水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王金峰 張 鑫 唐 漢 王金武 翁武雄 楊東澤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

東北地區(qū)是中國水稻種植的主要區(qū)域。目前東北地區(qū)面臨土壤板結(jié)退化，秸稈焚燒污染環(huán)境等問題[1-3]。秸稈還田可以提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)可有效減少農(nóng)田秸稈焚燒，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。但是由于東北地區(qū)特殊的地理環(huán)境，造成了秸稈量大、腐解緩慢的問題，普通旋耕機(jī)作業(yè)后導(dǎo)致秸稈埋入土層較淺，影響后續(xù)插秧工作[6]。根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，秸稈還田率應(yīng)大于85%，還田深度應(yīng)大于18 cm，才能基本滿足秸稈還田腐解要求[7]。

周勇等[8]研制的水田高茬秸稈還田耕整機(jī)采用雙刀輥式螺旋刀，前置刀輥實(shí)現(xiàn)秸稈埋覆，后置刀輥實(shí)現(xiàn)秸稈的再次壓埋，機(jī)具作業(yè)后能夠滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求，但存在機(jī)具重量過大的問題。王金武團(tuán)隊(duì)[6,9]提出一種水稻秸稈深埋還田技術(shù)，機(jī)具采用反旋作業(yè)方式，還田刀從底部開始向上切削土壤，更多的土壤因張力作用而破裂，作業(yè)后可以形成秸稈在下、土壤在上的理想作業(yè)環(huán)境，但存在功耗過大的問題。

本文針對上述問題，擬設(shè)計(jì)一種秸稈反旋深埋滑切還田刀，對還田刀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證還田刀拋土能力的同時(shí)，增加還田刀的滑切性能，減少纏草現(xiàn)象，降低還田機(jī)作業(yè)時(shí)的功率消耗，運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM探究還田刀與土壤-秸稈的作用機(jī)理，對比分析傳統(tǒng)還田刀與滑切還田刀的作業(yè)指標(biāo)，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)滑切還田刀在高含水率地塊的作業(yè)效果。

1 反旋深埋滑切還田刀結(jié)構(gòu)與工作原理

還田刀作為還田機(jī)的重要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對還田機(jī)的作業(yè)效果和功率消耗有很大影響，圖1為反旋深埋滑切還田刀的正視圖與左視圖。還田刀由側(cè)切部分、正切部分和過渡部分組成，側(cè)切刃與正切刃采用相同的阿基米德螺旋線設(shè)計(jì)，保證了側(cè)切刃與正切刃的平滑過渡及刃口的滑切性能，側(cè)切面為平面，主要用于切割破碎土壤，正切面為曲面，采用圓弧曲線設(shè)計(jì)，保證了還田刀的拋土能力與更小的切土功耗。還田刀的具體工作原理見文獻(xiàn)[6]，傳統(tǒng)還田刀正切刃先入土，側(cè)切刃后入土，秸稈由正切刃向側(cè)切刃滑動，容易纏繞在刀軸和還田刀柄端位置上，同時(shí)還田刀的入土沖擊大、功耗大[10]，反旋深埋滑切還田刀在作業(yè)時(shí)側(cè)切刃先入土，正切刃后入土，秸稈由側(cè)切刃向正切刃滑動，不容易造成纏草現(xiàn)象，入土沖擊小，同時(shí)刃口設(shè)計(jì)為楔形，降低切削阻力，減少切土功耗。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 還田刀刃口曲線設(shè)計(jì)

以還田刀的滑切角為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用阿基米德螺旋線對還田刀刃口曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)[9-10]。還田刀刃口滑切角定義為刃口曲線任意一點(diǎn)的速度方向與該點(diǎn)法平面之間的夾角[11]。如圖2所示，選取還田刀刃口曲線上一點(diǎn)M為動點(diǎn)進(jìn)行分析，以地面為定參考系，刀輥軸為動參考系，點(diǎn)M繞刀輥軸的勻速圓周運(yùn)動為相對運(yùn)動，相對速度vr為點(diǎn)M的圓周速度，牽引運(yùn)動為刀輥軸沿前進(jìn)方向的勻速直線運(yùn)動，牽引速度ve為還田機(jī)的前進(jìn)速度，絕對速度va為相對速度vr與牽引速度ve的矢量和。還田刀能夠?qū)⑼寥琅c秸稈順利脫出的滑切角為35°～55°[12]，由于反旋的作業(yè)方式，滑切還田刀的動態(tài)滑切角小于靜態(tài)滑切角[13]，因此要保證反旋深埋滑切還田刀的滑切能力須使動態(tài)滑切角不小于35°。

假設(shè)機(jī)具作業(yè)時(shí)刀軸逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，機(jī)具勻速向右前進(jìn)。對還田刀刃口動態(tài)滑切角方程進(jìn)行求解，以x軸為起始點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，則還田刀刃口曲線上任意一點(diǎn)可由方程表示為

(1)

用向量方程ρ表示刃口曲線上任意一點(diǎn)

ρ=r(φ)sinφi+r(φ)cosφj+z(φ)k

(2)

式中φ——刃口上任意點(diǎn)與x軸夾角，rad

r(φ)——刃口上任意點(diǎn)極徑，mm

根據(jù)定義求解還田刀滑切角方程，需要先求解刃口曲線任意一點(diǎn)的切線方程

T=dρ/dφ=(r′(φ)sinφ+r(φ)cosφ)i+
(r′(φ)cosφ-r(φ)sinφ)j+z′(φ)k

(3)

此切線方程由曲線參數(shù)決定，應(yīng)考慮機(jī)具前進(jìn)速度對滑切角的影響，根據(jù)坐標(biāo)平移與旋轉(zhuǎn)公式得到還田刀跟隨機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動狀態(tài)下的刃口曲線上任一點(diǎn)的矢徑ρ*和切線方程T*為

ρ*=(vet+r(φ)sin(φ+ωt))i+
(r(φ)cos(φ+ωt))j+z(φ)k

(4)

T*=(r′(φ)sin(φ+ωt)+r(φ)cos(φ+ωt))i+
(r′(φ)cos(φ+ωt)-r(φ)sin(φ+ωt))j+z′(φ)k

(5)

式中ω——刀片端點(diǎn)M處角速度，rad/s

t——還田刀運(yùn)動時(shí)間，s

刃口曲線上任一點(diǎn)的速度矢量va為

va=dρ*/dt=(ve+ωr(φ)cos(φ+ωt))i-
ωr(φ)sin(φ+ωt)j

(6)

根據(jù)滑切角的定義得知va和T*之間的夾角為刃口曲線動態(tài)滑切角τ′d的余角，即刃口曲線動態(tài)切割角γ′d，有

cosγ′d=cos(va,T*)=va·T*/(vaT*)

(7)

(8)

令α=φ+ωt，r′=r′(φ)=dr(φ)/dφ，r=r(φ)，z′=z′(φ)=dz(φ)/dφ，將公式(8)代入公式(7)得

(9)

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，某角的正切值與余弦值存在關(guān)系

(10)

將公式(9)代入公式(10)得到動態(tài)切割角γ′d正切值表達(dá)式為

(11)

因此，動態(tài)滑切角τ′d的表達(dá)式為

(12)

當(dāng)z′=0時(shí)，式(12)表示的是側(cè)切刃曲線的動態(tài)滑切角τd，即

(13)

當(dāng)還田機(jī)作業(yè)時(shí)，刃口曲線上各點(diǎn)的絕對速度va與相對速度vr之間存在一個(gè)夾角Δτ，Δτ為滑切還田刀的動態(tài)滑切角與靜態(tài)滑切角的差值，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系

(14)

求解得

(15)

已知還田機(jī)最佳作業(yè)條件為前進(jìn)速度選用低速一擋(1.5 km/h)，刀輥轉(zhuǎn)速選用250 r/min，根據(jù)公式(15)可知：當(dāng)前進(jìn)速度ve越大，刀軸角速度ω越小時(shí)，Δτ越大，滑切還田刀的動態(tài)滑切角越小，相反當(dāng)前進(jìn)速度ve越小，刀軸角速度ω越大時(shí)，Δτ越小，滑切還田刀的動態(tài)滑切角越大，因此選用前進(jìn)速度為3 km/h，刀輥轉(zhuǎn)速為190 r/min的作業(yè)條件為臨界條件進(jìn)行刃口曲線設(shè)計(jì)，保證滑切還田刀在低刀輥轉(zhuǎn)速、高前進(jìn)速度的工況下滿足滑切條件，設(shè)計(jì)的阿基米德螺旋方程為

r=2.703 2φ+19

(16)

方程求導(dǎo)得r′=2.703 2 mm/(°)=154.91 mm/rad。

將設(shè)計(jì)的側(cè)切刃刃口曲線(式(16))代入公式(13)、(15)進(jìn)行求解，考慮秸稈深埋還田時(shí)對耕深的要求，選取還田刀側(cè)切刃起始點(diǎn)位置r為126.7 mm，終點(diǎn)位置r為196.5 mm，從中按比例選取8個(gè)點(diǎn)求解，如表1所示。

表1 側(cè)切刃各角度計(jì)算值Tab.1 Calculated values of various angles of side cutting edge

由計(jì)算結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的側(cè)切刃動態(tài)滑切角由刀柄部至刀端部逐漸增大，側(cè)切刃起點(diǎn)位置的滑切角略小于35°，已知刀盤半徑為120 mm，在實(shí)際工作過程中可認(rèn)為側(cè)切刃起始點(diǎn)位置并不切割土壤，其余各位置均滿足還田刀的滑切條件。

2.2 還田刀正切面設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)還田刀多采用平面正切面，此類型正切面不能兼顧切土與拋土能力，采用曲面設(shè)計(jì)正切面可以解決此問題，使用曲母線構(gòu)造正切面，可用圓弧作為正切面母線[14]。

如圖3所示，設(shè)正切刃上任意一點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y，z)，圓弧母線的圓心坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，圓弧半徑為rθ，在任意平行于側(cè)切刃的切面內(nèi)，圓弧母線方程為

(17)

圓弧圓心坐標(biāo)為

(18)

式中η——正切刃任意點(diǎn)切線與y軸夾角

由圖3得各角度之間存在關(guān)系

(19)

式中ψ——正切刃任意點(diǎn)處的安裝角

將式(1)、(18)、(19)代入式(17)得

X2+Y2-2r(φ)rθcos(2φ-ψ)-
2x(r(φ)sinφ+rθsin(φ-ψ))-

2Y(r(φ)cosφ-rθcos(φ-ψ))+r2(φ)=0

(20)

式(20)為還田刀正切面圓弧母線方程，為保證還田刀側(cè)切刃與正切刃的滑切性能與平滑過渡，防止刃口曲線曲率突變導(dǎo)致還田刀滑切性能降低出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，正切刃使用與側(cè)切刃相同的阿基米德螺旋線進(jìn)行設(shè)計(jì)，正切面的設(shè)計(jì)要求為：保證還田刀拋土性能的同時(shí)減少還田刀切土功耗。還田刀的耕寬由正切面決定，耕寬過小還田刀拋土性能降低，嚴(yán)重時(shí)會造成漏耕現(xiàn)象，耕寬過大還田刀拋土性能提高，但不利于滑切脫草，增加還田刀作業(yè)功耗，已知還田機(jī)兩刀盤之間的距離為242 mm，為探究不同圓弧半徑與耕寬的關(guān)系，首先選取rθ為50、60、70、80、90 mm 5種情況對還田刀耕寬進(jìn)行計(jì)算分析，確定圓弧半徑范圍。耕寬分別為113.0、111.4、105.0、86.6、80.9 mm。隨著rθ增大耕寬逐漸減小，由于土壤之間的黏結(jié)作用，還田刀在高速轉(zhuǎn)動過程中左側(cè)還田刀與右側(cè)還田刀之間可預(yù)留10～20 mm距離，可以在保證還田刀拋土能力的同時(shí)為秸稈和土壤滑脫出還田刀提供一定的空間，因此理想的還田刀耕寬為111～116 mm，選擇rθ為50 mm或60 mm，且最大不超過60 mm。

正切面安裝角為正切面的主要參數(shù)之一，安裝角越大切土阻力越小，但拋土、覆蓋能力變差[15]，為進(jìn)一步確定rθ的取值，對還田刀正切面安裝角進(jìn)行分析，使用Creo 5.0軟件對兩種不同rθ的還田刀正切面安裝角進(jìn)行測量，rθ=60 mm時(shí)的數(shù)據(jù)記為A組，rθ=50 mm時(shí)的數(shù)據(jù)記為B組，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種圓弧半徑的滑切還田刀正切面安裝角測量結(jié)果Tab.2 Measurement results of installation angle tangent section of two kinds of slip-cutting straw returning blade with arc radius

由表2可以得出，兩種不同半徑的圓弧母線測量的刃口極徑基本一致，圓弧母線半徑為60 mm時(shí)的安裝角普遍大于圓弧母線半徑為50 mm時(shí)的安裝角，在允許最大安裝角的范圍內(nèi)，安裝角越大還田刀的功耗越小[15]，在Z軸坐標(biāo)值由0過渡至80 mm過程中，兩種不同半徑的圓弧母線安裝角變化幅度不大，變化規(guī)律都是先增大后減小，rθ=60 mm時(shí)，安裝角最大為42.4°，最小為39.2°，rθ=50 mm時(shí)，安裝角最大為41.8°，最小為39.1°，說明兩種不同半徑的圓弧母線正切面在前段和中段基本一致，不能作為選擇依據(jù)，但在80 mm過渡至90 mm過程中，ψA由41.5°變化至40.8°，降低0.7°，ψB由40.3°變化至33.7°，降低6.6°，分析原因?yàn)椋涸谶€田刀長度確定的情況下，圓弧半徑過小會導(dǎo)致還田刀正切面末段回轉(zhuǎn)過大，此情況下還田刀正切面形成U型，不利于還田刀拋出土壤，更不利于秸稈從正切刃滑出，增大了切土阻力，不利于秸稈還田，綜上所述選擇圓弧母線半徑為60 mm設(shè)計(jì)正切面，此時(shí)正切面滿足耕寬要求，且正切面安裝角較大，切土功耗最小，在保證還田刀拋土能力的同時(shí)最大限度地降低切土功耗。

3 離散元模型建立與仿真分析

濕黏水稻土的還田刀-土壤-秸稈互作規(guī)律比較復(fù)雜，可通過離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真分析[16]，以還田刀作業(yè)時(shí)的功耗和秸稈還田率為主要評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合多因素試驗(yàn)分析影響還田刀作業(yè)功耗的主要因素，為后續(xù)田間試驗(yàn)驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

3.1 還田刀模型建立

使用Creo 5.0軟件建立還田刀及刀盤三維模型(比例1∶1)，為了簡化仿真計(jì)算量，以.step格式導(dǎo)入EDEM軟件，選用merge命令使模型為一個(gè)整體[17]，如圖4所示。設(shè)置還田刀及刀盤模型材料屬性為65Mn鋼，泊松比為0.35，剪切模量為7.8×1010Pa，密度為7 850 kg/m3[18]。

3.2 土壤模型建立

土壤顆粒的大小和形狀比較復(fù)雜，為了簡化仿真計(jì)算量和時(shí)間，在保證仿真可靠性前提下，采用半徑為5 mm的球形顆粒模擬土壤顆粒[19-21]。

由于濕黏土壤的黏結(jié)力比較大，選用Hertz-Mindlin with bonding接觸模型模擬土壤顆粒間、土壤顆粒與還田刀、土壤顆粒與秸稈顆粒的黏結(jié)、內(nèi)聚、摩擦及破碎等關(guān)系[22-24]，該顆粒接觸模型具有5個(gè)參數(shù)，分別是：黏結(jié)法向剛度sn與黏結(jié)切向剛度sτ、黏結(jié)法向臨界應(yīng)力σmax與黏結(jié)切向臨界應(yīng)力τmax及顆粒黏結(jié)半徑Rb，合理設(shè)置5個(gè)參數(shù)可以模擬水稻土壤黏性特征[25-26]，取sn=sτ，σmax=τmax，可以簡化參數(shù)標(biāo)定[26-27]，取黏結(jié)切向剛度為5×107N/m3[25-26]，以土壤宏觀剪切、壓縮破壞強(qiáng)度為參考，確定耕作層、底層土壤顆粒黏結(jié)強(qiáng)度的臨界應(yīng)力分別為3×105Pa和5×105Pa[25-26]，土壤顆粒黏結(jié)半徑由土壤的含水率和密度計(jì)算得出，為了進(jìn)一步模擬真實(shí)土壤環(huán)境，設(shè)置土槽尺寸為1 000 mm×500 mm×400 mm，0～150 mm為土壤耕作層，150～300 mm為土壤底層[28]，仿真參數(shù)見表3[16-18,20-21]。

表3 土壤及還田刀離散元模型接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameters of discrete element model of soil and straw returning blade

3.3 秸稈模型建立

建立柔性秸稈模型較為復(fù)雜[29]，在水稻收獲機(jī)收獲后，秸稈多被粉碎為100 mm以下的小段秸稈，還田刀多數(shù)情況下對秸稈形成擾動作用而不是切割[29]，故采用13個(gè)直徑為5 mm、球心間隔為4 mm的秸稈顆粒組成長53 mm的秸稈模型，根據(jù)實(shí)際收獲機(jī)收獲后地表秸稈覆蓋量為336～353 g/m2，設(shè)置秸稈顆粒生成數(shù)量，具體仿真參數(shù)見表4[30]。

表4 秸稈離散元模型接觸參數(shù)Tab.4 Contact parameters of straw discrete element model

圖5a為EDEM建立的仿真土槽及秸稈模型，由上至下依次為秸稈層、耕作層和底層，圖5b為土壤顆粒間bond鍵。

3.4 虛擬仿真過程及結(jié)果分析

在虛擬作業(yè)過程中，設(shè)置滑切還田刀從土槽左側(cè)以1.5 km/h的速度勻速向右前進(jìn)，以250 r/min

的轉(zhuǎn)速勻速反旋切割土壤，設(shè)置固定時(shí)間步長為5.76×10-5s，即Rayleigh時(shí)間步長的10%，單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為顆粒平均半徑的3倍，總仿真時(shí)長15 s，每0.01 s保存一次仿真數(shù)據(jù)[18]。

選取14.01 s時(shí)仿真結(jié)果，對底層土壤顆粒運(yùn)動進(jìn)行分析，將土壤顆粒分為4個(gè)區(qū)域，如圖6所示，將土壤顆粒按速度分為3個(gè)等級，3.75×10-14～0.7 m/s為低速顆粒，0.7～2.1 m/s為中速顆粒，2.1～3.5 m/s為高速顆粒，以網(wǎng)格劃分土壤顆粒并分別計(jì)算各等級顆粒數(shù)量為243、1 403、745。

對區(qū)域1顆粒運(yùn)動趨勢進(jìn)行分析，如圖7a所示，底層土壤顆粒受還田刀作用后，有向各個(gè)方向的運(yùn)動趨勢，多數(shù)顆粒向還田機(jī)前方運(yùn)動，這些顆粒落地后造成還田機(jī)前方壅土，還田刀會重復(fù)切削此區(qū)域顆粒導(dǎo)致功耗增加，因此該區(qū)域顆粒越少越有利于還田機(jī)作業(yè)功耗的降低。

如圖7b所示，區(qū)域2顆粒為還田刀邊緣的土壤顆粒，在加速過程中提前脫離還田刀后，有向前和向下的運(yùn)動趨勢，向前運(yùn)動的土壤顆粒撞擊罩殼后，一部分黏附在罩殼上，另一部分被反彈后與向下運(yùn)動的土壤顆粒落于還田機(jī)前方形成壅土，因此合理設(shè)計(jì)前罩殼曲線可以在一定程度上減少機(jī)具前方壅土現(xiàn)象，達(dá)到降低功耗的目的。

如圖7c所示，區(qū)域3土壤顆粒受還田刀正切面摩擦力作用先加速至與還田刀速度相同，后隨還田刀一起勻速運(yùn)動，土壤顆粒速度較大，具有向上和向后運(yùn)動的趨勢，此區(qū)域土壤顆粒越多說明滑切還田刀的拋土性能越好。

如圖7d所示，區(qū)域4土壤顆粒的運(yùn)動可近似為拋物線運(yùn)動，在運(yùn)動過程中，較輕的秸稈顆粒動能小，先于土壤落下，土壤顆粒覆蓋在秸稈上，以此實(shí)現(xiàn)秸稈的深埋還田。

圖8為耕作層土壤顆粒仿真結(jié)果，按上述分區(qū)方法對耕作層土壤進(jìn)行分析，土壤顆粒的運(yùn)動趨勢與底層土壤顆粒基本一致。

計(jì)算各個(gè)區(qū)域土壤顆粒數(shù)量及不同速度土壤顆粒比例，如圖9所示。將區(qū)域1和區(qū)域2土壤顆粒數(shù)所占耕作區(qū)總土壤顆粒數(shù)的比例稱為壅土比例，為26.7%，此部分土壤顆粒所占比例越低，還田機(jī)因重復(fù)切削所消耗的功耗越低；將區(qū)域3和區(qū)域4土壤顆粒所占耕作區(qū)總土壤顆粒數(shù)的比例稱為拋土比例，為73.3%，此部分土壤顆粒所占比例越高，還田機(jī)拋土性能越好。以壅土比例和拋土比例作為衡量還田刀作業(yè)效果的指標(biāo)之一。

如圖10，以秸稈還田率為衡量還田刀作業(yè)效果的另一指標(biāo)，在已耕作區(qū)域?qū)⒙袢胪寥赖慕斩掝w粒標(biāo)記為紅色，計(jì)算埋入土壤的秸稈顆粒占耕作區(qū)域總秸稈顆粒數(shù)的比例為95.3%，滿足秸稈還田的作業(yè)指標(biāo)，由圖可以看出，還田機(jī)作業(yè)后，底層土壤與耕作層土壤混合均勻，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高蓄水能力，有利于水稻產(chǎn)量的提高。

導(dǎo)入傳統(tǒng)還田刀模型進(jìn)行仿真對照試驗(yàn)，14 s時(shí)仿真結(jié)果如圖11，分析計(jì)算作業(yè)后秸稈還田率為95.8%，統(tǒng)計(jì)耕作層與底層的各區(qū)域土壤顆粒數(shù)量并計(jì)算拋土比例，結(jié)果如表5。

表5 不同區(qū)域顆粒數(shù)量及比例Tab.5 Number and proportion of particles in different regions

對傳統(tǒng)還田刀與滑切還田刀的作業(yè)功耗進(jìn)行對比分析，導(dǎo)出12～14.5 s還田刀功耗如圖12所示，還田刀功耗呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：12～12.9 s時(shí)，還田刀由空轉(zhuǎn)開始切土，還田刀功耗逐漸增大，主要用于側(cè)切刃破碎土壤顆粒和正切面運(yùn)送土壤顆粒；12.9～13 s時(shí)，還田刀功耗呈下降趨勢，分析原因?yàn)椴糠植环€(wěn)定土壤顆粒未加速至與還田刀速度相同而提前拋出，形成區(qū)域1顆粒；13～13.1 s，還田刀做功用于土壤顆粒重力勢能和動能的增加，雖然仍有部分土壤顆粒脫離還田刀形成區(qū)域1和區(qū)域2，但還田刀總體功耗仍然呈增大趨勢，且還田刀功耗逐漸達(dá)到最大值；13.1～13.5 s時(shí)，還田刀向后拋送土壤顆粒，大部分土壤顆粒被拋向后方，還田刀功耗迅速減小至最低后開始下一次運(yùn)送土壤顆粒過程。

仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的秸稈反旋滑切還田刀耕作層土壤顆粒拋土比例為73.3%，底層土壤顆粒拋土比例為74.3%，傳統(tǒng)還田刀耕作層拋土比例為75.6%，底層土壤顆粒拋土比例為76.5%，差值分別為2.3、2.2個(gè)百分點(diǎn)，可認(rèn)為兩種還田刀拋土性能基本相同；在相同耕作區(qū)域以紅色表示埋入土壤的秸稈顆粒，以黃色表示未埋入土壤的秸稈顆粒，計(jì)算兩種還田刀作業(yè)后還田率分別為95.3%和95.8%，均滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求；計(jì)算秸稈反旋滑切還田刀的每秒平均功耗為851.6 J，傳統(tǒng)還田刀的每秒平均功耗為1 041 J，每秒平均功耗降低了18.19%，所設(shè)計(jì)的秸稈反旋滑切還田刀在保證還田刀拋土性能的同時(shí)，提高了還田刀的滑切性能，降低了還田機(jī)作業(yè)功耗。

3.5 虛擬仿真多因素試驗(yàn)

影響還田機(jī)作業(yè)功耗的主要因素有：還田機(jī)前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和留茬高度。在其他條件不變的情況下，機(jī)具前進(jìn)速度過大，切土節(jié)距變大，碎土率和地表平整度降低；由于反旋的作業(yè)方式導(dǎo)致刀輥轉(zhuǎn)速過高時(shí)，機(jī)具的功耗增大，刀輥轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致向后拋土率降低，機(jī)具前方壅土，重復(fù)切削土壤導(dǎo)致功耗增大；留茬高度過高容易導(dǎo)致機(jī)具刀輥纏草，功耗增大。

為探究影響還田機(jī)作業(yè)功耗的主要因素，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)拖拉機(jī)實(shí)際作業(yè)條件[31]及文獻(xiàn)[6，9]的機(jī)具作業(yè)條件，設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素編碼見表6。仿真試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 試驗(yàn)因素編碼Tab.6 Codes of experiment factors

表7 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.7 Simulation test design and results

運(yùn)用Design-Expert軟件進(jìn)行分析得到還田機(jī)功耗的二次多項(xiàng)式回歸模型為

Y=98.60+0.04A-0.46B-5.55C-8.16×
10-5A2+1.06×10-3B2+0.55C2+1.39×
10-6AB+1.11×10-4AC+0.02BC

(21)

對回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表8，模型的P值小于0.000 1，表明回歸模型高度顯著，模型失擬項(xiàng)P值為0.584 4，大于0.05，模型的失擬性不顯著，模型擬合程度高；預(yù)測R2(0.828)與調(diào)整R2(0.941 2)差值小于0.2，兩者基本一致，精度測量信噪比為20.712，比率大于4，說明模型具有較高的可靠性。由表中數(shù)據(jù)可知刀輥轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度對還田機(jī)功耗影響極顯著，留茬高度對還田機(jī)功耗影響顯著，影響從大到小依次為：刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、留茬高度。

表8 還田刀功耗二次多項(xiàng)式模型方差分析Tab.8 Analysis of variance of quadratic polynomial model for power consumption of straw returning blade

繪制各因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖。由圖13a可知，在留茬高度為200 mm時(shí)，隨著刀輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度的增加，機(jī)具功耗逐漸增大，刀輥轉(zhuǎn)速的增大速率約為機(jī)具前進(jìn)速度的兩倍。由圖13b可知，在前進(jìn)速度為2.25 km/h，留茬高度在140～260 mm范圍內(nèi)，還田機(jī)功耗隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在刀輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)，拋土性能降低導(dǎo)致機(jī)具前方壅土，功耗較大，在190～205 r/min范圍內(nèi)隨著刀輥轉(zhuǎn)速的提高，拋土性能提高，功耗減小，在205～250 r/min范圍內(nèi)，功耗隨著刀輥轉(zhuǎn)速的提高逐漸增大，且增大速率逐漸增大，在刀輥轉(zhuǎn)速較高時(shí)，留茬高度的變化對機(jī)具功耗的影響較小。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀的田間作業(yè)效果，樣刀加工安裝完成后于2020年9月24日在黑龍江省佳木斯市樺川縣玉成農(nóng)場水稻種植基地，以及于2020年10月19日在佳木斯市前進(jìn)鎮(zhèn)前進(jìn)農(nóng)場進(jìn)行了秸稈還田田間試驗(yàn)。

樺川縣玉成農(nóng)場田間試驗(yàn)時(shí)間較早，屬于提前收獲后直接進(jìn)行秸稈還田作業(yè)，秸稈和土壤含水率較高，其環(huán)境并不適宜進(jìn)行秸稈還田作業(yè)，兩田間試驗(yàn)地點(diǎn)的作業(yè)環(huán)境及工況條件見表9。兩地田間試驗(yàn)效果如圖14所示。

表9 作業(yè)環(huán)境及工況條件Tab.9 Working environment and working conditions

根據(jù)NY/T 499—2013《旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，測量并記錄作業(yè)后耕深、還田率及地表平整度，秸稈還田率測試方法為：在未作業(yè)區(qū)域從對角線等間距選取5點(diǎn)作為測量點(diǎn)，每點(diǎn)分別選取1 m2測量，收集地表的秸稈稱量記為M1，M2，…，M5(g)，還田機(jī)作業(yè)后，在已經(jīng)作業(yè)區(qū)域選取相同5點(diǎn)測量地表上秸稈，記為m1，m2，…，m5(g)，還田率ε計(jì)算式為

(22)

地表平整度測量方法為：過耕后地表線的最高點(diǎn)，垂直于還田機(jī)前進(jìn)方向作一水平直線為基準(zhǔn)線，選取大于還田機(jī)幅寬的寬度分成10等份，在等分點(diǎn)上作垂線與地表相交并測量各交點(diǎn)至基準(zhǔn)線的距離記為hi，則地表平整度h計(jì)算式為

(23)

4.2 結(jié)果與分析

分別記錄兩次田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)并代入式(22)、(23)計(jì)算秸稈還田率及平整度，表10為兩試驗(yàn)地點(diǎn)還田率、平整度和耕深對比。

表10 試驗(yàn)指標(biāo)對比Tab.10 Comparison of test indexes

前進(jìn)鎮(zhèn)田間試驗(yàn)的秸稈還田率平均值為89.7%，樺川縣田間試驗(yàn)的秸稈還田率平均值為87.9%，將田間試驗(yàn)結(jié)果與EDEM仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，還田率相對誤差為6.29%和8.42%，分析原因?yàn)椋涸谕寥篮瘦^高時(shí)，部分秸稈與土壤混合后很難分離，無法先于土壤落地形成秸稈在下、土壤在上的結(jié)構(gòu)。基于以上分析認(rèn)為各指標(biāo)相對誤差在允許的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了還田刀設(shè)計(jì)及仿真分析的可行性和合理性，實(shí)際測量的還田率出現(xiàn)波動，分析原因?yàn)槭斋@時(shí)秸稈拋撒不均勻?qū)е虏煌瑴y量點(diǎn)的秸稈覆蓋量不同，在秸稈覆蓋量較大的測量點(diǎn)，還田率較低；另一方面在實(shí)際作業(yè)過程中，受田間地塊條件及人為因素等影響，還田機(jī)前進(jìn)速度及刀輥轉(zhuǎn)速會有小幅度變動，從而影響秸稈還田率。

前進(jìn)鎮(zhèn)田間試驗(yàn)的平整度平均值為2.1 cm，樺川縣田間試驗(yàn)的平整度平均值為3.7 cm，計(jì)算兩組數(shù)據(jù)方差為0.041 6和1.053 6，前進(jìn)鎮(zhèn)的作業(yè)后地表平整度穩(wěn)定性好，分析原因?yàn)橥寥篮瘦^低時(shí)，機(jī)具的碎土效果好，大塊土壤撞擊擋草柵后先落地，小塊土壤穿過檔草柵后，覆蓋在大塊土壤上，地表平整；土壤含水率較高時(shí)，大塊土壤堵塞擋草柵，導(dǎo)致部分小塊土壤無法穿過擋草柵，無法形成大塊土壤在下、小塊土壤在上的結(jié)構(gòu)。

前進(jìn)鎮(zhèn)田間試驗(yàn)的耕深平均值為18.9 cm，樺川縣田間試驗(yàn)的耕深平均值為18.8 cm，兩次田間試驗(yàn)耕深基本一致，方差分別為0.054 4和0.161 6，樺川縣田間試驗(yàn)耕深穩(wěn)定性相對于前進(jìn)鎮(zhèn)較差，原因?yàn)樵谕寥篮瘦^高時(shí)，拖拉機(jī)下陷嚴(yán)重導(dǎo)致耕深不穩(wěn)定。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：所設(shè)計(jì)的深埋滑切還田刀在含水率為25%～30%的地塊作業(yè)時(shí)，還田率為87.9%，地表平整度為3.7 cm，耕深為18.8 cm；在含水率為20%～25%地塊作業(yè)時(shí)，還田率為89.7%，地表平整度為2.1 cm，耕深為18.9 cm，均滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種水稻秸稈反旋深埋滑切還田刀，在減輕水稻秸稈全量深埋還田機(jī)作業(yè)時(shí)刀輥前方壅土現(xiàn)象的同時(shí)，增加了還田刀的滑切能力，每秒平均功耗降低了18.19%。

(2)根據(jù)土壤及秸稈各項(xiàng)物料參數(shù)，運(yùn)用離散元軟件EDEM建立顆粒模型，并進(jìn)行秸稈深埋還田仿真試驗(yàn)，分析了土壤拋運(yùn)規(guī)律，驗(yàn)證了滑切還田刀的拋土性能和滑切性能，仿真作業(yè)后還田率與傳統(tǒng)還田刀還田率基本一致，對還田刀作業(yè)功耗進(jìn)行分析，正交試驗(yàn)表明，還田機(jī)功耗受刀輥轉(zhuǎn)速影響最大。

(3)通過田間試驗(yàn)，對比分析了滑切還田刀在不同含水率地塊的3項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)，驗(yàn)證了滑切還田刀的作業(yè)效果及仿真試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)結(jié)果表明：在土壤含水率為20%～30%，地表秸稈覆蓋量為336 ～353 g/m2，拖拉機(jī)作業(yè)速度為低速一擋(1.5 km/h)，刀輥轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)，秸稈深埋滑切還田刀作業(yè)后，平均耕深為18 cm左右，還田率為87.9%～89.7%，地表平整度為2.1～3.7 cm，作業(yè)指標(biāo)均滿足秸稈還田的農(nóng)藝要求。