廖慶喜 林建新 張青松 謝昊明 杜文斌 吳 崇

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

長(zhǎng)江中下游地區(qū)作為我國(guó)冬油菜的主產(chǎn)區(qū)，主要采用稻-油水旱輪作的種植模式[1]。2020年全國(guó)水稻產(chǎn)量達(dá)2.118 6×108t，比2019年增產(chǎn)1.1%[2]，高產(chǎn)量的同時(shí)也使水稻收獲后秸稈留存量大。面對(duì)高茬秸稈工況，油菜直播種床整備作業(yè)時(shí)傳統(tǒng)旋耕工序易出現(xiàn)刀輥纏繞、埋茬率低等問題[3-7]。此外，傳統(tǒng)旋耕作業(yè)耕深淺，周年的旋耕作業(yè)使耕作層變淺，犁底層加厚，導(dǎo)致土壤通氣性差、油菜根系下扎困難[8]。

針對(duì)傳統(tǒng)旋耕方式在稻茬田開展油菜直播種床整備作業(yè)時(shí)存在的不足，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了研究。肖文芳等[9]針對(duì)稻茬田秸稈量大導(dǎo)致機(jī)具易堵塞的問題，設(shè)計(jì)了一種犁翻埋茬、旋耕碎土的油菜種床整理機(jī)，可實(shí)現(xiàn)秸稈全量還田；魏國(guó)梁等[10]為解決旋耕作業(yè)耕深淺、秸稈埋覆率低的問題，設(shè)計(jì)了一種通過先抬后扣作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)土壤翻埋的扣垡裝置，并集成了犁旋組合式油菜直播機(jī)；劉曉鵬等[11]針對(duì)傳統(tǒng)耕整作業(yè)耕層淺、功耗大的問題，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)圓盤犁對(duì)置組合式耕整機(jī)，作業(yè)效果滿足油菜種床整理要求；張文良等[12]設(shè)計(jì)了一款可適用于稻茬地耕整作業(yè)的秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)，作業(yè)效果良好。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過將旋耕裝置與犁耕作業(yè)集成，實(shí)現(xiàn)秸稈翻埋，但整機(jī)縱向尺寸增大，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)田間生產(chǎn)推廣應(yīng)用中有一定局限性。國(guó)外耕整地作業(yè)主要采用免耕，作業(yè)機(jī)具以寬幅、被動(dòng)式的大型聯(lián)合耕整機(jī)為主[11,13-14]，不適用于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的耕整地作業(yè)。

本文針對(duì)長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)油菜直播種床整備作業(yè)時(shí)傳統(tǒng)旋耕方式導(dǎo)致耕層淺、埋茬效果不足和平整度較差的問題，設(shè)計(jì)一種通過主動(dòng)鏟鍬切土、拋土，實(shí)現(xiàn)土壤翻耕、細(xì)碎、秸稈埋覆的鏟鍬式耕整地裝置，并集成設(shè)計(jì)被動(dòng)式開畦溝、碎土、平整功能的適宜油菜直播的鏟鍬式種床整備機(jī)，以期一次下地作業(yè)完成土壤翻耕、碎土平整、秸稈埋覆、開畦溝等功能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)組成

鏟鍬式種床整備機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主機(jī)架、齒輪傳動(dòng)箱、鏟鍬式耕整地裝置、罩殼、攔土耙、平土拖板、開畦溝裝置、限深裝置、中間犁、三點(diǎn)懸掛裝置等組成。齒輪傳動(dòng)箱兩側(cè)各有5組曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成的鏟鍬式耕整地裝置，每組曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連桿末端左右交錯(cuò)安裝有兩把鏟鍬，減少作業(yè)土垡尺寸，便于后續(xù)碎土作業(yè)。罩殼、攔土耙、平土拖板依次安裝在鏟鍬后方，起碎土、埋茬、平整作用。開畦溝裝置由鏵式開畦溝前犁和開畦溝后犁組成，對(duì)稱布置在機(jī)具兩側(cè)，完成開畦溝作業(yè)。該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 鏟鍬式種床整備機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of shovel type seedbed preparation machine1.機(jī)架 2.罩殼 3.攔土耙 4.平土拖板 5、6.開畦溝裝置 7.鏟鍬式耕整地裝置 8.限深裝置 9.中間犁 10.中央齒輪箱 11.三點(diǎn)懸掛裝置 12.鏟鍬

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

1.2 工作過程

鏟鍬式種床整備機(jī)由拖拉機(jī)PTO提供動(dòng)力，通過十字萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力傳遞到中央齒輪箱，帶動(dòng)兩側(cè)鏟鍬式耕整地裝置運(yùn)行。如圖2所示，土垡與秸稈被鏟鍬作業(yè)后往后上方拋起，與罩殼碰撞細(xì)碎，在下落過程撞上攔土耙，尺寸小于攔土耙間隙的土垡直接通過，覆蓋在已耕區(qū)表層；被攔土耙擋住的秸稈和尺寸大于攔土耙間隙的土垡一部分落至已耕區(qū)底層，另一部分后續(xù)被鏟鍬再次鏟起拋向罩殼進(jìn)一步碎土，直至土塊尺寸小于攔土耙間隙，最后由平土拖板平整地表，形成秸稈深埋、土壤上細(xì)下粗的理想耕作環(huán)境。限深裝置可以對(duì)耕作深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，中間犁的作用是消除中間的漏耕區(qū)域，開畦溝前犁和開畦溝后犁同步作業(yè)出排水畦溝，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)一次下地即可完成油菜的種床準(zhǔn)備工作。

圖2 鏟鍬式種床整備機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of shovel type seedbed preparation machine1.曲柄連桿機(jī)構(gòu) 2.機(jī)架 3.罩殼 4.攔土耙 5.平土拖板

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 鏟鍬式耕整地裝置設(shè)計(jì)與軌跡分析

2.1.1鏟尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

鏟尖點(diǎn)相對(duì)機(jī)架相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡大小和形狀只取決于機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，不受前進(jìn)速度和其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。為確定鏟尖點(diǎn)E相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，以機(jī)具前進(jìn)相反方向作為x軸正方向，豎直向上方向作為y軸正方向，建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系xOy。HIJKH為鏟尖點(diǎn)E在一個(gè)工作行程內(nèi)的相對(duì)運(yùn)行軌跡，其中：HI為鏟鍬的入土過程、IJ為剪切土壤的過程、JK為拋土過程、KH為鏟鍬回程。

圖3 鏟尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.3 Schematic of trajectory of tip of shovel

結(jié)合人工鏟鍬動(dòng)作經(jīng)驗(yàn)，入土過程段HI應(yīng)為直線入土，考慮鏟鍬入土阻力及鏟鍬到達(dá)最大耕深后剪切土垡的阻力，HI段切線與水平方向所夾銳角λ初步確定為45°與70°之間；IJ段為剪切土壤的過程，同時(shí)連接入土段與拋土段，故要求此過渡段為光滑圓??；被剪切的土垡自點(diǎn)J起跟隨鏟鍬運(yùn)動(dòng)，至點(diǎn)K達(dá)到最大速度被鏟鍬拋出，為避免土垡被拋向未耕區(qū)導(dǎo)致重耕，JK段切線與水平方向夾角σ取值應(yīng)小于90°。

h為鏟鍬耕作深度，其取值應(yīng)不小于200 mm；fm為鏟鍬在一個(gè)工作行程的最大切土厚度，其取值應(yīng)小于工作臂長(zhǎng)度lCE。g為鏟鍬入土點(diǎn)與機(jī)架的水平距離，經(jīng)動(dòng)力學(xué)分析表明，g應(yīng)在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)條件下選取較小值，較佳取值范圍為250～450 mm。

在已知鏟尖點(diǎn)軌跡情況下，采用如圖3所示的曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需的目標(biāo)軌跡。

2.1.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確定曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖4所示，其中原點(diǎn)O為初始時(shí)刻機(jī)架AD的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)。其中：AB為主動(dòng)桿曲柄，BC為連桿，連桿向下延伸形成帶有鏟鍬的工作臂CE，CD為搖桿，AD為機(jī)架，點(diǎn)D為搖桿與機(jī)架鉸接點(diǎn)。

圖4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.4 Kinematics model of crank and connecting rod mechanism

當(dāng)主動(dòng)桿曲柄AB角速度為ω時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)角α=ωt，鏟尖點(diǎn)E的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

其中

(2)

式中l(wèi)1——主動(dòng)桿曲柄AB長(zhǎng)度，mm

l2——連桿BC長(zhǎng)度，mm

l3——搖桿CD長(zhǎng)度，mm

l4——機(jī)架AD長(zhǎng)度，mm

l5——工作臂CE長(zhǎng)度，mm

l6——鉸接點(diǎn)D與地面的距離，mm

l7——BD連線長(zhǎng)度，mm

θ——連桿BC與豎直方向所夾銳角，(°)

θ1——連桿BC與BD連線所夾銳角，(°)

φ——BD連線與機(jī)架AD所夾銳角，(°)

點(diǎn)E速度方程為

(3)

鏟尖點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡各參數(shù)表達(dá)式為

(4)

設(shè)鏟尖點(diǎn)E在α=αI時(shí)到達(dá)點(diǎn)I，則HI段切線與水平方向所夾銳角最大值λmax和最小值λmin為

(5)

設(shè)鏟尖點(diǎn)E在α=αK時(shí)到達(dá)點(diǎn)K，則JK段切線與水平方向所夾銳角最大值σmax為

(6)

當(dāng)主動(dòng)桿曲柄轉(zhuǎn)角α=180°，曲柄與機(jī)架運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸重合共線，機(jī)構(gòu)存在最小傳動(dòng)角γmin，本連桿機(jī)構(gòu)為相對(duì)高速大功率的情形，為保證良好的傳力性能，其值應(yīng)大于50°，即

(7)

由曲柄存在條件得

(8)

涉及的連桿參數(shù)主要有：曲柄長(zhǎng)l1、連桿長(zhǎng)l2、工作臂長(zhǎng)l5、搖桿長(zhǎng)l3、機(jī)架長(zhǎng)l4以及鉸接點(diǎn)D與地面距離l6。

基于所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用Matlab軟件中的GUI模塊對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行迭代求解，計(jì)算后可得到滿足作業(yè)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)：曲柄長(zhǎng)l1=166 mm，連桿長(zhǎng)l2=414 mm，搖桿長(zhǎng)l3=331 mm，機(jī)架長(zhǎng)l4=497 mm，工作臂長(zhǎng)l5=373 mm，鉸接點(diǎn)D離地面高度l6=90 mm，其他各組合參數(shù)如表2所示，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2 連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Optimized parameters of linkage mechanism

2.1.3鏟鍬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

該機(jī)共有10組曲柄連桿機(jī)構(gòu)，單組機(jī)構(gòu)耕幅為180 mm。在不改變單組曲柄連桿機(jī)構(gòu)耕幅的前提下，減小鏟鍬單次鏟起的土垡尺寸，提高機(jī)具作業(yè)后的碎土率，采取每組機(jī)構(gòu)的連桿末端安裝兩把左右交錯(cuò)的鏟鍬，如圖5所示?？紤]左右兩把鏟鍬受力對(duì)連桿產(chǎn)生的力矩平衡及單把鏟鍬的耕寬，取鏟鍬前后中心距e1為100 mm、左右中心距e2為90 mm。

圖5 交錯(cuò)鏟鍬示意圖Fig.5 Schematics of misplaced shovel

為減少機(jī)具作業(yè)過程中的漏耕、夾土現(xiàn)象，以及避免裝配干涉的出現(xiàn)，應(yīng)保證10組連桿機(jī)構(gòu)的曲柄間存在相位差，實(shí)現(xiàn)鏟鍬的交替入土，且相繼入土的鏟鍬在軸向應(yīng)保持一定距離。為此，采用螺旋線的排列方式對(duì)曲柄進(jìn)行安裝，同一螺旋線上的同向相鄰曲柄升角為72°，排布示意如圖6所示。

圖6 曲柄排布示意圖Fig.6 Diagram of crank arrangement

2.2 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)匹配

機(jī)組前進(jìn)速度vm和曲柄轉(zhuǎn)速n決定了鏟尖點(diǎn)相對(duì)地面的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7所示，鏟尖點(diǎn)軌跡參數(shù)主要有切土節(jié)距S、最大切土厚度f(wàn)及溝底凸起高度hc。根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 鏟尖點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡及參數(shù)Fig.7 Absolute trajectory and parameters of tip of spade

切土節(jié)距S即鏟鍬在一個(gè)工作行程內(nèi)實(shí)際所切的土垡厚度，計(jì)算式為

(9)

最大切土厚度f(wàn)為鏟鍬在一個(gè)工作行程內(nèi)所能切下的最大土垡厚度；hc稱為溝底凸起高度，此區(qū)域?yàn)闆]有耕到的生土。

切土節(jié)距S影響碎土質(zhì)量和廂面平整度，為得到適合油菜播種作業(yè)的種床，對(duì)于中等黏度的稻田土，當(dāng)土壤含水率為20%～30%時(shí)，切土節(jié)距S取100 mm左右較為合適[15]。考慮機(jī)具作業(yè)后的碎土率以及避免產(chǎn)生漏耕現(xiàn)象，應(yīng)滿足S

經(jīng)計(jì)算確定機(jī)組前進(jìn)速度vm為0.4～0.5 m/s、曲柄轉(zhuǎn)速n取240 r/min，對(duì)應(yīng)的切土節(jié)距S和最大切土厚度f(wàn)分別為100～125 mm、238～257 mm。此時(shí)S

圖8為鏟尖點(diǎn)在一個(gè)工作行程內(nèi)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)鏟尖點(diǎn)E1、鏟尖點(diǎn)E2的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡均為“類余擺線”，即從鏟尖點(diǎn)開始入土到拋土結(jié)束，其絕對(duì)軌跡上任意一點(diǎn)的水平分速度均指向x軸正方向，滿足向后拋土的條件。

圖8 鏟尖點(diǎn)E1、E2絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Absolute trajectory of blade tip points E1 and E2

2.3 罩殼參數(shù)設(shè)計(jì)

罩殼的主要作用是擋住被鏟鍬拋出的土垡，使其在撞擊過程中進(jìn)一步破碎。分析土垡被拋出后的運(yùn)動(dòng)情況，以確定罩殼安裝參數(shù)，使土垡能與罩殼碰撞。

為方便理論分析與計(jì)算，假設(shè)土塊為剛體，忽略空氣阻力和土壤間的相互碰撞，土垡被拋出后可近似于斜拋運(yùn)動(dòng)。

2.3.1鏟鍬拋土運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

建立鏟鍬拋土運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖9所示，l為罩殼O1O2的長(zhǎng)度，β為罩殼與水平方向所夾銳角，罩殼左端點(diǎn)O1相對(duì)于機(jī)架AD與地面的位置參數(shù)分別為lx和ly，并設(shè)初始時(shí)刻t=0時(shí)曲柄AB轉(zhuǎn)角α=0°。

圖9 鏟鍬拋土運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.9 Kinematics model of shovel throwing soil

曲柄角速度為ω，罩殼和曲柄連桿機(jī)構(gòu)隨機(jī)具以速度vm沿x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，罩殼左端點(diǎn)O1坐標(biāo)為

(10)

罩殼右端點(diǎn)O2坐標(biāo)為

(11)

將罩殼簡(jiǎn)化為直線O1O2，其方程可表示為

y=ly-(x-lx+vmt)tanβ

(12)

若被切削的土垡在跟隨鏟鍬運(yùn)動(dòng)的過程中在t1時(shí)刻從點(diǎn)P被拋出，如圖9所示，設(shè)點(diǎn)P在坐標(biāo)系xOy中的坐標(biāo)為(xp,yp)，土垡被拋出時(shí)具有x軸方向的初速度vpx和y軸方向的初速度vpy，當(dāng)不計(jì)空氣阻力時(shí)，土垡在點(diǎn)P被拋出后的運(yùn)動(dòng)方程為

(13)

設(shè)被拋出的土垡與罩殼發(fā)生碰撞，碰撞點(diǎn)Q在坐標(biāo)系xOy中坐標(biāo)為(xQ,yQ)，設(shè)土垡在點(diǎn)P被拋出后經(jīng)過t2到達(dá)罩殼上的碰撞點(diǎn)Q，則由式(12)、(13)可得

yQ=ly-[xp+(vpx+vm)t2+vmt1-lx]tanβ

(14)

將式(14)代入式(13)可得

(15)

其中

(16)

對(duì)于給定的罩殼參數(shù)lx、ly、l和β，若可求得鏟鍬鏟尖點(diǎn)E運(yùn)行至土垡拋出點(diǎn)P的時(shí)間t1、點(diǎn)P坐標(biāo)值(xp,yp)及土垡被拋出時(shí)的初速度vpx、vpy, 則可判斷被拋出的土垡是否能與罩殼發(fā)生碰撞。若能碰撞，則可求解出碰撞時(shí)間t2，進(jìn)而通過式(13)可計(jì)算出罩殼上碰撞點(diǎn)Q的坐標(biāo)值(xQ,yQ)。

土垡與罩殼碰撞時(shí)速度為

(17)

2.3.2罩殼參數(shù)確定

為確定罩殼參數(shù)，需求解鏟尖點(diǎn)運(yùn)行至土垡拋出點(diǎn)P的時(shí)間t1、點(diǎn)P坐標(biāo)值(xp,yp)及土垡被拋出時(shí)的初速度vpx、vpy, 此處應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)鏟尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。在此以經(jīng)由鏟尖點(diǎn)E1拋出的土垡為例進(jìn)行分析。

在Pro/E軟件中以機(jī)架AD與y軸重合、曲柄轉(zhuǎn)角α=0°為初始位置建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)模型，導(dǎo)入ADAMS軟件的建模環(huán)境中，對(duì)零部件合并簡(jiǎn)化，添加初始驅(qū)動(dòng)：曲柄轉(zhuǎn)速n=240 r/min、前進(jìn)速度vm=0.45 m/s。提取鏟尖點(diǎn)E1在運(yùn)動(dòng)時(shí)間0～0.5 s內(nèi)速度變化數(shù)據(jù)點(diǎn)，并在Matlab中擬合成光滑的速度變化曲線，如圖10所示。

圖10 鏟尖點(diǎn)E1速度變化曲線Fig.10 Speed change curves of shovel tip point

鏟鍬在鏟尖點(diǎn)速度達(dá)到最大值時(shí)將土垡拋出，對(duì)求解的速度進(jìn)行分析可得由鏟尖點(diǎn)E1拋出的土垡斜拋運(yùn)動(dòng)各參數(shù)：土垡在t=0.13 s時(shí)被拋出，此時(shí)點(diǎn)E1坐標(biāo)為(697 mm，30 mm)，其x、y軸分速度為0.626、9.672 m/s。

結(jié)合式(13)～(17)，經(jīng)過多次迭代分析，確定罩殼參數(shù)lx=600 mm、ly=434 mm、l=400 mm和β=0°。 求解出的經(jīng)由鏟尖點(diǎn)E1拋出的土垡與罩殼碰撞的各參數(shù)：土垡被拋出后經(jīng)過t2=0.043 s與罩殼發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)土垡在x、y軸的分速度為0.626、9.251 m/s。

3 基于EDEM-ADAMS的耦合仿真與分析

面對(duì)稻茬田秸稈量大的作業(yè)工況，作業(yè)機(jī)具需具有良好的秸稈埋覆性能。為此構(gòu)建基于離散元方法的耕作裝置-土壤-秸稈相互作用的仿真模型，進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)以驗(yàn)證鏟鍬式種床整備機(jī)對(duì)秸稈的埋覆性能。本文利用離散元軟件EDEM 建立土壤與秸稈顆粒模型，并通過多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 定義鏟鍬式種床整備裝置各零部件間的連接、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將EDEM 與ADAMS 軟件進(jìn)行耦合以進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)。

3.1 鏟鍬式種床整備裝置仿真模型建立

為減少仿真過程所花費(fèi)的時(shí)間，只取齒輪箱右側(cè)5組鏟鍬式耕整地裝置進(jìn)行建模仿真，同時(shí)考慮懸掛裝置、開畦溝裝置等對(duì)秸稈埋覆率影響較小，利用Pro/E 軟件建立如圖11所示幅寬為970 mm的仿真模型。

圖11 三維仿真模型Fig.11 3D simulation model

3.2 土壤-秸稈顆粒模型建立

采用EDEM2020建立離散元仿真模型，選用球型顆粒模擬土壤和秸稈。在離散元仿真中，較小的顆粒半徑會(huì)導(dǎo)致仿真計(jì)算速度緩慢，且增加仿真占據(jù)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間，故仿真顆粒半徑一般都大于實(shí)際土壤顆粒[17-19]，多數(shù)學(xué)者采用半徑8～10 mm的顆粒作為土壤模型[20-22]，本文選用土壤顆粒半徑為8 mm，處于合理的范圍內(nèi)。土壤顆粒接觸模型是離散元法的重要基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)是準(zhǔn)靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[23], 接觸模型的分析計(jì)算直接決定了顆粒受力和力矩，需對(duì)不同的仿真對(duì)象建立不同的接觸模型，以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。為模擬稻茬地黏性土壤，設(shè)定土壤顆粒間的接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding。 由于秸稈的高長(zhǎng)徑比及性質(zhì)的各向異性，在離散元仿真中難以模擬，本文采用5個(gè)半徑為8 mm的球形顆粒，設(shè)定其球心間隔為10 mm，由此組成的長(zhǎng)為56 mm的長(zhǎng)線性模型作為秸稈顆粒。

為減少仿真過程中土槽側(cè)面和底面對(duì)仿真結(jié)果的影響，建立長(zhǎng)、寬、高為2 400 mm×1 500 mm×400 mm 的土槽模型。且結(jié)合稻茬田的實(shí)際工況，將土槽模型分為耕層土壤和底層土壤兩部分，根據(jù)田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定耕作層厚度為160 mm，底層土壤厚度為240 mm；對(duì)底層土壤進(jìn)行壓實(shí)，減小孔隙率；耕層土壤隨機(jī)生成，不做壓實(shí)處理。秸稈顆粒采用隨機(jī)生成的方式鋪放在土壤表面。

仿真所用本征參數(shù)和接觸參數(shù)主要通過文獻(xiàn)[18,20,24-25]和試驗(yàn)獲得，其中，土壤、秸稈和鋼泊松比分別為0.37、0.4、0.3，密度分別為2 315、241、7 865 kg/m3，剪切模量分別為1.82×106、1×106、7.9×1010Pa； 模型接觸參數(shù)如表3所示。

表3 模型接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameters of model

3.3 仿真過程

將建立的機(jī)具仿真三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，定義曲柄、連桿、搖桿、鏟鍬以及機(jī)架間的連接關(guān)系，設(shè)定曲柄轉(zhuǎn)速為240 r/min，前進(jìn)速度為0.45 m/s；導(dǎo)出耦合文件后在EDEM軟件設(shè)置耕深為200 mm，Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)為15%，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒半徑的2.5倍，仿真總時(shí)間為10 s；本次仿真累計(jì)生成370 165個(gè)土壤顆粒和800個(gè)秸稈顆粒，為區(qū)分秸稈與土壤，將秸稈顆粒設(shè)置為橙色；仿真過程和結(jié)果如圖12所示。

圖12 仿真過程Fig.12 Simulation process

3.4 仿真結(jié)果分析

3.4.1秸稈埋覆率

為測(cè)定機(jī)具作業(yè)前后地表秸稈覆蓋量的變化，利用EDEM軟件Geometry Bin功能沿機(jī)具前進(jìn)方向取作業(yè)平穩(wěn)段，在表層均勻選取3處厚度為40 mm、長(zhǎng)度為400 mm、寬度為800 mm的測(cè)量網(wǎng)格，隱藏土壤顆粒，保留秸稈顆粒，如圖13所示；提取該區(qū)域機(jī)具作業(yè)前、后地表秸稈顆粒質(zhì)量分別為Wq、Wh，秸稈埋覆率計(jì)算式為

(18)

在EDEM后處理中測(cè)得的數(shù)據(jù)如表4所示，機(jī)具作業(yè)后平均秸稈埋覆率為91.64%，表明鏟鍬式種床整備機(jī)能有效掩埋秸稈。

圖13 仿真作業(yè)前后秸稈分布Fig.13 Straw distribution before and after simulation operation

表4 秸稈埋覆參數(shù)Tab.4 Straw burying parameters

3.4.2秸稈在土壤中的垂直分布

機(jī)具作業(yè)后秸稈在深度方向上分布越均勻，則說明機(jī)具秸稈還田效果越理想。為分析作業(yè)后秸稈在土壤中的垂直分布情況，沿機(jī)具前進(jìn)方向作業(yè)平穩(wěn)段均勻取3個(gè)位置，每個(gè)位置在垂直方向上均勻設(shè)置3層計(jì)算區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際田間作業(yè)的垂直分層處理，每層計(jì)算區(qū)域尺寸為 400 mm×800 mm×70 mm， 隱藏土壤顆粒，保留秸稈顆粒，如圖14所示。統(tǒng)計(jì)每層區(qū)域所有秸稈質(zhì)量，取3個(gè)位置的平均值作為上層、中層、下層秸稈質(zhì)量，仿真結(jié)果如表5所示。

圖14 秸稈垂直分布Fig.14 Vertical distribution of straw

由表5可知，鏟鍬式種床整備機(jī)仿真作業(yè)后，上層、中層、下層秸稈所占百分比分別為37.21%、46.18%和16.61%；觀察仿真作業(yè)過程，秸稈和土壤被鏟鍬作業(yè)后拋向罩殼，在下落過程中與攔土耙碰撞，被攔下的秸稈與土壤沿?cái)r土耙下落成為中下層，此部分秸稈為中下層秸稈主要來(lái)源；其余秸稈與土壤通過攔土耙后覆蓋在深度為0～70 mm的上層，成為仿真作業(yè)后未被掩埋的秸稈主要來(lái)源。

表5 作業(yè)后秸稈垂直分布Tab.5 Vertical distribution of straw after operation

綜上表明：機(jī)具能有效掩埋秸稈，且攔土耙有助于將大部分秸稈埋入深層土壤，秸稈在垂直方向上分布也較為均勻，可適用于秸稈量大工況下的田間作業(yè)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證鏟鍬式種床整備機(jī)作業(yè)性能，于2021年10月在湖北省荊州市監(jiān)利縣稻-油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開展田間試驗(yàn)，包括鏟鍬式種床整備機(jī)的作業(yè)性能試驗(yàn)，及其與僅有旋耕裝置的2BFQ-8型油菜直播機(jī)的對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)工況均為常年采用稻-油輪作模式的田塊，其土壤類型為偏黏性土，前茬作物為水稻；試驗(yàn)工況參數(shù)如表6所示。

表6 試驗(yàn)工況參數(shù)Tab.6 Test conditions parameters

試驗(yàn)設(shè)備包括東方紅954型拖拉機(jī)、鏟鍬式種床整備機(jī)、TJSD-9570型數(shù)顯土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，精度±0.005% FS)、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、 土壤取樣環(huán)刀、電子天平、干燥箱等。

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)配套動(dòng)力為東方紅954型拖拉機(jī)。試驗(yàn)前通過調(diào)節(jié)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛高度以及限深裝置保證鏟鍬式種床整備機(jī)作業(yè)深度為200～240 mm,調(diào)節(jié)拖拉機(jī)PTO輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min, 調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位和油門保證機(jī)具平均前進(jìn)速度為1.62 km/h；2BFQ-8型油菜直播機(jī)試驗(yàn)耕深為80～120 mm，調(diào)節(jié)拖拉機(jī)PTO輸出轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度與上述保持一致。機(jī)組每個(gè)行程沿直線方向的作業(yè)距離為50 m, 取每個(gè)行程的中間30 m作為測(cè)量區(qū)域，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。參考NY/T 499—2013《旋耕機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》和NT/Y 2709—2015《油菜播種機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》，結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，確定以下試驗(yàn)指標(biāo)：耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度、碎土率以及秸稈埋覆率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

如表7所示，鏟鍬式種床整備機(jī)和2BFQ-8型油菜直播機(jī)的耕深及其穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度和碎土率等各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足油菜播種要求；田間作業(yè)效果如圖15所示。

表7 試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results

圖15 田間作業(yè)效果Fig.15 Effects of field test

試驗(yàn)結(jié)果表明，鏟鍬式種床整備機(jī)的碎土率達(dá)87.89%，且可有效掩埋秸稈，將其與土壤進(jìn)行混埋，秸稈埋覆率為89.43%，與仿真分析結(jié)果規(guī)律一致，表明鏟鍬式耕整地裝置可有效切割水稻秸稈，并在罩殼與攔土耙的共同作用下，實(shí)現(xiàn)秸稈埋覆；同時(shí)由于螺旋線的曲柄排列方式及旋轉(zhuǎn)曲柄安裝位置遠(yuǎn)離地面秸稈，機(jī)組作業(yè)過程中不會(huì)出現(xiàn)纏繞堵塞現(xiàn)象，通過性能良好；由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鏟鍬對(duì)土壤作業(yè)后的平均耕深可達(dá)215.3 mm，與傳統(tǒng)旋耕方式相比，耕深提高了99.2 mm。

綜上，在長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)高茬秸稈的工況下，鏟鍬式種床整備機(jī)的秸稈埋覆率相比傳統(tǒng)旋耕方式的油菜直播機(jī)提升27.61個(gè)百分點(diǎn)；且耕作深度為旋耕式油菜直播機(jī)的1.8倍，增加了耕作層深度，整機(jī)作業(yè)質(zhì)量達(dá)到了稻茬地油菜直播種床整備的要求。

5 結(jié)論

(1)為解決油菜直播種床整備作業(yè)時(shí)傳統(tǒng)旋耕方式導(dǎo)致耕層淺、埋茬效果不足和平整度較低的問題，設(shè)計(jì)了一種通過主動(dòng)鏟鍬切土、拋土動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)土壤翻耕、細(xì)碎、秸稈埋覆的鏟鍬式耕整地裝置，并設(shè)計(jì)了集成被動(dòng)式開畦溝、碎土、平整功能的適宜油菜直播的鏟鍬式種床整備機(jī)。

(2)建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)鏟鍬入土角、耕深、切土節(jié)距等要求，結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，利用Matlab軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；確定了左右交錯(cuò)式鏟鍬和螺旋線的曲柄排列方式，并根據(jù)鏟尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡、切土節(jié)距、溝底凸起高度等要求，得出機(jī)具前進(jìn)速度vm為0.4～0.5 m/s、曲柄轉(zhuǎn)速n為240 r/min；對(duì)土壤被鏟鍬拋出后的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析，確定了罩殼安裝參數(shù)；建立了基于離散元方法的耕作部件-土壤-秸稈相互作用仿真模型，基于EDEM與ADAMS的耦合分析得出了機(jī)具的秸稈埋覆性能。

(3)田間試驗(yàn)表明，在高茬水稻秸稈工況下，鏟鍬式種床整備機(jī)的平均作業(yè)耕深為215.3 mm，與傳統(tǒng)旋耕式油菜直播機(jī)相比，平均耕深提高99.2 mm；秸稈埋覆率為89.43%，相比傳統(tǒng)的旋耕式油菜直播機(jī)，提升27.61個(gè)百分點(diǎn)，且作業(yè)過程不纏繞秸稈，整機(jī)作業(yè)質(zhì)量達(dá)到了稻茬地油菜直播種床整備的要求。