稻茬麥覆秸還田播種機(jī)均勻拋撒機(jī)理分析與機(jī)構(gòu)優(yōu)化

施麗莉 顧峰瑋 胡志超 吳 峰 高學(xué)梅 徐弘博

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210014)

0 引言

農(nóng)作物秸稈是一類含豐富氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的可再生生物質(zhì)資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈量約占全球總量的20%，如何實(shí)現(xiàn)秸稈經(jīng)濟(jì)有效資源化利用而不焚燒污染環(huán)境，關(guān)系到我國(guó)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來(lái)，針對(duì)大量秸稈不收集移出、全量就地還田利用的現(xiàn)狀，急需研發(fā)出一次下田可完成秸稈處理、苗床整備、播種施肥等一體化作業(yè)的復(fù)式播種設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)全量秸稈硬茬地作業(yè)工況下高質(zhì)順暢機(jī)播[2-3]。

傳統(tǒng)稻茬麥機(jī)播設(shè)備費(fèi)工費(fèi)時(shí)、效率低下，且機(jī)播作業(yè)順暢性、拋撒均勻性難以保證。尤其是在稻麥輪作區(qū)，前茬水稻秸稈量大、濕度高、韌性強(qiáng)，碎秸稈易成團(tuán)盤(pán)結(jié)，拋撒有效幅寬與覆秸均勻性難以準(zhǔn)確控制，出現(xiàn)相鄰作業(yè)幅寬交接處碎秸重疊覆蓋和幅寬內(nèi)碎秸局部過(guò)量覆蓋，使秸稈均勻覆蓋應(yīng)有的保溫保墑、封閉雜草效應(yīng)缺失，造成后茬小麥缺苗弱苗，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也已進(jìn)行了各種研究，取得一些進(jìn)展[4-8]。

本文針對(duì)稻茬麥覆秸還田播種機(jī)，深入研究其均勻拋撒機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)秸稈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、軌跡進(jìn)行理論分析，并結(jié)合EDEM軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的仿真分析，直觀分析其運(yùn)動(dòng)特性。在此基礎(chǔ)上對(duì)均勻拋撒機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間試驗(yàn)，優(yōu)化拋撒機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)[9-16]。探明稻茬麥覆秸還田播種機(jī)均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu)作業(yè)機(jī)理，解決播后秸稈拋撒覆蓋不均勻性難題，為相關(guān)設(shè)備研發(fā)提供基礎(chǔ)理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

稻茬麥覆秸還田播種機(jī)作業(yè)工序主要分為秸稈粉碎、碎秸撿拾收集、碎秸跨越提升輸送、種床整備、無(wú)障礙施肥播種覆土、碎秸均勻拋撒覆蓋。機(jī)具整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由懸掛裝置、限深壓秸輪、旋耕種床整備部件、施肥組件、撒播組件、鎮(zhèn)壓覆土輥、均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu)、碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)、橫向輸秸裝置、秸稈粉碎撿拾機(jī)構(gòu)組成。

圖1 稻茬麥覆秸還田播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of no-tillage planter of wheat after rice1.懸掛裝置 2.限深壓秸輪 3.旋耕種床整備部件 4.施肥組件 5.撒播組件 6.鎮(zhèn)壓覆土輥 7.均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu) 8.碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu) 9.橫向輸秸裝置 10.秸稈粉碎撿拾機(jī)構(gòu)

機(jī)具前行作業(yè)時(shí)秸稈粉碎撿拾機(jī)構(gòu)粉碎秸稈的同時(shí)將碎秸撿拾收集至橫向輸秸裝置，碎秸被輸送至碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)后，受其內(nèi)部打擊力與氣力的作用，被向上提升、向后輸送，碎秸在被跨越拋送的同時(shí)，下方旋耕種床整備部件完成種床整備工序，施肥組件、撒播組件和鎮(zhèn)壓覆土輥分別完成施肥、播種、覆土鎮(zhèn)壓工序，最后被跨越拋送的碎秸經(jīng)均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)打擊，被均勻拋撒覆蓋于地表，實(shí)現(xiàn)水稻茬小麥播種與秸稈均勻覆蓋一體化機(jī)播。

由于水稻秸稈量大、濕度高、韌性強(qiáng)，實(shí)際作業(yè)時(shí)，碎秸稈易成團(tuán)盤(pán)結(jié)從碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)輸出，要想獲得較好的秸稈均勻覆蓋效果、確保后期小麥出苗率，需設(shè)計(jì)并優(yōu)化均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)打散碎秸?qǐng)F(tuán)、均勻拋撒覆蓋。

圖2所示為水稻秸稈均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，連接抱箍與碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)固定連接，連接板末端裝配拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸，其上安裝有桿齒形打散葉片。均勻拋撒作業(yè)的實(shí)質(zhì)是打散葉片使碎秸從成群成團(tuán)至分散撒鋪地表的過(guò)程，在前期工作中[12]，對(duì)打散葉片的形式進(jìn)行了高速攝影試驗(yàn)研究，因碎秸?qǐng)F(tuán)流動(dòng)性差，有柔韌性且容易穿插纏繞在一起，高速旋轉(zhuǎn)的桿齒形打散葉片對(duì)碎秸?qǐng)F(tuán)的導(dǎo)向攜帶和打擊撕扯作用優(yōu)于面板狀打散葉片，更有利打散碎秸?qǐng)F(tuán)。因此，在確定桿齒形打散葉片形狀下，需要進(jìn)一步對(duì)均勻拋撒機(jī)構(gòu)作業(yè)機(jī)理進(jìn)行研究，以及進(jìn)行受力分析、碎秸?qǐng)F(tuán)運(yùn)動(dòng)特性的研究，以確定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖2 水稻秸稈均勻拋撒葉輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of throwing impeller on no-tillage planter of wheat after rice1.連接板 2.拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸 3.連接抱箍 4.拋撒葉輪桿齒形打散葉片

2 均勻拋撒機(jī)構(gòu)機(jī)理分析

根據(jù)對(duì)水稻秸稈均勻拋撒過(guò)程的分析，可將其運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為如下過(guò)程：碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)射出的碎秸?qǐng)F(tuán)流被旋轉(zhuǎn)的桿齒形打散葉片充分擊打截?cái)啵谒矔r(shí)點(diǎn)上，碎秸?qǐng)F(tuán)中緊貼葉片(桿齒)側(cè)的碎秸相對(duì)于不緊貼葉片一側(cè)的碎秸流動(dòng)速度存在速度差，使碎秸?qǐng)F(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生分離力的作用，發(fā)生撕扯，碎秸?qǐng)F(tuán)內(nèi)部分離力大于碎秸之間的盤(pán)結(jié)力，致使碎秸?qǐng)F(tuán)分散，起到打散的效果；同時(shí)，在離心力的疊加作用下，團(tuán)狀碎秸在葉片上做滑移運(yùn)動(dòng)，打散效果更加明顯；最后，直至碎秸離開(kāi)葉片做平拋運(yùn)動(dòng)落地[13-19]。所以拋撒過(guò)程可分為3個(gè)階段：碎秸被打散葉片截?cái)嗖⒆矒簦辉诖蛏⑷~片上滑動(dòng)；碎秸做三維空間拋撒。

(1)碎秸被打散葉片截?cái)嗖⒆矒暨^(guò)程

此為完全彈性碰撞，根據(jù)動(dòng)能守恒定律得

(1)

化簡(jiǎn)后，可得

(2)

式中m——碎秸質(zhì)量，g

v1——碎秸運(yùn)動(dòng)速度，m/s

m′——葉片質(zhì)量，m

v2——葉片運(yùn)動(dòng)速度，m/s

v′1——碰撞后碎秸運(yùn)動(dòng)速度，m/s

v′2——碰撞后葉片運(yùn)動(dòng)速度，m/s

(2)碎秸在打散葉片上滑動(dòng)過(guò)程

圖3為碎秸滑動(dòng)過(guò)程受力分析，碎秸主要受力有重力、摩擦力、慣性力、離心力、科氏力，化簡(jiǎn)后計(jì)算可得

圖3 碎秸滑動(dòng)過(guò)程受力分析Fig.3 Force analysis diagram of smashing straw’s sliding process

(3)

式中ω——拋撒葉片角速度，rad/s

R——t時(shí)刻碎秸與中心O距離，mm

μ——滑動(dòng)摩擦因數(shù)

r——拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸半徑，mm

(3)碎秸做三維空間拋撒運(yùn)動(dòng)過(guò)程

碎秸離開(kāi)葉片后以初速度v0被拋出，離開(kāi)葉片后忽略風(fēng)、碎秸自身旋轉(zhuǎn)和相互之間的影響，僅受到空氣阻力和重力的作用，又由于葉片的傾角不同，葉片上傾、不傾、下傾可以將運(yùn)動(dòng)分為上拋、平拋、下拋3種運(yùn)動(dòng)形式，如圖4所示。

圖4 葉片上傾時(shí)碎秸三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Motion locus diagram of smashing straw when blade was upward

通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)形式的分析，可將碎秸在空間的三維運(yùn)動(dòng)看成是在兩個(gè)平面二維運(yùn)動(dòng)的疊加，根據(jù)碎秸上拋、平拋、下拋的3個(gè)運(yùn)動(dòng)路線，其二維平面的運(yùn)動(dòng)路線也可分為路線1、路線2、路線3，具體如圖5所示，其中，L1、S1為碎秸在上拋情況下在X、Y方向的運(yùn)動(dòng)距離，θ1為v0與水平面的夾角。忽略風(fēng)/秸稈自身的旋轉(zhuǎn)和秸稈之間相互作用的影響，在空氣中運(yùn)動(dòng)的秸稈只受到空氣阻力和自身重力作用。設(shè)碎秸在拋撒運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其在YOZ平面的運(yùn)動(dòng)落地后與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離S為碎秸的拋撒距離；其在XOY平面運(yùn)動(dòng)落地后與坐標(biāo)原點(diǎn)的兩倍距離2L為碎秸拋撒的幅寬。

圖5 碎秸二維平面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Motion locus diagrams of smashing straw in two-dimensional plane

將碎秸的初始速度v0分解為沿著X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向的分速度vx、vy、vz，計(jì)算可得

(4)

式中φ1——v0在XOY面的投影與X軸的夾角，(°)

對(duì)碎秸進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡計(jì)算，空氣阻力計(jì)算復(fù)雜，常用計(jì)算模型有兩種，本文參考有空氣阻力的拋射體飛行的軌跡計(jì)算，采用空氣阻力與速度平方成正比的模型[20-21]。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律，碎秸離開(kāi)葉片后的平拋過(guò)程運(yùn)動(dòng)方程表示為：

(5)

(6)

Z方向，當(dāng)空氣阻力與重力方向一致時(shí)

(7)

Z方向，當(dāng)空氣阻力與重力方向相反時(shí)

(8)

式中x、y、z——碎秸在X、Y、Z向的運(yùn)動(dòng)距離，mm

k——空氣阻力因子，取決于碎秸的形狀、尺寸和質(zhì)量等因素

在X方向：將vx=dx/dt代入式(5)，并兩邊同時(shí)積分后，初始條件當(dāng)t=0時(shí)，vx=vox，繼續(xù)進(jìn)行積分計(jì)算，并取t=0時(shí)，x=0，計(jì)算可得，在X方向的運(yùn)動(dòng)距離為

(9)

在Y方向：將vy=dy/dt代入式(6)中，分離變量并進(jìn)行積分，且初始條件當(dāng)t=0時(shí)，vy=voy，y=0，可得在Y方向的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離分別為

(10)

在Z方向：將vz=dz/dt代入式(7)中，且初始條件當(dāng)t=0時(shí)，vz=voz，當(dāng)空氣阻力與重力方向一致時(shí)，分離變量并進(jìn)行積分得

(11)

(12)

繼續(xù)計(jì)算并代入初始條件z|t=0=H，可得在Z方向的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算式：當(dāng)zy=0時(shí)，z取得最大值，即

(13)

此刻，碎秸?qǐng)F(tuán)達(dá)到最高點(diǎn)，所用的時(shí)間即為t′，且最高點(diǎn)的高度即為zmax。

當(dāng)空氣阻力與重力方向相反時(shí)，初始條件vz|t=t′=0，z|t=t′=zmax，采用分離變量法進(jìn)行積分，計(jì)算可得

(14)

參考上述計(jì)算方法可進(jìn)行打散葉片不傾、打散葉片下傾運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算，本文不再贅述。

通過(guò)式(1)～(14)的計(jì)算，可得出碎秸在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、碎秸的拋撒幅寬以及運(yùn)動(dòng)距離。分析可知：影響碎秸均勻拋撒的主要因素有：初速度、初始位置、拋撒角度。初速度與碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)的管道直徑、管道風(fēng)速密切相關(guān)，初始位置取決于機(jī)構(gòu)的空間位置，拋撒角度取決于葉片的傾角。這為進(jìn)一步的仿真及試驗(yàn)分析奠定了理論基礎(chǔ)。

3 EDEM碎秸拋撒過(guò)程仿真

3.1 數(shù)學(xué)及幾何模型

本文采用離散元方法模擬碎秸的仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在EDEM的原型模型中創(chuàng)建碎秸模型。在開(kāi)展相關(guān)仿真試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)物料特性，其表面粘附力較小，且假設(shè)碎秸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位移、力、速度等參數(shù)的變化是通過(guò)顆粒間或顆粒與接觸材料之間產(chǎn)生的微小交疊量的不同來(lái)確定的，根據(jù)牛頓第二定律，每個(gè)模型在力和扭矩的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。基于以上假設(shè)，碎秸的相關(guān)運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸力學(xué)模型[22-25]。模型所受法向力Fn和切向力Ft滿足函數(shù)關(guān)系式

(15)

式中E*——等效彈性模量

R*——等效接觸半徑

δn、δt——法向、切向重疊量

St——切向剛度

E*和等效剪切模量G*為

(16)

式中E1、E2——顆粒1、2彈性模量

ν1、ν2——顆粒1、2泊松比

G1、G2——顆粒1、2剪切模量

模型中的法向阻尼力Fn,d和切向阻尼力Ft,d滿足

(17)

式中β——阻尼比

m*——等效質(zhì)量

Sn——法向剛度

vn,rel——法向相對(duì)速度

vt,rel——切向相對(duì)速度

碎秸?qǐng)F(tuán)在運(yùn)動(dòng)中還會(huì)受到滾動(dòng)摩擦力的影響，而滾動(dòng)摩擦可以通過(guò)接觸表面上的力矩Ti來(lái)說(shuō)明，力矩Ti與滾動(dòng)摩擦因數(shù)μr、顆粒質(zhì)心至接觸點(diǎn)間距Ri、顆粒在接觸點(diǎn)處角速度ωi的關(guān)系式為

Ti=-μrFnRiωi

(18)

μr為無(wú)量綱參數(shù)，取值會(huì)影響碎秸?qǐng)F(tuán)阻抗?jié)L動(dòng)程度。

3.2 參數(shù)設(shè)定及模型建立

水稻秸稈具有特殊的剪切、彎曲、拉伸等性能，由于碎秸高長(zhǎng)徑比及性質(zhì)的各向異性，仿真水稻碎秸一直是技術(shù)難題[26-29]。表1所示為材料屬性與相關(guān)接觸參數(shù)。

表1 材料屬性與相關(guān)接觸參數(shù)Tab.1 Material physical and contact mechanical properties parameters

秸稈由于其特殊的性質(zhì)，在離散元仿真中一直難以模擬，試驗(yàn)中水稻秸稈易彎折性和空心結(jié)構(gòu)等離散元都難以做到，考慮到仿真量較大，為了簡(jiǎn)化秸稈及減少仿真時(shí)間，秸稈顆粒采用剛性模型，以直徑為7 mm、球心間距為3.5 mm的球體，組合成總長(zhǎng)為100 mm的長(zhǎng)線型模型來(lái)模擬秸稈。圖6所示為所建的秸稈模型圖。

圖6 秸稈仿真模型Fig.6 Model of straw simulating

3.3 仿真結(jié)果及分析

3.3.1仿真結(jié)果與實(shí)際作業(yè)比較分析

設(shè)置拋碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)的管道直徑為220 mm，彎管段的曲率半徑為1 005 mm，EDEM中顆粒工廠每秒產(chǎn)生2.0 kg的碎秸，碎秸跨越拋送機(jī)構(gòu)拋送葉片的拋送轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 400 r/min，打散葉片的傾角為0°、數(shù)目為4個(gè)、轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min進(jìn)行仿真。

圖7所示為在EDEM中碎秸拋撒過(guò)程仿真模型，水稻秸稈運(yùn)動(dòng)至管道口處，受到打散葉輪的擊打作用，碎秸被打散開(kāi)來(lái)，拋撒覆蓋于播后地表。但是濕度高、韌性大、易成團(tuán)的特性使其無(wú)論是在管道中輸送還是受到打散葉片的擊打作用，都依舊存在成團(tuán)的特點(diǎn)，必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡可能保證秸稈在有效播種幅寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)較優(yōu)均勻拋撒。

圖7 碎秸拋撒過(guò)程仿真模型Fig.7 Distribution diagram of straw and air flow velocity

為驗(yàn)證EDEM中碎秸拋撒過(guò)程仿真模型的合理性，對(duì)拋出口處碎秸的拋出速度進(jìn)行比較，如表2所示，仿真與實(shí)際作業(yè)速度均值誤差小，說(shuō)明仿真結(jié)果可信。

表2 EDEM仿真計(jì)算值與實(shí)際作業(yè)值比較Tab.2 Comparison of EDEM measured and simulated suspension velocity m/s

3.3.2秸稈被拋撒后的運(yùn)動(dòng)分析

仿真模擬時(shí)觀察0.40、0.41、0.42 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖8所示。并且在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之后，隨機(jī)選取3個(gè)秸稈進(jìn)行分析，記錄其速度變化曲線，如圖9所示。

圖8 3個(gè)時(shí)刻的秸稈運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Fig.8 Motion simulation results of straw at three time points

圖9 秸稈速度變化曲線Fig.9 Diagram of change progress with straw velocity

秸稈的拋撒運(yùn)動(dòng)規(guī)律：先是被旋轉(zhuǎn)葉片擊打截?cái)啵笏榻赵谌~片上做滑移運(yùn)動(dòng)，最后離開(kāi)葉片做平拋運(yùn)動(dòng)直至落地。此規(guī)律的理論分析與秸稈運(yùn)動(dòng)圖、速度變化圖吻合，說(shuō)明仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果以及實(shí)際作業(yè)情況一致，分析正確，可在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的分析。

3.3.3影響拋撒運(yùn)動(dòng)的因素確定

通過(guò)對(duì)拋撒過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真分析可知，影響秸稈覆蓋均勻性能的拋撒裝置結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要包括：拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，由圖7、8可知，拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸直接與秸稈相作用，其轉(zhuǎn)速直接影響秸稈被擊打后的拋出速度，以及拋出的秸稈能否被及時(shí)打散開(kāi)來(lái)；拋撒葉輪數(shù)決定了擊打的頻率，并且數(shù)目越多會(huì)導(dǎo)致葉輪之間的空間越小，不能有效截?cái)嘟斩捔鳎蝗~輪傾角會(huì)影響秸稈的落地時(shí)間、行程等，最終會(huì)對(duì)拋撒結(jié)果有較大影響。

在上述分析基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的田間試驗(yàn)，以確定最佳的運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合。

4 田間試驗(yàn)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

圖10所示為拋撒作業(yè)幅寬示意圖，拋撒作業(yè)幅寬合格率公式為

圖10 拋撒作業(yè)幅寬示意圖Fig.10 Sketch map of scatters width

(19)

式中M1——拋撒覆蓋在機(jī)具單行程播種帶上方(即有效播種幅寬)的秸稈質(zhì)量，g

M2——實(shí)際拋撒作業(yè)幅寬秸稈總質(zhì)量，g

根據(jù)分析結(jié)果以及實(shí)際試驗(yàn)可操作性，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 500—2015《秸稈粉碎還田機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAMA 21—2019《全秸硬茬地潔區(qū)播種機(jī)》進(jìn)行秸稈拋撒不均勻度計(jì)算，即

(20)

式中n——測(cè)試小區(qū)數(shù)量

Mzi——第i點(diǎn)秸稈總質(zhì)量，kg

Y2——拋撒不均勻度，%

在前期理論分析和仿真分析的基礎(chǔ)上,本試驗(yàn)采取四因素三水平回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，依據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以拋撒作業(yè)幅寬合格率Y1、拋撒不均勻度Y2作為稻茬麥覆秸還田裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以拋撒葉輪桿齒形打散葉片數(shù)(X1)、拋撒葉輪傾斜角(X2)、拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速(X3)作為試驗(yàn)因素。因素編碼如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Factors codes of response surface test

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert軟件開(kāi)展多元回歸擬合分析，尋求各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律，確定最優(yōu)參數(shù)組合。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Test design and results

由表5分析可知，響應(yīng)面模型中的拋撒不均勻度Y1模型P<0.000 1、Y2模型P<0.000 1，表明回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，表明回歸方程擬合度高。因此，稻茬麥覆秸還田播種機(jī)均勻拋撒機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)可以用該模型來(lái)優(yōu)化。

表5 方差分析Tab.5 ANOVA results

(21)

(22)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，拋撒葉輪數(shù)越多，碎秸所受拋撒葉輪擊打頻率越高，但秸稈互相纏繞成團(tuán)，拋撒葉輪的打散葉片數(shù)過(guò)多，反而導(dǎo)致葉輪間的空間越小，不能及時(shí)被拋出，造成堵塞，影響作業(yè)順暢性；試驗(yàn)結(jié)果表明，拋撒葉輪越多，拋撒作業(yè)幅寬合格率越低、拋撒不均勻度越高。對(duì)于葉輪傾角的設(shè)定，向下傾角過(guò)大會(huì)減少秸稈落至地面的時(shí)間，秸稈來(lái)不及被打散就拋撒出去，不均勻度高，向上傾角過(guò)大，延遲了秸稈落入地面的時(shí)間，同時(shí)被桿齒形打散葉片攜帶更長(zhǎng)的行程，因此雖秸稈拋撒更均勻，但同時(shí)也降低了拋撒作業(yè)的效果。試驗(yàn)結(jié)果證明葉輪傾角向上有利于拋撒運(yùn)動(dòng)，但是角度應(yīng)保持在合理范圍內(nèi)。對(duì)于拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的設(shè)定，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致打散效果差且不能保證秸稈在播種帶上方均勻覆蓋，轉(zhuǎn)速過(guò)高容易將秸稈拋撒至有效播種幅寬外導(dǎo)致拋撒不均勻度低，試驗(yàn)結(jié)果表明拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)定在合理范圍內(nèi)。

4.3 試驗(yàn)優(yōu)化

圖11所示為因素交互作用對(duì)拋撒作業(yè)幅寬合格率影響的響應(yīng)曲面，可知，拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和撒葉輪桿齒形打散葉片數(shù)、拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和拋撒葉輪傾斜角交互作用對(duì)結(jié)果影響較大，必須綜合考慮尋求最優(yōu)解。為獲得較優(yōu)的均勻拋撒性能，要求拋撒作業(yè)幅寬合格率高，拋撒不均勻度低。故需綜合因素對(duì)兩個(gè)考核指標(biāo)的影響，進(jìn)行優(yōu)化求解。約束條件為：-1

圖11 因素交互作用對(duì)拋撒作業(yè)幅寬合格率影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Effects of interactive factors on percent of qualified rate for scatters width

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證稻茬麥覆秸還田播種機(jī)均勻拋撒性能，在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。在拋撒葉輪桿齒形打散葉片數(shù)為4排、拋撒葉輪傾斜角為向上傾斜15°、拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1 195 r/min的最優(yōu)參數(shù)下，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)定拋撒作業(yè)幅寬合格率和拋撒不均勻度，取平均值為試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，拋撒作業(yè)幅寬合格率和拋撒不均勻度的實(shí)際作業(yè)平均值分別為80.84%和9.32%，滿足作業(yè)要求，與優(yōu)化值相差0.05個(gè)百分點(diǎn)和0.08個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明前期分析及優(yōu)化合理，圖12所示為田間試驗(yàn)覆蓋均勻效果和小麥出苗長(zhǎng)勢(shì)情況。

圖12 田間試驗(yàn)覆蓋均勻效果和小麥出苗長(zhǎng)勢(shì)Fig.12 Experimental results and crop growth of no-tillage planter of wheat after rice

5 結(jié)論

(1)對(duì)稻茬麥覆秸還田播種機(jī)均勻拋撒機(jī)構(gòu)的作業(yè)機(jī)理進(jìn)行了研究，進(jìn)行了拋撒作業(yè)的原理分析、作業(yè)過(guò)程的受力分析。并在EDEM中構(gòu)建了粉碎后水稻秸稈的模型，對(duì)其拋撒過(guò)程的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析、運(yùn)動(dòng)特性研究、運(yùn)動(dòng)速度的變化和軌跡分析。

(2)在理論分析及仿真分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，開(kāi)展仿真試驗(yàn)研究，以拋撒作業(yè)幅寬合格率Y1和拋撒不均勻度Y2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)拋撒葉輪桿齒形打散葉片數(shù)X1、拋撒葉輪傾斜角X2、拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速X3開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)，仿真得最佳機(jī)具參數(shù)：拋撒葉輪桿齒形打散葉片數(shù)為4排、拋撒葉輪傾斜角為向上傾斜15°、拋撒葉輪回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1 195 r/min，拋撒作業(yè)幅寬合格率的優(yōu)化值為80.79%，拋撒不均勻度的優(yōu)化值為9.24%。

(3)進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為拋撒作業(yè)幅寬合格率和拋撒不均勻度的實(shí)際作業(yè)平均值分別為80.84%和9.32%，滿足作業(yè)要求，誤差小、符合預(yù)期結(jié)果，說(shuō)明仿真試驗(yàn)結(jié)果可靠且機(jī)具作業(yè)效果良好。