基于離散元法的仿生旋耕刀作業(yè)性能研究

中圖分類號：S222.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）10-0082-09

Abstract：To solve the problems large tilage resistance and poor straw burial qualityin straw returning by rotary tillage，abionicrotarybladewith the structuralcharacteristicsmolerat’sclawwasdesigned basedonthecontourcurves claw tips molerats.Aorthogonal simulation experiment was conducted withthree factorsand threelevels，including theinfluencing factors thediameter the bionicarc，the working width，andthebendingangle，andtheresponse indexesthe torqueandthe uniformity straw spatial distribution using EDEM.Theoptimal structural parameters were：the diameter bionic arc is 12mm ，working width is 45mm ，and bending angleis 120^° .Compared with the national standard rotary blade，the torque was reduced by 5.8% ，and the coefficient variation the straw spatial distribution was decreased by 8.3% . It was proved that the bionic rotary blade could improve the straw burying quality andreducethetillageresistance.Then，afieldtilagecomparisontestwascariedoutbetweenthebionicrotarybladeand the national standardrotary blade.Theresultsshowedthatthevariationlaws the torqueandthecoeficient variation thestrawspatialdistributionthe tworotary bladesunderdiferenttilageparameterswere thesame，butcompared with the national standard rotary blade，the torque the bionic rotary blade decreased by about 7% ，and the coefficient variation the straw spatial distribution decreased by more than 11% ：

Keywords：bionic；rotary blade；discrete element method;torque blade；spatial distribution straw

0 引言

秸稈還田既是保護性耕作的具體要求[1]，也是土壤培肥與豐產增效的重要技術途徑[2]。旋耕秸稈還田是稻麥輪作區(qū)廣泛采用的秸稈還田方式之一，其一次下地作業(yè)可完成耕地、碎土、整地、滅茬等環(huán)節(jié)，不僅減少機具多次下地對土壤造成的壓實破壞，還可高效地爭搶農時。但在作業(yè)時仍存在功率消耗大、秸稈埋覆質量一般等問題，尤其是秸稈大量分布在播種深度層，容易架空種子從而影響后續(xù)作物出苗。因此，有待進一步降低旋耕作業(yè)功耗與提高耕作后的秸稈空間分布均勻性。

旋耕刀是旋耕秸稈還田的主要工作部件，其幾何結構是影響旋耕作業(yè)質量及功率消耗的主要因素[3]。為減少耕作能耗，提高旋耕作業(yè)質量，國內外學者對旋耕刀幾何結構的優(yōu)化設計進行了相關研究。楊艷山等4發(fā)現(xiàn)旋耕部件的形狀會影響田間作業(yè)耕作質量；郝志豪等5設計了一種梯型直刀，試驗結果表明，梯型直刀的碎茬和秸稈掩埋性能均優(yōu)于標準刀。Asl等[6]通過構建旋耕刀功率需求數(shù)學模型，設計了一種新型旋耕刀，實現(xiàn)了耕作能耗低的目標。

隨著仿生學在農業(yè)工程領域的廣泛應用，有不少學者針對旋耕刀幾何結構進行仿生學優(yōu)化設計，如郭俊等基于鼴鼠足趾排列方式，設計了鋸齒狀旋耕刀片，發(fā)現(xiàn)仿生鋸齒刀的耕作質量明顯優(yōu)于國標旋耕刀。肖茂華等8基于東方蜷蛄爪趾輪廓特征，設計了一種仿生旋耕刀，試驗表明，其切削阻力與耕作扭矩均小于國標旋耕刀。Sun等9基于熊爪的三維輪廓特征，設計了針對紅壤土條件的仿生旋耕開溝刀，試驗發(fā)現(xiàn)其開溝阻力和耕作能耗均小于傳統(tǒng)旋耕開溝刀。離散元方法是一種用于模擬并分析復雜介質系統(tǒng)的運動過程與系統(tǒng)力學行為的數(shù)值方法，在農業(yè)領域也有著諸多的應用[8.9]。

國內外學者在優(yōu)化旋耕刀幾何結構方面取得一定的成果，但大多是基于土壤一旋耕刀兩者相互作用進行研究，而關于土壤一秸稈一旋耕刀三者交互作用下的旋耕刀秸稈還田性能的研究較少，尤其缺乏針對稻麥輪作區(qū)秸稈還田要求的高性能旋耕刀具優(yōu)化設計。因此，本文首先根據(jù)鼴鼠前足趾輪廓曲線，設計出不同結構參數(shù)的仿生旋耕刀，然后基于離散元法進行EDEM仿真試驗，獲取仿生旋耕刀的最優(yōu)結構參數(shù)，最后與國標旋耕刀進行田間耕作對比試驗來探究仿生旋耕刀對秸稈還田性能提升的影響。

圖1鼴鼠前足趾輪廓曲線提取與應用 Fig.1 Extraction and application contour curves claw tips mole rats

1.2 結構參數(shù)設計

仿生旋耕刀選擇秸稈還田作業(yè)常用的彎形刀，其主要由刀柄、含有側切刃的側切面及含有正切刃的正切面等組成，如圖2所示。仿生旋耕刀的正切面具有切土、碎土、翻土和滅茬的功能，是旋耕刀重要的組成結構之一，其結構形狀和參數(shù)對旋耕秸稈還田性能有重要的影響。根據(jù)文獻[12」可知，影響仿生旋耕刀正切面作業(yè)性能的結構參數(shù)主要有回轉半徑 R 、工作幅寬 b 、彎折角 θ 仿生齒圓弧直徑 d 等。結合當?shù)匦斩掃€田農藝要求，將仿生旋耕刀回轉半徑 R 設置為225mm ，通過改變工作幅寬 b 、彎折角 θ 以及圓弧直徑 d 三個關鍵參數(shù)改變正切面結構，從而提高仿生旋耕刀的土壤切削與秸稈埋覆性能。基于離散元仿真來探究仿生旋耕刀的最佳結構參數(shù)組合。

1仿生旋耕刀設計

1.1 設計原理

鼴鼠是典型的土壤穴居動物，為了適應地下的生活方式，已進化出優(yōu)異的土壤挖掘能力[10]。鼴鼠前足趾短而強健，且趾端長有弧形利爪，是切挖土壤的主要工具。因此，很多學者以鼴鼠前足趾為仿生原型開展旋轉工具優(yōu)化設計研究，如Tong等[基于鼴鼠前足趾輪廓曲線設計了一種用于東北玉米地作業(yè)的旋耕—碎茬仿生刀片。參考這一設計思路，提取鼴鼠前足趾的輪廓曲線并應用于稻麥輪作區(qū)的仿生旋耕刀結構設計中。如圖1（a）～圖1（c）所示，先進行足趾輪廓曲線提取，因前足趾的中間3個趾爪（趾爪 2～4 的幾何輪廓特征較為接近，故選取趾爪2作為仿生原型；同時考慮到仿生結構特征和機械加工的便利性，以擬合圓弧模擬其趾爪的幾何輪廓特征，測得趾爪2的幾何參數(shù)：擬合圓直徑約為 2mm ，圓心角約為 135^°"。再如圖1（c）所示，將鼴鼠趾爪的圓弧結構進行適度放大并生成一定直徑 d 的仿生圓弧齒應用于仿生旋耕刀上。

圖2仿生旋耕刀結構示意圖Fig.2 Structure diagram bionic rotary blade

2 離散元模型建立

2.1土壤一秸稈物理參數(shù)

為保證仿真試驗的精準性和科學性，對位于稻麥輪作區(qū)的六合試驗農場的土壤與秸稈的物理參數(shù)進行測量，結果如表1所示。

表1試驗地土壤和秸稈參數(shù)Tab.1 Soil and straw parameters the test site

2.2土壤一秸稈顆粒模型

根據(jù)表1測量的田間實際土壤與秸稈參數(shù)值，建立土壤與秸稈顆粒模型。選用球形顆粒模擬土壤，在確保試驗精度的前提下，將顆粒模型尺寸適當放大，本文仿真土壤顆粒半徑設置為 8mm 。參考周華等[13研究，針對秸稈建模進行簡化處理，采用秸稈剛性模型。田間秸稈長度為 50～150mm ，為減少仿真時間，以16個直徑為 10mm 、球心距為 6mm 的球體組成總長度為 100mm 的線性模型來模擬秸稈。

2.3接觸模型及參數(shù)設定

選擇合適的接觸模型是離散元仿真的關鍵因素，接觸模型的實質是顆粒固體在準靜態(tài)情況下的接觸力學彈塑性分析結果。稻麥輪作區(qū)土壤類型為黏性水稻土，土壤間存在一定的黏附力。為準確模擬該區(qū)域的土壤性質，土壤顆粒間的接觸模型參考文獻[14]選用Hertz—MindlinwithBonding模型。該模型下的相鄰兩個土壤顆粒通過結合力黏結在一起，在仿真開始時顆粒間有抵抗正向和切向運動的作用力，當外界作用力達到臨界值時，黏結作用被破壞而出現(xiàn)土壤顆粒破碎現(xiàn)象。土壤顆粒間的Hertz—MindlinwithBonding模型計算如式（1）和式（2）所示。

式中： A 接觸區(qū)域面積， mm² J. 慣性矩， mm⁴ ：

R_B —黏結半徑， mm ：

一 —法向黏結力和切向黏結力，N;T_n，T_t 二 -法向力矩和切向力矩， N?m ：v_n，v_f 顆粒的法向速度和切向速度， m/s S_n，S_f 法向剛度和切向剛度， N/m

1 法向角速度和切向角速度， rad/s （204號 δ_t —時間步長，s。

當王壤顆粒間的法向應力和切向應力超過某個臨界值時，黏結將被破壞。因此，斷裂時的法向應力最大值 σ_max 和切向應力最大值 τ_max 計算如式（3）所示。

在建立EDEM仿真模型時，模型參數(shù)主要包括材料參數(shù)和接觸參數(shù)。材料參數(shù)主要有土壤、秸稈、旋耕刀的密度、泊松比和剪切模量等，接觸參數(shù)主要指各材料間的動、靜摩擦因數(shù)和恢復系數(shù)。通過查閱文獻[14.15]、試驗測量和參數(shù)標定的方法，獲取離散元仿真模型的所有參數(shù)，如表2所示。

表2離散元仿真模型參數(shù)Tab.2 EDEM simulation model parameters

2.4 仿真過程

為模擬旋耕秸稈還田的實際作業(yè)情況，運用EDEM建立長 x 寬 x 高為 2500mm×1000mm× 400mm 的虛擬土槽及仿真模型，如圖3所示。為保證每次仿真試驗土壤和秸稈的位置一致，仿真時先生成土壤和秸稈顆粒，然后再更換不同參數(shù)的旋耕刀進行仿真作業(yè)。仿真秸稈量與試驗地測量的秸稈量保持一致，控制在 8051kg/hm² 。在仿真過程中，耕作深度設置為 100mm ，旋耕碎土后的耕層深度約為150mm 。同時，前進速度設置為 0.5m/s ，刀軸轉速為 320r/min 。在設定完仿真時間、步長、網格大小后進行旋耕秸稈還田仿真試驗。仿真完成后先從EDEM后處理工具中導出旋耕刀所受扭矩數(shù)據(jù)，后通過設置計算區(qū)域GridBinGroup來計算秸稈在土壤空間中的分布數(shù)量。每次耕作后于土槽中心點設置整體計算區(qū)域大小為 900mm×500mm×150mm ，為精確分析秸稈空間分布均勻性，再以 150mm× 100mm×50mm 的單元格尺度進行整體空間劃分，共生成90個計算區(qū)域（圖4）。參考文獻[16]，以各分割區(qū)域秸稈占比的變異系數(shù)來衡量秸稈空間分布的均勻性，變異系數(shù)越小，則秸稈分布越均勻。

3 仿真試驗

3.1單因素仿真試驗

開展單因素試驗，探究工作幅寬、彎折角、圓弧直徑3個因素與仿生旋耕刀秸稈還田性能之間的關系。工作幅寬 b 值過大，不僅會影響刀具的剛度和碎土質量，也容易增加耕作功耗； b 值過小，會容易出現(xiàn)漏耕的現(xiàn)象；根據(jù)常用取值范圍，工作幅寬取值分別為 35mm 、45mm，55mm 。彎折角 θ 值過大時，旋耕刀正切面外側容易擠壓土壤并產生額外的功耗； θ 值過小時，雖然正切面切土與埋茬性能都有所提高，但功率消耗也會相應的增加；因此，根據(jù) θ 變動范圍，彎折角取值分別為 110^° 120^°?130^° 。圓弧直徑 d 過小時，仿生結構入土效果一般，齒縫也容易纏草， d 過大時，切削土壤與埋覆秸稈效果不佳；因此，仿生齒的圓弧直徑取值分別為 8mm 、12mm.16mm ，并在正切刃上生成相應數(shù)量（7個、5個、3個）的圓弧齒，如圖5所示。結合當?shù)氐男鳂I(yè)參數(shù)，耕作深度設置為 100mm ，前進速度為 0.5m/s ，刀軸轉速為 320r/min ，且每次試驗時的耕作參數(shù)保持一致。當考察單一因素變化時，其他因素取零水平中間值，即工作幅寬、彎折角、圓弧直徑分別取 45mm.120° /12mm 。仿真試驗過程中記錄刀軸扭矩與秸稈空間分布變異系數(shù)，每組試驗重復3次，取平均值。

在彎折角和圓弧直徑一定的情況下，分別選取工作幅寬為 35mm?45mm?55mm 進行試驗，隨著工作幅寬的增加，刀軸扭矩逐漸增加而秸稈空間分布變異系數(shù)逐漸降低，如圖6（a）所示。其可能的原因是增加工作幅寬時，土壤切削量與碎土率也隨之增加，導致扭矩增加，更多的土壤也有利于秸稈被充分掩埋而降低秸稈空間分布變異系數(shù)。

當工作幅寬和圓弧直徑一定時，彎折角分別選取110^°?120^° 、 130^° 進行試驗，隨著彎折角的增大，刀軸扭矩越來越小，秸稈空間分布變異系數(shù)越來越大，如圖6（b）所示。該結果可能的原因是在彎折角大時，旋耕刀切削王壤的量更少，導致刀軸扭矩減小，而少的土壤切削量也不利于秸稈掩埋，其秸稈空間分布變異系數(shù)也會增大。當工作幅寬和彎折角一定時，隨著圓弧直徑的增加，刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)都呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，如圖6（c）所示。其可能的原因是帶有較小圓弧直徑的仿生結構入土效果不佳，工作阻力大且秸稈掩埋效果一般；圓弧直徑較大時，仿生齒數(shù)量少，總的切土效果一般，也影響秸稈掩埋性能，而合適的圓弧直徑更利于旋耕碎土埋茬。因此，需要對仿生旋耕刀結構參數(shù)進行多因素優(yōu)化試驗，獲得最佳參數(shù)組合的仿生旋耕刀。

3.2多因素仿真試驗

為獲得理想的仿生旋耕刀結構參數(shù)組合，利用Design—Expert軟件的Box—Behnken試驗原理，以圓弧直徑、工作幅寬、彎折角為試驗因素，選擇刀軸扭矩 T 與秸稈分布變異系數(shù) Y 為評價指標，開展多因素仿真優(yōu)化試驗。根據(jù)單因素試驗分析結果，設定試驗因素及編碼如表3所示。

表3試驗因素編碼Tab.3 Codes test factors

試驗結果如表4所示，其中 A，B，C 為各因素編碼值。利用Design—Expert軟件建立刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)與圓弧直徑、工作幅寬、彎折角的數(shù)學模型，并對影響指標的主要因素進行顯著性分析，探究各因素之間的交互作用規(guī)律。

根據(jù)表4的仿真試驗結果，利用Design一Expert軟件進行多元擬合與回歸分析，得到刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)的響應回歸模型如式（4）和式（5）所示。

T=461.96563-3.75375A-3.6835B- 5.2535C+0.005625AB+0.00875AC+ 0.0115BC+0.13609A²+0.033275B²+ （20 0.018025C² （204號 （4）

Y=130.17188-8.10438A+2.18925B- 0.81825C-0.006875AB-0.004375AC+ 0. 002 25BC+0. 38547A²-0. 032 825B²+ 0. 003675C² （5）

為進一步判定模型的擬合精度及各因素對刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)影響的主次順序，對表4仿真數(shù)據(jù)進行方差分析及三元二次回歸分析，結果如表5和表6所示。

表4試驗設計方案和結果Tab.4 Testdesign and results

表5刀軸扭矩方差分析Tab.5 Variance analysis the torque

注：表示差異極顯著 （Plt;0.01） ，表示差異顯著 （Plt;0.05） 。下同。

由表5可知，模擬的一次項圓弧直徑、工作幅寬、彎折角對刀軸扭矩影響極其顯著，且影響的主次順序為彎折角、圓弧直徑、工作幅寬。彎折角與圓弧直徑的交互作用對刀軸扭矩影響顯著，其響應面分析如圖7所示。

表6秸稈空間分布變異系數(shù)方差分析 Tab.6Variance analysis the coefficient variation straw distribution

由表6可知，模擬的一次項圓弧直徑與工作幅寬對秸稈分布變異系數(shù)影響極其顯著，彎折角對秸稈分布變異系數(shù)影響顯著，且三者對秸稈分布變異系數(shù)影響的主次順序為工作幅寬、圓弧直徑、彎折角。

3.3.3 試驗優(yōu)化

為得到試驗因素下的最優(yōu)仿生旋耕刀參數(shù)組合，利用Design—Expert軟件尋優(yōu)功能進行參數(shù)優(yōu)化，以降低刀軸扭矩和提高秸稈空間分布均勻性為目標，建立刀軸扭矩 T， 秸稈分布變異系數(shù) Y 雙目標函數(shù)的模型如式（6）所示。

當圓弧直徑為 11.19mm 、工作幅寬為 45.00mm 、彎折角 121.80^° 時，刀軸扭矩為 43.95N?m ，秸稈分布變異系數(shù)為 77.56% 。為方便加工，取整后最優(yōu)參數(shù)組合：圓弧直徑為 12mm 、工作幅寬為 45mm 、彎折角為120^° 。在此相同參數(shù)下與國標旋耕刀進行對比試驗，結果表明，國標旋耕刀的刀軸扭矩為 46.8N?m ，秸稈分布變異系數(shù)為 83.3% ，而仿生旋耕刀的刀軸扭矩為44.1N?m ，秸稈分布變異系數(shù)為 76.4% ；相比之下，仿生旋耕刀刀軸扭矩下降 5.8% ，秸稈分布變異系數(shù)減少8.3% ，驗證仿生旋耕刀具有減少耕作阻力、提高秸稈空間分布均勻性的作用。

4仿生旋耕刀研制

基于離散元仿真探究仿生旋耕刀的最佳結構參數(shù)組合，進行機械加工獲得仿生旋耕刀實物，如圖8所示。仿生旋耕刀材質為 65Mn 鋼，加工工藝與國標旋耕刀相同。最后，使用線切割加工工藝（精度為 ±0.1mm 在旋耕刀正切刃上加工出仿生圓弧齒結構，并對加工表面進行打磨處理。

5 田間試驗

5.1 試驗條件與方案

為驗證仿生旋耕刀的田間作業(yè)性能，在六合試驗農場進行田間旋耕秸稈還田試驗。試驗裝備采用田間原位耕作試驗平臺[17.18]，主要由旋耕臺車、懸架導軌、牽引電動機、升降電動機、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器等組成，其整體結構如圖9所示。在試驗時，該平臺能精確調整與控制前進速度、刀軸轉速、耕作深度等工作參數(shù)。

為全面對比研究仿生旋耕刀的秸稈還田性能，不同耕作參數(shù)下的田間試驗因素設置3個，包括刀軸轉速、前進速度和秸稈長度；評價指標設置2個，包括刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)。根據(jù)GB/T5668—2017《旋耕機》和當?shù)匦⌒托麢C實際耕作參數(shù)要求，刀軸轉速設置為 240r/min.280r/min 和 320r/min 前進速度設置為 0.25m/s.0.35m/s 和 0.5m/s ，耕作深度統(tǒng)一設置為 100mm 。依據(jù)試驗地秸稈參數(shù)，秸稈長度設置為 50mm?100mm 和 150mm ，秸稈量控制在 8051kg/hm² 。利用耕作平臺搭載的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取刀軸扭矩情況;并參考先前的研究[16.19]，利用秸稈空間坐標數(shù)字化儀獲取秸稈空間分布變異系數(shù)。

當?shù)遁S轉速變化時，秸稈長度和前進速度分別為100mm，0.35m/s ；當前進速度變化時，刀軸轉速和秸稈長度分別為 280r/min.100mm ；當秸稈長度變化時，刀軸轉速和前進速度分別為 280r/min，0.35m/s 試驗時，每個試驗小區(qū)的面積為 3 000mm×500mm ，先清理小區(qū)地表的殘留秸稈，然后人工均勻鋪放所需的試驗秸稈，其中試驗秸稈采用水稻主莖稈并染色處理[19]。試驗采用隨機區(qū)組設計，并重復進行3次，最后取平均值用于結果分析。

5.2 田間試驗結果與分析

5.2.1 刀軸扭矩

不同耕作參數(shù)下的刀軸扭矩情況如表7所示。當?shù)遁S轉速從 240r/min 增加到 320r/min 或前進速度從0.2m/s 增加到 0.5m/s 時，國標旋耕刀和仿生旋耕刀的刀軸扭矩均逐漸增加。當秸稈長度從 50mm 增加到150mm 時，國標旋耕刀和仿生旋耕刀的刀軸扭矩均變化不明顯。在總體趨勢上，國標旋耕刀和仿生旋耕刀的刀軸扭矩在刀軸轉速、前進速度、秸稈長度等不同耕作參數(shù)下的變化規(guī)律一致，但仿生旋耕刀的刀軸扭矩總是低于國標旋耕刀，且降幅減少近 7% 。結果表明，含有仿生圓弧齒結構的旋耕刀具有良好的減阻降耗性能，這與仿生旋耕刀的鋸齒狀結構[7.21]和前肢多趾組合結構[22.23]類似，在切挖土壤的過程中能獲得較低的切削阻力和優(yōu)異的入王性能，從而降低耕作扭矩。

表7不同耕作參數(shù)下的旋耕刀軸扭矩Tab.7Torque rotary blade under different tillage parameters

注： T 表示仿生旋耕刀的刀軸扭矩相比國標旋耕刀的下降幅度。

5.2.2 秸稈空間分布均勻性

不同耕作參數(shù)下的秸稈空間分布均勻性情況如圖10所示。結果表明，仿生旋耕刀和國標旋耕刀在不同刀軸轉速、前進速度、秸稈長度下的秸稈空間分布變異系數(shù)規(guī)律相同，但仿生旋耕刀的秸稈空間分布變異系數(shù)低于國標旋耕刀，平均降幅超過 11% 。如圖10（a）所示，國標旋耕刀和仿生旋耕刀的秸稈空間分布變異系數(shù)隨刀軸轉速從 240r/min 增加到 320r/min 均減小。其中仿生旋耕刀的秸稈空間變異系數(shù)比國標旋耕刀低10.5%～13.1% ，平均降低 11.9% 。如圖10（b）所示，當前進速度從 0.25m/s 增加到 0.5m/s 時，國標旋耕刀和仿生旋耕刀的秸稈空間分布變異系數(shù)逐漸增大。其中仿生旋耕刀的秸稈空間變異系數(shù)比國標旋耕刀低11.4%～13.7% ，平均降低 12.2% 。如圖10（c）所示，國標旋耕刀和仿生旋耕刀的秸稈空間變異系數(shù)隨著秸稈長度從 50mm 增加到 150mm 均稍微減小。其中在50mm?100mm?150mm 三種秸稈長度下，仿生旋耕刀的秸稈空間變異系數(shù)比國標旋耕刀分別低 8.8% 、12.5%.13.2% 。

6 結論

1）分析鼴鼠前足趾的趾爪輪廓曲線特征，利用擬合圓弧模擬趾爪的幾何輪廓特征，測得其參數(shù)：擬合圓直徑約為 2mm ，圓心角約為 135^° 。根據(jù)鼴鼠趾爪的圓弧結構特征，設計具有仿生圓弧齒結構特征的仿生旋耕刀，并分析影響其性能的主要結構參數(shù)為工作幅寬、彎折角、仿生齒圓弧直徑等。

2）以工作幅寬、彎折角、圓弧齒直徑為試驗因素，選擇刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)為評價指標開展單因素試驗與多因素優(yōu)化仿真試驗，確定仿生旋耕刀的最佳結構參數(shù)：圓弧直徑為 12mm ，工作幅寬為45mm ，彎折角為 120^° 。在相同耕作參數(shù)下與國標旋耕刀進行對比試驗，旋耕刀軸扭矩降低 5.8% ，秸稈空間分布變異系數(shù)降低 8.3% ，證明仿生旋耕刀能夠降低耕作能耗并提高秸稈埋覆質量。

3）開展仿生旋耕刀與國標旋耕刀的田間耕作對比試驗。結果表明，當?shù)遁S轉速從 240r/min 增加到320r/min 、前進速度從 0.25m/s 增加到 0.5m/s， 秸稈長度從 50mm 增加到 150mm 時，仿生旋耕刀和國標旋耕刀的刀軸扭矩和秸稈空間分布變異系數(shù)變化規(guī)律一致，但相比于國標旋耕刀，仿生旋耕刀軸扭矩下降近 7% ，秸稈分布變異系數(shù)減少超過 11% 。

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