油菜機械直播機開溝淺旋裝置設計與試驗

張青松 齊 濤 敖 倩 舒彩霞 廖宜濤 廖慶喜

(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

長江中下游是我國冬油菜的主產區,其種植方式以稻油輪作為主[1]。為了提高油菜直播作業生產效率,在稻茬田留有均勻拋撒的切碎秸稈地表,采用開溝撒播的多工序單獨作業種植模式。該模式多工序單獨作業,需多種機具配套,油菜種子落于秸稈覆蓋地表,易形成“晾種”,出苗率低,立式旋轉開畦溝裝置開溝拋土,畦溝土壤廂面覆蓋不均勻,廂面不平,不適宜油菜輕簡高效生產需求[2-3]。為適應油菜輕簡高效生產作業需求,設計一種適合油菜高效生產作業的油菜種床整備裝置具有重要意義。

針對輕簡高效作業機具,國內外相關學者進行了研究。MALASLI等[4]對免耕播種機上圓盤開溝器進行受力分析,得出圓盤角度增加會降低作業阻力; TOROTWA等[5]擬合鼴鼠爪曲線,設計了一種缺口圓盤,降低了作業阻力并提高了切茬率;張銀平等[6]通過反轉滅茬與正轉防堵相結合的方式實現秸稈覆蓋地水稻免耕播種;賈洪雷等[7]對免耕播種機進行研究,提高免耕播種機播種作業質量;史乃煜等[8]基于最速降線原理,設計了一種免耕播種機強制回土裝置,有效提高了土壤回填率;趙艷忠等[9]設計了免耕播種機側深分層施肥部件,提高了免耕播種機橫向穩定性。國外對于高效作業機具的研究主要集中在大型聯合機械上,一次完成多道作業工序,生產效率高,適合大規模生產作業,而我國長江中下游地區農田面積小,較為分散,國外大型機械不適合該區域作業,因此,針對該區域油菜輕簡高效生產作業的種床整備裝置研究較少,生產上缺乏相關集成機具。

為提高長江中下游冬油菜產區油菜機械作業生產效率,同時針對目前生產上相關機具作業時,易出現廂面不平、碎土質量不高及“晾種”,導致油菜出苗率低的生產難題,本文設計一種油菜機械直播機開溝淺旋裝置,通過中間開畦溝、畦溝土壤拋送覆蓋兩側廂面,淺旋勻土部件勻土及細碎廂面土壤和混合均勻土壤和秸稈,高效作業,創造良好油菜種子著床條件,以期為該區域油菜輕簡高效高質機械化直播作業機具設計提供參考。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

油菜機械直播機主要由開溝淺旋裝置、破土犁、拖土部件、中央齒輪箱、排種系統、排肥系統、三點懸掛、機架等組成,整體結構如圖1a所示。其中開溝淺旋裝置如圖1b所示,包括中間開畦溝部件、清溝整形部件、淺旋勻土部件3部分。

圖1 裝置結構示意圖Fig.1 Schematics of machine structure1.肥箱 2.排種器和種箱 3.拖土板 4.淺旋勻土部件 5.清溝整形部件 6.破土犁 7.中間開畦溝部件 8.中央齒輪箱 9.機架 10.三點懸掛 11.淺旋彎刀 12.螺旋勻土葉片 13.開畦溝彎刀 14.淺旋刀盤 15.刀軸

中間開畦溝部件包括左、右2個開畦溝刀盤,對稱布置在中央齒輪箱兩側,其刀盤上安裝有開畦溝彎刀。淺旋勻土部件包括左、右2個刀輥,對稱布置在中間開畦溝部件兩側,每個刀輥刀軸上安裝有淺旋彎刀、淺旋彎刀刀盤及螺旋勻土葉片。破土犁安裝于中間開畦溝部件正前方,清溝整形部件安裝于中間開畦溝部件正后方。主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

1.2 工作原理

機具作業時,由拖拉機帶動機具向前移動,拖拉機PTO通過萬向節向中央齒輪箱傳遞動力,中央齒輪箱輸出軸帶動中間開畦溝部件和淺旋勻土部件同軸轉動。機具作業前進過程中,作業效果如圖2所示,肥料施于未耕地表,破土犁作業消除中央齒輪箱安裝區域的漏耕區;中間開畦溝部件開畦溝彎刀高速旋切土壤,并將土壤拋送至畦溝兩側廂面,初步作業出畦溝。淺旋勻土部件左右兩邊刀輥轉動,帶動螺旋勻土葉片和淺旋彎刀作業;螺旋勻土葉片作業使中間開畦溝部件開畦溝彎刀作業拋送的土壤均勻覆蓋廂面;淺旋彎刀淺旋作業,旋切未耕地表土壤和秸稈,使作業廂面土壤細碎、土壤和秸稈混合均勻;拖土板壓實平整廂面,達到合適的土壤空隙度,創造良好油菜種子著床條件;清溝整形部件清理畦溝底部松碎土壤及壓實畦溝溝壁,作業出溝壁緊實、溝型穩定的排水畦溝。最后,油菜種子通過排種系統播于作業廂面,完成機具整個作業功能。

圖2 油菜機械直播機作業效果圖Fig.2 Operation effect diagram of rapeseed direct seeding1.肥料 2.畦溝 3.淺旋土壤層 4.油菜籽 5.未埋覆的稻茬秸稈 6.地表秸稈

2 關鍵部件設計與分析

2.1 中間開畦溝部件設計

2.1.1開畦溝彎刀刃口曲線設計

中間開畦溝彎刀的刃口曲線由正切刃、過渡刃和側切刃組成,其中正切刃采用空間曲線,形成一個弧形的曲面,即為開畦溝彎刀的正切面,在正切刃上各點處的滑切角沿著刃線的增大而增大,能夠增大土壤顆粒的脫出速度。為了能夠使開畦溝彎刀的正切面和側切面光滑過渡,設計了一段空間曲線的過渡刃,過渡面的弧面可提高開畦溝彎刀的側向拋土性能及分散在作業過程中產生的集中應力,避免刀具產生疲勞破壞。

在開畦溝作業過程中,開畦溝彎刀的側切刃沿縱向入土,使土壤和作物根茬沿刃口發生滑切,開畦溝彎刀作業過程如圖3所示。

圖3 開畦溝彎刀作業狀態分析Fig.3 Diagrams of force on trenching knife in operation

開畦溝彎刀在作業過程中,結合圖3a所示,開畦溝彎刀在入土作業時,受力方程為

(1)

式中FN——開畦溝彎刀對土壤和秸稈壓力,N

Ff——開畦溝彎刀所受的摩擦力,N

G——土壤和秸稈重力,N

Fc——向心力,N

Fk——科氏力,N

β′——摩擦力與重力的夾角,(°)

μ——開畦溝彎刀與土壤顆粒間的摩擦因數

τ1——開畦溝彎刀的靜態滑切角,(°)

r——螺旋線極徑,mm

ω——中間開畦溝彎刀回轉角速度,rad/s

v0——機具前進速度,m/s

m——土壤質點質量,kg

開畦溝彎刀在脫離土壤時,受力如圖3b所示,受力方程為

(2)

式中Fa——離心力,N

由式(1)、(2)可知,開畦溝彎刀在入土和脫離土壤2個階段時,開畦溝彎刀的側切刃螺旋線極徑r應滿足

(3)

常見的刃口曲線主要有阿基米德螺旋線、正弦指數曲線和等角螺旋線[10],根據相關研究可知[11],當安裝角大于15°時,阿基米德螺旋線的滑切角大于正弦指數曲線,且側切刃刃口曲線為阿基米德螺旋線的旋耕刀片多應用于旋耕深度小于300 mm、作業幅寬小于200 mm的旋耕作業,適用于油菜開畦溝作業,因此選取阿基米德螺旋線作為開畦溝彎刀片的側切刃刃口曲線。根據側切刃阿基米德螺旋線方程,可確定螺旋線極徑r為

r=r0(1+Kθ)

(4)

式中K——靜態滑切角正切值與極徑比例系數

θ——刃口曲線任意點處極角,rad

r0——阿基米德螺旋線起點處極徑,mm

由式(4)可知,獨立參數包括刃口曲線起點處極徑r0與比例系數K,當開畦溝彎刀的刃口曲線初始極徑r0為160 mm,終點處極徑取320 mm,靜態滑切角τ1為40°～70°時,滿足式(3)設計要求,將值代入

(5)

式中τ0——刃口曲線的動態滑切角,(°)

λ——旋耕速比

R——刀尖處半徑,mm

得到動態滑切角τ0為36°～66°,可得K為2.62～17.17。將K取整,由于K>15時曲線逐漸趨于平滑,因此K取為3～15內整數,在此范圍,得到不同K值的阿基米德螺旋線刃口曲線,如圖4所示。

圖4 不同比例系數下的阿基米德螺旋線Fig.4 Archimedean spirals at different scale factors

由圖4所示,K越小,刃口曲線長度越長,開畦溝作業時,刀片與土壤相互作用的時間就越長;當K≥8時,阿基米德螺旋線截取范圍變短,滑切角變小,因此K最佳取值為5,則開畦溝彎刀的側切刃方程為

r=160(1+5θ)

2.1.2刀盤安裝彎刀數量分析

機具工作時,開畦溝彎刀的運動軌跡為擺線[12]。以開畦溝刀盤圓心為坐標原點建立坐標系,則開畦溝彎刀端點的運動軌跡如圖5所示。

圖5 中間開畦溝彎刀運動軌跡Fig.5 Diagram of movement of rotary blade

由圖5可知,中間開畦溝彎刀沿著余擺線的軌跡形狀運動,在同一回轉平面上兩相鄰刀片切下的土垡厚為切土節距S,切土節距S對畦溝兩側廂面上的覆土層土壤的細碎程度有較大影響,切土節距S越大,則切下的土垡厚度越大,土壤細碎程度越低。切土節距計算式為

(6)

式中Z——同一切削小區內的刀片數量

由式(6)可知,當油菜直播機前進速度v0和淺旋勻土刀輥角速度ω為定值時,切土節距與同一回轉平面內開畦溝彎刀數量Z有關。根據《農業機械設計手冊》,在稻茬田切土節距S為60～90 mm,為保證機具作業碎土質量,切土節距S取60 mm,得出同一切削單元內安裝4把開畦溝彎刀。

2.2 清溝整形部件設計

中間開畦溝部件作業時會出現土壤回流現象,且作業后的初步畦溝溝壁不緊實、易坍塌、溝形不穩定,因此清溝整形部件對畦溝進行壓實、清溝整形,以提高開畦溝作業的穩定性。

清溝整形部件主要由破土面ABCD及ABC′D′、整形面CDFE和C′D′F′E′、上下底板和犁柱等組成,犁柱上有安裝孔,便于調節開畦溝深度。作業時土壤隨破土面向兩側移動,流經清溝整形部件的整形面時,通過整形面對土壤進行側向擠壓,形成完整的畦溝溝形。

清溝整形部件中左右對稱布置的平面ABCD和ABC′D′為破土面,兩破土面傾斜相交形成一個倒梯形的截面CC′D′D。破土面在前進的過程中主要受到向前的推力FX和向兩側的壓力FY。當清溝整形部件刃口角ψ為90°時,破土面在前進的過程中主要受到的擠力FX和壓力FY相等,此時清溝整形部件破土效果最佳。

清溝整形部件主要是通過整形面對土壤進行擠壓成型[13],對整形面土壤顆粒進行受力分析,受力如圖6a所示。

圖6 清溝整形部件受力分析Fig.6 Force analysis of trench cleaning and shaping components

土壤質點M受力方程為

(7)

式中FX——質點所受壓力在X方向分力,N

FY——質點所受壓力在Y方向分力,N

FZ——質點所受壓力在Z方向分力,N

fXY——質點所受摩擦力在XOY平面分力,N

fYZ——質點所受摩擦力在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——整形面側面傾角,(°)

γ——整形面前面傾角,(°)

aX——質點加速度在X方向分量,m/s2

aY——質點加速度在Y方向分量,m/s2

aZ——質點加速度在Z方向分量,m/s2

φ1——土壤摩擦角,(°)

整理式(7)可得

(8)

根據擠壓力學理論可得,土壤摩擦角φ1、整形面的側面傾角φ和前面傾角γ是影響整形面作業效果主要因素。由式(8)可知,當整形面側面傾角φ滿足φ<90°-φ1時,加速度沿Z軸的分量值aZ越大,整形面對初步畦溝的向下擠壓力越大,土壤摩擦角φ1為23°[14],因此整形面側面傾角φ取67°。當整形面前面傾角γ過小,導致對溝壁壓實不充分,溝壁土壤松散,易掉落于溝底,影響畦溝形狀和質量,過大會導致溝壁壓實量大,溝型變形量大,影響畦溝形狀且作業阻力大[14],綜合考慮,整形面前面傾角γ取3°。

2.3 淺旋勻土部件設計

2.3.1淺旋彎刀設計

淺旋彎刀在作業過程中,需要旋切未耕地表土壤和秸稈,使作業廂面土壤細碎、埋覆秸稈。淺旋彎刀刃口曲線對刀片作業性能具有重要影響。因淺旋彎刀結構較小,刃口曲線較短,偏心圓弧線作為刃口曲線時,淺旋彎刀刀片正切刃和側切刃可以采用同一曲線,高質量完成廂面土壤細碎平整、秸稈埋覆功能,同時刀片安裝時,其刃口貼合刀盤,降低刀片作業時夾土現象發生,因此正切刃和側切刃都采用偏心圓弧線。

如圖7所示建立極坐標系,取刀軸旋轉中心O點距離e處O′為偏心圓圓心,偏心圓的半徑為R′,偏心圓弧線的參數方程和靜態滑切角τ2表達式為

圖7 淺旋彎刀刃口曲線Fig.7 Edge profile of shallow rotary bender1.淺旋彎刀 2.淺旋彎刀刀盤

(9)

其中

式中ρ——刃口任一點到回轉中心距離,mm

γ1——NO連線與水平的夾角,(°)

R′——偏心圓半徑,mm

e——坐標系原點與偏心圓圓心距離,mm

τ2——淺旋彎刀任一點處靜態滑切角,(°)

當淺旋彎刀刃口處滑切角大于金屬與秸稈之間的摩擦角(一般為23°～33°)時,則會產生滑切現象[15]。由式(9)可知,當NO連線與水平夾角γ1一定時,若偏心圓半徑R′和坐標系原點與偏心圓圓心間的距離e的比值K1小于π/2,滑切角τ2隨比值K1增大而減小,但比值K1過小,會使得淺旋彎刀刃口曲線過長,造成淺旋彎刀與土壤接觸時間增加,增大功率消耗。當K1為0.74時,具有較好的滑切性能且刃口曲線不會過長[16-17]。設計淺旋彎刀刃口曲線偏心距e為135 mm,則偏心圓弧半徑R′為182 mm,且NO連線與豎直方向的夾角γ1為97°,得淺旋彎刀滑切角τ2為42.4°。

2.3.2螺旋勻土葉片設計

在中間開畦溝彎刀片的作用下,畦溝內的土壤被拋送至兩側廂面,畦溝附近處堆積的土壤較多,螺旋勻土葉片可向兩側廂面輸送土壤,使作業后廂面平整,但螺旋頭數增多會增加機械裝置的復雜程度。淺旋勻土部件左刀輥上的螺旋勻土葉片旋向為左,右刀輥上的螺旋勻土葉片旋向為右。螺旋勻土葉片采用圓柱螺旋線[18],其形狀取決于螺距s、螺旋半徑a1和螺旋葉片工作幅寬,其中螺旋葉片工作幅寬與淺旋勻土刀輥一致,為840 mm。圓柱螺旋線展開為一條傾斜的直線,該直線與水平方向的夾角即為螺旋升角δ,其公式為

(10)

在螺旋勻土葉片的作用下,土壤的受力與速度都會對廂面平整度造成影響。受力分析及運動分析如圖8所示,將土壤顆粒簡化為質點M建立空間坐標系,質點M受到法向推力FN1、切線方向上的摩擦力Ff1和地表對其的摩擦力f0,合力為F0。將土壤顆粒合力F0沿Y和Z方向分解成軸向分力F1和周向分力F2為

圖8 螺旋葉片分析Fig.8 Analysis of soil particles under action of spiral blade

(11)

式中φ2——土壤與螺旋葉片間摩擦角,(°)

在該參考系下質點M沿螺旋勻土葉片旋轉的合速度v是由牽連速度vc與相對速度vr合成。分解合速度v,并考慮在機具前進過程中速度v0產生的沿坐標系Y軸方向的周向分速度v′m,得到土壤顆粒在Z、Y方向上的絕對分速度vY、vZ為

(12)

式中a0——土壤顆粒至刀輥中心的距離,mm

n——單位時間質點經過的螺旋個數

由式(11)、(12)可知,土壤顆粒所受的分力F1、F2和分速度vY、vZ與螺旋葉片螺距s、螺旋半徑a1和刀輥角速度ω有關。其中淺旋勻土刀輥作業時,螺旋勻土葉片不宜入土過深,以免增大旋耕阻力,增加功耗,且螺旋勻土葉片在土壤中會產生磨損,降低機具使用壽命,螺旋勻土葉片作業深度設計為10～30 mm,若使土壤從中部向兩側運動,需滿足δ≤90°-φ,則螺旋半徑a1為80～100 mm。由式(10)～(12)可得螺距s≤546.6 mm,為避免在作業過程中發生壅土現象,螺距s大于兩倍切土節距要求的土垡邊長,可得s≥120 mm,綜合考慮機具尺寸及作業效果,選取螺距s為250～350 mm。

2.3.3淺旋彎刀安裝數量分析

左右2個淺旋勻土刀輥與齒輪箱呈中間對稱布置,淺旋彎刀朝外側等距排布在刀軸上,即淺旋左彎刀安裝在左刀輥上,淺旋右彎刀安裝在右刀輥上,實現土壤向畦溝兩側廂面遷移。

為避免同一切土區域內淺旋彎刀之間夾土,設計在一個淺旋彎刀刀盤上安裝兩把淺旋彎刀,且兩把淺旋彎刀相隔180°,則淺旋勻土刀輥上安裝的淺旋彎刀的總數量為

(13)

其中

B=b+b′

式中B——刀座間距,mm

Q′——淺旋勻土刀輥上淺旋彎刀總數量

Q——同一切土小區內淺旋彎刀數量

b——淺旋彎刀工作幅寬,mm

b′——刀盤間距,取15～20 mm

D2——淺旋勻土刀輥工作幅寬,mm

淺旋彎刀在作業的過程中可與周圍的土發生撕扯,因此淺旋彎刀刀盤間隙b′取15～20 mm,經計算淺旋刀輥上需安裝淺旋彎刀總數為40,即左、右彎刀各20。

淺旋彎刀按雙頭螺旋線排布[19],螺旋勻土葉片安裝在其間,螺旋升角δ為

(14)

當螺旋勻土葉片作業深度為10～30 mm時,螺旋半徑a1為80～100 mm,此時螺旋升角δ為30°～36°。

3 仿真

3.1 仿真模型建立

通過EDEM軟件建立離散元仿真模型,研究螺旋勻土葉片不同結構參數對裝置作業效果,如圖9所示,參照文獻[20-23]設置仿真模型相關參數?？紤]到長江中下游地區土壤黏重,土壤顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin with Bonding模型,該模型適用于模擬粘性顆粒之間破碎和斷裂。土壤顆粒半徑設置為8 mm,采用8個半徑為6 mm的球形顆粒組成的長條型模型模擬實際作業中地表秸稈。

圖9 仿真模型Fig.9 Simulation model

3.2 試驗因素與方法

開展三因素三水平正交旋轉組合試驗,螺旋勻土葉片結構參數因素及水平如表2所示,選取作業后廂面平整度為評價指標。由于機具后方的拖土板對作業廂面具有一定的平整壓實作用,為了更好地體現淺旋勻土刀輥的整平效果,在仿真模型中提高拖土板的高度,使其處于土槽顆粒上方,僅起到遮擋飛濺的土壤顆粒的作用,將仿真模型導入已建立的土槽中。仿真時設置淺旋勻土部件前進速度為7 km/h。

表2 仿真試驗因素編碼Tab.2 Simulation experiment factors and codes

仿真結束后,利用Clipping切片功能對淺旋勻土部件作業后的土壤穩定區進行隨機采樣,每隔500 mm截取厚度為10 mm的土壤切片作為一個樣本,每次仿真試驗采集3個樣本。將每個樣本切片的切面分別導入CAD中,在作業幅寬范圍內每隔160 mm做該處最高點顆粒的切線,測量此處切線與土槽底部橫線的距離,記為Xi(取樣點序號i=1,2,…,12),測量方法如圖10所示,計算標準差,即為廂面平整度[24],計算式為

(15)

式中S′——廂面平整度,mm

n——取樣點數量,取12

3.3 結果分析

正交試驗結果如表3所示,A、B、C為因素編碼值,對正交試驗結果進行多元線性回歸,建立廂面平整度S′對螺旋半徑、螺距、螺旋頭數的二次多項式回歸模型,其回歸方程為

表3 正交試驗結果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)

對正交試驗結果進行方差分析,其結果如表4所示。

表4 正交試驗結果方差分析Tab.4 Regression equation analysis of orthogonal test results

由表4可知,螺旋半徑A、螺距B及其交互項AB對響應值均具有顯著影響,其中螺旋半徑A、螺距B表現為極顯著,而螺旋頭數C和交互項AC、BC則均表現為不顯著,3個試驗因素對廂面平整度的影響程度從大到小依次為螺距B、螺旋半徑A、螺旋頭數C。

交互項AB表現為顯著,為研究螺旋半徑與螺距間交互作用對廂面平整度的影響規律,將螺旋頭數取為1,則交互作用響應曲面如圖11所示。

圖11 交互作用響應曲面Fig.11 Response surface for interaction

由圖11可知,在螺距一定時,廂面平整度S′隨螺旋半徑增加呈先減小后增大的趨勢;在螺旋半徑一定時,廂面平整度隨螺距增加而先減小后增大,當螺旋半徑為97.57 mm、螺距為336.28 mm、螺旋頭數為1.15時,廂面平整度最優,為12.69 mm,為便于加工制造,螺旋勻土葉片最佳結構參數:螺旋半徑為100 mm、螺距為350 mm、螺旋頭數為1,此時螺旋升角δ為30°,對應的淺旋彎刀及螺旋勻土葉片結構布局如圖12所示。在該參數下,機具進行仿真作業,作業后效果如圖13所示。

圖12 淺旋勻土刀輥排布示意圖Fig.12 Arrangement diagram of uniform distribution device for furrow soil1.淺旋右彎刀 2.右螺旋葉片 3.開畦溝右彎刀 4.開畦溝左彎刀 5.左螺旋葉片 6.淺旋左彎刀

圖13 機具仿真作業效果Fig.13 Simulation effect

4 田間試驗

4.1 試驗條件與方法

為驗證油菜中間開溝淺旋勻土裝置作業性能,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田間試驗。試驗工況均為常年采用稻-油輪作模式的田塊,其土壤類型為偏黏性土,前茬作物為水稻;試驗工況如表5所示。試驗設備包括東方紅954型拖拉機、安裝有開溝淺旋裝置的油菜直播機、TJSD-9570型數顯土壤堅實度測定儀(浙江托普云農科技股份有限公司,精度±0.005% FS)、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、土壤取樣環刀、電子天平、干燥箱等。

表5 試驗工況參數Tab.5 Test conditions parameters

試驗時設置機具作業速度為7 km/h,機組每個行程沿直線方向的作業距離為50 m,取每個行程的中間30 m作為測量區域,每組試驗重復3次。參考NY/T 740—2003《田間開溝機械作業質量》、GB/T 5668—2008《旋耕機》和NY/T1143—2006《播種機質量評價技術規范》,結合油菜種植農藝要求,確定試驗指標有耕深及耕深穩定性系數、畦溝溝型及穩定性系數、廂面平整度、碎土率、秸稈埋覆率及出苗率等指標。

4.2 試驗結果分析

安裝有開溝淺旋裝置的油菜直播機田間作業效果如圖14及表6所示,作業后廂面平整,畦溝溝型完好,機具作業耕深平均為51.3 mm,耕深穩定性系數達到90%以上,秸稈埋覆率達到84.38%,碎土率達到86.41%,廂面平整度達到30.18 mm,平均畦溝溝深為212.8 mm,上溝寬為328.2 mm,下溝寬為264.8 mm,畦溝溝深溝寬穩定性均大于85%,無明顯土壤回流現象,油菜出苗率為75.47%,如圖15所示,油菜生長狀態良好,裝置作業效果滿足油菜直播作業要求。各項指標均滿足NY/T 740—2003《田間開溝機械作業質量》、GB/T 5668—2008《旋耕機》和NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規范》標準要求。

表6 田間試驗結果Tab.6 Test conditions parameters

圖14 機具田間作業效果Fig.14 Effectiveness of machine work in field

圖15 播種試驗出苗效果Fig.15 Seedling emergence results

5 結論

(1)針對油菜輕簡高效生產需求及目前機具作業易出現廂面不平、碎土質量不高及“晾種”,導致油菜出苗率低的生產難題,設計了一種油菜機械直播機開溝淺旋裝置,實現中間開畦溝、畦溝土壤拋送覆蓋兩側廂面,淺旋勻土部件勻土及細碎廂面土壤、埋覆土壤和秸稈功能。

(2)基于滑切減阻原理及擠壓力學理論,確定了中間開畦溝部、清溝整形部件及淺旋勻土部件結構參數,得出中間開畦溝刀盤安裝彎刀數量為4,切土節距為60 mm,清溝整形部件整形面側面傾角為67°,前面傾角為3°,淺旋彎刀側切刃偏心圓半徑為182 mm,滑切角為42.4°;運用EDEM軟件開展正交旋轉組合試驗,確定了螺旋勻土葉片的最佳結構參數取值:螺旋半徑為100 mm、螺距為350 mm、螺旋頭數為1,并確定了淺旋彎刀及螺旋勻土葉片結構布局。

(3)安裝有開溝淺旋裝置的油菜直播機田間試驗表明,當機組前進速度為7 km/h時,安裝有開溝淺旋裝置的油菜直播機作業后廂面平整,畦溝溝型完好,機具作業耕深為51.3 mm,耕深穩定性系數大于90%,秸稈埋覆率為84.38%,碎土率為86.41%,廂面平整度為30.18 mm,平均畦溝溝深為212.8 mm,上溝寬為328.2 mm,下溝寬為264.8 mm,畦溝溝深溝寬穩定性系數均大于85%,油菜出苗率為75.47%,油菜生長狀態良好,裝置作業效果滿足油菜直播作業要求。