免耕播種機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置設(shè)計(jì)

魏傳省，尤曉東，張 旭

（遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，沈陽 110161）

推廣保護(hù)性耕作技術(shù)，將作物秸稈覆蓋地表，對(duì)農(nóng)田進(jìn)行少免耕作業(yè)，可減少水土流失，提高土壤肥力。但地表上的大量秸稈會(huì)導(dǎo)致播種機(jī)具堵塞，需要通過切、撥、拋等方式清理苗帶上的秸稈。目前，免耕防堵清秸裝置主要有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種，其中，被動(dòng)式防堵清秸裝置的動(dòng)力來自于土壤的摩擦力，轉(zhuǎn)速較低，清理能力有限。主動(dòng)式防堵清秸裝置采用齒輪傳動(dòng)，轉(zhuǎn)速較高且固定，但便于調(diào)節(jié)。機(jī)具的清茬效率是秸稈覆蓋條件下免耕播種的重要指標(biāo)[1]，為提高免耕播種作業(yè)時(shí)的苗帶秸稈清理效果，設(shè)計(jì)一種液壓驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置。

1 液壓驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

液壓驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主機(jī)架、清秸機(jī)架、彈齒清秸部件、破茬刀、液壓馬達(dá)和液壓控制閥等組成。

1.2 工作原理

該裝置安裝在免耕播種機(jī)播種單體的正前方，沿拖拉機(jī)前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。作業(yè)前，需調(diào)節(jié)清秸支架限深孔的位置。清秸機(jī)架可通過轉(zhuǎn)軸繞主機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)清秸彈齒部件的入土深度，使彈齒穿過秸稈層并接觸土壤，達(dá)到苗帶清理和減小土壤擾動(dòng)的雙重效果。作業(yè)時(shí)，通過拖拉機(jī)后液壓輸出、液壓控制閥和液壓馬達(dá)為清秸彈齒部件提供動(dòng)力，使其高速轉(zhuǎn)動(dòng)。在彈齒的撥、彈作用下，秸稈被清理至苗帶兩側(cè)。

2 彈齒清秸部件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

建立三維坐標(biāo)系Oxyz，以清秸彈齒頂點(diǎn)處在最大入土深度時(shí)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，x 軸、y 軸分別平行和垂直于清秸彈齒安裝平面，z 軸垂直于地表，如圖2 所示。清秸彈齒部件作業(yè)時(shí)，彈齒觸土并帶動(dòng)秸稈向側(cè)后方運(yùn)動(dòng)。理想狀態(tài)下，彈齒頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即為秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡方程，探究彈齒端部絕對(duì)速度的影響因素。

圖2 清秸彈齒部件示意圖Figure 2 Schematic diagram of spring-tooth parts for cleaning straw

選取清秸彈齒部件彈齒任一頂點(diǎn)，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡，可得軌跡方程為：

式中：v—免耕播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s；t—運(yùn)行時(shí)間，s；ω—彈齒清秸部件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；r—彈齒清秸部件投影半徑，mm；α—彈齒清秸部件與機(jī)具前進(jìn)方向夾角，°。

假設(shè)彈齒清秸部件在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)式(1)中的時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，可得彈齒清秸部件彈齒頂點(diǎn)的速度分量為：

由式（2）可得彈齒端部的絕對(duì)速度vs為：

由式（3）可知，彈齒端部的絕對(duì)速度與機(jī)具前進(jìn)速度v、彈齒清秸部件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、彈齒清秸部件投影半徑r和彈齒清秸部件與機(jī)具前進(jìn)方向夾角α有關(guān)。

3 彈齒清秸部件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

3.1 彈齒數(shù)量

彈齒需要滿足清秸作業(yè)強(qiáng)度條件，保證秸稈及雜草順利拋送。彈齒數(shù)量并非越多越好，通過參考中小型免耕播種機(jī)防堵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證彈齒不夾稈的情況下適當(dāng)多取，本設(shè)計(jì)取12個(gè)。

3.2 彈齒清秸部件投影直徑

各彈齒均勻分布在輪盤周圍。根據(jù)彈齒入土深度、土壤擾動(dòng)量、根茬處理要求等，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，彈齒清秸部件投影直徑為：

式中：D—彈齒清秸部件投影直徑，mm；R—彈齒清秸部件投影半徑，mm；K—徑深比；h—彈齒清秸部件入土深度，mm。

本設(shè)計(jì)彈齒清秸部件最大入土深度取60 mm，K取5，則根據(jù)公式4 計(jì)算可得彈齒清秸部件投影直徑D=300 mm。

3.3 彈齒清秸部件與機(jī)具前進(jìn)方向夾角

彈齒清秸部件與機(jī)具前進(jìn)方向夾角即彈齒清秸部件的運(yùn)動(dòng)偏角α。運(yùn)動(dòng)偏角α過大或者過小，均對(duì)作業(yè)效果產(chǎn)生不利影響。運(yùn)動(dòng)偏角α過大，會(huì)使秸稈撥離作業(yè)效果變差。運(yùn)動(dòng)偏角α過小，則清秸部件會(huì)把秸稈翻拋到苗帶上引起堵塞。參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的交錯(cuò)雙圓盤分草器及平面清茬輪設(shè)計(jì)，確定運(yùn)動(dòng)偏角α的范圍為15°~45°，本設(shè)計(jì)α=20°。

3.4 兩彈齒清秸部件中心距

理論苗帶清理寬度與運(yùn)動(dòng)偏角、投影直徑和兩彈齒清秸部件中心距離有關(guān)，單個(gè)彈齒清秸部件的清理寬度為：

式中：b—單個(gè)彈齒清秸部件的清理寬度，mm；L—彈齒清秸部件與土壤接觸的理論寬度，mm。理論苗帶清理寬度為：

式中：W—理論苗帶清理寬度，mm；a—兩彈齒清秸部件中心距離，mm。

為提高通過性，避免清秸裝置堵塞，應(yīng)使兩清秸盤留有10~30 mm 的間隙，故兩彈齒清秸部件端部投影距離：

式中：c—兩彈齒清秸部件端部投影距離，mm。

免耕播種作業(yè)的苗帶寬度為120 mm，理論苗帶清理寬度應(yīng)大于苗帶寬度，故本設(shè)計(jì)取理論苗帶清理寬度160 mm。由式5至式8可得：兩彈齒清秸部件中心距離為120 mm，兩彈齒清秸部件端部投影距離為18 mm。

4 結(jié)語

當(dāng)前，免耕播種機(jī)清理秸稈裝置研究成為一大焦點(diǎn)。史乃煜等[2]設(shè)計(jì)了一種彈齒式清秸裝置防止殘茬回帶機(jī)構(gòu)，可有效減少殘茬回帶，為2BMFJ 系列原茬地免耕播種機(jī)高質(zhì)量種床準(zhǔn)備、提高防堵性能提供了技術(shù)支撐。王奇等[3]設(shè)計(jì)一種星齒凹面盤式清秸防堵裝置，其苗帶清秸率和作業(yè)阻力分別為92.2%和142.6 N，且星齒凹面盤式清秸防堵裝置的工作性能優(yōu)于平面爪輪式防堵裝置。陳海濤等[4]基于原茬地免耕精量播種機(jī)側(cè)向清秸覆秸原理，設(shè)計(jì)了一種秸稈比例回收裝置，結(jié)果表明:在參數(shù)組合為作業(yè)速度5.4~7.2 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速95 r/min、彈齒偏角49°時(shí)，秸稈回收比率大于94%、含雜率小于5%。本研究在此基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有清秸裝置清理秸稈效果差的問題，設(shè)計(jì)了一種液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置。通過清秸彈齒部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到彈齒端部絕對(duì)速度的影響因素，確定彈齒清秸部件的彈齒數(shù)量、彈齒清秸部件投影直徑、運(yùn)動(dòng)偏角和兩彈齒清秸部件中心距等結(jié)構(gòu)參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)表明，該裝置可在播種作業(yè)時(shí)對(duì)苗帶區(qū)秸稈進(jìn)行有效清理，彈齒清秸部件轉(zhuǎn)速高，撥草及防纏能力有所增強(qiáng)，但尚需規(guī)模化試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證不同播種作業(yè)速度下的防堵效果。