侯守印 鄒 震 魏志鵬 紀(jì)文義 陳海濤

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

0 引言

地表秸稈均勻覆蓋是保護(hù)性耕作技術(shù)的重要組成部分，具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高土壤抗旱和蓄水保墑能力、減少風(fēng)蝕和水蝕、降低化肥和農(nóng)藥施用量等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，為糧食增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

地表秸稈均勻覆蓋技術(shù)的核心是技術(shù)模式和機(jī)具裝備。2BMFJ型原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)的種床整備裝置采用秸稈側(cè)向拋撒、橫向移位的方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)良種床的構(gòu)建和播后地表秸稈均勻覆蓋[5]。分析可知，關(guān)于2BMFJ型原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)種床整備裝置的研究主要集中在針對(duì)清秸率、功耗和機(jī)具振動(dòng)等性能指標(biāo)而實(shí)施的小幅寬清秸刀軸的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化[6-9]，尚未涉及寬幅作業(yè)中關(guān)于多級(jí)拋撒橫向運(yùn)移過(guò)程秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。玉米收獲后，玉米碎秸屬于松散的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非連續(xù)離散體，在多級(jí)橫向輸送條件下影響其動(dòng)態(tài)行為的因素較多、運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜。玉米碎秸的無(wú)序運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重影響了碎秸輸送效率，導(dǎo)致現(xiàn)有寬幅機(jī)具作業(yè)質(zhì)量差、工作效率降低，難以和高速播種施肥機(jī)具配套實(shí)現(xiàn)復(fù)式作業(yè)。

整流可以有效解決上述問(wèn)題。目前，碎秸運(yùn)移整流裝置的研究以秸稈粉碎還田機(jī)具為主[10-13]，國(guó)內(nèi)外碎秸整流技術(shù)及裝置研究主要集中在秸稈粉碎機(jī)粉碎刀軸高速逆旋破碎作物秸稈和碎秸回帶過(guò)程中粉碎拋撒蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)秸稈粉碎功耗、效率和碎秸拋撒均勻度等性能指標(biāo)的影響等方面，尚未見(jiàn)針對(duì)碎秸橫向運(yùn)移過(guò)程關(guān)于無(wú)序運(yùn)動(dòng)碎秸進(jìn)行整流的相關(guān)技術(shù)研究。橫向運(yùn)移整流裝置不僅可以應(yīng)用于2BMFJ型原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)種床整備裝置上來(lái)提高玉米碎秸橫向輸送效率，而且相關(guān)理論與方法可以應(yīng)用于以旋轉(zhuǎn)方式清理秸稈裝置的整流技術(shù)研究中。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文通過(guò)分析玉米碎秸單級(jí)拋撒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)玉米碎秸橫向運(yùn)移整流裝置，確定影響整流裝置作業(yè)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并采用高速攝像技術(shù)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍。基于EDEM軟件構(gòu)建玉米碎秸全覆蓋條件下土壤離散元模型，于玉米碎秸-土壤-整流裝置-清秸刀軸系統(tǒng)中進(jìn)行玉米碎秸離散元虛擬仿真，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，確定影響整流裝置工作性能的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果。為原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)在玉米碎秸全覆蓋寬幅作業(yè)條件下提高作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供技術(shù)與裝備支撐。

1 整流裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

寬幅種床整備裝置結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。

在機(jī)具前進(jìn)方向種床整備裝置內(nèi)，播種施肥裝置正前方配置與播種施肥裝置相同數(shù)量清秸刀軸，通過(guò)清秸刀軸高速旋轉(zhuǎn)清理對(duì)應(yīng)播種行玉米碎秸，同時(shí)，各清秸刀軸從種床整備裝置中心開(kāi)始，將玉米碎秸向裝置兩側(cè)逐級(jí)傳遞完成橫向運(yùn)移，保證播種幅寬內(nèi)清秸率滿足播種作業(yè)要求。由圖1可知，由于玉米碎秸橫向運(yùn)移距離較大，且屬于多級(jí)不連續(xù)拋撒輸送，碎秸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，存在被清秸刀軸回帶玉米碎秸脫離清秸刀后與輸送空間殼體發(fā)生碰撞或環(huán)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致玉米碎秸無(wú)序運(yùn)動(dòng)，增加了在裝置內(nèi)停留時(shí)間，容易造成裝置內(nèi)部玉米碎秸積存，導(dǎo)致清秸率降低，工作部件堵塞，影響機(jī)具作業(yè)質(zhì)量和效率。

為提高原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)寬幅作業(yè)時(shí)工作效率，在保證種床清秸率滿足生產(chǎn)需求條件下，需最大限度提高玉米碎秸輸送效率，即縮短玉米碎秸在裝置內(nèi)部停留時(shí)間。玉米碎秸橫向運(yùn)移是通過(guò)清秸刀軸將玉米碎秸側(cè)向拋撒輸送至下一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬內(nèi)，隨后由下一級(jí)清秸刀軸繼續(xù)側(cè)向拋撒輸送直至最后一級(jí)清秸刀軸完成玉米碎秸的清理。玉米碎秸單級(jí)輸送過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要有3種，如圖2所示，第1種為玉米碎秸被橫向拋撒至下一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行二級(jí)輸送；第2種為玉米碎秸隨著本級(jí)清秸刀軸回帶一定高度后被拋撒，拋撒過(guò)程中被下一級(jí)清秸刀軸接收進(jìn)行二級(jí)輸送；第3種為玉米碎秸通過(guò)清秸刀軸回帶拋撒后超出下一級(jí)清秸刀軸接收范圍，玉米碎秸處于無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將在種床整備裝置內(nèi)部發(fā)生多次碰撞，增加了運(yùn)移輸出時(shí)間?；貛в衩姿榻针S清秸刀軸一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿側(cè)向清秸刀刃口曲線向側(cè)向清秸刀端部滑移，由圖2c可知，回帶玉米碎秸脫離清秸刀軸之前未與相鄰清秸刀軸接觸，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)僅與本級(jí)清秸刀軸的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)有關(guān)，因此，各清秸刀軸橫向運(yùn)移玉米碎秸回帶過(guò)程運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，并且不受相鄰清秸刀軸交互作用影響。

通過(guò)上述分析，清秸刀軸回帶的玉米碎秸無(wú)序運(yùn)動(dòng)不能及時(shí)完成橫向運(yùn)移而導(dǎo)致積存是影響碎秸輸送效率的主要原因。本文設(shè)計(jì)一種能夠梳理、調(diào)控清秸刀軸回帶無(wú)序運(yùn)動(dòng)玉米碎秸的整流裝置，將無(wú)序玉米碎秸進(jìn)行整流后，使其能夠按設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)移至設(shè)計(jì)區(qū)域完成二次運(yùn)移，縮短回帶玉米碎秸在種床整備裝置內(nèi)停留時(shí)間，提高玉米碎秸橫向運(yùn)移效率。整流裝置結(jié)構(gòu)與工作原理如圖3所示。

該裝置主要由導(dǎo)流板、整流側(cè)板和防粘連導(dǎo)向板組成。導(dǎo)流板與清秸刀軸同軸，裝置通過(guò)螺栓固定在種床整備裝置上。導(dǎo)流板主要對(duì)脫離清秸刀軸的玉米碎秸流起梳理、導(dǎo)向作用，引導(dǎo)玉米碎秸進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸清理范圍內(nèi)，減少碰撞彈射次數(shù)，縮短二次運(yùn)移時(shí)間，整流側(cè)板主要控制玉米碎秸在機(jī)具作業(yè)方向位移，配合導(dǎo)流板完成整流；防粘連導(dǎo)向板可減小玉米碎秸與導(dǎo)流板的摩擦因數(shù)，降低運(yùn)移過(guò)程摩擦導(dǎo)致的能量損失，提高整流后輸出速度，縮短在整流裝置內(nèi)停留時(shí)間，同時(shí)，配合導(dǎo)流板控制玉米碎秸在機(jī)具作業(yè)方向位移，保證玉米碎秸在整流裝置內(nèi)分布均勻性，防止整流裝置堵塞。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于回帶玉米碎秸運(yùn)動(dòng)規(guī)律不受相鄰清秸刀軸影響，本文僅對(duì)單級(jí)玉米碎秸回帶運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行理論分析。為使清秸刀軸回帶玉米碎秸在最短時(shí)間內(nèi)完成二次橫向運(yùn)移，回帶玉米碎秸需減少碰撞次數(shù)，脫離清秸刀軸后能進(jìn)入整流裝置，并與導(dǎo)流板產(chǎn)生相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，沿導(dǎo)流板設(shè)計(jì)曲線運(yùn)動(dòng)到指定區(qū)域，如圖4所示。

玉米碎秸進(jìn)入整流裝置條件為

(1)

其中

式中γ——脫離角，(°)

g——重力加速度，m/s2

δ——曲線角，(°)

δ1——秸稈脫離角與刀刃曲線角差值，(°)

α——進(jìn)入角，(°)

R——整流半徑，mm

D——回轉(zhuǎn)直徑，mm

n——清秸刀軸轉(zhuǎn)速，r/min

α0——初始角，(°)

δ0——初始曲線角，(°)

φ——摩擦角，(°)

t——玉米碎秸拋撒運(yùn)移時(shí)間，s

t0——玉米碎秸沿清秸刀滑移時(shí)間，s

l0——初始位移，mm

vr——脫離清秸刀軸后相對(duì)速度，m/s

ve——脫離清秸刀軸后牽連速度，m/s

整理式(1)得

αmin≤α≤αmax

(2)

其中

由式(2)可知，進(jìn)入角的范圍影響因素較多，其中未知取值范圍的影響因素包括初始角、初始位移、脫離角、曲線角和初始曲線角。為確定進(jìn)入角取值范圍，在前期研究基礎(chǔ)上[14-15]，采用高速攝像技術(shù)進(jìn)行未知參數(shù)標(biāo)定，選定試驗(yàn)工況為：試驗(yàn)玉米碎秸長(zhǎng)度為7～8 cm，含水率為23%～30%，清秸刀軸回轉(zhuǎn)半徑為370 mm，轉(zhuǎn)速為500 r/min。通過(guò)高速攝像標(biāo)定玉米碎秸質(zhì)心位置，如圖5所示，應(yīng)用Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行捕捉處理，標(biāo)記影響玉米碎秸進(jìn)入角的相關(guān)參數(shù)。

由圖5可知，距離側(cè)向清秸刀端部較近的玉米碎秸初期被水平推運(yùn)，距離側(cè)向清秸刀端部較遠(yuǎn)部分玉米碎秸隨清秸刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿著側(cè)向清秸刀刃口向外滑移，由于側(cè)向清秸刀刃口采用后傾角設(shè)計(jì)，大部分玉米碎秸脫離清秸刀后直接進(jìn)入下一級(jí)清秸刀軸的下方進(jìn)行二級(jí)運(yùn)移，但存在部分玉米碎秸被回帶，并且超出了下一級(jí)清秸刀軸接收范圍。通過(guò)高速攝像采集到的圖像可以標(biāo)定回帶玉米碎秸沿側(cè)向清秸刀刃口滑移的初始角為36°～42°、初始位移為270～300 mm、脫離角為25°～30°、曲線角為45°～55°、初始曲線角為30°～40°。為保證清秸刀軸在回帶玉米碎秸較多時(shí)的整流效率，選取玉米碎秸回帶量最大時(shí)的參數(shù)代入式(2)，可得進(jìn)入角范圍為36.6°～79.9°，為便于后續(xù)試驗(yàn)研究，進(jìn)入角范圍設(shè)計(jì)為37°～79°。

玉米碎秸在脫離清秸刀軸后在機(jī)具作業(yè)方向具有一定初速度，由于存在空氣阻力作用，玉米碎秸與整流裝置相對(duì)位移差逐漸增大，為保證回帶的玉米碎秸進(jìn)入整流裝置，需滿足玉米碎秸與整流裝置在機(jī)具作業(yè)方向位移差不大于側(cè)向清秸刀與整流側(cè)板之間最小距離。玉米碎秸脫離清秸刀軸后在機(jī)具作業(yè)方向的位移方程為[16]

(3)

式中z0——玉米碎秸脫離清秸刀軸與進(jìn)入整流裝置間在機(jī)具作業(yè)方向的位移，mm

k4——加速度修正系數(shù)

CP——玉米碎秸風(fēng)阻因子

vm——機(jī)具作業(yè)速度，m/s

t1——玉米碎秸脫離清秸刀軸與進(jìn)入整流裝置間運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

通過(guò)高速攝像確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，當(dāng)脫離角為25°、進(jìn)入角為79°時(shí)玉米碎秸脫離清秸刀軸至進(jìn)入整流裝置過(guò)程中運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，此時(shí)加速度修正系數(shù)為21.48[16]，玉米碎秸脫離清秸刀軸后在機(jī)具作業(yè)方向瞬時(shí)速度與機(jī)具作業(yè)速度相等,為3 m/s，此時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為0.009 4 s，依據(jù)本試驗(yàn)作業(yè)環(huán)境確定玉米碎秸風(fēng)阻因子為0.130 8[17-18]，將已知條件代入式(3)，可得玉米碎秸脫離清秸刀軸至進(jìn)入整流裝置時(shí)間內(nèi)在機(jī)具前進(jìn)方向位移為28.16 mm，機(jī)具位移為28.2 mm，位移差為0.04 mm，遠(yuǎn)小于清秸刀至整流側(cè)板的最小距離42 mm，因此，回帶玉米碎秸在機(jī)具作業(yè)方向能夠進(jìn)入整流裝置。

玉米碎秸經(jīng)清秸刀軸拋撒后進(jìn)入整流裝置，并與導(dǎo)流板碰撞，為實(shí)現(xiàn)碰撞后的玉米碎秸能夠沿導(dǎo)流板滑動(dòng)，減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程碰撞次數(shù)，將無(wú)序玉米碎秸整理為有序玉米碎秸流，玉米碎秸進(jìn)入整流裝置時(shí)首次碰撞后的速度方向與導(dǎo)流板曲線切線方向夾角越小越好。假設(shè)玉米碎秸為質(zhì)量m、半徑r的均質(zhì)球體，并且碰撞為完全彈性碰撞，可得碰撞瞬間玉米碎秸質(zhì)心沖量方程為

(4)

式中m——玉米碎秸質(zhì)量，kg

v0——玉米碎秸碰撞初速度，m/s

β——碰撞角，(°)

v1——玉米碎秸碰撞后速度，m/s

β0——彈射角，(°)

IN——法向沖量，N·s

If——切向沖量，N·s

r——玉米碎秸半徑，mm

n0——玉米碎秸初始自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min

n1——玉米碎秸碰撞后自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min

根據(jù)完全彈性碰撞理論可知，碰撞接觸點(diǎn)的法向和切線方向速度為對(duì)應(yīng)初始速度相反方向完全恢復(fù)，如圖4所示，由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可得

(5)

其中

式中vx0——碰撞點(diǎn)碰撞時(shí)水平速度，m/s

vy0——碰撞點(diǎn)碰撞時(shí)垂直速度，m/s

vx1——碰撞點(diǎn)碰撞后水平速度，m/s

vy1——碰撞點(diǎn)碰撞后垂直速度，m/s

由式(4)、(5)聯(lián)立可得

(6)

由于玉米碎秸初始自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和玉米碎秸半徑相對(duì)玉米碎秸碰撞初速度很小，可以忽略不計(jì)，由式(6)可知，彈射角與進(jìn)入角、脫離角、曲線角等因素有關(guān)，通過(guò)高速攝像標(biāo)記各參數(shù)范圍，代入式(6)中可得彈射角范圍為23°～25°。

玉米碎秸與整流裝置碰撞后在慣性和離心力作用下沿導(dǎo)流板滑移，此時(shí)，玉米碎秸受到離心力、摩擦力和自身重力共同作用，玉米碎秸動(dòng)力學(xué)方程可表示為

(7)

其中

式中s——玉米碎秸沿導(dǎo)流板滑移距離，mm

f——玉米碎秸與導(dǎo)流板摩擦因數(shù)

Fc——離心力，N

由式(7)可得玉米碎秸運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

對(duì)式(8)求導(dǎo)可得玉米碎秸沿導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)速度方程為

(9)

式中vs——玉米碎秸沿導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)速度，m/s

玉米碎秸在整流裝置內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過(guò)程的能量損失主要由玉米碎秸與導(dǎo)流板之間摩擦產(chǎn)生，摩擦能量損失可表示為

(10)

式中 ΔEf——碎秸與導(dǎo)流板摩擦能量損失，J

L——導(dǎo)流板弧長(zhǎng)，mm

為使玉米碎秸能夠在離心力的作用下始終沿導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)，脫離導(dǎo)流板后能夠在最短時(shí)間進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬內(nèi)，要求玉米碎秸脫離導(dǎo)流板后仍具有較大的動(dòng)能，通過(guò)上述分析，由式(9)和式(10)可得玉米碎秸脫離導(dǎo)流板后動(dòng)能為

(11)

由式(11)可知，玉米碎秸脫離導(dǎo)流板后的動(dòng)能在導(dǎo)流板材料確定之后與整流半徑、導(dǎo)流板弧長(zhǎng)相關(guān)，而導(dǎo)流板弧長(zhǎng)由整流半徑、整流包角共同決定。玉米碎秸脫離整流裝置時(shí)具備較大初始速度,可使玉米碎秸在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬內(nèi)進(jìn)行二次輸送，提高整流效率以提升玉米碎秸橫向運(yùn)移速率。因此，將在后續(xù)組合試驗(yàn)中研究整流半徑和整流包角對(duì)導(dǎo)流板作業(yè)性能的影響規(guī)律并確定其取值。

玉米碎秸脫離整流裝置后，為了實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間完成二次運(yùn)移，需進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸的第4象限清秸帶寬范圍內(nèi)，如圖4所示，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)尺寸需滿足

(12)

其中

式中l(wèi)——刀軸間距，mm

W——清秸帶寬，mm

H——清秸深度，mm

d——刀輥直徑，mm

θ——整流包角，(°)

根據(jù)前期研究[14-15]，針對(duì)大壟三行栽培模式刀軸間距設(shè)計(jì)最小尺寸為600 mm，刀輥直徑為89 mm。為降低整機(jī)重量，提高U形機(jī)架橫向剛度，整流半徑越小越好，主要是由于U形機(jī)架為半封閉框架結(jié)構(gòu)，整流半徑增大會(huì)增大入土工作部件對(duì)U形機(jī)架的扭矩，容易導(dǎo)致U形機(jī)架強(qiáng)度破壞，綜合考慮結(jié)構(gòu)和功能要求，最小整流半徑為390 mm。根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求，選取清秸深度為50 mm。將上述參數(shù)代入式(12)可知，玉米碎秸進(jìn)入角與整流包角之和取值范圍為144.7°～169.2°。玉米碎秸進(jìn)入整流裝置后，沿導(dǎo)流板完成玉米碎秸整流定向運(yùn)動(dòng)，玉米碎秸運(yùn)動(dòng)過(guò)程與導(dǎo)流板摩擦，為了降低整流過(guò)程能量損失，在滿足功能前提下，整流包角越小，玉米碎秸與導(dǎo)流板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離越小，摩擦能量損失越小。因此，根據(jù)進(jìn)入角范圍，確定整流包角范圍為64.7°～134.2°，為便于后續(xù)試驗(yàn)研究，選取整流包角范圍為65°～134°。

2 離散元仿真試驗(yàn)

清秸刀軸回帶的玉米碎秸通過(guò)整流裝置整合，傳輸至前一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬內(nèi)進(jìn)行二次橫向運(yùn)移，過(guò)程中涉及大量玉米碎秸離散運(yùn)動(dòng)，為了探究玉米碎秸運(yùn)動(dòng)規(guī)律，縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)裝置加工成本，運(yùn)用EDEM離散元仿真軟件對(duì)玉米碎秸整流過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過(guò)前文對(duì)碎秸運(yùn)動(dòng)規(guī)律理論分析建立了玉米碎秸整流裝置工作性能數(shù)學(xué)模型，探明了進(jìn)入角、整流包角、整流半徑是影響整流裝置性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素，并確定了各因素取值范圍。為探究各因素對(duì)整流裝置工作性能的影響規(guī)律，以確定整流裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，采用離散元仿真與二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究[19]。

2.1 模型構(gòu)建

運(yùn)用SolidWorks三維軟件對(duì)種床整備裝置(清秸刀軸和整流裝置)進(jìn)行等比例建模，綜合考慮仿真效率和效果，建模時(shí)去除與玉米碎秸橫向運(yùn)移整流過(guò)程無(wú)關(guān)部件，將模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化[20-21]。將實(shí)體模型裝配體ASM格式導(dǎo)入EDEM軟件。為模擬田間作業(yè)環(huán)境，建立長(zhǎng)×寬×高為4 500 mm×2 000 mm×150 mm的虛擬土槽模型，以直徑為5 mm的球體模擬土壤顆粒，并運(yùn)用重力沉積法生成厚度為100 mm的土壤層，在土壤層上方加載生成實(shí)測(cè)土壤密度所需垂直載荷，使虛擬土壤層與實(shí)際土壤層特性保持一致[22-24]。采用直徑為20 mm、球心間距為10 mm的球體組合成長(zhǎng)度為80 mm的直線形顆粒模擬碎秸顆粒，在土壤層上方設(shè)置顆粒工廠，生成厚度為40 mm的玉米碎秸層。將種床整備裝置模型導(dǎo)入到玉米碎秸覆蓋的土槽中，完成玉米碎秸-土壤-整流裝置-清秸刀軸仿真系統(tǒng)模型的構(gòu)建，如圖6所示，X軸正方向?yàn)檠b置作業(yè)方向，Y軸負(fù)方向?yàn)橛衩姿榻諜M向運(yùn)移方向，各級(jí)清秸刀軸均逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.2 接觸模型與本征參數(shù)

為提高離散元仿真質(zhì)量，需選擇合理的物料接觸模型和正確的本征參數(shù)。設(shè)置土壤顆粒之間采用Hertz-Mindlin with bonding接觸模型，粘結(jié)法向剛度和切向剛度為5×107N/m3，粘結(jié)法向臨界應(yīng)力和切向臨界應(yīng)力為3.5×105Pa，粘結(jié)半徑為5.5 mm[22,25]。碎秸與碎秸、碎秸與整流裝置、碎秸與清秸刀軸、碎秸與土壤、土壤與整流裝置、土壤與清秸刀軸之間均采用Hert-Mindlin接觸模型[26-28]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的材料，將清秸刀軸和整流裝置模型材質(zhì)分別設(shè)置為65Mn和Q235A。參考文獻(xiàn)[20-22]，確定各材料接觸和本征參數(shù)如表1所示。

表1 材料接觸和本征參數(shù)Tab.1 Material contact and intrinsic parameters

2.3 試驗(yàn)方案

寬幅免耕播種機(jī)實(shí)際最高作業(yè)速度范圍為7.2～10.8 km/h，仿真作業(yè)速度設(shè)計(jì)為10.8 km/h，清秸刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為500 r/min。為探究整流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能的影響，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以進(jìn)入角、整流包角、整流半徑為試驗(yàn)因素，清秸率、行間清秸變異系數(shù)為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，通過(guò)理論分析確定各試驗(yàn)因素取值范圍，進(jìn)入角為37°～79°、整流包角為65°～134°、整流半徑為390～450 mm，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors coding

2.4 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

整流裝置性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與測(cè)量參考GB/T 20865—2017 《免(少)耕施肥播種機(jī)》，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：清秸率和行間清秸變異系數(shù)。

清秸率是指作業(yè)幅寬內(nèi)各清秸刀軸作業(yè)區(qū)域作業(yè)前后地表覆蓋玉米碎秸量比值。通過(guò)EDEM軟件的Solve Report模塊提取清秸刀軸作業(yè)區(qū)域(長(zhǎng)×寬為180 mm×500 mm)玉米碎秸顆粒在作業(yè)前后的變化量，計(jì)算清秸率。

行間清秸變異系數(shù)是指作業(yè)幅寬內(nèi)各行玉米碎秸清秸率的變異系數(shù)。由于玉米碎秸是通過(guò)各清秸刀軸逐級(jí)拋撒橫向運(yùn)移，單位時(shí)間各清秸刀軸輸送玉米碎秸量不同，導(dǎo)致各清秸刀軸對(duì)應(yīng)行清秸率存在差異。通過(guò)EDEM軟件分別在完成清秸后各行隨機(jī)采樣測(cè)量覆秸量(在完成清秸后播種行隨機(jī)選取長(zhǎng)×寬為180 mm×500 mm地表區(qū)域測(cè)量秸稈覆蓋量，測(cè)量5次計(jì)算平均值為最終結(jié)果)[19]。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)共實(shí)施23組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次[14]，取平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示，離散元仿真過(guò)程如圖7所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test design and results

通過(guò)虛擬仿真試驗(yàn)分析可知，不同參數(shù)組合條件下碎秸顆粒在清秸刀軸作用下均表現(xiàn)相似的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖7為進(jìn)入角58°、整流包角99.5°、整流半徑420 mm時(shí)，碎秸顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡曲線和速度云圖，清秸帶寬內(nèi)大部分碎秸顆粒被水平運(yùn)移至下一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬范圍內(nèi)，回帶碎秸顆粒脫離清秸刀軸后進(jìn)入整流裝置，并且能夠沿導(dǎo)流板設(shè)計(jì)曲線滑移。選取仿真過(guò)程中具有代表性的3個(gè)碎秸顆粒，通過(guò)EDEM后處理功能提取其速度、動(dòng)能和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖8所示(下圖為上圖框內(nèi)部分放大10倍圖)，回帶玉米碎秸均位于清秸刀軸第4象限內(nèi)，運(yùn)動(dòng)至整流裝置最高點(diǎn)附近時(shí)速度和動(dòng)能達(dá)到最大值，隨后急劇下降。由圖8a可知，碎秸顆粒脫離導(dǎo)流板后初速度大于12 m/s，有利于碎秸快速完成二次運(yùn)移，由圖8c可知，脫離導(dǎo)流板后的碎秸顆粒與清秸刀軸水平距離為511～520 mm，滿足回帶碎秸顆粒進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸第4象限清秸帶寬內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表4所示。各試驗(yàn)因素對(duì)清秸率均具有極顯著影響，影響由大至小依次為整流包角、整流半徑、進(jìn)入角；各因素對(duì)行間清秸變異系數(shù)均具有極顯著影響，影響由大至小依次為進(jìn)入角、整流半徑、整流包角。各因素交互作用對(duì)清秸率具有顯著影響，對(duì)行間清秸變異系數(shù)無(wú)顯著影響。

表4 方差分析Tab.4 ANOVA

3.1 各因素對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

當(dāng)整流半徑位于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)(420 mm)時(shí)，進(jìn)入角和整流包角對(duì)清秸率的影響規(guī)律如圖9a所示，整流包角一定時(shí)，清秸率隨進(jìn)入角增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，主要是由于當(dāng)進(jìn)入角較小時(shí)，部分回帶玉米碎秸不是以第2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被下一級(jí)清秸刀軸接收，而是直接進(jìn)入整流裝置以第3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)二次輸送，增加了前一級(jí)清秸刀軸二次輸送量，導(dǎo)致清秸率較低，當(dāng)進(jìn)入角較大時(shí)整流裝置不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米碎秸的接收和整流作用，部分回帶玉米碎秸產(chǎn)生無(wú)序運(yùn)動(dòng)，增加了在種床整備裝置內(nèi)滯留時(shí)間，導(dǎo)致清秸率降低。在進(jìn)入角一定時(shí)，清秸率隨整流包角增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，這主要是由于當(dāng)整流包角較小時(shí)，經(jīng)整流裝置整流后的有序玉米碎秸未全部進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬內(nèi)，部分有序玉米碎秸與清秸刀軸的刀輥發(fā)生碰撞，增加了玉米碎秸在種床整備裝置內(nèi)停留時(shí)間，導(dǎo)致清秸率降低，當(dāng)整流包角較大時(shí)，進(jìn)入整流裝置中的玉米碎秸在清秸刀軸作用下容易形成環(huán)流，導(dǎo)致清秸刀軸周圍堆積玉米碎秸逐漸增多，影響清秸刀軸清秸效果，嚴(yán)重時(shí)清秸刀軸秸稈纏繞無(wú)法正常工作，導(dǎo)致清秸率降低。

當(dāng)整流包角位于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)(99.5°)時(shí)，進(jìn)入角和整流半徑對(duì)清秸率的影響規(guī)律如圖9b所示，當(dāng)進(jìn)入角一定時(shí)，清秸率隨整流半徑增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，這主要是由于當(dāng)整流半徑較小時(shí)，清秸刀軸回帶玉米碎秸容易導(dǎo)致整流裝置堵塞，清秸率降低，隨著整流半徑的增大，整流裝置能夠輸送的玉米碎秸量增加，避免整流裝置堵塞，提高了清秸率；當(dāng)整流半徑超過(guò)425 mm時(shí)，進(jìn)入整流裝置的部分玉米碎秸不能沿導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)，脫離整流裝置后未進(jìn)入前一級(jí)清秸刀軸清理范圍完成二次運(yùn)移，導(dǎo)致清秸率降低。

當(dāng)進(jìn)入角位于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)(58°)時(shí)，整流包角和整流半徑對(duì)清秸率的影響規(guī)律如圖9c所示，整流包角和整流半徑對(duì)清秸率的交互作用顯著。

通過(guò)方差分析(表4)可知，進(jìn)入角、整流包角和整流半徑交互項(xiàng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)行間清秸變異系數(shù)均無(wú)顯著影響，因此僅分析單因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，規(guī)律如圖10所示。當(dāng)整流包角和整流半徑位于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，行間清秸變異系數(shù)隨進(jìn)入角的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，主要是由于當(dāng)進(jìn)入角較小時(shí)，清秸刀軸回帶進(jìn)入整流裝置的玉米碎秸量增加，并且清秸裝置各行清秸刀軸回帶玉米碎秸增加量存在差異，越靠近終端碎秸增加量越大，導(dǎo)致行間清秸變異系數(shù)較低，當(dāng)進(jìn)入角較大時(shí)，清秸刀軸回帶的玉米碎秸不能及時(shí)進(jìn)入整流裝置，無(wú)序玉米碎秸增多，導(dǎo)致行間清秸變異系數(shù)降低；當(dāng)進(jìn)入角和整流半徑位于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，行間清秸變異系數(shù)隨整流包角增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，主要是由于當(dāng)整流包角較小時(shí)，通過(guò)整流裝置整理后的有序碎秸流超出了前一級(jí)清秸刀軸清秸帶寬范圍，各清秸刀軸單位時(shí)間內(nèi)玉米碎秸輸送量變化較大，導(dǎo)致行間清秸變異系數(shù)較低，當(dāng)整流包角較大時(shí)，部分玉米碎秸脫離整流裝置后仍隨清秸刀軸一起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流玉米碎秸較多時(shí)，造成整流裝置堵塞，不同位置的整流裝置堵塞時(shí)間和程度不同，導(dǎo)致行間清秸變異系數(shù)降低；當(dāng)進(jìn)入角和整流包角位于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)時(shí)，行間清秸變異系數(shù)隨整流半徑增大而增大，并趨于平穩(wěn)，這主要是由于當(dāng)整流半徑較小時(shí)限制了整流裝置玉米碎秸的輸送量，在整流裝置入口容易出現(xiàn)堵塞，導(dǎo)致行間清秸變異系數(shù)較低，隨著整流半徑的增大，整流裝置玉米碎秸通過(guò)性增強(qiáng)，各級(jí)清秸刀軸能夠及時(shí)完成玉米碎秸的橫向運(yùn)移，行間清秸變異系數(shù)升高，當(dāng)整流半徑超過(guò)420 mm時(shí)，行間清秸變異系數(shù)無(wú)明顯變化。

3.2 參數(shù)組合優(yōu)化

在進(jìn)入角為37°～79°、整流包角為65°～134°、整流半徑為390～450 mm約束條件下，以清秸率、行間清秸變異系數(shù)獲取最大值為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(13)

通過(guò)Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，當(dāng)最優(yōu)參數(shù)組合為進(jìn)入角60.8°、整流包角104°、整流半徑424.2 mm時(shí)，清秸率為93%、行間清秸變異系數(shù)為93.7%。為驗(yàn)證參數(shù)組合優(yōu)化結(jié)果的正確性，便于后續(xù)田間試驗(yàn)樣機(jī)加工，在SolidWorks軟件中建立進(jìn)入角為61°、整流包角為104°、整流半徑為424 mm的三維整流裝置模型，導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)置作業(yè)速度為10.8 km/h，共實(shí)施3次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果清秸率為93%、行間清秸變異系數(shù)為93.5%，證明參數(shù)組合優(yōu)化結(jié)果可信。

4 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：2020年6月2—6日在黑龍江省榮軍農(nóng)場(chǎng)紅豐原種種植基地實(shí)施，試驗(yàn)地塊為機(jī)收粉碎后玉米原茬地，如圖11所示，玉米碎秸平均長(zhǎng)度80 mm，含水率27.4%，覆蓋量1.73 kg/m2，留茬高度220 mm。土壤類型為黑黏土，平均硬度16.7 kg/cm2，平均含水率30.4%。

試驗(yàn)儀器與裝置：東方紅1804型拖拉機(jī)、2BMFJ-BL8型原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)、SZ-3型土壤硬度計(jì)、SU-LB 型土壤水分測(cè)定儀、電子秤、數(shù)碼攝像機(jī)、米尺、秒表等。

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證離散元仿真的正確性，對(duì)離散元仿真試驗(yàn)優(yōu)化的最優(yōu)參數(shù)組合裝置實(shí)施田間試驗(yàn)，即加工進(jìn)入角為61°、整流包角為104°、整流半徑為424 mm的整流裝置安裝于2BMFJ-BL8型原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)的種床整備裝置上，在作業(yè)速度10.8 km/h條件下實(shí)施田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：清秸率為93.5%、行間清秸變異系數(shù)為93.7%，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明離散元仿真優(yōu)化結(jié)果可信。

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比裝配和未裝配整流裝置的2BMFJ-BL8型免耕播種機(jī)種床整備裝置作業(yè)性能差異，在作業(yè)速度為7.2 km/h和10.8 km/h條件下實(shí)施試驗(yàn)，各試驗(yàn)均重復(fù)3次取平均值(裝配整流裝置用JK表示，未裝配整流裝置用CK表示)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖12所示(a、b表示差異顯著(0.01

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于2BMFJ型原茬地免耕覆秸精量播種機(jī)寬幅作業(yè)的玉米碎秸橫向運(yùn)移整流裝置，實(shí)現(xiàn)了玉米碎秸全覆蓋條件下的寬幅高速免耕播種作業(yè)。

(2)通過(guò)對(duì)玉米碎秸單級(jí)拋撒過(guò)程的理論分析，建立了整流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)學(xué)模型，探明了影響作業(yè)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為進(jìn)入角、整流包角和整流半徑，并確定了參數(shù)的取值范圍。

(3)采用離散元仿真和三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以進(jìn)入角、整流包角、整流半徑為試驗(yàn)因素，以清秸率、行間清秸變異系數(shù)為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行離散元虛擬仿真試驗(yàn)，確定了影響種床整備裝置作業(yè)性能的整流裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：進(jìn)入角61°、整流包角104°、整流半徑424 mm。作業(yè)速度為10.8 km/h時(shí)，在整流裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，清秸率為93.5%、行間清秸變異系數(shù)為93.7%，滿足免耕覆秸精量播種機(jī)整流裝置的寬幅高速作業(yè)要求。