1TZSF-240/8 型水稻條耕施肥機的設(shè)計與試驗

宋 江,鞏大偉,劉麗華 ,呂艷東 ,李紅宇 ,王 磊

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 a.工程學院;b.農(nóng)學院,黑龍江 大慶 163319;2.大慶油田工程建設(shè)有限公司油建二公司,黑龍江 大慶 163000)

0 引言

傳統(tǒng)稻田土壤耕作方式以翻耕(或旋耕、耙耕)泡田、水整地為主[1],存在破壞土壤物理結(jié)構(gòu)、作業(yè)層次多、耕作成本高及耗水量大等問題。在稻田開發(fā)的初期或砂壤土上,具有不可替代的作用,但長期應(yīng)用會導致土壤板結(jié)、通透性明顯變差、還原性增強,對根系的生長和功能發(fā)揮產(chǎn)生障礙[2],而少、免耕技術(shù)是改良土壤、培肥地力的有效途徑[3-4]。針對這一現(xiàn)狀,國內(nèi)外學者對少、免耕技術(shù)開展了大量研究,但主要集中在旱田,對于水田尚無明確的保護性耕作概念。為此,黑龍江八一農(nóng)墾大學開發(fā)了水田帶狀局部留茬少耕,耕作帶集中施肥,免除水整地、保護和恢復土壤結(jié)構(gòu)為主要內(nèi)容的保護性耕作栽培技術(shù),簡稱局部少耕、旱種水管技術(shù)[5]。試驗表明：該技術(shù)較常規(guī)耕作法水稻產(chǎn)量高、土壤得到休整且節(jié)約用水[6-7],是未來水稻栽培的發(fā)展方向之一。

當前,我國整地方式主要有臥式和立式旋耕兩種方法[8-9]。臥式旋耕相對于立式旋耕存在碎土質(zhì)量差、耕深淺及耕作帶底部平整度差等問題,故局部少耕、旱種水管技術(shù)配套的條耕施肥機是在立式旋耕機改造的基礎(chǔ)上增加電動施肥裝置改造而成的。在立式旋耕技術(shù)研究方面主要集中于旋刀的研究,包括模擬分析刀具運動參數(shù)對能耗的影響[10]、不同螺旋線型的刀片對旋耕刀的切削阻力和切削功率變化規(guī)率[11]、不同安裝方式的運動軌跡仿真分析和機具前進速度對碎土質(zhì)量的影響[12]、優(yōu)化旋刀齒輪傳動箱體[13],以及模擬分析單把立式旋耕刀的動態(tài)切削阻力、擾動阻力和切削阻力的相互關(guān)系[14]。在水稻條耕裝置研究方面,對水稻臥式條耕裝置[15]的研究報道可見,而關(guān)于水稻立式條耕裝置的研究未見報道。在條播排肥器的研究方面,主要集中在外槽輪式電驅(qū)動排肥器上,一個施肥機單體一套電驅(qū)裝置[16],其結(jié)構(gòu)和參數(shù)的研究[17-18]居多。

綜上所述,關(guān)于水稻立式條耕施肥機及系統(tǒng)建立立式旋刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及其相互關(guān)系,理論分析旋刀幾何角度對切削阻力的影響和一軸多拖式外槽輪電驅(qū)整體布置的研究未見報道。為此,課題組進行了對立式條耕施肥機條耕、電驅(qū)施肥裝置關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計和條耕、施肥指標的驗證,旨在研制一款1TZSF-240/8 型水稻條耕施肥機,為下一步水稻條耕施肥播種一體機的研發(fā)和水稻局部少耕、旱種水管技術(shù)大面積的應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 水稻條耕施肥模式

水稻條耕施肥模式是采用帶狀茬間旋耕旱整地的方式取代傳統(tǒng)翻耕或旋耕加水整地的新型耕作方法,要求耕寬150 mm,耕深15～18cm,行距28cm,第2年對未耕區(qū)域進行輪耕,多次輪耕后視情況可進行一次全面翻耕。條耕時,將氮磷鉀基肥集中混拌在土壤中,起到疏松土壤、保持水分及增強土壤肥力的作用。條耕施肥后,截面如圖1所示。

1.未耕區(qū)域 2.已耕區(qū)域圖1 水稻條耕施肥模式Fig.1 Fertilization model of rice strip-tillage

1.2 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

水稻條耕施肥機[19]主要由旋刀、旋刀座、齒輪箱、懸掛架 、主變速箱、外槽輪排肥器、排肥管、肥箱、直流電機及傳動鏈等組成,如圖2所示。該機通過三點懸掛架與拖拉機懸掛式連接,動力由四輪拖拉機提供;施肥由直流電機帶動傳動鏈,將復合肥經(jīng)肥箱、外槽輪排肥器、排肥管施于左右旋刀的中間正前端,直流電機根據(jù)要求進行調(diào)速。條耕由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)將動力傳遞到水稻條耕施肥機主變速箱錐齒輪上,主變速箱中的錐齒輪帶動旋刀齒輪箱中齒輪組旋轉(zhuǎn),進而帶動旋耕刀座和旋刀旋轉(zhuǎn),將未耕土壤耕成“矩形”條帶,并將施于左右旋刀的中間正前端的復合肥與已耕土壤均勻混拌于“矩形”條帶中。轉(zhuǎn)彎時,四輪拖拉機通過液壓系統(tǒng)將水稻條耕施肥機整體懸起,依靠拖拉機自身轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

1.左右旋刀 2.旋刀座 3.齒輪箱 4.懸掛架 5.主變速箱 6.排肥管器 7.外槽輪排肥 8.肥箱 9.直流電機 10.傳動鏈 11.支撐座 12.連接板圖2 整機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of the whole machine

1.3 主要技術(shù)性能參數(shù)

1TZSF-240/8型水稻條耕施肥機主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

表1 1TZSF-240/8型水稻條耕施肥機的主要技術(shù)性能參數(shù)Table 1 Main technical performance parameters of 1TZSF-240/8 type Rice strip-tillage and fertilizer machine

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 條耕裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1.1 旋刀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

旋刀主要用來完成切土、碎土工作,并將切碎的草莖混入土中。旋刀由底座和切削部分組成,底座上有兩個安裝孔,如圖3所示。

1.旋刀切削部分 2.旋刀底座 3.安裝孔圖3 立式旋耕刀三維實體圖Fig.3 3D solid of vertical rotary blade

刀具的切削部分由3面、2刃和1尖組成：3面分別為正切面、側(cè)切面和過渡面,2刃分別為正切刃和側(cè)切刃,兩刃的交點為刀尖,刀尖帶有圓角,正切面是被切開的土垡直接流過的表面,側(cè)切面為參與切開土垡的表面,過渡面為切開土垡的面,該面為曲面。正切刃是正切面與過渡面的交線,擔負主要的切削土垡工作;側(cè)切刃是側(cè)切面和過渡面的交線,參與切削土垡的作用。刀尖是正切刃和側(cè)切刃相交的部分,為一小段圓弧,如圖4所示。

1.側(cè)切面 2.側(cè)切刃 3.正切刃 4.正切面 5.過渡面 6.刀尖圖4 立式旋耕刀Fig.4 Tagging of vertical rotary blade geometric parameter

旋刀的幾何角度由正切面刃角、側(cè)切面刃角和滑切角組成。為便于測量上述角度,以過圖5截面A與正切面、側(cè)切面的交點為原點E,建立空間直角坐標系,如圖5(a)所示。該坐標系由基面、正交平面和切削平面組成,其中X軸所在的平面為切削平面,Y軸所在的平面為基面,圖5(a)所在的面為正交平面,過E點與X、Y軸相垂直的軸為Z軸。正切面刃角α是在正交平面內(nèi)正切面與基面之間的夾角,正切面刃角越大,刀越鋒利,功耗越小;但若過大,則刀片使用壽命降低,因此要根據(jù)土壤的種類、刀具材料來選擇正切面刃角大小。側(cè)切面刃角β是在正交平面內(nèi)測量的側(cè)切面與切削平面的夾角,作用是減小側(cè)切面與未切削土壤之間的摩擦,且隨著旋刀的高速旋轉(zhuǎn),側(cè)切刃和側(cè)切面對已切削土壤形成擾動,進而使土壤更加松碎;但過大的側(cè)切面刃角會增大土壤阻力,使土壤攪動劇烈。滑切角γ是正切刃與Z軸之間的夾角,刀尖后傾減少磨損,提高使用壽命,如圖5(b)所示。

(a) 旋刀的視圖及滑切角標注

增大滑切角,則切割阻力增大,碎土或碎茬作用減小,但滑切角過小,則刀易纏草,降低作業(yè)質(zhì)量。

如圖5(a)所示：在三角形OEJ中,由余弦定理得

[c2+r2-2crcos(α+θ/2)]1/2=OJ

(1)

其中,β為側(cè)切面刃角(°),θ為正切面與側(cè)切面之間的夾角(°),α為正切面刃角(°),c為旋刀寬度(m),r為旋刀最大旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

考慮土壤具有可壓縮性,旋刀在原地旋轉(zhuǎn)過程中,為防止旋刀與未耕表面之間產(chǎn)生二次切削土壤,建立不等式,即

OJ≤r

(2)

如圖5(a)所示：正切面刃角、側(cè)切面刃角和正切面與側(cè)切面之間的夾角的關(guān)系為

α+β+θ=90°

(3)

由式(1)～式(3)聯(lián)立得

c/2r≤sin(β+θ/2)

(4)

按照農(nóng)藝要求和機具的實際情況,該機旋刀旋轉(zhuǎn)半徑r=0.075m,θ=25°,旋刀入土深度為0.15m,對應(yīng)最大入土寬度c=0.045m。由式(4)得βmin=5°, 由式(3)得αmax=60°,此時,既防止土壤的二次切削,又減少旋刀入土阻力,降低條耕消耗。

2.1.2 作業(yè)過程中部分旋刀幾何角度的改進設(shè)計

如圖6所示,水稻條耕施肥機旋刀所走的運動軌跡為余擺線。

圖6 旋刀運動軌跡圖Fig.6 Trajectory of the rotary knife

刀刃上任意點的位移方程為

X=vt+rsinωt

(5)

Y=-rcosωt

(6)

其中,v為機器的前進速度(m/s);ω為旋刀部件回轉(zhuǎn)角速度(r/s);t為時間(s),以Y軸負向為起始點。

如圖7所示：在余擺線和圓軌跡線交點o處,余擺線和圓軌跡線的切線方程為：

1)式(5)和式(6)對時間t求導得

dX=(v+ωrcosωt)dt

(7)

dY=ωrsinωtdt

(8)

2)由式(7)和式(8)聯(lián)立得

tanβ2=dY/dX=ωrsinωt/(v+ωrcosωt)

(9)

其中,β2為余擺線切線與X軸的夾角。

1.余擺線 2.刀刃o點圓軌跡線 3.簡化的旋刀圖7 旋刀做余擺線運動的角度關(guān)系Fig.7 Actual side cutting angle of the cycloid motion

圓軌跡對時間t求導得

dX=ωrcosωtdt

(10)

dY=ωrsinωtdt

(11)

由式(10)和式(11)聯(lián)立得

tanβ3=dY/dX= sinωt/cosωt

(12)

其中,β3為圓軌跡切線與X軸的夾角。

將式(9)和式(12)帶入和的正切公式得

tanβ0= (tanβ2- tanβ3)/(1+ tanβ2·tanβ3)

(13)

整理得

tanβ0= sinωt/(ωr/v+cosωt)

(14)

其表達式為

β5=δ+|β4-β0|

(15)

β4=β+θ/2

(16)

在旋刀最大寬度cmax=45mm、旋刀最大旋轉(zhuǎn)外徑r=75m、轉(zhuǎn)速為ω=375r/min、行走速度(慢一擋)為v=0.5 km/h的條件下,由式(14)可知：當t=nπ/ω時,β0最小,最小值為0,此時修正側(cè)切角δ最小,圖形角度測量得δmin=35.6°;當t=nπ/2ω時,β0最大。由式(14)可知,其最大值β0max=16.7°。由式(16)可知,β4min=17.5,將已知條件帶入式(15),此時β5最小,最小值β5min=36.4°, 旋刀做余擺線運動的實際側(cè)切角取整β1min=24°,不會出現(xiàn)二次切削土壤。由式(3)確定旋刀做余擺線運動的正切面刃角最大值α1max=41°,在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)下,旋刀正切面刃角偏大,且由于旋刀轉(zhuǎn)速增大的范圍有限(常用大馬力拖拉機的動力輸出軸最大轉(zhuǎn)速為1 000r/min),隨著機械行走速度v的增加,等效側(cè)切面刃角β0變大。在保證旋刀的剛度,即正切面和側(cè)切面夾角θ不變時,依據(jù)式(6)可知,正切面刃角α變小,切削土壤的阻力勢必增大。為減小入土阻力,同時防止旋刀二次切削土壤,在保證旋刀剛度的條件下,需對現(xiàn)有旋刀結(jié)構(gòu)進行重大改進,結(jié)論是增大正切面刃角和側(cè)切面刃角,其具體結(jié)構(gòu)性能的研究不在本文中具體闡述。

2.2 施肥裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

施肥裝置采用直流電機驅(qū)動的外槽輪排肥器,按照農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊,外槽輪每轉(zhuǎn)排量為

q0=πdLφ(a0fq/t0+λ)

其中,d為外槽輪外徑,d取60mm;L為槽輪有效工作長度,L取45mm;φ為肥密度,施用的化肥為N、P、K復合肥,其密度為1 200g/L;a0為槽內(nèi)肥充滿系數(shù), 一般取a0=0.7;fq為單位凹槽的截面積,fq通過計算選取fq=150.21mm2;t0為槽輪凹槽節(jié)距,通過計算得到t0=30.3mm;λ為帶動層特性,取λ=0.5。

由式(17)得,q0=7.67×10-3kg/r。按照農(nóng)藝要求,生產(chǎn)率為1hm2/天條件下,需施用復合肥47～56kg/h,取上限值q=56kg/h。

q=120nq0

(18)

其中,n為電機轉(zhuǎn)速(r/min)。

計算得到電機轉(zhuǎn)速約為50～60r/min。

3 水稻條耕施肥樣機田間試驗與分析

3.1 試驗目的

1)通過測量特定旋耕指標,驗證旋耕質(zhì)量是否符合國家標準;

2)通過測量特定施肥指標,驗證施肥質(zhì)量是否符合國家標準。

3.2 試驗條件

1)試驗場地：田間試驗選擇黑龍江八一農(nóng)墾大學改種水稻試驗田。

2)試驗時間：2018年5月。環(huán)境溫度為16.2℃;大氣壓力為100.2hPa;配套動力為66.2kW;前茬作物為水稻;肥料為復合肥,肥料含水率為12.2%;肥料休止角為22.3°;土壤含水率為19%;土壤堅實度為231.2kPa;旋刀轉(zhuǎn)速為375r/min;條耕深度為150mm;直流電動機轉(zhuǎn)速為60r/min;拖拉機行走速度為慢一擋。

3.3 試驗方法

參考國標測定排肥器具體工作性能,測定其主要工作性能包括耕深及其穩(wěn)定性、碎土質(zhì)量、總排量穩(wěn)定性和施肥均勻性。參考的國家標準為《GB/T5668-2008旋耕機》《GB-T9478-2005谷物條播機試驗方法》《JB/T8401.1-96 旋耕施肥播種機》《GB/T8401.0-2007 旋耕聯(lián)合作業(yè)機械旋耕施肥播種機》。

3.4 性能測試

性能測試是由黑龍江百晟通機械設(shè)備檢測有限公司出具的檢測數(shù)據(jù),如表2和表3所示。

表2 水稻條耕施肥機旋耕性能測試表Table 2 Test table rotary of tillage performance of rice strip-tillage and fertilizer machine

由表2可知：試驗測得耕深平均值、穩(wěn)定性系均小于國家標準,符合行業(yè)要求;≤8cm碎土質(zhì)量占比85.2%,符合國家標準。

由表3可知：施肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)、施肥均勻性變異系數(shù)均小于國家標準,符合行業(yè)要求。

表3 水稻條耕施肥機施肥性能測試表Table 3 Test table of fertilizer performance of rice strip-tillage and fertilizer machine

該機作業(yè)時,耕層深,碎土能力強,作業(yè)后土壤顆粒較小,溝底平整度較好,地表平整、松碎、拌肥效果良好,如圖8所示,機組運轉(zhuǎn)平穩(wěn),沒有發(fā)生側(cè)擺及一端翹起等現(xiàn)象,作業(yè)前后對比如圖8所示。

圖8 水稻條耕施肥前后對照圖Fig.8 Front and back contrast diagram of rice strip-tillage and fertilizer

4 結(jié)論

1)1TZSF-240/8型水稻條耕施肥機具有耕層深、碎土質(zhì)量好、耕作帶底部平整、保墑效果好、作業(yè)后土壤顆粒較小、溝底平整度較好,以及地表平整、松碎、拌肥效果好等特點。

2)為防止土壤的二次切削、減少旋刀入土阻力、降低條耕消耗,通過建立旋刀幾何角度關(guān)系,推導出正切面刃角、側(cè)切面刃角與行走速度、刀具轉(zhuǎn)速、旋刀旋轉(zhuǎn)半徑之間的關(guān)系式,確定在旋刀轉(zhuǎn)速為375r/min、行走速度為0.5km/h、旋轉(zhuǎn)外徑為75mm、耕深為150mm時,最優(yōu)側(cè)切面刃角為24°、正切面刃角為41°。按照農(nóng)藝要求,得出直流電機轉(zhuǎn)速范圍為50～60r/min。

3)田間試驗表明：耕深平均值15 cm,穩(wěn)定系數(shù)90%,土壤顆粒大于8cm的碎土率為85.2%,施肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)1.23%,施肥均勻性變異系數(shù)17.05%,滿足行業(yè)標準規(guī)定和農(nóng)藝要求。該研究為下一步水稻條耕施肥播種一體機的研發(fā)和水稻局部少耕、旱種水管技術(shù)大面積的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。