史乃煜，陳海濤，魏志鵬，侯守印，鄒 震，王 星

玉米原茬地秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置設(shè)計與試驗(yàn)

史乃煜，陳海濤※，魏志鵬，侯守印，鄒 震，王 星

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決免耕覆秸種植模式下秸稈全量覆蓋還田導(dǎo)致的“低溫效應(yīng)”和“生化他感效應(yīng)”，該研究提出一種基于2BMFJ系列免耕播種機(jī)的秸稈還田比例調(diào)節(jié)技術(shù)與配套裝置，通過理論分析對秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，通過高速攝像技術(shù)對秸稈拋撒后空間分布規(guī)律進(jìn)行探究，并應(yīng)用四因素五水平二次回歸正交中心組合試驗(yàn)方法，以清秸彈齒偏角、回收口面積、作業(yè)速度和田間秸稈覆蓋量為試驗(yàn)因素，作業(yè)后秸稈還田比例為響應(yīng)函數(shù)，得到各參數(shù)組合對秸稈還田比例的影響規(guī)律。分別以理想秸稈還田比例50%和70%為例，對試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)參數(shù)組合為清秸彈齒偏角21.0°、回收口面積1 120.0 cm2、作業(yè)速度5.0 km/h、田間秸稈覆蓋量1.1 kg/m2時，秸稈還田比例為52.3%；當(dāng)參數(shù)組合為清秸彈齒偏角21.0°、回收口面積890.0 cm2、作業(yè)速度8.0 km/h、田間秸稈覆蓋量1.1 kg/m2時，秸稈還田比例為71.9%。該研究實(shí)現(xiàn)了秸稈還田比例的參數(shù)可調(diào)控，可為免耕覆秸種植模式在寒區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗(yàn)；免耕；玉米秸稈；秸稈還田

0 引 言

2BMFJ系列原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)在國際上首次提出了“側(cè)向清秸防堵種床整備同步均勻覆秸”方法[1]，利用清秸剛齒或彈齒將種床上的秸稈拋撒至機(jī)具側(cè)向，均勻覆蓋于已播地表面[2-3]。其中，秸稈覆蓋量對土壤理化特性影響顯著[4]。對于土壤較貧瘠地區(qū)，覆蓋量過小，土壤保墑、培肥效果不明顯，增產(chǎn)幅度不大，因此應(yīng)采用秸稈全量還田；對于土壤有機(jī)質(zhì)含量高的地區(qū)，秸稈覆蓋量過大會由于“生化他感效應(yīng)”影響作物的生長發(fā)育；對于播種帶積溫較低的寒冷地區(qū)，秸稈全量覆蓋還田又會因“低溫效應(yīng)”導(dǎo)致播種季地溫回升慢，進(jìn)而影響增產(chǎn)效果[5]。因此，秸稈還田應(yīng)該視土壤與播種帶積溫情況，選取適宜的比例。

在秸稈還田量對作物影響規(guī)律方面，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究，其中，Chakraborty等[6]指出，秸稈還田可有效提高土壤肥力，促進(jìn)土壤中微生物和酶活性，但增效幅度與還田量并非持續(xù)正相關(guān)，具體使用量需要取決于當(dāng)?shù)赝寥罓顩r和農(nóng)牧業(yè)發(fā)展水平。蔡麗君等[7-8]采用小區(qū)定位試驗(yàn)法，分別以秸稈還田量0、30%、60%、100%為控制變量，測定各處理下土壤養(yǎng)分含量、酶活性和大豆作物產(chǎn)量，試驗(yàn)結(jié)果表明：秸稈還田可有效增加大豆葉片面積、產(chǎn)量和土壤干物質(zhì)積累量，且當(dāng)秸稈還田量為60%時，土壤中酶活性具有較高值，此時作物產(chǎn)量效果也最佳。

在工作部件與作物間作用規(guī)律的相關(guān)研究方面，Chattopadhyay等[9]針對切割機(jī)切割高粱莖稈這一過程建立數(shù)學(xué)模型，并以切割能耗為指標(biāo)對模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。Dennis[10]對牧草收獲機(jī)噴管內(nèi)部氣流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究得到了空氣對作物流動特性的影響規(guī)律。方會敏[11]探究了秸稈-土壤-旋耕刀之間的作用機(jī)理，將軟件仿真與土槽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，尋找最優(yōu)工作參數(shù)以提高秸稈分布的均勻度。翟之平等[12]采用理論分析、虛擬樣機(jī)與高速攝像相結(jié)合的方法對物料沿拋送葉片的運(yùn)動進(jìn)行研究，建立并修正了物料沿拋送葉片的動力學(xué)模型。章志強(qiáng)[13]針對秸稈粉碎還田機(jī)拋撒秸稈均勻度差等問題開展相關(guān)研究，設(shè)計了一種導(dǎo)向葉片，用來調(diào)節(jié)秸稈拋撒幅寬和均勻度，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證各項指標(biāo)均滿足要求。

綜上，已有國內(nèi)外研究的理論、思路及方法為本研究提供了有益參考。本研究在側(cè)向清秸免耕覆秸機(jī)械化種植模式的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對秸稈還田比例的調(diào)控，利用秸稈側(cè)向拋撒時具有的機(jī)械能，提出了一種原茬地免耕播種同步秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置，通過理論分析和高速攝像技術(shù)探究側(cè)向清秸作業(yè)時秸稈的運(yùn)動及分布規(guī)律，應(yīng)用四因素五水平正交中心組合試驗(yàn)方法得到各參數(shù)組合對秸稈還田比例的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對秸稈還田比例的調(diào)控，以期為秸稈覆蓋狀態(tài)下提升種床積溫、減小生化他感效應(yīng)和免耕覆秸種植模式在寒區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

基于2BMFJ系列免耕覆秸播種機(jī)[14-15]側(cè)向清秸作業(yè)模式設(shè)計的秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、清秸總成、傳動系統(tǒng)、秸稈回收箱、拋撒調(diào)控?fù)醢?、分流?dǎo)板和限深地輪7部分組成，其中，清秸總成主要由清秸彈齒、傳動部件、彈齒角度調(diào)控裝置構(gòu)成。其基本參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.傳動系統(tǒng) 3.秸稈清秸總成 4.限深地輪 5.拋撒調(diào)控?fù)醢?6.分流導(dǎo)板 7.秸稈回收口 8.秸稈回收箱 9.秸稈清秸彈齒 10.彈齒角度調(diào)控裝置 11.傳動部件

表1 秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置參數(shù)

1.2 工作原理

秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置作業(yè)原理如圖2所示，作業(yè)時由拖拉機(jī)提供牽引與旋轉(zhuǎn)動力，經(jīng)由傳動系統(tǒng)帶動清秸彈齒做直線與圓周交替的運(yùn)動，將種床上作業(yè)幅寬內(nèi)的秸稈橫向輸送至機(jī)具一側(cè)，然后拋撒至已播地表面，其中，拋撒的秸稈被拋撒調(diào)控?fù)醢宸至鳛?部分，上側(cè)秸稈利用拋撒時的機(jī)械能由秸稈回收口進(jìn)入秸稈回收箱內(nèi)，下側(cè)秸稈在拋撒調(diào)控?fù)醢蹇刂葡戮鶆蚋采w于種床，實(shí)現(xiàn)秸稈按比例還田。

圖2 秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置作業(yè)原理

2 秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置設(shè)計與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 切土跡距分析

清秸彈齒水平運(yùn)動時在種床表面形成相互平行的切土痕跡，痕跡間法向距離為切土跡距，切土跡距過小導(dǎo)致種床清秸不凈，制約播種施肥作業(yè)的進(jìn)行，切土跡距過大又會造成土壤擾動與裝置作業(yè)功耗的增加，根據(jù)實(shí)際測量并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，確定玉米根茬直徑在19～31 mm之間[16-17]，因此，為保證清秸質(zhì)量，設(shè)計理想切土跡距為15 mm。清秸裝置切土跡距主要由單根清秸彈齒切土跡距1、同組清秸彈齒切土跡距2和不同組清秸彈齒切土跡距3確定，如圖3所示。

注：Ⅰ為清秸彈齒末端運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡；Ⅱ?yàn)榍褰諒楜X；Ⅲ為種床；Ⅳ為清秸彈齒固定端運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡；Ⅴ為單根清秸彈齒切土痕跡；Ⅵ為不同組清秸彈齒切土痕跡；ve為清秸彈齒運(yùn)動速度，m·s-1；R為清秸彈齒固定端回轉(zhuǎn)半徑，mm；ω為清秸彈齒轉(zhuǎn)動角速度，rad·s-1；l為清秸彈齒桿長，mm；S為清秸總成縱向?qū)挾龋琺m；B2(i=1,2,3)表示切土跡距，mm。

清秸裝置作業(yè)時，清秸彈齒相對整機(jī)側(cè)向移動，同時整機(jī)沿壟向移動，清秸彈齒實(shí)際運(yùn)動軌跡近似螺線形，此時單根清秸彈齒切土跡距1主要受作業(yè)速度v、清秸彈齒運(yùn)動速度v、清秸彈齒運(yùn)轉(zhuǎn)1周的路程等因素影響，同組清秸彈齒切土跡距2主要由清秸總成縱向?qū)挾群兔拷M清秸彈齒根數(shù)1決定，不同組清秸彈齒切土跡距3主要由清秸彈齒組距l、作業(yè)速度v、清秸彈齒運(yùn)動速度v確定，3種切土跡距計算式為

式中為清秸彈齒桿長，mm；為清秸裝置1次作業(yè)壟數(shù)；為壟距，mm。

實(shí)際切土跡距由1、2、3共同決定，為了保證切土跡距的均勻穩(wěn)定，令1、2、3為理想切土跡距的整數(shù)倍，對于同組清秸彈齒切土跡距2，根據(jù)前期研究結(jié)果，清秸總成縱向?qū)挾冗^長會降低裝置縱向穩(wěn)定性，過短導(dǎo)致種床清秸不凈，綜合考慮選取400 mm，此時設(shè)計每組清秸彈齒均布6根，通過式（1）得到同組清秸彈齒切土跡距2為80 mm，約為理想切土跡距的5倍，圓整后設(shè)置同組清秸彈齒切土跡距為75 mm。對于不同組清秸彈齒切土跡距3，當(dāng)其為理想切土跡距的倍時，清秸彈齒組距為

式中2為清秸彈齒組均布組數(shù)。

本研究設(shè)計的清秸裝置一次作業(yè)2壟，壟距為東北地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)壟距650 mm，根據(jù)前期對清秸彈齒彈性變形分析和基礎(chǔ)試驗(yàn)確定清秸彈齒旋轉(zhuǎn)時固定端回轉(zhuǎn)半徑為200 mm，清秸彈齒桿長為200 mm，清秸彈齒旋轉(zhuǎn)時繞軸轉(zhuǎn)速為450 r/min[15]，結(jié)合式（1）~（2），確定清秸彈齒組距213 mm，此時清秸裝置作業(yè)速度上限9.5 km/h。

2.2 清秸彈齒角度調(diào)控機(jī)構(gòu)設(shè)計

清秸彈齒是對秸稈施加作用力的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)對秸稈拋撒狀態(tài)有顯著影響。為了調(diào)節(jié)秸稈的拋撒狀態(tài)以便于控制秸稈分流比例，設(shè)計了一種多連桿彈齒角度調(diào)控機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，清秸彈齒組上裝有連桿，2組相鄰的清秸彈齒組通過彈齒角度控制桿連接，當(dāng)清秸彈齒水平運(yùn)動對秸稈進(jìn)行橫向輸送作業(yè)時，連桿Ⅴ、彈齒角度控制桿Ⅵ和清秸彈齒組Ⅲ、Ⅳ間的部件形成穩(wěn)定的“三角形”結(jié)構(gòu)，清秸彈齒不受力時始終與地面垂直，當(dāng)清秸彈齒單元組Ⅱ開始隨驅(qū)動部件做圓周運(yùn)動對秸稈進(jìn)行側(cè)向拋撒作業(yè)時，清秸彈齒組Ⅱ、Ⅲ間的距離逐漸縮短，在彈齒角度控制桿Ⅶ的推動下，彈齒單元組Ⅲ繞軸逆時針旋轉(zhuǎn)，清秸彈齒與驅(qū)動部件法向產(chǎn)生偏角，該偏角隨清秸彈齒運(yùn)動遞增，當(dāng)清秸彈齒組Ⅰ、Ⅱ共同對秸稈進(jìn)行側(cè)向拋撒作業(yè)時，連桿Ⅷ、彈齒角度控制桿Ⅸ和清秸彈齒組Ⅰ、Ⅱ間的部件重新形成穩(wěn)定的“三角形”結(jié)構(gòu)，此時清秸彈齒組Ⅱ與驅(qū)動部件法向偏角達(dá)到最大。

清秸彈齒拋撒秸稈時的偏角受清秸彈齒組連桿長度、彈齒角度控制桿長度和清秸彈齒組間距等參數(shù)影響，建模分析各參數(shù)對清秸彈齒偏角的影響規(guī)律，如圖5所示，以鉸鏈點(diǎn)為基準(zhǔn)，將清秸彈齒偏角變化過程分解為鉸鏈點(diǎn)、1距離變小導(dǎo)致處清秸彈齒組偏角增加和鉸鏈點(diǎn)2繞鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致處清秸彈齒組偏角增加2個過程。對于第1階段，如圖5a所示，由于傳動部件彎曲，導(dǎo)致鉸鏈點(diǎn)、1距離由l減小至3，清秸彈齒組1相對鉸鏈點(diǎn)橫向移動至2，在彈齒角度控制桿的推動下清秸彈齒組繞鉸鏈點(diǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)1。對于第2階段，如圖5b所示，隨著清秸彈齒組2相對鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動至3，2個清秸彈齒組繞逆時針旋轉(zhuǎn)2。

注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為清秸彈齒組；Ⅴ、Ⅷ為連桿；Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ為彈齒角度控制桿；b為清秸彈齒與驅(qū)動部件法向偏角，(°)；ve為清秸彈齒運(yùn)動速度，m·s-1。

注：b1為由于鉸鏈點(diǎn)距離減小產(chǎn)生的偏角，(°)；b2為由于鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的偏角，(°)；l1為清秸彈齒組連桿長度，mm；l2為彈齒角度控制桿長度，mm；l3為清秸彈齒組A、B2的距離，mm；Ⅰ為距離減小后的清秸彈齒組；Ⅱ?yàn)榫嚯x減小前的清秸彈齒組；Ⅲ為鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動后的清秸彈齒組；Ⅳ為B2處清秸彈齒組轉(zhuǎn)動方向；Ⅴ為鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動前的清秸彈齒組；Ⅵ為A處清秸彈齒轉(zhuǎn)動方向；Ⅶ為B1處清秸彈齒組移動方向。

對2個過程清秸彈齒偏角進(jìn)行疊加，得到清秸彈齒最大偏角為

其中

式中max為清秸彈齒最大偏角，(°)。

當(dāng)清秸彈齒橫向輸送秸稈時，為保證清秸質(zhì)量和清理根茬，要求清秸彈齒有一定的入土深度，該值隨清秸彈齒偏角的增加而遞減，當(dāng)清秸彈齒偏角達(dá)到最大時，要求清秸彈齒桿端部仍與種床表面接觸，如圖6所示。

注：h為彈齒入土深度，mm；q為直線OB與OA夾角，(°)；bmax為清秸彈齒最大偏角，(°)。

由圖6可以看出，清秸彈齒偏角導(dǎo)致齒桿末端提前出土，易造成種床清秸不凈，為保證清秸裝置作業(yè)質(zhì)量，清秸彈齒最大偏角max限制條件為

式中min為保證清秸質(zhì)量時理論最小入土深度，mm。

由此得出最小入土深度min與清秸彈齒最大偏角max關(guān)系為

通過對清秸彈齒彈性變形分析和基礎(chǔ)試驗(yàn)確定清秸彈齒桿長為200 mm[15]；為保證清秸質(zhì)量，彈齒入土深度要大于玉米根茬主根深度[18]，針對玉米根茬特性，設(shè)定彈齒最小入土深度min=50 mm，通過式（6）得到清秸彈齒最大偏角41.4°。

3 秸稈側(cè)向拋撒過程分析

清秸裝置首先將秸稈橫向輸送至機(jī)具一側(cè)，然后清秸彈齒繞軸旋轉(zhuǎn)，秸稈跟隨清秸彈齒繞軸轉(zhuǎn)動，同時沿齒桿向外滑動，最終脫離清秸彈齒，被側(cè)向拋撒至空中[19-20]。在拋撒調(diào)控?fù)醢遄饔孟?，部分秸稈由回收口進(jìn)入秸稈回收箱，其余部分覆蓋于地表，秸稈拋撒狀態(tài)對2部分秸稈分流比例有顯著影響，因此建模分析秸稈拋撒后的運(yùn)動軌跡，為秸稈分流比例的確定提供理論參考。

在2BMFJ系列免耕覆秸播種機(jī)清秸裝置側(cè)向拋撒秸稈的前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于玉米根茬密度較大，清秸作業(yè)時僅能接觸到齒桿末端，因此被側(cè)向推移而無法進(jìn)入拋撒階段[21]；玉米葉片因質(zhì)量輕、風(fēng)阻大，在實(shí)際拋撒時易附著于秸稈主干部分，因此，本文僅對玉米秸稈主干部分與彈齒作用的力學(xué)特性進(jìn)行分析，并對秸稈主干部分進(jìn)行如下簡化：秸稈為等密度物體；秸稈沿清秸彈齒滑移起始處的速度為0；秸稈與彈齒作用階段不受空氣阻力的影響[19]。秸稈脫離清秸彈齒瞬間的運(yùn)動速度表現(xiàn)為沿清秸彈齒滑動的相對速度v和隨清秸彈齒繞軸轉(zhuǎn)動的牽連速度v，如圖7所示，選取與機(jī)器前進(jìn)方向垂直的截面，建立平面定坐標(biāo)系，以清秸彈齒繞軸轉(zhuǎn)動中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，軸指向清秸裝置的秸稈拋出側(cè)，軸指向重力反方向，拋出秸稈的速度為

式中v為秸稈沿軸速度分量，m/s；v為秸稈沿軸速度分量，m/s；為秸稈運(yùn)動回轉(zhuǎn)半徑，mm。

注：為清秸彈齒桿傾角，(°)；為秸稈運(yùn)動回轉(zhuǎn)半徑，mm；v為秸稈運(yùn)動絕對速度，m·s-1；Ⅰ為清秸彈齒；Ⅱ?yàn)榻斩挕?/p>

Note:is the inclination angle of stalk cleaning spring-tooth, (°);is the rotation radius of stalk movement, mm;vis the absolute speed of stalk movement, m·s-1; Ⅰis the stalk cleaning spring-tooth; Ⅱis the stalk.

圖7 秸稈拋撒初始位置的運(yùn)動速度分析

Fig.7 Velocity analysis of stalk at initial throwing position

秸稈脫離清秸彈齒后的運(yùn)動軌跡如圖8所示。

對該拋撒過程建模分析，秸稈運(yùn)動軌跡受拋出速度、秸稈重力和空氣阻力等因素影響，秸稈動力學(xué)方程表示為

式中為秸稈運(yùn)動位置橫向坐標(biāo)值，m；為秸稈拋撒運(yùn)動時間，s；k為拋撒秸稈在方向的空氣阻力系數(shù)；為秸稈運(yùn)動位置縱向坐標(biāo)值，m；k為拋撒秸稈在方向的空氣阻力系數(shù)；為重力加速度，m/s2。

以=0、v(0)=v0、v(0)=v0、(0)=0、(0)=0為邊界條件對式（8）進(jìn)行二次積分得到秸稈拋撒時位置坐標(biāo)為

可以看出，秸稈的實(shí)際運(yùn)動軌跡受空氣阻力系數(shù)k、k影響，本研究采用高速攝像技術(shù)對秸稈拋撒過程進(jìn)行捕捉，對空氣阻力系數(shù)k、k進(jìn)行標(biāo)定，并根據(jù)式（9）確定秸稈拋撒運(yùn)動軌跡，為后續(xù)秸稈拋撒分布規(guī)律提供理論參考。

注：v0為秸稈拋撒的初始橫向速度，m·s-1；v0為秸稈拋撒的初始縱向速度，m·s-1；v0為秸稈拋撒的初始絕對速度，m·s-1；0為秸稈拋撒的初始位置橫向坐標(biāo)值，m；0為秸稈拋撒的初始位置縱向坐標(biāo)值，m；Ⅰ為清秸彈齒；Ⅱ?yàn)榻斩?；Ⅲ為秸稈拋撒軌跡。

Note:v0is the initial transverse velocity of stalk throwing, m·s-1;v0is the initial longitudinal velocity of stalk throwing, m·s-1;v0is the initial absolute velocity of stalk throwing, m·s-1;0is the transverse coordinate value of the initial position of stalk throwing, m;0is the longitudinal coordinate value of the initial position of stalk throwing, m; Ⅰis the stalk cleaning spring-tooth; Ⅱis the stalk; Ⅲis the track of stalk throwing.

圖8 秸稈拋撒過程分析

Fig.8 Analysis of stalk throwing process

4 秸稈分布規(guī)律高速攝像試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置

探究清秸裝置側(cè)向拋撒秸稈的運(yùn)動與分布規(guī)律，可為秸稈拋出后的分流比例確定提供參考，通過高速攝像技術(shù)對秸稈拋撒過程進(jìn)行拍攝[12,21]，高速攝像設(shè)備是由美國生產(chǎn)的Phantom v5.1高速攝像機(jī)。滿幅拍攝速度1 200幀/s，分辨率1 024×1 024。拍攝時選用長城雙聯(lián)新聞燈（QH-1300W）補(bǔ)光，色溫3 200 K。

由于秸稈受清秸彈齒橫向輸送影響，實(shí)際拋撒時產(chǎn)生沿機(jī)具側(cè)向的相對速度，但考慮到秸稈質(zhì)量小，與清秸彈齒接觸瞬間即可實(shí)現(xiàn)加速，因此試驗(yàn)時忽略清秸彈齒橫向輸送秸稈的工作環(huán)節(jié)，將清秸彈齒的運(yùn)動簡化為圓周運(yùn)動，利用高速攝像分析秸稈拋撒狀態(tài)時只考慮清秸彈齒拋出側(cè)的秸稈分布情況。

試驗(yàn)于2018年11月28日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行，試驗(yàn)裝置依據(jù)前文設(shè)計結(jié)果進(jìn)行加工，其組成與設(shè)備連接如圖9所示，清秸彈齒固定在清秸輥筒上，由電機(jī)通過鏈傳動提供動力，轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)，秸稈鋪設(shè)在輸送裝置上，沿軌道運(yùn)動，清秸裝置作業(yè)時先將地表秸稈橫向輸送至清秸裝置一側(cè)，然后拋撒至機(jī)具側(cè)向，本研究基于東北地區(qū)2行65 cm標(biāo)準(zhǔn)壟玉米原茬地，秸稈鋪設(shè)量為2壟范圍內(nèi)秸稈覆蓋量之和，根據(jù)田間實(shí)際測量結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)[22]，選取秸稈平均覆蓋量為1.2 kg/m2，設(shè)定試驗(yàn)時輸送裝置上單位面積秸稈量為2.4 kg。為真實(shí)反映清秸彈齒拋撒秸稈時的運(yùn)動軌跡與分布狀態(tài)，本研究于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗(yàn)田隨機(jī)采樣12個1 m×1 m區(qū)域的丹糯6號機(jī)收后原茬地秸稈，對秸稈物理特性進(jìn)行統(tǒng)計，試驗(yàn)時按秸稈組分的真實(shí)分布比例進(jìn)行鋪設(shè)，收集的秸稈相關(guān)物理特性與分布比例如表2所示。

1.筆記本電腦 2.軌道 3.清秸輥筒 4.輸送裝置 5.高速攝像機(jī) 6.補(bǔ)光燈

表2 秸稈物理特性與分布比例

秸稈側(cè)向拋撒時運(yùn)動速度與清秸彈齒繞軸轉(zhuǎn)速正相關(guān)，為了盡可能減小自然風(fēng)對秸稈運(yùn)動軌跡的影響，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為清秸裝置作業(yè)時允許的最大轉(zhuǎn)速450 r/min[3,15]；由于僅分析與作業(yè)速度垂直的二維平面內(nèi)秸稈的分布情況，因此不考慮作業(yè)速度變化造成前進(jìn)方向分布的差異，試驗(yàn)時作業(yè)速度設(shè)為免耕播種機(jī)常規(guī)作業(yè)速度7 km/h[23]。

4.2 結(jié)果與分析

高速攝像捕捉的秸稈拋撒過程中心位置變化如圖10所示。將高速攝像捕捉的秸稈位置坐標(biāo)與式（9）擬合，并將結(jié)果利用Matlab進(jìn)行繪制，得到秸稈在不同拋出位置的拋撒軌跡，如圖11所示。

在實(shí)際拋撒時大部分秸稈在清秸裝置下側(cè)便脫離清秸彈齒，為了量化秸稈空間分布規(guī)律，將秸稈側(cè)向拋撒空間進(jìn)行網(wǎng)格化處理，測量各網(wǎng)格內(nèi)秸稈質(zhì)量，通過Matlab繪制秸稈空間分布云圖，如圖12所示，圖中各點(diǎn)數(shù)據(jù)表示該位置及其正上方所有秸稈質(zhì)量m與拋撒的秸稈總質(zhì)量m之比。

圖10 拋撒過程中不同時刻的秸稈位置

圖11 秸稈的拋撒軌跡模擬結(jié)果

注：ms為測量點(diǎn)及其正上方所有秸稈質(zhì)量，kg；mz為拋撒秸稈的總質(zhì)量，kg。

拋撒調(diào)控?fù)醢迳蟼?cè)開設(shè)有秸稈回收口，側(cè)向拋出的秸稈一部分由秸稈回收口進(jìn)入秸稈回收箱，其余秸稈在拋撒調(diào)控?fù)醢鍖?dǎo)流下覆蓋于已播地表面，其中，秸稈分流比例由秸稈在空中的分布狀態(tài)、拋撒調(diào)控?fù)醢迮c重力方向偏角和回收口面積共同確定。其中，由于秸稈回收口開設(shè)在拋撒調(diào)控?fù)醢迳?，其面積過大影響拋撒調(diào)控?fù)醢鍙?qiáng)度，拋撒調(diào)控?fù)醢迕娣e由清秸裝置縱向?qū)挾扰c機(jī)架高度確定為2 355 cm2，綜合考慮以拋撒調(diào)控?fù)醢迕娣e的60%作為回收口面積上限值?，F(xiàn)有拋撒調(diào)控?fù)醢迮c重力方向偏角分別為30°、45°、60°和75°?；诮斩拻伻鲑|(zhì)量分布云圖，探究在拋撒調(diào)控?fù)醢甯髌窍?，回收口面積對秸稈還田比例的影響趨勢，如圖13所示。

圖13 秸稈回收口面積對秸稈還田比例的影響

可以看出，拋撒調(diào)控?fù)醢迮c重力方向偏角為30°和45°時均可實(shí)現(xiàn)50%以上的秸稈還田比例，由于該偏角增加可提高秸稈覆蓋均勻度[24]，因此選取拋撒調(diào)控?fù)醢迮c重力方向偏角為45°。

5 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)于2019年10月21、22日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗(yàn)基地實(shí)施，試驗(yàn)地為壟距65 cm的玉米原茬地，為了避免不同玉米品種帶來的秸稈狀態(tài)差異，仍選用丹糯6號玉米秸稈實(shí)施試驗(yàn)，試驗(yàn)田0～5 cm土層平均土壤密度28.1 kg/m2，平均土壤含水率21.7%，地表玉米秸稈覆蓋量1.1 kg/m2，秸稈平均含水率30.1%，平均桿長21 cm，試驗(yàn)地壟向?yàn)槟媳毕?，試?yàn)時自然風(fēng)為南風(fēng)，風(fēng)力為2級，平均風(fēng)速2.4 m/s，試驗(yàn)選用約翰迪爾454型拖拉機(jī)為試驗(yàn)裝置提供配套動力，設(shè)定清秸彈齒理論入土深度50 mm。

試驗(yàn)采用四因素五水平二次回歸正交中心組合試驗(yàn)方法[25-27]，選取清秸彈齒偏角、回收口面積、作業(yè)速度和田間秸稈覆蓋量為試驗(yàn)因素，作業(yè)后秸稈還田比例為試驗(yàn)評價指標(biāo)，共實(shí)施36組試驗(yàn)。

根據(jù)式（6），以保證清秸裝置清秸質(zhì)量為前提，得到清秸彈齒偏角最大約為41.4°，考慮清秸彈齒作業(yè)時彈性變形，選取清秸彈齒偏角不超過30.0°，試驗(yàn)時通過改變清秸彈齒安裝角進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過分析秸稈空間拋撒規(guī)律，結(jié)合圖12、圖13，在秸稈還田比例不小于50%時，回收口面積不大于1 223 cm2，為便于試驗(yàn)水平的選取與設(shè)定，將回收口面積最大值取整為1 250 cm2，回收口面積由分流導(dǎo)板與拋撒調(diào)控?fù)醢逑鄬ξ恢么_定，試驗(yàn)時通過滑動分流導(dǎo)板控制回收口面積大小；免耕播種機(jī)作業(yè)速度由配套排種器決定，速度過大會降低播種合格指數(shù)，過小則會降低作業(yè)效率，因此根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取作業(yè)速度范圍5～9 km/h，試驗(yàn)時通過控制拖拉機(jī)油門與擋位進(jìn)行調(diào)節(jié)；田間秸稈覆蓋量與玉米種植品種有關(guān)，根據(jù)實(shí)際測量并結(jié)合文獻(xiàn)[22]，確定秸稈覆蓋量范圍0.8～1.6 kg/m2，試驗(yàn)時基于地表秸稈覆蓋情況進(jìn)行人工鋪設(shè)或拾取。最終得到試驗(yàn)因素水平如表3所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素水平

本文所設(shè)計的秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置一次作業(yè)清秸2壟，將秸稈單側(cè)拋撒至機(jī)具前進(jìn)方向左側(cè)，采用梭形行走方式進(jìn)行往返清秸作業(yè)時，會形成無秸稈覆蓋和秸稈雙倍覆蓋交替的播后地表，因此，參考翻地時單側(cè)犁作業(yè)時的環(huán)耕行走方式實(shí)施試驗(yàn)。

試驗(yàn)指標(biāo)測量方法如下：清秸裝置作業(yè)后，在秸稈覆蓋處隨機(jī)選擇5點(diǎn)，測量單位面積秸稈覆蓋量，如圖14所示，秸稈還田比例1計算式為

式中m為作業(yè)后第次測量單位面積秸稈覆蓋量，kg/m2；0為作業(yè)前單位面積秸稈覆蓋量，kg/m2。

1.未清秸區(qū)域 2.清秸后秸稈未覆蓋區(qū)域 3.清秸后秸稈覆蓋區(qū)域 4.測量區(qū)域

5.2 結(jié)果與分析

5.2.1 方差分析

試驗(yàn)方案結(jié)果如表4所示，應(yīng)用Design-expert 8.0.6對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[28-29]，方差分析結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

對各因素及其交互項顯著性進(jìn)行擬合和分析，對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序依次為2、1、12、14、4、3、13、24、12、42、32、22、23、34，其中，2、1、12、14對試驗(yàn)指標(biāo)影響極顯著（<0.01）；4、3、13、24、12對試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著（0.01<<0.05）；42對試驗(yàn)指標(biāo)影響較顯著（0.05<<0.1）；22、32、23、34對試驗(yàn)指標(biāo)影響不顯著（>0.1）。將不顯著因素剔除，對其余因素重新進(jìn)行方差分析，如表5所示，并得到各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程為

表5 回歸模型方差分析

注：***表示影響極顯著（<0.01）、**表示影響顯著（0.01<<0.05）、*表示影響較顯著（0.05<<0.1）。

Note: *** indicates the effect is extremely significant (<0.01), ** indicates the effect is significant (0.01<<0.05), * indicates the effect is a little significant (0.05<<0.1).

由方差分析可以看出，回歸模型失擬項不顯著（=0.251 1），因此試驗(yàn)因素和指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系。

通過計算因素貢獻(xiàn)率判斷各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度[30-31]，各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表6所示。

表6 各因素貢獻(xiàn)率值

5.2.2 因素交互作用對試驗(yàn)指標(biāo)的影響

在作業(yè)速度7.0 km/h、田間秸稈覆蓋量1.2 kg/m2條件下，清秸彈齒偏角和回收口面積的交互作用對秸稈還田比例的影響規(guī)律如圖15a所示，隨清秸彈齒偏角的增加，秸稈還田比例呈先增加后減小趨勢，極大值隨回收口面積的增加而減?。划?dāng)回收口面積增加時，秸稈還田比例隨之減小，且清秸彈齒偏角越大變化趨勢越明顯。這是由于清秸彈齒偏角決定秸稈的拋出方向，當(dāng)清秸彈齒偏角較小時，秸稈拋撒水平分速度較大，會使秸稈拋撒的更遠(yuǎn)，當(dāng)清秸彈齒偏角較大時，秸稈豎直分速度增加，秸稈拋撒高度增加，秸稈回收量隨之增加；回收口面積越大，秸稈更容易進(jìn)入秸稈回收箱內(nèi)，覆蓋在地表的秸稈比例隨之減小。

在回收口面積1 000.0 cm2、田間秸稈覆蓋量1.2 kg/m2條件下，清秸彈齒偏角和作業(yè)速度的交互作用對秸稈還田比例的影響規(guī)律如圖15b所示，作業(yè)速度對秸稈還田比例的作用趨勢受清秸彈齒偏角的影響，當(dāng)清秸彈齒偏角較小時，秸稈還田比例隨作業(yè)速度的增加緩慢減小，當(dāng)清秸彈齒偏角較大時，秸稈還田比例隨作業(yè)速度的增加顯著提高，這是由于受作業(yè)速度的影響，秸稈實(shí)際拋撒速度指向機(jī)具斜后方，拋撒調(diào)控?fù)醢逦挥谇褰昭b置正側(cè)向，秸稈沿作業(yè)方向的速度分量會降低秸稈回收量。

圖15 試驗(yàn)因素交互作用對試驗(yàn)指標(biāo)的影響

在回收口面積1 000.0 cm2、作業(yè)速度7.0 km/h條件下，清秸彈齒偏角和田間秸稈覆蓋量的交互作用對秸稈還田比例的影響規(guī)律如圖15c所示，田間秸稈覆蓋量對秸稈還田比例的作用趨勢受清秸彈齒偏角影響，當(dāng)清秸彈齒偏角較小時，秸稈還田比例隨田間秸稈覆蓋量的增加緩慢減小，當(dāng)清秸彈齒偏角較大時，秸稈還田比例隨田間秸稈覆蓋量的增加趨勢顯著提高，這是由于田間秸稈覆蓋量與秸稈覆蓋厚度正相關(guān)，當(dāng)清秸彈齒偏角較大時，大部分秸稈被拋起送入秸稈回收箱內(nèi)，但由于喂入口面積的限制，單位時間內(nèi)秸稈喂入量存在上限，因此，隨田間秸稈覆蓋量的增加，秸稈回收量達(dá)到上限時，秸稈還田比例隨之增加。

在清秸彈齒偏角15.0°、作業(yè)速度7.0 km/h條件下，回收口面積和田間秸稈覆蓋量的交互作用對秸稈還田比例的影響規(guī)律如圖15d所示，秸稈還田比例隨回收口面積的增加而遞減，該趨勢在田間秸稈覆蓋量大時較顯著；回收口面積越小，秸稈還田比例與田間秸稈覆蓋量的正相關(guān)趨勢越明顯。

5.3 模型優(yōu)化與驗(yàn)證

5.3.1 試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化

為了驗(yàn)證試驗(yàn)得到的秸稈還田比例回歸方程，分別以理想秸稈還田比例50%和70%為例，探究秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置對應(yīng)的結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6的優(yōu)化模塊對回歸方程進(jìn)行優(yōu)化分析，根據(jù)5.1節(jié)試驗(yàn)條件與方法，確定約束條件為

根據(jù)回歸方程（11）可知，當(dāng)1為定值時優(yōu)化結(jié)果不唯一，考慮到清秸彈齒偏角工作時不便于調(diào)整，因此從Design-Expert 8.0.6的優(yōu)化組合中選取清秸彈齒偏角接近的優(yōu)化結(jié)果，以確保清秸彈齒偏角為定值。當(dāng)秸稈還田比例為50%時，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：清秸彈齒偏角21.1°、回收口面積1 118.0 cm2；秸稈還田比例為70%時，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：清秸彈齒偏角21.2°、回收口面積893.0 cm2。

考慮到實(shí)際可操作性，將相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整為：清秸彈齒偏角21.0°，回收口面積1 120.0、890.0 cm2。

由于實(shí)際工作時作業(yè)參數(shù)難以維持穩(wěn)定，在秸稈還田比例誤差小于5%時，對作業(yè)速度和田間秸稈覆蓋量取值范圍進(jìn)行優(yōu)化分析，以秸稈還田比例47.5%～52.5%和67.5%～72.5%為優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)清秸彈齒偏角21.0°、回收口面積分別為1 120.0、890.0 cm2時，得到優(yōu)化區(qū)域如圖16所示。可以看出當(dāng)秸稈還田比例為47.5%～52.5%時，作業(yè)速度優(yōu)化區(qū)間為5.0～8.3 km/h，秸稈覆蓋量優(yōu)化區(qū)間為0.8～1.6 kg/m2；當(dāng)秸稈還田比例為67.5%～72.5%時，作業(yè)速度優(yōu)化區(qū)間為5.0～9.0 km/h，秸稈覆蓋量優(yōu)化區(qū)間為1.0～1.6 kg/m2。

圖16 不同秸稈還田比例與作業(yè)速度的優(yōu)化匹配

5.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年10月24日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗(yàn)基地，對秸稈還田比例50%和70%下的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地平均秸稈覆蓋量1.1 kg/m2，作業(yè)速度根據(jù)圖16所示的優(yōu)化區(qū)間進(jìn)行選取，試驗(yàn)時自然風(fēng)為南風(fēng)，平均風(fēng)速3.5 m/s，對試驗(yàn)指標(biāo)測量5次取平均值，結(jié)果如表7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可看出，在理想秸稈還田比例為50%時，其作業(yè)指標(biāo)與理想值誤差為2.3%、與模型預(yù)測值誤差為4.3%；在理想秸稈還田比例為70%時，其作業(yè)指標(biāo)與理想值誤差為1.9%、與模型預(yù)測值誤差為1.8%。試驗(yàn)結(jié)果證明了回歸方程的準(zhǔn)確性，因此，當(dāng)秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置在不同環(huán)境作業(yè)時，可依據(jù)回歸方程優(yōu)化得到不同秸稈覆蓋量下的裝置結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對秸稈還田比例的調(diào)控。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

6 結(jié) 論

1）基于免耕覆秸種植模式提出的秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置，能夠通過改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)對秸稈還田比例的調(diào)控，為提升種床積溫、減小生化他感效應(yīng)和免耕覆秸種植模式在寒區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2）對于秸稈還田比例，因素影響順序由大到小為：清秸彈齒偏角、秸稈覆蓋量、回收口面積、作業(yè)速度。

3）基于免耕覆秸種植模式提出的秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置，在土壤硬度28.1 kg/m2、土壤含水率21.7%的玉米原茬地上，當(dāng)參數(shù)組合為：清秸彈齒偏角21.0°、回收口面積1 120.0 cm2、作業(yè)速度5.0 km/h、秸稈覆蓋量1.1 kg/m2時，秸稈還田比例為52.3%；當(dāng)參數(shù)組合為：清秸彈齒偏角21.0°、回收口面積890.0 cm2、作業(yè)速度8.0 km/h、秸稈覆蓋量1.1 kg/m2時，秸稈還田比例為71.9%。

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Design and experiment of stalk returning proportion adjusting device for corn original stubble

Shi Naiyu, Chen Haitao※, Wei Zhipeng, Hou Shouyin, Zou Zhen, Wang Xing

(,,150030,)

A series of 2BMFJ type no-tillage planter has been proposed to serve as a feasible operation mode of “preparation of side-way anti-blocking seed bed and concurrently covered with uniform straw”. The amount of straw mulching can generally determine the effect of straw returning on soil improvement and crop growth benefit. If the amount of straw mulching is too small, there is no obvious effect on the soil moisture conservation and fertilizer cultivation. In this case, it is recommended that the straw can be returned to field in the whole amount. Nevertheless, if the straw mulching is too large, the yield of crop can decline due to “l(fā)ow temperature effect” and “biochemical effect” in some areas with high content of soil organic matter. As such, the proportional straw returning to the field can be used in a straw proportion regulation technology and supporting device under the operation mode of lateral straw cleaning, according to the environmental conditions in soil. The structural parameters of device can be determined using various theoretical analysis. In this study, a multi-link mechanism was designed to control the throwing trace of straw by adjusting the deflection angle of spring-tooth. Two correction coefficients ofkandkwere introduced to the model of straw throwing trace for an accurate simulation. The high speed camera system was selected to in-situ capture the throwing process of straw. The movement and distribution of straw throwing can be achieved, in order to determine the proportion of straw return to field. A cloud map was performed on a Matlab platform, thereby to quantify the distribution of straw. The deflection angle of throwing control baffle and gravity was 45°, when the proportion of straw returning to field was not less than 50%. The field experiment was carried out at the Xiangyang farm of Northeast Agricultural University from October 21 to 22, 2019, where a corn stubble field with the soil hardnessof28.1 kg/m2and soil moisture content of 21.7%. Four factors and five levels quadratic regression orthogonal rotation center combined experimental method can be applied to optimize the influence of various parameters on straw returning proportion, the structure and working parameters in a proportion regulation device. The deflection angle of spring-tooth, area of recovery port, operating speed and straw mulching amount were selected as influencing factors, where as the proportion of straw returning to field were selected as the evaluation index of performance. The test results showed that the area of recovery port and deflection angle of spring-tooth had an extremely significant impact on the test indicators (<0.01), while the straw mulching amount and operating speed had a secondary impact (0.01<<0.05). Taking the proportion of straw returning to field as 50% and 70%,an experimental verification was conducted to optimize the combination of influencing factors. The results showed that the proportion of straw returning to field was 52.3%, when the deflection angle of spring-tooth was 21.0°, the area of recovery port was 1 120 cm2, the operating speed was 5 km/h, and straw mulching amount was 1.1 kg/m2. Compared with the ideal value in a model prediction, the error was 2.3% and 4.3%, respectively. The proportion of straw returning to field was 71.9%, when the deflection angle of spring-tooth was 21.0°, the area of recovery port was 890 cm2, the operating speed was 8.0 km/h, and the straw mulching amount was 1.1 kg/m2. Compared with the ideal value in a model prediction, the error was 1.9% and 1.8%, respectively. Therefore, the straw returning proportion regulation device under no tillage and straw mulching planting mode can be used to realize the automatic regulation of straw mulching returning proportion by changing the parameters, thereby to improve the accumulated temperature of seed bed, while to reduce the allelopathic effect of biochemical. The findings can provide a sound reference for the popularization and application to the planting mode of no tillage and straw mulching in cold regions.

agricultural machinery; design; experiments; no-tillage; corn stalk; stalk returning

史乃煜，陳海濤，魏志鵬，等. 玉米原茬地秸稈還田比例調(diào)節(jié)裝置設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(21)：11-22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.002 http://www.tcsae.org

Shi Naiyu, Chen Haitao, Wei Zhipeng, et al. Design and experiments of stalk returning proportion adjusting device for corn original stubble[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 11-22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.002 http://www.tcsae.org

2020-07-23

2020-11-05

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金項目（GARS-04）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2018YFD0201004）

史乃煜，博士生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。Email：269029820@qq.com

陳海濤，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及生物質(zhì)材料研究。Email：htchen@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.002

S223.25

A

1002-6819(2020)-21-0011-12