果園秸稈覆蓋機(jī)拋土輪設(shè)計與試驗

臧家俊 朱新華* 徐少杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.中國航天科工第二研究院801廠，廣西 柳州 545000)

果園秸稈覆蓋具有土壤增碳、保墑等效果[1-4]，是國內(nèi)外公認(rèn)的旱區(qū)果園綠色覆蓋技術(shù)[5-6]。然而，果園秸稈覆蓋人工作業(yè)成本較高，且存在火災(zāi)風(fēng)險以及因風(fēng)雨引起的堆積或漂移問題[7-8]。目前，生產(chǎn)中常以人工完成秸稈覆蓋，并對秸稈層薄土蓋壓。本課題組前期研制的果園秸稈覆蓋機(jī)實現(xiàn)了果園行間秸稈機(jī)械化覆蓋[9]，為旱區(qū)果園土壤增碳、保墑和秸稈肥料化利用提供了新裝備，該機(jī)能將秸稈均勻鋪撒于果樹行間，覆蓋寬度、厚度可調(diào)，但目前尚不具備就地取土覆土蓋壓功能。因此，研究與之配套的覆土裝置有助于果園秸稈機(jī)械化覆蓋技術(shù)的完善。

覆土機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中較為常見，但因農(nóng)藝要求和作用不同，功能和結(jié)構(gòu)差異較大，現(xiàn)有覆土機(jī)構(gòu)不能滿足果園秸稈覆蓋機(jī)同步覆土的技術(shù)要求。拋土式[10-11]和輸送帶式[12]葡萄埋藤機(jī)的覆土寬度小，厚度大，對覆土均勻性沒有要求。水稻覆膜播種機(jī)中的內(nèi)螺旋滾筒式覆土壓膜機(jī)構(gòu)[13]僅能實現(xiàn)膜面穴狀覆土，而小麥與馬鈴薯的覆膜播種機(jī)中的全膜覆土壓膜機(jī)構(gòu)[14-15]雖然能全膜面均勻覆土，但其采用刮板升運提土器，易被石塊等雜物卡死[8,16]。本課題組前期研制的雙螺旋覆土裝置體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于果園狹窄空間作業(yè)[8]。果園行間秸稈覆蓋中，覆蓋寬度一般≥1.5 m，且要求覆土層薄而均勻，以提高增碳保墑、雜草抑制等綜合效果[7-8,17]，現(xiàn)有的覆土機(jī)構(gòu)均不能滿足要求。

葡萄埋藤機(jī)的拋土式覆土機(jī)構(gòu)[10-11]具有結(jié)構(gòu)簡單，連續(xù)作業(yè)不易卡死的優(yōu)點，本研究擬以拋土式覆土方案為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以解決其覆土均勻性和寬度不足的問題，為果園秸稈覆蓋機(jī)覆土裝置的研制提供理論依據(jù)。

1 農(nóng)藝要求與覆土方案

1.1 覆土裝置設(shè)計的園藝與作業(yè)要求

我國寬行密植矮砧果園行距3.5～4.5 m，果園機(jī)械可通行寬度2.0～2.5 m。果園秸稈覆蓋機(jī)行間秸稈覆蓋幅寬1.5～1.8 m。為了使秸稈覆蓋層起到保墑減蒸、增碳培肥、抑制雜草、防止水土流失和土壤次生鹽漬化等綜合效果，又避免秸稈覆蓋引起的火災(zāi)或因風(fēng)雨引起的秸稈堆積或漂移問題，要求覆土裝置能在秸稈層上方均勻覆蓋一層薄土，實現(xiàn)對秸稈層的蓋壓[9]。覆土作業(yè)要滿足以下要求：

1)覆土與秸稈覆蓋應(yīng)互不干涉，就地取土，一機(jī)完成秸稈-薄土分層覆蓋；

2)薄土層覆蓋厚度以剛好蓋過秸稈為宜；試驗表明，覆土層厚度20～30 mm時，抑制雜草、保墑等效果較好[7-8,17-19]；

3)能根據(jù)果樹行間秸稈覆蓋厚度、平整度和寬度，覆土厚度與寬度準(zhǔn)確，靈活可調(diào)；覆土厚度均勻，漏蓋率小。

1.2 拋撒式覆土方案

針對覆土幅寬大、覆蓋厚度及其均勻性要求高的問題，為配合果園秸稈覆蓋機(jī)實現(xiàn)秸稈覆蓋-薄土蓋壓一體化作業(yè)的要求，根據(jù)果園農(nóng)藝要求，提出單側(cè)拋撒覆土和雙向?qū)伕餐?種方案(圖1)。2種方案均為現(xiàn)場取土，其核心部件是拋土輪。

1.地表；2.溝槽；3.秸稈層；4.土粒軌跡；5.拋土輪；6.樹干 1.Ground surface; 2.Trench; 3.Straw layer; 4.Soil particle trail; 5.Soil throwing wheel; 6.Fruit trunk
圖1 拋撒式覆土方案
Fig.1 Scheme of soil throwing-covering

覆土裝置安裝在秸稈覆蓋機(jī)的尾部。覆蓋機(jī)的鋪料機(jī)構(gòu)將秸稈鋪設(shè)于果樹行間，同時拋土輪取土、拋送土壤。拋土方向與裝置前進(jìn)方向垂直，將土壤均勻覆蓋于秸稈層上。

單側(cè)拋撒覆土方案中(圖1(a))，僅1個拋土輪，置于秸稈層幅寬任意一側(cè)，向內(nèi)側(cè)拋撒覆土，蓋壓秸稈層；雙向?qū)伕餐练桨钢校粚佂凛啓M向分置于秸稈層幅寬兩邊外側(cè)，相向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)拋覆土(圖1(b))。為避免兩側(cè)土壤拋撒軌跡干涉，影響覆土均勻性，兩側(cè)拋土輪一前一后縱向錯位布置。

分析可知，雙向?qū)伕餐练桨竷?yōu)于單側(cè)拋撒覆土，有利于實現(xiàn)寬幅覆土，提高覆土厚度準(zhǔn)確性和均勻性：1)雙向?qū)伕餐列Ч菃蝹?cè)拋撒覆土的對稱疊加，覆土寬度和厚度易于調(diào)節(jié)；2)覆土幅寬方向土粒落點錯峰疊加，均勻性好；3)雙側(cè)取土，避免地面凹凸、雜物引起取土量的波動從而影響覆土厚度，減少漏蓋；4)每側(cè)取土量小，溝槽淺，有利于降低拋土輪尺寸和入土深度。土槽位于果樹根毛區(qū)邊沿，有利于旱區(qū)果園雨水高效利用。

因此，選擇雙向?qū)伿礁餐练桨高M(jìn)行拋土輪設(shè)計。該方案中，兩拋土輪的拋土軌跡互不干涉，相互獨立，其覆土層為單側(cè)拋撒覆土的簡單對稱疊加。因此，單側(cè)拋撒覆土規(guī)律可作為雙側(cè)覆土裝置研制的依據(jù)。

2 拋土輪結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

對拋式覆土裝置兩拋土輪布置于機(jī)架后方，前后錯位(圖2(a))。裝置作業(yè)時，秸稈覆蓋機(jī)鋪放的秸稈通過秸稈落料區(qū)下落至地表，兩拋土輪進(jìn)行對拋覆土作業(yè)。拋土輪基體為圓形輪盤，輪盤中心固定安裝盤轂(圖2(b))。盤轂中心設(shè)置軸孔，與動力軸配合驅(qū)動拋土輪。輪盤徑向均布若干葉片，其外徑與輪盤外徑相等。為了提高覆土均勻性、減小拋土輪入土阻力，在葉片組外沿設(shè)置一定的葉片錐角。葉片錐角的設(shè)置使同一葉片末端的土粒起拋點半徑不同，拋射速度不同，分散土粒落點。同時，拋土輪入土?xí)r，以一定的錐度入土，可減小沖擊。本研究主要分析覆土寬度、厚度及其均勻性，為簡化設(shè)計，拋土輪設(shè)計中暫不考慮切土刀具。拋土輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為直徑D，葉片個數(shù)N，葉片寬度B，葉片錐角β。

1.機(jī)架；2.秸稈落料區(qū)；3.拋土輪；4.輪盤；5.盤轂；6.葉片 1.Frame; 2.Straw drop area; 3.Soil throwing wheel； 4.Wheel plate; 5.Wheel hub; 6.Wheel bladeβ為葉片錐角，(°)；B為葉片寬度，mm；D為拋土輪直徑，m。βis blade cone angle, (°);Bis the width of the blade, mm;Dis diameter of the soil throwing wheel, m.
圖2 對拋式覆土裝置及拋土輪結(jié)構(gòu)
Fig.2 Structure of double-direction soil throwing-covering device and soil throwing wheel

2.1 拋土輪直徑

拋土輪直徑D主要取決于取土量和入土深度。取土量必須滿足覆土寬度和厚度要求。入土深度過大，作業(yè)后會留下較深的溝槽，甚至傷及樹根。

對單個拋土輪進(jìn)行作業(yè)取土量計算分析(圖3)。拋土輪入土后，經(jīng)取土、拋土，將取土區(qū)域的土壤均勻覆蓋到右側(cè)覆土區(qū)域。

根據(jù)作業(yè)前后土量的等體積原理得到土槽截面積S1與覆土層截面積S2的關(guān)系為：

(1)

其中：

(2)

S2=Lh2/105

(3)

1.拋土輪；2.取土區(qū)域；3.覆土區(qū)域 1.Soil throwing wheel; 2.Trenching area; 3.Covering areaR為拋土輪半徑，m；h1為拋土輪入土深度，cm；h2為覆土厚度，mm；S1為土槽截面積，m2；S2為覆土層截面積，m2；L為覆土寬度，cm;θ為過拋土輪軸心鉛垂線與土槽邊沿夾角，(°)。Ris radius of the soil throwing wheel, m;h1trenching depth of the soil throwing wheel, cm;h2is covering soil thickness, mm;S1is cross-sectional area of trench, m2;S2is cross-sectional area of soil layer, m2;Lis soil covering width, cm;θis angle between plumb line of the soil throwing wheel shaft and edge of trench, (°).
圖3 單個拋土輪作業(yè)取土量計算分析
Fig.3 Calculation and analysis of soil amount taken by single soil throwing wheel

式中：θ為過拋土輪軸心鉛垂線與土槽邊沿夾角，(°)；R為拋土輪半徑，m；L為覆土寬度，cm；h1為拋土輪入土深度，cm；h2為覆土厚度，mm；μ為覆土系數(shù)，即拋土輪取土、拋土過程中土壤有效利用率，取μ=0.85。

根據(jù)園藝與作業(yè)要求，設(shè)覆土寬度和覆土厚度取最大值，即取L=180 cm，h2=30 mm；設(shè)拋土輪入土深度為拋土輪半徑的一半，即h1=0.5R，由h1=100R(1-cosθ)計算得θ=60°；將式(2)、(3)代入式(1)，求得R=0.193 m，取R=0.2 m，即拋土輪直徑D=0.4 m。

2.2 拋土輪轉(zhuǎn)速

拋土輪拋土方式影響拋出土壤顆粒的運動軌跡，最終影響土壤顆粒的落地分布。在此對拋土輪頂部拋土和底部拋土進(jìn)行運動學(xué)分析(圖4)，不考慮空氣運動阻力，則可將土壤顆粒視為質(zhì)點，將土壤離開葉片的瞬時速度v0分解為水平速度vx與垂直速度vy，則：

(4)

式中：底部拋土?xí)rθ取60°，頂部拋土?xí)rθ′取30°。底部拋出的土壤顆粒從離開拋土輪葉片后運動的距離分別為：

(5)

式中：x為土壤被葉片拋出后水平方向運動距離，m；y為土壤被葉片拋出后垂直方向運動距離，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；t為土壤離開葉片后的運動時間，s；D為拋土輪直徑，0.4 m；L為覆土寬度，180 cm。

v0為土壤離開葉片的瞬時速度，m/s；vx和vy為v0的水平和豎直分速度，m/s；D為拋土輪直徑，m；L為覆土寬度，cm;θ為過拋土輪軸心鉛垂線與土槽邊沿夾角，(°);θ′為頂部拋土點和拋土輪圓心的連線與豎直方向的夾角，(°)。v0is instantaneous velocity of soil particle as it leaves the blade, m/s;vxandvyare the horizontal and vertical speeds ofv0, m/s;Dis diameter of the soil throwing wheel, m;Lis soil covering width, cm;θis angle between plumb line of the soil throwing wheel shaft and edge of trench, (°);θ′is angle between vertical direction and the line connecting top throwing point and center of soil throwing wheel, (°).
圖4 拋土輪拋出土壤顆粒運動學(xué)分析
Fig.4 Kinematic analysis of soil particles thrown by soil throwing wheel

綜上，可以得到在滿足覆土寬度要求下底部拋土?xí)r拋出土壤顆粒的最小初速度v0，即拋土輪葉片外緣的最小線速度v。v0與拋土輪最低轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系為：

(6)

代入數(shù)值后求得底部拋土?xí)r拋土輪所需的最低轉(zhuǎn)速n1=218.5 r/min,同理求得頂部拋土?xí)r拋土輪所需最低轉(zhuǎn)速n2=206.7 r/min。

當(dāng)采用頂部拋土的作業(yè)方式時，土壤與拋土輪外殼的摩擦阻力較大，且起拋點高，土壤顆粒易集中在遠(yuǎn)端，散落均勻性不好；采用底部拋土作業(yè)方式時，起拋點在拋土輪與地表交界的邊沿，在覆蓋寬度方向上覆土相對較為均勻。

2.3 拋土輪葉片數(shù)

對拋式覆土裝置行進(jìn)速度一定時，拋土輪的葉片數(shù)量越多，葉片單次拋出量就越少，拋出的土壤就越集中，拋土輪葉片數(shù)量過多，容易造成粘濕土壤滯留在相鄰葉片間，影響喂入量，造成工作效率下降。

設(shè)葉片個數(shù)為N，則每個葉片的拋土量V1為：

(7)

其中：

(8)

式中：V2為拋土輪每轉(zhuǎn)的拋土量，m3；n1為拋土輪轉(zhuǎn)速，r/min；l為單位時間拋土輪前進(jìn)距離，m。

車速v1=0.8 km/h，即單位時間1 s內(nèi)，拋土輪前進(jìn)距離l=0.22 m，拋土輪轉(zhuǎn)速取n1=220 r/min；由式(8)計算可得拋土輪每轉(zhuǎn)的拋土量V2=1.47×10-3m3，根據(jù)拋土輪葉片有效拋土面積和機(jī)械設(shè)計手冊中的設(shè)計規(guī)范，N=6時，由式(7)可得V1=2.45×10-4m3，滿足作業(yè)需求。

3 拋土輪離散元仿真

應(yīng)用EDEM 2017對拋土輪進(jìn)行仿真分析，對比底部拋撒覆土與頂部拋撒覆土、單側(cè)拋土覆土與雙向?qū)伕餐恋男Ч?，確定合適的拋土覆土方案；探究葉片寬度、葉片錐角、拋土輪入土深度、轉(zhuǎn)速、拋土角對覆土效果的影響規(guī)律，確定參數(shù)合理取值或范圍，為拋土輪的研制和工作參數(shù)的確定提供指導(dǎo)。

3.1 拋土輪離散元仿真模型建立

3.1.1三維仿真模型

利用Creo 4.0軟件繪制拋土輪幾何模型并導(dǎo)入EDEM。設(shè)置土槽生成土壤顆粒，土槽上邊緣平齊設(shè)置土壤承接板，與土槽等長，寬度為250 cm，大于覆土幅寬要求150～200 cm，設(shè)定拋土輪入土深度h1、拋土角δ、轉(zhuǎn)速n等參數(shù)。圖5示出拋土輪仿真結(jié)構(gòu)、單側(cè)拋撒覆土模型、雙向?qū)伕餐聊Ｐ?、底部拋撒覆土模型、頂部拋撒覆土模型和拋土輪仿真作業(yè)參數(shù)。

1.罩殼；2.擋土板；3.拋土輪；4.承接板；5.土槽；6.土壤顆粒 1.Cover; 2.Retaining plate; 3.Soil throwing wheel； 4.Receiving board; 5.Trench; 6.Soil particlesn為拋土輪轉(zhuǎn)速，r/min；h1為拋土輪入土深度，cm；δ為拋土輪拋土角，(°)。nis rotating speed of soil throwing wheel, r/min;h1is trenching depth of soil throwing wheel, cm;δis throwing angle of soil throwing wheel, (°).
圖5 拋土輪離散元仿真作業(yè)模型
Fig.5 Discrete element simulation model of soil throwing wheel

3.1.2土壤參數(shù)確定

土壤本征參數(shù)包括土壤密度1 346 kg/m3、剪切模量1×106Pa和泊松比0.4[20-21]，接觸模型設(shè)為Hertz-Mindlin with bonding[22]?；謴?fù)系數(shù)和靜摩擦系數(shù)引自文獻(xiàn)[23-25]，滾動摩擦系數(shù)通過標(biāo)定試驗和GEMM數(shù)據(jù)庫獲得。拋土輪離散元仿真參數(shù)見表1。

表1 拋土輪離散元仿真參數(shù)Table 1 Discrete element simulation parameters of the soil throwing wheel

3.2 拋土覆土方案仿真分析

3.2.1單側(cè)拋撒覆土與雙向?qū)伕餐帘容^

單側(cè)拋撒覆土沿承料板一側(cè)設(shè)置土槽，布置拋土輪。雙向?qū)伕餐练抡嬷谐辛习鍍蓚?cè)設(shè)置2個土槽，其上拋土輪一前一后錯位布置。單、雙側(cè)拋土仿真作業(yè)條件相同：拋土輪轉(zhuǎn)速為250 r/min、拋土輪直徑為0.4 m、葉片錐角為0°、入土深度為10 cm，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 單、雙側(cè)拋土仿真覆土效果比較
Fig.6 Comparison of the simulation effects of soil covering between single-side and double-direction soil throwing-covering

當(dāng)承料板上某一區(qū)域的土壤顆粒數(shù)越多時，該區(qū)域更偏向于暖色調(diào)。從兩個承料板的色域?qū)Ρ瓤芍?，單?cè)拋土覆蓋的承料板土壤顆粒較少，從土槽一側(cè)沿幅寬方向顆粒逐漸減少，而在遠(yuǎn)端又有大量土壤顆粒聚集；雙向?qū)伕餐恋某辛习逋寥李w粒數(shù)量相對較多，穩(wěn)定覆土區(qū)域色域均勻。說明對拋式覆土方案能提高覆土厚度及均勻性，與理論分析一致。

由于兩側(cè)拋土輪前后錯位布置，拋土軌跡互不干涉，其覆土層為單側(cè)拋撒覆土的簡單對稱疊加。為減少仿真計算量，后期仿真采用單側(cè)拋土覆蓋，為對仿真試驗進(jìn)行驗證。臺架試驗同樣采用單側(cè)拋土覆蓋。在覆土厚度標(biāo)準(zhǔn)差滿足實際覆土作業(yè)要求的情況下，覆土厚度達(dá)到覆土作業(yè)厚度需求的一半即可，覆土寬度要求不變。

3.2.2頂部拋撒覆土與底部拋撒覆土比較

拋土輪轉(zhuǎn)速為250 r/min、葉片錐角20°、入土深度10 cm時，頂部拋土與底部拋土的仿真覆土結(jié)果表明：底部拋土的散落均勻性好于頂部拋土(圖7)。仿真結(jié)果與理論分析完全一致，因此選取底部拋土方式。

1.土壤顆粒；2.承接板 1.Soil particles; 2.Receiving board
圖7 頂部拋撒和底部拋撒仿真覆土效果比較
Fig.7 Comparison of the simulation effects of soil covering between top throwing-covering and bottom throwing-covering

3.3 單因素仿真與結(jié)果分析

3.3.1葉片寬度的確定

拋土輪的葉片寬度B影響土壤顆粒在葉片寬度方向的分布和起拋初速度。拋土輪轉(zhuǎn)速為250 r/min、葉片錐角為20°、入土深度為10 cm時，葉片寬度分別為10 cm和15 cm的仿真覆土結(jié)果表明：葉片寬度B=10 cm時，拋土葉片寬度較為合適(圖8)。

1.土壤顆粒；2.承接板 1.Soil particles; 2.Receiving board
圖8 葉片寬度B為10和15 cm拋土輪仿真覆土效果比較
Fig.8 Simulation effects of soil throwing-covering with blades width of 10 and 15 cm

3.3.2葉片錐角的確定

葉片錐角會使葉片邊沿處土壤顆粒的起拋速度呈線性分布，拋出后的土壤顆粒運動軌跡不同，進(jìn)而影響散落均勻性。拋土輪入土深度為10 cm、轉(zhuǎn)速為250 r/min、拋土角為40°時，葉片錐角對覆土厚度的影響規(guī)律見圖9，可見葉片錐角為20°時曲線峰值較小，覆土寬度方向的覆土厚度值波動較小，覆土均勻性略好。

圖9 葉片錐角(β)對覆土層厚度的影響
Fig.9 Effect of blade cone angle (β) on the thickness of soil covering layer

3.3.3拋土角仿真

保持拋土輪入土深度為10 cm，轉(zhuǎn)速250 r/min，拋土角取值范圍30°～50°，增量5°，覆土厚度變化規(guī)律表明：隨著拋土角增大到45°，覆土厚度的峰值逐漸右移且峰值逐漸減小，覆蓋寬度增大，均勻度不斷提高(圖10(a))；當(dāng)超過45°時土壤顆粒拋送過高，實際作業(yè)過程中易導(dǎo)致功率損失及揚塵過大，不符合作業(yè)的需求。故拋土角的合適范圍35°～45°。

3.3.4入土深度仿真

保持拋土輪轉(zhuǎn)速為250 r/min、拋土角為40°，入土深度取值范圍6～14 cm，增量為2 cm，覆土厚度變化規(guī)律表明：入土深度從6～14 cm的變化過程中，土壤顆粒的峰值覆蓋區(qū)域左移，峰值變大，均勻性下降。入土深度取6 cm時均勻性最好，但會導(dǎo)致覆蓋厚度不符合要求(圖10(b))。合適的入土深度范圍為8～12 cm。

圖10 拋土角、入土深度、轉(zhuǎn)速對覆土厚度影響的仿真作業(yè)結(jié)果
Fig.10 Simulation results of the influence of the throwing angle, trenching depth, rotating speed on soil layer thickness

3.3.5轉(zhuǎn)速仿真

保持拋土輪入土深度為10 cm、拋土角為40°，轉(zhuǎn)速取值范圍200～300 r/min，增量為25 r/min，覆土厚度變化規(guī)律表明：隨著轉(zhuǎn)速提高，覆土幅寬不斷增大，覆土厚度的峰值逐漸右移且峰值不斷減小，均勻度不斷提高(圖10(c))。但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 300 r/min 時，厚度峰值超出秸稈有效覆蓋范圍(0.2～1.8 m)，故轉(zhuǎn)速的合適范圍為225～275 r/min。

4 拋土輪臺架試驗

4.1 臺架試驗安排

4.1.1拋土輪臺架試驗裝置

自制拋土輪臺架試驗裝置主要由機(jī)架、拋土機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)組成。拋土機(jī)構(gòu)的功能部件為拋土輪，動力裝置為變頻調(diào)速電機(jī)，可控制拋土輪的轉(zhuǎn)速。牽引機(jī)構(gòu)由牽引繩和牽引電機(jī)組成，為拋土輪行進(jìn)提供動力。入土樁上的限位孔可調(diào)節(jié)拋土輪入土深度，拋土角由罩殼調(diào)節(jié)。拋土輪臺架試驗裝置見圖11。

1.變頻調(diào)速電機(jī)；2.拋土輪；3.滑軌；4.承料板；5.覆土邊界 1.Frequency control motor; 2.Soil throwing wheel; 3.Slide rail; 4.Receiving board; 5.Soil covering boundary
圖11 拋土輪臺架試驗裝置
Fig.11 Soil throwing wheel bench test device

4.1.2試驗準(zhǔn)備

臺架試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗田進(jìn)行，土壤緊實度為5 680 kPa，濕基含水率為12.13%，堆積密度為1 237 kg/m3。試驗前對試驗田進(jìn)行平整處理，在試驗裝置拋土側(cè)鋪設(shè)一個長5 m寬3 m的特制承料板來代替秸稈層，便于測量。

以轉(zhuǎn)速、入土深度、拋土角為因素進(jìn)行單因素和正交試驗。

拋土輪覆土作業(yè)要滿足覆土層寬度、厚度要求。以平均值衡量覆土厚度、寬度的準(zhǔn)確性，以標(biāo)準(zhǔn)差衡量覆土厚度的均勻性。在預(yù)試驗中，覆土層漏蓋率為0，寬度均勻性為100%，因此對漏蓋率及寬度標(biāo)準(zhǔn)差不再進(jìn)行單獨分析。用Design-expert 10.0對正交試驗回歸方程進(jìn)行方差分析。

4.2 單因素臺架結(jié)果及分析

隨著拋土角增大，覆土峰值右移且逐漸減少，均勻性提高(圖12(a))。由于拋土角為50°時試驗揚塵過大，故適宜的拋土角范圍為35°～45°；滿足覆土厚度要求且均勻性相對較好的入土深度為8、10和12 cm(圖12(b))；轉(zhuǎn)速為200 r/min時的覆土峰值較大，轉(zhuǎn)速為300 r/min時的覆土峰值靠右超出有效覆蓋區(qū)域(圖12(c))?？梢?，拋土輪單因素臺架試驗的影響規(guī)律與仿真部分一致，各因素適宜的取值范圍與仿真結(jié)果相同，說明仿真結(jié)果可靠。

4.3 臺架正交試驗

臺架正交試驗方案和結(jié)果見表2。

1)覆土寬度平均值。

建立拋土輪轉(zhuǎn)速A、入土深度B和拋土角C與覆土寬度平均值X的多元二次回歸方程：

X=-1 286.79+10.104 5A-44.3B+ 14.911 5C+0.058 5AB+0.019 200AC+ 0.012 500BC-0.020 112A2+ 1.038 75B2-0.228 8C2

(9)

回歸模型極顯著，失擬項不顯著，R2=0.943 6，表明模型擬合良好。

轉(zhuǎn)速A、入土深度B和拋土角C對覆土寬度影響極顯著，A2對覆土寬度影響顯著。

試驗因素范圍內(nèi)的覆土寬度為152.3～251.3 cm；覆土寬度范圍滿足覆土作業(yè)寬度要求；寬度模型說明寬度靈活可調(diào)，可用于指導(dǎo)覆土裝置設(shè)計。

2)覆土厚度平均值。

建立拋土輪轉(zhuǎn)速A、入土深度B和拋土角C與覆蓋厚度平均值Y的多元二次回歸方程：

Y=-171.177 50+0.678 5A+10.381 25B+ 2.584C-0.003AB-0.003AC- 0.002 5BC-0.001 152A2- 0.405B2-0.023 8C2

(10)

回歸模型極顯著，失擬項不顯著，R2=0.932 2，表明模型擬合良好。

拋土輪轉(zhuǎn)速A、入土深度B和拋土角C對覆土厚度影響極顯著，B2對覆土厚度影響顯著。

試驗因素范圍內(nèi)的覆土厚度10.4～18.3 mm；覆土裝置設(shè)計中，采用兩個拋土輪雙向?qū)?，其覆土厚度約為單個拋土輪的2倍，滿足作業(yè)厚度要求；厚度模型說明厚度靈活可調(diào)，可用于指導(dǎo)覆土裝置設(shè)計。

覆土厚度標(biāo)準(zhǔn)差范圍為1.4～4.1 mm，說明覆土厚度較為均勻。

圖12 拋土角、入土深度、轉(zhuǎn)速對覆土厚度影響的臺架試驗結(jié)果
Fig.12 Bench test results of the influence of the throwing angle, trenching depth, rotating speed on soil layer thickness

表2 臺架正交試驗安排及結(jié)果
Table 2 Orthogonal test arrangement and results of bench test

試驗號Testnumber因素 Factor轉(zhuǎn)速/(r/min)Rotating speed入土深度/cmTrenching depth拋土角/(°)Throwing angle寬度平均值/cmAveragewidth厚度平均值/mmAveragethickness厚度標(biāo)準(zhǔn)差/mmStandard deviationof thickness12751240231.316.21.42250845239.711.52.03225840191.411.91.542501040220.017.13.652751045249.612.62.962501235190.617.22.77250835232.211.81.582751035221.914.92.892501040218.515.72.1102501245198.616.82.4112251035152.317.12.7122251240159.718.31.9132501040209.717.03.3142251045170.416.33.3152501040219.116.44.1162501040216.916.53.617275840251.310.42.0

5 結(jié) 論

本研究為解決果園秸稈覆蓋存在的火災(zāi)隱患和風(fēng)雨導(dǎo)致秸稈堆積的問題，提出了一種對拋式覆土方案，對對拋式覆土裝置的核心部件拋土輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過仿真與臺架試驗，確定了拋土輪的拋土方式及適宜作業(yè)參數(shù)范圍。主要結(jié)論如下：

1)根據(jù)覆土裝置設(shè)計的園藝與作業(yè)要求，通過理論分析和仿真，證明雙向?qū)伔绞降母餐列Ч糜趩蝹?cè)拋撒，拋土輪采用底部拋土方式其覆蓋均勻性優(yōu)于頂部拋土。對拋土輪關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計算，確定拋土輪直徑D=0.4 m、葉片數(shù)N=6和轉(zhuǎn)速n1=218.5 r/min。

2)應(yīng)用EDEM軟件確定了葉片寬度與葉片錐角；分析了拋土輪入土深度、轉(zhuǎn)速、拋土角對覆土效果的影響規(guī)律，確定了三因素適宜取值范圍：入土深度8～12 cm、轉(zhuǎn)速225～275 r/min、拋土角35°～45°。

3)拋土輪臺架單因素試驗的影響規(guī)律與其仿真結(jié)果一致，說明仿真結(jié)果可靠；臺架正交試驗結(jié)果表明，當(dāng)入土深度8～12 cm、轉(zhuǎn)速225～275 r/min、拋土角35°～45°時，覆土寬度152.3～251.3 cm，覆土厚度10.4～18.3 mm，厚度標(biāo)準(zhǔn)差1.4～4.1 mm，覆土漏蓋率為0，說明覆土準(zhǔn)確均勻，滿足覆土作業(yè)要求；覆土寬度、厚度模型均為極顯著，可用于指導(dǎo)雙向?qū)伿礁餐裂b置的設(shè)計。

2個拋土輪雙向?qū)伒母餐列Ч?、拋土輪切土刀具與作業(yè)功耗的關(guān)系有待后續(xù)進(jìn)一步研究。