廖慶喜 謝昊明 張青松 張季欽 敖 倩 王 磊

(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

耕整地是油菜種植的重要環(huán)節(jié),油菜種床合理,耕層能夠促進(jìn)油菜生長(zhǎng),提高油菜產(chǎn)量[1]。長(zhǎng)江中下游地區(qū)是冬油菜主要種植區(qū)域,該地區(qū)周年進(jìn)行稻-油或稻-稻-油水旱輪作,導(dǎo)致土壤黏重板結(jié),前茬作物留茬高,土壤含水率波動(dòng)大,采用傳統(tǒng)旋耕作業(yè)碎土率低,刀輥易纏草,秸稈埋覆性能差,且易導(dǎo)致土壤耕作層變淺,犁底層加厚,阻礙油菜生長(zhǎng)[2],同時(shí)油菜種床整備還需完成秸稈還田、土壤細(xì)碎、平整,開(kāi)畦溝多道工序[3-4]。

傳統(tǒng)旋耕式耕整機(jī)在稻-油或稻-稻-油水旱輪作的油菜種植模式下進(jìn)行耕整地作業(yè)存在碎土率不高,秸稈埋覆率低,刀輥易纏草等問(wèn)題,為了提高機(jī)具在土壤黏重、地表秸稈量大的工況下作業(yè)質(zhì)量,MATIN等[5]針對(duì)亞洲黏重稻田工況,測(cè)試了3種旋耕刀片(常規(guī)型、半寬型、旋切型)以及不同(每個(gè)切土小區(qū)4、6把刀片)安裝方式下的工作性能,試驗(yàn)表明,當(dāng)切土小區(qū)旋耕刀數(shù)量為4把時(shí),3種類型刀片作業(yè)碎土率較優(yōu),切刀比常規(guī)型刀片拋土量少,但功耗有所下降。為提高旋耕刀片耕作性能,張春嶺等[6]針對(duì)稻茬田秸稈量大旋耕刀輥易纏繞的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥,以提高秸稈埋覆性能,但同一切土小區(qū)安裝刀片數(shù)量較多,易出現(xiàn)相鄰切土小區(qū)刀片攜土的情況。王金峰等[7]針對(duì)秸稈還田機(jī)作業(yè)時(shí)刀輥前方墉土的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型秸稈還田刀并對(duì)整機(jī)進(jìn)行配置,機(jī)具作業(yè)指標(biāo)滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求。趙宏波等[8]針對(duì)華北平原小麥免耕播種機(jī)在玉米秸稈覆蓋地作業(yè)時(shí)易堵塞的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種防堵旋切刀,田間試驗(yàn)表明旋切刀通過(guò)性良好。鄭侃等[9]針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)旋耕作業(yè)地表平整度差的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種漸變螺旋升角勻土旋耕刀輥,采用漸變螺旋升角旋耕刀排列方式提高了作業(yè)后地表平整度,但未解決碎土率及秸稈埋覆率低的問(wèn)題。

針對(duì)傳統(tǒng)旋耕式耕整機(jī)在稻-油或稻-稻-油水旱輪作的油菜種植模式下進(jìn)行耕整地作業(yè)存在碎土率不高,秸稈埋覆率低,刀輥易纏草等問(wèn)題,研制一種驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī);進(jìn)行離散元仿真驗(yàn)證整機(jī)對(duì)秸稈的埋覆性能及對(duì)土壤耕層交換的影響;開(kāi)展田間試驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)在兩種工況下的作業(yè)性能,以期為長(zhǎng)江中下游稻-油輪作地區(qū)耕整裝備結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)采用先驅(qū)動(dòng)犁翻,后雙刃旋耕的工作方式。驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)圓盤犁組、雙刃型旋耕裝置、機(jī)架、開(kāi)畦溝犁、中央人字形齒輪箱、三點(diǎn)懸掛架等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作過(guò)程

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)工作時(shí),由拖拉機(jī)PTO提供動(dòng)力,齒輪箱帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置;驅(qū)動(dòng)圓盤犁組正向轉(zhuǎn)動(dòng),完成對(duì)土壤與秸稈的切削翻轉(zhuǎn),雙刃型旋耕裝置正旋對(duì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組犁翻后的土壤與秸稈進(jìn)一步作業(yè),如圖2所示;由于雙刃型旋耕裝置每把旋耕刀具有一對(duì)正切刃和側(cè)切刃,相比較傳統(tǒng)旋耕刀,傳統(tǒng)旋耕刀切削最小土壤厚度為切土節(jié)距S,雙刃型旋耕刀片回轉(zhuǎn)一周切削土壤-秸稈兩次,細(xì)碎秸稈和土壤。切土過(guò)程中,雙刃型旋耕刀短刃部正切刃會(huì)首先切削厚度為E的土壤,之后過(guò)渡到長(zhǎng)刃部正切刃會(huì)切削厚度為B的土壤,如圖3所示;雙刃型旋耕刀片切削土壤厚度小于切土節(jié)距,有更好的碎土性能;拋土過(guò)程中,雙刃型旋耕刀片短刃部和長(zhǎng)刃部正切刃交替拋土,將土壤與秸稈拋向機(jī)架外殼,秸稈先于土壤落入溝底,完成秸稈埋覆及土壤-秸稈混合。

圖2 驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)工作過(guò)程示意圖

圖3 雙刃型旋耕刀片工作原理圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 驅(qū)動(dòng)圓盤犁組結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

由于驅(qū)動(dòng)圓盤犁主動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)土壤的撕裂作用,能夠較好地切斷地表殘茬,進(jìn)而將地表殘茬翻覆,同時(shí)不易堵塞。驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)時(shí),其作業(yè)轉(zhuǎn)速、作業(yè)偏角、耕作深度為影響作業(yè)性能的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)其所選用齒輪箱,驅(qū)動(dòng)圓盤犁轉(zhuǎn)速為135～180 r/min;犁組耕深過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致圓盤犁喪失對(duì)土壤、秸稈的切翻功能[10],設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁最大耕作深度為200 mm,驅(qū)動(dòng)圓盤犁直徑D計(jì)算式為

(1)

式中hmax——驅(qū)動(dòng)圓盤犁最大耕深,mm

dk——驅(qū)動(dòng)圓盤犁軸法蘭盤外徑,mm

k——系數(shù),取1.1

計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)圓盤犁直徑D≥503.63 mm,因此選用驅(qū)動(dòng)圓盤犁直徑D為510 mm,曲率半徑Rρ為550 mm;驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)過(guò)程中,需要保證驅(qū)動(dòng)圓盤犁在工作過(guò)程中滿足圓盤背面不擠壓未耕地側(cè),驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)狀態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)狀態(tài)偏角示意圖

由圖4可得

(2)

(3)

式中R′ρ——驅(qū)動(dòng)圓盤犁土壤表面處曲率半徑,mm

H——驅(qū)動(dòng)圓盤犁耕深,mm

由圖4幾何關(guān)系可得

(4)

式中Rk——圓盤犁球面中心到盤面的距離,mm

φ——驅(qū)動(dòng)圓盤犁臨界偏角,(°)

由式(4)可得,在耕作深度為200 mm時(shí),驅(qū)動(dòng)圓盤犁臨界偏角為27.06°,驅(qū)動(dòng)圓盤犁工作偏角應(yīng)大于其臨界偏角,隨著工作偏角的增大,其工作幅寬、入土性能、埋覆性能也會(huì)增加,為便于加工制造,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁工作偏角σ為28°。

驅(qū)動(dòng)圓盤犁安裝間距會(huì)直接影響作業(yè)質(zhì)量,為避免漏耕同時(shí)還要保證圓盤之間不墉土堵塞,應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)圓盤犁的翻垡性能,一般情況下實(shí)際耕幅wt應(yīng)小于耕深H。單側(cè)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組由兩個(gè)圓盤犁組成,由于圓盤犁的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),陰影部分a-b-e-d為圓盤犁實(shí)際作業(yè)范圍,b-d-g為溝底殘耕部分,如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)圓盤犁耕幅示意圖

驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后應(yīng)保證犁后溝底平整,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組溝底殘耕高度計(jì)算式為

(5)

驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后對(duì)溝底平整性的要求為

Hc≤ξhmax

(6)

式中ξ——溝底不平整系數(shù),取0.25

為了避免驅(qū)動(dòng)圓盤犁之間墉土堵塞,圓盤安裝間距應(yīng)盡量取最大值。由式(5)可得,隨著驅(qū)動(dòng)圓盤犁安裝間距增加,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組作業(yè)后溝底殘耕高度逐漸增加,按照驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后對(duì)溝底平整性的要求且考慮到加工制造的問(wèn)題,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁安裝間距cd為160 mm,計(jì)算得出溝底殘耕高度為47.03 mm,滿足驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)后對(duì)溝底平整性的要求。

驅(qū)動(dòng)圓盤犁作業(yè)過(guò)程中其主要作用為切翻土壤秸稈,將土壤秸稈向盤口一側(cè)扭轉(zhuǎn)鋪放[11];開(kāi)溝前犁對(duì)稱布置在機(jī)具兩側(cè),主要功能是開(kāi)溝起土,形成初步畦溝溝型;開(kāi)畦溝前犁作業(yè)過(guò)程向機(jī)組內(nèi)側(cè)翻垡堆積土壤,而驅(qū)動(dòng)圓盤犁組向機(jī)組外側(cè)翻垡堆積土壤,因此需要保證機(jī)組作業(yè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)圓盤犁組與開(kāi)畦溝前犁共同作業(yè)而不互相干涉形成堵塞,其驅(qū)動(dòng)圓盤犁組與開(kāi)畦溝前犁布局如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)圓盤犁組-開(kāi)畦溝前犁布局示意圖

由于土壤間存在牽扯撕裂、交錯(cuò)堆疊等復(fù)雜情況,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組與開(kāi)畦溝前犁作業(yè)后翻垡土壤尺寸結(jié)合開(kāi)畦溝前犁,驅(qū)動(dòng)圓盤犁翻垡原理計(jì)算,開(kāi)畦溝前犁動(dòng)土幅寬wa近似看作畦溝溝寬與溝深之和,由圖6幾何關(guān)系可得

(7)

式中wc——驅(qū)動(dòng)圓盤犁與開(kāi)畦溝前犁犁尖間距,mm

wa——開(kāi)畦溝前犁動(dòng)土幅寬,mm

wb——驅(qū)動(dòng)圓盤犁動(dòng)土幅寬,mm

計(jì)算得驅(qū)動(dòng)圓盤犁與開(kāi)畦溝前犁犁尖間距wc應(yīng)大于688.56 mm,考慮土壤復(fù)雜工況且保證機(jī)具通過(guò)性,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)圓盤犁與開(kāi)畦溝前犁犁尖間距為800 mm。

2.2 雙刃型旋耕裝置旋耕刀片設(shè)計(jì)

為增加旋耕后的碎土率、秸稈埋覆率,設(shè)計(jì)了有兩組刃口的雙刃型旋耕刀片。雙刃型旋耕刀片由刀柄、長(zhǎng)刃部和短刃部組成,長(zhǎng)刃部與短刃部分別由側(cè)切刃和正切刃組成;長(zhǎng)刃部側(cè)切刃刃口曲線為阿基米德螺線,短刃部刃口曲線為正弦指數(shù)曲線,實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤-秸稈的切削功能;長(zhǎng)刃部、短刃部正切刃均為空間曲線,實(shí)現(xiàn)拋土功能;雙刃型旋耕刀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 雙刃型旋耕刀片結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1長(zhǎng)刃部側(cè)切刃刃口曲線設(shè)計(jì)與分析

雙刃型旋耕刀片長(zhǎng)刃部側(cè)切刃刃口曲線采用阿基米德螺線。該曲線滑切角隨著回轉(zhuǎn)半徑增加逐漸增大,比較正弦指數(shù)曲線和對(duì)數(shù)螺線,阿基米德螺線平均滑切角最大,拋起土粒最多[12],且能夠增加耕深,減少摩擦阻力,防止刀具纏草[13]。其曲線方程為

(8)

式中ρ——螺線上某一點(diǎn)極徑,mm

θ——螺線上任意點(diǎn)的極角,rad

h——長(zhǎng)刃部耕深,mm

R1——旋耕刀長(zhǎng)刃部回轉(zhuǎn)半徑,mm

ρn——螺線終點(diǎn)處極徑,mm

θn——螺線終點(diǎn)處極角,rad

螺線終點(diǎn)處極角θn與阿基米德螺線終點(diǎn)處滑切角τn關(guān)系為

(9)

旋耕刀片側(cè)切刃刃口曲線應(yīng)滿足不纏草和阻力小的要求。其作業(yè)時(shí)受力分析如圖8所示。其中,取秸稈m為脫離體,對(duì)秸稈進(jìn)行受力分析:短刃部刃口曲線處,秸稈受到刃口曲線法線A-A′方向的法向反力N1和刃口曲線切線方向摩擦力Ff1。將法向反力N1沿刃口曲線切線方向和刀片運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向分解為T1和P1,當(dāng)T1大于刀刃對(duì)秸稈的摩擦力Ff1時(shí),秸稈將沿著刃口曲線滑移,從而脫離刀刃,因此秸稈滑切條件為T1>Ff1,長(zhǎng)刃部受力同理。秸稈受力方程為

圖8 雙刃型旋耕刀片作業(yè)狀態(tài)受力分析

(10)

式中T1——刃口切向力,N

τc——?jiǎng)討B(tài)滑切角,(°)

φ——秸稈與材料之間的摩擦角,(°)

μ——秸稈與材料之間的摩擦因數(shù)

為降低雙刃型旋耕刀在作業(yè)過(guò)程中的耕作阻力,應(yīng)減弱刃口曲線法向方向的力,增加刃口曲線切線方向的力[14]。即滿足

(11)

動(dòng)態(tài)滑切角τc為靜態(tài)滑切角τ與由于機(jī)具前進(jìn)影響造成的Δτ之差[15],其計(jì)算公式為

τc=τ-Δτ

(12)

其中

(13)

式中λ——旋耕速比

a′——切土?xí)r刀刃上某一點(diǎn)離耕底的距離,mm

為滿足油菜廂面種植要求,驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀裝置耕深參數(shù)需要匹配,根據(jù)圖9可得

圖9 耕深匹配示意圖

(14)

式中Rr——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑,mm

d——旋耕刀軸與圓盤犁軸上下距離差,mm

驅(qū)動(dòng)圓盤犁最大耕作深度為200 mm,為保證旋耕刀片正常作業(yè),代入式(14)計(jì)算可得旋耕刀片回轉(zhuǎn)半徑Rr為150～250 mm,但考慮旋耕刀作用對(duì)象為圓盤犁犁翻土壤,為保證旋耕深度,設(shè)計(jì)長(zhǎng)刃部旋耕深度為150 mm,回轉(zhuǎn)半徑為250 mm,切土節(jié)距90 mm;根據(jù)式(13),在旋耕速比λ一定的情況下,刀片在入土過(guò)程中Δτ逐漸減少,因此,當(dāng)?shù)度猩先我恻c(diǎn)處于地表時(shí),Δτ是工作過(guò)程中的最大值[16];參照文獻(xiàn)[17]水稻秸稈與鋼材的摩擦因數(shù)μ為0.71,摩擦角φ為35.38°,因此動(dòng)態(tài)滑切角τc>35.38°,取刃口曲線終點(diǎn)處滑切角τn為60°,動(dòng)態(tài)滑切角的變化范圍為43°～60°,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2短刃部側(cè)切刃刃口曲線設(shè)計(jì)與分析

雙刃型旋耕刀短刃部刃口曲線選用正弦指數(shù)曲線,此部分靜態(tài)滑切角與極角成線性關(guān)系,能夠防止雙刃型旋耕刀刀柄部掛草。其曲線方程為

(15)

式中ρ1——曲線起點(diǎn)極徑,mm

τ0——曲線起點(diǎn)靜態(tài)滑切角,(°)

K——曲線上靜態(tài)滑切角遞減比

θ1——曲線上任意點(diǎn)的極角,rad

選擇不同的起點(diǎn)靜態(tài)滑切角τ0和靜態(tài)滑切角遞減比能夠得到不同性能曲線。設(shè)計(jì)短刃部旋耕深度為100 mm,回轉(zhuǎn)半徑200 mm,取曲線起點(diǎn)極徑ρ1=120 mm。為保證側(cè)切刃工作過(guò)程中不纏草,刀柄基部刃口滑切角應(yīng)大于側(cè)切刃刃口曲線端點(diǎn)的滑切角,但滑切角過(guò)大,旋耕刀作業(yè)摩擦阻力增加,推薦滑切角范圍35°～55°,曲線上靜態(tài)滑切角遞減比K取0.06～0.11。本文設(shè)計(jì)取靜態(tài)滑切角τ0=52°,靜態(tài)滑切角遞減比K=0.06。

2.2.3雙刃型旋耕刀片正切刃設(shè)計(jì)與分析

雙刃型旋耕裝置工作時(shí)與地表發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),刀片的運(yùn)動(dòng)由機(jī)具的水平運(yùn)動(dòng)與刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成,長(zhǎng)刃部與短刃部運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為余擺線,刀片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(16)

式中vm——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s

R2——旋耕刀短刃部回轉(zhuǎn)半徑,mm

ω——旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度,rad/s

ε——長(zhǎng)刃部和短刃部之間相位角,(°)

長(zhǎng)刃部端點(diǎn)A0絕對(duì)速度vA為

(17)

短刃部端點(diǎn)B0絕對(duì)速度vB為

(18)

為保證雙刃型旋耕刀正常工作,需實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)刃部和短刃部同步向后拋土,當(dāng)v1x>0,v2x>0時(shí),刀片與土壤相互擠壓,土壤向前堆積,無(wú)法向后拋土,需要保證v1x<0,v2x<0。驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)工作時(shí),機(jī)組前進(jìn)速度為1.11～1.67 m/s, 旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為290～360 r/min,旋耕速比系數(shù)λ按長(zhǎng)刃部計(jì)算為4.55～8.48,長(zhǎng)刃部與短刃部能夠正常向后拋土。旋耕速比系數(shù)為8.48時(shí),雙刃型旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖10 雙刃型旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

旋耕刀正切刃能夠橫向切開(kāi)土壤,切出溝底,可切斷從側(cè)切刃滑移過(guò)來(lái)且尚未切斷的秸稈。旋耕刀片正切刃在切削過(guò)程中,若外磨刃面與未耕地土壤接觸,被擠壓入未耕地土壤中時(shí),會(huì)導(dǎo)致旋耕刀片耕深變淺,影響耕深穩(wěn)定性。以長(zhǎng)刃部為研究對(duì)象對(duì)正切刃切削過(guò)程做出分析,雙刃型旋耕刀片長(zhǎng)刃部正切刃切削過(guò)程如圖11所示。

圖11 正切刃切削過(guò)程示意圖

取雙刃型旋耕刀片長(zhǎng)刃部端點(diǎn)在A1處轉(zhuǎn)角為0°,此時(shí)該點(diǎn)絕對(duì)速度為刀輥圓周速度ωR1與機(jī)組前進(jìn)速度之和。隨著刀輥轉(zhuǎn)角增加,絕對(duì)速度與圓周速度夾角逐漸增大,旋耕刀片正切刃端點(diǎn)絕對(duì)速度逐漸減少,點(diǎn)A1、A2絕對(duì)速度分別為

(19)

式中 Δα——點(diǎn)A2絕對(duì)速度與圓周速度ωR1夾角,(°)

vA1——點(diǎn)A1絕對(duì)速度,m/s

vA2——點(diǎn)A2絕對(duì)速度,m/s

A3為余擺線與不動(dòng)形心線C-C′的交點(diǎn),此時(shí)旋耕刀片端點(diǎn)絕對(duì)速度與圓周速度零夾角在該點(diǎn)有最大值Δαmax,其絕對(duì)速度與機(jī)具前進(jìn)速度垂直,可得

(20)

切削角α為磨刃面正面與余擺線切線的夾角。為保證旋耕刀片工作時(shí)刀背與土壤之間存在間隙,切削過(guò)程中在點(diǎn)A3處存在切削角αmin為

αmin=iv+Δε

(21)

式中iv——旋耕刀正切刃磨刃角,(°)

Δε——隙角,(°)

旋耕刀片安裝角γ為磨刃面正面與旋耕刀片運(yùn)動(dòng)半徑R1之間的夾角,為

(22)

旋耕刀片的刀背面臨界安裝角γ0計(jì)算式為

(23)

式中l(wèi)——旋耕刀片刃口寬度,mm

計(jì)算得出旋耕刀片刀背面臨界安裝角γ0為76.37°,臨界安裝角是為了避免旋耕刀正切刃切削過(guò)程中外磨刃面與未耕地土壤接觸的臨界值,在實(shí)際選用中刀背面安裝角γα應(yīng)小于臨界安裝角γ0;刀背面安裝角γα與安裝角的關(guān)系(γα=γ+iv)如圖12所示。

圖12 安裝角與刀背面安裝角

為了避免旋耕刀正切刃切削過(guò)程中外磨刃面與未耕地土壤接觸,應(yīng)盡量減小最小切削角變化范圍,但磨刃角iv過(guò)小容易導(dǎo)致刀片刃口損壞,參考旋耕刀片設(shè)計(jì)推薦值[18]設(shè)計(jì)磨刃角iv為20°,旋耕刀片安裝角γ為55°;聯(lián)合式(21)、(22)計(jì)算得出在旋耕速比系數(shù)為4.55～8.48之間變化時(shí)隙角Δε為1.31°～7.33°,符合旋耕刀片設(shè)計(jì)要求。

正切刃展開(kāi)線可以是側(cè)切刃延長(zhǎng)線替換偏心圓弧曲線,其設(shè)計(jì)要求為:正切面應(yīng)有一定的碎土翻土能力,保證工作質(zhì)量的同時(shí)盡量減少阻力。為保證雙刃型旋耕刀正切刃與側(cè)切刃滑切性能相同且兩者平滑過(guò)渡,長(zhǎng)刃部正切刃使用阿基米德螺線,短刃部正切刃使用正弦指數(shù)曲線。且在黏重土壤工況下長(zhǎng)刃部正切面與短刃部正切面之間應(yīng)不夾土、纏草,應(yīng)盡量減小兩正切面的重疊面積,設(shè)計(jì)長(zhǎng)刃部正切刃工作幅寬b1為60 mm、短刃部正切刃工作幅寬b2為45 mm、折彎角β為70°、折彎半徑r0為30 mm。

2.3 雙刃型旋耕裝置刀輥設(shè)計(jì)與分析

長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié),秸稈量大,該地區(qū)留茬高度一般在300～500 mm之間[1,19-20]。為避免旋耕刀輥大量纏繞秸稈,設(shè)計(jì)旋耕刀輥為滾筒式刀輥,且滾筒橫截面周長(zhǎng)應(yīng)大于留茬長(zhǎng)度。根據(jù)

C=πD1

(24)

式中C——刀輥橫截面周長(zhǎng),mm

D1——刀輥直徑,mm

計(jì)算確定雙刃型旋耕裝置刀輥直徑為152 mm。

旋耕刀片排列方式會(huì)影響旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量、功率消耗、機(jī)具平衡性等指標(biāo)。雙刃型旋耕裝置中,左刀輥和右刀輥為對(duì)稱結(jié)構(gòu),刀片在左、右刀輥上分別按照雙頭螺旋線排列方式排列,左右刀輥螺旋線旋向相反,升角相同。考慮與驅(qū)動(dòng)圓盤犁對(duì)土壤的作用,避免犁翻后土壤在兩側(cè)堆積造成機(jī)具堵塞,因此需要實(shí)現(xiàn)將犁翻后的土壤向機(jī)具中央輸送。為實(shí)現(xiàn)土壤向廂面內(nèi)側(cè)移動(dòng),旋耕刀按照倒U形安裝方式[21]安裝,即左刀輥安裝右彎型刀片,右刀輥安裝左彎形刀片。如圖13所示,作業(yè)時(shí)左彎刀向左后方拋土,右彎刀向右后方拋土,實(shí)現(xiàn)土壤向廂面內(nèi)側(cè)遷移。

圖13 犁旋配合作業(yè)示意圖

為避免同一切土小區(qū)內(nèi)刀片之間夾土,設(shè)計(jì)雙刃型旋耕裝置每個(gè)刀盤上安裝兩把雙刃型旋耕刀,同一切土小區(qū)內(nèi)兩把刀片夾角取180°,旋耕機(jī)刀輥上安裝刀片總數(shù)計(jì)算式為

(25)

其中

b′=b+Δb

(26)

式中b′——旋耕刀盤安裝間距,mm

b——旋耕刀工作幅寬,取b1、b2中較大值,mm

Δb——刀盤安裝間距與工作幅寬差值,mm

Z′——安裝旋耕刀總數(shù),取偶數(shù)

Z——單個(gè)切土小區(qū)旋耕刀數(shù)量

旋耕刀盤安裝間距應(yīng)大于旋耕刀工作幅寬,Δb常取15～20 mm[16],經(jīng)計(jì)算Z′≈26,即左右刀輥各安裝26把雙刃型旋耕刀片。左右刀輥初始位置安裝角度差為

(27)

式中ψ——左右刀輥安裝角度差,(°)

雙刃型旋耕裝置刀片排列示意圖如圖14所示。

圖14 雙刃型旋耕刀排列示意圖

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)型犁旋聯(lián)合耕整的作業(yè)性能,應(yīng)用EDEM軟件構(gòu)建機(jī)具-土壤-秸稈仿真模型,由于油菜合理耕層的構(gòu)建需要完成前茬作物秸稈的處理和土壤上下層交換,因此仿真試驗(yàn)包括驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)對(duì)秸稈的埋覆性能仿真試驗(yàn)和交換土壤耕層性能仿真試驗(yàn)。

3.1 仿真模型建立

應(yīng)用SolidWorks軟件建立驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)仿真模型,除去雙圓盤、肥箱等結(jié)構(gòu),主要工作部件由驅(qū)動(dòng)圓盤犁組、雙刃型旋耕裝置、開(kāi)畦溝前犁、開(kāi)畦溝后犁組成,其結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 三維仿真模型

3.2 土壤-秸稈離散元模型建立

使用EDEM 2020軟件建立土壤-秸稈離散元模型。土壤接觸模型的選擇是影響離散元仿真試驗(yàn)的重要因素,為了模擬長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤黏重工況,仿真使用Hertz-Mindlin with JKR模型。該模型引入顆粒間表面能和顆粒的黏性概念,適宜模擬黏重、可塑性強(qiáng)的土壤[22],土壤與工作部件之間的接觸模型為Hertz-Mindlin no Slip 模型。本文采用球形顆粒作為土壤模型,設(shè)置土壤顆粒直徑為12 mm;使用20個(gè)球形顆粒,組成長(zhǎng)度為340 mm的長(zhǎng)條模型作為秸稈顆粒。

建立長(zhǎng)×寬×高為3 500 mm×3 000 mm×400 mm的土槽模型。參照文獻(xiàn)[23-25],設(shè)置土壤參數(shù):泊松比0.4、土壤密度2 680 kg/m3、土壤剪切模量2.8×107Pa;秸稈參數(shù):泊松比0.4、密度241 kg/m3、剪切模量1×106Pa;機(jī)具參數(shù):泊松比0.3、密度7 865 kg/m3、剪切模量7.9×1010Pa。模型接觸參數(shù)如表2所示。

表2 模型接觸參數(shù)

3.3 仿真過(guò)程

在EDEM軟件中調(diào)整驅(qū)動(dòng)圓盤犁組耕深為200 mm,雙刃型旋耕裝置耕深為150 mm;設(shè)置機(jī)具前進(jìn)速度為1.11 m/s,旋耕裝置轉(zhuǎn)速為290 r/min,驅(qū)動(dòng)圓盤犁組轉(zhuǎn)速為135 r/min;設(shè)置Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)為5%,網(wǎng)格尺寸為最小顆粒半徑的3倍,仿真總時(shí)間設(shè)置為10 s,儲(chǔ)存間隔0.01 s。本次仿真共生成416 136個(gè)土壤顆粒以及1 000個(gè)秸稈顆粒,仿真過(guò)程如圖16所示。秸稈埋覆過(guò)程如圖17所示。

圖16 仿真過(guò)程

圖17 離散元仿真秸稈埋覆過(guò)程

3.4 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

在土壤表面隨機(jī)設(shè)置3處厚度為200 mm、長(zhǎng)度為500 mm、寬度為1 000 mm的測(cè)量區(qū)域,測(cè)量區(qū)域下方與地表平齊,計(jì)算地表秸稈質(zhì)量Wq,機(jī)具作業(yè)后重新計(jì)算地表剩余秸稈質(zhì)量Wh,整機(jī)仿真秸稈埋覆參數(shù)如表3所示。參考GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)械試驗(yàn)方法》,秸稈埋覆率Fb計(jì)算式為

表3 整機(jī)秸稈埋覆參數(shù)

(28)

通過(guò)EDEM后處理Geometry Bin模塊在整機(jī)工作后的土槽中選取長(zhǎng)度為500 mm、寬度為500 mm、厚度為400 mm的土塊為分析區(qū)域;如圖18所示,將所選土塊表層厚度150 mm的區(qū)域等分為3層,每層厚度為50 mm,從上到下標(biāo)記每層土壤分別為顆粒1、顆粒2、顆粒3,隱藏秸稈顆粒,統(tǒng)計(jì)整機(jī)作業(yè)后每層土壤區(qū)域各顆粒的個(gè)數(shù)。

圖18 離散元仿真后土壤顆粒分布示意圖

對(duì)耕層土壤交換情況做出分析:在驅(qū)動(dòng)圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置的共同作用下,土壤耕層顆粒發(fā)生變化,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖19所示。整機(jī)作業(yè)后第1層土壤顆粒1占比44.53%,顆粒2占比37.73%,顆粒3占比17.74%;第2層土壤顆粒1占比28.65%,顆粒2占比40.89%,顆粒3占比30.46%;第3層土壤顆粒1占比26.84%,顆粒2占比28.71%,顆粒3占比44.44%;仿真試驗(yàn)證明整機(jī)作業(yè)后各層土壤交換程度高,土壤混合均勻。

圖19 離散元仿真后土壤顆粒分布

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)能夠有效地埋覆秸稈,整機(jī)作業(yè)后土壤耕層交換均勻,可適用于秸稈量大工況下田間工作。

4 田間試驗(yàn)

4.1 性能試驗(yàn)

4.1.1性能試驗(yàn)工況

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)作業(yè)性能進(jìn)行了田間性能試驗(yàn),試驗(yàn)于2022年9—10月在湖北省荊州市監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻-油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開(kāi)展;在工況1開(kāi)展整機(jī)與2BFQ-8型旋耕式油菜直播機(jī)作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn),在工況2開(kāi)展驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)的性能驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)田塊采用稻-油輪作模式,田塊土壤為偏黏性土壤,工況1土壤條件下平均土壤堅(jiān)實(shí)度1 394.7 kPa、土壤含水率25.70%、秸稈含水率39.64%、秸稈量3.28 kg/m2、留茬高度506 mm;工況2土壤條件下平均土壤堅(jiān)實(shí)度2 274.4 kPa、土壤含水率33.27%、秸稈含水率29.87%、秸稈量1.51 kg/m2、留茬高度323 mm。

試驗(yàn)設(shè)備包括東方紅954型輪式拖拉機(jī)、驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)、2BFQ-8型旋耕式油菜直播機(jī)、土壤堅(jiān)實(shí)度儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司、精度±0.005% FS)、Trimble TX8型三維激光掃描儀、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、土壤取樣環(huán)刀等。

4.1.2性能試驗(yàn)方法

驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛與東方紅954型輪式拖拉機(jī)連接,調(diào)節(jié)三點(diǎn)懸掛裝置保證驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)圓盤犁耕作深度為200 mm,雙刃型旋耕裝置耕作深度為150 mm,調(diào)節(jié)拖拉機(jī)PTO輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min。機(jī)具每個(gè)作業(yè)行程直線作業(yè)50 m,取中間的行程30 m為穩(wěn)定測(cè)試區(qū)域。參考NY/T 499—2013《旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)械試驗(yàn)方法》和JB/T 10287—2015《驅(qū)動(dòng)圓盤犁》,確定以下試驗(yàn)指標(biāo):耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率、秸稈埋覆率、廂面平整度。相關(guān)的參數(shù)測(cè)量方法參照文獻(xiàn)[1,20,26]。

4.1.3性能試驗(yàn)結(jié)果

使用Trimble TX8型三維激光掃描儀測(cè)量工況1作業(yè)地表廂面質(zhì)量,并通過(guò)Trimble RealWorks導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用Matlab軟件生成三維激光掃描儀效果圖與廂面斷面如圖20所示,驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)作業(yè)后廂面平整,平均廂面平整度為24.3 mm。在工況1地塊土壤條件下,整機(jī)平均耕深、碎土率、秸稈埋覆率、耕深穩(wěn)定性系數(shù)和廂面平整度各項(xiàng)指標(biāo)均滿足油菜播種要求,工況1地塊田間性能對(duì)比效果如圖21所示,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在工況2地塊土壤條件下,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,作業(yè)效果如圖22所示,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足油菜播種要求。驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)較旋耕式油菜直播機(jī)平均碎土率提升8.94個(gè)百分點(diǎn),平均秸稈埋覆率提升24.23個(gè)百分點(diǎn)。在工況2地塊土壤條件下,整機(jī)平均碎土率為94.40%,平均秸稈埋覆率為95.20%(表5),滿足油菜直播要求。

圖20 三維激光掃描試驗(yàn)結(jié)果

圖21 對(duì)比試驗(yàn)效果(工況1)

圖22 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(工況2)

表4 田間性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(工況1)

表5 田間性能試驗(yàn)結(jié)果(工況2)

4.2 播種試驗(yàn)

4.2.1播種試驗(yàn)工況

為了進(jìn)一步驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)種床整備合理性,于2022年10月20日在湖北省荊州市監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻-油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開(kāi)展播種試驗(yàn),試驗(yàn)田塊常年采用稻-油輪作模式,田塊土壤為偏黏性土,試驗(yàn)田塊工況參數(shù)如表6所示。

表6 播種試驗(yàn)工況參數(shù)

4.2.2播種試驗(yàn)效果

試驗(yàn)以東方紅954型拖拉機(jī)為動(dòng)力,整機(jī)加裝窩眼輪式排種器,開(kāi)溝器選用雙圓盤式開(kāi)溝器;播種行數(shù)為8行,調(diào)節(jié)行距240 mm;經(jīng)播量標(biāo)定后設(shè)置播量為1 462.5 g/hm2,播種油菜品種為華油雜62;施肥方式為旋耕混施,整機(jī)作業(yè)幅寬2.3 m,拖拉機(jī)前進(jìn)速度4 km/h。播種試驗(yàn)與出苗效果如圖23所示。

圖23 田間播種試驗(yàn)

4.3 田間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)在兩種工況下驅(qū)動(dòng)圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置共同作用能夠有效地埋覆地表秸稈,平均秸稈埋覆率為96.45%;整機(jī)作業(yè)后土壤細(xì)碎,平均碎土率為95.30%;整機(jī)耕深穩(wěn)定性系數(shù)在90%以上,平均廂面平整度為22 mm,且刀輥不纏草,機(jī)組通過(guò)性好;在工況1地塊下開(kāi)展整機(jī)與2BFQ-8型旋耕式油菜直播機(jī)作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)較旋耕式油菜直播機(jī)平均碎土率提升8.94個(gè)百分點(diǎn),平均秸稈埋覆率提升24.23個(gè)百分點(diǎn)。油菜播種后,油菜出苗均勻,表明廂面質(zhì)量滿足油菜播種要求。

5 結(jié)論

(1)提出了先主動(dòng)犁耕后雙刃旋耕的聯(lián)合耕整工作方式;開(kāi)展理論分析確定了驅(qū)動(dòng)圓盤犁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)圓盤犁組-開(kāi)畦溝前犁布局方式;依據(jù)滑切原理確定了具有一對(duì)正切刃和側(cè)切刃的雙刃型旋耕刀片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。開(kāi)展運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出雙刃型旋耕裝置的轉(zhuǎn)速范圍為290～360 r/min。根據(jù)驅(qū)動(dòng)圓盤犁組結(jié)構(gòu)布局確定了雙刃型旋耕刀片按照雙頭螺旋線方式排列。

(2)建立了基于離散元方法的土壤-秸稈-機(jī)具仿真模型,仿真分析驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)秸稈埋覆性能與土壤耕層交換性能。仿真試驗(yàn)表明整機(jī)作業(yè)平均秸稈埋覆率為94.69%,且作業(yè)后土壤耕層交換混合均勻。

(3)田間性能試驗(yàn)表明,驅(qū)動(dòng)圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機(jī)通過(guò)性、適應(yīng)性好,兩種作業(yè)工況下整機(jī)作業(yè)平均廂面平整度為22 mm,平均碎土率為95.30%,平均秸稈埋覆率為96.45%;田間播種試驗(yàn)表明,整機(jī)播種后,油菜出苗均勻;廂面質(zhì)量滿足稻茬地表油菜直播種床整備的要求。