驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機設計與試驗

廖慶喜 謝昊明 張青松 張季欽 敖 倩 王 磊

(1.華中農業大學工學院, 武漢 430070; 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室, 武漢 430070)

0 引言

耕整地是油菜種植的重要環節,油菜種床合理,耕層能夠促進油菜生長,提高油菜產量[1]。長江中下游地區是冬油菜主要種植區域,該地區周年進行稻-油或稻-稻-油水旱輪作,導致土壤黏重板結,前茬作物留茬高,土壤含水率波動大,采用傳統旋耕作業碎土率低,刀輥易纏草,秸稈埋覆性能差,且易導致土壤耕作層變淺,犁底層加厚,阻礙油菜生長[2],同時油菜種床整備還需完成秸稈還田、土壤細碎、平整,開畦溝多道工序[3-4]。

傳統旋耕式耕整機在稻-油或稻-稻-油水旱輪作的油菜種植模式下進行耕整地作業存在碎土率不高,秸稈埋覆率低,刀輥易纏草等問題,為了提高機具在土壤黏重、地表秸稈量大的工況下作業質量,MATIN等[5]針對亞洲黏重稻田工況,測試了3種旋耕刀片(常規型、半寬型、旋切型)以及不同(每個切土小區4、6把刀片)安裝方式下的工作性能,試驗表明,當切土小區旋耕刀數量為4把時,3種類型刀片作業碎土率較優,切刀比常規型刀片拋土量少,但功耗有所下降。為提高旋耕刀片耕作性能,張春嶺等[6]針對稻茬田秸稈量大旋耕刀輥易纏繞的問題設計了一種六頭螺旋秸稈還田耕整機刀輥,以提高秸稈埋覆性能,但同一切土小區安裝刀片數量較多,易出現相鄰切土小區刀片攜土的情況。王金峰等[7]針對秸稈還田機作業時刀輥前方墉土的問題,設計了一種新型秸稈還田刀并對整機進行配置,機具作業指標滿足秸稈還田的農藝要求。趙宏波等[8]針對華北平原小麥免耕播種機在玉米秸稈覆蓋地作業時易堵塞的問題設計了一種防堵旋切刀,田間試驗表明旋切刀通過性良好。鄭侃等[9]針對長江中下游地區旋耕作業地表平整度差的問題設計了一種漸變螺旋升角勻土旋耕刀輥,采用漸變螺旋升角旋耕刀排列方式提高了作業后地表平整度,但未解決碎土率及秸稈埋覆率低的問題。

針對傳統旋耕式耕整機在稻-油或稻-稻-油水旱輪作的油菜種植模式下進行耕整地作業存在碎土率不高,秸稈埋覆率低,刀輥易纏草等問題,研制一種驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機;進行離散元仿真驗證整機對秸稈的埋覆性能及對土壤耕層交換的影響;開展田間試驗驗證整機在兩種工況下的作業性能,以期為長江中下游稻-油輪作地區耕整裝備結構改進優化提供參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機采用先驅動犁翻,后雙刃旋耕的工作方式。驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機主要由驅動圓盤犁組、雙刃型旋耕裝置、機架、開畦溝犁、中央人字形齒輪箱、三點懸掛架等組成,其結構如圖1所示。主要技術參數如表1所示。

圖1 驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機結構示意圖

表1 主要技術參數

1.2 工作過程

驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機工作時,由拖拉機PTO提供動力,齒輪箱帶動驅動圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置;驅動圓盤犁組正向轉動,完成對土壤與秸稈的切削翻轉,雙刃型旋耕裝置正旋對驅動圓盤犁組犁翻后的土壤與秸稈進一步作業,如圖2所示;由于雙刃型旋耕裝置每把旋耕刀具有一對正切刃和側切刃,相比較傳統旋耕刀,傳統旋耕刀切削最小土壤厚度為切土節距S,雙刃型旋耕刀片回轉一周切削土壤-秸稈兩次,細碎秸稈和土壤。切土過程中,雙刃型旋耕刀短刃部正切刃會首先切削厚度為E的土壤,之后過渡到長刃部正切刃會切削厚度為B的土壤,如圖3所示;雙刃型旋耕刀片切削土壤厚度小于切土節距,有更好的碎土性能;拋土過程中,雙刃型旋耕刀片短刃部和長刃部正切刃交替拋土,將土壤與秸稈拋向機架外殼,秸稈先于土壤落入溝底,完成秸稈埋覆及土壤-秸稈混合。

圖2 驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機工作過程示意圖

圖3 雙刃型旋耕刀片工作原理圖

2 關鍵部件設計與分析

2.1 驅動圓盤犁組結構參數設計與分析

由于驅動圓盤犁主動旋轉對土壤的撕裂作用,能夠較好地切斷地表殘茬,進而將地表殘茬翻覆,同時不易堵塞。驅動圓盤犁作業時,其作業轉速、作業偏角、耕作深度為影響作業性能的關鍵參數。根據其所選用齒輪箱,驅動圓盤犁轉速為135～180 r/min;犁組耕深過大或過小都會導致圓盤犁喪失對土壤、秸稈的切翻功能[10],設計驅動圓盤犁最大耕作深度為200 mm,驅動圓盤犁直徑D計算式為

(1)

式中hmax——驅動圓盤犁最大耕深,mm

dk——驅動圓盤犁軸法蘭盤外徑,mm

k——系數,取1.1

計算得出驅動圓盤犁直徑D≥503.63 mm,因此選用驅動圓盤犁直徑D為510 mm,曲率半徑Rρ為550 mm;驅動圓盤犁作業過程中,需要保證驅動圓盤犁在工作過程中滿足圓盤背面不擠壓未耕地側,驅動圓盤犁作業狀態示意圖如圖4所示。

圖4 驅動圓盤犁作業狀態偏角示意圖

由圖4可得

(2)

(3)

式中R′ρ——驅動圓盤犁土壤表面處曲率半徑,mm

H——驅動圓盤犁耕深,mm

由圖4幾何關系可得

(4)

式中Rk——圓盤犁球面中心到盤面的距離,mm

φ——驅動圓盤犁臨界偏角,(°)

由式(4)可得,在耕作深度為200 mm時,驅動圓盤犁臨界偏角為27.06°,驅動圓盤犁工作偏角應大于其臨界偏角,隨著工作偏角的增大,其工作幅寬、入土性能、埋覆性能也會增加,為便于加工制造,設計驅動圓盤犁工作偏角σ為28°。

驅動圓盤犁安裝間距會直接影響作業質量,為避免漏耕同時還要保證圓盤之間不墉土堵塞,應考慮驅動圓盤犁的翻垡性能,一般情況下實際耕幅wt應小于耕深H。單側驅動圓盤犁組由兩個圓盤犁組成,由于圓盤犁的回轉運動,陰影部分a-b-e-d為圓盤犁實際作業范圍,b-d-g為溝底殘耕部分,如圖5所示。

圖5 驅動圓盤犁耕幅示意圖

驅動圓盤犁作業后應保證犁后溝底平整,驅動圓盤犁組溝底殘耕高度計算式為

(5)

驅動圓盤犁作業后對溝底平整性的要求為

Hc≤ξhmax

(6)

式中ξ——溝底不平整系數,取0.25

為了避免驅動圓盤犁之間墉土堵塞,圓盤安裝間距應盡量取最大值。由式(5)可得,隨著驅動圓盤犁安裝間距增加,驅動圓盤犁組作業后溝底殘耕高度逐漸增加,按照驅動圓盤犁作業后對溝底平整性的要求且考慮到加工制造的問題,設計驅動圓盤犁安裝間距cd為160 mm,計算得出溝底殘耕高度為47.03 mm,滿足驅動圓盤犁作業后對溝底平整性的要求。

驅動圓盤犁作業過程中其主要作用為切翻土壤秸稈,將土壤秸稈向盤口一側扭轉鋪放[11];開溝前犁對稱布置在機具兩側,主要功能是開溝起土,形成初步畦溝溝型;開畦溝前犁作業過程向機組內側翻垡堆積土壤,而驅動圓盤犁組向機組外側翻垡堆積土壤,因此需要保證機組作業過程中驅動圓盤犁組與開畦溝前犁共同作業而不互相干涉形成堵塞,其驅動圓盤犁組與開畦溝前犁布局如圖6所示。

圖6 驅動圓盤犁組-開畦溝前犁布局示意圖

由于土壤間存在牽扯撕裂、交錯堆疊等復雜情況,驅動圓盤犁組與開畦溝前犁作業后翻垡土壤尺寸結合開畦溝前犁,驅動圓盤犁翻垡原理計算,開畦溝前犁動土幅寬wa近似看作畦溝溝寬與溝深之和,由圖6幾何關系可得

(7)

式中wc——驅動圓盤犁與開畦溝前犁犁尖間距,mm

wa——開畦溝前犁動土幅寬,mm

wb——驅動圓盤犁動土幅寬,mm

計算得驅動圓盤犁與開畦溝前犁犁尖間距wc應大于688.56 mm,考慮土壤復雜工況且保證機具通過性,設計驅動圓盤犁與開畦溝前犁犁尖間距為800 mm。

2.2 雙刃型旋耕裝置旋耕刀片設計

為增加旋耕后的碎土率、秸稈埋覆率,設計了有兩組刃口的雙刃型旋耕刀片。雙刃型旋耕刀片由刀柄、長刃部和短刃部組成,長刃部與短刃部分別由側切刃和正切刃組成;長刃部側切刃刃口曲線為阿基米德螺線,短刃部刃口曲線為正弦指數曲線,實現對土壤-秸稈的切削功能;長刃部、短刃部正切刃均為空間曲線,實現拋土功能;雙刃型旋耕刀結構如圖7所示。

圖7 雙刃型旋耕刀片結構示意圖

2.2.1長刃部側切刃刃口曲線設計與分析

雙刃型旋耕刀片長刃部側切刃刃口曲線采用阿基米德螺線。該曲線滑切角隨著回轉半徑增加逐漸增大,比較正弦指數曲線和對數螺線,阿基米德螺線平均滑切角最大,拋起土粒最多[12],且能夠增加耕深,減少摩擦阻力,防止刀具纏草[13]。其曲線方程為

(8)

式中ρ——螺線上某一點極徑,mm

θ——螺線上任意點的極角,rad

h——長刃部耕深,mm

R1——旋耕刀長刃部回轉半徑,mm

ρn——螺線終點處極徑,mm

θn——螺線終點處極角,rad

螺線終點處極角θn與阿基米德螺線終點處滑切角τn關系為

(9)

旋耕刀片側切刃刃口曲線應滿足不纏草和阻力小的要求。其作業時受力分析如圖8所示。其中,取秸稈m為脫離體,對秸稈進行受力分析:短刃部刃口曲線處,秸稈受到刃口曲線法線A-A′方向的法向反力N1和刃口曲線切線方向摩擦力Ff1。將法向反力N1沿刃口曲線切線方向和刀片運動軌跡切線方向分解為T1和P1,當T1大于刀刃對秸稈的摩擦力Ff1時,秸稈將沿著刃口曲線滑移,從而脫離刀刃,因此秸稈滑切條件為T1>Ff1,長刃部受力同理。秸稈受力方程為

圖8 雙刃型旋耕刀片作業狀態受力分析

(10)

式中T1——刃口切向力,N

τc——動態滑切角,(°)

φ——秸稈與材料之間的摩擦角,(°)

μ——秸稈與材料之間的摩擦因數

為降低雙刃型旋耕刀在作業過程中的耕作阻力,應減弱刃口曲線法向方向的力,增加刃口曲線切線方向的力[14]。即滿足

(11)

動態滑切角τc為靜態滑切角τ與由于機具前進影響造成的Δτ之差[15],其計算公式為

τc=τ-Δτ

(12)

其中

(13)

式中λ——旋耕速比

a′——切土時刀刃上某一點離耕底的距離,mm

為滿足油菜廂面種植要求,驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀裝置耕深參數需要匹配,根據圖9可得

圖9 耕深匹配示意圖

(14)

式中Rr——旋耕刀回轉半徑,mm

d——旋耕刀軸與圓盤犁軸上下距離差,mm

驅動圓盤犁最大耕作深度為200 mm,為保證旋耕刀片正常作業,代入式(14)計算可得旋耕刀片回轉半徑Rr為150～250 mm,但考慮旋耕刀作用對象為圓盤犁犁翻土壤,為保證旋耕深度,設計長刃部旋耕深度為150 mm,回轉半徑為250 mm,切土節距90 mm;根據式(13),在旋耕速比λ一定的情況下,刀片在入土過程中Δτ逐漸減少,因此,當刀刃上任意點處于地表時,Δτ是工作過程中的最大值[16];參照文獻[17]水稻秸稈與鋼材的摩擦因數μ為0.71,摩擦角φ為35.38°,因此動態滑切角τc>35.38°,取刃口曲線終點處滑切角τn為60°,動態滑切角的變化范圍為43°～60°,滿足設計要求。

2.2.2短刃部側切刃刃口曲線設計與分析

雙刃型旋耕刀短刃部刃口曲線選用正弦指數曲線,此部分靜態滑切角與極角成線性關系,能夠防止雙刃型旋耕刀刀柄部掛草。其曲線方程為

(15)

式中ρ1——曲線起點極徑,mm

τ0——曲線起點靜態滑切角,(°)

K——曲線上靜態滑切角遞減比

θ1——曲線上任意點的極角,rad

選擇不同的起點靜態滑切角τ0和靜態滑切角遞減比能夠得到不同性能曲線。設計短刃部旋耕深度為100 mm,回轉半徑200 mm,取曲線起點極徑ρ1=120 mm。為保證側切刃工作過程中不纏草,刀柄基部刃口滑切角應大于側切刃刃口曲線端點的滑切角,但滑切角過大,旋耕刀作業摩擦阻力增加,推薦滑切角范圍35°～55°,曲線上靜態滑切角遞減比K取0.06～0.11。本文設計取靜態滑切角τ0=52°,靜態滑切角遞減比K=0.06。

2.2.3雙刃型旋耕刀片正切刃設計與分析

雙刃型旋耕裝置工作時與地表發生相對運動,刀片的運動由機具的水平運動與刀盤的旋轉運動合成,長刃部與短刃部運動軌跡應為余擺線,刀片端點運動軌跡方程為

(16)

式中vm——機具前進速度,m/s

R2——旋耕刀短刃部回轉半徑,mm

ω——旋耕刀回轉角速度,rad/s

ε——長刃部和短刃部之間相位角,(°)

長刃部端點A0絕對速度vA為

(17)

短刃部端點B0絕對速度vB為

(18)

為保證雙刃型旋耕刀正常工作,需實現長刃部和短刃部同步向后拋土,當v1x>0,v2x>0時,刀片與土壤相互擠壓,土壤向前堆積,無法向后拋土,需要保證v1x<0,v2x<0。驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機工作時,機組前進速度為1.11～1.67 m/s, 旋耕刀輥轉速為290～360 r/min,旋耕速比系數λ按長刃部計算為4.55～8.48,長刃部與短刃部能夠正常向后拋土。旋耕速比系數為8.48時,雙刃型旋耕刀運動軌跡如圖10所示。

圖10 雙刃型旋耕刀運動軌跡示意圖

旋耕刀正切刃能夠橫向切開土壤,切出溝底,可切斷從側切刃滑移過來且尚未切斷的秸稈。旋耕刀片正切刃在切削過程中,若外磨刃面與未耕地土壤接觸,被擠壓入未耕地土壤中時,會導致旋耕刀片耕深變淺,影響耕深穩定性。以長刃部為研究對象對正切刃切削過程做出分析,雙刃型旋耕刀片長刃部正切刃切削過程如圖11所示。

圖11 正切刃切削過程示意圖

取雙刃型旋耕刀片長刃部端點在A1處轉角為0°,此時該點絕對速度為刀輥圓周速度ωR1與機組前進速度之和。隨著刀輥轉角增加,絕對速度與圓周速度夾角逐漸增大,旋耕刀片正切刃端點絕對速度逐漸減少,點A1、A2絕對速度分別為

(19)

式中 Δα——點A2絕對速度與圓周速度ωR1夾角,(°)

vA1——點A1絕對速度,m/s

vA2——點A2絕對速度,m/s

A3為余擺線與不動形心線C-C′的交點,此時旋耕刀片端點絕對速度與圓周速度零夾角在該點有最大值Δαmax,其絕對速度與機具前進速度垂直,可得

(20)

切削角α為磨刃面正面與余擺線切線的夾角。為保證旋耕刀片工作時刀背與土壤之間存在間隙,切削過程中在點A3處存在切削角αmin為

αmin=iv+Δε

(21)

式中iv——旋耕刀正切刃磨刃角,(°)

Δε——隙角,(°)

旋耕刀片安裝角γ為磨刃面正面與旋耕刀片運動半徑R1之間的夾角,為

(22)

旋耕刀片的刀背面臨界安裝角γ0計算式為

(23)

式中l——旋耕刀片刃口寬度,mm

計算得出旋耕刀片刀背面臨界安裝角γ0為76.37°,臨界安裝角是為了避免旋耕刀正切刃切削過程中外磨刃面與未耕地土壤接觸的臨界值,在實際選用中刀背面安裝角γα應小于臨界安裝角γ0;刀背面安裝角γα與安裝角的關系(γα=γ+iv)如圖12所示。

圖12 安裝角與刀背面安裝角

為了避免旋耕刀正切刃切削過程中外磨刃面與未耕地土壤接觸,應盡量減小最小切削角變化范圍,但磨刃角iv過小容易導致刀片刃口損壞,參考旋耕刀片設計推薦值[18]設計磨刃角iv為20°,旋耕刀片安裝角γ為55°;聯合式(21)、(22)計算得出在旋耕速比系數為4.55～8.48之間變化時隙角Δε為1.31°～7.33°,符合旋耕刀片設計要求。

正切刃展開線可以是側切刃延長線替換偏心圓弧曲線,其設計要求為:正切面應有一定的碎土翻土能力,保證工作質量的同時盡量減少阻力。為保證雙刃型旋耕刀正切刃與側切刃滑切性能相同且兩者平滑過渡,長刃部正切刃使用阿基米德螺線,短刃部正切刃使用正弦指數曲線。且在黏重土壤工況下長刃部正切面與短刃部正切面之間應不夾土、纏草,應盡量減小兩正切面的重疊面積,設計長刃部正切刃工作幅寬b1為60 mm、短刃部正切刃工作幅寬b2為45 mm、折彎角β為70°、折彎半徑r0為30 mm。

2.3 雙刃型旋耕裝置刀輥設計與分析

長江中下游地區土壤黏重板結,秸稈量大,該地區留茬高度一般在300～500 mm之間[1,19-20]。為避免旋耕刀輥大量纏繞秸稈,設計旋耕刀輥為滾筒式刀輥,且滾筒橫截面周長應大于留茬長度。根據

C=πD1

(24)

式中C——刀輥橫截面周長,mm

D1——刀輥直徑,mm

計算確定雙刃型旋耕裝置刀輥直徑為152 mm。

旋耕刀片排列方式會影響旋耕機作業質量、功率消耗、機具平衡性等指標。雙刃型旋耕裝置中,左刀輥和右刀輥為對稱結構,刀片在左、右刀輥上分別按照雙頭螺旋線排列方式排列,左右刀輥螺旋線旋向相反,升角相同。考慮與驅動圓盤犁對土壤的作用,避免犁翻后土壤在兩側堆積造成機具堵塞,因此需要實現將犁翻后的土壤向機具中央輸送。為實現土壤向廂面內側移動,旋耕刀按照倒U形安裝方式[21]安裝,即左刀輥安裝右彎型刀片,右刀輥安裝左彎形刀片。如圖13所示,作業時左彎刀向左后方拋土,右彎刀向右后方拋土,實現土壤向廂面內側遷移。

圖13 犁旋配合作業示意圖

為避免同一切土小區內刀片之間夾土,設計雙刃型旋耕裝置每個刀盤上安裝兩把雙刃型旋耕刀,同一切土小區內兩把刀片夾角取180°,旋耕機刀輥上安裝刀片總數計算式為

(25)

其中

b′=b+Δb

(26)

式中b′——旋耕刀盤安裝間距,mm

b——旋耕刀工作幅寬,取b1、b2中較大值,mm

Δb——刀盤安裝間距與工作幅寬差值,mm

Z′——安裝旋耕刀總數,取偶數

Z——單個切土小區旋耕刀數量

旋耕刀盤安裝間距應大于旋耕刀工作幅寬,Δb常取15～20 mm[16],經計算Z′≈26,即左右刀輥各安裝26把雙刃型旋耕刀片。左右刀輥初始位置安裝角度差為

(27)

式中ψ——左右刀輥安裝角度差,(°)

雙刃型旋耕裝置刀片排列示意圖如圖14所示。

圖14 雙刃型旋耕刀排列示意圖

3 仿真試驗

為了驗證驅動型犁旋聯合耕整的作業性能,應用EDEM軟件構建機具-土壤-秸稈仿真模型,由于油菜合理耕層的構建需要完成前茬作物秸稈的處理和土壤上下層交換,因此仿真試驗包括驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機對秸稈的埋覆性能仿真試驗和交換土壤耕層性能仿真試驗。

3.1 仿真模型建立

應用SolidWorks軟件建立驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機仿真模型,除去雙圓盤、肥箱等結構,主要工作部件由驅動圓盤犁組、雙刃型旋耕裝置、開畦溝前犁、開畦溝后犁組成,其結構如圖15所示。

圖15 三維仿真模型

3.2 土壤-秸稈離散元模型建立

使用EDEM 2020軟件建立土壤-秸稈離散元模型。土壤接觸模型的選擇是影響離散元仿真試驗的重要因素,為了模擬長江中下游地區土壤黏重工況,仿真使用Hertz-Mindlin with JKR模型。該模型引入顆粒間表面能和顆粒的黏性概念,適宜模擬黏重、可塑性強的土壤[22],土壤與工作部件之間的接觸模型為Hertz-Mindlin no Slip 模型。本文采用球形顆粒作為土壤模型,設置土壤顆粒直徑為12 mm;使用20個球形顆粒,組成長度為340 mm的長條模型作為秸稈顆粒。

建立長×寬×高為3 500 mm×3 000 mm×400 mm的土槽模型。參照文獻[23-25],設置土壤參數:泊松比0.4、土壤密度2 680 kg/m3、土壤剪切模量2.8×107Pa;秸稈參數:泊松比0.4、密度241 kg/m3、剪切模量1×106Pa;機具參數:泊松比0.3、密度7 865 kg/m3、剪切模量7.9×1010Pa。模型接觸參數如表2所示。

表2 模型接觸參數

3.3 仿真過程

在EDEM軟件中調整驅動圓盤犁組耕深為200 mm,雙刃型旋耕裝置耕深為150 mm;設置機具前進速度為1.11 m/s,旋耕裝置轉速為290 r/min,驅動圓盤犁組轉速為135 r/min;設置Rayleigh時間步長為5%,網格尺寸為最小顆粒半徑的3倍,仿真總時間設置為10 s,儲存間隔0.01 s。本次仿真共生成416 136個土壤顆粒以及1 000個秸稈顆粒,仿真過程如圖16所示。秸稈埋覆過程如圖17所示。

圖16 仿真過程

圖17 離散元仿真秸稈埋覆過程

3.4 仿真試驗結果與分析

在土壤表面隨機設置3處厚度為200 mm、長度為500 mm、寬度為1 000 mm的測量區域,測量區域下方與地表平齊,計算地表秸稈質量Wq,機具作業后重新計算地表剩余秸稈質量Wh,整機仿真秸稈埋覆參數如表3所示。參考GB/T 5668—2017《旋耕機械試驗方法》,秸稈埋覆率Fb計算式為

表3 整機秸稈埋覆參數

(28)

通過EDEM后處理Geometry Bin模塊在整機工作后的土槽中選取長度為500 mm、寬度為500 mm、厚度為400 mm的土塊為分析區域;如圖18所示,將所選土塊表層厚度150 mm的區域等分為3層,每層厚度為50 mm,從上到下標記每層土壤分別為顆粒1、顆粒2、顆粒3,隱藏秸稈顆粒,統計整機作業后每層土壤區域各顆粒的個數。

圖18 離散元仿真后土壤顆粒分布示意圖

對耕層土壤交換情況做出分析:在驅動圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置的共同作用下,土壤耕層顆粒發生變化,統計數據如圖19所示。整機作業后第1層土壤顆粒1占比44.53%,顆粒2占比37.73%,顆粒3占比17.74%;第2層土壤顆粒1占比28.65%,顆粒2占比40.89%,顆粒3占比30.46%;第3層土壤顆粒1占比26.84%,顆粒2占比28.71%,顆粒3占比44.44%;仿真試驗證明整機作業后各層土壤交換程度高,土壤混合均勻。

圖19 離散元仿真后土壤顆粒分布

驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機能夠有效地埋覆秸稈,整機作業后土壤耕層交換均勻,可適用于秸稈量大工況下田間工作。

4 田間試驗

4.1 性能試驗

4.1.1性能試驗工況

為驗證驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機作業性能進行了田間性能試驗,試驗于2022年9—10月在湖北省荊州市監利縣華中農業大學稻-油輪作全程機械化生產示范基地開展;在工況1開展整機與2BFQ-8型旋耕式油菜直播機作業性能對比試驗,在工況2開展驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機的性能驗證試驗。試驗田塊采用稻-油輪作模式,田塊土壤為偏黏性土壤,工況1土壤條件下平均土壤堅實度1 394.7 kPa、土壤含水率25.70%、秸稈含水率39.64%、秸稈量3.28 kg/m2、留茬高度506 mm;工況2土壤條件下平均土壤堅實度2 274.4 kPa、土壤含水率33.27%、秸稈含水率29.87%、秸稈量1.51 kg/m2、留茬高度323 mm。

試驗設備包括東方紅954型輪式拖拉機、驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機、2BFQ-8型旋耕式油菜直播機、土壤堅實度儀(浙江托普云農科技股份有限公司、精度±0.005% FS)、Trimble TX8型三維激光掃描儀、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、土壤取樣環刀等。

4.1.2性能試驗方法

驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機通過三點懸掛與東方紅954型輪式拖拉機連接,調節三點懸掛裝置保證驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機圓盤犁耕作深度為200 mm,雙刃型旋耕裝置耕作深度為150 mm,調節拖拉機PTO輸出轉速為540 r/min。機具每個作業行程直線作業50 m,取中間的行程30 m為穩定測試區域。參考NY/T 499—2013《旋耕機作業質量》、GB/T 5668—2017《旋耕機械試驗方法》和JB/T 10287—2015《驅動圓盤犁》,確定以下試驗指標:耕深及耕深穩定性系數、碎土率、秸稈埋覆率、廂面平整度。相關的參數測量方法參照文獻[1,20,26]。

4.1.3性能試驗結果

使用Trimble TX8型三維激光掃描儀測量工況1作業地表廂面質量,并通過Trimble RealWorks導出點云數據,利用Matlab軟件生成三維激光掃描儀效果圖與廂面斷面如圖20所示,驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機作業后廂面平整,平均廂面平整度為24.3 mm。在工況1地塊土壤條件下,整機平均耕深、碎土率、秸稈埋覆率、耕深穩定性系數和廂面平整度各項指標均滿足油菜播種要求,工況1地塊田間性能對比效果如圖21所示,試驗結果如表4所示。在工況2地塊土壤條件下,試驗結果如表5所示,作業效果如圖22所示,各項指標均滿足油菜播種要求。驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機較旋耕式油菜直播機平均碎土率提升8.94個百分點,平均秸稈埋覆率提升24.23個百分點。在工況2地塊土壤條件下,整機平均碎土率為94.40%,平均秸稈埋覆率為95.20%(表5),滿足油菜直播要求。

圖20 三維激光掃描試驗結果

圖21 對比試驗效果(工況1)

圖22 對比試驗結果(工況2)

表4 田間性能對比試驗結果(工況1)

表5 田間性能試驗結果(工況2)

4.2 播種試驗

4.2.1播種試驗工況

為了進一步驗證驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機種床整備合理性,于2022年10月20日在湖北省荊州市監利縣華中農業大學稻-油輪作全程機械化生產示范基地開展播種試驗,試驗田塊常年采用稻-油輪作模式,田塊土壤為偏黏性土,試驗田塊工況參數如表6所示。

表6 播種試驗工況參數

4.2.2播種試驗效果

試驗以東方紅954型拖拉機為動力,整機加裝窩眼輪式排種器,開溝器選用雙圓盤式開溝器;播種行數為8行,調節行距240 mm;經播量標定后設置播量為1 462.5 g/hm2,播種油菜品種為華油雜62;施肥方式為旋耕混施,整機作業幅寬2.3 m,拖拉機前進速度4 km/h。播種試驗與出苗效果如圖23所示。

圖23 田間播種試驗

4.3 田間試驗結果

試驗結果表明:驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機在兩種工況下驅動圓盤犁組和雙刃型旋耕裝置共同作用能夠有效地埋覆地表秸稈,平均秸稈埋覆率為96.45%;整機作業后土壤細碎,平均碎土率為95.30%;整機耕深穩定性系數在90%以上,平均廂面平整度為22 mm,且刀輥不纏草,機組通過性好;在工況1地塊下開展整機與2BFQ-8型旋耕式油菜直播機作業性能對比試驗,試驗結果表明驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機較旋耕式油菜直播機平均碎土率提升8.94個百分點,平均秸稈埋覆率提升24.23個百分點。油菜播種后,油菜出苗均勻,表明廂面質量滿足油菜播種要求。

5 結論

(1)提出了先主動犁耕后雙刃旋耕的聯合耕整工作方式;開展理論分析確定了驅動圓盤犁關鍵結構參數與驅動圓盤犁組-開畦溝前犁布局方式;依據滑切原理確定了具有一對正切刃和側切刃的雙刃型旋耕刀片關鍵結構參數。開展運動學分析得出雙刃型旋耕裝置的轉速范圍為290～360 r/min。根據驅動圓盤犁組結構布局確定了雙刃型旋耕刀片按照雙頭螺旋線方式排列。

(2)建立了基于離散元方法的土壤-秸稈-機具仿真模型,仿真分析驗證了驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機秸稈埋覆性能與土壤耕層交換性能。仿真試驗表明整機作業平均秸稈埋覆率為94.69%,且作業后土壤耕層交換混合均勻。

(3)田間性能試驗表明,驅動圓盤犁與雙刃型旋耕刀組合式耕整機通過性、適應性好,兩種作業工況下整機作業平均廂面平整度為22 mm,平均碎土率為95.30%,平均秸稈埋覆率為96.45%;田間播種試驗表明,整機播種后,油菜出苗均勻;廂面質量滿足稻茬地表油菜直播種床整備的要求。