稻油輪作區(qū)鏟鍬式油菜直播種床整備機設(shè)計與試驗

廖慶喜 林建新 張青松 謝昊明 杜文斌 吳 崇

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

長江中下游地區(qū)作為我國冬油菜的主產(chǎn)區(qū)，主要采用稻-油水旱輪作的種植模式[1]。2020年全國水稻產(chǎn)量達2.118 6×108t，比2019年增產(chǎn)1.1%[2]，高產(chǎn)量的同時也使水稻收獲后秸稈留存量大。面對高茬秸稈工況，油菜直播種床整備作業(yè)時傳統(tǒng)旋耕工序易出現(xiàn)刀輥纏繞、埋茬率低等問題[3-7]。此外，傳統(tǒng)旋耕作業(yè)耕深淺，周年的旋耕作業(yè)使耕作層變淺，犁底層加厚，導(dǎo)致土壤通氣性差、油菜根系下扎困難[8]。

針對傳統(tǒng)旋耕方式在稻茬田開展油菜直播種床整備作業(yè)時存在的不足，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也進行了研究。肖文芳等[9]針對稻茬田秸稈量大導(dǎo)致機具易堵塞的問題，設(shè)計了一種犁翻埋茬、旋耕碎土的油菜種床整理機，可實現(xiàn)秸稈全量還田；魏國梁等[10]為解決旋耕作業(yè)耕深淺、秸稈埋覆率低的問題，設(shè)計了一種通過先抬后扣作業(yè)方式實現(xiàn)土壤翻埋的扣垡裝置，并集成了犁旋組合式油菜直播機；劉曉鵬等[11]針對傳統(tǒng)耕整作業(yè)耕層淺、功耗大的問題，設(shè)計了驅(qū)動圓盤犁對置組合式耕整機，作業(yè)效果滿足油菜種床整理要求；張文良等[12]設(shè)計了一款可適用于稻茬地耕整作業(yè)的秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機，作業(yè)效果良好。國內(nèi)學(xué)者通過將旋耕裝置與犁耕作業(yè)集成，實現(xiàn)秸稈翻埋，但整機縱向尺寸增大，在長江中下游地區(qū)田間生產(chǎn)推廣應(yīng)用中有一定局限性。國外耕整地作業(yè)主要采用免耕，作業(yè)機具以寬幅、被動式的大型聯(lián)合耕整機為主[11,13-14]，不適用于長江中下游地區(qū)的耕整地作業(yè)。

本文針對長江中下游稻油輪作區(qū)油菜直播種床整備作業(yè)時傳統(tǒng)旋耕方式導(dǎo)致耕層淺、埋茬效果不足和平整度較差的問題，設(shè)計一種通過主動鏟鍬切土、拋土，實現(xiàn)土壤翻耕、細碎、秸稈埋覆的鏟鍬式耕整地裝置，并集成設(shè)計被動式開畦溝、碎土、平整功能的適宜油菜直播的鏟鍬式種床整備機，以期一次下地作業(yè)完成土壤翻耕、碎土平整、秸稈埋覆、開畦溝等功能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)組成

鏟鍬式種床整備機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主機架、齒輪傳動箱、鏟鍬式耕整地裝置、罩殼、攔土耙、平土拖板、開畦溝裝置、限深裝置、中間犁、三點懸掛裝置等組成。齒輪傳動箱兩側(cè)各有5組曲柄連桿機構(gòu)組成的鏟鍬式耕整地裝置，每組曲柄連桿機構(gòu)的連桿末端左右交錯安裝有兩把鏟鍬，減少作業(yè)土垡尺寸，便于后續(xù)碎土作業(yè)。罩殼、攔土耙、平土拖板依次安裝在鏟鍬后方，起碎土、埋茬、平整作用。開畦溝裝置由鏵式開畦溝前犁和開畦溝后犁組成，對稱布置在機具兩側(cè)，完成開畦溝作業(yè)。該機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 鏟鍬式種床整備機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of shovel type seedbed preparation machine1.機架 2.罩殼 3.攔土耙 4.平土拖板 5、6.開畦溝裝置 7.鏟鍬式耕整地裝置 8.限深裝置 9.中間犁 10.中央齒輪箱 11.三點懸掛裝置 12.鏟鍬

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

1.2 工作過程

鏟鍬式種床整備機由拖拉機PTO提供動力，通過十字萬向節(jié)將動力傳遞到中央齒輪箱，帶動兩側(cè)鏟鍬式耕整地裝置運行。如圖2所示，土垡與秸稈被鏟鍬作業(yè)后往后上方拋起，與罩殼碰撞細碎，在下落過程撞上攔土耙，尺寸小于攔土耙間隙的土垡直接通過，覆蓋在已耕區(qū)表層；被攔土耙擋住的秸稈和尺寸大于攔土耙間隙的土垡一部分落至已耕區(qū)底層，另一部分后續(xù)被鏟鍬再次鏟起拋向罩殼進一步碎土，直至土塊尺寸小于攔土耙間隙，最后由平土拖板平整地表，形成秸稈深埋、土壤上細下粗的理想耕作環(huán)境。限深裝置可以對耕作深度進行調(diào)節(jié)，中間犁的作用是消除中間的漏耕區(qū)域，開畦溝前犁和開畦溝后犁同步作業(yè)出排水畦溝，實現(xiàn)拖拉機一次下地即可完成油菜的種床準備工作。

圖2 鏟鍬式種床整備機工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of shovel type seedbed preparation machine1.曲柄連桿機構(gòu) 2.機架 3.罩殼 4.攔土耙 5.平土拖板

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 鏟鍬式耕整地裝置設(shè)計與軌跡分析

2.1.1鏟尖點運動軌跡

鏟尖點相對機架相對運動軌跡大小和形狀只取決于機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，不受前進速度和其他運動參數(shù)的影響。為確定鏟尖點E相對運動軌跡，以機具前進相反方向作為x軸正方向，豎直向上方向作為y軸正方向，建立如圖3所示的直角坐標系xOy。HIJKH為鏟尖點E在一個工作行程內(nèi)的相對運行軌跡，其中：HI為鏟鍬的入土過程、IJ為剪切土壤的過程、JK為拋土過程、KH為鏟鍬回程。

圖3 鏟尖點運動軌跡示意圖Fig.3 Schematic of trajectory of tip of shovel

結(jié)合人工鏟鍬動作經(jīng)驗，入土過程段HI應(yīng)為直線入土，考慮鏟鍬入土阻力及鏟鍬到達最大耕深后剪切土垡的阻力，HI段切線與水平方向所夾銳角λ初步確定為45°與70°之間；IJ段為剪切土壤的過程，同時連接入土段與拋土段，故要求此過渡段為光滑圓弧；被剪切的土垡自點J起跟隨鏟鍬運動，至點K達到最大速度被鏟鍬拋出，為避免土垡被拋向未耕區(qū)導(dǎo)致重耕，JK段切線與水平方向夾角σ取值應(yīng)小于90°。

h為鏟鍬耕作深度，其取值應(yīng)不小于200 mm；fm為鏟鍬在一個工作行程的最大切土厚度，其取值應(yīng)小于工作臂長度lCE。g為鏟鍬入土點與機架的水平距離，經(jīng)動力學(xué)分析表明，g應(yīng)在滿足機構(gòu)運動條件下選取較小值，較佳取值范圍為250～450 mm。

在已知鏟尖點軌跡情況下，采用如圖3所示的曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)所需的目標軌跡。

2.1.2曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計

為確定曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立運動學(xué)模型，如圖4所示，其中原點O為初始時刻機架AD的延長線與地面的交點。其中：AB為主動桿曲柄，BC為連桿，連桿向下延伸形成帶有鏟鍬的工作臂CE，CD為搖桿，AD為機架，點D為搖桿與機架鉸接點。

圖4 曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)模型Fig.4 Kinematics model of crank and connecting rod mechanism

當(dāng)主動桿曲柄AB角速度為ω時，曲柄轉(zhuǎn)角α=ωt，鏟尖點E的運動方程為

(1)

其中

(2)

式中l(wèi)1——主動桿曲柄AB長度，mm

l2——連桿BC長度，mm

l3——搖桿CD長度，mm

l4——機架AD長度，mm

l5——工作臂CE長度，mm

l6——鉸接點D與地面的距離，mm

l7——BD連線長度，mm

θ——連桿BC與豎直方向所夾銳角，(°)

θ1——連桿BC與BD連線所夾銳角，(°)

φ——BD連線與機架AD所夾銳角，(°)

點E速度方程為

(3)

鏟尖點相對運動軌跡各參數(shù)表達式為

(4)

設(shè)鏟尖點E在α=αI時到達點I，則HI段切線與水平方向所夾銳角最大值λmax和最小值λmin為

(5)

設(shè)鏟尖點E在α=αK時到達點K，則JK段切線與水平方向所夾銳角最大值σmax為

(6)

當(dāng)主動桿曲柄轉(zhuǎn)角α=180°，曲柄與機架運動學(xué)尺寸重合共線，機構(gòu)存在最小傳動角γmin，本連桿機構(gòu)為相對高速大功率的情形，為保證良好的傳力性能，其值應(yīng)大于50°，即

(7)

由曲柄存在條件得

(8)

涉及的連桿參數(shù)主要有：曲柄長l1、連桿長l2、工作臂長l5、搖桿長l3、機架長l4以及鉸接點D與地面距離l6。

基于所建立的運動學(xué)模型，利用Matlab軟件中的GUI模塊對連桿機構(gòu)進行迭代求解，計算后可得到滿足作業(yè)要求的機構(gòu)參數(shù)：曲柄長l1=166 mm，連桿長l2=414 mm，搖桿長l3=331 mm，機架長l4=497 mm，工作臂長l5=373 mm，鉸接點D離地面高度l6=90 mm，其他各組合參數(shù)如表2所示，均滿足設(shè)計目標。

表2 連桿機構(gòu)參數(shù)Tab.2 Optimized parameters of linkage mechanism

2.1.3鏟鍬結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

該機共有10組曲柄連桿機構(gòu)，單組機構(gòu)耕幅為180 mm。在不改變單組曲柄連桿機構(gòu)耕幅的前提下，減小鏟鍬單次鏟起的土垡尺寸，提高機具作業(yè)后的碎土率，采取每組機構(gòu)的連桿末端安裝兩把左右交錯的鏟鍬，如圖5所示。考慮左右兩把鏟鍬受力對連桿產(chǎn)生的力矩平衡及單把鏟鍬的耕寬，取鏟鍬前后中心距e1為100 mm、左右中心距e2為90 mm。

圖5 交錯鏟鍬示意圖Fig.5 Schematics of misplaced shovel

為減少機具作業(yè)過程中的漏耕、夾土現(xiàn)象，以及避免裝配干涉的出現(xiàn)，應(yīng)保證10組連桿機構(gòu)的曲柄間存在相位差，實現(xiàn)鏟鍬的交替入土，且相繼入土的鏟鍬在軸向應(yīng)保持一定距離。為此，采用螺旋線的排列方式對曲柄進行安裝，同一螺旋線上的同向相鄰曲柄升角為72°，排布示意如圖6所示。

圖6 曲柄排布示意圖Fig.6 Diagram of crank arrangement

2.2 機組運行參數(shù)匹配

機組前進速度vm和曲柄轉(zhuǎn)速n決定了鏟尖點相對地面的絕對運動軌跡，如圖7所示，鏟尖點軌跡參數(shù)主要有切土節(jié)距S、最大切土厚度f及溝底凸起高度hc。根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求對機組運行參數(shù)進行設(shè)計。

圖7 鏟尖點絕對運動軌跡及參數(shù)Fig.7 Absolute trajectory and parameters of tip of spade

切土節(jié)距S即鏟鍬在一個工作行程內(nèi)實際所切的土垡厚度，計算式為

(9)

最大切土厚度f為鏟鍬在一個工作行程內(nèi)所能切下的最大土垡厚度；hc稱為溝底凸起高度，此區(qū)域為沒有耕到的生土。

切土節(jié)距S影響碎土質(zhì)量和廂面平整度，為得到適合油菜播種作業(yè)的種床，對于中等黏度的稻田土，當(dāng)土壤含水率為20%～30%時，切土節(jié)距S取100 mm左右較為合適[15]。考慮機具作業(yè)后的碎土率以及避免產(chǎn)生漏耕現(xiàn)象，應(yīng)滿足S

經(jīng)計算確定機組前進速度vm為0.4～0.5 m/s、曲柄轉(zhuǎn)速n取240 r/min，對應(yīng)的切土節(jié)距S和最大切土厚度f分別為100～125 mm、238～257 mm。此時S

圖8為鏟尖點在一個工作行程內(nèi)的絕對運動軌跡，此時鏟尖點E1、鏟尖點E2的絕對運動軌跡均為“類余擺線”，即從鏟尖點開始入土到拋土結(jié)束，其絕對軌跡上任意一點的水平分速度均指向x軸正方向，滿足向后拋土的條件。

圖8 鏟尖點E1、E2絕對運動軌跡Fig.8 Absolute trajectory of blade tip points E1 and E2

2.3 罩殼參數(shù)設(shè)計

罩殼的主要作用是擋住被鏟鍬拋出的土垡，使其在撞擊過程中進一步破碎。分析土垡被拋出后的運動情況，以確定罩殼安裝參數(shù)，使土垡能與罩殼碰撞。

為方便理論分析與計算，假設(shè)土塊為剛體，忽略空氣阻力和土壤間的相互碰撞，土垡被拋出后可近似于斜拋運動。

2.3.1鏟鍬拋土運動學(xué)模型建立

建立鏟鍬拋土運動學(xué)模型如圖9所示，l為罩殼O1O2的長度，β為罩殼與水平方向所夾銳角，罩殼左端點O1相對于機架AD與地面的位置參數(shù)分別為lx和ly，并設(shè)初始時刻t=0時曲柄AB轉(zhuǎn)角α=0°。

圖9 鏟鍬拋土運動學(xué)模型Fig.9 Kinematics model of shovel throwing soil

曲柄角速度為ω，罩殼和曲柄連桿機構(gòu)隨機具以速度vm沿x軸負方向運動，罩殼左端點O1坐標為

(10)

罩殼右端點O2坐標為

(11)

將罩殼簡化為直線O1O2，其方程可表示為

y=ly-(x-lx+vmt)tanβ

(12)

若被切削的土垡在跟隨鏟鍬運動的過程中在t1時刻從點P被拋出，如圖9所示，設(shè)點P在坐標系xOy中的坐標為(xp,yp)，土垡被拋出時具有x軸方向的初速度vpx和y軸方向的初速度vpy，當(dāng)不計空氣阻力時，土垡在點P被拋出后的運動方程為

(13)

設(shè)被拋出的土垡與罩殼發(fā)生碰撞，碰撞點Q在坐標系xOy中坐標為(xQ,yQ)，設(shè)土垡在點P被拋出后經(jīng)過t2到達罩殼上的碰撞點Q，則由式(12)、(13)可得

yQ=ly-[xp+(vpx+vm)t2+vmt1-lx]tanβ

(14)

將式(14)代入式(13)可得

(15)

其中

(16)

對于給定的罩殼參數(shù)lx、ly、l和β，若可求得鏟鍬鏟尖點E運行至土垡拋出點P的時間t1、點P坐標值(xp,yp)及土垡被拋出時的初速度vpx、vpy, 則可判斷被拋出的土垡是否能與罩殼發(fā)生碰撞。若能碰撞，則可求解出碰撞時間t2，進而通過式(13)可計算出罩殼上碰撞點Q的坐標值(xQ,yQ)。

土垡與罩殼碰撞時速度為

(17)

2.3.2罩殼參數(shù)確定

為確定罩殼參數(shù)，需求解鏟尖點運行至土垡拋出點P的時間t1、點P坐標值(xp,yp)及土垡被拋出時的初速度vpx、vpy, 此處應(yīng)用多體動力學(xué)軟件對鏟尖點運動情況進行分析。在此以經(jīng)由鏟尖點E1拋出的土垡為例進行分析。

在Pro/E軟件中以機架AD與y軸重合、曲柄轉(zhuǎn)角α=0°為初始位置建立曲柄連桿機構(gòu)模型，導(dǎo)入ADAMS軟件的建模環(huán)境中，對零部件合并簡化，添加初始驅(qū)動：曲柄轉(zhuǎn)速n=240 r/min、前進速度vm=0.45 m/s。提取鏟尖點E1在運動時間0～0.5 s內(nèi)速度變化數(shù)據(jù)點，并在Matlab中擬合成光滑的速度變化曲線，如圖10所示。

圖10 鏟尖點E1速度變化曲線Fig.10 Speed change curves of shovel tip point

鏟鍬在鏟尖點速度達到最大值時將土垡拋出，對求解的速度進行分析可得由鏟尖點E1拋出的土垡斜拋運動各參數(shù)：土垡在t=0.13 s時被拋出，此時點E1坐標為(697 mm，30 mm)，其x、y軸分速度為0.626、9.672 m/s。

結(jié)合式(13)～(17)，經(jīng)過多次迭代分析，確定罩殼參數(shù)lx=600 mm、ly=434 mm、l=400 mm和β=0°。 求解出的經(jīng)由鏟尖點E1拋出的土垡與罩殼碰撞的各參數(shù)：土垡被拋出后經(jīng)過t2=0.043 s與罩殼發(fā)生碰撞，碰撞時土垡在x、y軸的分速度為0.626、9.251 m/s。

3 基于EDEM-ADAMS的耦合仿真與分析

面對稻茬田秸稈量大的作業(yè)工況，作業(yè)機具需具有良好的秸稈埋覆性能。為此構(gòu)建基于離散元方法的耕作裝置-土壤-秸稈相互作用的仿真模型，進行虛擬仿真試驗以驗證鏟鍬式種床整備機對秸稈的埋覆性能。本文利用離散元軟件EDEM 建立土壤與秸稈顆粒模型，并通過多體動力學(xué)軟件ADAMS 定義鏟鍬式種床整備裝置各零部件間的連接、運動關(guān)系，將EDEM 與ADAMS 軟件進行耦合以進行虛擬仿真試驗。

3.1 鏟鍬式種床整備裝置仿真模型建立

為減少仿真過程所花費的時間，只取齒輪箱右側(cè)5組鏟鍬式耕整地裝置進行建模仿真，同時考慮懸掛裝置、開畦溝裝置等對秸稈埋覆率影響較小，利用Pro/E 軟件建立如圖11所示幅寬為970 mm的仿真模型。

圖11 三維仿真模型Fig.11 3D simulation model

3.2 土壤-秸稈顆粒模型建立

采用EDEM2020建立離散元仿真模型，選用球型顆粒模擬土壤和秸稈。在離散元仿真中，較小的顆粒半徑會導(dǎo)致仿真計算速度緩慢，且增加仿真占據(jù)的計算機內(nèi)存空間，故仿真顆粒半徑一般都大于實際土壤顆粒[17-19]，多數(shù)學(xué)者采用半徑8～10 mm的顆粒作為土壤模型[20-22]，本文選用土壤顆粒半徑為8 mm，處于合理的范圍內(nèi)。土壤顆粒接觸模型是離散元法的重要基礎(chǔ)，其實質(zhì)是準靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[23], 接觸模型的分析計算直接決定了顆粒受力和力矩，需對不同的仿真對象建立不同的接觸模型，以提高仿真結(jié)果的準確性。為模擬稻茬地黏性土壤，設(shè)定土壤顆粒間的接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding。 由于秸稈的高長徑比及性質(zhì)的各向異性，在離散元仿真中難以模擬，本文采用5個半徑為8 mm的球形顆粒，設(shè)定其球心間隔為10 mm，由此組成的長為56 mm的長線性模型作為秸稈顆粒。

為減少仿真過程中土槽側(cè)面和底面對仿真結(jié)果的影響，建立長、寬、高為2 400 mm×1 500 mm×400 mm 的土槽模型。且結(jié)合稻茬田的實際工況，將土槽模型分為耕層土壤和底層土壤兩部分，根據(jù)田間實測數(shù)據(jù)，確定耕作層厚度為160 mm，底層土壤厚度為240 mm；對底層土壤進行壓實，減小孔隙率；耕層土壤隨機生成，不做壓實處理。秸稈顆粒采用隨機生成的方式鋪放在土壤表面。

仿真所用本征參數(shù)和接觸參數(shù)主要通過文獻[18,20,24-25]和試驗獲得，其中，土壤、秸稈和鋼泊松比分別為0.37、0.4、0.3，密度分別為2 315、241、7 865 kg/m3，剪切模量分別為1.82×106、1×106、7.9×1010Pa； 模型接觸參數(shù)如表3所示。

表3 模型接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameters of model

3.3 仿真過程

將建立的機具仿真三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，定義曲柄、連桿、搖桿、鏟鍬以及機架間的連接關(guān)系，設(shè)定曲柄轉(zhuǎn)速為240 r/min，前進速度為0.45 m/s；導(dǎo)出耦合文件后在EDEM軟件設(shè)置耕深為200 mm，Rayleigh時間步長為15%，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒半徑的2.5倍，仿真總時間為10 s；本次仿真累計生成370 165個土壤顆粒和800個秸稈顆粒，為區(qū)分秸稈與土壤，將秸稈顆粒設(shè)置為橙色；仿真過程和結(jié)果如圖12所示。

圖12 仿真過程Fig.12 Simulation process

3.4 仿真結(jié)果分析

3.4.1秸稈埋覆率

為測定機具作業(yè)前后地表秸稈覆蓋量的變化，利用EDEM軟件Geometry Bin功能沿機具前進方向取作業(yè)平穩(wěn)段，在表層均勻選取3處厚度為40 mm、長度為400 mm、寬度為800 mm的測量網(wǎng)格，隱藏土壤顆粒，保留秸稈顆粒，如圖13所示；提取該區(qū)域機具作業(yè)前、后地表秸稈顆粒質(zhì)量分別為Wq、Wh，秸稈埋覆率計算式為

(18)

在EDEM后處理中測得的數(shù)據(jù)如表4所示，機具作業(yè)后平均秸稈埋覆率為91.64%，表明鏟鍬式種床整備機能有效掩埋秸稈。

圖13 仿真作業(yè)前后秸稈分布Fig.13 Straw distribution before and after simulation operation

表4 秸稈埋覆參數(shù)Tab.4 Straw burying parameters

3.4.2秸稈在土壤中的垂直分布

機具作業(yè)后秸稈在深度方向上分布越均勻，則說明機具秸稈還田效果越理想。為分析作業(yè)后秸稈在土壤中的垂直分布情況，沿機具前進方向作業(yè)平穩(wěn)段均勻取3個位置，每個位置在垂直方向上均勻設(shè)置3層計算區(qū)域，分別對應(yīng)實際田間作業(yè)的垂直分層處理，每層計算區(qū)域尺寸為 400 mm×800 mm×70 mm， 隱藏土壤顆粒，保留秸稈顆粒，如圖14所示。統(tǒng)計每層區(qū)域所有秸稈質(zhì)量，取3個位置的平均值作為上層、中層、下層秸稈質(zhì)量，仿真結(jié)果如表5所示。

圖14 秸稈垂直分布Fig.14 Vertical distribution of straw

由表5可知，鏟鍬式種床整備機仿真作業(yè)后，上層、中層、下層秸稈所占百分比分別為37.21%、46.18%和16.61%；觀察仿真作業(yè)過程，秸稈和土壤被鏟鍬作業(yè)后拋向罩殼，在下落過程中與攔土耙碰撞，被攔下的秸稈與土壤沿攔土耙下落成為中下層，此部分秸稈為中下層秸稈主要來源；其余秸稈與土壤通過攔土耙后覆蓋在深度為0～70 mm的上層，成為仿真作業(yè)后未被掩埋的秸稈主要來源。

表5 作業(yè)后秸稈垂直分布Tab.5 Vertical distribution of straw after operation

綜上表明：機具能有效掩埋秸稈，且攔土耙有助于將大部分秸稈埋入深層土壤，秸稈在垂直方向上分布也較為均勻，可適用于秸稈量大工況下的田間作業(yè)。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為驗證鏟鍬式種床整備機作業(yè)性能，于2021年10月在湖北省荊州市監(jiān)利縣稻-油輪作全程機械化生產(chǎn)示范基地開展田間試驗，包括鏟鍬式種床整備機的作業(yè)性能試驗，及其與僅有旋耕裝置的2BFQ-8型油菜直播機的對照試驗。試驗工況均為常年采用稻-油輪作模式的田塊，其土壤類型為偏黏性土，前茬作物為水稻；試驗工況參數(shù)如表6所示。

表6 試驗工況參數(shù)Tab.6 Test conditions parameters

試驗設(shè)備包括東方紅954型拖拉機、鏟鍬式種床整備機、TJSD-9570型數(shù)顯土壤堅實度測定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，精度±0.005% FS)、直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、 土壤取樣環(huán)刀、電子天平、干燥箱等。

4.2 試驗方法

試驗配套動力為東方紅954型拖拉機。試驗前通過調(diào)節(jié)拖拉機三點懸掛高度以及限深裝置保證鏟鍬式種床整備機作業(yè)深度為200～240 mm,調(diào)節(jié)拖拉機PTO輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min, 調(diào)節(jié)拖拉機擋位和油門保證機具平均前進速度為1.62 km/h；2BFQ-8型油菜直播機試驗耕深為80～120 mm，調(diào)節(jié)拖拉機PTO輸出轉(zhuǎn)速、前進速度與上述保持一致。機組每個行程沿直線方向的作業(yè)距離為50 m, 取每個行程的中間30 m作為測量區(qū)域，每組試驗重復(fù)3次。參考NY/T 499—2013《旋耕機 作業(yè)質(zhì)量》、GB/T 5668—2008《旋耕機》和NT/Y 2709—2015《油菜播種機 作業(yè)質(zhì)量》，結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，確定以下試驗指標：耕深及耕深穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度、碎土率以及秸稈埋覆率。

4.3 試驗結(jié)果

如表7所示，鏟鍬式種床整備機和2BFQ-8型油菜直播機的耕深及其穩(wěn)定性系數(shù)、廂面平整度和碎土率等各項評價指標均滿足油菜播種要求；田間作業(yè)效果如圖15所示。

表7 試驗結(jié)果Tab.7 Test results

圖15 田間作業(yè)效果Fig.15 Effects of field test

試驗結(jié)果表明，鏟鍬式種床整備機的碎土率達87.89%，且可有效掩埋秸稈，將其與土壤進行混埋，秸稈埋覆率為89.43%，與仿真分析結(jié)果規(guī)律一致，表明鏟鍬式耕整地裝置可有效切割水稻秸稈，并在罩殼與攔土耙的共同作用下，實現(xiàn)秸稈埋覆；同時由于螺旋線的曲柄排列方式及旋轉(zhuǎn)曲柄安裝位置遠離地面秸稈，機組作業(yè)過程中不會出現(xiàn)纏繞堵塞現(xiàn)象，通過性能良好；由曲柄連桿機構(gòu)帶動鏟鍬對土壤作業(yè)后的平均耕深可達215.3 mm，與傳統(tǒng)旋耕方式相比，耕深提高了99.2 mm。

綜上，在長江中下游稻油輪作區(qū)高茬秸稈的工況下，鏟鍬式種床整備機的秸稈埋覆率相比傳統(tǒng)旋耕方式的油菜直播機提升27.61個百分點；且耕作深度為旋耕式油菜直播機的1.8倍，增加了耕作層深度，整機作業(yè)質(zhì)量達到了稻茬地油菜直播種床整備的要求。

5 結(jié)論

(1)為解決油菜直播種床整備作業(yè)時傳統(tǒng)旋耕方式導(dǎo)致耕層淺、埋茬效果不足和平整度較低的問題，設(shè)計了一種通過主動鏟鍬切土、拋土動作，實現(xiàn)土壤翻耕、細碎、秸稈埋覆的鏟鍬式耕整地裝置，并設(shè)計了集成被動式開畦溝、碎土、平整功能的適宜油菜直播的鏟鍬式種床整備機。

(2)建立了曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)模型，根據(jù)鏟鍬入土角、耕深、切土節(jié)距等要求，結(jié)合連桿機構(gòu)特點，利用Matlab軟件對曲柄連桿機構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計；確定了左右交錯式鏟鍬和螺旋線的曲柄排列方式，并根據(jù)鏟尖點運動軌跡、切土節(jié)距、溝底凸起高度等要求，得出機具前進速度vm為0.4～0.5 m/s、曲柄轉(zhuǎn)速n為240 r/min；對土壤被鏟鍬拋出后的運動過程進行了分析，確定了罩殼安裝參數(shù)；建立了基于離散元方法的耕作部件-土壤-秸稈相互作用仿真模型，基于EDEM與ADAMS的耦合分析得出了機具的秸稈埋覆性能。

(3)田間試驗表明，在高茬水稻秸稈工況下，鏟鍬式種床整備機的平均作業(yè)耕深為215.3 mm，與傳統(tǒng)旋耕式油菜直播機相比，平均耕深提高99.2 mm；秸稈埋覆率為89.43%，相比傳統(tǒng)的旋耕式油菜直播機，提升27.61個百分點，且作業(yè)過程不纏繞秸稈，整機作業(yè)質(zhì)量達到了稻茬地油菜直播種床整備的要求。