大壟玉米原茬地免耕播種機防堵裝置設計與優化試驗

陳海濤 侯 磊 侯守印 李 煜 閔詩堯 柴譽鐸

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

保護性耕作技術可減少土壤風蝕、水蝕，提高土壤肥力，避免秸稈焚燒，緩解生態環境壓力，是實現農業可持續發展的一項重要舉措[1]。該技術要求將秋季收獲后的秸稈還田，春季在原茬地上直接進行開溝、施肥、播種、覆土鎮壓等作業[2-5]。由于高產品種結合新技術的推廣，玉米大壟雙行種植模式應運而生，該種植模式能增加田間通風、透光性，可大大提升單位面積的玉米產量[6]。將保護性耕作技術和大壟雙行種植模式相結合，可避免因壟臺寬度過小而導致的機具壟上播種穩定性差的問題，進一步提高播種質量[7-8]。

免耕播種是保護性耕作技術的核心，防堵是免耕播種的關鍵[9]。目前，常用的防堵裝置可分為主動式和被動式兩類。被動式防堵裝置如KARAYEL[10]設計的翼鏟、雙圓盤組合式防堵裝置，CHEN等[11]設計的偏置式分草雙圓盤，SHARIPOV等[12]通過傳感器識別地表信息控制滑靴式分草開溝器動態防堵，林靜等[13]設計的阿基米德螺線型缺口圓盤刀。這類防堵裝置結構簡單，在一定條件下有良好的防堵效果，當大量秸稈覆蓋地表時，易發生堵塞現象。主動式防堵裝置如MATIN等[14]設計的帶狀粉碎旋耕裝置，張軍昌等[9]設計的立軸旋轉式秸稈粉碎裝置，蔣金琳等[15]設計的雙刀盤動力破茬裝置，李復輝等[16]設計的滅茬刀、旋耕刀組合式秸稈粉碎還田裝置。這類防堵裝置防堵效果好，但存在土壤擾動量大、功率消耗大等問題，且由于土壤與秸稈混合，影響種子與土壤接觸，降低出苗率。針對大壟玉米原茬地免耕播種作業，王慶杰等[7]采用寬窄行交替休閑種植方式，通過旋轉式缺口圓盤刀切茬裝置，在大壟上進行原茬錯茬免耕播種作業；賈洪雷等[17]設計的組合刀片式被動切茬裝置，作業時只切斷秸稈不處理根茬，適用于行間互作和寬窄行交替休閑2種免耕播種作業模式。此種免耕播種作業方式土壤擾動量小，可有效減少堵塞，但錯行作業難度大，開溝器行走在玉米根茬上時，易造成堵塞現象[18]。陳海濤等[19]設計的2BMFJ系列免耕精量播種機，采用殘茬側向拋出的防堵方式，適用于各種作物殘茬和各種狀態原茬地，防堵效果好，解決了上述主動式防堵裝置存在的土壤擾動量大、功率消耗大等問題，不過該機具在北方寒地播種作業后，覆蓋在播種帶上的殘茬阻礙陽光射入，影響地溫回升速度[20-21]。

本研究旨在設計一種適合北方寒地大壟玉米原茬地的免耕播種機防堵裝置，以有效解決在免耕播種作業時殘茬堵塞及可能造成地溫回升較慢的問題，通過理論分析和正交試驗優化設計方法，探究該防堵裝置的結構和作業參數優化組合。

1 結構與工作原理

1.1 防堵裝置結構

由機架、傳動鏈、擋秸板、上傳動系統、下傳動系統、主變速箱、清秸刀齒總成(以下簡稱刀齒總成)、聯軸器、地輪等構成主動式防堵裝置，如圖1所示，將其中由擋秸板、滾筒焊合、刀鞘、清秸刀齒、帶座軸承組成的針對一條大壟作業部件稱為該防堵裝置的清秸單元組，如圖2所示。該防堵裝置可與大壟精量播種單元組、施肥機構、播種施肥傳動系統共同組成一種適用于北方大壟玉米原茬地的免耕播種機。

圖1 防堵裝置結構簡圖 Fig.1 Structure diagram of anti-blocking mechanism 1.機架 2.傳動鏈 3.擋秸板 4.上傳動系統 5.下傳動系統 6.主變速箱 7.刀齒總成 8.聯軸器 9.地輪

圖2 清秸單元組結構簡圖 Fig.2 Structure diagram of cleaning unit-combination 1.擋秸板 2.滾筒焊合 3.刀鞘 4.清秸刀齒 5.帶座軸承

1.2 工作原理

該裝置采用三點懸掛與拖拉機掛接，機組作業時由拖拉機提供牽引力和旋轉動力。主變速箱輸出的動力通過傳動鏈、上傳動系統、下傳動系統、聯軸器傳遞給4個刀齒總成，驅動刀齒總成旋轉，其上固裝的清秸刀齒對播種帶內的玉米殘茬進行循環打擊，使玉米殘茬沿清秸刀齒出土點絕對運動軌跡的切線方向運動，在接觸到該刀齒總成對應的擋秸板后落在兩相鄰大壟之間的壟溝內，進而在大壟上形成與大壟精量播種單元組對應的雙行播種帶，以保證播種機作業時開溝器、覆土鎮壓器的順利通過。在機架兩側裝配地輪，通過調節其高度來控制清秸刀齒的入土作業深度，并由其實現整個防堵裝置隨地表進行自動仿形作業。播種作業時地輪行走在大壟壟溝內，大壟精量播種單元組行走在大壟清潔播種帶上，機具壟上播種穩定性高。播種作業后殘茬覆蓋在壟溝內，實現蓄水保墑、培肥地力等功效，避免了因殘茬阻礙陽光射入導致的播種帶上地溫回升較慢現象。

2 防堵裝置關鍵部件設計

為了保證清秸質量，清秸刀齒入土深度要大于玉米根茬主根深度[22-23]，針對北方玉米根茬特性，設定清秸刀齒入土深度h為55 mm。查閱資料，可知刀齒總成上清秸刀齒數在9～16范圍內[19,24]，考慮到該防堵裝置的結構限制，設定刀齒總成上刀齒排數e為2，單排刀齒包含清秸刀齒數z為5，刀齒總成上清秸刀齒的排列方式如圖3所示，10個清秸刀齒間軸向間角均為36°。

圖3 刀齒總成結構簡圖 Fig.3 Structure diagram of blade assembly

2.1 切土間距的確定

兩相鄰土壤切痕之間的法向距離即為切土間距d，切土間距d是影響免耕播種機防堵效果的重要指標。為減小刀齒總成在作業過程中的沖擊載荷，需要各理論切土間距相等。

刀齒總成上每相鄰兩清秸刀齒切茬時間間隔內，機具進距為

(1)

式中v0——機組作業速度，km/h

n——刀齒總成轉速，r/min

單排刀齒上相鄰兩清秸刀齒切茬時間間隔內，機具進距為

(2)

欲使各理論切土間距相等，需滿足條件

L-J1=rJ2±J1(r=1，2，3，…)

(3)

式中L——相鄰兩排刀齒間的距離，mm

r——排距系數

圖4 清秸刀齒尖點速度分析簡圖 Fig.4 Diagram of velocity analysis of cleaning blade

對清秸單體回轉作業速度特性分析可知，當清秸刀齒回轉作業運動至最低點時，清秸刀齒尖點絕對速度va方向和土壤切痕方向吻合。如圖4所示，對此時清秸刀齒尖點運動速度進行分析，得到其沿x軸方向及y軸方向的速度分量為

(4)

式中vx——清秸刀齒尖點絕對速度沿x軸方向分量，km/h

vy——清秸刀齒尖點絕對速度沿y軸方向分量，km/h

vr——清秸刀齒尖點相對速度，km/h

γ——清秸刀齒尖點絕對速度方向與機具前進方向反向夾角，(°)

α——清秸刀齒尖點相對速度方向與機具前進方向反向夾角，(°)

R——刀齒總成回轉半徑，mm

γ和土壤切痕與機具前進方向夾角β大小相等。因此，β為

(5)

切土間距d過大會導致玉米根茬從兩相鄰切痕之間漏過。為了保證清秸質量，要求切土間距d要小于玉米根部莖稈直徑[25]。田間實測玉米根部莖稈直徑并做統計分析，得出其服從正態分布N(34.1，6.350 4)，根據“3σ”法則，最小直徑為26.54 mm。如圖5a所示，切土間距d滿足

d=J1sinβ<26.54 mm

(6)

圖5 工作原理圖 Fig.5 Functional diagrams

2.2 播種單元組通過性分析與相關參數設計

針對大壟精量播種單元組，可通過更換雙行大豆排種器和單行玉米排種器來實現在大壟玉米原茬地上進行大豆壟上四行、玉米壟上雙行免耕播種作業。雙行大豆排種器比單行玉米排種器所需要的播種帶寬度大，因此對裝配雙行大豆排種器的大壟精量播種單元組進行通過性分析。如圖5所示，為保證開溝器、覆土盤、鎮壓器的順利通過[26]，要求沿機具前進方向的清潔帶寬S大于等于170 mm。

單排清秸刀齒沿機具前進方向的清潔帶寬為

(7)

沿機具前進方向刀齒總成的清潔帶寬為

S=Lcosθ+S1≥170 mm

(8)

清秸刀齒尖點相對速度方向與機具前進方向反向夾角α和刀齒總成回轉軸垂直面與機具前進方向的夾角(以下簡稱夾角)θ大小相等。因機具的作業原理和結構限制，確定夾角θ的變化范圍為20°～30°，確定機組作業速度(以下簡稱作業速度)v0的變化范圍為3.6～7.2 km/h。

聯立式(1)～(8)，得到防堵裝置的部分結構和作業參數

(9)

因此，初步設定相鄰兩排刀齒間距L為50 mm，刀齒總成回轉半徑R為330 mm。

由上分析可知，作業速度v0、刀齒總成轉速n、夾角θ等因素都對防堵裝置的作業效果有重要影響。因此，滿足農藝和機具設計要求前提下，應找到防堵裝置的最佳結構和作業參數組合。

3 參數優化試驗

3.1 試驗條件

試驗于2017年10月22日在哈爾濱向陽農場進行，試驗地塊為機收后玉米原茬地，如圖6所示。土壤硬度26.3 kg/cm2，土壤濕度30.1%，玉米秸稈覆蓋量1.253 kg/m2，清秸刀齒入土深度55 mm。

圖6 田間試驗 Fig.6 Field test

3.2 試驗儀器及設備

約翰迪爾354型拖拉機、JM5937A動態信號測試系統、JNNT-0型應變式扭矩傳感器、SFZ001型應變式拉力傳感器、SZ-3型土壤硬度計、SU-LB型土壤水分測定儀、艾德堡數字電子數顯推拉力計、樂祺C100001型電子秤、數碼攝像機、卷尺等。JNNT-0型應變式扭矩傳感器由法蘭盤與主變速箱動力輸入軸串聯連接，測試4個刀齒總成的扭矩和；SFZ001型應變式拉力傳感器嵌入其保護架中，通過螺栓分別與該防堵裝置的3個懸掛點連接，工作方向與機組作業方向相同[19]。試驗過程中，各傳感器將采集到的數據傳輸到JM5937A型數據采集儀，并匯總至計算機中進行數據處理和分析。

3.3 試驗方法

應用Design-Expert 6.0.10，采用三因素三水平正交試驗方法。以作業速度、刀齒總成轉速、夾角為試驗因素，以根茬清除率、秸稈清除率、防堵裝置當量功耗(以下簡稱當量功耗)為評價指標，共實施9組試驗。

因素水平的確定方法參照文獻[16]并結合式(5)、(9)，試驗因素水平如表1所示，試驗方案如表2所示(A、B、C分別為作業速度、刀齒總成轉速、夾角的水平值)。

各試驗指標測試方法如下：

表1 試驗因素水平 Tab.1 Factors levels in experiments

表2 試驗方案與結果 Tab.2 Experiment layout and results

(1)根茬清除率

試驗前，選取10個測試框測量根茬數量，取算術平均值為根茬殘留量O1。試驗后，在有效清掃區域內選取10個測試框測量根茬數量，取算術平均值為根茬剩余量O2，根茬清除率Y1[27]為

(10)

(2)秸稈清除率

試驗前，選取10個測試框測量秸稈量，取算術平均值為秸稈殘留量D1。試驗后，在有效清掃區域內選取10個測試框測量秸稈量，取算術平均值為秸稈剩余量D2，秸稈清除率Y2[27]為

(11)

(3)當量功耗

田間測試中，通過應變式扭矩傳感器、應變式拉力傳感器分別測量該裝置所需的牽引力、扭矩，當量功耗Y3為

(12)

式中M——應變式扭矩傳感器所測扭矩，N·m

F0——3個應變式拉力傳感器所測牽引力之和，N

3.4 試驗結果與分析

試驗結果如表2所示，方差、極差分析如表3、4所示。

表3 方差分析 Tab.3 Variance analysis

注：P<0.01(極顯著)，0.010.05(不顯著)，下同。

如表3、4所示，對根茬清除率的各因素水平進行分析，得出作業速度影響極顯著(P<0.01)，刀齒總成轉速和夾角兩因素影響顯著(0.010.05)，主次順序為：刀齒總成轉速、作業速度、夾角，較優組合為A1B1C2。

表4 極差分析 Tab.4 Range analysis

3.5 模糊綜合評價分析

由于作業速度、刀齒總成轉速、夾角對根茬清除率、秸稈清除率、當量功耗產生影響的主次順序不同，分別針對3項評價指標進行分析得出較優水平組合也各不相同，采用模糊綜合評價方法對試驗結果進行分析處理[28-30]，得出試驗范圍內的最優水平組合。

該防堵裝置是大壟玉米原茬地免耕播種機的關鍵部件，為提高工作效率，在模糊綜合評價分析時，設置作業速度A為評價指標。因此，以根茬清除率Y1、秸稈清除率Y2、作業速度A、當量功耗Y3為評價指標集，正交試驗的9組試驗數據為評價對象集，其中Y1、Y2、A為偏大型指標，Y3為偏小型指標，評價指標集中4項指標的隸屬度r1n、r2n、r3n、r4n分別為

(13)

(14)

(15)

(16)

隸屬函數R為

(17)

該防堵裝置的主要任務是將播種帶上的殘茬清理干凈，要在保證根茬清除率、秸稈清除率的基礎上，提高作業速度，降低功耗。因此，本試驗確定根茬清除率、秸稈清除率、作業速度、當量功耗的權重分別為0.4、0.3、0.2、0.1，即權重分配集P=(0.4，0.3，0.2，0.1)。模糊綜合評價值T為[31-33]

T=PR=[t1t2…t9]

(18)

指標隸屬度和模糊綜合評價值如表5所示。

對模糊綜合評價值分別進行方差、極差分析，分析結果如表6、7所示。由分析結果可知，作業速度、刀齒總成轉速、夾角影響極顯著(P<0.01)，主次順序為：刀齒總成轉速、夾角、作業速度，該大壟玉米原茬地免耕播種機防堵裝置最優參數組合為A2B3C1，即作業速度5.4 km/h、刀齒總成轉速440 r/min、夾角20°。

表5 模糊綜合評價結果 Tab.5 Results of fuzzy comprehensive evaluation

表6 模糊綜合評價法方差分析 Tab.6 Variance analysis of fuzzy comprehensive evaluation

表7 模糊綜合評價法極差分析 Tab.7 Range analysis of fuzzy comprehensive evaluation

3.6 優化結果驗證

按照模糊綜合評價分析得出的最優參數組合進行田間驗證試驗，試驗重復5次取均值，結果為根茬清除率為93.94%，秸稈清除率為95.39%，當量功耗為4.36 kW，3項評價指標與優化結果相吻合，優化結果可信。

4 田間性能試驗

4.1 試驗條件

將該防堵裝置與大壟精量播種單元組配合在哈爾濱向陽農場進行性能試驗，試驗地塊為機收后玉米原茬地，土壤硬度25.1 kg/cm2，土壤濕度33.6%，玉米秸稈覆蓋量1.571 kg/m2，清秸刀齒入土深度55 mm，作業速度5.4 km/h、刀齒總成轉速440 r/min、夾角20°。

4.2 試驗方法

(1)機組通過性

機組通過性按照NY/T 1768—2009《免耕播種機 質量評價技術規范》進行測定。

(2)土壤擾動量

免耕播種作業時減少動土量，能夠蓄水保墑，減少拖拉機動力消耗，因此保護性耕作要求減少土壤擾動。土壤擾動量計算式[34]為

(19)

式中η——土壤擾動量，%

S2——實際清潔帶寬，mm

W1——大壟壟上相鄰兩行行距，mm

W2——壟溝兩側相鄰兩行行距，mm

根據北方大壟雙行作業模式的特點，取W1為400 mm，W2為700 mm。

(3)秸稈覆蓋率

秸稈覆蓋率按照GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機》進行測定。

4.3 試驗結果與分析

機組通過性、土壤擾動量及秸稈覆蓋率測定結果如表8所示。

由表8可知，機組通過性良好，沒有發生堵塞現象。土壤擾動量為31.9%，滿足保護性耕作相關技術要求[35]。作業后，播種帶內的秸稈覆蓋率為13.4%，較作業前降低了83.54%，有利于提高免耕播種作業質量，且避免了因阻礙陽光射入導致的播種帶上地溫回升較慢現象；非播種帶內秸稈覆蓋率高達96.6%，較作業前升高了9.52%，可實現蓄水保墑、培肥地力等功效。

表8 田間性能試驗結果 Tab.8 Results of field performance test %

5 結論

(1)在土壤硬度26.3 kg/cm2、土壤濕度30.1%、秸稈覆蓋量1.253 kg/m2的機收后大壟玉米原茬地上，清秸刀齒入土深度55 mm，大壟玉米原茬地免耕播種機防堵裝置的最佳結構與作業參數組合為：作業速度5.4 km/h、刀齒總成轉速440 r/min、夾角20°。在此條件下，根茬清除率為93.94%，秸稈清除率為95.39%，當量功耗為4.36 kW，土壤擾動量為31.9%。

(2)所設計的110 cm大壟玉米原茬地免耕播種機主動式防堵裝置可有效清潔種床殘茬至壟溝，從而解決北方寒區玉米機收大壟原茬地在免耕播種作業時殘茬堵塞和播種帶上地溫回升較慢的問題。