前置式大壟原茬地種床整備裝置設計與試驗

陳海濤 魏志鵬 蘇文海 侯守印 紀文義 史乃煜

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

保護性耕作是通過少耕、免耕、地表微地形改造等方式在秸稈覆蓋農田上播種的先進技術，具有提高作物產量、減少土壤侵蝕、蓄水保墑、提高地力等優點[1-4]，是保證農業可持續性發展的有效方法之一[5-7]。保護性耕作技術與大壟寬窄行種植模式結合是黑龍江地區保證糧食產量持續增長的重要方法之一，與常規壟種植模式相比，大壟寬窄行種植模式作物植株的田間分布更為合理，通風透光性能更好，植株群體內競爭較小，可充分利用周圍環境中的水肥資源[8-10]。

性能穩定的原茬地種床整備裝置是保護性耕作與大壟寬窄行種植模式結合的關鍵，現有種床整備裝置分為主動式和被動式[11-14]，主動式整備裝置利用旋耕刀、滅茬刀、清秸刀等部件高速旋轉將秸稈和根茬破碎、混合、拋撒和覆蓋，清秸效果好，但存在土壤水分流失大，秸稈覆蓋量大時作業速度慢等問題。被動式整備裝置主要借助機具自重使破茬圓盤、撥草輪等裝置入土滾動，通過鋒利的邊刃將秸稈和根茬切斷[15-17]，作業速度快，但在秸稈重度覆蓋地區易發生堵塞、拖堆等問題，影響種床整備和播種質量。

2BMFJ-DL4型原茬地免耕精量播種機側向清秸覆秸原理適用于秸稈重度覆蓋原茬地的免耕播種，在播種機前進過程中，通過驅動種床整備裝置內的刀軸旋轉將秸稈和根茬側向拋出，再由后方的施肥播種單體完成施肥、播種、覆土鎮壓、藥劑噴施等工作，當播種機返程時，從種床整備裝置側面拋撒出的秸稈對相鄰苗帶進行均勻覆蓋，保墑效果好[18-19]。但其無法解決已有其他類型播種機在重度秸稈覆蓋地區正常播種的問題。

本文在2BMFJ-DL4型原茬地免耕精量播種機側向清秸覆秸原理的基礎上，為解決秸稈重度覆蓋還田地區部分播種機無法正常播種作業問題，通過理論分析和計算機仿真，設計一種適用于玉米大豆1.1 m大壟輪作寬窄行種植模式(壟間行距650 mm，壟上行距450 mm)的前置式原茬地種床整備裝置，并采用正交試驗優化設計方法探究其作業參數優化組合，以期為提高播種機利用率和原茬地免耕播種覆秸機械化技術模式在秸稈重度覆蓋地區的應用推廣提供技術支持。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

針對黑龍江地區玉米大豆1.1 m大壟輪作寬窄行種植模式，設計的前置式原茬地種床整備裝置(以下簡稱種床整備裝置)總體結構如圖1所示，主要由機架、地輪、種床整備單元組、控秸板、液壓系統、前懸掛機構等部分組成，總體為對稱結構。主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab.1 Major technical parameters

1.2 工作原理

如圖2所示，種床整備裝置通過前懸掛機構與拖拉機前部連接，拖拉機后部掛接播種機組成免耕精播覆秸作業機組，可一次進地完成4個1.1 m原茬大壟的全部播種作業環節。拖拉機通過動力輸出軸帶動液壓泵旋轉輸出液壓油，液壓油經過各調節控制閥驅動液壓馬達帶動種床整備單元組刀軸旋轉，完成清秸防堵種床整備工作。

種床整備裝置作業時，原茬地表的秸稈和根茬由種床整備單元組適度粉碎并從種床整備裝置兩側拋出，構建出干凈待播的種床后由播種機進行播種。當免耕精播覆秸作業機組返程播種時，從種床整備裝置側面拋撒出的秸稈均勻覆蓋在前幅播種苗帶上[20]。拖拉機駕駛室安裝有種床整備單元組轉速監測表，駕駛員可以根據作業狀態隨時調節種床整備單元組刀軸轉速，在保證種床整備質量前提下提高作業效率。前懸掛機構由液壓系統提供液壓力，通過提升油缸伸縮帶動下拉桿運動，控制種床整備裝置的浮動、提升和下降，并通過調節液壓閥改變升降速度和狀態。

2 關鍵部件設計與分析

2.1 種床整備單元組設計

種床整備單元組是完成秸稈及根茬清除、拋撒、覆蓋等種床整備工作的核心部件，如圖3所示，種床整備單元組主要由主動單體、從動單體、鏈條、刀軸、刀齒和變速箱等組成。種床整備裝置共包含4個種床整備單元組，可同時完成4個大壟的種床整備工作。

種床整備單元組工作情況如圖4所示，以主動單體變速箱中心為原點建立Oxyz空間直角坐標系。R1為主動單體刀齒軌跡線半徑，R2為從動單體刀齒軌跡線半徑，H為刀齒最大入土深度，J為主動單體的清秸寬度，S1為主動單體工作區域，S2為從動單體工作區域。工作時，種床整備單元組中的主動單體和從動單體隨機具以作業速度v沿x軸正方向前進的同時，繞各自刀軸的中心軸以轉速n順時針勻速旋轉。根據前期試驗確定種床整備單元組刀軸轉速(以下簡稱刀軸轉速)為400～600 r/min，作業速度不超過7.2 km/h。根茬清除率隨著種床整備刀齒入土深度(以下簡稱入土深度)增加而增加，當達到50 mm后根茬清除率基本保持不變[21]，為減小動土量并提高工作效率確定入土深度為30～50 mm。

由圖4可知，種床整備單元組的工作區域為刀齒軌跡線與壟體輪廓線相交所圍成的區域，圍成主動單體工作區域的各曲線方程為

(1)

式中 (y1，z1)——主動單體刀齒軌跡線方程坐標，mm

(y2，z2)——壟體左側斜面輪廓線方程坐標，mm

z3——壟頂輪廓線方程坐標，mm

刀軸軸心距壟面距離為280 mm，當入土深度為50 mm時，由式(1)可得主動單體的刀齒軌跡線與壟體斜面相交點的y軸坐標為

(2)

式中e——主動單體的刀齒軌跡線與壟體斜面交點y軸坐標，mm

主動單體的清秸寬度計算式為

(3)

主動單體的土壤擾動面積計算式為

(4)

式中S——主動單體的土壤擾動面積，mm2

從動單體與主動單體的清秸寬度和土壤擾動面積相同，為保證拖拉機后方播種機開溝器、覆土鎮壓器等部件不堵塞，要求yOz面內的主動單體和從動單體清秸寬度皆大于170 mm[22]。由式(3)可得，刀齒軌跡線半徑大于300.87 mm。主動單體與從動單體軸距為450 mm，刀軸外表面之間最小距離為345 mm，為避免發生干涉刀齒軌跡線半徑需小于345 mm。綜合考慮種床整備單元組工作質量和結構尺寸，選取刀齒軌跡線半徑為330 mm。由式(2)、(3)得主動單體的清秸寬度為251.86 mm，滿足播種機部件不堵塞的清秸寬度要求。由式(2)、(4)得主動單體的土壤擾動面積為8 986.56 mm2，實地測量每個大壟的橫截面積為79 526.88 mm2，則每個大壟的土壤擾動率為22.60%，滿足實際生產作業要求[21]。

刀齒采用螺旋線方式排布在刀軸外圓周表面上，每個刀軸上排布有3或4排刀齒，每排刀齒均為4把周向均布，主動單體與從動單體上刀齒的相位分布如圖5所示。

2.2 前懸掛機構設計

前懸掛機構是連接種床整備裝置與拖拉機的關鍵部件，以約翰迪爾7830型拖拉機為例，根據其車身結構、種床整備裝置懸掛架尺寸、GB/T 10916—2003對前懸掛機構相關要求完成前懸掛機構具體結構設計。如圖6所示，前懸掛機構主要由下拉桿、提升桿、液壓缸、上拉桿、側拉桿、提升臂、懸掛機架、連接梁等部分組成。

使用時利用螺栓將懸掛機架和連接板與拖拉機固裝，上、下拉桿通過銷軸與種床整備裝置的懸掛架連接。種床整備裝置處于運輸狀態時，液壓缸活塞伸出帶動提升臂繞軸轉動，提升臂通過提升桿帶動下拉桿向上提升，提升到指定高度后可將液壓油鎖死保持種床整備裝置運輸高度不變；種床整備裝置處于工作狀態時，液壓缸進出油口皆連接液壓油箱，使下拉桿自由浮動仿形。根據種床整備裝置提升要求，液壓缸采用活塞桿向上布置，液壓缸行程為180 mm。

如圖7所示，將前懸掛機構模型簡化后導入ADAMS軟件中進行運動仿真分析，根據運動分析確定液壓缸行程范圍內前懸掛機構下拉桿與農具連接處的行程范圍為0～580 mm，種床整備裝置離地間隙調節范圍為100～730 mm。提升速比是指懸掛軸的垂直上升速度與液壓缸活塞運動速度的比值[23]，前懸掛機構提升速比為3.2。

3 液壓系統設計

3.1 方案設計

種床整備裝置內部傳動系統如圖8所示。以左半部分為例，工作時液壓馬達通過軸傳動將動力輸入到2個變速箱內，變速箱經過換向后驅動主動單體刀軸轉動，同時主動單體通過鏈傳動將動力傳輸至從動單體，4個種床整備單元組同時進行種床整備工作。

根據種床整備裝置工作情況和拖拉機前懸掛機構使用要求設計的液壓系統原理圖如圖9所示[24-25]。液壓系統包含液壓懸掛系統和液壓驅動系統兩部分，其中液壓懸掛系統兩液壓缸并聯，液壓驅動系統兩液壓馬達并聯。液壓系統工作時，電磁溢流閥通電開啟溢流，拖拉機動力輸出軸帶動液壓泵轉動，從油箱吸入的液壓油通過單向閥、調速閥5進入三位四通電液換向閥。當電液換向閥雙側不通電時，液壓油從電液換向閥中位直接返回油箱，液壓馬達和液壓缸無動作。當電液換向閥右側通電時，液壓油從電液換向閥經電磁球閥、調速閥7、分流集流閥進入液壓缸無桿腔，推動活塞伸出完成前懸掛機構下拉桿提升動作。此時如果電磁溢流閥不通電，液壓缸處于浮動狀態，種床整備裝置在液壓缸浮動狀態下靠自重下降。在液壓缸活塞運動過程中如果電磁球閥通電則切斷液壓缸進油，使液壓缸活塞伸出長度保持不變，種床整備裝置提升高度恒定。當電液換向閥左側、電磁溢流閥通電時，液壓油從電液換向閥左側經分流閥進入液壓馬達，液壓馬達帶動種床整備單元組刀軸旋轉完成種床整備工作。針對不同的作業環境，可以通過調節調速閥5、7控制液壓馬達轉速和液壓缸活塞伸出速度。

結合執行元件工作載荷、設備安裝空間、元件成本等因素綜合考慮選取系統工作壓力為25 MPa。由機械設計手冊可知，當工作壓力大于20 MPa時，活塞桿直徑是液壓缸內徑的71%，液壓缸內徑計算式為

(5)

式中DW——液壓缸內徑，mm

FW——活塞受到的有效負載，N

p1——液壓缸工作腔壓力，MPa

p2——液壓缸回油腔背壓力，MPa

η1——液壓缸效率

液壓馬達排量計算式為

(6)

式中qm——液壓馬達排量，mL/r

Mm——液壓馬達扭矩，N·m

Δpm——液壓馬達壓力差，MPa

η2——液壓馬達機械效率

系統方案設計為一個液壓馬達驅動2個種床整備單元組，則液壓馬達扭矩計算式為

(7)

式中P0——每個種床整備單元組工作時刀軸消耗旋轉功率上限，kW

由于種床整備工作和種床整備裝置全速提升不同時進行，且液壓馬達流量遠大于液壓缸流量，則液壓泵流量計算式為

(8)

式中Qp——液壓泵流量，L/min

nm——液壓馬達轉速，r/min

η3——液壓馬達容積效率

η4——系統泄漏和溢流閥系數

根據前懸掛機構極限位置液壓缸受力情況可知，單個液壓缸最大推力設計下限為68.35 kN，取液壓缸背壓為0.2 MPa，效率為0.85，經式(5)確定液壓缸內徑80 mm，活塞桿直徑56 mm。由相關研究結果可知，每個種床整備單元組工作時刀軸消耗旋轉功率上限P0為10 kW[26]。液壓馬達機械效率為0.92，容積效率為0.94，在背壓為0.2 MPa、轉速為600 r/min時，由式(6)、(7)可得液壓馬達排量為100 mL/r。系統泄漏和溢流閥系數為1.1，由式(8)可得液壓泵排量為140 mL/r。

3.2 仿真分析

根據液壓系統原理圖在AMESim中建立仿真模型[27-28]，如圖10所示。模型建立完成后為各元件選擇合適的子模型，并根據元件樣本資料、機械設計手冊和作業條件為各仿真模型添加參數，主要參數如表2所示。

表2 液壓元件主要參數Tab.2 Main parameters of hydraulic components

仿真時間為0～16 s，通信間隔為0.01 s，電液換向閥在0～10 s內右側通電，向液壓懸掛系統供油，在10～15 s內左側通電，向液壓驅動系統供油，在15～16 s兩側均不通電，液壓油直接返回油箱。為真實反映前懸掛機構在提升種床整備裝置過程中兩側液壓缸受力不均勻的情況，設置兩活塞負載差值為1 000 kg，兩活塞位移變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，在0～5.72 s內，兩液壓缸活塞勻速由0 mm伸出至180 mm，5.72～8.00 s內活塞位置保持穩定，8.00～12.00 s內活塞處于浮動狀態，在種床整備裝置重力的作用下勻速縮回。在兩液壓缸承受負載相差1 000 kg時，活塞位移差隨著時間增加而增加，最大位移差發生在5.62 s處，差值為1.17 mm。在兩側負載差異較大的情況下液壓缸活塞運動平穩，位置保持穩定，同步性能好，滿足種床整備裝置在播種作業和運輸工況時的技術要求。

液壓驅動系統中2個液壓馬達的轉速和扭矩變化曲線如圖12所示，在10 s時液壓馬達開始轉動，在約1 s后轉速和扭矩達到穩定狀態。穩定工作時兩液壓馬達轉速差為3.58 r/min，在轉速600 r/min時每個液壓馬達能提供350 N·m的扭矩，滿足工作需要。

4 參數優化試驗

4.1 試驗條件

試驗于2020年10月15—20日在黑龍江省九三管理局尖山農場實施，依據DG/T 028—2019 《免耕播種機》和GB/T 20865—2017 《免(少)耕施肥播種機》實施本次試驗。選取試驗地長度100 m，其中測試區60 m，兩端預備區20 m，試驗地塊為機收后玉米原茬地，如圖13所示。前茬作物種植模式為1.1 m大壟寬窄行，深度0～10 cm土壤平均硬度為24.35 kg/cm2，土壤平均含水率為20.31%，秸稈含水率為32.31%，秸稈覆蓋量為2.15 kg/m2，玉米根茬平均高度210 mm。試驗儀器設備包括：約翰迪爾7830型拖拉機、前置式種床整備裝置、TZS-1型土壤濕度計、PV6.08土壤硬度計、ACS-30電子秤、自制轉速測量儀、卷尺、數碼相機等。

4.2 試驗方法

采用三因素三水平正交試驗方法[29]，應用L9(34)正交表設計試驗，以作業速度A、刀軸轉速B、入土深度C為試驗因素，以清秸率Y1、覆秸均勻度Y2、每個種床整備單元組刀軸旋轉功耗Y3(以下簡稱當量功耗)為評價指標，共實施9組試驗，每組試驗重復3次取平均值。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行分析。參照2BMFJ系列免耕精量播種機和農場現有播種機作業速度技術參數，并結合前期試驗選取作業速度為5.4～7.2 km/h、刀軸轉速為400～600 r/min[21]，由前文分析確定入土深度為30～50 mm。通過調節液壓驅動系統的調速閥5和拖拉機的動力輸出軸轉速控制刀軸轉速，通過調節地輪高度控制入土深度。試驗因素水平如表3所示。

表3 試驗因素水平Tab.3 Factors and levels of experiment

試驗評價指標測量方法如下：

(1)清秸率

清秸率是指作業幅寬內種床整備單元組工作區域作業前后全部秸稈質量的比值[30]，在完成種床整備區域內采用五點法確定采樣點，根據大壟寬窄行種植模式壟臺平均寬度確定每個采樣點的范圍為1 m×0.5 m。

(2)覆秸均勻度

參照NY/T 500—2015《秸稈粉碎還田機作業質量》制定了覆秸均勻度指標。測定方法：秸稈覆蓋區域利用五點法選取5個測點(1 m×1 m)，所選各測點秸稈覆蓋質量均值和極差的差值與各測點秸稈覆蓋質量均值的比值即為覆秸均勻度。

(3)當量功耗

當量功耗是每個種床整備單元組刀軸旋轉作業消耗的功率，參照T/CAMA 14.3—2020《農業機械作業載荷檢測技術規范 第3部分：輪式拖拉機(組)》進行測定，通過液壓馬達的轉速和工作壓力差計算得出，當量功耗計算式為

(9)

式中Y——當量功耗，kW

4.3 試驗結果與分析

試驗方案與結果如表4所示，方差、極差分析如表5所示。

表4 試驗方案與結果Tab.4 Experimental scheme and results

由表5可知，作業速度和入土深度對清秸率具有極顯著影響，刀軸轉速對清秸率具有顯著影響，影響由大到小依次為作業速度、入土深度、刀軸轉速，優化組合為A1B3C3；作業速度和刀軸轉速對覆秸均勻度具有極顯著影響，入土深度對覆秸均勻度具有顯著影響，影響由大到小依次為刀軸轉速、作業速度、入土深度，優化組合為A1B3C1；作業速度、刀軸轉速、入土深度對當量功耗均具有極顯著影響，影響由大到小依次為作業速度、入土深度、刀軸轉速，優化組合為A1B1C1。

4.4 參數優化與驗證試驗

種床清秸率達到90%以上可有效解決播種時發生秸稈殘茬造成的堵塞問題[31]。在種床秸稈殘茬不影響播種質量前提下，以作業速度最大、覆秸均勻度最高、當量功耗最小為優化原則，綜合考慮各因素對清秸率、覆秸均勻度和當量功耗的影響，進行優化組合分析。如表5所示，比較3個指標的優化結果，A1的覆秸均勻度高于A3，當量功耗小于A3，但考慮到A3作業速度最大，且清秸率大于90%，播種季節以搶播搶種搶農時為第一要務，因此取A3；因素B對覆秸均勻度具有極顯著影響，B3的覆秸均勻度顯著高于B1，故取B3；因素C對清秸率和當量功耗具有極顯著影響，C3的當量功耗顯著高于C1，故取C1。確定優化參數組合為A3B3C1，即作業速度7.2 km/h、刀軸轉速600 r/min、入土深度30 mm，此條件下清秸率為90.35%，覆秸均勻度為92.81%，當量功耗為8.09 kW。

在該優化參數組合條件下，2020年10月25日在尖山農場進行驗證試驗，結果如表6所示。統計分析結果顯示：清秸率為91.03%，覆秸均勻度為92.61%，當量功耗為7.96 kW。各指標值與優化結果相對誤差最大為1.63%，優化結果真實可信。

表6 驗證試驗結果Tab.6 Verification experimental results

5 結論

(1)設計了一種適用于玉米大豆1.1 m大壟輪作寬窄行種植模式的前置式原茬地種床整備裝置，其液壓懸掛系統和液壓驅動系統各執行元件的同步性能、轉速和扭矩均滿足作業技術要求，前置式原茬地種床整備裝置與播種機前后配置構成原茬地免耕精播覆秸作業機組，能夠滿足玉米原茬地播種秸稈覆蓋還田生產農藝要求。

(2)各因素對清秸率影響由大到小為作業速度、種床整備刀齒入土深度、種床整備單元組刀軸轉速；對覆秸均勻度影響由大到小為種床整備單元組刀軸轉速、作業速度、種床整備刀齒入土深度；對每個種床整備單元組刀軸旋轉功耗影響由大到小為作業速度、種床整備刀齒入土深度、種床整備單元組刀軸轉速。

(3)在土壤硬度24.35 kg/cm2、含水率20.31%，秸稈含水率32.31%、覆蓋量2.15 kg/m2，玉米根茬平均高度210 mm的1.1 m玉米大壟寬窄行原茬地上，前置式原茬地種床整備裝置參數組合為作業速度7.2 km/h、種床整備單元組刀軸轉速600 r/min、種床整備刀齒入土深度30 mm時，清秸率為91.03%，覆秸均勻度為92.61%，每個種床整備單元組刀軸旋轉功耗為7.96 kW，性能滿足生產農藝技術要求。