陳桂斌 盧彩云 何 進(jìn) 王 超 王秀紅 王慶杰

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計北京市重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

東北黑土區(qū)對維護(hù)國家糧食安全具有重要意義，長期以來對黑土地的重用輕養(yǎng)、無節(jié)度開發(fā)利用使黑土層不斷變薄、變瘦、變硬[1-3]。近年來隨著國家對于東北黑土地保護(hù)的不斷重視，應(yīng)用保護(hù)性耕作技術(shù)，實施作物秸稈還田已成為提升黑土地質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

秸稈還田具有補充土壤有機質(zhì)含量，減少化肥用量，提升土壤蓄水保墑能力等優(yōu)勢[4-5]。在實施作物秸稈還田過程中，當(dāng)?shù)乇泶罅拷斩捀采w時，容易造成免耕播種機“拖堆”，導(dǎo)致播種質(zhì)量差，此外地表秸稈腐爛周期長，殘存在地表會導(dǎo)致病蟲害增加。目前常見的秸稈還田有粉碎翻埋、淺耕混拌、秸稈深埋、覆蓋還田等方式。其中秸稈深埋能夠增加土壤孔隙度，提高土壤導(dǎo)水導(dǎo)氣，改善耕作層的土壤物理性質(zhì)，減少地表秸稈覆蓋量，從而提高播種地溫[6-7]。國內(nèi)已有部分學(xué)者對秸稈深埋作業(yè)模式和機具開展相關(guān)研究，田陽等[8]為構(gòu)建合理耕層，設(shè)計了氣力式秸稈深埋還田機輸送裝置，通過田間試驗得到該裝置深埋質(zhì)量滿足設(shè)計要求。王金武團(tuán)隊[9-10]針對東北地區(qū)秸稈特點提出反旋秸稈深埋還田技術(shù)，較好地解決了秸稈還田深度不足，旋耕部件易鏟草的問題。高文英等[11]結(jié)合秸稈深埋還田的技術(shù)要求，設(shè)計了螺旋開溝裝置，并對螺旋葉片表面進(jìn)行仿生優(yōu)化設(shè)計，有效地降低粘土堵塞問題。竇森[12-13]提出一種秸稈“富集深還”的技術(shù)模式，在條帶輪耕深松土壤的同時將秸稈富集深埋于條帶土壤亞表層。上述研究為秸稈深埋提供了一定的理論和技術(shù)支撐。

為解決地表秸稈量大，導(dǎo)致免耕播種質(zhì)量差，秸稈全量深埋動力消耗大等問題，結(jié)合條帶耕作模式，本文設(shè)計一種秸稈粉碎深埋裝置，將地表播種條帶內(nèi)的秸稈撿拾粉碎的同時深埋于地下，降低播種條帶內(nèi)的秸稈量。通過對關(guān)鍵部件理論和仿真分析，得到其關(guān)鍵參數(shù)和影響規(guī)律；通過田間試驗，對裝置不同作業(yè)參數(shù)組合的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，從而得出秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置的較優(yōu)參數(shù)組合，以期為秸稈深埋還田的研究和發(fā)展提供參考。

1 條帶秸稈深埋裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置主要針對保護(hù)性耕作地表秸稈量大，影響免耕播種質(zhì)量等問題進(jìn)行設(shè)計。該裝置的安裝位置如圖1a所示，其主要結(jié)構(gòu)如圖1b所示，主要有撿拾粉碎機構(gòu)、集稈螺旋器、運秸風(fēng)機、輸秸軟管、開溝鏟、壓秸輪、回土擋板和開溝仿形機構(gòu)組成。

1.2 工作原理

如圖2所示，秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置作業(yè)時，秸稈撿拾粉碎機構(gòu)的粉碎刀軸做高速回轉(zhuǎn)運動將地表秸稈和殘茬進(jìn)行粉碎處理，并把秸稈向后拋送至后罩殼擋板處，此過程中秸稈與少量表土形成土稈混合物經(jīng)由后罩殼擋板處篩孔進(jìn)行篩分，完成土稈分離，篩分后的秸稈依靠自重落入到集稈螺旋器中，集稈螺旋器產(chǎn)生的推運作用將秸稈沿指定方向輸送至運秸風(fēng)機內(nèi)，運秸風(fēng)機葉片高速旋轉(zhuǎn)，對秸稈產(chǎn)生拋送作用，此外運秸風(fēng)機葉片在拋送秸稈的同時所產(chǎn)生的正壓氣流同樣能在秸稈運動過程中起到一定的吹送作用，秸稈被運秸風(fēng)機拋出后通過輸秸軟管進(jìn)入到開溝鏟所開的秸稈掩埋溝中，開溝鏟上回土擋板可以減緩回土?xí)r間，利于秸稈順利進(jìn)入溝底以達(dá)到更好的掩埋效果，開溝仿形機構(gòu)能較好地保證開溝深度的一致性，壓秸輪被動旋轉(zhuǎn)能將輸入到溝中的秸稈層壓實，同時能在形成秸稈層后對回落溝中土壤起到向下壓實的作用，能在一定程度上增強回土效果。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 撿拾粉碎機構(gòu)

秸稈撿拾粉碎機構(gòu)主要將地表的玉米秸稈進(jìn)行撿拾粉碎，通過動刀的回轉(zhuǎn)運動完成秸稈粉碎撿拾功能。為實現(xiàn)較好的秸稈粉碎質(zhì)量和撿拾效果，需對該機構(gòu)的粉碎刀及粉碎刀輥進(jìn)行結(jié)構(gòu)、作業(yè)參數(shù)的確定。

2.1.1粉碎刀設(shè)計

秸稈撿拾粉碎刀主要由2把L形粉碎刀組成，L形粉碎刀的側(cè)切刃能顯著影響秸稈的粉碎效果，其刃角越小，刀片越薄，秸稈粉碎效果越好，但其使用壽命會降低[14-16]，考慮到田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，有石塊等堅硬異物存在，為保證刀片使用過程中的耐久度，設(shè)計刃角為45°，刀片厚度為5 mm，粉碎刀彎折角為135°，材料為結(jié)構(gòu)鋼，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

2.1.2粉碎刀輥排列

合理的刀輥排列順序不僅能提升秸稈粉碎質(zhì)量，還能減小刀輥振動使其負(fù)荷均勻，保持動平衡，降低功耗[17]。如圖4所示，本文設(shè)計粉碎刀數(shù)量為21組，粉碎刀的安裝順序為3條螺旋線排列，此排列方式能保證刀輥轉(zhuǎn)動時僅有3把刀具處于工作狀態(tài)，粉碎刀排列展開圖如圖5所示，考慮到條帶作業(yè)秸稈粉碎撿拾需求，選取粉碎刀回轉(zhuǎn)直徑為255 mm，粉碎刀軸作業(yè)幅寬為300 mm，相鄰的兩組刀軸間軸向距離相等，為50 mm，徑向夾角為60°。為提高刀片的使用壽命，減少磨損和斷裂，粉碎刀離地高度設(shè)計為15 mm。

2.1.3粉碎刀輥漏撿區(qū)域分析

為提高秸稈粉碎撿拾效率，圖6中漏撿區(qū)ABC的面積應(yīng)盡量小，通過理論分析可得，漏撿高度h、漏撿距離d與撿拾粉碎刀角速度ωL、刀片數(shù)量ZL的關(guān)系為

(1)

式中nL——粉碎刀輥轉(zhuǎn)速，r/min

RL——粉碎刀輥回轉(zhuǎn)半徑，mm

v——作業(yè)速度

可將漏撿區(qū)域ABC近似為三角形，因此有

(2)

式中rL——刀座回轉(zhuǎn)半徑，mm

l1——粉碎刀彎折處長度，mm

l2——粉碎刀直邊長度，mm

μ——粉碎刀彎折角

由式(2)可知，撿拾粉碎刀的轉(zhuǎn)速與圖示秸稈漏撿區(qū)域面積成反比，秸稈漏撿區(qū)域面積隨秸稈撿拾刀轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨機具前進(jìn)速度的增加而增大；隨著L形粉碎刀彎折角增大，秸稈漏撿區(qū)域面積增大，不利于提升秸稈撿拾效率；撿拾粉碎刀轉(zhuǎn)速對秸稈漏撿面積的影響大于刃口長度和折彎角對秸稈漏撿面積的影響。

2.1.4粉碎刀輥轉(zhuǎn)速

圖6為粉碎刀輥作業(yè)時撿拾粉碎刀端點的運動軌跡圖，假設(shè)端點運動軌跡上任意一點坐標(biāo)為(x，y)，以此建立其運動軌跡方程為

(3)

對式(3)進(jìn)行微分，得到撿拾粉碎刀端點速度與時間的運動方程為

(4)

其中

(5)

式中vx——撿拾粉碎刀在x方向的水平分速度

vy——撿拾粉碎刀在y方向的豎直分速度

2.2 集稈螺旋器

集稈螺旋器作業(yè)時先由罩殼將粉碎刀軸拋送出的秸稈擋下，再由集稈螺旋器推送并將秸稈收集輸送至運秸風(fēng)機中，實現(xiàn)輸送秸稈的目的。

2.2.1集稈螺旋器轉(zhuǎn)速

集稈螺旋輸送機構(gòu)為秸稈粉碎深埋裝置重要組成部分，集稈螺旋器轉(zhuǎn)速對秸稈輸送量和秸稈運動速度具有直接影響，為確保其具有良好的作業(yè)性能，其秸稈輸送量應(yīng)大于或等于粉碎刀輥所產(chǎn)生的喂入量，秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置的實際作業(yè)參數(shù)為作業(yè)幅寬30 cm，前進(jìn)速度3～5 km/h，作業(yè)地表秸稈覆蓋量1.2 kg/m2，則可得集稈螺旋器的輸送量為

(6)

故集稈螺旋器轉(zhuǎn)速ng應(yīng)滿足

(7)

式中D——螺旋大徑，mm

d——螺旋小徑，mm

S——螺距

λ——外徑與罩殼內(nèi)表面間隙，mm

ρ——秸稈密度，kg/m3

ψ——螺旋填充系數(shù)，取0.32

k——秸稈輸送修正系數(shù)，取1.21

已知螺旋大徑為165 mm，小徑為60 mm，螺距為90 mm，間隙為6 mm，秸稈密度為350 kg/m3，取前進(jìn)速度為4 km/h。計算得集稈螺旋器轉(zhuǎn)速最小值為896 r/min。

2.2.2秸稈運動速度

當(dāng)集稈螺旋器以轉(zhuǎn)速ng轉(zhuǎn)動時，秸稈運動速度分析如圖7所示，在點O處的秸稈運動速度主要由牽連速度va和相對速度vb矢量合成速度vc，受秸稈與螺旋葉片間摩擦力的存在，合成速度偏轉(zhuǎn)一定的摩擦角α，實際為vf，將絕對速度vf分解為vx、vy，集稈螺旋器中秸稈運動的軸向速度為

vx=vfcos(α+θ)

(8)

式中θ——螺旋升角

故秸稈運動的軸向速度為

(9)

又因為

(10)

所以有

(11)

由式(11)可知，當(dāng)1-tanαtanθ≤0時，秸稈將不能軸向運動，對vx進(jìn)行求導(dǎo)，并令dvx/dα=0，則秸稈運動的最大軸向速度所對應(yīng)的螺旋角θmax為π/4-θ/2。當(dāng)螺距不變時，集稈螺旋器半徑r增大，螺旋角θ減小，此時秸稈輸送量增大，但秸稈運動的軸向速度vx會減??；當(dāng)r不變時，S與α成正比，當(dāng)S、α增大時vx也相應(yīng)增大。

2.2.3離散元模型

為獲取集稈螺旋器在輸送秸稈時的最佳轉(zhuǎn)速范圍，明確集稈螺旋器轉(zhuǎn)速與螺旋所受扭矩和離開排秸口處秸稈運動速度之間的關(guān)系，本文建立粉碎刀軸拋送、集稈螺旋器推運的工作部件與秸稈顆粒離散元互作模型。

被粉碎后的秸稈形狀復(fù)雜，主要由碎稈和葉片組成，且秸稈還田機作業(yè)后秸稈長度集中分布在5～10 cm[20]，為更加準(zhǔn)確地模擬秸稈運動過程，模型中對碎稈做均勻化處理近似為圓柱體，其半徑為2.2 mm，長度為6 cm，葉片長度5 cm，由51個半徑為1.7 mm的球體組成，秸稈顆粒工廠尺寸(長×寬×高)為300 mm×200 mm×35 mm，所建立的秸稈模型如圖8所示，相關(guān)離散元仿真參數(shù)[20]如表1所示。

表1 仿真相關(guān)離散元參數(shù)Tab.1 Simulation related discrete element parameters

根據(jù)前述作業(yè)條件，在離散元前處理面板的秸稈顆粒工廠中設(shè)置秸稈生成質(zhì)量為720 g，秸稈的生成方式為靜態(tài)生成，仿真時間為2 s，仿真模型如圖9所示。

由前述理論計算可知，為滿足秸稈量輸送要求，集稈螺旋器的最小轉(zhuǎn)速為896 r/min，為探究集稈螺旋器轉(zhuǎn)速與秸稈離開排秸口的速度關(guān)系以及與螺旋所受扭矩關(guān)系，分別設(shè)置螺旋器轉(zhuǎn)速為900、1 000、1 100、1 200 r/min 4個水平進(jìn)行模擬，在離散元后處理面板中的Setup Selections模塊中設(shè)置秸稈顆粒速度傳感器對秸稈離開排秸口的平均運動速度進(jìn)行監(jiān)

測，并在后處理面板中導(dǎo)出集稈螺旋器所受扭矩平均值。

運秸螺旋器在不同時刻輸送秸稈運動狀態(tài)如圖10所示。圖中0.002～0.2 s過程中地表秸稈被撿拾起拋送到罩殼的后擋板處，0.2～0.3 s時被后罩殼擋下的秸稈落入到集稈螺旋器中并隨螺旋器產(chǎn)生定向運移，0.4～0.6 s達(dá)到輸送穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖11所示，在0～0.2 s中，秸稈顆粒運動速度波動較大，主要與經(jīng)過排秸口處的秸稈數(shù)量較少有關(guān)，其中轉(zhuǎn)速1 200 r/min條件下，秸稈的運動速度最大，達(dá)7.5 m/s；在0.2～0.4 s中，螺旋器轉(zhuǎn)速對秸稈運動速度影響不顯著，但也呈現(xiàn)出隨著螺旋器轉(zhuǎn)速增加秸稈運動速度增加的趨勢，其中，轉(zhuǎn)速1 100、1 200 r/min條件下，秸稈運動速度變化起伏大，轉(zhuǎn)速900 r/min條件下秸稈運動速度變化較為平穩(wěn)，趨近于1.6 m/s；在0.4～0.6 s中，秸稈運動速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速增加秸稈運動速度呈現(xiàn)增加趨勢，其中轉(zhuǎn)速1 200 r/min相較于轉(zhuǎn)速1 100 r/min條件，秸稈運動速度增加不明顯，均趨近于2 m/s，而在900、1 000、1 100 r/min 3個水平下，隨著轉(zhuǎn)速的增加秸稈運動速度有較為明顯的階段性增加，因此在轉(zhuǎn)速900～1 100 r/min范圍內(nèi)可通過提高集稈螺旋器轉(zhuǎn)速提高排秸口處秸稈的運動速度。

如圖12所示，在0～0.2 s中，由于多數(shù)秸稈被粉碎刀軸撿拾拋起到后罩殼擋板上，僅有少數(shù)秸稈落入到集稈螺旋器中，因此在此階段所受扭矩較小，螺旋轉(zhuǎn)速變化對其所受扭矩影響較小；在0.2～0.4 s中，螺旋所受扭矩呈明顯的增加趨勢，其中，1 200 r/min轉(zhuǎn)速條件下扭矩增加趨勢大于其他3個水平，在0.4 s時螺旋所受扭矩為12 N·m，遠(yuǎn)超其他轉(zhuǎn)速；在0.4～0.6 s中，集稈螺旋器所受扭矩趨于平穩(wěn)，其中，在1 200 r/min轉(zhuǎn)速條件下，扭矩仍存在變大趨勢，在0.6 s時刻，螺旋所受扭矩為19.2 N·m，遠(yuǎn)大于其他轉(zhuǎn)速條件，在900、1 000、1 100 r/min 3個水平下扭矩趨于平穩(wěn)狀態(tài)，并呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速增加扭矩變大的趨勢。

通過上述對不同轉(zhuǎn)速條件下集稈螺旋器所受扭矩和排秸口處秸稈運動平均速度的分析，集稈螺旋器的轉(zhuǎn)速在900～1 100 r/min較為合理。

2.3 運秸風(fēng)機

運秸風(fēng)機輸送秸稈的基本原理為利用風(fēng)機的葉片將粉碎后的秸稈進(jìn)行拋送，使其具有足夠的速度能夠沿輸秸軟管運動，并輸送到開溝鏟所開溝中，運秸風(fēng)機葉片在做回轉(zhuǎn)運動時也會形成正壓氣流，氣流能夠在秸稈運動速度減小的過程中起到一定的吹送作用，同時能夠降低秸稈在運動過程中所受的空氣阻力。

當(dāng)運秸風(fēng)機葉片繞軸線做高速旋轉(zhuǎn)運動時，葉片將粉碎的秸稈進(jìn)行拋擲，對秸稈拋擲過程進(jìn)行分析可知，秸稈跟隨葉片轉(zhuǎn)動使其獲得一定的初速度，當(dāng)風(fēng)機葉片運動到風(fēng)機排秸口處時，秸稈的運動分析如圖13所示，其初速度為vd，根據(jù)速度的矢量合成關(guān)系可分解為沿風(fēng)機葉片的切向運動速度vt和垂直于風(fēng)機葉片的速度vn。

秸稈在垂直升運過程中，被風(fēng)機葉片以初速度vd拋出，為使粉碎秸稈順利離開管道，其拋出速度ve應(yīng)該為4～5 m/s[21]，根據(jù)動能定理可得

(12)

式中τ——秸稈在拋送過程中與管壁碰撞及摩擦的能量損失系數(shù)，為0.82

H1——秸稈拋送的最大高度，mm

推導(dǎo)得秸稈被拋送的初始速度vd為

(13)

由于理論初始線速度vl與實際線速度vd存在夾角β，因此引入速度修正系數(shù)ξ，為3.2。假設(shè)秸稈被拋出的初始線速度與風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)速nf的關(guān)系為

(14)

由于風(fēng)機在拋送秸稈的過程中，秸稈并非平行于運秸風(fēng)機端口處拋出，而是存在夾角π/2-ε，因此有

(15)

因此為保證風(fēng)機將秸稈能充分地輸送到開溝鏟所開溝中，已知秸稈拋送高度為50 cm，半徑為186 mm，ε為50°，則風(fēng)機轉(zhuǎn)速為

(16)

求得風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)速nf為1 402 r/min。

2.4 開溝鏟設(shè)計與離散元仿真

2.4.1開溝鏟設(shè)計

開溝鏟作為秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置的關(guān)鍵零部件之一，開溝作業(yè)效果直接影響秸稈深埋質(zhì)量。如圖14所示，鏟柄長度h3為655 mm，鏟柄厚度a2為30 mm，破土刃長度h2為280 mm，鏟尖長度S2為255 mm，鏟尖入土角φ為7°，為增加開溝鏟開溝寬度并防止開溝鏟開溝過程中回土過快、影響秸稈深埋效果，故在開溝鏟后設(shè)計回土板保持開溝溝型延遲回土?xí)r間，確保開溝質(zhì)量，回土板高度h4為300 mm，回土板寬度e為200 mm，回土板擋土夾角λ為26°。

由于玉米秸稈具有松散、體積大、密度低等特性，在深埋過程中需對溝中秸稈進(jìn)行壓實處理，所設(shè)計的壓秸輪依靠自重采用被動旋轉(zhuǎn)的方式對秸稈進(jìn)行壓實，便于后續(xù)覆土處理，提升秸稈掩埋效果。壓秸輪直徑R2為160 mm，壓秸輪支臂b為355 mm，壓秸輪幅寬l為170 mm。

2.4.2離散元仿真

利用離散元仿真模擬確定作業(yè)速度與開溝深度兩因素與表層土壤顆粒運動狀態(tài)及開溝鏟受力之間的關(guān)系。結(jié)合秸稈深埋的實際作業(yè)需求，選取裝置作業(yè)速度為2、3、4 km/h，開溝深度為200、250、300 mm進(jìn)行兩因素的完全試驗，共計9組試驗。

在EDEM軟件中建立土槽，尺寸(長×寬×高)為2 000 mm×600 mm×400 mm，并選擇Hertz-Mindlin with no slip 作為土壤顆粒間接觸模型，其中土壤顆粒由半徑為5 mm的球體組成，土層深度為400 mm，土壤密度為1 346 kg/m3，開溝鏟材料屬性為65Mn鋼，密度為7 830 kg/m3，土壤與開溝鏟的本征參數(shù)和接觸參數(shù)[22-24]如表2所示。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Discrete element simulation parameter

為提高仿真的計算效率，對開溝鏟模型進(jìn)行簡化，將不影響計算結(jié)果的結(jié)構(gòu)去除，并將三維軟件SolidWorks中的模型保存為x-t格式，導(dǎo)入到EDEM軟件中，在前處理面板中調(diào)節(jié)好開溝鏟與土槽間的相對位置，為開溝鏟添加前進(jìn)速度，同時為壓秸輪添加繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的角速度和前進(jìn)速度，仿真時間為5 s。圖15為開溝鏟作業(yè)過程的整體仿真模型。

2.4.2.1開溝鏟土壤運動狀態(tài)分析

傳統(tǒng)的試驗方式很難對開溝過程的土壤運動狀態(tài)進(jìn)行分析，為明確開溝鏟作業(yè)速度和開溝深度對土壤運動的影響，利用離散元法對不同作業(yè)條件下土壤顆粒的運動情況進(jìn)行分析，當(dāng)開溝鏟處于土槽中段穩(wěn)定開溝階段時，土壤顆粒運動速度俯視圖如圖16所示。

由圖16可知，在圖16f、16h、16i 3組仿真試驗中，開溝鏟開溝過程中，開溝鏟周圍土壤表層顆粒運動速度遠(yuǎn)大于其他條件下顆粒的運動速度，表明該試驗條件下開溝鏟對表層土壤的擾動較大；圖16c、16e 2組仿真試驗較圖16a、16b、16d、16g 4組仿真試驗開溝鏟周圍土壤顆粒運動速度大，圖16a中開溝鏟周圍土壤顆粒運動速度最小，圖16a～16c、圖16d～16f、圖16g～16i 3組對比試驗可知，當(dāng)開溝深度一致時，隨作業(yè)速度的增加土壤表層顆粒運動速度增加，土壤擾動范圍變大，當(dāng)作業(yè)速度相同時，圖16a、16d、16g，圖16b、16e、16h，圖16c、16f、16i 3組對比試驗可得，土壤顆粒運動速度與開溝深度成正相關(guān)，隨著開溝深度的增加土壤表層顆粒運動速度增加，對土壤表層的擾動越大。在實際開溝過程中開溝鏟對土壤表層的擾動大，會增加土壤水分蒸發(fā)量不利于保護(hù)土壤墑情，因此需要降低開溝鏟對于土壤表層的擾動。

為考察開溝鏟在開溝過程中，開溝鏟位置對于土壤顆粒整體運動情況的影響，選取開溝深度為250 mm、作業(yè)速度為4 km/h的仿真試驗條件進(jìn)行分析，分別截取鏟尖入土?xí)r刻(0.1 s)、開溝鏟完全入土?xí)r刻(0.5 s)和穩(wěn)定開溝時刻(1.3 s) 3個代表性階段，對不同階段土壤顆粒運動速度進(jìn)行分析。

由圖17a、17d可知，在開溝鏟鏟尖入土?xí)r刻，開溝底層處的土壤顆粒在鏟尖的作用下產(chǎn)生了垂直于鏟尖平面向上的速度，土壤顆粒有被向上翻升的趨勢。如圖17b、17e所示，當(dāng)開溝鏟完全入土?xí)r，在開溝深度范圍內(nèi)，靠近開溝鏟鏟柄位置處土壤顆粒速度較大，在鏟柄運動方向前側(cè)區(qū)域內(nèi)土壤顆粒產(chǎn)生了運動速度，距離鏟柄相對位置越遠(yuǎn)其運動速度越小，此時土壤顆粒沿垂直于鏟尖平面和鏟柄平面向前、向上運動，并在回土板的作用下向開溝鏟前進(jìn)方向的兩側(cè)運動，在開溝深度內(nèi)的土壤顆粒主要受到鏟柄和鏟尖的擠壓和切削作用。

當(dāng)開溝鏟處于穩(wěn)定開溝時刻時，如圖17c、17f所示，垂直于鏟尖平面和鏟柄前方處土壤顆粒運動速度最大，隨著開溝鏟的前進(jìn)，土壤顆粒經(jīng)過擋土板后回落到溝中，鏟柄后側(cè)的壓秸輪被動旋轉(zhuǎn)使土壤顆粒產(chǎn)生向下運動的趨勢，能夠增強回土效果。

2.4.2.2開溝鏟受力分析

開溝鏟在開溝過程中，鏟尖與鏟柄對土槽內(nèi)土壤顆粒進(jìn)行擠壓和剪切作用，土壤顆粒沿垂直于鏟尖平面及鏟柄的破土刃方向被向上和向前抬升，開溝鏟后側(cè)后方的土壤顆粒在自身重力和壓秸輪被動旋轉(zhuǎn)壓實過程中，回落溝中。為進(jìn)一步明確開溝鏟在開溝過程中受到土壤顆粒的作用力，對不同作業(yè)速度和開溝深度下開溝鏟前進(jìn)方向所受的作用力進(jìn)行分析，如圖18所示。

圖18a中，在0～0.6 s時刻開溝鏟處于入土狀態(tài)，其受到土壤的作用力逐漸變大，在0.6～2.4 s開溝鏟在前進(jìn)方向上受力趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定狀態(tài)下開溝深度為200、250、300 mm時的開溝鏟受力的均值分別為358.56、540.65、681.01 N，在2.4～3.5 s開溝鏟離開土槽時，在土槽邊緣會出現(xiàn)雍土現(xiàn)象，因此在此時間段內(nèi)開溝鏟的受力先急劇增加后迅速減??；圖18b中0.5～1.7 s開溝鏟受力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定狀態(tài)下作業(yè)速度開溝深度為200、250、300 mm時的開溝鏟受力的均值分別為411.37、576.73、721.83 N；圖18c中0.6～1.5 s開溝鏟受力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下，開溝深度為200、250、300 mm時的開溝鏟受力的均值分別為471.75、653.12、769.41 N；由上述分析可知，當(dāng)開溝深度相同時開溝鏟的受力隨作業(yè)速度的增加而增大，作業(yè)速度相同時開溝鏟的受力隨開溝深度的增加而增大。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為測試所設(shè)計的秸稈粉碎深埋裝置的田間作業(yè)性能，2021年8月于山東省天盛機械有限公司開展田間試驗，如圖19所示，試驗地人為設(shè)置秸稈覆蓋量為1.2 kg/m2，土壤類型為壤土，土層0～300 mm內(nèi)其他土壤特性參數(shù)如表3所示，秸稈平均含水率為31.4%。主要試驗儀器有東方紅1304型拖拉機、SC900型Cone-index土壤緊實度儀、30 cm×30 cm框架、φ50.46 mm×50 mm取土環(huán)刀等。

表3 土壤特性參數(shù)Tab.3 Soil characteristic parameters

3.2 試驗方法與評價指標(biāo)

基于前述理論分析與仿真分析，該裝置集稈螺旋器轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度和開溝深度對秸稈輸送、粉碎撿拾質(zhì)量和開溝質(zhì)量有較大影響，進(jìn)而進(jìn)一步影響秸稈掩埋質(zhì)量，選取集稈螺旋器轉(zhuǎn)速、機具前進(jìn)速度、開溝深度為試驗因素進(jìn)行Box-Behnken試驗，因素編碼如表4所示，試驗結(jié)果如表5所示(X1、X2、X3為因素編碼值)。

表4 試驗因素編碼Tab.4 Coding of test factors

表5 試驗方案及試驗結(jié)果Tab.5 Test scheme and test results

在每個試驗行程中隨機選取3個測試點，以該點為中心使用30 cm×30 cm框架進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)采集。為確定秸稈深埋質(zhì)量，采用秸稈掩埋合格率為主要指標(biāo)進(jìn)行評價，其計算公式為

(17)

式中Y1——秸稈掩埋合格率，%

M1——掩埋深度大于150 mm秸稈質(zhì)量，kg

M2——試驗前條帶內(nèi)秸稈質(zhì)量，kg

3.3 結(jié)果分析與回歸模型建立

利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到以秸稈掩埋合格率Y1為試驗指標(biāo)的回歸方程，并檢驗其顯著性。

由表6可知，試驗?zāi)Ｐ蜆O顯著(P<0.01)。主因素中前進(jìn)速度和開溝深度對指標(biāo)影響為極顯著，螺旋轉(zhuǎn)速為顯著，交互項中前進(jìn)速度和開溝深度對指標(biāo)影響為較顯著，且各主因素對掩埋合格率的影響由大到小為x1、x2、x3。二次主效應(yīng)項中前進(jìn)速度與開溝深度均為顯著，將不顯著的交互項和二次主效應(yīng)項的平方和、自由度并入殘差項，剔除不顯著因素，進(jìn)行方差分析，得到各因素與掩埋合格率的回歸方程為

(18)

對上述回歸性方程進(jìn)行失擬性檢驗，如表6所示，失擬項P=0.247 6>0.1，不顯著，證明試驗指標(biāo)和試驗因素存在顯著的二次關(guān)系。

表6 掩埋合格率方差分析Tab.6 Variance analysis of burial rate

3.4 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出因素間的顯著和較顯著交互作用對掩埋合格率影響的響應(yīng)曲面。

前進(jìn)速度與開溝深度交互作用如圖20所示。當(dāng)機具前進(jìn)速度一定時，掩埋合格率隨開溝深度的增加而增大，主要因為當(dāng)開溝深度增加時秸稈掩埋深度更容易達(dá)到150 mm，但隨著開溝深度的增加開溝阻力也會顯著提升;開溝深度最優(yōu)范圍為260～300 mm，當(dāng)開溝深度一定時，掩埋合格率隨機具前進(jìn)速度的增加而減小，主要因為當(dāng)前進(jìn)速度增加時，秸稈粉碎撿拾質(zhì)量下降明顯，前進(jìn)速度最優(yōu)范圍為3～3.5 km/h。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

為獲得秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置最優(yōu)工作參數(shù)，利用Design-Expert軟件的優(yōu)化模塊，對試驗因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，遵循提高掩埋合格率的原則，根據(jù)裝置的試驗條件和工作要求，選擇目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(19)

得到最優(yōu)參數(shù)組合為前進(jìn)速度3～3.07 km/h、開溝深度286～300 mm、螺旋器轉(zhuǎn)速967～1 100 r/min，優(yōu)化所得秸稈掩埋合格率為62.4%～69.5%。

為驗證優(yōu)化結(jié)果可靠性，取前進(jìn)速度為3 km/h、開溝深度為290 mm、螺旋器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)行試驗驗證，其秸稈掩埋合格率為64.2%，在相近參數(shù)條件下其預(yù)測值約為67.4%，誤差小于5%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了秸稈條帶撿拾粉碎深埋裝置并闡述該裝置的工作原理，確定了粉碎刀結(jié)構(gòu)、排列方式和轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，對粉碎刀軸的秸稈撿拾過程進(jìn)行分析，通過理論分析確定了集稈螺旋器和運秸風(fēng)機的最小轉(zhuǎn)速分別為896、1 402 r/min，并對秸稈在集稈螺旋器中的運移過程進(jìn)行分析。

(2)利用離散元單因素仿真試驗，明確了集稈螺旋器轉(zhuǎn)速與其所受扭矩和秸稈運動速度之間的關(guān)系，并初步確定了集稈螺旋器轉(zhuǎn)速為900～1 000 r/min。對開溝鏟的開溝過程進(jìn)行全因素模擬分析，明晰了作業(yè)速度與開溝深度兩因素與表層土壤顆粒運動及開溝鏟受力之間的關(guān)系。

(3)根據(jù)實際作業(yè)條件和要求對裝置工作參數(shù)范圍進(jìn)行選取，以秸稈掩埋合格率為試驗指標(biāo)，遵循獲得較高秸稈掩埋合格率的原則，對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到各最優(yōu)參數(shù)組合范圍，選取前進(jìn)速度為3 km/h、開溝深度為290 mm、螺旋器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)行試驗驗證，其秸稈掩埋合格率為64.2%，在相近參數(shù)條件下其預(yù)測值約為67.4%，誤差小于5%，滿足設(shè)計要求。