果園秸稈覆蓋機彈齒式解捆防堵裝置設計與試驗

梅方煒 ，張志毅 ，李旭東 ，趙 偉 ，曹 歡 ，朱新華 ※

（1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，楊凌 712100；2. 東南大學機械工程學院，南京 211189）

0 引 言

秸稈覆蓋是重要的耕地保護措施，具有蓄水保墑、培肥地力、改善土壤結構、抑制雜草、防止土壤侵蝕和次生鹽漬化等效果[1-2]。與地膜覆蓋、生草覆蓋等方式相比，秸稈覆蓋表現出更突出的綜合效果優勢和生態可持續前景[3]。眾多研究表明，秸稈覆蓋可提高糧食作物、蔬菜和果樹的產量和品質[4-7]。秸稈覆蓋不僅被用于耕地生產力提升，還被用于水土保持和受火災影響的林地恢復[8-9]。在荒漠和鹽堿地土壤改良中，秸稈覆蓋被用于固定流沙或降低耕層土壤鹽堿濃度[10-11]。由于秸稈覆蓋及其腐解物的理化和生物作用，秸稈覆蓋也被用于礦區、城市受損耕地修復[12]。地表覆蓋是秸稈等農業廢棄物利用的重要途徑，可減少因焚燒引起的環境危害[13]。通過秸稈覆蓋增加土壤碳匯以減少碳排放，有助于日益緊迫的“碳達峰、碳中和”政策的實施[14]。然而，目前秸稈覆蓋的研究主要聚焦于機理、效果、經濟性與生態效應評價方面[15-16]，對如何大規模實施秸稈覆蓋技術的研究鮮有報道。秸稈覆蓋作業量大，人工作業成本高、效率低。機械化技術和裝備的缺少阻礙了秸稈覆蓋技術的大規模應用。目前，有關果園秸稈機械化覆蓋技術與裝備研究鮮有報道。

針對上述問題，本團隊研制了一種果園秸稈覆蓋機[17]。該機車箱容積6 m3，裝載量大。通過齒帶式解捆鋪料裝置將農作物秸稈解捆、破碎并鋪撒于果園行間，首次實現了機械化秸稈覆蓋技術。但解捆鋪料裝置作業時易出現秸稈堵塞現象，影響作業質量和效率。因此，探明解捆鋪料裝置秸稈堵塞成因，并研制適用于秸稈覆蓋機的防堵裝置已成為亟待解決的問題。

秸稈堵塞在秸稈-機械作用過程中時常發生。但秸稈-機械間的堵塞機制因秸稈存在形式和機械部件不同而不同。秸稈材料常見存在形式包括秸稈束、松散秸稈團、壓縮的秸稈捆或包等類型。目前，對于秸稈束、松散秸稈團與機械的相互作用引起的堵塞的研究較多。如谷物聯合收割機中的切割器、脫粒滾筒[18]，飼草撿拾打捆機中的撿拾和輸送部件[19]，秸稈揉絲機中的排料部件[20]，免耕播種機中的秸稈撿拾或切碎部件[21]等。對于秸稈捆與解捆裝置間的堵塞問題的研究報道較少。秸稈飼料破包機解捆時，與秸稈捆的作用部件一般為齒輥，因單位時間內一般投喂量較小，不易發生堵塞[22]。而在果園秸稈覆蓋機中，解捆鋪料裝置為齒帶結構，且單位時間鋪料量大[17]。目前，關于齒帶式解捆鋪料裝置的堵塞機制和防堵裝置的研究尚未見報道。離散元（DEM）仿真模擬是分析顆粒物料與機械作用的重要手段，已被廣泛用于分析秸稈顆粒與機械之間的作用機制[23-24]。通過離散元仿真探索解捆鋪料裝置中秸稈堵塞原因具有可行性。然而，由于秸稈捆離散元模型的復雜性，目前對于秸稈捆與機械之間的離散元仿真依然是一個挑戰。

本文針對秸稈覆蓋機解捆鋪料裝置易堵塞的問題，通過理論分析明確秸稈堵塞形成的力學機制；在此基礎上設計一種彈齒式防堵裝置，并確定防堵裝置的結構參數；結合DEM 仿真與現場試驗驗證防堵裝置的性能，以提高其作業穩定性。

1 秸稈覆蓋機結構與工作原理

自解捆式果園秸稈覆蓋機總體結構如圖1 所示，主要由履帶底盤、料箱、刮板送料機構和解捆鋪料裝置組成。解捆鋪料裝置為齒帶式結構，安裝于料箱的后部，其底部與刮板送料機構的末端構成出料口。解捆鋪料裝置的齒帶上通過刀座等間距固定有多排刀齒，相鄰刀座上的刀齒在齒帶平面上交錯排布。

圖1 秸稈覆蓋機整機結構與工作原理Fig.1 Overall structure and working principle of straw mulching machine

作業時，覆蓋機以一定速度行駛，位于覆蓋機料箱底部的刮板送料機構將裝載的多層秸稈捆向解捆鋪料裝置推送。解捆鋪料裝置齒帶上的刀齒割斷捆繩，對秸稈進行梳刷、破碎，形成松散秸稈。刀齒撥帶秸稈經勻料梳齒進一步破碎、勻料后從出料口拋出，鋪撒于地表形成秸稈覆蓋層。

整機主要技術參數如表1 所示。

表1 整機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of whole machine

2 防堵機理分析與防堵裝置設計

秸稈覆蓋機在作業過程中，解捆鋪料裝置對松散的小麥秸稈鋪料效果良好，但對秸稈捆進行解捆鋪料時易發生堵塞現象，不能滿足秸稈覆蓋作業要求。因此，開展防堵機理分析與防堵裝置設計。

2.1 秸稈解捆過程分析與堵塞機理

解捆鋪料作業過程中，齒帶帶動刀齒回轉，與秸稈捆接觸。刀齒沖擊、梳刷秸稈捆，切斷捆繩并破碎秸稈，進而帶動秸稈束下行。在出料口，聚集的秸稈束被壓縮，長莖稈被切斷，并逐漸被刀齒帶出出料口，進而拋撒鋪料，如圖2a 所示。在此過程中，齒帶的受力為

圖2 秸稈解捆過程與堵塞形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of straw unbaling process and blocking formation

式中Ftatol為齒帶阻力，N。

假定齒帶工作長度為LW（m），單位長度齒帶與秸稈捆的接觸壓力為FL（N），齒帶與秸稈捆的摩擦系數為f，接觸秸稈捆的撥料刀排數為n，單排刀齒數為m，單個刀齒梳刷阻力為Tbr（N），單個刀齒壓縮、切割秸稈阻力為Tcu（N）。則Fbr=nmTbr，Fbe=LWFLf，Fcu=nmTcu，式（1）可寫為

由式（2）可知，當解捆鋪料裝置工作時，齒帶同時與多層秸稈捆接觸，刀齒對多層秸稈捆進行梳刷。刀齒梳刷阻力Fbr與工作刀齒數成正比。齒帶與秸稈捆間的摩擦阻力Fbe與齒帶工作長度LW成正比。同時，工作刀齒數越多，出料口處的秸稈聚集量越大，刀齒壓縮、切割秸稈的阻力Fcu越大。因此，解捆鋪料裝置堵塞的原因之一是齒帶工作長度過長（秸稈梳刷量大于出料口排出量），在出料口形成三角形高壓聚集區。當三角區壓力過大時，引起刀齒壓縮、切割秸稈的阻力Fcu和出口段齒帶Fbe劇增，形成堵塞。

方形秸稈捆打捆成型時，打捆機分批供料壓縮，在秸稈捆內部形成相對獨立的秸稈餅塊。秸稈餅塊之間粘結力較小。當秸稈捆繩被刀齒切斷后，秸稈捆內排列緊密的秸稈餅間失去約束作用。秸稈餅塊上部首先受到刀齒梳刷、沖擊作用，秸稈餅前傾（圖2a）。后續刀齒繼續撥料進一步加劇秸稈餅塊前傾程度，引起秸稈餅塊被快速壓縮、彎曲、折疊，如圖2b 所示。秸稈瞬時擾動量急劇增大，引起齒帶阻力Ftotal急劇波動。當梳刷阻力與撥料阻力波動過大時造成秸稈堵塞。因此，秸稈餅塊前傾是秸稈堵塞的另一個原因。

2.2 彈齒式防堵裝置

針對上述秸稈堵塞形成的2 個原因，防堵裝置設計的重點是控制秸稈捆與齒帶的接觸長度，避免切繩后秸稈餅塊前傾。為此，本文提出彈齒式防堵裝置設計方案，如圖3 所示。該方案通過在秸稈捆與解捆鋪料裝置之間增加擋料板縮短秸稈捆與齒帶之間的接觸長度。同時，在擋料板底端設置彈齒單元，以避免切繩后秸稈餅塊前傾。

圖3 彈齒式解捆鋪料防堵裝置及其安裝位置Fig.3 Spring-tooth anti-blocking device and its' installation position

2.2.1 彈齒式防堵裝置設計

彈齒式防堵裝置安裝于秸稈解捆鋪料裝置排料端（圖3a），主要由擋料板、彈齒、限位桿等組成（圖3b）。作業時，擋料板在秸稈捆與解捆鋪料裝置間形成局部阻隔，確保解捆鋪料裝置僅與底層秸稈捆接觸，以控制秸稈捆與齒帶的接觸長度。通過減少秸稈在出料口內側聚集，避免高壓聚集區形成。彈齒作用于秸稈捆的迎刃面（秸稈捆前端與刀齒接觸的立面）上部，可防止秸稈捆被切繩后秸稈餅塊前傾，避免秸稈瞬時擾動量急劇增大引起齒帶阻力Ftotal急劇波動。彈齒具有彈性，可適應不同秸稈捆尺寸（高度）。當秸稈捆高度變化時，彈齒可適度變形以更好地阻止秸稈餅塊前傾，進而穩定喂入量和阻力矩，與擋料板共同起到防止秸稈堵塞的作用。

2.2.2 彈齒關鍵參數確定

彈齒是彈齒式防堵裝置的關鍵部件，由彈齒、彈簧、固定套等組成（圖4）。參考前期研究[25]，并綜合考慮防堵裝置結構尺寸及實際工況，設計組合彈簧分別由外徑20 mm、線徑4 mm 和外徑10 mm、線徑2 mm 的壓簧組成，固定套長度為50 mm，擋齒采用直徑為6 mm的彈簧鋼。

圖4 彈齒單元結構圖Fig.4 Structure diagram of spring tooth unit

解捆鋪料作業時，刮板送料機構將秸稈捆向解捆裝置推送，彈齒作用于底層秸稈捆上部，防止秸稈捆被切繩后秸稈餅塊前傾。彈齒在秸稈捆的擠壓作用下發生形變，其極限位置為彈齒末端與齒帶平面相接觸（限位桿的限位作用）。建立秸稈捆-彈齒接觸模型如圖5 所示。

圖5 彈齒受力與運動分析Fig.5 Force and kinematic analysis of spring tooth

如圖5a 所示，對彈齒進行受力分析有：

求解得：

式中Fx為x方向上秸稈捆所受合力，N；Fy為y方向上秸稈捆所受合力，N；k為與秸稈捆接觸的彈齒數量；μ1、μ2分別為秸稈捆與彈齒和刮板之間的摩擦系數。

由式（6）可知，彈齒變形產生的正壓力FN與彈齒數量密切相關。而與秸稈捆接觸的彈齒數量取決于彈齒間距，本文將通過試驗對彈齒間距進行優化分析。

如圖5b 所示，彈齒受壓運動至極限位置時滿足如下關系：

彈齒自由端的極限位置為齒帶面，為保證刀齒不接觸秸稈捆右上角以避免秸稈餅塊前傾，d1取最小值，即刀齒高度30 mm；為使刀齒與秸稈捆前端下部及時接觸進行解捆作業，h2取50 mm；同時考慮到防堵裝置占用料箱空間盡量小，d取150 mm，彈齒的初始角α為18°。代入求得彈齒長度L為300 mm，彈齒固定端安裝高度h1為200 mm。

3 DEM 仿真試驗與分析

為明確作業部件與秸稈捆之間的作用和堵塞形成機制，借助離散元分析軟件（EDEM 2020）對秸稈解捆過程進行分析。建立防堵裝置-秸稈捆間作用模型，通過仿真中秸稈顆粒擾動情況分析和出料口秸稈顆粒聚集區密度變化進一步分析防堵機理。同時，通過離散元仿真分析防堵方法的有效性，探究彈齒式防堵裝置的防堵性能。

3.1 仿真模型與參數設定

3.1.1 小麥秸稈捆離散元模型

從5 個小麥秸稈方捆內隨機取30 個樣本統計單根秸稈的長度和直徑分布，依據測量結果將秸稈長度設置為120 mm，顆粒半徑設置為2 mm。為還原單根秸稈的彎曲、扭轉、剪切等力學特性，單根秸稈由6 節長20 mm 的剛性單元構成。相鄰剛性單元間以Bonding V2 模型中的平行粘結鍵連接。剛性單元間的粘結參數通過三點彎曲和剪切試驗標定確定[26]，單位面積法向剛度為4.155 1×109N/m3，單位面積切向剛度為8.074 9×108N/m3，抗拉強度為10 MPa，抗剪強度為1.3 MPa，粘結系數為1。單根柔性小麥秸稈模型如圖6 所示。

圖6 小麥秸稈仿真模型Fig.6 Simulation model of wheat straw stem

首先構建秸稈捆離散元模型，根據方形小麥秸稈餅塊的物理尺寸和質量，在秸稈壓縮腔（壓縮截面尺寸為450 mm×380 mm）中生成秸稈顆粒3 200 個，總質量為1.008 kg；再導入尺寸為450 mm×380 mm 的壓板以0.5 m/s的速度對秸稈進行壓縮，直至將所有秸稈顆粒壓縮為100 mm×450 mm×380 mm 的秸稈餅塊；最后，將6 個壓縮成型的秸稈餅塊依次排列形成尺寸為600 mm×450 mm×380 mm 的秸稈捆，秸稈捆離散元模型如圖7所示。

圖7 解捆鋪料作業仿真模型Fig.7 Simulation model of unbaling-spreading operation

為準確還原秸稈捆內部的彈性、塑性、粘性接觸特征，選擇被壓縮物料間的離散元接觸模型為EEPA（edinburgh elasto-plastic adhesion），參考文獻[26-27] 與秸稈餅塊單軸壓縮試驗標定結果，設置EEPA 接觸模型參數中的恒定拉脫力為0，表面能為5.194 J，接觸塑性比為0.5，加載力分支指數為1.5，粘接力黏附指數為1.662，切向力剛度為0.6。

參考文獻[28-29] ，結合實際標定試驗設定仿真參數，如表2 所示。

表2 仿真參數設定Table 2 Simulation parameter setting

3.1.2 解捆作業仿真參數設置

加裝防堵裝置后，作業過程中上層秸稈捆被防堵裝置擋料板阻擋，只有底層秸稈捆與刀齒接觸。秸稈堵塞主要發生在底層秸稈捆與刀齒的作用區域。因此，僅建立底層秸稈捆（600 mm×450 mm×380 mm）仿真模型代表多層秸稈捆進行模擬。對解捆鋪料裝置和防堵裝置未參與解捆過程的部件進行簡化。應用Creo 軟件進行實體建模，并將幾何模型導入EDEM 軟件中（圖7）。本研究的仿真和試驗中，秸稈捆尺寸（高度）基本一致，故仿真中將彈齒設置為剛性。依據果園實際作業參數，設置刀齒線速度為2.3 m/s（即解捆鋪料裝置主動輥轉速為220 r/min），秸稈捆推進速度為0.05 m/s，出料口間距為10 cm。仿真時間步長設置為2.071 29×10-5s，網格大小為6 mm，每隔0.01 s 保存一次數據，仿真時間總時長為12 s。仿真結束后，在后處理模塊中導出刀齒座所受總力，根據式（8）計算刀齒解捆的阻力矩。試驗重復3 次，試驗結果取平均值。

式中Ts為刀齒解捆的阻力矩，N·m；FTF為刀齒座所受力，N；r為刀齒的回轉半徑，m。

單位質量流率下阻力矩平均值為

式中?為單位質量流率下阻力矩平均值，N·m·s/kg；Q為質量流率，kg/s。

3.2 解捆作業過程仿真試驗結果與分析

3.2.1 秸稈顆粒擾動情況與質量流率分析

解捆作業時，秸稈顆粒速度云圖如圖8 所示，不同速度區域反映刀齒梳刷撥動秸稈束的情況及捆內壓力、速度的傳導范圍。未加裝防堵裝置時（圖8a），參與解捆的齒帶較長，刀齒對秸稈顆粒產生的擾動區域大，上部秸稈在刀齒作用下發生前傾。在刀齒梳刷和齒帶摩擦力作用下，擾動區域內前傾的秸稈餅塊容易形成坍塌、折疊，同時向前傾倒的秸稈餅塊在刀齒的向下梳刷、壓縮作用下，秸稈束在出料口處迅速聚集，形成秸稈高壓區。下段齒帶摩擦阻力和刀齒切割阻力迅速增大。而刮板送料機構及后續刀齒持續推送、擠壓秸稈，造成出料口瞬時喂入量過大，導致部分受擾動秸稈顆粒無法順利通過而出現滯留，在出料口形成秸稈堵塞，這與2.1 節秸稈解捆過程防堵機理分析一致。

圖8 解捆鋪料時秸稈顆粒速度云圖Fig.8 Velocity cloud diagram of straw during unbaling-spreading process

加裝防堵裝置后（圖8b），防堵裝置阻擋上部秸稈與解捆裝置接觸，減少了單位時間內參與解捆、梳刷秸稈的刀齒數量。同時，彈齒避免了秸稈餅塊的前傾、折疊和坍塌，減少了受刀齒擾動的秸稈顆粒數量。此時，出料口處秸稈運動速度較為均勻，秸稈束排出過程更加順暢。防堵裝置有效避免了過量秸稈在出料口內側的聚集滯留，具有較好的防堵性能。

在解捆鋪料裝置出料口處添加物料質量流率傳感器，監測單位時間內喂料區的秸稈喂入量和出料區的秸稈出料量（圖8）。定義秸稈出料量與秸稈喂入量的比值為秸稈有效喂入率。結果表明，未加裝防堵裝置時秸稈喂入量為1.12 kg/s，秸稈出料量為0.97 kg/s，秸稈有效喂入率為86.6%；加裝防堵裝置后秸稈喂入量為0.98 kg/s，秸稈出料量為0.92 kg/s（滿足果園秸稈覆蓋量15.0～22.5 t/hm2的要求[30]），秸稈有效喂入率為93.8%。與未加裝防堵裝置相比，秸稈顆粒出料量降低了5.1%，秸稈有效喂入率提高了7.2 個百分點，說明加裝防堵裝置降低了秸稈在喂料區的聚集滯留，對避免秸稈堵塞是有效的。

3.2.2 秸稈顆粒聚集區密度變化

捆內不同區域秸稈密度變化在一定程度上反映捆內壓力變化。為進一步揭示秸稈堵塞形成機制，對DEM仿真過程中的秸稈捆內密度進行監測以分析捆內壓力。通過EDEM 后處理中的Grid Bin Group 添加198 個35 mm×35 mm ×35 mm 的網格，用于監測捆內秸稈質量分布情況。秸稈捆內質量分布云圖如圖9a、9b 所示，未加防堵裝置時，出料口處監測內的秸稈密度（質量）較高，說明形成了秸稈高壓區；加裝防堵裝置后，秸稈質量分布均勻，未出現高壓區。

圖9 捆內秸稈質量及監測區域秸稈密度變化Fig.9 Straw mass in straw bale and variation of straw density in monitoring area

圖9a、9b 中監測區域內秸稈密度通過式（10）計算。解捆鋪料作業過程中監測區域內的秸稈密度變化情況如圖9c 所示。

式中ρ為監測區域內秸稈密度，kg/m3；m為監測區域內秸稈質量，kg；Vm為監測區域體積，m3。

觀察發現，0.6 s 后裝置進入穩定作業階段。未加裝防堵裝置時監測區域內的秸稈平均密度為96.13 kg/m3，標準差為5.19 kg/m3；加裝防堵裝置后秸稈平均密度為51.90 kg/m3，標準差為5.13 kg/m3。加裝防堵裝置后秸稈平均密度降低了46%，有效降低了出料口內側的壓力和解捆鋪料阻力，避免了高壓區和堵塞的形成。

3.2.3 解捆過程秸稈單位質量流率下刀齒解捆阻力矩分析

根據式（9）可知，未加裝防堵裝置時出料區單位質量流率下刀齒解捆阻力矩平均值為20.42 N·m·s/kg，加裝防堵裝置后為14.68 N·m·s/kg。與未加裝防堵裝置相比，出料區單位質量流率下刀齒解捆阻力矩降低了28.1%。說明防堵裝置減少了排出單位質量秸稈所需阻力矩，即在相同出料量下，防堵裝置有效降低了解捆阻力矩，具有較好的防堵性能。

4 樣機試驗

4.1 試驗方法

4.1.1 試驗條件與方法

為了驗證防堵裝置的有效性，2021 年4 月在西北農林科技大學試驗站開展秸稈解捆與防堵裝置性能試驗。果園秸稈覆蓋機如圖10 所示。小麥秸稈方捆來自中國扶風大明秸稈收儲公司。方捆尺寸（長×寬×高）為1 000 mm×450 mm×380 mm，密度為56 kg/m3，含水率為10.35%。

圖10 樣機試驗Fig.10 Prototype test

試驗時秸稈覆蓋機保持1.0 km/h 的作業速度，出料口間距為10 cm。依據前期預試驗結果[25]，在解捆鋪料裝置主動輥轉速200～240 r/min、刮板主動輥轉速5.0～10.0 r/min 和彈齒間距60～100 mm 時，秸稈覆蓋機作業性能穩定，且秸稈覆蓋厚度滿足作業要求。因此，以解捆鋪料裝置主動輥轉速、刮板主動輥轉速和彈齒間距為試驗因素，以阻力矩標準差為試驗指標。基于Design-Expert 軟件采用Box-Behnken Design (BBD) 設計響應面試驗。因素水平編碼如表3 所示，正交試驗方案與結果如表4 所示。共15 個試驗，包含3 個中心點（允許估計的誤差），使系統性能在研究的任何試驗點都能得到評估[31]。每個試驗重復3 次。

表3 試驗因素編碼Table 3 Coding of experimental factors level

表4 正交試驗方案與結果Table 4 Regression orthogonal experimental plan and results

4.1.2 評價指標

在相同出料口間距和排料量情況下，解捆鋪料裝置的阻力矩波動大?。醋枇貥藴什瞀襎）最能反映防堵裝置的效果。σT越小，說明解捆過程越穩定，防堵裝置的防堵效果越好。因此，以阻力矩標準差σT作為試驗指標。

通過CHPM480 型液壓測試儀（25 MPa）采集解捆鋪料裝置穩定作業后的液壓馬達回路壓力，阻力矩及其標準差計算如下:

式中Ti為第i點解捆鋪料裝置阻力矩，N·m；為解捆鋪料裝置平均阻力矩，N·m；T為解捆鋪料裝置阻力矩，N·m；p為解捆鋪料裝置液壓馬達液壓回路中的油壓，MPa；V為解捆鋪料裝置液壓馬達的排量，125 mL/r；ηmm為馬達的機械效率，依據技術手冊取0.87。

4.2 結果與分析

4.2.1 回歸模型建立與顯著性檢驗

在Design-Expert 軟件中對Box-Behnken 響應面試驗結果進行方差分析，建立阻力矩標準差σT回歸模型。阻力矩標準差模型方差分析結果如表5 所示。模型決定系數R2為 0.981，擬合性較好；模型極顯著(P＜0.01)且失擬項不顯著(P＞0.05)，預測模型合理；x1、x2和x22對σT有極顯著影響(P＜0.01)，x3、x2x3和x32對σT有顯著影響(P＜0.05)。

表5 阻力矩標準差模型方差分析Table 5 Variance analysis of standard deviation model of resistance torque

σT與各因素之間的回歸方程為

4.2.2 響應曲面分析與參數優化

解捆鋪料裝置主動輥轉速為220 r/min 時，刮板主動輥轉速X2和彈齒間距X3對解捆鋪料裝置阻力矩標準差σT的交互作用如圖11 所示。刮板主動輥轉速一定時，阻力矩標準差隨彈齒間距先增大后減?。粡楜X間距一定時，阻力矩標準差隨刮板速度的增大而急劇增加，然后緩慢減小。

圖11 刮板主動輥轉速和彈齒間距交互作用對阻力矩標準差σT 的影響Fig.11 Influence of interaction of active roller rotate speed of scraper feeding mechanism and spacing of spring teeth on standard deviation of resistance torque σT

對阻力矩標準差模型采用最小值原則求解，得到最優解參數組合為：解捆鋪料裝置主動輥轉速為225 r/min、刮板主動輥轉速為5.0 r/min、擋料彈齒間距為100 mm。

4.3 驗證試驗

實際作業中，為滿足不同的秸稈覆蓋量要求，可通過調整解捆鋪料裝置及刮板主動輥轉速調控秸稈覆蓋厚度。為了解不同解捆鋪料裝置主動輥轉速下的防堵效果，在未安裝和安裝防堵裝置的情況下分別進行秸稈解捆鋪料試驗。試驗中，固定刮板主動輥轉速5.0 r/min、彈齒間距100 mm。將解捆鋪料裝置主動輥轉速分別設置為185、225 和265 r/min。試驗重復3 次，結果取平均值。試驗結果如圖12 和表6 所示。

表6 是否加裝防堵裝置下解捆鋪料裝置的阻力矩對比Table 6 Comparison of resistance torque of the unbalingspreading device with or without installed anti-blocking device

圖12 不同主動輥轉速下解捆鋪料裝置阻力矩變化曲線Fig.12 Change curve of resistance torque of unbaling-spreading device at different active roller rotate speed

由表6 可知，與未加裝防堵裝置相比，185、225 和265 r/min 三個主動輥轉速下，解捆鋪料裝置阻力矩標準差降低率分別為29.5%、34.0%和30.7%；同時，平均阻力矩和峰值阻力矩降低率分別為16.1%和28.5%。驗證試驗證明，通過彈齒式防堵裝置控制齒帶工作長度并避免秸稈餅塊前傾的防堵方案是有效的。

4.4 果園試驗

2021 年5 月在陜西楊凌扶特斯公司蘋果園進行機械化秸稈覆蓋試驗。果樹種植行距3.5 m，株距1.2 m。秸稈覆蓋機的工作參數取4.2 節中優化結果。作業時機器后方安裝覆土裝置，對秸稈覆蓋層進行薄土覆蓋，以消除秸稈覆蓋層引起果園火災的隱患。秸稈層厚度測量采用五點取樣法，解捆鋪料裝置阻力矩采用CHPM480 型液壓測試儀測量，試驗重復3 次。作業前在果園行間地表中線等距放置5 個正方形平板（800 mm×800 mm），作業時使秸稈覆蓋于平板表面以便測量其厚度。試驗時車速為1.0 km/h，出料口間距為10 cm。試驗中解捆鋪料裝置工作平穩，排料均勻，未發生秸稈堵塞現象。試驗結果表明，解捆鋪料裝置阻力矩平均值為48.32 N·m，標準差為13.42 N·m；秸稈覆蓋層厚度為11.8 cm，標準差為2.3 cm，滿足秸稈覆蓋要求。試驗效果如圖13 所示。

圖13 果園試驗Fig.13 Test in orchard

5 結 論

1）秸稈解捆過程力學分析表明，齒帶-秸稈捆接觸長度過長和秸稈餅塊前傾引起解捆鋪料裝置阻力矩大且劇烈波動，進而導致秸稈堵塞。

2）提出了一種彈齒式防堵方法及并設計了防堵裝置?；贒EM 仿真研究了秸稈解捆過程中堵塞形成及彈齒式防堵裝置的防堵機制。秸稈擾動和網格密度分析表明，未加裝防堵裝置時，刀齒解捆時對秸稈的擾動大，并引起秸稈餅塊前傾，在出料口形成高壓區。防堵裝置有效降低了刀齒擾動區域，出料口內側秸稈密度降低46%，避免了秸稈在出料口的滯留和高壓區形成。

3）試驗結果表明，與未加裝防堵裝置相比，185、225 和265 r/min 三個解捆鋪料裝置主動輥轉速下，解捆鋪料裝置阻力矩標準差降低率分別為29.5%、34.0%和30.7%，同時平均阻力矩和峰值阻力矩降低率分別為16.1%和28.5%，所設計的防堵裝置作業效果良好。