免耕播種機凹面爪式清茬機構仿真與試驗

賈洪雷 劉 行 余海波 路 云 郭春江 齊江濤

(1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022； 2.吉林大學生物與農業工程學院， 長春 130022)

0 引言

保護性耕作模式中的秸稈還田環節，可以改善土壤結構培肥地力，顯著提高土壤微生物活性[1-3]。我國東北地區，玉米秸稈粗大量多，還田作業后不易腐爛，導致播種質量下降、作物出苗率降低[4-5]，特別是在玉米寬窄行種植模式下，由于窄行播種單體距離變近，單位幅寬內秸稈覆蓋率增加，秸稈經翻拋后更易于卷入并積聚在清茬機構與相鄰部件之間，進而造成堵塞。目前主要的清茬裝置有兩類：一種是主動式清茬機構，一種是被動式清茬機構[6-7]。主動式清茬機構適用于高速旋耕作業，但該裝置能耗高、動土量大、機器振動噪聲大、作業環境差、安全性差[8-10]。被動式清茬裝置多為破茬刀和清茬輪的組合裝置，對秸稈覆蓋量的適應性差，難以解決秸稈覆蓋量大時的堵塞問題[11-13]。

本文針對東北地區保護性耕作模式，設計一種具有凹面結構的秸稈清茬機構，能對農田地表覆蓋的玉米秸稈進行有效清理。作業時，清茬機構輪爪將秸稈向后拋，其凹面結構對與輪爪接觸的秸稈施加側推力，使秸稈拋向側后方，從而達到更好的清理效果。

1 清茬機構設計與分析

1.1 整機結構

設計的清茬機構安裝在吉林省康達農業機械有限公司生產的2BMZF-2型免耕播種機上，整機主要包括：清茬裝置、施肥裝置、播種裝置、開溝裝置以及覆土鎮壓裝置。免耕播種機的主要技術參數：整機質量776 kg，播種幅寬1 200～1 400 mm，播種行數為2行，行距為560～700 mm，播種深度為50～70 mm，施肥深度為80～100 mm，作業速度為4～10 km/h，理論株距為120～450 mm。所設計的凹面爪式清茬機構安裝在免耕播種機前端位置，具體位置如圖1所示。

圖1 免耕播種機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of no-tillage planter1.凹面爪式清茬機構 2.機架 3.鎮壓輪 4.限深輪 5.開溝器 6.破茬刀

1.2 清茬裝置結構

保護性耕作模式中，清茬機構對于地表秸稈的清理效果與免耕播種機前進速度、清茬輪入土深度以及清茬輪運動偏角等有關。清茬機構與免耕播種機通過左右彎臂相連接，通過凸輪可以調整清茬輪入土深度、降低土壤擾動量，保證種床清潔質量。凹面清茬輪呈“人”字型交錯安裝在支臂架上，如圖2所示。兩個清茬輪為交錯結構、配合使用，前端收斂且有重合工作區域δ，輪盤周圍均勻分布著輪爪[14]。

作業時，凹面清茬輪在免耕播種機的牽引下向前運動，此時凹面清茬輪同地表及其覆蓋物相接觸，產生摩擦力，在力偶作用下使得輪爪轉動；作業的輪爪撿拾并翻拋秸稈，達到清理種床的目的。

圖2 清茬機構Fig.2 Clearance mechanisms1.清茬輪輪盤 2.彎臂 3.支架

1.3 清茬機構參數確定

1.3.1清茬輪輪盤參數

(1)嚙合點高度

清茬機構在工作時，兩輪收斂于嚙合點，清茬輪嚙合高度h為嚙合點到地面的距離。秸稈還田清茬作業設計要求h略小于秸稈及雜草高度[15],本文h取40 mm。

(2)清茬輪輪盤直徑

如圖3所示，清茬輪的各輪爪以后傾形式均勻分布在凹面輪盤周圍，清茬輪輪爪刃角與接觸地面相垂直。

圖3 清茬輪輪盤三維圖Fig.3 3D diagram of stubble clearance wheel disc

根據清茬輪入土深度、土壤中擾動量及根茬處理要求等，參照農業機械設計手冊凹面圓盤耙片的設計[16]，設計凹面輪盤投影直徑為

D=Kd

(1)

式中D——清茬輪輪盤投影直徑，mm

K——徑深比

d——清茬輪入土深度，mm

通過調節凸輪機構改變清茬機構入土深度，保證種床清理效果的同時避免不必要的土壤擾動，入土深度d取值范圍為50 mm≤d≤70 mm，本文K取5，所設計的清茬輪最大入土深度為70 mm，由公式(1)將輪盤投影直徑設計為350 mm。

(3)清茬機構凹面輪盤曲率半徑

所設計清茬輪由安裝平面、工作曲面(凹面輪盤)兩部分組成，凹面輪盤的曲率半徑是該機構的主要工作參數，其曲率半徑ρ越大，清茬輪越接近平面，土壤擾動量越小，但其對秸稈翻拋能力越小；反之，輪盤曲率半徑減小，土壤擾動量增加，但秸稈側拋效果增強，種床清理效果增強。因此，需合理選擇曲率半徑，借鑒凹形圓盤式壟臺清理裝置的設計參數[13]、綜合農業機械設計手冊技術要求[16]，將清茬輪輪盤曲率半徑ρ設定為1 346 mm。

1.3.2清茬輪輪爪的參數

(1)布置形式

輪爪布置形式按方向可分為徑向、前傾、后傾3種，如圖4所示。

圖4 輪爪的布置形式Fig.4 Distribution patterns of finger

輪爪布置為徑向形式時，利于撥茬、撿拾等作業步驟，但秸稈及雜草被清茬輪撿拾后旋轉一周又被翻拋回清茬輪的前端，不利于脫茬，會造成清茬機構被秸稈和雜草纏繞，引發機具二次堵塞。

輪爪布置為前傾形式時，清茬輪低速作業情況下，輪爪撿拾的秸稈無法向外翻拋而會從爪間自動落下；清茬輪在高速作業情況下，秸稈及雜草在清茬輪輪爪間會發生自鎖，不會被拋出也不會掉落，所以清茬輪前傾布置形式不適合清茬作業。

輪爪布置為后傾方式時，后傾角增加有利于秸稈及雜草外拋，且秸稈及雜草越接近清茬輪輪爪端部，向外拋送所滿足的角速度越低，越易脫茬[17]，所以本文將輪爪布置成后傾形式。

(2)數量

凹面清茬輪輪爪既要滿足清茬機構作業強度條件也要保證秸稈及雜草可順利被拋送，所以輪爪數量并非越多越好。參考中小型免耕播種機防堵機構的設計[6]，在保證根齒不夾稈的情況下可以多取[15]，本文設計的凹面清茬輪輪爪取12個。

1.3.3清茬輪運動偏角

建立三維坐標系Oxyz，以清茬輪輪爪頂點處在最大入土深度時為坐標原點O，x軸、y軸分別平行和垂直于清茬輪安裝平面，z軸垂直于地表。清茬輪與機具前進方向夾角為λ，清茬輪運動偏角分析如圖5所示，運動速度分析如圖6所示。圖中P為清茬輪輪爪的任一頂點，圖中P′為輪爪入土時的頂點。

圖5 清茬輪運動偏角分析Fig.5 Diagram of motion angle analysis

圖6 清茬輪運動速度分析Fig.6 Analysis diagram of clearance wheel speed

如圖5所示，對清茬輪進行模擬運動分析，清茬輪的實際前進速度為v0，清茬輪由O到B的運動可以等同于由O滾動到A，然后再由A滑動到B，即滾動速度為v0cosλ，滑動速度為v0sinλ。這里僅僅說明凹形圓盤兩種運動(滾動和側向平移)速度的關系，真實運動過程中，兩種運動同時發生，而無先后順序[13]。

清茬輪有滑移距離lAB，所以清茬輪對于秸稈殘茬有側推作用，當運動偏角λ增大時，側推距離lAB就會相應增大，種床清理效果增強，當超過45°接近于90°時，清茬輪在前進方向上的推動作用大于向兩側的側推作用，不利于向兩側翻拋秸稈，作業效果變差；反之，如果運動偏角λ減小，滑移距離lAB減小，側推作用也會變小。當運動偏角過小時，清茬輪亦不能將秸稈有效側推到兩側，會把秸稈翻拋到清茬輪后方，從而導致機具堵塞，所以運動偏角λ過大或者過小都將對作業效果產生不利的影響，參考農業機械設計手冊中交錯雙圓盤分草器[16]及平面清茬輪的運動偏角[19]，本文λ選取30.0°、37.5°、45.0° 3個水平。

1.4 清茬輪運動學分析

如圖6所示，清茬機構作業時，凹面輪盤輪爪觸土，輪爪帶動秸稈向側后方運動，理想狀態下，凹面輪盤輪爪頂點的運動軌跡即為秸稈運動軌跡。根據運動軌跡方程，探究秸稈隨輪爪頂點同步運動的運動過程，并分析此過程中側推速度的變化趨勢。

由圖6可得，選取清茬輪輪爪任一頂點P，分析其運動軌跡，軌跡方程可表示為

(2)

式中t——免耕播種機運行時間，s

ω——清茬輪轉動角速度，rad/s

R——清茬輪投影半徑，mm

假設清茬輪在牽引力作用下以角速度ω勻速轉動，對式(2)中的時間t進行求導，可得清茬輪輪爪各頂點的速度分量，具體為

(3)

在Oxy平面內，由vx和vy合成得到的速度vxy為

(4)

式中vxy——清茬輪側推速度，m/s

根據式(4)，利用Origin軟件繪制出機具速度v0分別為1.67 m/s(6 km/h)、2.22 m/s(8 km/h)、2.77 m/s(10 km/h)時，清茬輪運動偏角為30.0°、37.5°、45.0°時，P點的側推速度vxy隨相位角ωt的變化圖。

如圖7所示，側推速度隨著相位角的變化而變化[19]，當側推速度的波動較大時，清茬輪的工作穩定性會降低，影響作業效果和作業效率。當運動偏角λ=30.0°時側推速度隨相位角的變化波動最大，當λ=37.5°時側推速度波動最小。

所設計清茬輪的最大入土深度d為70 mm，由于清茬輪的投影直徑為350 mm，如圖8所示，在圖8a中，當相位角ωt為0 rad時，清茬輪頂點P0在最大入土深度處，在圖8b中，清茬輪頂點由P0運動到P1處，此時清茬輪頂點處于出土的狀態，根據最大入土深度和清茬輪投影直徑可以計算此時的相位角ωt為0.93 rad，因此可以得出相位角ωt在0～0.93 rad之間時清茬輪的輪爪在土壤中運動，對土壤產生擾動作用。由于保護性耕作的意義是降低機具對土壤的擾動，ωt在0～0.93 rad之間時，λ=37.5°的輪爪側推速度vxy最小，清茬輪輪爪在土壤中運動速度越小，對土壤的擾動越小。

圖7 側推速度變化曲線Fig.7 Changing curves of rolling speed

圖8 清茬輪輪爪運動狀態分析Fig.8 Analysis diagrams of clearance wheel movement

綜上，λ=37.5°時，清茬輪在地表以下時對土壤擾動較小；輪爪出土后對秸稈具有較穩定的側推作用，可帶動秸稈拋向側后方。

2 清茬機構仿真分析

2.1 清茬輪運動軌跡對比仿真分析

為了驗證設計的凹面爪式清茬機構具有良好的清茬效果，采用EDEM離散元法建立清茬輪與地面系統力學模型，模擬清茬輪在田間作業時的受力情況，分析比較傳統平面清茬輪和凹面清茬輪的清茬作業情況。

首先建立松散土壤狀態下的土槽模型和清茬輪模型，將秸稈均勻分布在土槽表面，如圖9所示；根據清茬輪的受力、轉速等參數進行過程模擬；分析比較傳統平面清茬輪和凹面清茬輪的清茬效果。參數選擇如下：清茬輪投影直徑D=350 mm、運動偏角λ=30.0°、入土深度70 mm、前進速度1.67 m/s；凹面清茬輪曲率半徑ρ≈1 346 mm。

圖9 清茬機構與土壤模型Fig.9 Model of stubble clearance mechanism and soil

圖10 清茬輪位移場示意圖Fig.10 Sketches of comparative displacement field of clearance wheel注：圖中線條的長度代表土壤顆粒和秸稈的位移大小，箭頭的方向代表土壤顆粒和秸稈的位移方向，線條顏色表示速度大小，顏色越深速度越大

圖10為兩種清茬輪與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。清茬輪兩側的土壤顆粒和秸稈顆粒流動位移較大；圖10b凹面清茬輪作業中秸稈平均側向速度為1.787 2 m/s，圖10a傳統清茬輪秸稈平均側向速度為1.364 1 m/s，凹面清茬輪與傳統平面清茬輪相比對秸稈產生的平均側向速度提高了31.02%。因此，凹面清茬輪可以更好地將播種行的秸稈清理到側邊，具有更好的清茬效果和工作效率。

2.2 凹面清茬機構仿真分析

凹面爪式清茬機構的作業效果與機具前進速度、運動偏角以及入土深度有關。田間試驗只能直觀地測量不同參數組合對秸稈清茬率的影響，無法確定各因素各水平下清茬機構的秸稈翻拋情況。因此采用控制變量法對各因素各水平進行分析，尋找最佳參數組合，仿真分析試驗指標為位移場中的秸稈平均側向速度，表1中的x1、x2和x3分別代表機具速度、運動偏角和入土深度3個因素的編碼值，零水平分別為37.5°、2.22 m/s、60 mm，-1水平分別為30.0°、1.67 m/s、50 mm，1水平分別為45.0°、2.77 m/s、70 mm。

表1 試驗設計Tab.1 Test design

2.2.1機具速度v0對秸稈運動軌跡的影響

試驗組1將運動偏角λ及入土深度d設置為零水平，探究機具速度v0對清茬機構的影響。

仿真模擬機具在不同前進速度下對秸稈的翻拋情況，如圖11所示，隨著機具速度v0增大，秸稈向兩側翻拋和清理種帶效果增強。

圖11 不同機具速度的秸稈運動軌跡Fig.11 Trajectory of straws at different implement speeds

圖12為3種速度條件下的清茬輪與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。設置運動偏角λ及入土深度d為零水平時，隨著機具速度v0增加，清茬輪兩側的土壤顆粒和秸稈位移變大。如圖12所示，根據仿真結果，在機具前進速度為1.67 m/s時，秸稈平均側向速度為1.823 4 m/s；在機具前進速度為2.22 m/s，秸稈平均側向速度為2.327 2 m/s；在機具前進速度為2.77 m/s時，秸稈平均側向速度為3.041 2 m/s。隨著機具前進速度的增加，凹面清茬輪作業時，秸稈的側向速度隨之增加，在機具速度為2.77 m/s時相比于機具速度為1.67 m/s時，秸稈平均側向速度最大增加了66.79%。隨著機具前進速度的增加，清茬作業時，秸稈翻拋位移增加，秸稈側向速度增大，清茬效果增強。

圖12 不同機具速度的秸稈位移場示意圖Fig.12 Sketches of stalk displacement field at different implement speeds

2.2.2運動偏角λ對秸稈運動軌跡的影響

試驗組2把機具速度v0及入土深度d設置為零水平，探究運動偏角λ對清茬機構的影響。

仿真模擬清茬機構在不同運動偏角λ條件下，清茬機構作業時秸稈的運動情況如圖13所示，隨著清茬機構運動偏角λ增加，秸稈翻拋效果變好，種床清理效果增強。

圖13 不同運動偏角的秸稈運動軌跡Fig.13 Trajectory of straws at different angles of motion

圖14為清茬機構在不同運動偏角水平下與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。設定清茬機構機具速度v0和入土深度d為零水平，隨著清茬機構運動偏角λ增加，清茬輪兩側秸稈線條速度紅色加深，秸稈側向速度增加。如圖14，清茬機構運動偏角為30.0°時，秸稈平均側向速度為2.035 1 m/s；運動偏角為37.5°時，秸稈平均側向速度為2.327 2 m/s；運動偏角為45°時，秸稈平均側向速度為2.535 2 m/s。根據仿真結果，隨著清茬機構運動偏角增加，秸稈側向速度增加，運動偏角λ由30.0°增大到37.5°時，秸稈側向速度增加了14.36%；運動偏角λ由37.5°增大到45.0°時，秸稈側向速度增加了8.94%。

圖14 不同運動偏角的秸稈位移場示意圖Fig.14 Sketches of stalk displacement field at different angles of motion

2.2.3入土深度d對秸稈運動軌跡的影響

試驗組3將機具速度v0及運動偏角λ設置為零水平，探究對清茬機構的影響。

仿真模擬清茬機構在入土深度不同水平下，清茬機構作業時秸稈的運動情況如圖15所示，隨著清茬機構入土深度增加，秸稈翻拋和清理效果增強。

圖15 不同入土深度的秸稈運動軌跡Fig.15 Trajectory of straws at different depths of contact

圖16為清茬機構在3種入土深度水平下與土壤顆粒和秸稈作用過程的位移場示意圖。設定清茬機構運動偏角λ及機具速度v0為零水平，如圖16所示，入土深度d為50 mm時，秸稈平均側向速度為2.461 7 m/s，入土深度為60 mm時，秸稈平均側向速度為2.327 2 m/s，入土深度為70 mm時，秸稈平均側向速度為2.908 m/s。在入土深度為50～60 mm區間內，秸稈側向速度基本不變，在入土深度50～70 mm的整個區間內，秸稈側向速度增加17.95%。隨著清茬機構入土深度增加，秸稈側向速度總體呈增加趨勢。

圖16 不同入土深度的秸稈位移場示意圖Fig.16 Sketches of stalk displacement field at different depths of contact

綜上，凹面清茬機構經過EDEM因素水平仿真分析可以得到理論的最佳工作參數組合，具體為：機具前進速度v0為2.77 m/s、運動偏角λ為45°、入土深度d為70 mm。

3 田間試驗

通過仿真分析，發現凹面清茬輪對比平面清茬輪具有秸稈翻拋速度快、作業效果好的優越性，因此通過田間試驗對其作業性能進一步分析。

3.1 試驗地點及條件

吉林省農業機械研究院試驗基地實測試驗田(圖17)，尺寸50 m×50 m，兩端各預留10 m。免耕播種機分別以1.67、2.22、2.77 m/s的速度作業，沿播種條帶每隔20 cm采樣；秸稈覆蓋方式為秋季玉米收獲后秸稈全覆蓋粉碎還田，播種前地表秸稈覆蓋率為100%，土壤0～25 mm處平均緊實度為0.102 MPa，25～50 mm處為0.239 MPa，50～75 mm處為0.345 MPa，75～100 mm處平均土壤緊實度為0.424 MPa；0～50 mm處平均土壤含水率為6.3%，50～100 mm處平均土壤含水率為13.2%，100～150 mm處平均土壤含水率為16.4%。

圖17 田間試驗Fig.17 Field trial of stubble clearance mechanism

3.2 試驗方法

根據農業行業標準NY/T 1628—2008，在秸稈覆蓋率不少于40%情況下，免耕播種機可順利通過并不發生堵塞。試驗時沿種床每20 cm做一個標記，測量長度為50 m，用標記后的記號除以總記號數，即為種床內秸稈覆蓋率[18,20]；每個測試區測試5次，平均值為該區域的秸稈覆蓋率；清茬作業前后，秸稈覆蓋率差值即為清茬率，機具按測試內容進行勻速往返作業。

清茬作業后種床內殘薦覆蓋率為

(5)

式中F——殘茬覆蓋率，%

D1——標記總點數

D2——殘茬點數

根據本文田間試驗條件，播種前地表殘茬覆蓋率為100%，則種床內清茬率為

N=1-F

(6)

式中N——清茬率，%

3.3 試驗方案

根據Design-Expert軟件中的Box-Behnken Design(BBD)響應面優化法進行正交試驗。選擇清茬機構最佳參數組合，同時驗證本文所設計清茬機構的清茬效果，并探尋各因素對清茬率的影響。田間試驗參數為：運動偏角λ、機具速度v0以及入土深度d，試驗指標為清茬率N。試驗總次數為16次，因素及水平如表2所示，作業后地表如圖18所示，試驗方案與結果如表3所示。方差分析如表4所示。A、B、C為因素水平值。

表2 試驗因素及水平Tab.2 Factors and levels of experiment

圖18 作業后地表Fig.18 Surface picture of field

序號運動偏角λ/(°)機具速度v0/(m·s-1)入土深度d/mm清茬率/%145.02.225068.48237.51.677074.58337.52.226075.99445.02.776074.41537.52.226076.27630.02.776078.96737.52.226077.12837.52.775078.13930.02.225068.291030.01.676068.941130.02.227076.461237.52.226076.921345.02.227069.961445.01.676066.951537.52.777083.611637.51.675069.411737.52.226078.41

表4 清茬率方差分析Tab.4 Variance analysis of cleaning rate

對表4中的數據進行二次多元回歸擬合，清茬率對自變量的二次多元回歸方程為

N=76.94-1.61A+4.4B+2.54C-0.64AB-
1.67AC+0.078BC-5.13A2+0.5B2-1.01C2

(7)

(1)回歸系數顯著性檢驗

表4中P值小于0.05項是影響顯著項，因素A、B、C、AC對清茬率的影響均為顯著項(P<0.05)。

(2)回歸方程的顯著性檢驗

回歸方程F值為75.56，回歸方程顯著性水平為0.001。

(3)回歸模型失擬檢驗

失擬項的P值為0.981 8，顯然P>0.05，回歸方程不失擬，清茬率模型實測值與預測值相近，該回歸方程在設計域內預測性能良好。

影響清茬率的3個影響因素的主次順序為：機具速度v0、入土深度d、運動偏角λ。

3.4 數據響應面分析

通過Design-Expert分析運動偏角、機具速度、入土深度對田間清茬率的影響。采用控制變量法分析，即將1個因素固定，討論剩余2個因素對其試驗指標的影響。

(1)運動偏角λ和機具速度v0對清茬率的影響

將最大入土深度C設置為零水平，即d=60 mm，得到運動偏角A和機具速度B兩個影響因素對凹面爪式清茬機構清茬率N的二元二次回歸方程

N=76.94-1.61A+4.4B-0.64AB- 5.13A2+0.5B2

(8)

由式(8)和圖19可知當入土深度d固定時，運動偏角λ和機具速度v0對清茬率均有顯著性影響，且機具速度v0影響更顯著；隨著機具速度v0的增大清茬率也隨之增大；隨著運動偏角λ的增大，清茬率先增后減且起伏比較大；運動偏角λ和機具速度v0之間無交互作用。

(2)運動偏角λ和入土深度d對清茬率的影響

將機具前進速度B設置為零水平，即v0=2.22 m/s，得到運動偏角A和入土深度C兩個影響因素對凹面爪式清茬機構清茬率N的二元二次回歸方程

N=76.94-1.61A+2.54C-1.67AC- 5.13A2-1.01C2

(9)

由式(9)和圖20可知，當機具速度v0固定時運動偏角λ和入土深度d對清茬率均有顯著性影響，且入土深度d的影響更加顯著；隨著入土深度d的增大，清茬率也隨之增大且速度增大比較平穩；隨著運動偏角λ的增大，清茬率先增后減且起伏比較大；運動偏角λ和入土深度d之間有交互作用。

(3)機具速度v0和入土深度d對清茬率的影響

將運動偏角A設置為零水平，即λ=37.5°，機具速度B和入土深度C兩個影響因素對凹面爪式清茬機構清茬率N的二元二次回歸方程

N=76.94+4.4B+2.54C+0.078BC+
0.5B2-1.01C2

(10)

圖19 運動偏角λ和機具速度v0對清茬率的影響Fig.19 Effects of angles of motion and speed on quantity of cleaning rate of backfill

圖20 運動偏角λ和入土深度d對清茬率的影響Fig.20 Effects of angles of motion and soil contacting depth on quantity of cleaning rate of backfill

由式(10)和圖21可知當運動偏角λ固定時機具速度v0和入土深度d對清茬率均有顯著性影響，且機具速度v0的影響更加顯著；隨機具速度v0的增大清茬率也隨之增大；隨著入土深度d的增大，清茬率也隨之增大；機具速度v0和入土深度d之間沒有交互作用。

在試驗結果回歸分析和擬合的基礎上，推薦最佳工作參數組合為：運動偏角λ為37.5°、機具速度v0為2.77 m/s、入土深度d為70 mm。

圖21 機具速度v0和入土深度d對清茬率的影響Fig.21 Effects of speed and soil contacting depth on quantity of cleaning rate of backfill

4 結論

(1)針對傳統清茬機構存在的種床清理不徹底的問題，設計了爪式凹面清茬輪，其凹面結構可以增大對秸稈的側推速度，在秸稈全覆蓋模式下進行種床清理作業時，清茬效果好、防堵能力強，適用于東北地區玉米均勻壟耕作模式及玉米寬窄行種植模式。

(2)采用離散元法構建了傳統平面清茬輪和凹面清茬輪與土壤和秸稈的系統模型，分析了兩種清茬輪清茬作業情況，并進行了仿真分析，研究表明：在同一條件下，本文所設計的凹面清茬輪翻拋秸稈時，秸稈翻拋速度加快，作業效果更好。

(3)根據Design-Expert軟件中Box-Behnken Design組合設計原理，進行田間正交試驗并對試驗數據優化分析，得出凹面清茬機構最佳工作參數組合為：運動偏角λ為37.5°、機具速度v0為2.77 m/s、入土深度d為70 mm。本文所設計的凹面爪式清茬機構，在秸稈全覆蓋條件下作業，種床內秸稈清茬率最高可達到83.61%。