稻茬麥覆秸還田播種機均勻拋撒機理分析與機構優化

施麗莉 顧峰瑋 胡志超 吳 峰 高學梅 徐弘博

(1.農業農村部南京農業機械化研究所， 南京 210014； 2.農業農村部現代農業裝備重點實驗室， 南京 210014)

0 引言

農作物秸稈是一類含豐富氮、磷、鉀及有機質養分的可再生生物質資源，是農業生產的主要副產品，我國每年農作物秸稈量約占全球總量的20%，如何實現秸稈經濟有效資源化利用而不焚燒污染環境，關系到我國農業的綠色可持續發展[1]。近年來，針對大量秸稈不收集移出、全量就地還田利用的現狀，急需研發出一次下田可完成秸稈處理、苗床整備、播種施肥等一體化作業的復式播種設備，以實現全量秸稈硬茬地作業工況下高質順暢機播[2-3]。

傳統稻茬麥機播設備費工費時、效率低下，且機播作業順暢性、拋撒均勻性難以保證。尤其是在稻麥輪作區，前茬水稻秸稈量大、濕度高、韌性強，碎秸稈易成團盤結，拋撒有效幅寬與覆秸均勻性難以準確控制，出現相鄰作業幅寬交接處碎秸重疊覆蓋和幅寬內碎秸局部過量覆蓋，使秸稈均勻覆蓋應有的保溫保墑、封閉雜草效應缺失，造成后茬小麥缺苗弱苗，國內外專家學者也已進行了各種研究，取得一些進展[4-8]。

本文針對稻茬麥覆秸還田播種機，深入研究其均勻拋撒機構的工作原理，對秸稈的運動過程、軌跡進行理論分析，并結合EDEM軟件進行運動狀態的仿真分析，直觀分析其運動特性。在此基礎上對均勻拋撒機構進行田間試驗，優化拋撒機構關鍵部件結構及參數[9-16]。探明稻茬麥覆秸還田播種機均勻拋撒葉輪機構作業機理，解決播后秸稈拋撒覆蓋不均勻性難題，為相關設備研發提供基礎理論與數據支撐。

1 整機結構與工作原理

稻茬麥覆秸還田播種機作業工序主要分為秸稈粉碎、碎秸撿拾收集、碎秸跨越提升輸送、種床整備、無障礙施肥播種覆土、碎秸均勻拋撒覆蓋。機具整體結構如圖1所示，主要由懸掛裝置、限深壓秸輪、旋耕種床整備部件、施肥組件、撒播組件、鎮壓覆土輥、均勻拋撒葉輪機構、碎秸跨越拋送機構、橫向輸秸裝置、秸稈粉碎撿拾機構組成。

圖1 稻茬麥覆秸還田播種機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of no-tillage planter of wheat after rice1.懸掛裝置 2.限深壓秸輪 3.旋耕種床整備部件 4.施肥組件 5.撒播組件 6.鎮壓覆土輥 7.均勻拋撒葉輪機構 8.碎秸跨越拋送機構 9.橫向輸秸裝置 10.秸稈粉碎撿拾機構

機具前行作業時秸稈粉碎撿拾機構粉碎秸稈的同時將碎秸撿拾收集至橫向輸秸裝置，碎秸被輸送至碎秸跨越拋送機構后，受其內部打擊力與氣力的作用，被向上提升、向后輸送，碎秸在被跨越拋送的同時，下方旋耕種床整備部件完成種床整備工序，施肥組件、撒播組件和鎮壓覆土輥分別完成施肥、播種、覆土鎮壓工序，最后被跨越拋送的碎秸經均勻拋撒葉輪機構旋轉打擊，被均勻拋撒覆蓋于地表，實現水稻茬小麥播種與秸稈均勻覆蓋一體化機播。

由于水稻秸稈量大、濕度高、韌性強，實際作業時，碎秸稈易成團盤結從碎秸跨越拋送機構輸出，要想獲得較好的秸稈均勻覆蓋效果、確保后期小麥出苗率，需設計并優化均勻拋撒葉輪機構實現打散碎秸團、均勻拋撒覆蓋。

圖2所示為水稻秸稈均勻拋撒葉輪機構結構簡圖，連接抱箍與碎秸跨越拋送機構固定連接，連接板末端裝配拋撒葉輪回轉軸，其上安裝有桿齒形打散葉片。均勻拋撒作業的實質是打散葉片使碎秸從成群成團至分散撒鋪地表的過程，在前期工作中[12]，對打散葉片的形式進行了高速攝影試驗研究，因碎秸團流動性差，有柔韌性且容易穿插纏繞在一起，高速旋轉的桿齒形打散葉片對碎秸團的導向攜帶和打擊撕扯作用優于面板狀打散葉片，更有利打散碎秸團。因此，在確定桿齒形打散葉片形狀下，需要進一步對均勻拋撒機構作業機理進行研究，以及進行受力分析、碎秸團運動特性的研究，以確定機構結構參數和運動參數。

圖2 水稻秸稈均勻拋撒葉輪機構結構簡圖Fig.2 Structure diagram of throwing impeller on no-tillage planter of wheat after rice1.連接板 2.拋撒葉輪回轉軸 3.連接抱箍 4.拋撒葉輪桿齒形打散葉片

2 均勻拋撒機構機理分析

根據對水稻秸稈均勻拋撒過程的分析，可將其運動歸結為如下過程：碎秸跨越拋送機構射出的碎秸團流被旋轉的桿齒形打散葉片充分擊打截斷，在瞬時點上，碎秸團中緊貼葉片(桿齒)側的碎秸相對于不緊貼葉片一側的碎秸流動速度存在速度差，使碎秸團內部產生分離力的作用，發生撕扯，碎秸團內部分離力大于碎秸之間的盤結力，致使碎秸團分散，起到打散的效果；同時，在離心力的疊加作用下，團狀碎秸在葉片上做滑移運動，打散效果更加明顯；最后，直至碎秸離開葉片做平拋運動落地[13-19]。所以拋撒過程可分為3個階段：碎秸被打散葉片截斷并撞擊；在打散葉片上滑動；碎秸做三維空間拋撒。

(1)碎秸被打散葉片截斷并撞擊過程

此為完全彈性碰撞，根據動能守恒定律得

(1)

化簡后，可得

(2)

式中m——碎秸質量，g

v1——碎秸運動速度，m/s

m′——葉片質量，m

v2——葉片運動速度，m/s

v′1——碰撞后碎秸運動速度，m/s

v′2——碰撞后葉片運動速度，m/s

(2)碎秸在打散葉片上滑動過程

圖3為碎秸滑動過程受力分析，碎秸主要受力有重力、摩擦力、慣性力、離心力、科氏力，化簡后計算可得

圖3 碎秸滑動過程受力分析Fig.3 Force analysis diagram of smashing straw’s sliding process

(3)

式中ω——拋撒葉片角速度，rad/s

R——t時刻碎秸與中心O距離，mm

μ——滑動摩擦因數

r——拋撒葉輪回轉軸半徑，mm

(3)碎秸做三維空間拋撒運動過程

碎秸離開葉片后以初速度v0被拋出，離開葉片后忽略風、碎秸自身旋轉和相互之間的影響，僅受到空氣阻力和重力的作用，又由于葉片的傾角不同，葉片上傾、不傾、下傾可以將運動分為上拋、平拋、下拋3種運動形式，如圖4所示。

圖4 葉片上傾時碎秸三維空間運動軌跡Fig.4 Motion locus diagram of smashing straw when blade was upward

通過對運動形式的分析，可將碎秸在空間的三維運動看成是在兩個平面二維運動的疊加，根據碎秸上拋、平拋、下拋的3個運動路線，其二維平面的運動路線也可分為路線1、路線2、路線3，具體如圖5所示，其中，L1、S1為碎秸在上拋情況下在X、Y方向的運動距離，θ1為v0與水平面的夾角。忽略風/秸稈自身的旋轉和秸稈之間相互作用的影響，在空氣中運動的秸稈只受到空氣阻力和自身重力作用。設碎秸在拋撒運動的開始點為坐標原點，其在YOZ平面的運動落地后與坐標原點的距離S為碎秸的拋撒距離；其在XOY平面運動落地后與坐標原點的兩倍距離2L為碎秸拋撒的幅寬。

圖5 碎秸二維平面運動軌跡Fig.5 Motion locus diagrams of smashing straw in two-dimensional plane

將碎秸的初始速度v0分解為沿著X軸、Y軸、Z軸3個方向的分速度vx、vy、vz，計算可得

(4)

式中φ1——v0在XOY面的投影與X軸的夾角，(°)

對碎秸進行平拋運動的軌跡計算，空氣阻力計算復雜，常用計算模型有兩種，本文參考有空氣阻力的拋射體飛行的軌跡計算，采用空氣阻力與速度平方成正比的模型[20-21]。

由運動學公式和牛頓第二定律，碎秸離開葉片后的平拋過程運動方程表示為：

(5)

(6)

Z方向，當空氣阻力與重力方向一致時

(7)

Z方向，當空氣阻力與重力方向相反時

(8)

式中x、y、z——碎秸在X、Y、Z向的運動距離，mm

k——空氣阻力因子，取決于碎秸的形狀、尺寸和質量等因素

在X方向：將vx=dx/dt代入式(5)，并兩邊同時積分后，初始條件當t=0時，vx=vox，繼續進行積分計算，并取t=0時，x=0，計算可得，在X方向的運動距離為

(9)

在Y方向：將vy=dy/dt代入式(6)中，分離變量并進行積分，且初始條件當t=0時，vy=voy，y=0，可得在Y方向的運動速度和運動距離分別為

(10)

在Z方向：將vz=dz/dt代入式(7)中，且初始條件當t=0時，vz=voz，當空氣阻力與重力方向一致時，分離變量并進行積分得

(11)

(12)

繼續計算并代入初始條件z|t=0=H，可得在Z方向的運動速度和運動距離計算式：當zy=0時，z取得最大值，即

(13)

此刻，碎秸團達到最高點，所用的時間即為t′，且最高點的高度即為zmax。

當空氣阻力與重力方向相反時，初始條件vz|t=t′=0，z|t=t′=zmax，采用分離變量法進行積分，計算可得

(14)

參考上述計算方法可進行打散葉片不傾、打散葉片下傾運動時的運動參數計算，本文不再贅述。

通過式(1)～(14)的計算，可得出碎秸在空中運動的時間、碎秸的拋撒幅寬以及運動距離。分析可知：影響碎秸均勻拋撒的主要因素有：初速度、初始位置、拋撒角度。初速度與碎秸跨越拋送機構的管道直徑、管道風速密切相關，初始位置取決于機構的空間位置，拋撒角度取決于葉片的傾角。這為進一步的仿真及試驗分析奠定了理論基礎。

3 EDEM碎秸拋撒過程仿真

3.1 數學及幾何模型

本文采用離散元方法模擬碎秸的仿真運動過程，在EDEM的原型模型中創建碎秸模型。在開展相關仿真試驗時，依據物料特性，其表面粘附力較小，且假設碎秸在運動過程中位移、力、速度等參數的變化是通過顆粒間或顆粒與接觸材料之間產生的微小交疊量的不同來確定的，根據牛頓第二定律，每個模型在力和扭矩的作用下發生運動和旋轉。基于以上假設，碎秸的相關運動過程采用Hertz-Mindlin無滑動接觸力學模型[22-25]。模型所受法向力Fn和切向力Ft滿足函數關系式

(15)

式中E*——等效彈性模量

R*——等效接觸半徑

δn、δt——法向、切向重疊量

St——切向剛度

E*和等效剪切模量G*為

(16)

式中E1、E2——顆粒1、2彈性模量

ν1、ν2——顆粒1、2泊松比

G1、G2——顆粒1、2剪切模量

模型中的法向阻尼力Fn,d和切向阻尼力Ft,d滿足

(17)

式中β——阻尼比

m*——等效質量

Sn——法向剛度

vn,rel——法向相對速度

vt,rel——切向相對速度

碎秸團在運動中還會受到滾動摩擦力的影響，而滾動摩擦可以通過接觸表面上的力矩Ti來說明，力矩Ti與滾動摩擦因數μr、顆粒質心至接觸點間距Ri、顆粒在接觸點處角速度ωi的關系式為

Ti=-μrFnRiωi

(18)

μr為無量綱參數，取值會影響碎秸團阻抗滾動程度。

3.2 參數設定及模型建立

水稻秸稈具有特殊的剪切、彎曲、拉伸等性能，由于碎秸高長徑比及性質的各向異性，仿真水稻碎秸一直是技術難題[26-29]。表1所示為材料屬性與相關接觸參數。

表1 材料屬性與相關接觸參數Tab.1 Material physical and contact mechanical properties parameters

秸稈由于其特殊的性質，在離散元仿真中一直難以模擬，試驗中水稻秸稈易彎折性和空心結構等離散元都難以做到，考慮到仿真量較大，為了簡化秸稈及減少仿真時間，秸稈顆粒采用剛性模型，以直徑為7 mm、球心間距為3.5 mm的球體，組合成總長為100 mm的長線型模型來模擬秸稈。圖6所示為所建的秸稈模型圖。

圖6 秸稈仿真模型Fig.6 Model of straw simulating

3.3 仿真結果及分析

3.3.1仿真結果與實際作業比較分析

設置拋碎秸跨越拋送機構的管道直徑為220 mm，彎管段的曲率半徑為1 005 mm，EDEM中顆粒工廠每秒產生2.0 kg的碎秸，碎秸跨越拋送機構拋送葉片的拋送轉速設置為2 400 r/min，打散葉片的傾角為0°、數目為4個、轉速設置為1 500 r/min進行仿真。

圖7所示為在EDEM中碎秸拋撒過程仿真模型，水稻秸稈運動至管道口處，受到打散葉輪的擊打作用，碎秸被打散開來，拋撒覆蓋于播后地表。但是濕度高、韌性大、易成團的特性使其無論是在管道中輸送還是受到打散葉片的擊打作用，都依舊存在成團的特點，必須進行機構設計優化，盡可能保證秸稈在有效播種幅寬內實現較優均勻拋撒。

圖7 碎秸拋撒過程仿真模型Fig.7 Distribution diagram of straw and air flow velocity

為驗證EDEM中碎秸拋撒過程仿真模型的合理性，對拋出口處碎秸的拋出速度進行比較，如表2所示，仿真與實際作業速度均值誤差小，說明仿真結果可信。

表2 EDEM仿真計算值與實際作業值比較Tab.2 Comparison of EDEM measured and simulated suspension velocity m/s

3.3.2秸稈被拋撒后的運動分析

仿真模擬時觀察0.40、0.41、0.42 s時的運動軌跡，如圖8所示。并且在運動穩定之后，隨機選取3個秸稈進行分析，記錄其速度變化曲線，如圖9所示。

圖8 3個時刻的秸稈運動仿真結果Fig.8 Motion simulation results of straw at three time points

圖9 秸稈速度變化曲線Fig.9 Diagram of change progress with straw velocity

秸稈的拋撒運動規律：先是被旋轉葉片擊打截斷，之后碎秸在葉片上做滑移運動，最后離開葉片做平拋運動直至落地。此規律的理論分析與秸稈運動圖、速度變化圖吻合，說明仿真結果與理論分析結果以及實際作業情況一致，分析正確，可在此基礎上做進一步的分析。

3.3.3影響拋撒運動的因素確定

通過對拋撒過程的運動仿真分析可知，影響秸稈覆蓋均勻性能的拋撒裝置結構和運動參數主要包括：拋撒葉輪回轉軸轉速，由圖7、8可知，拋撒葉輪回轉軸直接與秸稈相作用，其轉速直接影響秸稈被擊打后的拋出速度，以及拋出的秸稈能否被及時打散開來；拋撒葉輪數決定了擊打的頻率，并且數目越多會導致葉輪之間的空間越小，不能有效截斷秸稈流；葉輪傾角會影響秸稈的落地時間、行程等，最終會對拋撒結果有較大影響。

在上述分析基礎上，對設備進行進一步的田間試驗，以確定最佳的運動參數組合。

4 田間試驗優化

4.1 試驗設計與結果

圖10所示為拋撒作業幅寬示意圖，拋撒作業幅寬合格率公式為

圖10 拋撒作業幅寬示意圖Fig.10 Sketch map of scatters width

(19)

式中M1——拋撒覆蓋在機具單行程播種帶上方(即有效播種幅寬)的秸稈質量，g

M2——實際拋撒作業幅寬秸稈總質量，g

根據分析結果以及實際試驗可操作性，參考行業標準NY/T 500—2015《秸稈粉碎還田機 作業質量》、團體標準T/CAMA 21—2019《全秸硬茬地潔區播種機》進行秸稈拋撒不均勻度計算，即

(20)

式中n——測試小區數量

Mzi——第i點秸稈總質量，kg

Y2——拋撒不均勻度，%

在前期理論分析和仿真分析的基礎上,本試驗采取四因素三水平回歸正交試驗設計方案，依據Box-Behnken設計原理，以拋撒作業幅寬合格率Y1、拋撒不均勻度Y2作為稻茬麥覆秸還田裝置的評價指標，以拋撒葉輪桿齒形打散葉片數(X1)、拋撒葉輪傾斜角(X2)、拋撒葉輪回轉軸轉速(X3)作為試驗因素。因素編碼如表3所示。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Factors codes of response surface test

試驗方案與結果如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值。試驗數據進行二次多項式回歸分析，根據表中的數據樣本，利用Design-Expert軟件開展多元回歸擬合分析，尋求各因素對試驗結果的影響規律，確定最優參數組合。

表4 試驗設計與結果Tab.4 Test design and results

由表5分析可知，響應面模型中的拋撒不均勻度Y1模型P<0.000 1、Y2模型P<0.000 1，表明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05，表明回歸方程擬合度高。因此，稻茬麥覆秸還田播種機均勻拋撒機構的工作參數可以用該模型來優化。

表5 方差分析Tab.5 ANOVA results

(21)

(22)

4.2 試驗結果分析

從試驗結果分析可知，拋撒葉輪數越多，碎秸所受拋撒葉輪擊打頻率越高，但秸稈互相纏繞成團，拋撒葉輪的打散葉片數過多，反而導致葉輪間的空間越小，不能及時被拋出，造成堵塞，影響作業順暢性；試驗結果表明，拋撒葉輪越多，拋撒作業幅寬合格率越低、拋撒不均勻度越高。對于葉輪傾角的設定，向下傾角過大會減少秸稈落至地面的時間，秸稈來不及被打散就拋撒出去，不均勻度高，向上傾角過大，延遲了秸稈落入地面的時間，同時被桿齒形打散葉片攜帶更長的行程，因此雖秸稈拋撒更均勻，但同時也降低了拋撒作業的效果。試驗結果證明葉輪傾角向上有利于拋撒運動，但是角度應保持在合理范圍內。對于拋撒葉輪回轉軸轉速的設定，過低會導致打散效果差且不能保證秸稈在播種帶上方均勻覆蓋，轉速過高容易將秸稈拋撒至有效播種幅寬外導致拋撒不均勻度低，試驗結果表明拋撒葉輪回轉軸轉速應設定在合理范圍內。

4.3 試驗優化

圖11所示為因素交互作用對拋撒作業幅寬合格率影響的響應曲面，可知，拋撒葉輪回轉軸轉速和撒葉輪桿齒形打散葉片數、拋撒葉輪回轉軸轉速和拋撒葉輪傾斜角交互作用對結果影響較大，必須綜合考慮尋求最優解。為獲得較優的均勻拋撒性能，要求拋撒作業幅寬合格率高，拋撒不均勻度低。故需綜合因素對兩個考核指標的影響，進行優化求解。約束條件為：-1

圖11 因素交互作用對拋撒作業幅寬合格率影響的響應曲面Fig.11 Effects of interactive factors on percent of qualified rate for scatters width

4.4 驗證試驗

為驗證稻茬麥覆秸還田播種機均勻拋撒性能，在江蘇省農業科學院六合基地進行田間試驗。在拋撒葉輪桿齒形打散葉片數為4排、拋撒葉輪傾斜角為向上傾斜15°、拋撒葉輪回轉軸轉速為1 195 r/min的最優參數下，進行3次重復試驗，測定拋撒作業幅寬合格率和拋撒不均勻度，取平均值為試驗驗證結果，拋撒作業幅寬合格率和拋撒不均勻度的實際作業平均值分別為80.84%和9.32%，滿足作業要求，與優化值相差0.05個百分點和0.08個百分點，說明前期分析及優化合理，圖12所示為田間試驗覆蓋均勻效果和小麥出苗長勢情況。

圖12 田間試驗覆蓋均勻效果和小麥出苗長勢Fig.12 Experimental results and crop growth of no-tillage planter of wheat after rice

5 結論

(1)對稻茬麥覆秸還田播種機均勻拋撒機構的作業機理進行了研究，進行了拋撒作業的原理分析、作業過程的受力分析。并在EDEM中構建了粉碎后水稻秸稈的模型，對其拋撒過程的運動進行了仿真分析、運動特性研究、運動速度的變化和軌跡分析。

(2)在理論分析及仿真分析的基礎上，依據Box-Behnken設計原理，開展仿真試驗研究，以拋撒作業幅寬合格率Y1和拋撒不均勻度Y2作為評價指標，對拋撒葉輪桿齒形打散葉片數X1、拋撒葉輪傾斜角X2、拋撒葉輪回轉軸轉速X3開展響應面試驗，仿真得最佳機具參數：拋撒葉輪桿齒形打散葉片數為4排、拋撒葉輪傾斜角為向上傾斜15°、拋撒葉輪回轉軸轉速為1 195 r/min，拋撒作業幅寬合格率的優化值為80.79%，拋撒不均勻度的優化值為9.24%。

(3)進行了田間驗證試驗，試驗結果為拋撒作業幅寬合格率和拋撒不均勻度的實際作業平均值分別為80.84%和9.32%，滿足作業要求，誤差小、符合預期結果，說明仿真試驗結果可靠且機具作業效果良好。