協撥組合式玉米條帶秸稈清理裝置設計與試驗

高 振 盧彩云 位旭陽 李洪文 何 進 王慶杰

(1.中國農業大學工學院, 北京 100083; 2.農業農村部河北北部耕地保育科學觀測實驗站, 北京 100083;3.中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所, 洛陽 471023)

0 引言

中國東北黑土區總面積約1.03×106km2,是世界排名第三的黑土區[1-3]。保護性耕作技術是實施黑土地保護的有效舉措,其技術要點主要是對農田實行免耕、少耕和作物秸稈覆蓋地表[4-6]。東北地區玉米秸稈量大,秸稈全量還田條件下,地溫回升慢,出苗不齊,且機械化播種容易造成機具堵塞、播種晾籽等問題。針對以上問題,研究人員提出條帶耕作的方法,即通過秸稈集行,形成清秸帶和秸稈帶相間的地表環境,研究發現,條帶耕作技術具有土壤擾動小,作業成本低,地溫提升快等優點[7-9]。

條帶秸稈清理裝置是玉米條帶清秸耕整機的重要組成部分,直接影響清秸帶秸稈殘留量和后續播種難易程度,是條帶耕整機研究的重點。于暢暢等[10]提出螺旋切分式種帶清秸裝置結構,由拖拉機動力輸出軸驅動切口圓盤切割秸稈,在清茬刀的旋轉推送下,將秸稈輸送到清秸帶兩側。陳海濤等[11]提出螺旋刀齒秸稈清理裝置,將清秸刀螺旋周布,由拖拉機后輸出軸主動驅動,實現種床秸稈清茬、拋撒。袁盼盼等[12]提出滴灌帶秸稈清理裝置,可根據滴灌帶作業要求完成不同次序的種帶清理。林靜等[13]提出的星型清壟裝置,圓盤犁刀能夠完成無支撐和有支撐兩種切割方式,在玉米壟作地完成清壟工作方便后續播種。

條帶耕整機的作業性能與條耕質量密切相關,國內對條帶耕整機研究尚處于起步階段,無法滿足東北黑土地條帶耕作需求。條帶集行是條帶耕作的核心,東北地區秸稈量大,現有條帶秸稈清理裝置集行效果差、秸稈清理率低,難以直接應用于東北地區。為此,本文設計一種協撥組合式條帶秸稈清理裝置,以期實現秸稈集行并降低土壤擾動量。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

協撥組合式條帶秸稈清理裝置結構如圖1所示,主要由地表自適應機構和協撥組合清秸輪組成。地表自適應機構包括仿形支撐座、仿形調節裝置和平行四連桿架,仿形支撐座焊接在機架上,平行四連桿架采用專用自鎖螺母鉸接。協撥組合清秸輪包括清秸輪、清秸輪安裝架和限深輪,清秸輪和限深輪通過軸承座固定在清秸輪安裝架上,清秸輪安裝架采用專用自鎖螺母與平行四連桿架鉸接。

圖1 協撥組合式條帶秸稈清理裝置Fig.1 Co-stirring combined strip straw cleaning device1.清秸輪 2.清秸輪安裝架 3.仿形支撐座 4.仿形調節裝置 5.平行四連桿架 6.清秸輪安裝架 7.限深輪

1.2 工作原理

作業時,地表自適應機構根據地表起伏對協撥組合清秸輪單體的垂直位置進行調整,保證清秸輪輪齒始終與地面秸稈接觸,避免撥秸失效。協撥組合清秸輪在地面摩擦力和牽引力形成的旋轉力矩作用下轉動,通過左右清秸輪的配合作業,將秸稈導流撥送至清秸輪兩側形成清秸帶。

秸稈在協撥組合式條帶秸稈清理裝置作用下的流動情況如圖2所示,圖中紅色框線區域為清秸帶,清秸帶兩側是秸稈帶。清秸輪以速度v0進行作業時,清秸輪齒首先觸碰秸稈,秸稈沿著清秸輪輪面向后流動,在輪齒的連續推送下,秸稈持續沿輪面流動,最終輪齒與秸稈分離,秸稈維持末速度斜拋,落到地面形成秸稈帶。

圖2 秸稈清理示意圖Fig.2 Schematic of straw cleaning1.清秸帶殘留秸稈 2.左清秸輪 3.右清秸輪 4.秸稈帶秸稈

2 協撥清秸輪設計

清秸輪是協撥組合式條帶秸稈清理裝置的核心部件,為了滿足秸稈集行要求,分析秸稈集行時清秸輪施加給秸稈的作用力,合理設計清秸輪的結構參數和布置方案。

2.1 清秸輪齒形設計

2.1.1清秸輪齒形選擇

按照輪齒切線與過圓心直線的關系,清秸輪齒形可分為徑向、前傾和后傾[14]。以清秸輪開始碰觸秸稈時刻和清秸輪將秸稈撥離地面時刻為例,對兩個時間節點中不同齒形清秸輪作用下的秸稈進行受力分析。通過對比清理秸稈過程中秸稈的受力變化,分析不同齒形清秸輪清理秸稈的效果。

清秸輪開始觸碰秸稈時,秸稈受力情況如圖3所示。以秸稈中心為坐標原點,以平行地面方向為X軸,以垂直地面方向為Y軸建立坐標系。秸稈在清秸輪的推移下向X軸方向運動,僅分析輪面方向秸稈的受力情況,此時秸稈受自身重力G1,清秸輪對秸稈的摩擦力f1,清秸輪對秸稈的支持力N1,地面對秸稈的摩擦力f2,地面對秸稈的支持力N2。

圖3 清秸輪剛接觸秸稈時秸稈受力分析Fig.3 Force analysis of straw when straw cleaning wheel just touched straw

由于清秸輪剛觸碰秸稈時,豎直方向相對地面無運動,即秸稈豎直方向受力平衡,秸稈沿著地面向前滾動,此時秸稈沿著地面方向的速度由水平方向的合力決定。3種清秸輪水平方向合力為

(1)

根據式(1)設函數

Y=N1cosФ-f1sinФ-f2

(2)

對式(2)求導得

Y′=-N1sinФ-f1cosФ

(3)

式中FaX——徑向清秸輪水平方向合力,N

FbX——后傾清秸輪水平方向合力,N

FcX——前傾清秸輪水平方向合力,N

Ф——f1與G1的夾角

由圖3可知,清秸輪對秸稈的摩擦力與秸稈重力的夾角Ф小于π/2,則式(3)小于零,即隨著夾角Ф的增大Y減小,其中Ф2>Ф1>Ф3,即FcX>FaX>FbX。所以,按照清秸輪剛觸碰秸稈時秸稈沿水平方向向前移動的趨勢,將3種清秸輪由大到小排序為:前傾清秸輪、徑向清秸輪、后傾清秸輪。隨著清秸輪繼續撥動秸稈,清秸輪對秸稈的摩擦力與秸稈重力的夾角Ф先減少后增大,但夾角Ф始終小于π/2。所以,隨著清秸輪繼續撥動秸稈,按照秸稈沿水平方向向前移動的趨勢,將3種清秸輪排序仍為:前傾清秸輪、徑向清秸輪、后傾清秸輪。

清秸輪將秸稈撥離地面時刻,秸稈的受力情況如圖4所示。以秸稈中心為坐標原點,以垂直齒面方向為X軸,以平行齒面方向為Y軸建立坐標系。秸稈在清秸輪作用下沿X軸拋離,對輪面方向秸稈的受力情況進行分析,此時秸稈受自身重力G1,清秸輪對秸稈的摩擦力f1,清秸輪對秸稈的支持力N1。

圖4 清秸輪拋出秸稈時秸稈受力分析Fig.4 Force analysis of straw when straw was thrown out by straw cleaning wheel

由于清秸輪將秸稈撥離地面的瞬間,地面對秸稈無作用力,因此接觸面方向秸稈受力平衡。此時秸稈垂直接觸面方向的速度由X軸方向的合力決定,3種清秸輪垂直接觸面方向的合力為

(4)

根據式(4)設函數

Y1=N1-G1sinφ

(5)

對式(5)求導得

Y′1=-G1cosφ

(6)

式中FaX1——徑向清秸輪垂直接觸面方向的合力,N

FbX1——后傾清秸輪垂直接觸面方向的合力,N

FcX1——前傾清秸輪垂直接觸面方向的合力,N

Ψ——G1與平行接觸面方向的夾角

由圖4可知,秸稈重力與垂直接觸面方向夾角Ψ小于π/2,則式(6)小于零,即隨著夾角Ψ的增大Y1減小。其中Ψ3>Ψ1>Ψ2,即FbX1>FaX1>FcX1,清秸輪將秸稈撥離地面時,按照秸稈沿垂直接觸面方向繼續移動的趨勢,將3種清秸輪由大到小排序為:后傾清秸輪、徑向清秸輪、前傾清秸輪。

綜上所述,徑向清秸輪連續向前撥動秸稈的性能優于后傾清秸輪,將秸稈拋離地面的性能優于前傾清秸輪,在剛觸碰秸稈時刻和將秸稈拋離地面時都表現出較好的性能。在剛接觸秸稈時,它能夠平穩地與秸稈接觸并逐漸撥動,從而減小對秸稈和設備的沖擊;在將秸稈撥離地面時,能夠將秸稈有效地拋離地面;而在持續撥動階段,徑向清秸輪能夠持續有效地清理秸稈,保持清理效果的穩定性,所以選擇徑向清秸輪。

2.1.2清秸輪齒形優化

徑向清秸輪撥送秸稈時部分輪齒與土壤接觸,為減小清秸輪在土壤中的阻力,對徑向清秸輪齒的輪齒銳化處理。徑向清秸輪輪齒銳化前后秸稈被拋離地面時刻的受力情況如圖5所示,以秸稈中心為坐標原點,以垂直齒面方向為X軸,以平行齒面方向為Y軸建立坐標系。

圖5 銳化前后秸稈受力分析Fig.5 Force analysis of straw before and after sharpen

從圖5可知,徑向清秸輪銳化前輪齒末端在進入土壤時接觸面積C1大于銳化后輪齒末端在進入土壤時接觸面積C2,銳化后阻力較小,提升了清秸輪入土能力,降低了清秸輪與土壤接觸過程中的能量損耗。徑向清秸輪銳化前后將秸稈撥離地面時秸稈的受力情況發生改變,重力與沿著接觸面方向的夾角減小。其中Ψ4>Ψ5,根據式(5)、(6)分析知,徑向清秸輪銳化后將秸稈撥離地面時垂直接觸面的趨勢增加,能夠有效提升秸稈的拋離效果。

將清秸輪輪齒銳化可以減小入土阻力,增大秸稈重力方向與垂直接觸面方向的夾角Ψ,改變清秸輪撥離秸稈時秸稈的運動方向,提升X軸的速度分量,降低Y軸豎直分速度,提升清秸效果。清秸輪的入土深度是影響清秸阻力的因素,如圖6所示徑向清秸輪沿著輪面方向旋轉時,當輪齒旋轉到與地面垂直時輪齒入土深度最大,入土阻力最大。

圖6 輪齒銳化結構圖Fig.6 Tooth sharpening structure diagram

在清秸輪入土阻力最大時,同樣的銳化清秸輪在相同的入土深度時,減小輪齒在土壤中水平寬度W1和W2可以減小輪齒在土壤中的工作阻力。輪齒尖端寬度W2過小,清秸輪工作過程中可能出現扎秸現象,而且清秸輪工作時尖端更易磨損,因此本文設尖端寬度W2為3 mm。由圖6幾何關系可知θ1為

(7)

式中θ1——清秸輪輪齒銳化角度,(°)

h1——清秸輪入土深度,mm

清秸輪與土壤水平接觸寬度影響輪齒的強度,W1越大輪齒壽命越高,因此本文W1與齒寬W相同為14 mm。

清秸輪入土深度h1為25 mm,代入式(7)得θ1為23.7°。

2.2 清秸輪參數設計

2.2.1清秸輪理論幅寬

清秸輪工作時左右輪對置分布,圖7為右清秸輪工作示意圖,X軸為機具前進方向,Y軸為垂直于機具前進方向,Z軸為垂直地面方向。沿機具前進方向正視清秸輪得到ZOY面的投影,清秸輪輪面與XOZ面的夾角為側傾角β,清秸輪入土深度為h1,清秸輪輪齒的運動軌跡與土壤表面水平線交點為嚙合點m和嚙合點n,在ZOY面清秸輪有效工作幅寬為b。從垂直地面方向俯視清秸輪得到XOY面的投影,清秸輪與機具前進方向的夾角為前傾角α,嚙合點m和嚙合點n對應清秸輪沿輪面方向的有效寬度為Lmn。

圖7 清秸輪工作示意圖Fig.7 Schematic of work of straw cleaning wheel

清秸輪的入土深度影響嚙合點位置、清秸輪旋轉力矩和土壤擾動量。入土深度過淺嚙合點m和點n在ZOY面的有效幅寬窄,不符合作業要求,且地面摩擦力小使清秸輪旋轉力矩過小旋轉不流暢;入土深度過大,嚙合點m和點n區間接觸土壤量大,清秸阻力大,增大土壤擾動量,綜合考慮取清秸輪入土深度h1為25 mm。清秸輪入土深度沿輪面方向的長度h2,可以近似為

(8)

結合圖7可知清秸輪沿輪面方向的有效寬度[15]Lmn為

(9)

式中R——清秸輪半徑,mm

清秸輪理論幅寬b為

(10)

2.2.2清秸輪齒長和半徑

清秸輪依靠輪齒撥動地表秸稈達到秸稈集行的目的,清秸輪齒長E應大于秸稈厚度與入土深度之和,即

E>E1+h1

(11)

式中E1——秸稈厚度,mm

東北地區條耕前秸稈層平均厚度E1=40 mm,結合清秸輪入土深度h1= 25 mm,由式(11)得輪齒長度E為65 mm。

參照《農業機械設計手冊》[16],清秸輪半徑R為

R=Kdk

(12)

式中K——徑深比,取1.5～2.5

dk——清秸輪工作深度,mm

通過限深輪限制清秸輪工作深度,清秸輪最大工作深度等于輪齒長度E,得清秸輪半徑為98.5～162.5 mm。清秸輪半徑越大清秸幅寬越易滿足條耕作業農藝要求,參考傳統中小型免耕播種機清茬防堵機構參數,選取清秸輪半徑為162.5 mm。

2.2.3清秸輪齒數

清秸輪齒數n決定相鄰齒之間的弧線長度L1,弧線長度過短,兩清秸輪間容易夾帶秸稈,弧線長度過長,清秸輪撥秸不連續容易造成漏撥。根據圖8可知相鄰齒之間的弧線長度L1為

圖8 清秸輪參數Fig.8 Parameter of straw cleaning wheel

(13)

式中θ2——相鄰齒輪間隔角,(°)

根據《農業機械設計手冊》[16],參考免耕播種機防堵機構取清秸輪相鄰齒輪間隔角θ2為30°,由式(13) 計算此時相鄰輪齒弧線長度L1為37.1 mm,弧線長度L1大于玉米秸稈直徑,滿足清秸輪齒間不夾帶秸稈的要求。此時清秸輪齒數n為

(14)

將θ2代入計算得清秸輪齒數為12。

3 離散元仿真試驗

秸稈清理率是評價條帶秸稈清理裝置的重要指標,反映條帶秸稈清理裝置的工作性能[17-19]。根據前文分析可知,清秸輪前傾角和側傾角是影響清秸輪的結構參數,影響秸稈集行效果;條帶秸稈清理裝置的前進速度與清秸輪對秸稈的沖量有關,影響秸稈集行效果。為分析條帶秸稈清理裝置的工作性能,以前進速度、前傾角、側傾角為試驗因素,以秸稈清理率為試驗指標,開展離散元仿真試驗。

3.1 離散元仿真模型構建

根據東北地區條耕時土壤條件,運用EDEM離散元仿真軟件建立虛擬土槽模型。設置土槽基本尺寸(長×寬×高)為2 000 mm×1 000 mm×100 mm,在土槽上方建立顆粒工廠,生成厚100 mm的土壤顆粒。設定土壤顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with no slip[20-21]。

條帶秸稈清理裝置的工作對象主要為玉米秸稈,建立符合實際的玉米秸稈模型對保證模擬數據的準確性有重要意義。根據實際測量和文獻[22-23],采用20個直徑18 mm、球心間距為5 mm的球體組成長112 mm的長圓線型模型作為玉米秸稈顆粒模型,秸稈顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with no slip模型[24-25]。玉米秸稈顆粒生成位置和下落姿態為隨機受自身重力作用下落,在土槽模型內生成厚度為40 mm左右秸稈層。

在SolidWorks 2018中建立清秸模型,為提高仿真效率,對三維模型進行簡化,僅保留兩清秸輪作為主要工作部件,將文件另存為.stp格式導入EDEM軟件中,如圖9所示,清秸輪采用65Mn鋼,清秸輪與土壤、秸稈顆粒間的接觸模型選定為Hertz-Mindlin with no slip模型。設置正確的旋轉方向、角速度、前傾角和側傾角,沿旋轉軸勻速旋轉,并設置清秸輪正確的行駛方向和前進速度,模擬清秸過程。

圖9 仿真模型與清秸輪模型Fig.9 Simulation model and straw cleaning wheel model

在清秸輪仿真過程中,清秸輪-土壤顆粒、清秸輪-秸稈顆粒、土壤-土壤顆粒、秸稈-秸稈顆粒和土壤-秸稈之間均發生接觸,并產生相對運動。通過查閱文獻,在EDEM軟件中設置各離散元仿真模型接觸參數如表1所示。

表1 材料參數和接觸參數Tab.1 Material parameters and contact parameters

在仿真過程中通過記錄清秸作業時條帶區域內秸稈質量的變化,反映條帶秸稈清理裝置的工作效果。在EDEM軟件Setup Selections模塊添加Grid Bin Group傳感器,設置檢測顆粒類型為秸稈。設置秸稈傳感器長×寬×高為2 100 mm×200 mm×150 mm, 傳感器大小與理論清秸幅寬對應,秸稈傳感器的中心與土槽中心重合。

如圖10所示,仿真過程中傳感器記錄區域內秸稈質量變化情況。圖中綠色方框為設置的檢測區域,灰色顆粒為土壤顆粒,黃色和橙色顆粒為秸稈顆粒,在統計區域內的秸稈顆粒顯示為橙色。

圖10 秸稈清理率檢測Fig.10 Detection of straw cleaning rate

每組仿真結束后,在后處理中導出數據,秸稈清理率計算式為

(15)

式中ζ1——秸稈清理率,%

m1——仿真后秸稈質量,kg

m0——仿真前秸稈質量,kg

3.2 單因素試驗

以前進速度、前傾角、側傾角為試驗因素,以秸稈清理率為試驗指標,設計單因素仿真試驗,分析上述因素對仿真清秸過程中秸稈運動特性和秸稈清理率的影響。

3.2.1前進速度

以清秸輪前進速度為試驗因素,進行單因素試驗,分析前進速度對秸稈清理率的影響。設置清秸輪前傾角32.5°、側傾角0°、入土深度25 mm,前進速度在4～9 km/h之間變化,增量為1 km/h。不同前進速度時,離散元仿真0.9 s時秸稈和土壤的運動云圖如圖11所示。

圖11 不同速度下仿真云圖Fig.11 Simulation cloud images at different speeds

由圖11可知,清秸輪前進速度對秸稈運動速度有影響,清秸輪前進速度越大,秸稈運動越劇烈。以運動速度達到2.0 m/s的秸稈(以下簡稱高速秸稈)為例,清秸輪前進速度為7～9 km/h時,高速秸稈的數量明顯高于清秸輪前進速度為4～6 km/h。因此,提高前進速度能夠促進秸稈運動。

秸稈清理率結果如圖12所示。當前進速度在4～7 km/h范圍內變化時,隨著前進速度的增加,秸稈清理率迅速提高。當清秸輪前進速度較小時,秸稈的運動速度較小,導致一些秸稈雖然有運動,但仍在清秸帶內。當前進速度在7～9 km/h范圍內變化時,清秸輪前進速度增加,秸稈運動速度增加。雖然秸稈運動速度增加,但短時間內需要處理的秸稈量也隨之增加,導致秸稈清理率在該范圍內沒有明顯變化。為保證條帶秸稈清理裝置的清秸質量,秸稈清理率應該大于80%,綜合以上分析,在正交試驗中設定清秸輪前進速度范圍為6～8 km/h。

圖12 不同前進速度時秸稈清理率變化曲線Fig.12 Change curve of straw cleaning rate at different forward speeds

3.2.2前傾角

以清秸輪前傾角為試驗因素,進行單因素試驗,分析清秸輪的前傾角對秸稈清理率的影響。設置清秸輪前進速度7 km/h、側傾角0°、入土深度25 mm, 參考免耕播種機清秸輪前傾角工作參數,設置清秸輪前傾角在30°～35°范圍內變化,增量為2.5°。離散元仿真至0.9 s時,前傾角為30°、32.5°、35°時的秸稈運動云圖如圖13所示。

圖13 不同前傾角下仿真云圖Fig.13 Simulation cloud images under different forward tilt angles

由圖13可知,秸稈顆粒在清秸輪作用下向側前方運動,形成清秸帶,當清秸輪前傾角在30°～35°范圍內時,高速秸稈數量無明顯變化,前傾角對秸稈運動速度影響較小。當清秸輪前傾角在30°～35°范圍內時,清秸幅寬隨清秸輪前傾角增大而增大。分析秸稈運動云圖可知,提升清秸輪前傾角對秸稈運動速度影響不明顯。

秸稈清理率結果如圖14所示,清秸輪前傾角在30°～35°范圍內變化時,隨清秸輪前傾角增大,秸稈清理率增大,但增量較小。條帶內秸稈清理率均大于84%,清秸效果較好,滿足清秸要求。

圖14 不同前傾角時秸稈清理率變化曲線Fig.14 Change curve of straw cleaning rate at different forward tilt angles

3.2.3側傾角

以清秸輪側傾角為試驗因素,進行單因素試驗,分析清秸輪側傾角對秸稈清理率的影響。設置清秸輪前進速度7 km/h、前傾角32.5°、入土深度25 mm, 設置清秸輪側傾角在-15°～15°范圍內變化,增量為7.5°。離散元仿真至0.9 s時,側傾角為-15°、-7.5°、0°、7.5°、15°時秸稈運動云圖如圖15所示。

圖15 不同側傾角下仿真云圖Fig.15 Simulation cloud images at different roll angles

由圖15可知,秸稈顆粒在清秸輪作用下向清秸輪側前方運動,形成清秸帶,當清秸輪側傾角在-15°～15°范圍內變化時,高速秸稈數量無明顯變化,側傾角對秸稈運動速度影響較小。由圖15可知,不同側傾角的清秸帶內秸稈殘留數量差異較大,其中側傾角-15°時,殘留的秸稈最多。

秸稈清理率如圖16所示。由圖16可知,隨清秸輪側傾角增加,秸稈清理率提升,在-15°～0°時秸稈清理率提升較快,在0°～15°秸稈清理率提升緩慢。清秸輪側傾角對秸稈清理率的影響較顯著,因此在正交試驗中設定清秸輪側傾角范圍為-15°～15°。

圖16 不同側傾角時秸稈清理率的變化曲線Fig.16 Change curve of straw cleaning rate at different roll angles

3.3 正交試驗

3.3.1試驗方案與試驗結果

通過單因素離散元仿真試驗,分析清秸輪前進速度、前傾角和側傾角對秸稈清理率的影響,為進一步分析這3個參數對秸稈清理率影響的交互作用,獲取秸稈清理率的最佳參數組合,選取Box-Behnken試驗方案,以清秸輪的前傾角、側傾角和前進速度為試驗因素,秸稈清理率為試驗指標,開展離散元仿真試驗。試驗因素編碼如表2所示,試驗方案設計與試驗結果如表3所示,其中x1、x2、x3為編碼值。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 Box-Behnken試驗方案及結果Tab.3 Box-Behnken test scheme and results

3.3.2試驗結果方差分析

利用分析軟件Design-Expert 10.0.7對仿真結果進行方差分析,結果如表4所示。通過方差分析可知,前進速度、前傾角、側傾角對秸稈清理率影響極顯著,交互項中側傾角的平方項對秸稈清理率影響極顯著;前進速度與前傾角的交互項、前傾角與側傾角的交互項對秸稈清理率影響顯著。主因素對秸稈清理率顯著性影響由大到小為側傾角、前傾角、前進速度,模型失擬差P>0.05,失擬項不顯著,證明擬合效果較好。對不顯著項剔除后再次分析,得到方差分析表,結果如表5所示。其回歸方程為

表4 秸稈清理率方差分析Tab.4 Variance analysis of straw cleaning rate

表5 剔除不顯著因素秸稈清理率方差分析Tab.5 Analysis of straw cleaning rate variance of removal of insignificant factors

(16)

3.3.3響應曲面分析

為了分析試驗因素與秸稈清理率的關系,運用分析軟件Design-Expert 10.0.7得到前進速度和前傾角交互項及前傾角和側傾角交互項的顯著性響應曲面。

圖17為側傾角0°時,前傾角和前進速度交互項的顯著性響應曲面。從圖17可知,秸稈清理率與前進速度、前傾角呈正相關,并隨著前傾角增大秸稈清理率隨速度提升的增量逐漸變少。在清秸輪前傾角不變時,前進速度增加清秸輪的角速度增加,加劇秸稈與輪齒的碰撞,使秸稈更容易被集行處理,秸稈清理率增大;在前進速度不變時,由式(4)可知,清秸輪的角速度與前傾角為正弦函數關系,在試驗區間內呈正相關,前傾角增大等同于提升了清秸輪的角速度,秸稈清理率提升。結合表4顯著性結果分析,清秸輪前傾角的影響效果大于前進速度。

圖17 前進速度和前傾角交互項響應曲面Fig.17 Response surface of interaction term between forward speed and forward tilt angle

圖18為前進速度7 km/h時,清秸輪前傾角和側傾角交互項的顯著性響應曲面。從圖18可以看出,秸稈清理率與清秸輪前傾角、側傾角呈正相關,并隨著清秸輪前傾角、側傾角數值增大秸稈清理率提升量將逐漸變小。當側傾角一定時,前傾角增大秸稈清理率提升顯著,并隨著清秸輪側傾角的增大提升效果逐漸不明顯;當清秸輪前傾角一定時,側傾角變大清秸效果提升明顯,相關性最為顯著。當側傾角變大時,秸稈運動軌跡向兩側的趨勢明顯,集行效果顯著,秸稈清理率提升。

圖18 前傾角和側傾角交互項響應曲面Fig.18 Response surface for interaction term betweentilt angle and roll angle

3.3.4參數優化

利用Design-Expert 10.0.7軟件中的優化模塊,對上述回歸模型進行約束目標優化求解,得到清秸輪的最佳運動參數與結構參數。根據實際作業及相關理論得到優化約束條件、目標及約束函數為

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根據目標函數優化求解得,當機具前進速度為7.8 km/h、前傾角31.7°、側傾角13.4°時,秸稈清理率為91.62%。

4 田間試驗

4.1 試驗條件與試驗方案

為驗證離散元仿真結果,在遼寧省本溪市本溪滿族自治縣小市鎮開展了機具田間工作性能試驗。遼寧省本溪滿族自治縣地處遼寧省東部,屬于東北黑土區,土壤肥沃,位于東經123°34′～124°45′,北緯38°43′～43°26′之間,氣候屬于北溫帶濕潤氣候,年降雨量800～1 000 mm。試驗地區位于遼寧省本溪滿族自治縣小市鎮附近農戶自種田,屬于一年一熟壟作地,前茬作物為玉米,收獲時秸稈粉碎還田,根茬無處理,試驗地情況如圖19a所示。試驗前對試驗田地表情況和土壤理化特性進行測試,包括玉米行距、株距,根茬留茬高度、根茬直徑、秸稈平均覆蓋量、土壤緊實度、溫度、土壤含水率,結果如表6所示。

表6 試驗田地況數據采集Tab.6 Test field data collection results

開展條帶秸稈清理裝置田間試驗時,將條帶耕整機的土壤耕整裝置、鎮壓裝置卸掉,如圖19b所示。設置協撥清秸輪前傾角31.7°、側傾角13.4°,對比單點仿形和平行四連桿仿形,機具前進速度為6、7、8 km/h的作業效果,并測量秸稈清理率和清秸幅寬,如圖19c、19d所示,清秸作業后效果如圖19e所示。

4.2 試驗結果分析

4.2.1秸稈清理率

圖20為不同仿形方案下平均秸稈清理率隨前進速度的變化趨勢,機具前進速度6～8 km/h時,兩種仿形方案平均秸稈清理率為87%～90%,秸稈清理率隨前進速度逐漸增加。

圖20 不同仿形方案下平均秸稈清理率變化曲線Fig.20 Change curves in average straw cleaning rate under different profiling schemes

4.2.2清秸幅寬

圖21為不同仿形方案下平均清秸幅寬隨前進速度的變化趨勢,在前進速度6～8 km/h時,兩種方案平均清秸幅寬為18～20.5 cm,清秸幅寬隨前進速度先增加再減少,在前進速度7 km/h和8 km/h時清秸幅寬差異不大。

圖21 不同仿形方案下平均清秸幅寬變化曲線Fig.21 Change curves in average width of straw cleaning under different profiling schemes

5 結論

(1)對比了不同齒形清秸輪作業時秸稈的受力情況,設計了一種徑向銳化協撥清秸輪,清秸輪結構參數為半徑162.5 mm、齒數12、齒長65 mm,保證協撥清秸輪有效工作區域重疊,對置安裝時兩輪前后距離為210 mm。

(2)以秸稈清理率為試驗指標,以清秸輪的前進速度、前傾角和側傾角為試驗因素,開展離散元仿真試驗,確定協撥清秸輪工作參數機具前進速度7.8 km/h、清秸輪前傾角31.7°、側傾角13.4°時,秸稈清理率為91.62%。

(3)田間試驗結果表明,前進速度為6～8 km/h時,協撥組合式條帶秸稈清理裝置秸稈清理率為87%～90%,清秸幅寬為18～20.5 cm。