魏傳省，尤曉東，張 旭

（遼寧省農業(yè)機械化研究所，沈陽 110161）

推廣保護性耕作技術，將作物秸稈覆蓋地表，對農田進行少免耕作業(yè)，可減少水土流失，提高土壤肥力。但地表上的大量秸稈會導致播種機具堵塞，需要通過切、撥、拋等方式清理苗帶上的秸稈。目前，免耕防堵清秸裝置主要有被動式和主動式兩種，其中，被動式防堵清秸裝置的動力來自于土壤的摩擦力，轉速較低，清理能力有限。主動式防堵清秸裝置采用齒輪傳動，轉速較高且固定，但便于調節(jié)。機具的清茬效率是秸稈覆蓋條件下免耕播種的重要指標[1]，為提高免耕播種作業(yè)時的苗帶秸稈清理效果，設計一種液壓驅動彈齒式清秸裝置。

1 液壓驅動彈齒式清秸裝置結構設計及工作原理

1.1 結構組成

液壓驅動彈齒式清秸裝置結構如圖1所示，由主機架、清秸機架、彈齒清秸部件、破茬刀、液壓馬達和液壓控制閥等組成。

1.2 工作原理

該裝置安裝在免耕播種機播種單體的正前方，沿拖拉機前進方向運動。作業(yè)前，需調節(jié)清秸支架限深孔的位置。清秸機架可通過轉軸繞主機架轉動來調節(jié)清秸彈齒部件的入土深度，使彈齒穿過秸稈層并接觸土壤，達到苗帶清理和減小土壤擾動的雙重效果。作業(yè)時，通過拖拉機后液壓輸出、液壓控制閥和液壓馬達為清秸彈齒部件提供動力，使其高速轉動。在彈齒的撥、彈作用下，秸稈被清理至苗帶兩側。

2 彈齒清秸部件運動學分析

建立三維坐標系Oxyz，以清秸彈齒頂點處在最大入土深度時為坐標原點O，x 軸、y 軸分別平行和垂直于清秸彈齒安裝平面，z 軸垂直于地表，如圖2 所示。清秸彈齒部件作業(yè)時，彈齒觸土并帶動秸稈向側后方運動。理想狀態(tài)下，彈齒頂點的運動軌跡即為秸稈運動軌跡。根據(jù)運動軌跡方程，探究彈齒端部絕對速度的影響因素。

圖2 清秸彈齒部件示意圖Figure 2 Schematic diagram of spring-tooth parts for cleaning straw

選取清秸彈齒部件彈齒任一頂點，分析其運動軌跡，可得軌跡方程為：

式中：v—免耕播種機前進速度，m/s；t—運行時間，s；ω—彈齒清秸部件轉動角速度，rad/s；r—彈齒清秸部件投影半徑，mm；α—彈齒清秸部件與機具前進方向夾角，°。

假設彈齒清秸部件在液壓馬達驅動下以角速度ω勻速轉動，對式(1)中的時間t進行求導，可得彈齒清秸部件彈齒頂點的速度分量為：

由式（2）可得彈齒端部的絕對速度vs為：

由式（3）可知，彈齒端部的絕對速度與機具前進速度v、彈齒清秸部件轉動角速度ω、彈齒清秸部件投影半徑r和彈齒清秸部件與機具前進方向夾角α有關。

3 彈齒清秸部件結構參數(shù)確定

3.1 彈齒數(shù)量

彈齒需要滿足清秸作業(yè)強度條件，保證秸稈及雜草順利拋送。彈齒數(shù)量并非越多越好，通過參考中小型免耕播種機防堵機構設計，在保證彈齒不夾稈的情況下適當多取，本設計取12個。

3.2 彈齒清秸部件投影直徑

各彈齒均勻分布在輪盤周圍。根據(jù)彈齒入土深度、土壤擾動量、根茬處理要求等，參照《農業(yè)機械設計手冊》，彈齒清秸部件投影直徑為：

式中：D—彈齒清秸部件投影直徑，mm；R—彈齒清秸部件投影半徑，mm；K—徑深比；h—彈齒清秸部件入土深度，mm。

本設計彈齒清秸部件最大入土深度取60 mm，K取5，則根據(jù)公式4 計算可得彈齒清秸部件投影直徑D=300 mm。

3.3 彈齒清秸部件與機具前進方向夾角

彈齒清秸部件與機具前進方向夾角即彈齒清秸部件的運動偏角α。運動偏角α過大或者過小，均對作業(yè)效果產生不利影響。運動偏角α過大，會使秸稈撥離作業(yè)效果變差。運動偏角α過小，則清秸部件會把秸稈翻拋到苗帶上引起堵塞。參考《農業(yè)機械設計手冊》中的交錯雙圓盤分草器及平面清茬輪設計，確定運動偏角α的范圍為15°~45°，本設計α=20°。

3.4 兩彈齒清秸部件中心距

理論苗帶清理寬度與運動偏角、投影直徑和兩彈齒清秸部件中心距離有關，單個彈齒清秸部件的清理寬度為：

式中：b—單個彈齒清秸部件的清理寬度，mm；L—彈齒清秸部件與土壤接觸的理論寬度，mm。理論苗帶清理寬度為：

式中：W—理論苗帶清理寬度，mm；a—兩彈齒清秸部件中心距離，mm。

為提高通過性，避免清秸裝置堵塞，應使兩清秸盤留有10~30 mm 的間隙，故兩彈齒清秸部件端部投影距離：

式中：c—兩彈齒清秸部件端部投影距離，mm。

免耕播種作業(yè)的苗帶寬度為120 mm，理論苗帶清理寬度應大于苗帶寬度，故本設計取理論苗帶清理寬度160 mm。由式5至式8可得：兩彈齒清秸部件中心距離為120 mm，兩彈齒清秸部件端部投影距離為18 mm。

4 結語

當前，免耕播種機清理秸稈裝置研究成為一大焦點。史乃煜等[2]設計了一種彈齒式清秸裝置防止殘茬回帶機構，可有效減少殘茬回帶，為2BMFJ 系列原茬地免耕播種機高質量種床準備、提高防堵性能提供了技術支撐。王奇等[3]設計一種星齒凹面盤式清秸防堵裝置，其苗帶清秸率和作業(yè)阻力分別為92.2%和142.6 N，且星齒凹面盤式清秸防堵裝置的工作性能優(yōu)于平面爪輪式防堵裝置。陳海濤等[4]基于原茬地免耕精量播種機側向清秸覆秸原理，設計了一種秸稈比例回收裝置，結果表明:在參數(shù)組合為作業(yè)速度5.4~7.2 km/h、滾筒轉速95 r/min、彈齒偏角49°時，秸稈回收比率大于94%、含雜率小于5%。本研究在此基礎上，針對現(xiàn)有清秸裝置清理秸稈效果差的問題，設計了一種液壓馬達驅動彈齒式清秸裝置。通過清秸彈齒部件的運動學分析，得到彈齒端部絕對速度的影響因素，確定彈齒清秸部件的彈齒數(shù)量、彈齒清秸部件投影直徑、運動偏角和兩彈齒清秸部件中心距等結構參數(shù)。實際生產作業(yè)表明，該裝置可在播種作業(yè)時對苗帶區(qū)秸稈進行有效清理，彈齒清秸部件轉速高，撥草及防纏能力有所增強，但尚需規(guī)模化試驗，以進一步驗證不同播種作業(yè)速度下的防堵效果。