田 陽(yáng)，林 靜，李寶筏，張桐嘉，齊 林，王佳琦

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氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田 陽(yáng)，林 靜※，李寶筏，張桐嘉，齊 林，王佳琦

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110866）

針對(duì)東北黑土區(qū)合理耕層構(gòu)建秸稈深埋還田的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)并存合理耕層結(jié)構(gòu)，研制了氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)，能夠一次完成破茬、秸稈撿拾粉碎、開(kāi)溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能。機(jī)具主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開(kāi)溝裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成。其關(guān)鍵部件是氣力輸送裝置，應(yīng)用離散元?dú)夤恬詈蠑?shù)值模擬法對(duì)秸稈在氣力氣力輸送裝置中不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了秸稈和氣流輸送氣固耦合的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)具運(yùn)行最優(yōu)參數(shù)組合為開(kāi)溝裝置轉(zhuǎn)速215 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 850 r/min，機(jī)具作業(yè)速度3.0 km/h。田間試驗(yàn)表明，在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，秸稈深埋率為94%，秸稈粉碎合格率為94.2%，碎土率為95.4%，滿足了東北黑土區(qū)秸稈深埋還田技術(shù)指標(biāo)要求，為秸稈深埋還田機(jī)的改制和評(píng)價(jià)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；計(jì)算機(jī)仿真；設(shè)計(jì)；深埋還田；合理耕層；試驗(yàn)

0 引 言

目前東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，長(zhǎng)期以小型動(dòng)力機(jī)具作業(yè)為主，深翻、深松等作業(yè)面積越來(lái)越少，導(dǎo)致耕層變淺、犁底層增厚、耕層有效土壤數(shù)量減少、土壤結(jié)構(gòu)變差、貯水能力、抗逆性減弱，使土壤耕層存在“淺、實(shí)、少”的問(wèn)題，嚴(yán)重限制了玉米產(chǎn)量的提高[1-4]。條帶式秸稈深埋還田將秸稈深埋還田與虛實(shí)并存耕層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過(guò)將地表的秸稈深埋于行間和苗帶局部鎮(zhèn)壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，使其具有改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等含量；打破犁底層，減少地表徑流，提高自然降水的利用率，增強(qiáng)土壤水分保墑能力；改善植物性狀、提高出苗率，提高玉米的抗倒伏性和逆境的適應(yīng)性[5-8]。

條帶式秸稈深埋還田是解決東北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田耕層“淺、實(shí)、少”問(wèn)題的主要途徑[9-16]，其工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：破茬、行間開(kāi)溝、秸稈收集輸送溝內(nèi)、覆土鎮(zhèn)壓，實(shí)現(xiàn)將秸稈深埋于土壤25 cm以上。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于條帶秸稈深埋還田機(jī)的研究還處于起步階段機(jī)具，機(jī)具推廣使用還不成熟、功能還有待完善，主要存在掩埋深度不夠、掩埋合格率有待提高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、機(jī)具作業(yè)效率低等問(wèn)題。國(guó)外關(guān)于秸稈深埋還田機(jī)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此東北黑土區(qū)迫切需要能實(shí)現(xiàn)條帶秸稈深埋還田作業(yè)的配套機(jī)具。

王川等[17]研制了一種秸稈深埋保護(hù)性耕作復(fù)合機(jī)具能將地表90%的秸稈深埋到地表10 cm以下。魏鳳蘭[18]研制的氣吸式秸稈復(fù)合還田機(jī)將覆蓋在地表的粉碎秸稈吸入風(fēng)機(jī)內(nèi)，經(jīng)導(dǎo)料筒引至壟溝。鄭智旗等[19]研制的秸稈撿拾粉碎掩埋復(fù)式還田機(jī)，能夠?qū)?0%～50%秸稈掩埋于行間15 cm以下。林靜等[20]研制的1JHL-2型秸稈深埋還田機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)秸稈全量深埋還田，適用于東北平原中南部棕壤土區(qū)合理耕層構(gòu)建的秸稈深埋還田的技術(shù)要求。但是其存在一些不足：變螺旋開(kāi)溝裝置加工工藝復(fù)雜，且耐磨性有待提高；開(kāi)溝寬度為400 mm，當(dāng)掩埋秸稈量較少時(shí)開(kāi)溝寬度過(guò)大會(huì)造成較高的功耗；彈齒式秸稈輸送裝置，彈齒間有較大間隙，很難將擁入輸送裝置內(nèi)的土壤顆粒排除，輸送秸稈量較大時(shí)易發(fā)生堵塞。

本文結(jié)合公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“旱地合理耕層構(gòu)建技術(shù)指標(biāo)研究”，結(jié)合東北黑土區(qū)耕層障礙性問(wèn)題配套一種秸稈深埋還田機(jī)，以提高秸稈深埋率、精確控制秸稈掩埋深度、降低作業(yè)工功耗、提高機(jī)具作業(yè)的流暢性為出發(fā)點(diǎn)研制出一次作業(yè)可同時(shí)完成破茬、秸稈撿拾粉碎、氣力輸送、開(kāi)溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)并存合理耕層結(jié)構(gòu)，為東北黑土區(qū)合理耕層構(gòu)建配套新型機(jī)具。

1 整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

1.1 整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)，主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開(kāi)溝分土裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等部分組成，如圖1所示。其關(guān)鍵部件是破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開(kāi)溝分土裝置、覆土裝置和鎮(zhèn)壓裝置。氣力輸送裝置，布置在撿拾粉碎裝置后方，由螺旋輸送裝置、風(fēng)機(jī)、輸送管道和卸料管道等組成；在螺旋輸送裝置和卸料管道下方設(shè)計(jì)安裝了開(kāi)溝分土裝置；在卸料管道后方依次設(shè)計(jì)安裝了由左右覆土鏟組成的覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等，完成秸稈撿拾粉碎、開(kāi)溝、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能。

1. 機(jī)架 2. 前傳動(dòng)箱 3. 懸掛裝置 4. 破茬裝置 5. 撿拾粉碎裝置 6. 氣力輸送裝置 7. 后傳動(dòng)箱 8. 開(kāi)溝分土裝置 9. 覆土裝置 10. 鎮(zhèn)壓裝置

機(jī)具采用三點(diǎn)懸掛方式，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與機(jī)具的前傳動(dòng)箱相聯(lián)，前傳動(dòng)箱分別聯(lián)結(jié)帶傳動(dòng)總成和后傳動(dòng)箱，后傳動(dòng)箱聯(lián)接鏈傳動(dòng)總成。帶傳動(dòng)總成驅(qū)動(dòng)撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置鏈傳動(dòng)總成驅(qū)動(dòng)開(kāi)溝裝置工作。

1.2 工作機(jī)理

機(jī)具工作條件是玉米收獲后將長(zhǎng)度在5～25 cm的碎秸稈灑在地表，同時(shí)地表留有10～30 cm高的殘茬。破茬裝置將玉米根茬粉碎后，撿拾粉碎裝置通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)將地表的留茬和秸稈粉碎并拋送至氣力輸送裝置。撿拾粉碎裝置工作后清理地表，使開(kāi)溝分土裝置在無(wú)秸稈的地表工作。開(kāi)溝分土裝置在行間開(kāi)出深埋溝后將土壤分流到深埋溝兩側(cè)。隨后氣力輸送裝置將秸稈送入深埋溝內(nèi)。覆土裝置將土回填后，由鎮(zhèn)壓裝置將深埋溝內(nèi)的碎秸稈和回填土壓實(shí)。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)要求如表1所示。

表1 氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 撿拾粉碎裝置的設(shè)計(jì)

撿拾粉碎裝置由定刀片、粉碎罩殼、動(dòng)刀片和動(dòng)刀軸組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。定刀設(shè)置在粉碎罩殼內(nèi)側(cè)。

1. 定刀片 2. 粉碎裝置罩殼 3. 動(dòng)刀片 4. 動(dòng)刀軸

2.1.1 動(dòng)刀輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高秸稈粉碎質(zhì)量采用動(dòng)刀、定刀支撐切割的方式。粉碎刀選用作用面積、剪切力較大的Y型甩刀，其具有較好的撿拾粉碎性能[20]。動(dòng)刀采用雙螺旋對(duì)稱排列方式，每次只有2把甩刀同時(shí)作業(yè)，負(fù)荷均勻，離心力小。動(dòng)刀輥的排列數(shù)量計(jì)算公式為

式中N為甩刀數(shù)量；B為機(jī)具作業(yè)幅寬，cm；C為粉碎刀密度，對(duì)于Y型甩刀一般采取0.23～0.40。將B=130 cm，C=0.3 代入式（1）得N=39，實(shí)際裝配40 片刀。

2.1.2 動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)半徑

動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)半徑是秸稈深埋還田機(jī)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，其大小會(huì)影響秸稈撿拾粉碎質(zhì)量和秸稈深埋率。動(dòng)刀輥的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式

式中n為動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)速，r/min；v為動(dòng)刀刀端線速度，m/s；v為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；r為動(dòng)刀最大回轉(zhuǎn)半徑，m；h為動(dòng)刀距地面距離，m。

機(jī)具前進(jìn)速度取0.833 m/s；若動(dòng)刀工作時(shí)緊貼地表，則會(huì)打土使其產(chǎn)生反沖擊力，導(dǎo)致刀具磨損和斷裂，縮短刀具的使用壽命。同時(shí)刀具入土?xí)⒌乇砩系耐亮：徒斩捯煌瑨伻腼L(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)很難將土粒排出，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)堵死而無(wú)法正常工作。取動(dòng)刀距離地表3 cm。考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配置關(guān)系，及參考目前國(guó)內(nèi)外秸稈撿拾粉碎裝置動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑在0.24～0.35 m范圍，選取動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑r為0.26 m。有一定剛度莖稈無(wú)支撐粉碎時(shí)動(dòng)刀刀端線速度大于48 m/s才能達(dá)到良好的粉碎效果。將設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式（2）計(jì)算得動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速n為2 000 r/min。

2.2 開(kāi)溝分土裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1 開(kāi)溝分土裝置的結(jié)構(gòu)

根據(jù)合理耕層構(gòu)建技術(shù)要求，秸稈深埋還田機(jī)要具有行間深松作業(yè)效果，其開(kāi)溝深度應(yīng)大于25 cm，選擇開(kāi)溝深度為27 cm。根據(jù)田間測(cè)試，當(dāng)秸稈覆蓋量為1.2、1.4和1.6 kg/m2，工作幅寬為1.3 m，深埋溝深度為27 cm，寬度為310、355、400 mm時(shí)掩埋秸稈深度能夠達(dá)到200 mm。秸稈深埋溝模型如圖3所示。1為秸稈填入深埋溝內(nèi)的厚度，為12 cm；2為回填土層的厚度，為15 cm；3為覆蓋在深埋溝表面的土層厚度，為5 cm；開(kāi)溝深度為1與2之和，為27 cm。

注：h1為秸稈層厚度，cm；h2為回填土厚度，cm；h3為覆土層厚度，cm；L為深埋溝寬度，cm。

開(kāi)溝分土裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由開(kāi)溝主軸、開(kāi)溝刀盤(pán)、C型開(kāi)溝刀、分土主板、分土上板和分土側(cè)板組成。其中分土板由分土主板、分土上板、分土側(cè)板組成。2個(gè)刀盤(pán)可沿軸向移動(dòng)，調(diào)節(jié)開(kāi)溝裝置開(kāi)溝寬度，開(kāi)溝寬度為300～400 mm使其符合條帶秸稈深埋的開(kāi)溝寬度。其工作時(shí)，C型開(kāi)溝刀逆旋將土壤顆粒向前上方拋出，土壤顆粒撞到分土主板后向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，撞到分土側(cè)板后落到深埋溝的兩側(cè)。

1. 開(kāi)溝主軸 2. C型開(kāi)溝刀 3. 分土主板 4. 分土上板 5. 開(kāi)溝刀盤(pán)6. 分土側(cè)板

2.2.2 開(kāi)溝分土裝置主要參數(shù)的確定

開(kāi)溝分土裝置工作時(shí)，反轉(zhuǎn)開(kāi)溝土垡向前上方拋，后續(xù)刀片具有清溝鏟功能所以選擇反轉(zhuǎn)開(kāi)溝。C型開(kāi)溝刀是一種反轉(zhuǎn)式作業(yè)刀具，刀身較寬，厚度大，工作幅寬可達(dá)120 mm，且開(kāi)溝寬度相同時(shí)扭矩小于旋耕刀。所以采用C型開(kāi)溝刀。根據(jù)合理耕層構(gòu)建的技術(shù)要求，開(kāi)溝深度H為270 mm開(kāi)溝裝置的動(dòng)力由鏈輪傳動(dòng)，鏈輪半徑為75 mm，同時(shí)最低點(diǎn)距離地面10 mm，所以刀盤(pán)半徑為355 mm。研究表明開(kāi)溝裝置正常工作時(shí)其線速度應(yīng)大于慣性卸載的臨界圓周速度，>臨，臨=5 m/s[21]。開(kāi)溝裝置的圓周線速度高于8.5～9 m/s時(shí)，其受力隨著圓周線速度增加而急劇增加。根據(jù)刀盤(pán)線速度v應(yīng)該在5～9 m/s，選取刀盤(pán)的圓周線速度v為8 m/s。刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速為

式中n為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min。其中v=8 m/s，r=355 代入式（3），n為215.2 r/min。

切土節(jié)距和刀片數(shù)量的關(guān)系式為

式中Z為同一旋轉(zhuǎn)切削面刀片數(shù)；S為切土節(jié)距，m。

在不同類(lèi)型的土質(zhì)下切土節(jié)距范圍在0.5～6 cm，本機(jī)具根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用5 cm，機(jī)組前進(jìn)速度v為3 km/h，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速=215.2 r/min 代入式（4）得Z=4.6，取整Z=5，C型開(kāi)溝刀在刀盤(pán)左右對(duì)稱均勻分布。每個(gè)刀盤(pán)共5組C型開(kāi)溝刀，共10組C型開(kāi)溝刀。

反轉(zhuǎn)方式開(kāi)溝時(shí)，土壤顆粒會(huì)向前上方拋出，為了使土壤顆粒落到深埋溝兩側(cè)，便于土壤回填需要安裝分土板。開(kāi)溝裝置的半徑為355 mm，為了防止分土板與開(kāi)溝裝置干涉，且為拋土留出空間，分土板內(nèi)圓與開(kāi)溝裝置的外徑距離為25 mm，因此內(nèi)圓半徑為380 mm，為了節(jié)省空間，使機(jī)具結(jié)構(gòu)更加緊湊，分土板的外圓半徑設(shè)計(jì)為500 mm；分土主板夾角為120o，使向上運(yùn)動(dòng)的土壤顆粒接觸到分土上板后，向兩側(cè)飛去，撞到分土側(cè)板后落到深埋溝兩側(cè)；分土側(cè)板間距為700 mm，土壤顆粒在距離溝壁約200 mm的距離落下，使其不會(huì)直接落回深埋溝內(nèi)，同時(shí)便于覆土。

2.2.3 開(kāi)溝裝置的仿真分析

應(yīng)用離散元軟件EDEM進(jìn)行開(kāi)溝分土作業(yè)的的虛擬試驗(yàn)，分析開(kāi)溝分土裝置的轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)能否開(kāi)出符合要求的深埋溝。將建好的仿真模型導(dǎo)入到EDEM中，其中土槽尺寸為1 m′0.6 m′0.4 m。為使分析更加精確，只分析其穩(wěn)定工作時(shí)的工作指標(biāo)，建立的2種土壤顆粒模型在土槽中央部分0.2 m′0.4 m′0.27 m的區(qū)域用土壤顆粒1填充為分析對(duì)象，其余部分用土壤顆粒2填充，如圖5所示。開(kāi)溝刀選用C型開(kāi)溝刀，機(jī)具的前進(jìn)速度為3 km/h、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為215.2 r/min、開(kāi)溝深度為270 mm、開(kāi)溝寬度為400 mm。

圖5 開(kāi)溝分土裝置仿真模型

根據(jù)EDEM軟件模擬土壤顆粒的特點(diǎn)和秸稈深埋還田機(jī)的工作要求，選取深埋溝的結(jié)構(gòu)、土壤顆粒分布作為虛擬試驗(yàn)的分析對(duì)象。

深埋溝結(jié)構(gòu)如圖6所示，利用EDEM軟件的網(wǎng)格劃分功能（Grid Bin Group模塊）對(duì)土槽區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，中間線框坐標(biāo)為（–200，200）、（50，320），開(kāi)出的溝形為矩形溝，寬度為400 mm，深度為270 mm，溝底、溝壁平整。

圖6 深埋開(kāi)溝結(jié)構(gòu)模型

開(kāi)溝后顆粒1的分布如表2所示。開(kāi)溝寬度為400 mm,所以區(qū)域（–200，–60）、（–60，60）、（60，200）為深埋溝區(qū)域，共有1 324 個(gè)土壤顆粒占全部土壤顆粒的6%，是拋出的土壤顆粒堆積在深埋溝兩側(cè)后重新滑落到深埋溝內(nèi)的。土壤顆粒多集中在（–540，–420）至（–300，–200）和（540，420）至（300，200）6個(gè)區(qū)域內(nèi)，即土壤顆粒經(jīng)過(guò)分土板的分流后多落在距溝壁340 mm處。結(jié)果表明：開(kāi)溝裝置能夠開(kāi)出符合要求的矩形深埋溝；土壤顆粒經(jīng)過(guò)分土板的分流后會(huì)落在掩溝兩側(cè)較近的距離，便于后續(xù)的覆土鎮(zhèn)壓。

表2 開(kāi)溝后土壤顆粒分布

2.3 氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)

2.3.1 氣力輸送裝置的結(jié)構(gòu)

氣力輸送裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由風(fēng)機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)殼、輸送管道、卸料管道、螺旋輸送裝置等組成。其工作時(shí)撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后拋送至螺旋輸送裝置，螺旋輸送裝置將碎秸稈推送至風(fēng)機(jī)，秸稈在風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)下被拋送至輸送管道，秸稈在一定的初速度下受氣流作用經(jīng)過(guò)輸送管道和卸料管道，將秸稈由機(jī)具行進(jìn)方向左側(cè)的風(fēng)機(jī)內(nèi)送入開(kāi)溝裝置后方的深埋溝內(nèi)。

2.3.2 氣力輸送裝置參數(shù)的計(jì)算

氣力輸送裝置生產(chǎn)率Q1的計(jì)算公式為

式中q為秸稈產(chǎn)量，kg/hm2。取B工作幅寬為1.3 m，當(dāng)最大秸稈量為16 000 kg/hm2、機(jī)具行進(jìn)速度為3 km/h即0.83 m/s時(shí)，計(jì)算的理論的生產(chǎn)率為6.1 t/h。

1. 風(fēng)機(jī)葉片 2. 風(fēng)機(jī)殼 3. 輸送管道 4. 卸料管道 5. 螺旋輸送裝置

1. Fan blade 2.Fan case 3.Conveying pipe 4. Discharging pipe 5.Screw conveyer

圖7 氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.7 Structure diagram of pneumatic conveying device

螺旋輸送裝置的生產(chǎn)率計(jì)算公式為

式中D為螺旋外徑，m；為螺距，m；n為螺旋每分鐘轉(zhuǎn)速，r/min；為螺旋外徑與輸送管內(nèi)表面的間隙，m；為螺旋軸直徑，m；為傾斜輸送系數(shù)；為被輸送物料的單位容積質(zhì)量，t/m3；K為充滿系數(shù)。由于螺旋輸送物料為長(zhǎng)度小于100 mm的碎秸稈。參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)》[22]，選螺旋外徑D為250 mm 螺距為200 mm取螺旋軸直徑為120 mm，螺旋外徑與輸送管內(nèi)表面的間隙為5 mm，螺旋厚度為3 mm，充滿系數(shù)K為0.4，螺旋生產(chǎn)率為Q為6.1 t/h，螺旋轉(zhuǎn)速n>767 r/min時(shí)其推進(jìn)量可達(dá)到6.1 t/h。

機(jī)具工作時(shí)玉米秸稈通過(guò)風(fēng)機(jī)內(nèi)部，為防止堵塞選為3葉片徑向圓周均勻分布。風(fēng)機(jī)輸送碎秸稈時(shí)管內(nèi)直徑為200～300 mm，輸送秸稈的混合濃度比較小，選擇橫截面為200 mm′200 mm方形管道。在輸送管道中，氣流輸送秸稈是借助空氣動(dòng)力作用，秸稈受到空氣動(dòng)力的大小與空氣含秸稈的相對(duì)速度有關(guān)。撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后，秸稈長(zhǎng)度小于10 cm，應(yīng)用農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試玉米秸稈懸浮速為11.9 m/s。

為了保證輸送秸稈在輸送管道中的流暢輸送，氣流速度應(yīng)該略大于秸稈的懸浮速度。即

式中v為輸送氣流速度，m/s；k為輸送氣流系數(shù)在1.1～2.5范圍變化，與輸送物的濃度有關(guān)；懸為輸送物料的懸浮速度，m/s。當(dāng)輸送物料為秸稈且混合濃度比m在1.0～2.0時(shí)選取k值為2.2。秸稈的懸浮速度為11.9 m/s，則輸送氣流速度v為26.2 m/s?；旌蠞舛缺扔?jì)算公式為

式中d為輸送管道邊長(zhǎng)，m；ρ為空氣密度，kg/m3。根據(jù)氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)的設(shè)計(jì)要求其生產(chǎn)率Q1為6.1 t/h，即6 100 kg /h，輸送管道邊長(zhǎng)d為0.2 m，空氣密度ρ為1.25 kg/m3，則混合濃度比m為1.29，符合原條件。

氣力輸送裝置的全壓由靜壓ΔP和動(dòng)壓ΔP組成，其中靜壓主要由管道沿程壓力損失ΔP彎頭壓力損失ΔP局部壓力損失ΔP、提升壓力損失ΔP、加速壓力損失ΔP等組成。沿程壓力損失計(jì)算公式為

式中λ為沿程壓力損失系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度，m；D為管道當(dāng)量直徑，m；

管道采用薄鐵皮制成λ為0.045，管道長(zhǎng)度L為2.8 m,管道當(dāng)量直徑 D為0.225 m,則管道沿程壓力損失DP為230.5 Pa。彎頭壓力損失計(jì)算公式為

式中λ為彎頭壓力損失系數(shù)。共有2個(gè)彎頭，λ為0.724，則彎頭壓力損失為317.9 Pa。局部圧力損失DP比較小可以忽略不計(jì)。提升壓力損失計(jì)算公式為

式中λ為提升壓力損失系數(shù)；h為提升高度，m。λ為14.4，提升高度為1.8 m，則提升壓力損失為23.2 Pa。

加速壓力損失計(jì)算公式為

式中λ為加速壓力損失系數(shù)，λ為0.41，則加速壓力損失為226.9 Pa。動(dòng)壓計(jì)算公式為

計(jì)算得動(dòng)壓ΔP為429 Pa，則全壓為1 227.5 Pa。考慮其他損失，將全壓加大10%左右，取1 350 Pa。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和葉輪直徑間的關(guān)系為

式中D為葉輪直徑，m；φ為風(fēng)機(jī)系數(shù)。

在滿足氣力輸送裝置生產(chǎn)率的前提下，理論上葉輪直徑越大，所需要的轉(zhuǎn)速越小。結(jié)合機(jī)具作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)殼體須有一定離地間隙的要求，設(shè)計(jì)葉輪直徑為0.56 m，農(nóng)用風(fēng)機(jī)φ一般取0.3則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為2 073.2 r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速略大則風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 150 r/min。

物料通過(guò)風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)葉輪內(nèi)徑計(jì)算公式為

式中D為葉輪內(nèi)徑，m。取值為0.28 m。葉輪與風(fēng)機(jī)外殼的間距為18 mm，則葉輪寬為0.164 m。

2.3.3 氣力輸送裝置的離散元?dú)夤恬詈蠑?shù)值模擬

由于葉輪和輸送管路之間的動(dòng)靜干涉以及氣流與秸稈之間的相互影響，氣力輸送裝置工作時(shí)其內(nèi)部秸稈與氣流的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)觀察或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算比較困難，因此本文采用離散元?dú)夤恬詈蠑?shù)值模擬方法（DEM-CFD）對(duì)氣力輸送裝置進(jìn)行數(shù)值模擬為氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

氣固耦合數(shù)值模擬計(jì)算模型與桿狀顆粒的離散元模型[23]如式（16）、（17）所示。

桿狀顆粒和氣象耦合作用的流體相控制方程[24-25]

式中為流體的密度，kg/m3；為流體的速度，m/s；1為流體的壓力，Pa； f,i為流體和顆粒間的作用力，N；?為流體計(jì)算單元的體積，m3；k為計(jì)算單元內(nèi)顆粒的數(shù)量；為夜體的黏性應(yīng)力張力，N；為局部空隙率[26]；V為顆粒體積，m3。

流體-顆粒作用力[27-29]

式中drag,i為桿狀顆粒的曳力，N；A為桿狀顆粒等效體積球的截面，m2；C為桿狀顆粒阻力系數(shù)；為關(guān)于雷諾的系數(shù)；Re為顆粒雷諾數(shù)；d為桿狀顆粒的等效體積球的直徑，m；μ為流體的黏度，Pa·s；為等效體積球與實(shí)際顆粒的表面積的比值；⊥為等效體積球的截面積與實(shí)際顆粒在垂直來(lái)流方向的投影面積的比值。

EDEM采用表面網(wǎng)格來(lái)描述邊界表面，從而實(shí)現(xiàn)與CFD流體網(wǎng)格邊界表面元素的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)耦合。首先使用三維建模軟件Pro/E建立氣力輸送裝置的實(shí)體模型，然后將Pro/E所生產(chǎn)的實(shí)體模型，導(dǎo)入到CFD的前處理軟件ICEM中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分后分別導(dǎo)入到fluent和EDEM中。在EDEM中采用多球面聚合法建立單個(gè)秸稈顆粒模型，由14個(gè)直徑為11.2 mm的圓球相互重疊構(gòu)造而成，由于撿拾粉碎裝置作業(yè)后秸稈長(zhǎng)度小于10 cm，所以秸稈的離散元模型長(zhǎng)度為10 cm，密度為266.8 kg/m3，如圖8所示。

圖8 EDEM秸稈顆粒模型

風(fēng)機(jī)拋送秸稈的條件的是葉輪端部線速度達(dá)到30～45 m/s即

式中N為葉輪實(shí)現(xiàn)拋送條件的最小轉(zhuǎn)速，r/min；v為葉輪線速度，m/s；取葉輪線速度v為45 m/s，葉片直徑D為0.56 m，則N為1 523.8 r/min，只有當(dāng)N超過(guò)1 523.8 r/min才能實(shí)現(xiàn)秸稈的拋送，所以選取葉輪的轉(zhuǎn)速為1 550、1 850、2 150 r/min進(jìn)行仿真分析。由式（5）得整機(jī)生產(chǎn)率Q為6.1 t/h，即在EDEM中顆粒工廠每秒生成1.7 kg的秸稈。機(jī)具工作時(shí)由螺旋輸送裝置將秸稈輸送至風(fēng)機(jī)，則秸稈的初速度由螺旋的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速確定[30]。

式中為秸稈與葉片間的摩擦系數(shù)；為螺旋半徑，mm。取螺距為200 mm，螺旋轉(zhuǎn)速n分別為1 550、1 850、 2 150 r/min，秸稈與葉片間的摩擦系數(shù)為0.12，螺旋半徑為125 mm。計(jì)算得秸稈初速度v0分別4.35、4.92、5.43 m/s。氣流入口邊界條件設(shè)為速度入口，與秸稈的初速度相同，出口為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

流場(chǎng)在0.4 s后處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以只分析0.4 s后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖9為氣力輸送裝置仿真模型，工作過(guò)程中秸稈在風(fēng)機(jī)殼出口處、第一個(gè)拐點(diǎn)、第二個(gè)拐點(diǎn)、和卸料管道出口處速度變化較大，所以設(shè)置傳感器監(jiān)測(cè)以上4個(gè)區(qū)域在0.4～1.2 s時(shí)秸稈與氣流速度。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 550、1 850 、2 150 r/min，時(shí)間為0.4～1.2 s時(shí)4個(gè)點(diǎn)的秸稈與氣流速度見(jiàn)表3。卸料管道將秸稈排出后直接送入深埋溝內(nèi)，而當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 150 r/min時(shí)氣流出口速度最大為32 m/s，秸稈速度為8.43 m/s，氣流出口速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致卸料口將秸稈吹出深埋溝外。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 550 r/min時(shí)，在第二拐點(diǎn)處的速度為3.78 m/s，當(dāng)輸送量增大或秸稈濕度大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生堵塞的情況，綜上所述，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 850 r/min時(shí)秸稈和氣流的運(yùn)動(dòng)速度較為合適。

1. 風(fēng)機(jī)殼出口 2. 第一拐點(diǎn) 3. 第二拐點(diǎn) 4. 卸料管道出口

表3 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下氣力輸送裝置中秸稈和氣流速度

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

田間試驗(yàn)在2017年10月21日沈陽(yáng)市遼中區(qū)朱家房鎮(zhèn)白溝村進(jìn)行。秋季玉米留茬地，留茬高度平均為12 cm，玉米播種行距60 cm，平均株距32 cm。土壤為東北黑土，含水率均值19.43%，5 cm深處土壤的平均含水率為16.4%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 341 kPa；10 cm深處土層土壤平均含水率為18.4%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 322 kPa；20 cm深處土壤平均含水率為20.42%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 367 kPa；25 cm深土壤平均含水率為22.5%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 512 kPa；通過(guò)實(shí)地測(cè)量，土壤的內(nèi)摩擦角為35.62°。田間秸稈覆蓋量為1.6 kg/m2。調(diào)試開(kāi)溝分土裝置使其開(kāi)溝寬度為400 mm、開(kāi)溝深度為270 mm。

選用東方紅LX1 000型拖拉機(jī)（100 kW）SM-2型高精度土壤水分測(cè)量?jī)x（澳作生態(tài)儀器有限公司），測(cè)量范圍 0.05～0.6 m3/m3，精度在0～40 ℃時(shí)為0.05 m3/m3；SC900 型土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x（澳作生態(tài)儀器有限公司），量程0～45 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm、35 kPa，質(zhì)量1.25 kg；皮尺、卷尺、直尺等。

刀盤(pán)線速度v低于5 m/s時(shí)開(kāi)溝刀無(wú)法將土壤顆粒拋出深埋溝，刀盤(pán)線速度高于9 m/s會(huì)加大扭矩，增加功耗。選擇刀盤(pán)線速范圍在6.5～8 m/s，即轉(zhuǎn)速范圍在175～215 r/min。氣力輸送裝置轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)堵塞，轉(zhuǎn)速過(guò)高卸料口的的氣力流會(huì)將秸稈吹出深埋溝，根據(jù)前文分析風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在1 550～2 150 r/min。機(jī)具的作業(yè)速度越低其深埋效果越好但生產(chǎn)率越低，為了保證機(jī)具的生產(chǎn)率選擇機(jī)具作業(yè)速度范圍在3～5 km/h。試驗(yàn)因素取值如表4所示。

表4 因素水平

作業(yè)區(qū)域?yàn)?0 m′1.8 m，將作業(yè)區(qū)域內(nèi)的碎秸稈清理收集后，按試驗(yàn)所需的秸稈量將秸稈均勻鋪撒在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。將作業(yè)區(qū)域分為5個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，以這5個(gè)點(diǎn)為中心畫(huà)出180 cm′60 cm的矩形區(qū)域采集所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖10為田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，表4為試驗(yàn)因素水平表。

圖10 田間試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

該機(jī)具研制的主要目的是，將秸稈深埋，秸稈的深埋率是該機(jī)具試驗(yàn)最重要的指標(biāo)，深埋率越大越好。

式中為秸稈深埋率，%；1為深埋深度大于20 cm的秸稈質(zhì)量，kg；2為測(cè)試區(qū)域秸稈質(zhì)量，kg。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)方差分析如表6所示。根據(jù)表6可知3個(gè)因素對(duì)深埋率均為顯著影響。通過(guò)表5可知誤差項(xiàng)極差遠(yuǎn)低于其他因素極差，說(shuō)明因素間的交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響不明顯，可以不考慮，深埋率的影響因素主次順序?yàn)?，深埋率最大組合為123即最優(yōu)組合，機(jī)具前進(jìn)速度為3 km/h，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 850 r/min，開(kāi)溝裝置的轉(zhuǎn)速為215 r/min。

3.4 最優(yōu)組合試驗(yàn)驗(yàn)證

在最優(yōu)組合參數(shù)條件下對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)，測(cè)試其開(kāi)溝質(zhì)量，秸稈粉碎合格率和深埋質(zhì)量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。試驗(yàn)條件同3.1節(jié)。

試驗(yàn)性能指標(biāo)為開(kāi)溝深度、碎土率、秸稈深埋率和秸稈粉碎合格率。碎土率為作業(yè)后邊長(zhǎng)小于4 cm土塊質(zhì)量與總質(zhì)量的比，計(jì)算公式為

式中3為作業(yè)后邊長(zhǎng)大于4 cm的土塊質(zhì)量，kg；4為作業(yè)后土塊總質(zhì)量，kg。

表5 試驗(yàn)方案和結(jié)果

表6 正交試驗(yàn)方差分析

秸稈深埋率測(cè)量方法同本節(jié)3.2。秸稈粉碎合格率(%)為

式中5為測(cè)試區(qū)域長(zhǎng)度大于10 cm的秸稈量，kg；6為性能測(cè)試區(qū)域秸稈質(zhì)量，kg。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到開(kāi)溝深度為275.1 mm、碎土率為95.4%，起到了深松作業(yè)的效果。秸稈粉碎合格率為94.2%，秸稈的深埋率值為94%，滿足秸稈深埋還田與合理耕層構(gòu)建的技術(shù)要求。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)東北黑區(qū)秸稈深埋還田的技術(shù)要求，研制了氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)，一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)破茬、秸稈撿拾粉碎、開(kāi)溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能。通過(guò)秸稈深埋還田改制農(nóng)田土壤剖面的不良性狀，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)達(dá)到秸稈有效處理。

2）在撿拾粉碎裝置的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、開(kāi)溝寬度為400 mm、秸稈覆蓋量為1.6 kg/m2時(shí)，經(jīng)正交試驗(yàn)得機(jī)具運(yùn)行的最優(yōu)參數(shù)組合為：開(kāi)溝裝置的轉(zhuǎn)速215 r/min；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 850 r/min；機(jī)具作業(yè)速度為3.0 km/h。

3）田間試驗(yàn)表明，在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，開(kāi)溝深度為275.1 mm、碎土率為95.4%，起到了深松作業(yè)的效果。秸稈粉碎合格率為94.2%，秸稈深埋率為94%，滿足秸稈深埋還田與合理耕層構(gòu)建的技術(shù)要求。

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Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine

Tian Yang, Lin Jing※, Li Baofa, Zhang Tongjia, Qi Lin, Wang Jiaqi

(110866,)

In Northeast black soil region, people always use small power equipment as their main mode in agricultural production at present, and deep tillage and subsoiling operation area is less and less, leading to the problems of shallow soil, plough layer thickened, reducing the number of effective soil layers, soil structure becoming poor, water storage capacity and adversity resistance weakened. It seriously restricts the increase of corn yield. Constructing reasonable plowing mode is the main way to solve the problem of “shallow, compact and less” cropland in the dry farming area of Northeast China. Therefore, it is an effective way to prevent soil degradation and increase grain yield by changing tillage measures to construct reasonable plough layer. The deep straw returning to the field and the “straw belt tight intercropping and loosening” plowing mode are used to achieve the soil improvement by embedding the straw on the surface between the rows and the seedling zone. It also has the advantages of deep burial of straw and the pattern of inter-row subsoiling in the plough layer, which is an important mode for the construction of soil fertile plough layer. The pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine is mainly composed of rack, drive system, stubble breaking device, pickup pulverizing device, conveying device, ditching device, soil covering device, repressing device, and so on. Pneumatic conveying device is arranged at the rear of pickup pulverizing device, and it is mainly composed of auger, blower, pipeline and discharging pipe. A ditching device is installed under the dragline and the discharge pipe. The soil covering device which is composed of 2 cladding plates and the repressing device are installed at the rear of the unloading pipeline. It can finish straw pickup, ditching, deep straw burial, soil covering, and so on. The pickup pulverizing device pulverized the stubble and crushed straw on the surface by high velocity rotation and threw it into the conveying device to realize the crushing and collection. The working processes can be carried out in one operation, such as breaking stubble, picking up straw to smash, opening trenches and crushing soil, deep loosening between rows, deep burial of straw, compacting, and so on. The conveying device, which is one of the key components, is mainly composed of fan blade, wind machine shell, conveying pipe, discharging pipe and screw conveyor. After crushing, the pickup crushing device throws the crushed straw into the screw conveyor, which pushes the straw to the fan as the conveying device working. Then, the straw is thrown to conveying pipe with high velocity revolution fan blade, and the straw goes through the conveying pipe and discharging pipe under a certain initial velocity of airflow. At last, the straw is fed into the straw deep burial ditch behind the ditching device from the fan lies in the left side of the machine. . The motion process of straw in pneumatic conveying system at different velocity was numerically simulated by using the dynamic effect model with computational fluid dynamics (DEM-CFD). The results show that the minimum velocity of straw is 5.39 m/s, the velocity at exit is 6.27 m/s, and the velocity of air flow is 2-28 m/s at the rotational velocity of 1 850 r/min. The field test shows that, when the operating velocity is 3 km/h, the ditching width is 400 mm, the amount of straw is 1.6 kg/m2, and the ditching depth is 270 mm, the straw buried rate is 94%, the pass rate is 94.2%, the soil breaking rate is about 95.4%, and the buried depth reaches 200 mm; the technical indicators of stable operation can meet the technical requirements of agricultural machinery. This machine can realize the combined operation of stubble and straw pulverization, deep burial of straw and deep loosening between lines. It can enhance soil porosity, improve soil moisture and enhance soil organic matter, which can create good soil environment conditions for dryland sowing in Northeast China.

agricultural machinery; computer simulation; design; deep buried backfield; reasonable plough layer; test

田 陽(yáng)，林 靜，李寶筏，張桐嘉，齊 林，王佳琦.氣力式1JH-2型秸稈深埋還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(14)：10－18. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002 http://www.tcsae.org

Tian Yang, Lin Jing, Li Baofa, Zhang Tongjia, Qi Lin, Wang Jiaqi.Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 10－18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002 http://www.tcsae.org

2018-02-10

2018-05-20

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503116-09）；遼寧省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)委員會(huì)與質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局地方標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目（2016160-27）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275318）

田 陽(yáng)，博士生，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化及智能化裝備研究。 Email：125532823@qq.com

林 靜，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化及智能化裝備研究。Email：synydxlj69@163.com。中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：林 靜（E041200749S）

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002

S224.29

A

1002-6819(2018)-14-0010-09