张青松 齐 涛 敖 倩 舒彩霞 廖宜涛 廖庆喜
(1.华中农业大学工学院, 武汉 430070; 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室, 武汉 430070)
长江中下游是我国冬油菜的主产区,其种植方式以稻油轮作为主[1]。为了提高油菜直播作业生产效率,在稻茬田留有均匀抛撒的切碎秸秆地表,采用开沟撒播的多工序单独作业种植模式。该模式多工序单独作业,需多种机具配套,油菜种子落于秸秆覆盖地表,易形成“晾种”,出苗率低,立式旋转开畦沟装置开沟抛土,畦沟土壤厢面覆盖不均匀,厢面不平,不适宜油菜轻简高效生产需求[2-3]。为适应油菜轻简高效生产作业需求,设计一种适合油菜高效生产作业的油菜种床整备装置具有重要意义。
针对轻简高效作业机具,国内外相关学者进行了研究。MALASLI等[4]对免耕播种机上圆盘开沟器进行受力分析,得出圆盘角度增加会降低作业阻力; TOROTWA等[5]拟合鼹鼠爪曲线,设计了一种缺口圆盘,降低了作业阻力并提高了切茬率;张银平等[6]通过反转灭茬与正转防堵相结合的方式实现秸秆覆盖地水稻免耕播种;贾洪雷等[7]对免耕播种机进行研究,提高免耕播种机播种作业质量;史乃煜等[8]基于最速降线原理,设计了一种免耕播种机强制回土装置,有效提高了土壤回填率;赵艳忠等[9]设计了免耕播种机侧深分层施肥部件,提高了免耕播种机横向稳定性。国外对于高效作业机具的研究主要集中在大型联合机械上,一次完成多道作业工序,生产效率高,适合大规模生产作业,而我国长江中下游地区农田面积小,较为分散,国外大型机械不适合该区域作业,因此,针对该区域油菜轻简高效生产作业的种床整备装置研究较少,生产上缺乏相关集成机具。
为提高长江中下游冬油菜产区油菜机械作业生产效率,同时针对目前生产上相关机具作业时,易出现厢面不平、碎土质量不高及“晾种”,导致油菜出苗率低的生产难题,本文设计一种油菜机械直播机开沟浅旋装置,通过中间开畦沟、畦沟土壤抛送覆盖两侧厢面,浅旋匀土部件匀土及细碎厢面土壤和混合均匀土壤和秸秆,高效作业,创造良好油菜种子着床条件,以期为该区域油菜轻简高效高质机械化直播作业机具设计提供参考。
1.1 整体结构
油菜机械直播机主要由开沟浅旋装置、破土犁、拖土部件、中央齿轮箱、排种系统、排肥系统、三点悬挂、机架等组成,整体结构如图1a所示。其中开沟浅旋装置如图1b所示,包括中间开畦沟部件、清沟整形部件、浅旋匀土部件3部分。
图1 装置结构示意图Fig.1 Schematics of machine structure1.肥箱 2.排种器和种箱 3.拖土板 4.浅旋匀土部件 5.清沟整形部件 6.破土犁 7.中间开畦沟部件 8.中央齿轮箱 9.机架 10.三点悬挂 11.浅旋弯刀 12.螺旋匀土叶片 13.开畦沟弯刀 14.浅旋刀盘 15.刀轴
中间开畦沟部件包括左、右2个开畦沟刀盘,对称布置在中央齿轮箱两侧,其刀盘上安装有开畦沟弯刀。浅旋匀土部件包括左、右2个刀辊,对称布置在中间开畦沟部件两侧,每个刀辊刀轴上安装有浅旋弯刀、浅旋弯刀刀盘及螺旋匀土叶片。破土犁安装于中间开畦沟部件正前方,清沟整形部件安装于中间开畦沟部件正后方。主要技术参数如表1所示。
表1 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters
1.2 工作原理
机具作业时,由拖拉机带动机具向前移动,拖拉机PTO通过万向节向中央齿轮箱传递动力,中央齿轮箱输出轴带动中间开畦沟部件和浅旋匀土部件同轴转动。机具作业前进过程中,作业效果如图2所示,肥料施于未耕地表,破土犁作业消除中央齿轮箱安装区域的漏耕区;中间开畦沟部件开畦沟弯刀高速旋切土壤,并将土壤抛送至畦沟两侧厢面,初步作业出畦沟。浅旋匀土部件左右两边刀辊转动,带动螺旋匀土叶片和浅旋弯刀作业;螺旋匀土叶片作业使中间开畦沟部件开畦沟弯刀作业抛送的土壤均匀覆盖厢面;浅旋弯刀浅旋作业,旋切未耕地表土壤和秸秆,使作业厢面土壤细碎、土壤和秸秆混合均匀;拖土板压实平整厢面,达到合适的土壤空隙度,创造良好油菜种子着床条件;清沟整形部件清理畦沟底部松碎土壤及压实畦沟沟壁,作业出沟壁紧实、沟型稳定的排水畦沟。最后,油菜种子通过排种系统播于作业厢面,完成机具整个作业功能。
图2 油菜机械直播机作业效果图Fig.2 Operation effect diagram of rapeseed direct seeding1.肥料 2.畦沟 3.浅旋土壤层 4.油菜籽 5.未埋覆的稻茬秸秆 6.地表秸秆
2.1 中间开畦沟部件设计
2.1.1开畦沟弯刀刃口曲线设计
中间开畦沟弯刀的刃口曲线由正切刃、过渡刃和侧切刃组成,其中正切刃采用空间曲线,形成一个弧形的曲面,即为开畦沟弯刀的正切面,在正切刃上各点处的滑切角沿着刃线的增大而增大,能够增大土壤颗粒的脱出速度。为了能够使开畦沟弯刀的正切面和侧切面光滑过渡,设计了一段空间曲线的过渡刃,过渡面的弧面可提高开畦沟弯刀的侧向抛土性能及分散在作业过程中产生的集中应力,避免刀具产生疲劳破坏。
在开畦沟作业过程中,开畦沟弯刀的侧切刃沿纵向入土,使土壤和作物根茬沿刃口发生滑切,开畦沟弯刀作业过程如图3所示。
图3 开畦沟弯刀作业状态分析Fig.3 Diagrams of force on trenching knife in operation
开畦沟弯刀在作业过程中,结合图3a所示,开畦沟弯刀在入土作业时,受力方程为
(1)
式中FN——开畦沟弯刀对土壤和秸秆压力,N
Ff——开畦沟弯刀所受的摩擦力,N
G——土壤和秸秆重力,N
Fc——向心力,N
Fk——科氏力,N
β′——摩擦力与重力的夹角,(°)
μ——开畦沟弯刀与土壤颗粒间的摩擦因数
τ1——开畦沟弯刀的静态滑切角,(°)
r——螺旋线极径,mm
ω——中间开畦沟弯刀回转角速度,rad/s
v0——机具前进速度,m/s
m——土壤质点质量,kg
开畦沟弯刀在脱离土壤时,受力如图3b所示,受力方程为
(2)
式中Fa——离心力,N
由式(1)、(2)可知,开畦沟弯刀在入土和脱离土壤2个阶段时,开畦沟弯刀的侧切刃螺旋线极径r应满足
(3)
常见的刃口曲线主要有阿基米德螺旋线、正弦指数曲线和等角螺旋线[10],根据相关研究可知[11],当安装角大于15°时,阿基米德螺旋线的滑切角大于正弦指数曲线,且侧切刃刃口曲线为阿基米德螺旋线的旋耕刀片多应用于旋耕深度小于300 mm、作业幅宽小于200 mm的旋耕作业,适用于油菜开畦沟作业,因此选取阿基米德螺旋线作为开畦沟弯刀片的侧切刃刃口曲线。根据侧切刃阿基米德螺旋线方程,可确定螺旋线极径r为
r=r0(1+Kθ)
(4)
式中K——静态滑切角正切值与极径比例系数
θ——刃口曲线任意点处极角,rad
r0——阿基米德螺旋线起点处极径,mm
由式(4)可知,独立参数包括刃口曲线起点处极径r0与比例系数K,当开畦沟弯刀的刃口曲线初始极径r0为160 mm,终点处极径取320 mm,静态滑切角τ1为40°～70°时,满足式(3)设计要求,将值代入
(5)
式中τ0——刃口曲线的动态滑切角,(°)
λ——旋耕速比
R——刀尖处半径,mm
得到动态滑切角τ0为36°～66°,可得K为2.62～17.17。将K取整,由于K>15时曲线逐渐趋于平滑,因此K取为3～15内整数,在此范围,得到不同K值的阿基米德螺旋线刃口曲线,如图4所示。
图4 不同比例系数下的阿基米德螺旋线Fig.4 Archimedean spirals at different scale factors
由图4所示,K越小,刃口曲线长度越长,开畦沟作业时,刀片与土壤相互作用的时间就越长;当K≥8时,阿基米德螺旋线截取范围变短,滑切角变小,因此K最佳取值为5,则开畦沟弯刀的侧切刃方程为
r=160(1+5θ)
2.1.2刀盘安装弯刀数量分析
机具工作时,开畦沟弯刀的运动轨迹为摆线[12]。以开畦沟刀盘圆心为坐标原点建立坐标系,则开畦沟弯刀端点的运动轨迹如图5所示。
图5 中间开畦沟弯刀运动轨迹Fig.5 Diagram of movement of rotary blade
由图5可知,中间开畦沟弯刀沿着余摆线的轨迹形状运动,在同一回转平面上两相邻刀片切下的土垡厚为切土节距S,切土节距S对畦沟两侧厢面上的覆土层土壤的细碎程度有较大影响,切土节距S越大,则切下的土垡厚度越大,土壤细碎程度越低。切土节距计算式为
(6)
式中Z——同一切削小区内的刀片数量
由式(6)可知,当油菜直播机前进速度v0和浅旋匀土刀辊角速度ω为定值时,切土节距与同一回转平面内开畦沟弯刀数量Z有关。根据《农业机械设计手册》,在稻茬田切土节距S为60～90 mm,为保证机具作业碎土质量,切土节距S取60 mm,得出同一切削单元内安装4把开畦沟弯刀。
2.2 清沟整形部件设计
中间开畦沟部件作业时会出现土壤回流现象,且作业后的初步畦沟沟壁不紧实、易坍塌、沟形不稳定,因此清沟整形部件对畦沟进行压实、清沟整形,以提高开畦沟作业的稳定性。
清沟整形部件主要由破土面ABCD及ABC′D′、整形面CDFE和C′D′F′E′、上下底板和犁柱等组成,犁柱上有安装孔,便于调节开畦沟深度。作业时土壤随破土面向两侧移动,流经清沟整形部件的整形面时,通过整形面对土壤进行侧向挤压,形成完整的畦沟沟形。
清沟整形部件中左右对称布置的平面ABCD和ABC′D′为破土面,两破土面倾斜相交形成一个倒梯形的截面CC′D′D。破土面在前进的过程中主要受到向前的推力FX和向两侧的压力FY。当清沟整形部件刃口角ψ为90°时,破土面在前进的过程中主要受到的挤力FX和压力FY相等,此时清沟整形部件破土效果最佳。
清沟整形部件主要是通过整形面对土壤进行挤压成型[13],对整形面土壤颗粒进行受力分析,受力如图6a所示。
图6 清沟整形部件受力分析Fig.6 Force analysis of trench cleaning and shaping components
土壤质点M受力方程为
(7)
式中FX——质点所受压力在X方向分力,N
FY——质点所受压力在Y方向分力,N
FZ——质点所受压力在Z方向分力,N
fXY——质点所受摩擦力在XOY平面分力,N
fYZ——质点所受摩擦力在YOZ平面分力,N
f′XY——摩擦力fXY在Y方向分力,N
f′YZ——摩擦力fYZ在Y方向分力,N
φ——整形面侧面倾角,(°)
γ——整形面前面倾角,(°)
aX——质点加速度在X方向分量,m/s2
aY——质点加速度在Y方向分量,m/s2
aZ——质点加速度在Z方向分量,m/s2
φ1——土壤摩擦角,(°)
整理式(7)可得
(8)
根据挤压力学理论可得,土壤摩擦角φ1、整形面的侧面倾角φ和前面倾角γ是影响整形面作业效果主要因素。由式(8)可知,当整形面侧面倾角φ满足φ<90°-φ1时,加速度沿Z轴的分量值aZ越大,整形面对初步畦沟的向下挤压力越大,土壤摩擦角φ1为23°[14],因此整形面侧面倾角φ取67°。当整形面前面倾角γ过小,导致对沟壁压实不充分,沟壁土壤松散,易掉落于沟底,影响畦沟形状和质量,过大会导致沟壁压实量大,沟型变形量大,影响畦沟形状且作业阻力大[14],综合考虑,整形面前面倾角γ取3°。
2.3 浅旋匀土部件设计
2.3.1浅旋弯刀设计
浅旋弯刀在作业过程中,需要旋切未耕地表土壤和秸秆,使作业厢面土壤细碎、埋覆秸秆。浅旋弯刀刃口曲线对刀片作业性能具有重要影响。因浅旋弯刀结构较小,刃口曲线较短,偏心圆弧线作为刃口曲线时,浅旋弯刀刀片正切刃和侧切刃可以采用同一曲线,高质量完成厢面土壤细碎平整、秸秆埋覆功能,同时刀片安装时,其刃口贴合刀盘,降低刀片作业时夹土现象发生,因此正切刃和侧切刃都采用偏心圆弧线。
如图7所示建立极坐标系,取刀轴旋转中心O点距离e处O′为偏心圆圆心,偏心圆的半径为R′,偏心圆弧线的参数方程和静态滑切角τ2表达式为
图7 浅旋弯刀刃口曲线Fig.7 Edge profile of shallow rotary bender1.浅旋弯刀 2.浅旋弯刀刀盘
(9)
其中
式中ρ——刃口任一点到回转中心距离,mm
γ1——NO连线与水平的夹角,(°)
R′——偏心圆半径,mm
e——坐标系原点与偏心圆圆心距离,mm
τ2——浅旋弯刀任一点处静态滑切角,(°)
当浅旋弯刀刃口处滑切角大于金属与秸秆之间的摩擦角(一般为23°～33°)时,则会产生滑切现象[15]。由式(9)可知,当NO连线与水平夹角γ1一定时,若偏心圆半径R′和坐标系原点与偏心圆圆心间的距离e的比值K1小于π/2,滑切角τ2随比值K1增大而减小,但比值K1过小,会使得浅旋弯刀刃口曲线过长,造成浅旋弯刀与土壤接触时间增加,增大功率消耗。当K1为0.74时,具有较好的滑切性能且刃口曲线不会过长[16-17]。设计浅旋弯刀刃口曲线偏心距e为135 mm,则偏心圆弧半径R′为182 mm,且NO连线与竖直方向的夹角γ1为97°,得浅旋弯刀滑切角τ2为42.4°。
2.3.2螺旋匀土叶片设计
在中间开畦沟弯刀片的作用下,畦沟内的土壤被抛送至两侧厢面,畦沟附近处堆积的土壤较多,螺旋匀土叶片可向两侧厢面输送土壤,使作业后厢面平整,但螺旋头数增多会增加机械装置的复杂程度。浅旋匀土部件左刀辊上的螺旋匀土叶片旋向为左,右刀辊上的螺旋匀土叶片旋向为右。螺旋匀土叶片采用圆柱螺旋线[18],其形状取决于螺距s、螺旋半径a1和螺旋叶片工作幅宽,其中螺旋叶片工作幅宽与浅旋匀土刀辊一致,为840 mm。圆柱螺旋线展开为一条倾斜的直线,该直线与水平方向的夹角即为螺旋升角δ,其公式为
(10)
在螺旋匀土叶片的作用下,土壤的受力与速度都会对厢面平整度造成影响。受力分析及运动分析如图8所示,将土壤颗粒简化为质点M建立空间坐标系,质点M受到法向推力FN1、切线方向上的摩擦力Ff1和地表对其的摩擦力f0,合力为F0。将土壤颗粒合力F0沿Y和Z方向分解成轴向分力F1和周向分力F2为
图8 螺旋叶片分析Fig.8 Analysis of soil particles under action of spiral blade
(11)
式中φ2——土壤与螺旋叶片间摩擦角,(°)
在该参考系下质点M沿螺旋匀土叶片旋转的合速度v是由牵连速度vc与相对速度vr合成。分解合速度v,并考虑在机具前进过程中速度v0产生的沿坐标系Y轴方向的周向分速度v′m,得到土壤颗粒在Z、Y方向上的绝对分速度vY、vZ为
(12)
式中a0——土壤颗粒至刀辊中心的距离,mm
n——单位时间质点经过的螺旋个数
由式(11)、(12)可知,土壤颗粒所受的分力F1、F2和分速度vY、vZ与螺旋叶片螺距s、螺旋半径a1和刀辊角速度ω有关。其中浅旋匀土刀辊作业时,螺旋匀土叶片不宜入土过深,以免增大旋耕阻力,增加功耗,且螺旋匀土叶片在土壤中会产生磨损,降低机具使用寿命,螺旋匀土叶片作业深度设计为10～30 mm,若使土壤从中部向两侧运动,需满足δ≤90°-φ,则螺旋半径a1为80～100 mm。由式(10)～(12)可得螺距s≤546.6 mm,为避免在作业过程中发生壅土现象,螺距s大于两倍切土节距要求的土垡边长,可得s≥120 mm,综合考虑机具尺寸及作业效果,选取螺距s为250～350 mm。
2.3.3浅旋弯刀安装数量分析
左右2个浅旋匀土刀辊与齿轮箱呈中间对称布置,浅旋弯刀朝外侧等距排布在刀轴上,即浅旋左弯刀安装在左刀辊上,浅旋右弯刀安装在右刀辊上,实现土壤向畦沟两侧厢面迁移。
为避免同一切土区域内浅旋弯刀之间夹土,设计在一个浅旋弯刀刀盘上安装两把浅旋弯刀,且两把浅旋弯刀相隔180°,则浅旋匀土刀辊上安装的浅旋弯刀的总数量为
(13)
其中
B=b+b′
式中B——刀座间距,mm
Q′——浅旋匀土刀辊上浅旋弯刀总数量
Q——同一切土小区内浅旋弯刀数量
b——浅旋弯刀工作幅宽,mm
b′——刀盘间距,取15～20 mm
D2——浅旋匀土刀辊工作幅宽,mm
浅旋弯刀在作业的过程中可与周围的土发生撕扯,因此浅旋弯刀刀盘间隙b′取15～20 mm,经计算浅旋刀辊上需安装浅旋弯刀总数为40,即左、右弯刀各20。
浅旋弯刀按双头螺旋线排布[19],螺旋匀土叶片安装在其间,螺旋升角δ为
(14)
当螺旋匀土叶片作业深度为10～30 mm时,螺旋半径a1为80～100 mm,此时螺旋升角δ为30°～36°。
3.1 仿真模型建立
通过EDEM软件建立离散元仿真模型,研究螺旋匀土叶片不同结构参数对装置作业效果,如图9所示,参照文献[20-23]设置仿真模型相关参数。考虑到长江中下游地区土壤黏重,土壤颗粒接触模型选用Hertz-Mindlin with Bonding模型,该模型适用于模拟粘性颗粒之间破碎和断裂。土壤颗粒半径设置为8 mm,采用8个半径为6 mm的球形颗粒组成的长条型模型模拟实际作业中地表秸秆。
图9 仿真模型Fig.9 Simulation model
3.2 试验因素与方法
开展三因素三水平正交旋转组合试验,螺旋匀土叶片结构参数因素及水平如表2所示,选取作业后厢面平整度为评价指标。由于机具后方的拖土板对作业厢面具有一定的平整压实作用,为了更好地体现浅旋匀土刀辊的整平效果,在仿真模型中提高拖土板的高度,使其处于土槽颗粒上方,仅起到遮挡飞溅的土壤颗粒的作用,将仿真模型导入已建立的土槽中。仿真时设置浅旋匀土部件前进速度为7 km/h。
表2 仿真试验因素编码Tab.2 Simulation experiment factors and codes
仿真结束后,利用Clipping切片功能对浅旋匀土部件作业后的土壤稳定区进行随机采样,每隔500 mm截取厚度为10 mm的土壤切片作为一个样本,每次仿真试验采集3个样本。将每个样本切片的切面分别导入CAD中,在作业幅宽范围内每隔160 mm做该处最高点颗粒的切线,测量此处切线与土槽底部横线的距离,记为Xi(取样点序号i=1,2,…,12),测量方法如图10所示,计算标准差,即为厢面平整度[24],计算式为
(15)
式中S′——厢面平整度,mm
n——取样点数量,取12
3.3 结果分析
正交试验结果如表3所示,A、B、C为因素编码值,对正交试验结果进行多元线性回归,建立厢面平整度S′对螺旋半径、螺距、螺旋头数的二次多项式回归模型,其回归方程为
表3 正交试验结果Tab.3 Results of orthogonal test
S′=13.03-0.205 0A-0.536 2B-0.033 7C-
0.137 5AB+0.044 30A2+0.135 5B2+0.540 5C2
(16)
对正交试验结果进行方差分析,其结果如表4所示。
表4 正交试验结果方差分析Tab.4 Regression equation analysis of orthogonal test results
由表4可知,螺旋半径A、螺距B及其交互项AB对响应值均具有显著影响,其中螺旋半径A、螺距B表现为极显著,而螺旋头数C和交互项AC、BC则均表现为不显著,3个试验因素对厢面平整度的影响程度从大到小依次为螺距B、螺旋半径A、螺旋头数C。
交互项AB表现为显著,为研究螺旋半径与螺距间交互作用对厢面平整度的影响规律,将螺旋头数取为1,则交互作用响应曲面如图11所示。
图11 交互作用响应曲面Fig.11 Response surface for interaction
由图11可知,在螺距一定时,厢面平整度S′随螺旋半径增加呈先减小后增大的趋势;在螺旋半径一定时,厢面平整度随螺距增加而先减小后增大,当螺旋半径为97.57 mm、螺距为336.28 mm、螺旋头数为1.15时,厢面平整度最优,为12.69 mm,为便于加工制造,螺旋匀土叶片最佳结构参数:螺旋半径为100 mm、螺距为350 mm、螺旋头数为1,此时螺旋升角δ为30°,对应的浅旋弯刀及螺旋匀土叶片结构布局如图12所示。在该参数下,机具进行仿真作业,作业后效果如图13所示。
图12 浅旋匀土刀辊排布示意图Fig.12 Arrangement diagram of uniform distribution device for furrow soil1.浅旋右弯刀 2.右螺旋叶片 3.开畦沟右弯刀 4.开畦沟左弯刀 5.左螺旋叶片 6.浅旋左弯刀
图13 机具仿真作业效果Fig.13 Simulation effect
4.1 试验条件与方法
为验证油菜中间开沟浅旋匀土装置作业性能,在湖北省荆州市监利县华中农业大学稻-油轮作全程机械化生产示范基地开展田间试验。试验工况均为常年采用稻-油轮作模式的田块,其土壤类型为偏黏性土,前茬作物为水稻;试验工况如表5所示。试验设备包括东方红954型拖拉机、安装有开沟浅旋装置的油菜直播机、TJSD-9570型数显土壤坚实度测定仪(浙江托普云农科技股份有限公司,精度±0.005% FS)、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、土壤取样环刀、电子天平、干燥箱等。
表5 试验工况参数Tab.5 Test conditions parameters
试验时设置机具作业速度为7 km/h,机组每个行程沿直线方向的作业距离为50 m,取每个行程的中间30 m作为测量区域,每组试验重复3次。参考NY/T 740—2003《田间开沟机械作业质量》、GB/T 5668—2008《旋耕机》和NY/T1143—2006《播种机质量评价技术规范》,结合油菜种植农艺要求,确定试验指标有耕深及耕深稳定性系数、畦沟沟型及稳定性系数、厢面平整度、碎土率、秸秆埋覆率及出苗率等指标。
4.2 试验结果分析
安装有开沟浅旋装置的油菜直播机田间作业效果如图14及表6所示,作业后厢面平整,畦沟沟型完好,机具作业耕深平均为51.3 mm,耕深稳定性系数达到90%以上,秸秆埋覆率达到84.38%,碎土率达到86.41%,厢面平整度达到30.18 mm,平均畦沟沟深为212.8 mm,上沟宽为328.2 mm,下沟宽为264.8 mm,畦沟沟深沟宽稳定性均大于85%,无明显土壤回流现象,油菜出苗率为75.47%,如图15所示,油菜生长状态良好,装置作业效果满足油菜直播作业要求。各项指标均满足NY/T 740—2003《田间开沟机械作业质量》、GB/T 5668—2008《旋耕机》和NY/T 1143—2006《播种机质量评价技术规范》标准要求。
表6 田间试验结果Tab.6 Test conditions parameters
图14 机具田间作业效果Fig.14 Effectiveness of machine work in field
图15 播种试验出苗效果Fig.15 Seedling emergence results
(1)针对油菜轻简高效生产需求及目前机具作业易出现厢面不平、碎土质量不高及“晾种”,导致油菜出苗率低的生产难题,设计了一种油菜机械直播机开沟浅旋装置,实现中间开畦沟、畦沟土壤抛送覆盖两侧厢面,浅旋匀土部件匀土及细碎厢面土壤、埋覆土壤和秸秆功能。
(2)基于滑切减阻原理及挤压力学理论,确定了中间开畦沟部、清沟整形部件及浅旋匀土部件结构参数,得出中间开畦沟刀盘安装弯刀数量为4,切土节距为60 mm,清沟整形部件整形面侧面倾角为67°,前面倾角为3°,浅旋弯刀侧切刃偏心圆半径为182 mm,滑切角为42.4°;运用EDEM软件开展正交旋转组合试验,确定了螺旋匀土叶片的最佳结构参数取值:螺旋半径为100 mm、螺距为350 mm、螺旋头数为1,并确定了浅旋弯刀及螺旋匀土叶片结构布局。
(3)安装有开沟浅旋装置的油菜直播机田间试验表明,当机组前进速度为7 km/h时,安装有开沟浅旋装置的油菜直播机作业后厢面平整,畦沟沟型完好,机具作业耕深为51.3 mm,耕深稳定性系数大于90%,秸秆埋覆率为84.38%,碎土率为86.41%,厢面平整度为30.18 mm,平均畦沟沟深为212.8 mm,上沟宽为328.2 mm,下沟宽为264.8 mm,畦沟沟深沟宽稳定性系数均大于85%,油菜出苗率为75.47%,油菜生长状态良好,装置作业效果满足油菜直播作业要求。
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