直徑增大，圓盤入土壓力增大[15]，設(shè)計中常取430～460 mm[5,16]，為保證切茬圓盤較好的切茬效果，本文取切茬圓盤直徑D1=460 mm。

2.1.3切茬圓盤安裝

切茬圓盤與前進(jìn)方向的偏角及與豎直方向的傾角影響切茬圓盤對秸稈側(cè)拋作用、破茬能力及牽引阻力。在一定垂直壓力下，隨著切茬圓盤傾角的增大，切茬圓盤切茬率降低，且牽引阻力降低。當(dāng)切茬圓盤的偏角增大時，對秸稈及地表硬土的側(cè)拋作用越明顯，有利于撥茬齒盤的側(cè)向撥茬，但相同切茬深度下切茬圓盤所需垂直壓力增大。為提高撥茬齒盤的作業(yè)效果，選擇切茬圓盤安裝偏角為5°，傾角為0°[14,16-17]。

2.2 撥茬齒盤機構(gòu)

2.2.1運動分析

撥茬齒盤是清茬裝置主要工作部件，安裝在切茬圓盤側(cè)后方，其盤面與前進(jìn)方向及豎直方向成一定的角度，作業(yè)過程中撥茬齒盤被動旋轉(zhuǎn)，利用撥齒將秸稈及表土拋送至行間，因此撥齒在地表上的運動軌跡直接影響撥茬裝置作業(yè)質(zhì)量。假定撥茬過程中撥茬齒盤前進(jìn)速度為勻速，作業(yè)深度保持穩(wěn)定，對撥茬齒盤撥茬過程進(jìn)行分析[13]。由于撥齒數(shù)量較多，現(xiàn)以4個均布撥齒為例，建立如圖2所示的坐標(biāo)系，y軸正向為機具前進(jìn)方向。

撥茬齒盤撥茬過程中，撥茬齒盤在連接支臂的拉力和土壤的反作用力下繞安裝軸轉(zhuǎn)動，在仿形裝置的作用下齒尖入土，齒根位置與地表相切，撥齒邊轉(zhuǎn)動邊推動秸稈沿地表向側(cè)前方滑移。如圖2所示，撥茬齒盤與機具前進(jìn)方向的夾角為α，當(dāng)機器以速度vj沿前進(jìn)方向運動時，撥茬齒盤角速度為ω。作業(yè)過程中撥茬齒盤齒尖的絕對運動軌跡為以圓盤中心連線OO′為回轉(zhuǎn)中心的空間螺線，撥茬齒盤旋轉(zhuǎn)一周在地表留下4條間距為d1的曲線，撥齒自點P位置開始入土，當(dāng)?shù)竭_(dá)P1位置時撥齒出土，秸稈及表土沿?fù)懿琮X盤曲面切線被拋離種帶。

理想狀態(tài)下?lián)荦X沿地表的絕對運動軌跡即為秸稈與地表土的運動軌跡。如圖3所示，曲線PEP1為在撥齒作用下秸稈與表土沿地表的絕對運動軌跡，其運動過程可分解為：在平面圓盤作用下沿地表的直線滑移PG及沿凹面圓盤的齒刃滑移FE，其中曲線FE沿地表的投影為直線GE。實際撥茬過程中，兩種滑移同時發(fā)生，無先后順序[14]。

撥齒沿地表劃過軌跡方程為

(2)

式中vx、vy——撥茬齒盤沿x、y軸分速度，m/s

lde——齒刃沿地面的投影長度，mm

b2——地表軌跡寬度，mm

w——撥齒寬度，mm

d1——相鄰撥齒沿地表絕對軌跡間距，mm

rc——齒根圓半徑，mm

n——撥齒數(shù)量

由式(2)可知，影響撥齒沿地表運動軌跡的因素有α、vx、vy、lde、rc、w、n。

由撥茬齒盤的結(jié)構(gòu)可知

(3)

式中ρ——曲率半徑，mm

r——回轉(zhuǎn)半徑，mm

t——時間，s

l——撥齒長度，mm

δ1——地表秸稈覆蓋厚度，mm

由式(2)、(3)可知，影響撥茬齒盤清茬效果及秸稈壓土量的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑r、曲率半徑ρ，撥齒長度l、寬度w、齒數(shù)n。

2.2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.2.1撥茬齒盤輪盤

(1)回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長度

在地表秸稈覆蓋情況相同條件下，撥茬齒盤的清茬寬度如圖4所示。

作業(yè)過程中撥茬齒盤與前進(jìn)方向偏角為α?xí)r，撥茬齒盤理論清茬寬度b1為

b1=lMNsinα

(4)

(5)

式中l(wèi)MN——撥茬齒盤與地表交點距離，mm

由式(4)、(5)可知，種帶清茬寬度b1由撥齒長度l及回轉(zhuǎn)半徑r共同決定，為滿足清理指定寬度的種帶要求，需選擇合適的撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長度。

(2)曲率半徑

具有一定曲率的撥茬齒盤對地表秸稈、殘茬等覆蓋物有側(cè)推作用和翻拋作用，秸稈、殘茬及表土可沿曲面上升、拋擲，在秸稈覆蓋量較大情況下，撥茬、脫茬及脫土效果更理想[15]。

(3)厚度

撥茬齒盤厚度δ2越小，撥齒入土壓力越小，但磨損較快且容易插入秸稈，影響作業(yè)穩(wěn)定性。撥茬齒盤的厚度參照現(xiàn)有平面彎齒式撥草輪及圓盤耙在粘重土壤上作業(yè)的經(jīng)驗公式[16]

δ2=0.016r+1

(6)

式中δ2——撥茬齒盤厚度，mm

撥茬齒盤厚度取6 mm。

2.2.2.2撥茬齒盤撥齒

(1)撥齒傾角

按照撥齒與過圓心直線的夾角θ的大小，撥茬齒盤撥齒布置形式可分為徑向(θ=0°)、前傾(θ>0°)和后傾(θ<0°)。當(dāng)撥齒前傾時，撥茬過程中撥齒AB段接觸秸稈，秸稈受力如圖5所示，為達(dá)到撥茬的效果需滿足

f1+f2cos(φ-θ)≤Fsin(φ-θ)

(7)

式中f1——地表對秸稈的摩擦力，N

f2——撥齒對秸稈的摩擦力，N

F——撥齒對秸稈的壓力，N

φ——某時刻撥齒與地表的夾角，(°)

由式(7)、圖5可知，隨著θ的減小，撥齒撥動秸稈所需的作用力F減小，撥齒拋茬作用減小。當(dāng)θ<0時，在作業(yè)過程中秸稈與撥齒會發(fā)生自鎖，不利于脫茬作業(yè)。結(jié)合現(xiàn)有的撥茬輪指結(jié)構(gòu)，最終選定撥齒前傾角為30°。

(2)撥齒寬度

撥齒寬度w越大，秸稈與齒尖接觸面積越大，從而增大撥齒的入土壓力；但當(dāng)撥齒寬度過小時，撥齒易插入秸稈中，降低撥齒強度。綜合考慮東北地區(qū)秸稈直徑、撥齒強度及現(xiàn)有免耕撥草輪撥齒寬度，選擇撥齒寬度w為16 mm。

(3)齒數(shù)

撥茬齒盤撥齒齒數(shù)n為

(8)

式中d2——相鄰撥齒間距，mm

撥齒的排列方式如圖6所示，撥茬齒盤的齒距需要在保證對秸稈連續(xù)撥動、拋送，防止兩個撥齒齒根部分夾稈、漏撥的基礎(chǔ)上，降低撥齒入土壓力。由式(8)可知，撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑r與齒長l相同情況下?lián)荦X齒數(shù)n越多，相鄰撥齒間距d2越小，清茬效果越好，但撥茬齒盤入土壓力增大，且撥齒間距過小時易夾稈，影響脫茬，因此需根據(jù)撥茬齒盤半徑與撥齒長度確定齒數(shù)n。

2.2.3撥茬齒盤安裝

撥茬齒盤的入土深度直接影響其清茬效果及秸稈壓土量?，F(xiàn)有的免耕撥草輪安裝大多以鉸接的方式與機架連接，撥齒的入土深度變化較大，嚴(yán)重影響撥茬作業(yè)質(zhì)量及穩(wěn)定性。針對現(xiàn)有的撥茬機構(gòu)仿形能力較差的問題，設(shè)計的撥茬齒盤仿形機構(gòu)如圖1所示，主要由安裝架、仿形彈簧、撥茬齒盤支臂組成。當(dāng)?shù)乇砥鸱鼤r，通過彈簧的彈性變形，實現(xiàn)撥茬齒盤的對地仿形。為達(dá)到最佳拋茬效果與合理拋送距離，確定撥茬齒盤與前進(jìn)方向偏角為37.5°，與豎直方向傾角為15°[9,18]。

3 仿真分析

為研究清茬防堵裝置在東北一年一熟區(qū)玉米秸稈覆蓋地的清茬作業(yè)性能，分析影響清茬防堵裝置作業(yè)性能的撥茬齒盤結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用離散元軟件EDEM建立土壤-秸稈仿真模型，以撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑和撥齒長度為試驗因素，以清茬率和秸稈壓土量為評價指標(biāo)，進(jìn)行三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗，從而得到種帶清茬裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 土壤秸稈模型的建立

3.1.1清茬裝置模型

清茬裝置田間作業(yè)過程中，缺口切茬圓盤與撥茬齒盤為主要作業(yè)部件，因此對清茬裝置進(jìn)行簡化處理，去除仿真過程中無關(guān)部件后導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖7所示。設(shè)置仿真模型的材料為65Mn鋼，泊松比為0.3，剪切模量為7.0×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

3.1.2土壤秸稈模型

為真實地反映田間秸稈與土壤在清茬裝置作用下的速度與位移情況，在EDEM中建立土壤模型并覆蓋秸稈。選擇Hertz-Mindlin with no slip模型作為土壤顆粒間接觸模型，其中土壤模型由半徑5 mm的球形顆粒表示，建立土槽尺寸(長×寬×高)為1 400 mm×700 mm×100 mm，土壤厚度為100 mm，土壤密度2 650 kg/m3。土槽高度與土壤厚度相同，保證土槽邊緣不影響秸稈的運動。

圖7所示為初始狀態(tài)時地表覆蓋情況，通過對收獲機粉碎后地表覆蓋物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，播種期地表覆蓋物主要分為細(xì)碎葉片及莖稈兩大類。因此仿真試驗中按兩種覆蓋物的平均尺寸及質(zhì)量分布分別生成尺寸為3 mm×6 mm×39 mm的葉片共487 g，及尺寸(長軸×短軸×高)為13.5 mm×17 mm×170 mm橢圓形截面玉米莖稈共521 g。為加快仿真速度，初始狀態(tài)時默認(rèn)切茬圓盤將秸稈切斷，因此以切茬圓盤為中心，兩側(cè)分別預(yù)留寬度為20 mm無秸稈覆蓋區(qū)域，其中玉米秸稈密度243 kg/m3，秸稈覆蓋量為1.2 kg/m2。根據(jù)文獻(xiàn)[10,19-21]得到仿真材料間接觸參數(shù)如表1所示。

表1 仿真試驗材料接觸參數(shù)Tab.1 Material contact parameters of simulation

3.2 仿真試驗方法

根據(jù)玉米免耕播種作業(yè)情況，設(shè)置清茬裝置作業(yè)速度為6 km/h，切茬圓盤入土深度為80 mm，撥茬齒盤齒根距土槽上表面30 mm。通過預(yù)試驗確定保證仿真準(zhǔn)確性的固定時間步長為8.2×10-5s，總仿真時間為1.2 s。以上文理論分析中選定的撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑r、曲率半徑ρ、撥齒長度l為試驗因素，以清茬裝置種帶清茬率與秸稈壓土量為試驗指標(biāo)，采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗，確定各因素及其交互作用對試驗指標(biāo)的影響，優(yōu)化撥茬齒盤最佳參數(shù)組合，試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Experimental factors codes

3.2.1種帶清茬率測定

目前國內(nèi)對于免耕作業(yè)機具清茬效果的測定主要通過清茬率來確定。仿真試驗中通過修改仿真區(qū)域的大小，提取清茬裝置作業(yè)前后20 cm寬度種帶內(nèi)秸稈顆粒質(zhì)量的變化來計算清茬裝置清茬率，如圖8所示。

3.2.2秸稈壓土量測定

秸稈壓土量通過調(diào)整仿真區(qū)域，提取仿真結(jié)束后種帶間土槽上表面土壤顆粒數(shù)量，計算得

(9)

式中V——秸稈總壓土量，cm3

V0——土槽總體積，cm3

n1——土槽上表面顆粒數(shù)量

n0——土槽總顆粒數(shù)量

3.3 仿真結(jié)果分析

側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置的試驗結(jié)果如表3所示，應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Schemes and results of tests

3.3.1回歸分析與顯著性檢驗

對試驗結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到試驗指標(biāo)種帶清茬率Y1與秸稈壓土量Y2的回歸方程，并檢驗其顯著性。

種帶清茬率Y1方差分析如表4所示，由表可知，試驗整體模型極顯著(P<0.01)?；剞D(zhuǎn)半徑x1與撥齒長度x3影響極顯著，其他各項不顯著，回轉(zhuǎn)半徑對種帶清茬率的影響大于撥齒長度。剔除交互項與二次項中的不顯著因素，得到種帶清茬率Y1回歸方程

Y1=107.95-0.07x1-4.88×10-4x2-0.09x3

(10)

表4 種帶清茬率方差分析Tab.4 Variance analysis of stubble removal rate

秸稈壓土量Y2方差分析如表5所示，由表可知，試驗整體模型顯著(P<0.01)?；剞D(zhuǎn)半徑x1、曲率半徑x2、撥齒長度x3、回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長度的交互項x1x3對壓土量Y2的影響極顯著。剔除不顯著因素，得到種帶清茬率Y2回歸方程

表5 秸稈壓土量方差分析Tab.5 Variance analysis of straw covering soil amount

Y2=30 764.94-4.66x1-159.51x2-
550.80x3+3.73x1x3

(11)

3.3.2結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

通過對數(shù)據(jù)的處理得出各因素及其交互項對種帶清茬率與秸稈壓土量的影響，通過仿真試驗確定各因素對試驗指標(biāo)影響機理。

對于種帶清茬率Y1，在選定回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長度范圍內(nèi)，種帶清茬率與撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑及撥齒長度呈負(fù)相關(guān)。隨著撥齒長度的增加，秸稈沿?fù)荦X齒間漏撥的幾率增加。隨回轉(zhuǎn)半徑的增大，切茬圓盤與撥茬齒盤回轉(zhuǎn)中心距離增加，缺口切茬圓盤對清茬作業(yè)的輔助作用降低；切茬圓盤、撥茬齒盤與地面交線距離增加，造成漏清區(qū)，限制清茬率的提高。玉米免耕播種作業(yè)中種帶清茬率越高，種帶秸稈越少，對玉米生長影響越小。

對于秸稈壓土量Y2，選定回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑及撥齒長度范圍內(nèi)，曲率半徑與秸稈壓土量呈負(fù)相關(guān)，回轉(zhuǎn)半徑與撥齒長度對秸稈壓土量存在交互作用。當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑一定時，秸稈壓土量與撥齒長度呈正相關(guān)；當(dāng)撥齒長度一定時，秸稈壓土量與回轉(zhuǎn)半徑呈正相關(guān)。曲率半徑減小，種帶土壤更易沿曲面上升，秸稈壓土量增大；隨撥齒長度與回轉(zhuǎn)半徑增加，單位寬度內(nèi)的撥茬齒盤撥齒入土投影面積增大，秸稈壓土量增大，對種床地表干土的清理效果增加。秸稈壓土量越大，秸稈被風(fēng)吹回種帶的可能越小，但種帶拋土量過大造成種帶與種帶間高度差，不利于地溫的提升，影響前期種子出苗。

為獲得該種帶清茬裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對試驗因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，遵循提高種帶清茬率、保證秸稈壓土量的原則，根據(jù)播種機實際作業(yè)條件及理論分析選擇優(yōu)化的約束條件，建立目標(biāo)及約束函數(shù)

(12)

對目標(biāo)函數(shù)中參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到多種參數(shù)組合?？紤]到實際作業(yè)要求，得到的最優(yōu)組合為：撥茬齒盤回轉(zhuǎn)半徑163 mm、曲率半徑350 mm、撥齒長度52 mm，種帶清茬率為91.8%，秸稈壓土量為5 190 cm3/m2。根據(jù)所優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行虛擬驗證試驗，其清秸率為91%，秸稈壓土量為5 259 cm3/m2，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 田間試驗

為驗證上述理論分析及仿真試驗的準(zhǔn)確性并測定側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬防堵裝置的田間作業(yè)性能，于2020年5月在遼寧省撫順市清原滿族自治縣進(jìn)行玉米播種試驗，試驗地土壤質(zhì)地為黑壤土，試驗地常期春玉米連作，秋季采用自走式玉米聯(lián)合收獲機收獲的同時將秸稈進(jìn)行全量粉碎還田，播種試驗期間日平均氣溫16～22℃，無降水，試驗區(qū)田間地況主要參數(shù)如表6所示。

表6 田間試驗主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of field tests

加工試制側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置，撥茬齒盤結(jié)構(gòu)參數(shù)選取仿真分析優(yōu)化后結(jié)果：回轉(zhuǎn)半徑為163 mm，曲率半徑為350 mm，撥齒長度、寬度、齒數(shù)分別為52 mm、16 mm、19。清茬裝置安裝在玉米免耕播種機播種單體前方，撥茬齒盤中心正對種帶中心。試驗前根據(jù)土壤緊實度與秸稈覆蓋情況調(diào)節(jié)切茬圓盤入土深度與撥茬齒盤仿形彈簧預(yù)緊力，保證缺口切茬圓盤將秸稈切斷，撥茬齒盤撥齒入土，田間試驗現(xiàn)場如圖9所示。

每次試驗結(jié)束后，對種帶及種帶兩側(cè)秸稈及土壤分布進(jìn)行測量。測量區(qū)域劃分如圖10所示，圖中紅色線與種帶中心對齊，由于秸稈單側(cè)拋擲，因此在作業(yè)區(qū)內(nèi)隨機選擇種帶左側(cè)長度40 cm，右側(cè)長度20 cm、寬度15 cm的測量區(qū)，將測量區(qū)劃分為長度5 cm、寬度15 cm共計10個測量小區(qū)，分別取樣測量每個小區(qū)內(nèi)的秸稈質(zhì)量、表土質(zhì)量。作業(yè)后在作業(yè)區(qū)隨機選取3個測量點取平均值，通過對比作業(yè)前后種帶秸稈覆蓋質(zhì)量與種帶間土壤質(zhì)量的變化計算種帶清茬率與秸稈壓土量，其中種帶土壤分布測量以種帶最低點為零點，種帶間土壤分布測量以未耕作地表為零點。

試驗結(jié)果如圖11所示，秸稈及種帶表土向橫坐標(biāo)軸正向拋擲。

由圖11可知，在切茬圓盤與撥茬齒盤的作用下，種帶秸稈及表土被側(cè)向拋擲，作業(yè)完成后種帶右側(cè)秸稈被表土覆蓋，種帶左側(cè)表土堆積且高于種帶，有利于抑制秸稈回壟現(xiàn)象。當(dāng)作業(yè)速度為6 km/h時，20 cm寬種帶清茬率為91.4%，種帶間地表秸稈壓土量為5 833 cm3/m2，其中秸稈壓土量誤差較大，較仿真試驗增加10.9%，可能是由于仿真過程中土壤顆粒半徑較大，同時土壤模型未考慮顆粒間粘結(jié)力造成。田間試驗結(jié)果表明，側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置滿足東北地區(qū)對玉米播種種帶清茬率要求，且能實現(xiàn)對秸稈的側(cè)拋及表土覆蓋，播種作業(yè)后秸稈未出現(xiàn)被風(fēng)吹回已清理播種帶現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計一種適用于東北地區(qū)玉米免耕播種的側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置，該裝置通過缺口切茬圓盤對種帶一側(cè)秸稈進(jìn)行切分，使用撥茬齒盤將種帶秸稈撥離，并利用種帶表土將秸稈掩埋覆蓋，明顯抑制了秸稈回壟現(xiàn)象。

(2)通過對撥茬過程中撥齒沿地表的運動軌跡進(jìn)行分析，確定影響撥茬齒盤作業(yè)性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為回轉(zhuǎn)半徑、曲率半徑及撥齒長度。以種帶清茬率和秸稈壓土量為試驗指標(biāo)，對各影響因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合仿真試驗，得出撥茬齒盤的最優(yōu)參數(shù)組合為：回轉(zhuǎn)半徑163 mm、曲率半徑350 mm、撥齒長度52 mm。

(3)田間試驗表明，側(cè)置切刀與撥茬齒盤組合式清茬裝置清茬效果較好，對種帶間秸稈的掩埋壓土效果明顯，在20 cm清茬寬度下，種帶清茬率91.4%、秸稈壓土量為5 833 cm3/m2，與仿真結(jié)果基本一致。