王 磊 邊祺旺 廖慶喜 王 彪 廖宜濤 張青松

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

油菜是我國重要油料作物且具有菜用、飼用、肥用等多種功能用途[1-2]，其中80%種植區(qū)域分布在長江中下游地區(qū)。該區(qū)域種植模式以水旱交替的稻油輪作為主[3]，油菜直播機(jī)作業(yè)時(shí)，因土壤黏重板結(jié)，地表前茬水稻留茬高、留存秸稈量大[4-5]，導(dǎo)致旋耕部件易纏繞，秸稈埋覆率低，致使深施肥鏟易掛草壅堵，作業(yè)廂面拖堆不平，難以實(shí)現(xiàn)深施肥作業(yè)，且種床整備質(zhì)量不高[6]。

為解決稻茬秸稈及黏土纏繞粘附堵塞觸土作業(yè)部件，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究，王金峰等[7]設(shè)計(jì)了基于阿基米德螺旋線側(cè)切刃的反旋深埋滑切還田刀，并應(yīng)用EDEM仿真分析了留茬高度、刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度對還田刀作業(yè)性能的影響；鄭侃等[8]針對長江中下游地區(qū)開廂溝后旋耕作業(yè)地表平整度差的問題，設(shè)計(jì)了漸變螺旋升角軸向勻土刀輥，確定了旋耕刀較優(yōu)排列方式；陳青春等[9]對比分析了正、反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)對秸稈混埋效果的影響，試驗(yàn)確定反轉(zhuǎn)旋耕的秸稈在沿土壤深度方向的空間分布均勻率、秸稈-土壤混合效果、耕幅內(nèi)地表平整度等優(yōu)于正轉(zhuǎn)旋耕；MATIN等[10]利用高速攝影技術(shù)和土槽試驗(yàn)，對比分析了常規(guī)旋耕刀、半寬旋耕刀及直旋耕刀在4種不同轉(zhuǎn)速下的作業(yè)效果，確定直旋耕刀有利于提高種床質(zhì)量；DU等[11]利用EDEM仿真分析了黏重土壤工況下旋耕刀和螺旋刀的作業(yè)效果，確定了耕深對土壤擾動面積和擾動強(qiáng)度影響最顯著。廖宜濤等[12]設(shè)計(jì)了基于主動刮削防堵原理的主動防堵深施肥裝置，并確定了較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；COUTO-VAZQUEZ等[13]分析了鋤鏟式施肥裝置對保護(hù)性耕作和翻耕耕作模式的影響，試驗(yàn)確定了鋤鏟式施肥裝置有利于不同耕作模式下小麥的生長。綜上，為解決秸稈及黏土易纏繞粘附堵塞觸土作業(yè)部件作業(yè)難題，國內(nèi)外學(xué)者在刀片設(shè)計(jì)、彎刀排列方式、施肥鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開展了相關(guān)研究，但適應(yīng)于長江中下游稻油輪作區(qū)高茬黏重作業(yè)地表，油菜直播深施肥作業(yè)時(shí)，埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置有待進(jìn)一步研究。

長江中下游稻油輪作區(qū)高茬黏重作業(yè)地表，油菜直播作業(yè)時(shí)，因土壤黏重板結(jié)，地表前茬水稻留茬高、留存秸稈量大，導(dǎo)致旋耕部件易纏繞，秸稈埋覆率低，致使深施肥鏟易掛草壅堵，作業(yè)廂面拖堆不平，難以實(shí)現(xiàn)深施肥作業(yè)。為此本文設(shè)計(jì)一種適應(yīng)高茬黏重稻茬田的油菜直播埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置，確定埋茬防堵部件深旋彎刀、淺旋彎刀、防堵直刀和深施肥鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)，明確刀片和深施肥鏟排列安裝方式，并開展部件EDEM仿真分析和田間試驗(yàn)，以期為高茬黏重作業(yè)地表油菜直播時(shí)，埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油菜直播機(jī)主要由開畦溝部件、雙圓盤開溝器、排種器、埋茬防堵部件、深施肥部件、排肥器、肥箱、機(jī)架等組成，如圖1所示，其中埋茬防堵部件和深施肥部件是油菜直播機(jī)作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)埋茬防堵和深施肥作業(yè)的關(guān)鍵部件。埋茬防堵部件由種床帶刀組區(qū)、滅茬帶刀組區(qū)及筒狀刀軸組成且種床帶刀組區(qū)和滅茬帶刀組區(qū)在筒狀刀軸上交錯(cuò)布置。種床帶刀組區(qū)安裝有深旋彎刀，滅茬帶刀組區(qū)安裝有淺旋彎刀和防堵直刀。深施肥部件中的每把深施肥鏟置于種床帶刀組區(qū)正后方并與對應(yīng)深旋彎刀貼合，每兩把深施肥鏟間安裝有防堵直刀。埋茬防堵部件和深施肥部件作業(yè)工藝原理如圖2所示，機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)

圖1 油菜直播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 埋茬防堵部件和深施肥部件作業(yè)工藝原理圖

1.2 工作過程

油菜直播機(jī)在長江中下游稻油輪作區(qū)高茬黏重土壤地表作業(yè)時(shí)，埋茬防堵部件筒狀刀軸反向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)埋茬，其中采用筒狀刀軸，增大刀軸回轉(zhuǎn)直徑，防止高茬秸稈纏繞刀輥，實(shí)現(xiàn)了防纏防堵功能。種床帶刀組在種床帶區(qū)域深旋作業(yè)，完成秸稈埋覆、土壤細(xì)碎功能，實(shí)現(xiàn)種床帶種床整理；滅茬帶刀組在滅茬帶區(qū)域淺旋作業(yè)，實(shí)現(xiàn)滅茬、淺層土壤細(xì)碎功能，減少作業(yè)功耗，實(shí)現(xiàn)滅茬帶秸稈土壤處理。置于種床帶刀組區(qū)正后方的菱形深施肥鏟與埋茬防堵部件一起入土，進(jìn)行深施肥作業(yè)。由于深施肥鏟與種床帶刀組區(qū)中深旋彎刀貼合，深施肥鏟作業(yè)時(shí)，高速轉(zhuǎn)動的深旋彎刀實(shí)時(shí)刮除深施肥鏟前表面粘附堆積的秸稈和黏土，防止深施肥鏟前表面作業(yè)掛草粘附堵塞，同時(shí)安裝于兩把深施肥鏟中間區(qū)域、高速轉(zhuǎn)動的防堵直刀實(shí)時(shí)切削相鄰深施肥鏟中間空檔區(qū)域，防止由秸稈和細(xì)碎黏土組成的復(fù)合體粘連堵塞相鄰深施肥鏟中間區(qū)域，造成作業(yè)壅堵。置于深施肥部件后方的拖土板對埋茬碎土和肥料深施作業(yè)后的廂面進(jìn)行平整，完成油菜直播機(jī)廂面整理及深施肥作業(yè)。

通過采用筒狀刀軸，防止高茬秸稈纏繞刀輥，實(shí)現(xiàn)埋茬防堵部件埋覆高茬秸稈，減少秸稈對深施肥鏟作業(yè)堵塞；基于主動防堵，深旋彎刀實(shí)時(shí)刮除深施肥鏟前表面粘附堆積的秸稈和黏土，防堵直刀實(shí)時(shí)切削相鄰深施肥鏟中間空檔區(qū)域，防止深施肥部件鏟前掛草粘附堆積和相鄰鏟間粘連秸稈粘附壅土，實(shí)現(xiàn)油菜直播機(jī)在稻油輪作區(qū)高茬黏重土壤作業(yè)工況下，秸稈埋覆、土壤細(xì)碎平整及深施肥作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 埋茬防堵部件

刀片是埋茬防堵部件核心組件，包括種床帶深旋彎刀、滅茬帶淺旋彎刀和防堵直刀3種，是實(shí)現(xiàn)種床帶深旋埋茬、細(xì)碎土壤，滅茬帶淺旋滅茬、土壤整理，并配合深施肥部件作業(yè)，主動防堵，實(shí)現(xiàn)秸稈埋覆、肥料深施和作業(yè)廂面平整的關(guān)鍵。

2.1.1埋茬彎刀

埋茬彎刀包括種床帶深旋彎刀和滅茬帶淺旋彎刀，其結(jié)構(gòu)參數(shù)影響埋茬性能和深施肥鏟鏟體前表面主動防堵作業(yè)功能。埋茬彎刀結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)主要包括側(cè)切刃、正切刃，其中側(cè)切刃刃口曲線、正切刃刃口曲線彎折角、正切刃刃口曲線滑切角及工作幅寬是影響埋茬彎刀切土、拋土、切茬等工作性能的主要參數(shù)。

圖3 埋茬彎刀結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

埋茬彎刀側(cè)切刃刃口曲線采用阿基米德螺旋線，各參數(shù)滿足

(1)

式中ρ——側(cè)切刃刃口曲線極徑，mm

ρa(bǔ)——側(cè)切刃刃口曲線起點(diǎn)處極徑，mm

ρb——側(cè)切刃刃口曲線終點(diǎn)處極徑，mm

c——單位弧度極徑增量，mm

θa——側(cè)切刃刃口曲線上任意點(diǎn)處極角，(°)

R——埋茬彎刀端點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑，mm

S——切土節(jié)距，mm

b——旋耕深度，mm

τn——側(cè)切刃刃口曲線終點(diǎn)處滑切角，(°)

根據(jù)長江中下游稻油輪作區(qū)油菜種植農(nóng)藝和機(jī)具作業(yè)參數(shù)要求，并參考GB/T 5669—2017《旋耕機(jī)械刀和刀座》和《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，確定深旋彎刀端點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，切土節(jié)距為25.4 mm，終點(diǎn)處滑切角為55°；淺旋彎刀端點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑為210 mm，切土節(jié)距為50.8 mm，終點(diǎn)處滑切角為55°。則深旋彎刀和淺旋彎刀側(cè)切刃刃口曲線終點(diǎn)處極徑分別為245 mm和210 mm。

根據(jù)式(1)可得，深旋彎刀側(cè)切刃刃口曲線起點(diǎn)處極徑為221.8 mm，刃口曲線方程為ρ=221.8+171.6θa，淺旋彎刀側(cè)切刃刃口曲線起點(diǎn)處極徑為166.4 mm，刃口曲線方程為ρ=166.4+147.1θa。

深旋彎刀和淺旋彎刀正切刃采用與側(cè)切刃相同的阿基米德螺旋線設(shè)計(jì)，以保證側(cè)切刃與正切刃的平滑過渡及刃口的切割性能。當(dāng)深旋彎刀和淺旋彎刀正切刃刃口曲線彎折角θ為90°時(shí)，正切刃切割秸稈時(shí)有較好的切割能力，但切割阻力較大。為減少切割阻力，確定深旋彎刀和淺旋彎刀采用凹刃結(jié)構(gòu)正切刃，保證秸稈具有一定滑切效果。秸稈切割過程、受力分析及滑切分析如圖4、5所示。

圖4 秸稈切割過程示意圖

根據(jù)圖5a可得秸稈滑切過程受力平衡方程為

圖5 埋茬彎刀切割秸稈示意圖

(2)

式中Fn——秸稈所受法向力，N

Fa——切割秸稈所受土壤及周圍秸稈沿x軸的作用力，N

Ft——秸稈所受切向力，N

τ——秸稈所在位置的滑切角，(°)

φ——秸稈與埋茬彎刀間的摩擦角，(°)

ae——秸稈牽連加速度，m/s2

at——秸稈切向加速度，m/s2

m——秸稈質(zhì)量，kg

根據(jù)圖5b，秸稈滑切過程的位移方程為

(3)

式中d1——秸稈沿正切刃法線方向距離，mm

d2——秸稈滑切距離，mm

d3——秸稈運(yùn)動距離，mm

深旋彎刀及淺旋彎刀勻速切割秸稈過程中，秸稈牽連加速度為0，聯(lián)立式(2)、(3)可得秸稈滑切總功為

(4)

由式(4)可知，當(dāng)τ>φ時(shí)，滑切總功大于0，切割秸稈將產(chǎn)生滑切效果。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，水稻秸稈與導(dǎo)流板間摩擦角為26.5°～30.5°，且滑切角應(yīng)滿足τ<90°-φ，為保證深旋彎刀及淺旋彎刀對水稻秸稈的滑切作用效果，確定正切刃曲線滑切角為35°～55°。

深旋彎刀及淺旋彎刀的工作幅寬Be對耕作質(zhì)量具有顯著影響，綜合考慮種床帶深旋、滅茬帶淺旋作業(yè)質(zhì)量要求、作業(yè)功耗及作業(yè)過程中彎刀對土壤撕裂作用和播種行距，確定深旋彎刀工作幅寬為45 mm，淺旋彎刀工作幅寬為65 mm。

2.1.2防堵直刀

防堵直刀通過切削相鄰深施肥鏟間區(qū)域，可以防止深施肥鏟鏟間區(qū)域的壅土及秸稈堵塞。防堵直刀側(cè)切刃刃口曲線為阿基米德螺旋線，防堵直刀結(jié)構(gòu)及工作過程受力如圖6所示。

圖6 防堵直刀結(jié)構(gòu)及工作過程受力圖

根據(jù)圖6可得防堵直刀切土阻力為

(5)

f1=μN(yùn)1f2=μN(yùn)2

式中T——防堵直刀切土總阻力，N

C0——土壤粘結(jié)力，N

C1——刃口切向粘附力，N

C2——側(cè)切面切向粘附力，N

N1——刃口法向力，N

N2——側(cè)切面法向力，N

f1——刃口摩擦阻力，N

f2——側(cè)切面摩擦阻力，N

γ——實(shí)際作用刃口角，(°)

γc——刃磨角，(°)

γe——刃磨角所在平面與實(shí)際作用刃口角所在平面夾角，(°)

μ——滑動摩擦因數(shù)

防堵直刀實(shí)際工作過程中，刃口法向力遠(yuǎn)大于刃口摩擦阻力及刃口切向粘附力[15]，根據(jù)式(5)可知，土壤參數(shù)一定時(shí)，防堵直刀切土阻力與防堵直刀刃磨角正相關(guān)，可通過減小刃磨角以減小防堵直刀工作阻力，但刃磨角過小，使防堵直刀變薄，會影響刀片強(qiáng)度，綜合防堵直刀的刀刃強(qiáng)度及其切土阻力，確定刃磨角為40°。

根據(jù)式(1)、(5)，考慮防堵直刀側(cè)切刃刃口曲線極坐標(biāo)方程各參數(shù)變量關(guān)系及防堵直刀與深施肥鏟的相對位置與幾何關(guān)系，確定防堵直刀回轉(zhuǎn)半徑為310 mm，側(cè)切刃刃口起點(diǎn)處極徑為130 mm，終點(diǎn)處極徑為310 mm，終點(diǎn)處滑切角為55°。

2.1.3筒狀刀軸

長江中下游地區(qū)水稻收獲后留茬高度普遍為300～550 mm，為減少埋茬防堵部件纏草，確定選用筒狀刀軸，以增強(qiáng)機(jī)具在高茬田塊的適應(yīng)性和通過性。

通過增大筒狀刀軸直徑，增大刀軸徑向截面周長，可有效防止秸稈對刀軸的纏繞，但直徑過大，會影響機(jī)具整體結(jié)構(gòu)尺寸，不利于田間作業(yè)。綜合考慮埋茬防堵部件和深施肥部件整體布局及田間秸稈長度，確定筒狀刀軸直徑為150 mm，筒狀刀軸徑向截面周長為471 mm，以減少秸稈纏繞，提高廂面質(zhì)量。

筒狀刀軸轉(zhuǎn)速對秸稈埋覆效果和廂面碎土具有較大影響。結(jié)合課題組多年對油菜直播機(jī)的研究與實(shí)際應(yīng)用效果，在稻茬地粘重高茬地表作業(yè)，當(dāng)旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為340～380 r/min高速旋耕作業(yè)時(shí)，可提高秸稈埋覆率和廂面平整度。基于《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》對旋耕部件設(shè)計(jì)要求，綜合考慮稻茬田油菜播種對土壤細(xì)碎和秸稈埋覆農(nóng)藝要求及機(jī)具作業(yè)功耗等方面，確定筒狀刀軸旋耕轉(zhuǎn)速為345 r/min。

2.2 深施肥部件

深施肥鏟可開出肥溝，使肥料沿深施肥鏟鏟體內(nèi)腔空間流動到達(dá)指定深度土層，并在埋茬防堵部件的配合作業(yè)下，實(shí)現(xiàn)深施肥鏟鏟體前表面及相鄰鏟間的主動防堵，避免因鏟體掛草壅土和相鄰鏟間粘附堵塞，導(dǎo)致作業(yè)廂面拖堆，致使廂面不平。深施肥鏟主要由鏟體和破土刃組成，其與埋茬防堵部件配合作業(yè)示意圖如圖7所示。

圖7 深施肥鏟與埋茬防堵部件配合作業(yè)示意圖

2.2.1深施肥鏟鏟體截面

為保證深施肥鏟鏟前土壤沿鏟體兩側(cè)面有效分流，防止土壤及秸稈粘附堆積堵塞及減少作業(yè)阻力，深施肥鏟鏟體采用菱形截面。菱形深施肥鏟勻速作業(yè)時(shí)，菱形深施肥鏟與土壤直接接觸的雙側(cè)鏟體受力相同，取鏟體單個(gè)側(cè)面進(jìn)行受力分析，在鏟體側(cè)面中點(diǎn)Oe處建立直角坐標(biāo)系，以作業(yè)速度vm方向?yàn)閤軸正向，其受力如圖8所示。

圖8 菱形深施肥鏟鏟體受力示意圖

根據(jù)圖8建立菱形深施肥鏟與土壤直接接觸的單側(cè)鏟體受力方程

(6)

其中

fc=Frtanαe

式中Fb——單側(cè)鏟體截面所受牽引力，N

Fm——土壤對單側(cè)鏟體截面的切向阻力，N

fc——土壤對單側(cè)鏟體截面的摩擦力，N

Fr——土壤對單側(cè)鏟體截面的法向力，N

δ——雙側(cè)鏟體截面間夾角，(°)

αe——土壤與鏟體間摩擦角，(°)

由式(6)可得菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面所受牽引力FB為

(7)

油菜直播機(jī)勻速作業(yè)時(shí)，菱形深施肥鏟鏟體所受牽引力與前進(jìn)阻力相等。由式(7)可知，菱形深施肥鏟鏟體所受阻力與菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角有關(guān)。隨菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角在0°～90°之間增加，菱形深施肥鏟鏟前可堆積土壤秸稈面積增加及鏟體工作阻力增大，但菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角過小會影響肥料顆粒的流動性及鏟體側(cè)向面剛度，綜合考慮確定菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角為75°。

2.2.2深施肥鏟鏟體曲線

深施肥鏟鏟體曲線形狀影響肥料顆粒的流動性和主動防堵性能，深施肥鏟鏟體曲線結(jié)構(gòu)如圖9所示。鏟體BC段彎折角γn影響肥料流動效果，為防止肥料顆粒在BC段壅堵，BC段彎折角一般應(yīng)大于肥料顆粒的休止角，根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，不同顆粒肥料的平均休止角為31.84°，肥料顆粒在鏟體AB段至BC段為加速運(yùn)動，為避免肥料顆粒在BC段壅堵，確定BC段彎折角γn為32°。為使深旋彎刀作業(yè)時(shí)能刮削深施肥鏟體前表面，鏟體DE段應(yīng)為圓弧曲線，同時(shí)為避免菱形深施肥鏟與深旋彎刀端點(diǎn)產(chǎn)生干涉，確定鏟體DE段與深旋彎刀端點(diǎn)的徑向間隙Δr為10 mm，則DE段圓弧半徑RDE為255 mm。

圖9 菱形深施肥鏟鏟體曲線示意圖

2.2.3深施肥鏟破土刃

菱形深施肥鏟鏟尖需深入土層中進(jìn)行破土、開溝作業(yè)，破土刃曲線采用正弦指數(shù)函數(shù)，以減少作業(yè)過程中的鏟尖掛草導(dǎo)致作業(yè)壅堵，破土刃刃口曲線如圖10所示。

圖10 破土刃刃口曲線示意圖

根據(jù)圖10可知，正弦指數(shù)破土刃刃口曲線為

(8)

式中rn——破土刃刃口曲線終點(diǎn)處極徑，mm

ra——破土刃刃口曲線起點(diǎn)處極徑，mm

τa——破土刃刃口曲線起點(diǎn)處靜態(tài)滑切角，取40°

k——靜態(tài)滑切角變化比例系數(shù)，取-1

θb——破土刃刃口曲線上任意點(diǎn)處極角，(°)

根據(jù)式(8)可知，當(dāng)破土刃刃口曲線起點(diǎn)處靜態(tài)滑切角為40°，靜態(tài)滑切角變化比例系數(shù)為-1時(shí)[17]，可得破土刃刃口曲線起點(diǎn)處極徑和終點(diǎn)處極徑分別為120、209 mm。

破土刃切削刃角會影響菱形深施肥鏟作業(yè)性能，破土刃結(jié)構(gòu)及刃口工作過程受力如圖11所示。切削刃角過大會降低對土壤的切削能力，切削刃角過小則會降低刃口強(qiáng)度，為保證切削刃角破土能力及刃口強(qiáng)度，建立破土刃刃口處受力平衡方程

圖11 破土刃結(jié)構(gòu)及刃口工作過程受力圖

(9)

其中

式中Fe——破土刃口所受阻力，N

Fs——破土刃口法向力，N

ψ——破土刃口切削平面與水平投影面夾角，(°)

ε——切削刃角水平面投影角，(°)

εa——破土刃口切削刃角，(°)

Ka——土壤變形比阻

ta——破土刃口厚度，mm

μa——破土刃口與土壤間滑動摩擦因數(shù)

ΔH——破土刃口單位長度，mm

由式(9)可知，菱形深施肥鏟在固定深度土壤中穩(wěn)定工作，且土壤參數(shù)等變量一定時(shí)，破土刃口所受阻力與破土刃口切削刃角相關(guān)。當(dāng)破土刃口切削刃角為40°～45°時(shí)[18]，切土阻力較小，故確定破土刃口切削刃角為45°。

2.3 刀片及深施肥鏟排布

根據(jù)油菜直播機(jī)作業(yè)幅寬、播種行數(shù)、種床帶寬度、滅茬帶寬度設(shè)計(jì)要求，設(shè)置8個(gè)種床帶和9個(gè)滅茬帶，種床帶和滅茬帶交錯(cuò)布置。每個(gè)種床帶分為2個(gè)切土小區(qū)，共安裝4把深旋彎刀，其中一個(gè)切土小區(qū)安裝2把深旋左彎刀，另一個(gè)切土小區(qū)安裝2把深旋右彎刀，同一切土小區(qū)2把深旋彎刀周向均布，夾角為180°，每個(gè)種床帶中4把深旋彎刀周向均布，夾角為90°。每個(gè)滅茬帶只有一個(gè)切土小區(qū)，共安裝有4把旋耕刀，包括1把淺旋左彎刀、1把淺旋右彎刀和2把防堵直刀，2把淺旋彎刀周向夾角為180°，每個(gè)滅茬帶中4把埋茬刀周向均布，夾角為90°。

刀片在筒狀刀軸排列時(shí)，埋茬防堵部件耕幅中心面安裝一組滅茬帶刀組，并以埋茬防堵部件耕幅中心面滅茬帶刀組為基準(zhǔn)，將埋茬防堵部件分為左刀輥與右刀輥，左刀輥與右刀輥均對稱布置4組種床帶刀組和4組滅茬帶刀組。整個(gè)埋茬防堵部件上，種床帶刀組和滅茬帶刀組呈交錯(cuò)布置，且左刀輥和右刀輥上安裝的刀片均呈軸向均布。為減小刀片同時(shí)入土導(dǎo)致的沖擊振動，將左右兩側(cè)刀輥的周向夾角設(shè)置為5°。

由于油菜直播機(jī)肥料施用方式為正位深施，深施肥部件主要由8把菱形深施肥鏟組成，每把深施肥鏟置于種床帶深旋彎刀正后方并與深旋彎刀貼合。刀片及深施肥鏟排布周向展開如圖12所示。

圖12 刀片和深施肥鏟排列安裝周向展開示意圖

3 仿真

3.1 模型建立

為分析埋茬防堵部件和深施肥部件埋茬及深施肥作業(yè)效果，利用EDEM開展仿真。仿真模型如圖13所示，其中土壤顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding模型，模擬土壤顆粒直徑為8 mm，秸稈模型為11個(gè)半徑為6 mm的球形顆粒組成的長線性模型[19]，單位區(qū)域切向剛度為9.075×107N/m3、法向剛度為1.723×108N/m3、切向強(qiáng)度為221.5 kPa、法向強(qiáng)度為221.5 kPa、粘結(jié)半徑為9.5 mm、顆粒接觸半徑為8.2 mm[20]。

圖13 仿真模型

圖13仿真時(shí)，通過在菱形深施肥鏟入口處設(shè)置顆粒工廠生成肥料顆粒及肥料下落，模擬排肥器排肥作業(yè)過程。肥料顆粒模型平均直徑設(shè)為3.7 mm，模型直徑正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)為0.05 mm，菱形深施肥鏟入口每秒生成肥料顆粒數(shù)為418，入口處肥料顆粒初速度為2.8 m/s，菱形深施肥鏟入口生成肥料顆粒時(shí)間為5 s。

結(jié)合仿真模型總體尺寸及作業(yè)距離，建立土槽模型，并以地表為基準(zhǔn)，將仿真模型中深度0～150 mm的土壤均分為上層(藍(lán)色)、中層(綠色)、下層(紅色)3個(gè)土壤層。為進(jìn)一步模擬田間秸稈的真實(shí)分布情況，設(shè)置直立與倒伏兩種秸稈，直立秸稈模型通過接觸模型Hertz-Mindlin with Bonding在秸稈與表層土壤顆粒之間設(shè)置bond鍵，將秸稈豎立在土槽模型表面，倒伏秸稈則直接平鋪在土槽表面。直立秸稈均勻分布在土槽表面，倒伏秸稈隨機(jī)鋪放在土槽表面。仿真模型設(shè)置所需的土壤顆粒、秸稈、鋼材及顆粒肥料仿真參數(shù)如表2、3所示[21]。

表2 仿真模型材料參數(shù)

表3 仿真模型接觸參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

仿真時(shí)，根據(jù)油菜種植農(nóng)藝要求及結(jié)合油菜直播機(jī)實(shí)際作業(yè)效率，設(shè)置機(jī)組作業(yè)速度為2.5 km/h，深旋彎刀耕深為150 mm，埋茬防堵部件轉(zhuǎn)速為345 r/min，試驗(yàn)指標(biāo)為施肥深度、秸稈埋覆率及空間分布。

在仿真作業(yè)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)選取廂面上5塊500 mm×500 mm的作業(yè)區(qū)域，測定地表全部秸稈的質(zhì)量，秸稈埋覆率計(jì)算式為

(10)

式中Mq——耕前地表秸稈質(zhì)量，g

Mh——耕后地表秸稈質(zhì)量，g

在仿真作業(yè)區(qū)域內(nèi)，在每行深施肥位置隨機(jī)取5個(gè)測點(diǎn)，以仿真后地表為基準(zhǔn)面，測定肥料至基準(zhǔn)面的垂直距離，由肥料分布的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)繪制兩條水平線，兩條線距離基準(zhǔn)面的深度為施肥深度范圍，取各測量點(diǎn)垂直距離的平均值作為施肥深度。

3.3 結(jié)果分析

埋茬作業(yè)效果如圖14a所示，秸稈埋覆率為86.53%，深施肥作業(yè)效果如圖14b所示，深施肥鏟施肥深度為83～106 mm，滿足秸稈埋覆和深施肥作業(yè)要求。

圖14 仿真作業(yè)效果

為進(jìn)一步分析機(jī)具作業(yè)后，被埋覆秸稈在深度0～150 mm土壤層中的空間分布情況，將模型中土壤顆粒隱藏，獲得上層(0～50 mm)、中層(50～100 mm)、下層(100～150 mm)區(qū)域土壤層內(nèi)秸稈空間分布如圖15所示。選取模型中500 mm×500 mm×150 mm的區(qū)域，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)上層、中層、下層中直立秸稈及倒伏秸稈的質(zhì)量分布，結(jié)果如表4所示。由表4可知，機(jī)具作業(yè)后，所埋覆的秸稈中，73.89%的秸稈均勻分布在深度0～100 mm的范圍，26.11%的秸稈分布在深度100～150 mm的范圍內(nèi)，且直立和倒伏秸稈在深度0～150 mm土壤層中均勻分布。

表4 深度0～150 mm土壤層中秸稈質(zhì)量分布

圖15 深度0～150 mm土壤層中秸稈空間分布

綜合機(jī)具作業(yè)后的秸稈埋覆及空間分布，顆粒肥料深施后分布深度可知，機(jī)具可較好地實(shí)現(xiàn)秸稈埋覆及肥料深施作業(yè)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置田間作業(yè)效果，開展稻茬地機(jī)具作業(yè)性能試驗(yàn)。將埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置安裝于油菜直播機(jī)上，在湖北省監(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1號、2號、3號、4號試驗(yàn)田4種作業(yè)工況開展機(jī)具田間試驗(yàn)，1號、2號、3號、4號試驗(yàn)田的前茬作物均為水稻，土壤及水稻秸稈參數(shù)如表5所示，整機(jī)配套動力為東方紅LX-954型拖拉機(jī)。

測量土壤堅(jiān)實(shí)度時(shí)，在4種作業(yè)工況未耕地表、四周及中間隨機(jī)選取5點(diǎn)，將土壤堅(jiān)實(shí)度測量儀勻速貫入土壤中，總貫入深度為250 mm，每個(gè)測點(diǎn)記錄貫入深度分別為50、100、150、200、250 mm時(shí)的峰值數(shù)據(jù)并計(jì)算其平均值，將5次測量結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)田塊的土壤堅(jiān)實(shí)度。

測量土壤含水率時(shí)，在4種作業(yè)工況的未耕地表、四周及中間隨機(jī)選取5點(diǎn)，將待測區(qū)域深度0～250 mm范圍的土壤分層，相鄰?fù)寥缹娱g隔為50 mm，隨機(jī)選取測點(diǎn)并選用體積1×105mm3的取土環(huán)刀對每層土壤進(jìn)行分層取樣，每層土壤取3個(gè)樣本，將所取土樣置入鋁盒中稱量，記錄其質(zhì)量并編號。將盛有土樣的鋁盒放入干燥箱中進(jìn)行干燥處理，干燥至恒質(zhì)量后取出，再次稱量并記錄，計(jì)算各土層中兩個(gè)樣本的含水率，并取其平均值作為各層土壤含水率，將5層土壤含水率平均值作為該測點(diǎn)土壤含水率，并取5個(gè)測點(diǎn)結(jié)果平均值作為試驗(yàn)田塊含水率。土壤容重反映土壤顆粒間排列的緊實(shí)程度，其計(jì)算式為

(11)

式中M2——干燥后土樣與鋁盒總質(zhì)量，g

M0——空鋁盒質(zhì)量，g

Gv——取土環(huán)刀體積，cm3

測量秸稈留茬高度時(shí)，在4種作業(yè)工況的未耕地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)待測區(qū)域，每個(gè)待測區(qū)域選取5個(gè)測量點(diǎn)，測量地表以上直立秸稈的最大高度，計(jì)算5個(gè)測量點(diǎn)直立秸稈高度平均值，并作為該區(qū)域秸稈留茬高度，計(jì)算5個(gè)待測區(qū)域直立秸稈高度平均值作為試驗(yàn)田塊的秸稈留茬高度。

測量秸稈留存量時(shí)，在4種作業(yè)工況的未耕地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)測量點(diǎn)，各測點(diǎn)均用1 m×1 m的鐵框圈出1 m2的范圍，收集此范圍內(nèi)地表以上全部秸稈與浮草并稱量，將5個(gè)測量點(diǎn)全部秸稈與浮草質(zhì)量平均值作為試驗(yàn)田塊秸稈留存量。

測量秸稈含水率時(shí)，在4種作業(yè)工況的未耕地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)測量點(diǎn)，將收集的秸稈與浮草放入檔案袋中，放入干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定，收集的秸稈與浮草干燥后損失的總質(zhì)量與干燥前質(zhì)量的百分比為各測量點(diǎn)秸稈含水率，取5個(gè)測量點(diǎn)秸稈含水率的平均值作為試驗(yàn)田塊秸稈含水率。

4.2 試驗(yàn)方法

為分析埋茬防堵部件與菱形深施肥部件配合作業(yè)效果，開展機(jī)具田間試驗(yàn)，作業(yè)時(shí)設(shè)置機(jī)具作業(yè)速度為2.5 km/h，埋茬防堵部件轉(zhuǎn)速為345 r/min，機(jī)具作業(yè)總行程設(shè)定為50 m，選取中間30 m試驗(yàn)區(qū)域?yàn)闄C(jī)具穩(wěn)定作業(yè)區(qū)段，觀察及測量相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)。同一工況重復(fù)進(jìn)行3次行程作業(yè)，并將3次作業(yè)的平均值作為各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果。其中，為驗(yàn)證深施肥鏟防堵作業(yè)性能，在1號試驗(yàn)田開展田間試驗(yàn)，為便于觀察深施肥鏟作業(yè)是否擁堵，作業(yè)前將機(jī)具拖土板卸下，僅在左側(cè)4個(gè)菱形深施肥鏟間安裝防堵直刀。為測試機(jī)具深施肥部件在高茬黏重地塊作業(yè)是否擁堵拖堆，檢驗(yàn)通過性及適應(yīng)性，在2號和3號高茬地表開展機(jī)具田間試驗(yàn)，測量機(jī)具作業(yè)后廂面平整度、秸稈埋覆率、碎土率及種床帶刀組區(qū)和滅茬帶刀組區(qū)的耕深及穩(wěn)定性系數(shù)等作業(yè)指標(biāo)；為測試機(jī)具深施肥作業(yè)效果，在4號試驗(yàn)田開展機(jī)具田間試驗(yàn)，測量機(jī)具作業(yè)后施肥深度。

測量廂面平整度時(shí)，分別在2號和3號試驗(yàn)田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，沿機(jī)具前進(jìn)方向隨機(jī)設(shè)置3條水平基準(zhǔn)線，各水平基準(zhǔn)線均以所在廂面最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，按耕寬將廂面等分為10個(gè)測點(diǎn)，分別測定各點(diǎn)至旋耕后廂面的垂直距離，平整度為所測距離標(biāo)準(zhǔn)差的平均值。

測量秸稈埋覆率時(shí)，分別在2號和3號試驗(yàn)田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，用鐵框隨機(jī)選取廂面上10塊1 m×1 m的區(qū)域，測定旋耕前和旋耕后地表所有秸稈質(zhì)量，并以式(10)計(jì)算秸稈埋覆率。

測量碎土率時(shí)，分別在2號和3號試驗(yàn)田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，用鐵框隨機(jī)選取廂面上500 mm×500 mm的區(qū)域，測量該區(qū)域內(nèi)全耕層的土塊，土塊大小以最長邊40 mm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，將小于40 mm的土塊總質(zhì)量占全耕層土塊總質(zhì)量的百分比作為碎土率。

耕深測量時(shí)，分別在2號和3號試驗(yàn)田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，將深旋區(qū)與淺旋區(qū)進(jìn)行標(biāo)記，沿機(jī)具前進(jìn)方向每隔2 m于深旋區(qū)、淺旋區(qū)各取1個(gè)測點(diǎn)，深旋區(qū)與淺旋區(qū)各取10個(gè)測點(diǎn)，利用米尺測量耕作層底部至未旋耕地表的垂直距離作為耕深。

耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)用以表征深旋耕及淺旋耕的作業(yè)效果，耕深穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算式為

(12)

式中ac——平均耕深，mm

ai——第i個(gè)測量點(diǎn)的耕深，mm

u——各工況測量點(diǎn)數(shù)量

測量施肥深度時(shí)，在4號試驗(yàn)田作業(yè)工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，每施肥行隨機(jī)取5個(gè)測點(diǎn)，將土層扒開，以施肥覆土后的地表為基準(zhǔn)面，測定肥料顆粒至基準(zhǔn)面的垂直距離，取各測量點(diǎn)垂直距離的平均值作為施肥深度。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1號試驗(yàn)田耕前地表工況及機(jī)具主動防堵性能試驗(yàn)效果如圖16所示。試驗(yàn)過程中8個(gè)深施肥鏟均未出現(xiàn)鏟前壅堵現(xiàn)象，試驗(yàn)后左側(cè)4個(gè)深施肥鏟間沒有明顯的秸稈堵塞，右側(cè)未安裝防堵直刀的4個(gè)深施肥鏟間有秸稈壅堵情況，表明在高茬黏重稻茬田作業(yè)地表，埋茬防堵部件與深施肥部件配合作業(yè)能實(shí)現(xiàn)深施肥鏟的鏟體前表面防堵，并可防止深施肥鏟的鏟間壅堵。

圖16 深施肥部件鏟體前表面及鏟間主動防堵性能試驗(yàn)

2號和3號試驗(yàn)田機(jī)具作業(yè)后廂面作業(yè)質(zhì)量如圖17所示，機(jī)具作業(yè)性能指標(biāo)結(jié)果如表6所示。由圖17及表6可知，機(jī)具在高茬稻茬田作業(yè)，未出現(xiàn)因深施肥鏟鏟體掛草壅土，導(dǎo)致作業(yè)廂面拖堆不平，廂面作業(yè)質(zhì)量差的情況，表明埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置在高茬黏重稻茬田作業(yè)適應(yīng)性良好，通過性強(qiáng)。在2號和3號高茬黏重稻茬田地表作業(yè)后，秸稈埋覆率為86.69%～90.35%、廂面平整度為16.48～22.65 mm、碎土率為81.24%～92.13%，滿足油菜農(nóng)藝種植要求。

圖17 高茬粘重稻茬田地表作業(yè)效果

表6 機(jī)具高茬地表作業(yè)適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

4號試驗(yàn)田機(jī)具作業(yè)后深施肥作業(yè)效果如圖18所示，機(jī)具深施肥作業(yè)后，肥料施入細(xì)碎土層深度為87.4～109.5 mm。田間試驗(yàn)表明，埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置，在高茬黏重稻茬田地表作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了埋茬防堵和肥料深層施用，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖18 高茬粘重稻茬田地深施肥作業(yè)效果

5 結(jié)論

(1)開展了高茬黏重稻茬田油菜直播埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置研究，通過埋茬防堵部件和深施肥部件設(shè)計(jì)、仿真及田間試驗(yàn)，明確了埋茬防堵部件和深施肥部件在高茬秸稈埋茬、主動防堵及深施肥方面的作業(yè)性能。

(2)埋茬防堵部件和深施肥部件埋茬及深施肥作業(yè)效果的EDEM仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具作業(yè)速度為2.5 km/h、埋茬防堵部件轉(zhuǎn)速為345 r/min時(shí)，施肥深度為83～106 mm，73.89%的秸稈均勻分布在0～100 mm的土層深度范圍，26.11%的秸稈分布在100～150 mm的土層深度范圍內(nèi)，且直立和倒伏秸稈在0～150 mm深度土壤層中均勻分布，秸稈埋覆率為86.53%，可實(shí)現(xiàn)深施肥作業(yè)及滿足秸稈覆率要求。

(3)高茬黏重稻茬田油菜直播埋茬防堵深施肥復(fù)合作業(yè)裝置在4種田間作業(yè)工況驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：埋茬防堵深施肥部件田間防堵性能良好，消除了深施肥鏟的鏟前及鏟間秸稈黏土堵塞，實(shí)現(xiàn)了主動防堵和肥料深施，施肥深度為87.4～109.5 mm、秸稈埋覆率為86.69%～90.35%、廂面平整度為16.48～22.65 mm、碎土率為81.24%～92.13%，埋茬碎土性能良好，滿足施肥設(shè)計(jì)深度及油菜直播種床整理農(nóng)藝要求。