適配免耕播種單體的清秸裝置改進設計與試驗

侯守印 紀張馳 薛東輝 王 星 馮斌杰 陳海濤,3

(1.東北農業大學工程學院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省主要農作物生產機械化材料化技術創新中心, 哈爾濱 150030;3.黑龍江東方學院機電工程學院, 哈爾濱 150066)

0 引言

保護性耕作技術具有減少土壤風蝕、水蝕,提高土壤肥力和抗旱能力,阻止土壤退化,改良土壤結構等重要功能[1],是東北黑土地保護的重要舉措和保證糧食產量持續增長的重要方法之一。東北地區秋季玉米秸稈產量較大[2],秸稈全量地表覆蓋還田條件下,春季免耕播種機作業時秸稈容易纏繞及堵塞播種、施肥和覆土鎮壓等觸土部件,導致播種和出苗質量下降,嚴重時會造成作物產量降低。高效的秸稈清理技術是解決免耕播種機秸稈堵塞、提高作業質量和效率的核心,是保護性耕作技術推廣與應用的關鍵。

目前,國內外針對免耕播種機配套的清秸裝置主要包括動力驅動式和被動式兩種形式[3]。動力驅動式清秸裝置多利用高速旋轉的刀具對播種帶內的秸稈進行切削、沖擊破碎并與土壤適度混合,土壤擾動量大、功耗高、作業效率低,同時,高強度土壤耕作對土壤結構及土壤生物群落破壞嚴重,不利于農業生態可持續發展。被動式清秸裝置依靠機具自重和土壤摩擦力的作用被動旋轉,將地表覆蓋的秸稈清理到播種帶兩側,與動力驅動式清秸裝置相比具有土壤擾動小、功耗低、能夠實現高速作業等優點,但在秸稈覆蓋量較大條件下,作業質量會顯著降低,影響免耕播種質量和作業效率。東北地區保護性耕作技術實施過程中主要以同位仿形免耕播種機完成播種作業,其裝配的同位仿形免耕播種單體配套的清秸裝置為被動式。目前,對于適配同位仿形免耕播種單體的清秸裝置研究主要集中在通過改進被動式清秸裝置關鍵部件的結構和優化工作參數來提高作業質量。賈洪雷等[4]針對東北地區保護性耕作模式,基于2BMZF-2型免耕播種機,改進設計一種具有凹面結構的秸稈清理裝置,分析了作業速度、入土深度和運動偏角對清茬效果的影響。王奇等[5]通過離散元仿真的方法對星齒凹面盤式清茬防堵裝置的結構進行設計,確定了星齒凹面盤的最優結構參數組合。曹鑫鵬等[6]為解決清理后的播種帶秸稈回流問題設計了一種撥茬齒盤,對影響撥茬齒盤作業性能的主要結構參數進行了分析,確定了撥茬齒盤最佳工作參數。GURSOY[7]和RAOUFAT等[8]針對安裝清秸裝置和不安裝清秸裝置對免耕播種作業速度、秸稈被壓入土壤概率和出苗質量進行了對比試驗。LEKAVICIENE等[9]通過改變清秸裝置滑移角、齒盤間隙和作業速度分析清秸率變化規律。SIEMENS等[10]設計了一種銳角開溝器配套使用秸稈清理裝置,并與未加裝清秸裝置機具進行了作物出苗對比試驗。

基于上述研究現狀,結合東北地區秸稈覆蓋量及免耕播種需求,本文設計一種適用于重度秸稈覆蓋地區的具有秸稈軸向加速推送功能的清秸裝置,通過分析清秸裝置清理秸稈機理,完成關鍵部件設計并確定影響其工作性能主要參數及取值范圍。在此基礎上,采用二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法,在構建的EDEM-ADAMS聯合仿真試驗平臺上,通過虛擬仿真試驗確定影響清秸裝置工作性能最優結構參數組合,并通過田間試驗驗證仿真優化結果。

1 清秸裝置設計

1.1 結構及工作原理

1.1.1結構組成

清秸裝置與免耕播種單體配置關系及結構組成如圖1所示,免耕播種單體包括機架、仿形機構、排種器、清秸裝置、破茬圓盤、仿形輪和覆土鎮壓裝置等,其中清秸裝置主要由支撐臂、調節凸輪、清秸輪和助推螺旋組成,清秸輪與助推螺旋剛性連接,工作時共同繞回轉中心自轉,助推螺旋由圓錐凸臺和葉片焊接而成。清秸裝置與機架剛性連接,通過調節凸輪可調整清秸輪和助推螺旋與機架相對位置,從而保證清秸輪接地壓力,降低清秸輪和助推螺旋滑轉率,保證秸稈清理質量和工作效率。

圖1 清秸裝置與免耕播種單體配置關系及結構組成

1.1.2工作原理

以清秸輪回轉中心o為原點建立空間直角坐標系,如圖2a所示,機具前進方向與x軸正方向重合。假設播種單體在拖拉機牽引下保持勻速直線運動,運動方向為x軸正方向,并且清秸輪作純滾動、無滑移。

圖2 清秸裝置工作原理

清秸輪輪齒的任意一端點運動軌跡為一條空間曲線,將其運動軌跡投影到xoz面內,如圖2b所示,可將清秸輪齒端點運動分解為從點a到點b0的純滾動和從點b0到點b的平移運動,從清秸輪運動軌跡合成角度可以發現清秸輪具有在其回轉平面的法向方向推運秸稈的功能;將運動軌跡投影到xoy面內,如圖2d所示,輪齒端點運動軌跡為一固定擺線,輪齒對秸稈無向后拋撒作用。通過上述分析,清秸輪主要通過清秸輪回轉平面對播種帶上的秸稈沿回轉平面軸向側向推運從而實現秸稈清理,如圖2c所示。由于東北地區玉米秸稈量較大,當免耕播種機高速作業時清秸輪不能將秸稈及時推送至播種帶外,秸稈很容易在清秸輪前方積聚,積聚秸稈會導致免耕播種作業的清秸率降低,嚴重時會造成觸土部件的堵塞,機具無法正常作業。

通過上述分析,為提高清秸裝置在重度秸稈覆蓋條件下的高速作業性能,基于同位仿形免耕播種單體,本文設計一種具有秸稈助推功能清秸裝置,助推螺旋固定在清秸輪的外側,隨清秸輪同步轉動。助推螺旋可加速將積聚在清秸輪回轉平面內的秸稈軸向推運至播種條帶兩側,達到播種帶秸稈清理,提高機具通過性和播種質量。

1.2 關鍵部件設計

1.2.1清秸輪設計

清秸裝置的清秸幅寬設計主要根據玉米種植農藝要求。清秸幅寬過小時,影響開溝、仿形以及覆土鎮壓效果;清秸幅寬過大時,機具牽引阻力和土壤擾動量增大,高速作業時秸稈積聚現象嚴重。清秸裝置清理秸稈動力通過清秸輪與土壤相互作用傳遞,圖3為清秸輪工作位置簡圖,點M、N是清秸輪外徑與地表交點。清秸輪與地表相交的寬度LMN可表示為

圖3 清秸輪工作位置簡圖

(1)

式中R——清秸輪半徑,mm

H——入土深度,mm

本次設計清秸裝置的清秸輪采用對稱結構布置,為防止清秸輪間秸稈堵塞,兩清秸輪間預留一定量間隙,如圖4所示,結合圖2和圖3,清秸裝置的清秸幅寬可表示為

圖4 清秸輪清秸幅寬示意圖

B=(LMN+2R)sinα+b

(2)

式中B——清秸幅寬,mm

α——工作偏角,(°)

b——清秸輪間隙,mm

由式(2)可知,清秸幅寬與清秸輪半徑、入土深度、工作偏角、清秸輪間隙有關。當清秸輪半徑一定時,清秸幅寬隨工作偏角增大而增大;當工作偏角一定時,清秸幅寬隨著清秸輪半徑增大而增大。

可根據清秸輪入土深度和秸稈厚度確定清秸輪半徑,其經驗公式[11]為

(3)

式中K——徑深比

東北地區春季播種作業時地表秸稈厚度為40～50 mm,為保證清秸輪能夠有效轉動,設計清秸輪的入土深度為20 mm,設計深度為秸稈及土壤層深度,選取徑深比為5[5],代入式(3)可得清秸輪半徑為175 mm。根據免耕播種的作業要求,玉米播種帶寬度為140～320 mm[12],在兩個清秸輪中間設置間隙10～30 mm能夠提高清秸裝置的通過性[13],將已知參數代入式(2),確定滿足清秸幅寬條件的工作偏角為15°～35°。

清秸輪作業過程中應保證將秸稈及時推出播種帶的同時秸稈能夠順利脫離清秸輪,清秸輪輪齒形狀對秸稈纏繞影響較大,清秸輪輪齒形狀設計不合理,將導致秸稈纏繞,嚴重時造成清秸裝置堵塞[14]。滑切角是清秸輪輪齒曲線上任一點的速度矢量與該點輪齒曲線法線之間所夾銳角。滑切角是清秸輪輪齒形狀設計的重要參數,合理的設計可有效避免清秸輪纏繞秸稈[15]。滑切角應大于部件與秸稈間的摩擦角[16],當選取滑切角較小時,清秸輪輪齒曲線曲率半徑較大,曲線平直,秸稈不易脫離輪齒,導致秸稈纏繞、堵塞;當選取滑切角過大時,秸稈在輪齒上滑移能力增強,雖然秸稈容易從清秸輪輪齒上脫離,但會導致輪齒曲線的長度增加,相同入土深度下,輪齒在土壤中的面積增大,增大工作阻力并加劇了輪齒磨損[17]。如圖5所示,本次設計清秸輪的輪齒曲線由直線和偏心圓的一部分弧長組成。

圖5 清秸輪輪齒形狀

由圖5可得輪齒偏心直線方程為

ρsinτ-e1=0

(4)

式中e1——偏心直線的偏心距,mm

ρ——輪齒曲線上任一點的向徑,mm

τ——輪齒曲線上向徑點ρ處滑切角,(°)

同理,由圖5可得輪齒偏心圓弧曲線方程為

(5)

式中e2——偏心圓弧的偏心距,mm

R1——偏心圓半徑,mm

當輪齒偏心圓弧曲線選擇較小的e2/R1時,輪齒曲線的滑切性能較好,但當選擇e2/R1過小時,輪齒弧線和懸臂長度增長,導致輪齒根部強度降低,容易折斷。參照文獻[5,18],當e2/R1選取0.74時,清秸輪輪齒具有較好的作業性能,故本文輪齒弧線的e2/R1選為0.74。設計清秸輪齒根圓半徑為60 mm,最大滑切角為60°,由式(4)可得,偏心直線的偏心距為52 mm。同理,輪齒偏心圓弧曲線在齒頂圓處最大滑切角為60°,由式(5)可得偏心圓半徑為124 mm,偏心圓弧偏心距為91 mm。

為保證清秸輪能夠連續穩定轉動,降低滑移,同時為了避免相鄰輪齒根部空間過小而夾塞秸稈,需要正確確定清秸輪輪齒數。清秸輪輪齒數可表示為

(6)

式中N——清秸輪輪齒數

l——清秸輪齒長,mm

s——相鄰齒根弦長,mm

當清秸輪直徑和清秸輪齒長確定后,隨著輪齒數增加,相鄰齒根弦長會減小。清秸輪輪齒數較多時,相鄰齒根弦長較小,易出現秸稈堵塞,清秸輪輪齒數較少時,清秸輪轉動不平穩,易出現滑移,相鄰齒根弦長應大于秸稈直徑,本文相鄰齒根弦長設計為26 mm,由式(6)可得清秸輪輪齒數為14。

1.2.2助推螺旋設計

對秸稈在助推螺旋上受力進行分析。為便于分析,將秸稈視為質點,將螺旋面視為斜直線,秸稈受力如圖6a所示。

圖6 秸稈受力與運動分析

當秸稈位于助推螺旋的葉片上時,秸稈受到垂直于螺旋面的法向推力與沿螺旋面的摩擦力,如需秸稈沿軸向移動,需要法向推力的軸向分力大于軸向阻力,即需要滿足

Fntanβsinθ

(7)

式中θ——螺旋升角,(°)

Fn——法向推力,N

β——摩擦角,(°)

整理式(7)可得

θ<90°-β

(8)

助推螺旋與玉米秸稈最大摩擦角為33°,由式(8)可得螺旋升角小于57°,為便于試驗研究,本文設計助推螺旋的螺旋升角最大值為60°。

(9)

其中

(10)

式中v——絕對速度,m/s

vx——軸向速度,m/s

vy——徑向速度,m/s

vr——牽連速度,m/s

n——助推螺旋轉速,r/min

S——螺距,mm

最終西雙借出三萬。因為根據那位醫生的經驗，樓蘭從現在到病死，還得消耗三萬塊錢。他甚至能夠推斷出樓蘭的死期，描敘出樓蘭臨死的表情。當然，醫生補充一句，像她這種狀況，隨時都有可能死掉。西雙從醫院出來就分別給同事香格、北黛和呼倫打了電話，向他們每人借了三千塊錢，加上羅衫的一萬，再加上自己的一萬一千，正好湊夠三萬塊。在羅衫的單身公寓里，西雙把一沓錢甩得啪啪脆響，三萬塊吶！我怎么這么偉大？羅衫說這是你借給她們的又不是捐給她們的，你一點兒損失也沒有。西雙說萬一她們沒有能力償還呢？羅衫說那你就把我們的錢先還上再說。放心，我會給你編書立傳……

整理式(9)得

(11)

由式(11)可知,隨螺旋升角增大,秸稈軸向速度減小,為使秸稈獲得較大軸向速度,螺旋角不易選擇過大,但過小螺旋升角又容易導致秸稈在助推螺旋上滑移,綜合上述因素最小螺旋角初定為20°,螺旋升角確定為20°～60°。

在忽略螺旋葉片與秸稈的摩擦,并且秸稈軸向速度與螺旋面推運速度相等的情況下,助推螺旋的秸稈輸送量可表示為

(12)

式中Q——輸送量,kg/s

D——螺旋葉片直徑,mm

d——圓錐凸臺直徑,mm

φ——填充系數

ρ0——秸稈堆積密度,kg/m3

由式(12)可知,當物料和螺旋升角確定時,影響輸送量的因素有助推螺旋轉速、螺旋葉片直徑和螺距,并且各因素均與輸送量正相關,所以,在設計允許范圍內選擇較大的螺距和螺旋葉片直徑,但由于螺旋葉片直徑受清秸輪直徑限制,本次設計螺旋葉片最大直徑為300 mm。

參照文獻[11],標準水平螺旋輸送機螺距可表示為

S=(0.8～1.0)D

(13)

由式(13)可知,螺距的選取與螺旋葉片直徑相關,本文研究的輸送物料為玉米秸稈,物料形狀和尺寸均不規則,選取較大螺距,本文設計螺距為240～300 mm。

圓錐凸臺直徑與螺旋葉片直徑的關系[11]可表示為

d=(0.2～0.35)D

(14)

由式(14)可得圓錐凸臺最大直徑105 mm,最小直徑為48 mm,助推螺旋葉片厚度設計為2 mm,材料選擇Q235,螺旋葉片數初步設定為2～6,助推螺旋結構如圖7所示。

圖7 助推螺旋結構圖

2 基于EDEM-ADAMS聯合仿真試驗

清秸裝置作業過程中涉及的秸稈、土壤均具有離散特性,利用離散單元法進行仿真分析,不僅能清晰觀察到秸稈和土壤作業過程中的運動規律,而且能克服環境條件的影響,降低試驗裝置的加工成本,縮短試驗的周期。單一采用離散元軟件EDEM仿真無法模擬清秸輪在外力作用下的被動旋轉,所以采用離散元仿真軟件EDEM和運動學仿真軟件ADAMS聯合仿真。為探究各因素對清秸裝置工作性能的影響規律,采用聯合仿真與二次回歸正交旋轉中心組合試驗相結合的方法進行研究[19]。

2.1 ADAMS仿真平臺構建

在ADAMS軟件中構建清秸裝置的運動模型,EDEM軟件中清秸裝置的位置可以通過仿真接口與ADAMS中模型的位置保持同步,從而在EDEM中實現裝置的復雜運動。對SolidWorks中構建的清秸裝置三維模型進行簡化,保留對仿真結果影響重要的零件[20-21],在ADAMS中對清秸裝置添加約束及驅動,其中包括旋轉副、移動副和直線運動等,同時,對G-Force進行設置,將G-Force的位置設置在每個部件的質心處,G-Force的局部坐標系與ADAMS軟件的全局坐標系坐標軸的方向保持一致,ADAMS軟件中構建的清秸裝置運動模型如圖8所示。

圖8 清秸裝置運動仿真模型

2.2 EDEM仿真平臺構建

由于實際土壤環境比較復雜,在仿真試驗中假定土壤模型為球狀且土壤顆粒大小都相等,忽略土壤中的碎石、砂粒等,選擇模擬土壤顆粒直徑為5 mm。將土壤顆粒通過重力沉積方法在長×寬×高為1 000 mm×5 000 mm×250 mm的虛擬土槽中生成40 mm的土壤層,在土壤層上方加載生成實測土壤密度所需垂直載荷,使虛擬土壤層與實際土壤層特性保持一致[22]。為使生成的土壤層在物理特性上更加接近真實土壤,采用Hertz-Mindlin with JKR模型,清秸裝置與土壤、土壤與土壤表面接觸能分別為6.8 J/m2和3.5 J/m2[23-26]。根據秸稈幾何尺寸測量,試驗玉米秸稈實際長度為5～12 cm,對秸稈模型進行簡化,采用10個球心間隔10 mm、直徑10 mm的球連接而成秸稈模型[4-5,27],通過顆粒工廠生成,均勻鋪設在土壤層上。將SolidWorks中簡化的清秸裝置三維模型導入到EDEM中,將清秸裝置材質設置為Q235,參照文獻[22],確定各材料接觸和本征參數如表1所示。

表1 材料接觸和本征參數

2.3 仿真試驗方案

在構建的EDEM和ADAMS仿真平臺的基礎上,通過ADAMS Co-simulation和二次開發API耦合配置文件建立EDEM-ADAMS聯合仿真平臺。為探究清秸裝置主要參數對作業性能的影響,采用四因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法,以作業速度、工作偏角、螺旋升角、螺旋葉片數為試驗因素,清秸率、工作阻力為性能評價指標,根據上述分析與設計確定試驗因素取值范圍:作業速度為5.4～12.6 km/h、工作偏角為15°～35°、螺旋升角為20°～60°、螺旋葉片數為2～6片。因素編碼如表2所示,仿真試驗過程如圖9所示。

表2 試驗因素編碼

圖9 EDEM-ADAMS聯合仿真試驗過程

2.4 性能評價指標

清秸率是指清秸裝置作業前后清秸幅寬內剩余秸稈量與原秸稈量的比值。在EDEM中可以通過后處理模塊的grain in group功能測量作業前后清秸幅寬區域(完成清秸作業后在清秸幅寬內隨機選取4個長為180 mm區域)內的秸稈質量,清秸率計算公式可表示為

(15)

式中p——清秸率,%

Wh——測區作業后秸稈量,kg

Wq——測區作業前秸稈量,kg

工作阻力是指在作業過程中清秸裝置所受到的阻力。可通過ADAMS中的Postprocessor繪制工作阻力曲線,提取清秸裝置穩定作業后的工作阻力,以平均值作為最終試驗結果。

2.5 結果與分析

試驗方案和結果如表3所示,共計25種參數組合,中心點組合試驗重復12次。

表3 試驗方案與結果

通過對虛擬仿真試驗數據分析發現,隨作業速度增加,清秸輪轉速增加,但清秸輪實際轉速比理論轉速平均下降32%,說明清秸輪在清理秸稈過程中存在較大滑移,并且滑移率隨作業速度增大呈先增大后減小趨勢。清秸輪滑移對清秸裝置工作質量影響較大,說明被動式清秸裝置在較低或較高作業速度條件下應用會受到限制,這也同樣驗證了同位仿形免耕播種機實際生產作業過程中,機具起步階段速度較低易出現秸稈堵塞現象。

不同參數組合條件下秸稈在清秸裝置的作用下均表現出相似的運動狀態,秸稈顆粒運動軌跡和速度云圖如圖10所示,秸稈主要由清秸輪和助推螺旋沿清秸輪回轉平面法向推運,較少部分秸稈被清秸輪輪齒回帶后拋出,這也說明了上述對清秸輪輪齒形狀設計較為合理。由圖10可以發現,作業速度增加會顯著提高秸稈顆粒運動速度,即可以提高清秸裝置推運秸稈效率,但是由于清秸裝置為被動式,隨著清秸裝置推運秸稈速度增大,機具作業速度也會增大,單位時間內積聚的秸稈量也增加,如圖10r所示,當速度過大時仍會導致清秸率降低。由于清秸裝置采用被動式,作業過程中依靠土壤反力和牽引力形成的力偶被動旋轉,并且入土深度較小,所以對土壤擾動量較小,土壤擾動情況如圖10所示,雖然清秸裝置的清秸輪設計時采用對稱布置,但從土壤擾動仿真結果發現對稱布置的清秸輪并未產生對稱布置的溝形,這與實際生產過程相似。工作偏角和作業速度對土壤擾動影響較大,如圖10s、10t所示,當工作偏角較大時,由土壤擾動產生的兩個溝形較相似,土壤擾動量較大;如圖10q、10r所示,當作業速度較小時,由土壤擾動產生的兩個溝形較相似,土壤擾動量較越小。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行方差分析,如表4所示。螺旋升角對清秸率具有顯著影響,作業速度、工作偏角、螺旋葉片數對清秸率具有極顯著影響,影響由大至小依次為作業速度、工作偏角、螺旋葉片數、螺旋升角,工作偏角和螺旋葉片數之間的交互作用對清秸率有極顯著影響;螺旋升角對工作阻力具有顯著影響,作業速度、工作偏角、螺旋葉片數對工作阻力均具有極顯著影響,影響由大至小依次為作業速度、工作偏角、螺旋葉片數、螺旋升角,作業速度和工作偏角之間的交互作用對阻力有極顯著影響。

表4 方差分析

2.5.1各因素對性能評價指標的影響

作業速度和螺旋升角對清秸率的影響規律如圖11a所示,當作業速度一定時,清秸率隨螺旋升角增大而降低,主要是由于在螺距和助推螺旋轉速一定時,隨螺旋升角的增大,助推螺旋對秸稈產生的軸向速度降低,當軸向速度較小時,部分秸稈無法清理,清秸率降低,這與理論分析結果一致。當螺旋升角一定時,清秸率隨作業速度增大而增大,主要由于清秸輪是被動旋轉,當機具作業速度增大,清秸輪的轉速隨之增大,助推螺旋軸向推運秸稈效率提高,清秸率升高。

圖11 各因素對清秸率的影響

工作偏角和螺旋葉片數對清秸率的影響規律如圖11b所示,當工作偏角小于20°時,清秸率隨螺旋葉片數增多而升高,工作偏角在20°～35°之間時,清秸率隨螺旋葉片數增多呈先增大后減小的趨勢,這主要是由于,當工作偏角較小時,清秸輪前方積聚的秸稈量少,隨著螺旋葉片數的增多,螺旋葉片清理秸稈的頻率變大,積聚的秸稈清理徹底,清秸率升高。當工作偏角大于20°時,清秸輪前方容易積聚秸稈,當螺旋葉片數過多時,葉片間距減小,進入葉片間隙中的秸稈不能及時排出,導致助推螺旋清秸功能減弱,清秸率降低。

工作偏角和作業速度對清秸率的影響規律如圖11c所示,當作業速度一定時,清秸率隨工作偏角的增大而升高,主要是由于隨著工作偏角的增大,清秸裝置的清秸幅寬變大,清秸輪與秸稈接觸面積增大,清理秸稈效果提高,清秸率隨之升高。

作業速度和工作偏角對工作阻力的影響規律如圖12a所示,當作業速度一定時,工作阻力隨工作偏角增大而增大,當作業速度小于7.2 km/h時阻力總體變化不明顯,這主要是由于工作偏角越大,清秸輪有效作業幅寬也隨之增加,增大了清秸輪與土壤、秸稈的有效接觸面積,工作阻力增大。當作業速度較小時,清秸輪前方積聚的秸稈量小,工作偏角的增大對阻力的影響小,說明在試驗條件下,工作偏角對阻力影響遠小于作業速度。

圖12 各因素對工作阻力的影響

螺旋升角和螺旋葉片數對阻力的影響規律如圖12b所示,當螺旋葉片數一定時,工作阻力隨螺旋升角增大而增大,主要是由于隨著螺旋升角增大,螺旋葉片與土壤、秸稈的有效接觸面積在前進方向上的接觸面積增大,工作阻力隨之增大;當螺旋升角一定時,工作阻力隨螺旋葉片數增多而增大,主要是由于螺旋葉片接觸秸稈的頻率升高,工作阻力增大。

作業速度和螺旋升角對阻力的影響規律如圖12c所示,當螺旋升角一定時,工作阻力隨作業速度增大而增大,主要是由于作業速增大,清秸裝置前方堆積的秸稈量增加,工作阻力增大。

2.5.2參數組合優化

優化原則為保證播種單體工作性能前提下,提高作業效率。在作業速度為5.4～12.6 km/h、工作偏角為15°～35°、螺旋升角為20°～60°、螺旋葉片數為2～6約束條件下,以清秸率獲取最大值、工作阻力獲取最小值為目標進行優化。目標函數和約束條件可表示為

(16)

運用Design-Expert 8.0.6軟件Optimization模塊進行優化。考慮到工作偏角在工作過程中可根據實際情況調整,作業速度會出現動態變化,所以,本文在螺旋升角為40°,螺旋葉片數為4的條件下進行優化,優化結果如圖13所示。圖中黃色區域為最佳工作區域,當作業速度7.5～10.7 km/h、工作偏角20.0°～32.5°時,清秸率大于85%,工作阻力小于110 N,優化結果滿足免耕播種相關農藝要求。

圖13 優化結果

3 田間試驗

根據參數組合優化結果完成試驗樣機加工、裝配以及調試后進行田間試驗,如圖14所示。

圖14 試驗儀器設備連接與評價指標測量

試驗主要儀器與裝置如圖14a所示,包括604型拖拉機(中國一拖集團有限公司)、三點懸掛試驗機架、清秸裝置、田間機械動力學參數遙測儀(黑龍江省農業機械工程科學研究院)、TZS-1型土壤濕度計(浙江托普儀器有限公司)、PV6.08型土壤硬度計(荷蘭Eijkelkamp公司)、ACS-30型電子秤(永康市華鷹衡器有限公司)、數碼攝像機、皮尺(量程:30 m,精度:1 cm)、卷尺(量程:5 m,精度:1 mm)、秒表等。

3.1 評價指標測定方法

清秸率采用人工方法測量。試驗前,在測試長度20 m內平均選取4個位置,測量長度為180 mm清秸幅寬內秸稈質量,測量結束后將秸稈鋪放回原位并做好標記,試驗后,對標定位置秸稈質量再次測量,應用式(15)計算清秸率,取4組數據平均值為最終試驗結果。

工作阻力采用田間機械動力學參數遙測儀進行測量和采集。每組試驗處理數據采集長度為20 m,提取清秸裝置穩定作業后的工作阻力數據,取平均值作為最終試驗結果。

3.2 驗證試驗

為驗證聯合仿真結果的正確性,對仿真試驗優化的最優參數組合裝置進行田間試驗,即加工工作偏角30°、螺旋升角40°和螺旋葉片數4的清秸裝置安裝在三點懸掛試驗機架上,在作業速度為8、9、10 km/h條件下進行測試。驗證試驗結果表明,在各作業速度條件下清秸率均大于82%,工作阻力均小于112 N,清秸率、工作阻力測量結果與仿真試驗基本一致。由于仿真試驗所構建的土壤以及秸稈模型相對理想,無法準確模擬出復雜的田間環境,同時,田間作業過程中,受自然風影響導致清理后的秸稈存在回流到播種帶內,影響清秸率測量,所以田間試驗清秸率略低于仿真試驗結果,實際工作阻力的結果高于仿真試驗的結果,但誤差均在允許范圍,田間驗證試驗結果表明聯合仿真優化結果可信。

3.3 對比試驗

對比優化清秸裝置和未優化清秸裝置對播種帶的清理效果以及工作阻力,在作業速度8、9、10 km/h進行試驗,試驗裝置如圖15所示,試驗結果如表5所示。對比試驗結果表明,未優化清秸裝置在作業速度為8 km/h時,清秸率為76.1%,作業速度為10 km/h時,清秸率為63.2%,高速作業時清秸率較低,并且秸稈積聚堵塞播種、施肥觸土部件。優化清秸裝置在3種作業速度條件下均具有良好的秸稈清理效果,清秸率均大于82%,作業速度10 km/h下相對未優化清秸裝置清秸率提高33.5%。在作業速度8、9 km/h時,未優化清秸裝置工作阻力小于優化清秸裝置,隨著作業速度的增加,當作業速度為10 km/h時,兩種清秸裝置的工作阻力無顯著性差異。

表5 對比試驗結果

圖15 田間對比試驗

4 結論

(1)針對同位仿形免耕播種單體,改進設計了一種具有秸稈軸向加速推送功能的清秸裝置,為重度秸稈覆蓋、高速作業條件下免耕播種秸稈清理提供了技術支持。

(2)確定了影響清秸裝置清秸率和工作阻力主要因素,各因素對清秸率影響顯著性由大至小依次為作業速度、工作偏角、螺旋葉片數、螺旋升角,工作偏角和螺旋葉片數之間的交互作用對清秸率具有極顯著影響;各因素對工作阻力影響顯著性由大至小依次為作業速度、工作偏角、螺旋葉片數、螺旋升角,作業速度和工作偏角之間的交互作用對工作阻力具有極顯著影響。優化參數組合為螺旋升角40°、螺旋葉片數4、作業速度7.5～10.7 km/h、工作偏角20.0°～32.5°時,清秸率大于85%,工作阻力小于110 N。

(3)田間試驗表明,優化清秸裝置在作業速度8、9、10 km/h條件下均具有良好的秸稈清理效果,清秸率均大于82%。作業速度10 km/h時,相對未優化清秸裝置清秸率提高33.5%,兩種清秸裝置的工作阻力無顯著性差異。