深松機(jī)防堵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

李明凱，楊 健，肖慧慧

(1.東豐縣三合滿族朝鮮族鄉(xiāng)綜合服務(wù)中心，吉林 東豐 136300；2.東豐縣南屯基鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心，吉林 東豐 136300；3.東豐縣大陽鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心，吉林 東豐 136300)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是社會發(fā)展的重要組成部分，只有保障糧食安全才能保證社會正常運行及國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步提升。農(nóng)業(yè)機(jī)械對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義，農(nóng)業(yè)機(jī)械長期對土壤碾壓會造成土壤板結(jié)，土壤結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致土壤中水、肥、氣、熱環(huán)境被打破[1]，土壤肥力下降，因此就需要長期大量使用化肥，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境被破壞。基于此，提出了保護(hù)性耕作技術(shù)，并逐漸在世界各個國家得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展[2]。

保護(hù)性耕作技術(shù)主要是指在作物收獲后將大量秸稈殘茬覆蓋在地表，減少對土壤表層的耕作與翻耕，后期根據(jù)保護(hù)性耕作技術(shù)的實施政策與方針，主要將保護(hù)性耕作技術(shù)定義為“對土壤耕地實施免耕、少耕等，減少風(fēng)蝕、水蝕災(zāi)害，提高土壤蓄水保墑能力”，被認(rèn)為是提高土壤質(zhì)量的重要耕作技術(shù)之一[3]。

深松技術(shù)是一種先進(jìn)耕作方法，同時也是保護(hù)性耕作技術(shù)重要組成部分之一，是通過深松機(jī)實現(xiàn)深松碎土但是不翻土的技術(shù)，不需要擾亂耕作層，實現(xiàn)耕作層的土壤疏松，保證土壤固、液、氣三相比例更加協(xié)調(diào)，為作物提供良好的生長環(huán)境。但是深松鏟掛草及堵塞等問題是制約深松作業(yè)質(zhì)量的重要難題，目前，主要是在深松鏟前方增加滾動式防堵部件，解決深松鏟掛草堵塞問題，提高深松機(jī)械在田間通行性與作業(yè)質(zhì)量。

本研究以提高深松機(jī)械田間作業(yè)效率為研究目標(biāo)，以優(yōu)化深松鏟滾動圓盤技術(shù)參數(shù)為研究內(nèi)容，基于深松機(jī)械國內(nèi)外研究進(jìn)展，對深松機(jī)防堵部件進(jìn)行運動學(xué)分析，并優(yōu)化了圓盤刀工作直徑，最后基于田間試驗進(jìn)行驗證與分析。研究結(jié)果旨在為深松機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)參考，對于進(jìn)一步提升保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 深松機(jī)防堵形式

目前，深松機(jī)防堵形式主要包括分開型防堵形式、切斷型防堵裝置兩種，主要技術(shù)特點與分類如下。

1.1 分開型防堵裝置

為了保證免耕播種機(jī)在田間播種作業(yè)時具有良好的通過能力，采用掃、撥和繞等方法清除免耕播種機(jī)前方的秸稈和雜草等，根據(jù)防堵工作方式可將分開型防堵裝置分為旋轉(zhuǎn)叉式分草器、鋤鏟式分草器和針輪式分草器。

1)旋轉(zhuǎn)叉式分草器。主要是基于撥叉將土壤表層覆蓋物撥向一側(cè)，減少堵塞發(fā)生概率，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不能保證覆蓋物完全撥開。

2)鋤鏟式分草器。可以控制開溝深度，具有入土簡單，整機(jī)質(zhì)量輕和成本低等應(yīng)用優(yōu)勢。

3)針輪式分草器。主要是利用鋼針將秸稈殘茬等抓住并向后拋撒，可保證機(jī)械具有良好的通過性，避免由于鋼針纏繞引起堵塞。

1.2 切斷型防堵裝置

為了避免秸稈殘茬等土壤地表覆蓋物造成的機(jī)械堵塞，安裝具有滾動或者旋轉(zhuǎn)功能且?guī)в腥锌诘墓ぷ鞑考袛嘣斐蓹C(jī)器堵塞的覆蓋物，從而減少機(jī)械堵塞。切斷型防堵方式主要包括圓盤式防堵裝置、鋸切式防堵裝置和旋轉(zhuǎn)刀式防堵裝置。

1)圓盤式防堵裝置。主要是依靠施加配重實現(xiàn)滾動切茬，切斷效果較好，但是由于缺少分草裝置，當(dāng)通過地表覆蓋物較多時，容易造成機(jī)械堵塞，影響機(jī)械的田間通過性。

2)鋸切式防堵裝置。采用鋸齒圓盤將秸稈切碎，具有低轉(zhuǎn)速和低消耗等應(yīng)用優(yōu)勢。但是當(dāng)遇到石塊等堅硬物體時，容易造成鋸齒損傷，進(jìn)而導(dǎo)致卷齒，造成鋸齒切割能力降低，需要及時更換工作部件。

3)旋轉(zhuǎn)刀式防堵裝置。基于旋轉(zhuǎn)刀片高速轉(zhuǎn)動切割秸稈等覆蓋物，具有切割效率高、防堵效果好等應(yīng)用優(yōu)勢，但是當(dāng)秸稈覆蓋量較大時仍存在堵塞現(xiàn)象，而且工作部件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對驅(qū)動裝置要求較高。

2 深松機(jī)圓盤刀工作直徑設(shè)計

圓盤刀工作時，由于秸稈只覆蓋在地表，秸稈容易由于機(jī)械切割造成地表滑移而不能被切斷，進(jìn)而造成機(jī)器堵塞，因此選擇適合的圓盤刀直徑十分重要。以玉米秸稈為例，圖1為圓盤刀切割玉米秸稈時秸稈受力分析圖。假設(shè)圓盤刀直徑為R，地表秸稈半徑設(shè)為r，圓盤刀作業(yè)深度設(shè)定為h，秸稈受到地面摩擦力為F1,受到地面的支持力為N1，秸稈受到圓盤刀作用的摩擦力為F2，受到圓盤刀的正壓力為N2。

圖1 秸稈受力分析圖

由式(1)可得秸稈受力平衡

N1=N2cosα+F2sinα

(1)

要求秸稈在被圓盤刀切斷時不沿地面滑動需要滿足條件如式(2)所示

F1+F2cosα≥N2sinα

(2)

當(dāng)秸稈在運動臨界狀態(tài)時，靜摩擦力應(yīng)達(dá)到最大值Fmax，夾角為φmax,滿足以下條件

F1=N1tanφ1,F2=N2tanφ2

(3)

式中φ1—秸稈與地面的摩擦角；

φ2—秸稈與圓盤刀的摩擦角。

將(3)代入式(2)整理得

α≤φ1+φ2

(4)

(5)

確定各個關(guān)鍵參數(shù)，玉米秸稈平均半徑為r(德單123)，作業(yè)深度h=75 mm，玉米秸稈與圓盤的摩擦角一般在23°～33°，本研究中選取33°，秸稈與地面的摩擦角為30°，因此可得R>165 mm，綜合考慮及其高度和結(jié)構(gòu)限制，破茬圓盤刀直徑取值范圍為350～420 mm，在本研究中選取圓盤刀直徑為350 mm。

3 刀盤的形狀試驗與分析

3.1 研究目的與內(nèi)容

本研究基于計算的圓盤直徑為350 mm，開展不同形狀(相同直徑)下破茬圓盤刀的秸稈切斷率和工作阻力，從而進(jìn)一步確定刀盤形狀。

3.2 試驗材料與方法

在開展試驗前對田間基本條件進(jìn)行測定與取樣，采用五點法作為試驗取樣點(圖2)。

圖2 五點測量法

3.3 測定指標(biāo)與方法

試驗測定指標(biāo)與方法選取土壤含水率、土壤堅實度、秸稈含水率為測定結(jié)果。

1)土壤含水率。采用浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn)的TZS-PHW-4G型土壤多功能參數(shù)測定儀對土壤含水率進(jìn)行全程跟蹤測量，每次測量3個點，取平均值作為該組測定結(jié)果。

2)土壤堅實度。采用土壤硬度計TY-2進(jìn)行田間測定，測定位置與含水率測定位置一致。

3)秸稈含水率。按照“五點取樣法”，在試驗區(qū)域5個點分別取秸稈覆蓋物約50 g，分別測定濕重和干重，取平均值作為該組測定結(jié)果，計算公式如式(6)所示

(6)

式中Hg—秸稈含水率，%；

Mjs—秸稈濕度，g；

Mjg—秸稈干重，g。

根據(jù)上述要求得出試驗區(qū)域基本田間試驗條件(表1)。試驗采用久保田KUBOTA-M704R拖拉機(jī)為試驗設(shè)備。

表1 深松機(jī)田間作業(yè)前地表基本參數(shù)

在機(jī)器前進(jìn)速度為4 km·h-1，田間作業(yè)深度為90 mm，圓盤直徑為350 mm的試驗條件下進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2所示，根據(jù)田間試驗結(jié)果可知，波紋圓盤刀、平面圓盤刀和缺口圓盤刀的秸稈切斷率分別為93.2%、90.6%和91.8%，波紋圓盤刀、平面圓盤刀和缺口圓盤刀的工作阻力分別為1 229 N、870 N和1 123 N。綜合考慮，在田間工作阻力相差較小的情況下應(yīng)選擇秸稈切斷率最高的波紋圓盤刀作為防堵裝置。

表2 試驗結(jié)果與分析

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究針對目前深松機(jī)械田間工作掛草和堵塞等問題，結(jié)合保護(hù)性耕作和深松技術(shù)理論知識，基于國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，以玉米秸稈為研究對象，首先對玉米秸稈切斷過程進(jìn)行受力分析，求解圓盤刀的工作直徑，然后以秸稈切斷率和工作阻力為試驗指標(biāo)確定刀盤的最優(yōu)形狀。

4.2 展望

深松機(jī)破茬圓盤刀防堵裝置雖然取得了一定的研究進(jìn)展，但是仍然存在田間深松阻力過大等問題，未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)在改善深松機(jī)防堵技術(shù)的同時降低工作阻力的相關(guān)研究。