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《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第四期

摘要

為降低油菜直播機(jī)作業(yè)功耗，設(shè)計(jì)一種深淺旋組合式種床整備裝置。該裝置旋耕彎刀采用多區(qū)段雙頭螺旋線對(duì)稱排列安裝方式，作業(yè)時(shí)將廂面分為交錯(cuò)排列的種床帶和滅茬帶，實(shí)現(xiàn)種床帶深旋播種、滅茬帶淺旋滅茬的功能。結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，確定種床帶和滅茬帶主要設(shè)計(jì)參數(shù)和刀片的整體排列方式。田間試驗(yàn)表明，在試驗(yàn)工況一致前提下，直播機(jī)作業(yè)幅寬全旋耕作業(yè)功耗占直播機(jī)耕整部件功耗的72．53％～82．20％；與油菜直播機(jī)作業(yè)幅寬全旋耕相比，深淺旋組合式種床整備裝置作業(yè)功耗減少14．13％～18．04％，其作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)中植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度仍滿足旋耕作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)安裝有深淺旋組合式種床整備裝置的直播機(jī)作業(yè)后的廂面進(jìn)行地表輪廓分析，所得廂面平整，畦溝溝型穩(wěn)定。研究結(jié)果表明，深淺旋組合式種床整備裝置能有效降低直播機(jī)整機(jī)作業(yè)功耗，為直播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)功耗優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞

油菜直播機(jī)；旋耕作業(yè)；種床整備；深淺旋組合；作業(yè)功耗長(zhǎng)江中下游油菜種植前茬作物一般為水稻，作業(yè)時(shí)地表通常進(jìn)行全部旋耕作業(yè)。種床整備裝置是2BFQ－6型油菜直播機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)直接影響直播機(jī)作業(yè)功耗、作業(yè)效率、種床整備質(zhì)量及油菜生長(zhǎng)發(fā)育狀況［1］。種床整備裝置設(shè)計(jì)主要包括旋耕彎刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀片安裝排列方式及作業(yè)參數(shù)等方面［2－5］。目前，為降低種床整備裝置作業(yè)功耗、提高作業(yè)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋耕彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及旋耕彎刀安裝排列方式，通過仿真試驗(yàn)［6－9］、土槽試驗(yàn)［10－11］及田間試驗(yàn)［12－14］等進(jìn)行了大量研究。2BFQ－6型油菜直播機(jī)進(jìn)行作業(yè)幅寬全旋耕，一次作業(yè)可以獲得滿足油菜種植農(nóng)藝要求的廂面。廂面油菜種子發(fā)芽生長(zhǎng)區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱種床帶），需進(jìn)行滅茬除草和應(yīng)具有適宜的細(xì)碎土壤量及松碎土層深度，為油菜種子發(fā)芽生長(zhǎng)提供良好條件；廂面非油菜種子發(fā)芽生長(zhǎng)區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱滅茬帶），相較于種床帶，旋耕作業(yè)時(shí)，對(duì)細(xì)碎土壤量及松碎土層深度要求可相對(duì)降低，只需滅茬除草，防止雜草等生長(zhǎng)對(duì)油菜種子發(fā)芽生長(zhǎng)的影響。根據(jù)2BFQ－6型油菜直播機(jī)作業(yè)幅寬全旋耕設(shè)計(jì)要求，直播機(jī)旋耕刀輥刀軸上都安裝回轉(zhuǎn)半徑為245mm的旋耕彎刀，進(jìn)行全幅寬旋耕作業(yè)時(shí)滅茬帶與種床帶耕作深度一致，功耗較大。因此，優(yōu)化直播機(jī)種床整備裝置，有助于降低直播機(jī)整機(jī)作業(yè)功耗。針對(duì)全幅寬旋耕作業(yè)功耗較大的問題，研究設(shè)計(jì)一種油菜直播機(jī)深淺旋組合式種床整備裝置，實(shí)現(xiàn)在種床帶深旋播種，在滅茬帶淺旋滅茬功能，并通過田間對(duì)比試驗(yàn)，考察該裝置能否有效降低整機(jī)作業(yè)功耗以及能否滿足油菜種植農(nóng)藝要求，為直播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)功耗優(yōu)化提供參考。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1．1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

油菜直播機(jī)種床整備裝置對(duì)稱布置在油菜直播機(jī)中央齒輪箱兩側(cè)，作業(yè)幅寬為2m，轉(zhuǎn)速為386r／min，通過高速旋轉(zhuǎn)，種床整備裝置切斷稻茬、雜草莖稈及根系，切碎土壤，一次作業(yè)形成適合油菜播種的廂面。全幅寬旋耕作業(yè)全部安裝回轉(zhuǎn)半徑為245mm旋耕彎刀，左右刀輥各22把，其中左旋彎刀及右旋彎刀各11把，彎刀按雙頭螺旋線排列［15］。因此，需要對(duì)旋耕刀輥進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，按照作業(yè)要求，旋耕彎刀以多區(qū)段雙螺旋線對(duì)稱方式排列，均分布在刀軸周向上，使刀軸受力平穩(wěn)及轉(zhuǎn)動(dòng)平衡。深淺旋組合式種床整備裝置結(jié)構(gòu)及作業(yè)示意圖如圖1。該裝置刀輥刀軸一頭通過花鍵連接于齒輪箱底部動(dòng)力輸出軸，為種床整備裝置提供動(dòng)力。單側(cè)裝置由刀輥刀軸、刀座、旋耕彎刀及防纏草板組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，旋耕刀輥刀軸上安裝有2種類型旋耕彎刀，旋耕彎刀按照多區(qū)段雙螺旋線對(duì)稱排列方式安裝，形成交錯(cuò)排列的種床帶與滅茬帶各3個(gè)。田間作業(yè)時(shí)，通過拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)種床整備裝置旋轉(zhuǎn)，在種床帶深旋播種，為幼苗生長(zhǎng)提供適宜種床，在滅茬帶淺旋滅茬，切斷稻茬及雜草根系。同時(shí)，由安裝在旋耕刀輥兩側(cè)的開畦溝系統(tǒng)作業(yè)出廂面兩側(cè)畦溝及由安裝在旋耕刀輥后面的仿形拖板平整壓實(shí)廂面，形成最終滿足油菜種植農(nóng)藝要求的整潔畦溝及平整廂面。

1．2刀片排布

種床帶主要提供適合油菜生長(zhǎng)發(fā)育的良好著床環(huán)境，寬度為100mm，旋耕作業(yè)深度為110mm。作業(yè)時(shí)，為使種床帶具有充足的細(xì)碎土壤及松碎土層深度和盡量消除旋耕彎刀軸向側(cè)推土壤效應(yīng)，結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，在種床帶安裝4把回轉(zhuǎn)半徑為245mm的旋耕彎刀，均布在旋耕刀軸上，其中左旋彎刀及右旋彎刀各2把。每個(gè)種床帶包含2個(gè)切土小區(qū)，每個(gè)切土小區(qū)旋耕彎刀同向且指向種床帶，使旋耕作業(yè)時(shí)土壤盡量往種床帶堆積，保證種床帶細(xì)碎土壤量，從而盡量減少往滅茬帶竄動(dòng)的土量。旋耕彎刀均布在刀軸上，使刀軸周向質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。滅茬帶主要旋耕作業(yè)除掉稻茬根茬及雜草，防止雜草等生長(zhǎng)影響油菜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，寬度為180mm，旋耕作業(yè)深度為60mm。作業(yè)時(shí)，為減少旋耕過程中漏切、重切現(xiàn)象，同時(shí)消除旋耕彎刀軸向側(cè)推土壤效應(yīng)，結(jié)合農(nóng)藝及裝置設(shè)計(jì)要求，在滅茬帶安裝6把回轉(zhuǎn)半徑為195mm的旋耕彎刀，均布在旋耕刀軸上，其中左旋彎刀及右旋彎刀各3把。每個(gè)滅茬帶包含3個(gè)切土小區(qū)，每個(gè)切土小區(qū)安裝2把旋向相異的旋耕彎刀，使作業(yè)時(shí)左旋及右旋彎刀片依次入土，使刀軸載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。刀片整體按照多區(qū)段雙螺旋線對(duì)稱方式排列，為使種床整備裝置作業(yè)時(shí)整體負(fù)荷變化均勻，沖擊載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性好，對(duì)種床帶及滅茬帶旋耕彎刀排列方式進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，旋耕彎刀安裝周向展開圖如圖2所示，橫坐標(biāo)表示距廂面中軸線距離，縱坐標(biāo)表示刀軸周向展開相位角。以耕幅中分面為基準(zhǔn)，從耕幅中分面開始，從近到遠(yuǎn)，依次為種床帶旋耕刀組、滅茬帶旋耕刀組各3個(gè)。其中相鄰種床帶旋耕刀組間的軸向距離為180mm，相鄰滅茬帶旋耕刀組間軸向距離為100mm。左右兩邊種床整備裝置關(guān)于耕幅中分面對(duì)稱布置，周向夾角為5°。

2田間試驗(yàn)

種床整備裝置是直播機(jī)種床整理的核心部件，不同結(jié)構(gòu)的種床整備裝置對(duì)直播機(jī)的作業(yè)功耗、種床整理作業(yè)質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響。直播機(jī)耕整地作業(yè)主要由2個(gè)部件組成，開畦溝系統(tǒng)及種床整備裝置，其作業(yè)功耗可以分別通過測(cè)量直播機(jī)牽引功耗及旋耕作業(yè)功耗獲得。為研究旋耕作業(yè)功耗所占直播機(jī)耕整地功耗比例及深淺旋組合式種床整備裝置的相關(guān)作業(yè)效果，在同一塊試驗(yàn)田開展直播機(jī)深淺旋組合式種床整備裝置及作業(yè)全幅寬旋耕田間對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)前通過預(yù)試驗(yàn)明確后懸掛液壓手柄位置與直播機(jī)耕深關(guān)系，并測(cè)得在預(yù)定耕深時(shí)拖拉機(jī)各試驗(yàn)擋位的前進(jìn)速度。試驗(yàn)地點(diǎn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地，選取地表平整、稻茬均勻分布的地塊作為試驗(yàn)區(qū)域。

2．1作業(yè)功耗

1）功耗測(cè)試系統(tǒng)。

2）功耗測(cè)試方法。田間試驗(yàn)前調(diào)試好測(cè)試系統(tǒng)，并分別對(duì)安裝有深淺旋組合式種床整備裝置和作業(yè)幅寬全旋耕的油菜直播機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。其中，只在安裝有作業(yè)幅寬全旋耕的油菜直播機(jī)進(jìn)行牽引功耗測(cè)試；對(duì)深淺旋組合式種床整備裝置和作業(yè)幅寬全旋耕油菜直播機(jī)進(jìn)行旋耕功耗試驗(yàn)時(shí)，直播機(jī)中只有旋耕裝置不同，其他部件均相同。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，通過控制拖拉機(jī)后懸掛液壓手柄位置使每次試驗(yàn)耕深為110mm，且拖拉機(jī)手油門置于最大位置以保證在相同擋位時(shí)拖拉機(jī)作業(yè)速度及動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速相等。

2．2作業(yè)質(zhì)量

3結(jié)果與分析

3．1功耗田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對(duì)安裝有作業(yè)幅寬全旋耕的直播機(jī)牽引功耗及旋耕功耗進(jìn)行分析，與旋耕作業(yè)功耗相比，雖然隨著作業(yè)速度的增加，開畦溝系統(tǒng)作業(yè)功耗增幅較旋耕作業(yè)功耗增幅大，但在直播機(jī)正常作業(yè)速度范圍內(nèi)，開畦溝系統(tǒng)作業(yè)功耗只為旋耕系統(tǒng)作業(yè)功耗的17．80％～27．47％，即旋耕系統(tǒng)占直播機(jī)整個(gè)耕整作業(yè)功耗的72．53％～82．20％，表明直播機(jī)耕整地作業(yè)過程中，作業(yè)幅寬全旋耕作業(yè)功耗所占比重較大。如降低旋耕作業(yè)功耗，可有效降低直播機(jī)整機(jī)作業(yè)功耗。對(duì)分別安裝有深淺旋組合式種床整備裝置和作業(yè)幅寬全旋耕的油菜直播機(jī)旋耕功耗進(jìn)行分析，深淺旋組合式種床整備裝置和作業(yè)幅寬全旋耕的功耗隨作業(yè)速度的增加而增大。

3．2作業(yè)質(zhì)量田間作業(yè)質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，作業(yè)幅寬全旋耕和深淺旋組合式種床整備裝置的植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度都隨作業(yè)速度的提高而降低。由于試驗(yàn)地塊土壤黏重板結(jié)，土壤團(tuán)粒間粘結(jié)力較大，土塊不易破碎，地表水稻秸稈成青綠色且秸稈量較大，稻茬較高，相較于田間雜草，水稻秸稈具有較強(qiáng)的韌性，不易切斷，致使田間旋耕作業(yè)時(shí)，作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度值有所降低。深淺旋組合式種床整備裝置和作業(yè)幅寬全旋耕刀輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、種床帶耕作深度及2種旋耕彎刀切土節(jié)距相等。由于深淺旋組合式種床整備裝置作業(yè)時(shí)，滅茬帶安裝的旋耕彎刀回轉(zhuǎn)半徑變小，作業(yè)深度減小，與作業(yè)幅寬全旋耕相比，滅茬帶區(qū)域旋耕深度減少，擾動(dòng)土壤量減少32％，整個(gè)作業(yè)后廂面松碎土壤明顯減少。而所選試驗(yàn)地表稻茬較高，平均高度為453．6mm，秸稈量較大，平均量為1．37kg／m2，同時(shí)水稻秸稈比較有韌性，不易旋耕切斷。當(dāng)作業(yè)廂面松碎土壤量明顯減少時(shí)，沒有足夠的土壤量來(lái)覆蓋大量秸稈，從而使裸露在廂面表面的秸稈量增加，植被埋覆率指標(biāo)下降明顯。對(duì)于碎土率指標(biāo)，就耕作前進(jìn)方向土垡而言，相較于回轉(zhuǎn)半徑較大的旋耕彎刀前方土垡，在旋耕半徑較小作業(yè)區(qū)域前方某土垡能夠較晚地進(jìn)入彎刀切削范圍，且切削甩起后再次掉到彎刀回轉(zhuǎn)打擊區(qū)域的概率明顯降低（回轉(zhuǎn)打擊區(qū)域面積較?。?，從而使土垡與旋耕彎刀觸時(shí)間較短，被彎刀切削打擊次數(shù)較少。同時(shí)由于種床帶只占整個(gè)作業(yè)幅寬區(qū)域的30％，與作業(yè)幅寬全旋耕相比，松碎土層整體大土垡增多，使深淺旋組合式種床整備裝置碎土率指標(biāo)下降明顯。由于碎土率指標(biāo)的下降，表明大土垡所占比例提高，大土垡越多，廂面橫截面越高低起伏不平，從而導(dǎo)致地表平整度指標(biāo)的下降。由于碎土率指標(biāo)下降比較明顯，從而地表平整度指標(biāo)下降也較明顯。對(duì)在由安裝有深淺旋組合式種床整備裝置的直播機(jī)連續(xù)4廂作業(yè)后的地表測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行地表輪廓分析，把數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)值導(dǎo)入Matlab軟件后，進(jìn)行去噪，曲面擬合及平滑處理后，獲得作業(yè)廂面輪廓（圖6）。所得廂面平整，畦溝溝型穩(wěn)定。

4討論

研究設(shè)計(jì)了一種深淺旋組合式種床整備裝置，該裝置作業(yè)時(shí)把廂面分為交錯(cuò)排列的種床帶及滅茬帶，實(shí)現(xiàn)種床帶深旋播種，滅茬帶淺旋滅茬功能。對(duì)種床帶及滅茬帶主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析并確定了刀片整體排列方式。同時(shí)田間試驗(yàn)表明，與作業(yè)幅寬全旋耕相比，深淺旋組合式種床整備裝置作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度仍滿足旋耕作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)由安裝有深淺旋組合式種床整備裝置的直播機(jī)作業(yè)后的廂面進(jìn)行地表輪廓分析，所得廂面平整，畦溝溝型穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

［1］田波平，廖慶喜，黃海東，等．2BFQ－6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)的設(shè)計(jì)［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（10）：211－213．

［2］芳，賀小偉，余水生，等．基于ANSYS／LS－DYNA的螺旋裝置土壤切削有限元模擬［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（10）：34－41．

作者:張青松 肖文立 廖慶喜 丁幼春 廖宜濤 萬(wàn)國(guó)偉 周洋 單位：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院