旋刀式玉米免耕施肥播種機土壤作業部件的設計

于建軍，李保謙，王萬章，袁玲合，王建波，朱晨輝

(河南農業大學 機電工程學院/河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002)

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旋刀式玉米免耕施肥播種機土壤作業部件的設計

于建軍，李保謙，王萬章，袁玲合，王建波，朱晨輝

(河南農業大學 機電工程學院/河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002)

為解決黃淮海一年兩熟地區玉米免耕播種中秸稈擁堵的問題，提出了一種旋刀式玉米免耕施肥播種機設計方案。其土壤作業部件主要由刀盤、刀軸及安裝在刀盤上的一組旋刀組成，作業中旋刀對土壤及地表秸稈進行開溝、切碎。該機驅動地輪前置，作業中可一次性完成秸稈切碎、開溝、種肥異位同播、覆土及鎮壓等多道工序。采用ADAMS進行運動學仿真分析，描述了旋刀的運動軌跡及單個周期內旋刀沿機具前進方向的位移量。對土壤作業部件進行力學和功耗分析，闡明了土壤作業部件的切土及碎草特性。田間試驗表明：機具通過性良好，切土滅茬效果明顯，溝寬160mm，溝深80～120mm，種、肥深度變異系數分別為10.5%和5.9%，地輪打滑率為6.2%，動土量約26%，很好地滿足了玉米免耕播種農藝要求。

玉米；免耕播種機；旋刀；運動仿真

0 引言

玉米免耕機械化播種技術是在小麥茬地里直接播種，一次性完成滅茬、開溝、播種、施肥及鎮壓等多道工序[1]，具有搶時搶墑、節省勞動力等特點，解決了黃淮海一年兩熟地區玉米的免耕播種問題，具有增產增收、保護環境的實效。目前，免耕播種機上安裝的多為被動防堵作用的鏟式開溝器和全旋耕式免耕裝置。前者碎土性差，長期作業時開溝器的磨損嚴重，對秸稈、根茬不能有效地切斷；后者作業時動力消耗大，土壤撓動性大，影響播種質量[2-4]。本文提出的旋刀式玉米免耕施肥播種機與66.2kW以上的拖拉機配套，采用三點懸掛式掛接，由帶旋刀的刀軸刀盤滅茬開溝裝置實現對行開溝，開溝寬度160mm，深度80～120mm；根據刀盤的對行布置，旋刀在開溝、切草的同時將部分秸稈、莖茬等分離到背壟上，為苗帶創建一個利于種子著床的播種環境。該機一次性可完成秸稈粉碎、對行開溝、種肥異位同播及覆土鎮壓等多道作業工序，減少了田間作業次數，降低了作業成本和功耗，可明顯提高玉米播種質量。

1 整機結構及工作原理

旋刀式玉米免耕施肥播種機主要適用于黃淮海一年兩熟地區玉米的免耕播種，主要由機架、變速箱、前置地輪、刀軸刀盤裝置、圓盤式開溝器、肥腿、種管、傳動裝置、玉米播種單體及種肥箱等組成，如圖1所示。

1.刀軸刀盤總成 2.機架部分 3.傳動部分 4.施肥部分 5.玉米播種單體

該機采用驅動地輪前置，經鏈傳動從前往后為播種、施肥提供動力。前置驅動地輪行走在未旋耕的地上，在壓力彈簧作用下增大地輪對地面的附著力，減小了地輪的打滑率。機架前方安裝有切土、碎草作用的旋刀式刀軸刀盤裝置，動力來源于拖拉機后方的動力輸出軸，經萬向節傳遞，變速箱減速后傳到刀軸，旋刀組對行分布實現滅茬開溝，玉米播種單體上的圓盤開溝器在清理過的種床苗帶內實現二次開溝進行播種。玉米播種單體上帶有平行四桿仿形機構，保證了播深一致；指夾式排種器實現精密播種。

2 土壤作業部件的設計

刀盤總成由刀盤、刀片、聯接螺栓等組成[5]，如圖2所示。刀盤上分布有螺栓孔，用于固定刀片。刀盤兩側固定有6個刀片，相鄰刀片成60°分布。刀片材料選用8mm厚的65Mn，與刀盤面成10.8°夾角安裝，入土側有刃口,利于開溝。聯接螺栓為8.8級M12的35鋼。

作業時，刀軸帶動刀盤轉動，刀盤呈對分布，間距為100mm，實現對行滅茬開溝。旋刀片與刀盤間成10.8°夾角，刀盤兩側的旋刀片在切土、切斷秸稈、根茬的同時將部分土壤和切斷的秸稈、根茬分離推送到背壟上，為苗帶處種子的入土著床提供有利的環境，溝寬為160mm，深度為80～120mm。基于農機農藝融合，按照農藝上玉米等行距600mm的種植模式，刀盤在刀軸上的布置如圖3所示。

圖2 刀盤與旋刀結構

圖3 玉米播種時刀盤在刀軸上的布置

2.1 旋刀的運動分析

機具作業時，刀盤上旋刀的絕對運動是沿著機具前進運動和隨刀軸刀盤一起旋轉運動的合成，其對應的運動軌跡是余擺線[6]，如圖4所示。以刀盤刀軸的旋轉中心為原點建立坐標系，使X軸正向與播種機前進方向一致，Y軸正向垂直向下。設播種機的水平前進速度為vm，刀盤刀軸的旋轉角速度為ω，以旋刀某一入土端點為研究對象，則端點的運動方程為

(1)

式中vm—播種機水平前進速度(m/s)；

R—旋刀的回轉半徑(m)；

ω—旋刀回轉角速度(rad/s)。

對式(1)關于時間t求一階導數，則速度為

(2)

旋刀端點絕對速度的大小為

圖4 旋刀端點的運動

其中，Rω為旋刀端點A的圓周速度。令λ=Rω/vm，即旋刀端點圓周速度與機組前進速度比值，λ值對旋刀的工作軌跡有一定的影響。當λ﹤1時，不論旋刀運動到什么位置，都有vm﹥0，旋刀端點的水平分速度始終與機器前進的方向相同，旋刀的運動軌跡為短擺線，不能向后切土，出現刀片端點向前推土現象，不能進行切土碎草；當λ>1時，運動過程中有vm﹤0，旋刀端點的水平分速度與機器前進方向相反，旋刀能夠向后切削土壤和切斷秸稈，旋刀的運動軌跡為余擺線，對土壤有二次疏松作用。經計算，λ=6.65。

2.2 旋刀的仿真分析

通過SolidWorks軟件建立刀軸刀盤三維模型，并保存為parasolid類型的.X_T文件，導入ADAMS中，設置仿真環境，系統單位設置為MMKs[7-8]。調整模型的前進方向與仿真環境下的X-Y坐標系呈平行關系，模型前進方向與X軸正方向一致；添加各部件間的相關約束和驅動關系，如圖5所示。根據實際作業情況，在旋刀端點上標記一個Marker49點，設置Simulation環境中的仿真參數，移動驅動為1 278mm/s，旋轉驅動為1 920d/s，取仿真終止時間為2.75個運動周期約0.52s，步長為100。觀察仿真運動，在Post/Processor后處理環境中生成關于Marker49點沿X、Y軸的位移、速度仿真曲線。

圖5 添加好約束和驅動的刀盤刀軸模型和旋刀的運動軌跡

圖6為旋刀沿X、Y軸兩方向的位移-時間曲線。在水平前進運動和刀軸刀盤的旋轉運動下，旋刀沿X軸方向的位移為一條平滑的呈不斷增長趨勢的曲線，單個周期內位移為240mm；旋刀沿Y軸方向的位移為一條呈正(余)弦周期變化的曲線，位移變化量為527mm。圖7為旋刀沿X、Y軸方向的速度-時間曲線，均呈周期性正(余)弦曲線變化趨勢，X軸方向速度變化7 518～10 073mm/s，Y軸方向上的速度趨于穩定，接近8 795mm/s，圖中負值表示方向。

圖6 X 、Y方向位移—時間曲線圖

2.3 旋刀的切土、碎草分析

旋刀在入土作業過程中，克服阻力進行切土和秸稈的切斷。設刀尖點處有一草莖m，在被旋刀切斷過程中的運動軌跡為aa，過刀尖點分別作運動軌跡aa的切線AA和刃口切線kk。假設旋刀作用于草莖的力為N，則可將N分解成沿m點軌跡切線方向的砍切力P和沿刃口曲線kk的滑切力T[9]，如圖8所示。由圖8可知：T=Ntanτ，F=Ntanφ，P=N/cosτ。其中，F為土壤摩擦阻力；τ為滑切角；φ為草莖與旋刀刃間的摩擦角，一般為26°～45°。砍切力P具有一定的切土和碎草作用，要保證在滑切作用下草莖被切斷，還應有T﹥F，即τ﹥φ。運動過程中，τ值越大，滑切作用越明顯。由于旋刀在刀盤兩側呈60°角分布，且與刀盤面呈10.8°夾角，在砍切力和滑切力作用下，圓盤兩側的旋刀在切土、切斷秸稈、根茬的同時將部分土壤和切斷的秸稈及根茬分離推送到背壟上，清理了苗帶，為播種作業時種子的入土著床提供有利的環境。

圖8 滑切作用分析

2.4 刀輥受力及切削功耗分析

旋刀對土壤進行切削、拋出時，刀輥所受的阻力由各旋刀的阻力合成，如圖9所示。其大小、方向和作用點與土壤的物理性狀、耕深、轉速、刀的轉角和前進速度等各因素有關[10-11]。為便于分析，根據試驗資料，半徑為R的彎刀切土時，其阻力合力的作用半徑R’=0.9R。以刀輥旋轉中心為圓心O，未耕地表水平線與圓周相交于A點，相對于OA夾角20°作OC。由于旋刀為直刀，在OC上的δR處確定P點為合力作用點，當δ=0.9時，R，=0.9R，δ為取值系數。假設Q在刀輥上為均布載荷，則Q=m/R’，m=9550P/n。其中，m為刀輥扭矩；P為刀輥功率；n為轉速。計算得Q=7429.6N。

圖9 刀輥受力

由幾何關系可得

式中R—旋刀端點回轉半徑(mm)；

H—耕深(mm)；

Q—均布載荷(N)。

由R=254mm、H=120mm，得β=58°，α=38°，Px=5854.4N，Py=4568N。

在切土開溝作業的每個瞬時，每個刀盤上都有一個旋刀完全入土，理論上可視為集中在單個旋刀片的受力是Q/8，即928.7N。基于單個旋刀片與刀盤之間的聯接螺栓，保證載荷為53 400N。經受力強度校核，滿足作業要求。

刀輥作業時，影響功耗的因素很多，其中，總功率的消耗以切土和拋土功率消耗為主。參照農業機械設計手冊經驗公式[11]得

N=0.1KλHVmB

其中，N為刀輥對土壤切削和拋送的功耗；H為旋刀切土深度(cm)；Vm為機組前進速度(m/s)；B為幅寬(m)，基于刀盤在刀軸上的分布，該機實際作業幅寬為0.64m。Kλ與土壤堅實度、耕深修正系數、土壤含水率修正系數、殘茬植被修正系數、作業方式修正系數等值有關，查文獻取值，Kλ=9.79，則N=9.6kW。

3 田間播種試驗

播種試驗在河南長葛市河南農業大學現代農業試驗區進行，使用旋刀式玉米免耕施肥播種機進行玉米免耕播種試驗，如圖10、圖11所示。主要依據的國家標準有：GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機》、GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》、NY/T 1143-2006《播種機質量評價技術規范》等。田間試驗的檢測內容主要包括機具通過性、種肥覆土狀況、種肥間距及地輪打滑率等。試驗地為一年兩熟旱地，土質為壤土，前茬作物為小麥；行距為寬窄行(12+20)cm，殘茬高度為18～25cm，覆蓋量為1.3kg/m2；土壤堅實度26kg/cm2，土壤含水率為14.8%(0～5cm)、21.2%(5～10cm)；選用的拖拉機為東方紅LX1204；播種速度為4.6km/h。

圖10 玉米播種田間試驗

圖11 田間開溝情況

試驗結果表明：旋刀式刀軸刀盤滅茬開溝裝置實現對行開溝，切土和切碎秸稈、根茬后，將部分土壤和秸稈分離推送到背壟上，清理了播種苗帶，溝寬160mm，溝深80～120mm，動土量約26%。通過性試驗測試中，機具沒有發生擁堵現象，開溝滅茬能力強，通過性良好。人工對旋刀式玉米免耕施肥播種機的試驗測量結果顯示：播種平均深度為43 mm，變異系數為10.5%，施肥平均深度為88 mm，變異系數為5.9%，驅動地輪打滑率為6.2%，沒有出現晾籽現象，播種質量良好。

4 結論

1)旋刀式玉米免耕施肥播種機，安裝帶有旋刀的刀軸刀盤滅茬開溝裝置。在開溝過程中，旋刀將部分土壤和切斷的秸稈、根茬分離推送到背壟上，清理了播種苗帶，為播種作業提供良好的種床環境，溝寬160mm，溝深80～120mm。

2)ADAMS運動仿真分析表明：旋刀運動軌跡為一條余擺線，λ值為6.65，符合作業要求。旋刀在向后切削土壤和切斷秸稈、根茬的同時，對苗帶土壤有二次疏松作用。單個周期內，旋刀沿X軸方向(機具前進方向)的位移為一條平滑的呈不斷增長趨勢的曲線，位移量為240mm，沿Y軸方向的位移為一條呈正(余)弦周期變化的曲線，最大位移為527mm，驗證了建模的合理性及理論運動分析與實際作業相符合的特性。

3)通過對刀輥進行理論受力校核和土壤切削功耗分析，作用于單個旋刀的力為928.7N，遠小于固定螺栓的保證載荷，滿足作業要求。刀輥的切土(草)、拋土(草)功率消耗為9.6kW，功耗較小，對土壤的撓動性小。

4)田間試驗表明：機具的通過性良好，播種平均深度43 mm，施肥平均深度88mm，種、肥深度變異系數分別為10.5%和5.9%，地輪滑移率6.2%，株距合格率96%，動土量約26%，顯著提高了玉米播種質量。

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Design of the Soil Working Part of Corn No-till Fertilizing Seeder with Rotary Blade

Yu Jianjun, Li Baoqian, Wang Wanzhang, Yuan Linghe , Wang Jianbo, Zhu Chenhui

(Mechanical and Electrical Engineering College, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops , Zhengzhou 450002, China)

With large amount of straw mulching and blockage, a corn no-till fertilizing seeder with rotary blade has been developed for the double cropping area in huang-huai-hai. The soil working part mainly has the cutter head, the cutter shaft and a set of rotary blades arranged on the cutter head. With driving wheel front and rotary furrowing device, this machine could accomplish many procedures, such as stubble chopping, furrow opening, seeds and fertilizer placement ectopic simulcasting, suppressed etc. The kinematic and dynamic cutting action analysis describes the motion trajectory and cutting soil, grass and furrowing features of rotary blade. Simulation analysis in ADAMS about the rotary blade shows that, moving track is a trochoid and the displacement variation along the X axis within a time period , Field performance test result showed that machine passing is developed, cutting stubble and furrow opening work well, with 160 mm wide and 80～120mm depth . The variations for seed and fertilizer depth are 10.5% and 5.9% respectively, wheel slip ratio is 6.2%, soil disturbance is about 26%, meeting the requirements of corn no-till seeding agronomy.

corn; no-till planter; rotary knife; motion simulation

2016-01-18

河南省高等學校重點科研項目(15A210038)

于建軍(1987-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)yujj228@163.com。

王萬章(1963-)，男，河南孟津人，教授，博士生導師。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0162-05