王 磊 邊祺旺 廖慶喜 王 彪 廖宜濤 張青松

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070)

0 引言

油菜是我國重要油料作物且具有菜用、飼用、肥用等多種功能用途[1-2]，其中80%種植區(qū)域分布在長江中下游地區(qū)。該區(qū)域種植模式以水旱交替的稻油輪作為主[3]，油菜直播機作業(yè)時，因土壤黏重板結(jié)，地表前茬水稻留茬高、留存秸稈量大[4-5]，導致旋耕部件易纏繞，秸稈埋覆率低，致使深施肥鏟易掛草壅堵，作業(yè)廂面拖堆不平，難以實現(xiàn)深施肥作業(yè)，且種床整備質(zhì)量不高[6]。

為解決稻茬秸稈及黏土纏繞粘附堵塞觸土作業(yè)部件，相關學者進行了研究，王金峰等[7]設計了基于阿基米德螺旋線側(cè)切刃的反旋深埋滑切還田刀，并應用EDEM仿真分析了留茬高度、刀輥轉(zhuǎn)速和機具前進速度對還田刀作業(yè)性能的影響；鄭侃等[8]針對長江中下游地區(qū)開廂溝后旋耕作業(yè)地表平整度差的問題，設計了漸變螺旋升角軸向勻土刀輥，確定了旋耕刀較優(yōu)排列方式；陳青春等[9]對比分析了正、反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)對秸稈混埋效果的影響，試驗確定反轉(zhuǎn)旋耕的秸稈在沿土壤深度方向的空間分布均勻率、秸稈-土壤混合效果、耕幅內(nèi)地表平整度等優(yōu)于正轉(zhuǎn)旋耕；MATIN等[10]利用高速攝影技術和土槽試驗，對比分析了常規(guī)旋耕刀、半寬旋耕刀及直旋耕刀在4種不同轉(zhuǎn)速下的作業(yè)效果，確定直旋耕刀有利于提高種床質(zhì)量；DU等[11]利用EDEM仿真分析了黏重土壤工況下旋耕刀和螺旋刀的作業(yè)效果，確定了耕深對土壤擾動面積和擾動強度影響最顯著。廖宜濤等[12]設計了基于主動刮削防堵原理的主動防堵深施肥裝置，并確定了較優(yōu)結(jié)構參數(shù)；COUTO-VAZQUEZ等[13]分析了鋤鏟式施肥裝置對保護性耕作和翻耕耕作模式的影響，試驗確定了鋤鏟式施肥裝置有利于不同耕作模式下小麥的生長。綜上，為解決秸稈及黏土易纏繞粘附堵塞觸土作業(yè)部件作業(yè)難題，國內(nèi)外學者在刀片設計、彎刀排列方式、施肥鏟結(jié)構設計等方面開展了相關研究，但適應于長江中下游稻油輪作區(qū)高茬黏重作業(yè)地表，油菜直播深施肥作業(yè)時，埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置有待進一步研究。

長江中下游稻油輪作區(qū)高茬黏重作業(yè)地表，油菜直播作業(yè)時，因土壤黏重板結(jié)，地表前茬水稻留茬高、留存秸稈量大，導致旋耕部件易纏繞，秸稈埋覆率低，致使深施肥鏟易掛草壅堵，作業(yè)廂面拖堆不平，難以實現(xiàn)深施肥作業(yè)。為此本文設計一種適應高茬黏重稻茬田的油菜直播埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置，確定埋茬防堵部件深旋彎刀、淺旋彎刀、防堵直刀和深施肥鏟結(jié)構參數(shù)，明確刀片和深施肥鏟排列安裝方式，并開展部件EDEM仿真分析和田間試驗，以期為高茬黏重作業(yè)地表油菜直播時，埋茬防堵深施肥復合作業(yè)提供參考。

1 總體結(jié)構與工作過程

1.1 總體結(jié)構

油菜直播機主要由開畦溝部件、雙圓盤開溝器、排種器、埋茬防堵部件、深施肥部件、排肥器、肥箱、機架等組成，如圖1所示，其中埋茬防堵部件和深施肥部件是油菜直播機作業(yè)時實現(xiàn)埋茬防堵和深施肥作業(yè)的關鍵部件。埋茬防堵部件由種床帶刀組區(qū)、滅茬帶刀組區(qū)及筒狀刀軸組成且種床帶刀組區(qū)和滅茬帶刀組區(qū)在筒狀刀軸上交錯布置。種床帶刀組區(qū)安裝有深旋彎刀，滅茬帶刀組區(qū)安裝有淺旋彎刀和防堵直刀。深施肥部件中的每把深施肥鏟置于種床帶刀組區(qū)正后方并與對應深旋彎刀貼合，每兩把深施肥鏟間安裝有防堵直刀。埋茬防堵部件和深施肥部件作業(yè)工藝原理如圖2所示，機具主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 機具主要技術參數(shù)

圖1 油菜直播機結(jié)構示意圖

圖2 埋茬防堵部件和深施肥部件作業(yè)工藝原理圖

1.2 工作過程

油菜直播機在長江中下游稻油輪作區(qū)高茬黏重土壤地表作業(yè)時，埋茬防堵部件筒狀刀軸反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)埋茬，其中采用筒狀刀軸，增大刀軸回轉(zhuǎn)直徑，防止高茬秸稈纏繞刀輥，實現(xiàn)了防纏防堵功能。種床帶刀組在種床帶區(qū)域深旋作業(yè)，完成秸稈埋覆、土壤細碎功能，實現(xiàn)種床帶種床整理；滅茬帶刀組在滅茬帶區(qū)域淺旋作業(yè)，實現(xiàn)滅茬、淺層土壤細碎功能，減少作業(yè)功耗，實現(xiàn)滅茬帶秸稈土壤處理。置于種床帶刀組區(qū)正后方的菱形深施肥鏟與埋茬防堵部件一起入土，進行深施肥作業(yè)。由于深施肥鏟與種床帶刀組區(qū)中深旋彎刀貼合，深施肥鏟作業(yè)時，高速轉(zhuǎn)動的深旋彎刀實時刮除深施肥鏟前表面粘附堆積的秸稈和黏土，防止深施肥鏟前表面作業(yè)掛草粘附堵塞，同時安裝于兩把深施肥鏟中間區(qū)域、高速轉(zhuǎn)動的防堵直刀實時切削相鄰深施肥鏟中間空檔區(qū)域，防止由秸稈和細碎黏土組成的復合體粘連堵塞相鄰深施肥鏟中間區(qū)域，造成作業(yè)壅堵。置于深施肥部件后方的拖土板對埋茬碎土和肥料深施作業(yè)后的廂面進行平整，完成油菜直播機廂面整理及深施肥作業(yè)。

通過采用筒狀刀軸，防止高茬秸稈纏繞刀輥，實現(xiàn)埋茬防堵部件埋覆高茬秸稈，減少秸稈對深施肥鏟作業(yè)堵塞；基于主動防堵，深旋彎刀實時刮除深施肥鏟前表面粘附堆積的秸稈和黏土，防堵直刀實時切削相鄰深施肥鏟中間空檔區(qū)域，防止深施肥部件鏟前掛草粘附堆積和相鄰鏟間粘連秸稈粘附壅土，實現(xiàn)油菜直播機在稻油輪作區(qū)高茬黏重土壤作業(yè)工況下，秸稈埋覆、土壤細碎平整及深施肥作業(yè)。

2 關鍵部件設計

2.1 埋茬防堵部件

刀片是埋茬防堵部件核心組件，包括種床帶深旋彎刀、滅茬帶淺旋彎刀和防堵直刀3種，是實現(xiàn)種床帶深旋埋茬、細碎土壤，滅茬帶淺旋滅茬、土壤整理，并配合深施肥部件作業(yè)，主動防堵，實現(xiàn)秸稈埋覆、肥料深施和作業(yè)廂面平整的關鍵。

2.1.1埋茬彎刀

埋茬彎刀包括種床帶深旋彎刀和滅茬帶淺旋彎刀，其結(jié)構參數(shù)影響埋茬性能和深施肥鏟鏟體前表面主動防堵作業(yè)功能。埋茬彎刀結(jié)構和主要參數(shù)如圖3所示，其結(jié)構主要包括側(cè)切刃、正切刃，其中側(cè)切刃刃口曲線、正切刃刃口曲線彎折角、正切刃刃口曲線滑切角及工作幅寬是影響埋茬彎刀切土、拋土、切茬等工作性能的主要參數(shù)。

圖3 埋茬彎刀結(jié)構及主要參數(shù)

埋茬彎刀側(cè)切刃刃口曲線采用阿基米德螺旋線，各參數(shù)滿足

(1)

式中ρ——側(cè)切刃刃口曲線極徑，mm

ρa——側(cè)切刃刃口曲線起點處極徑，mm

ρb——側(cè)切刃刃口曲線終點處極徑，mm

c——單位弧度極徑增量，mm

θa——側(cè)切刃刃口曲線上任意點處極角，(°)

R——埋茬彎刀端點回轉(zhuǎn)半徑，mm

S——切土節(jié)距，mm

b——旋耕深度，mm

τn——側(cè)切刃刃口曲線終點處滑切角，(°)

根據(jù)長江中下游稻油輪作區(qū)油菜種植農(nóng)藝和機具作業(yè)參數(shù)要求，并參考GB/T 5669—2017《旋耕機械刀和刀座》和《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》，確定深旋彎刀端點回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，切土節(jié)距為25.4 mm，終點處滑切角為55°；淺旋彎刀端點回轉(zhuǎn)半徑為210 mm，切土節(jié)距為50.8 mm，終點處滑切角為55°。則深旋彎刀和淺旋彎刀側(cè)切刃刃口曲線終點處極徑分別為245 mm和210 mm。

根據(jù)式(1)可得，深旋彎刀側(cè)切刃刃口曲線起點處極徑為221.8 mm，刃口曲線方程為ρ=221.8+171.6θa，淺旋彎刀側(cè)切刃刃口曲線起點處極徑為166.4 mm，刃口曲線方程為ρ=166.4+147.1θa。

深旋彎刀和淺旋彎刀正切刃采用與側(cè)切刃相同的阿基米德螺旋線設計，以保證側(cè)切刃與正切刃的平滑過渡及刃口的切割性能。當深旋彎刀和淺旋彎刀正切刃刃口曲線彎折角θ為90°時，正切刃切割秸稈時有較好的切割能力，但切割阻力較大。為減少切割阻力，確定深旋彎刀和淺旋彎刀采用凹刃結(jié)構正切刃，保證秸稈具有一定滑切效果。秸稈切割過程、受力分析及滑切分析如圖4、5所示。

圖4 秸稈切割過程示意圖

根據(jù)圖5a可得秸稈滑切過程受力平衡方程為

圖5 埋茬彎刀切割秸稈示意圖

(2)

式中Fn——秸稈所受法向力，N

Fa——切割秸稈所受土壤及周圍秸稈沿x軸的作用力，N

Ft——秸稈所受切向力，N

τ——秸稈所在位置的滑切角，(°)

φ——秸稈與埋茬彎刀間的摩擦角，(°)

ae——秸稈牽連加速度，m/s2

at——秸稈切向加速度，m/s2

m——秸稈質(zhì)量，kg

根據(jù)圖5b，秸稈滑切過程的位移方程為

(3)

式中d1——秸稈沿正切刃法線方向距離，mm

d2——秸稈滑切距離，mm

d3——秸稈運動距離，mm

深旋彎刀及淺旋彎刀勻速切割秸稈過程中，秸稈牽連加速度為0，聯(lián)立式(2)、(3)可得秸稈滑切總功為

(4)

由式(4)可知，當τ>φ時，滑切總功大于0，切割秸稈將產(chǎn)生滑切效果。根據(jù)文獻[14]，水稻秸稈與導流板間摩擦角為26.5°～30.5°，且滑切角應滿足τ<90°-φ，為保證深旋彎刀及淺旋彎刀對水稻秸稈的滑切作用效果，確定正切刃曲線滑切角為35°～55°。

深旋彎刀及淺旋彎刀的工作幅寬Be對耕作質(zhì)量具有顯著影響，綜合考慮種床帶深旋、滅茬帶淺旋作業(yè)質(zhì)量要求、作業(yè)功耗及作業(yè)過程中彎刀對土壤撕裂作用和播種行距，確定深旋彎刀工作幅寬為45 mm，淺旋彎刀工作幅寬為65 mm。

2.1.2防堵直刀

防堵直刀通過切削相鄰深施肥鏟間區(qū)域，可以防止深施肥鏟鏟間區(qū)域的壅土及秸稈堵塞。防堵直刀側(cè)切刃刃口曲線為阿基米德螺旋線，防堵直刀結(jié)構及工作過程受力如圖6所示。

圖6 防堵直刀結(jié)構及工作過程受力圖

根據(jù)圖6可得防堵直刀切土阻力為

(5)

f1=μN1f2=μN2

式中T——防堵直刀切土總阻力，N

C0——土壤粘結(jié)力，N

C1——刃口切向粘附力，N

C2——側(cè)切面切向粘附力，N

N1——刃口法向力，N

N2——側(cè)切面法向力，N

f1——刃口摩擦阻力，N

f2——側(cè)切面摩擦阻力，N

γ——實際作用刃口角，(°)

γc——刃磨角，(°)

γe——刃磨角所在平面與實際作用刃口角所在平面夾角，(°)

μ——滑動摩擦因數(shù)

防堵直刀實際工作過程中，刃口法向力遠大于刃口摩擦阻力及刃口切向粘附力[15]，根據(jù)式(5)可知，土壤參數(shù)一定時，防堵直刀切土阻力與防堵直刀刃磨角正相關，可通過減小刃磨角以減小防堵直刀工作阻力，但刃磨角過小，使防堵直刀變薄，會影響刀片強度，綜合防堵直刀的刀刃強度及其切土阻力，確定刃磨角為40°。

根據(jù)式(1)、(5)，考慮防堵直刀側(cè)切刃刃口曲線極坐標方程各參數(shù)變量關系及防堵直刀與深施肥鏟的相對位置與幾何關系，確定防堵直刀回轉(zhuǎn)半徑為310 mm，側(cè)切刃刃口起點處極徑為130 mm，終點處極徑為310 mm，終點處滑切角為55°。

2.1.3筒狀刀軸

長江中下游地區(qū)水稻收獲后留茬高度普遍為300～550 mm，為減少埋茬防堵部件纏草，確定選用筒狀刀軸，以增強機具在高茬田塊的適應性和通過性。

通過增大筒狀刀軸直徑，增大刀軸徑向截面周長，可有效防止秸稈對刀軸的纏繞，但直徑過大，會影響機具整體結(jié)構尺寸，不利于田間作業(yè)。綜合考慮埋茬防堵部件和深施肥部件整體布局及田間秸稈長度，確定筒狀刀軸直徑為150 mm，筒狀刀軸徑向截面周長為471 mm，以減少秸稈纏繞，提高廂面質(zhì)量。

筒狀刀軸轉(zhuǎn)速對秸稈埋覆效果和廂面碎土具有較大影響。結(jié)合課題組多年對油菜直播機的研究與實際應用效果，在稻茬地粘重高茬地表作業(yè)，當旋耕刀輥轉(zhuǎn)速為340～380 r/min高速旋耕作業(yè)時，可提高秸稈埋覆率和廂面平整度?；凇掇r(nóng)業(yè)機械設計手冊》對旋耕部件設計要求，綜合考慮稻茬田油菜播種對土壤細碎和秸稈埋覆農(nóng)藝要求及機具作業(yè)功耗等方面，確定筒狀刀軸旋耕轉(zhuǎn)速為345 r/min。

2.2 深施肥部件

深施肥鏟可開出肥溝，使肥料沿深施肥鏟鏟體內(nèi)腔空間流動到達指定深度土層，并在埋茬防堵部件的配合作業(yè)下，實現(xiàn)深施肥鏟鏟體前表面及相鄰鏟間的主動防堵，避免因鏟體掛草壅土和相鄰鏟間粘附堵塞，導致作業(yè)廂面拖堆，致使廂面不平。深施肥鏟主要由鏟體和破土刃組成，其與埋茬防堵部件配合作業(yè)示意圖如圖7所示。

圖7 深施肥鏟與埋茬防堵部件配合作業(yè)示意圖

2.2.1深施肥鏟鏟體截面

為保證深施肥鏟鏟前土壤沿鏟體兩側(cè)面有效分流，防止土壤及秸稈粘附堆積堵塞及減少作業(yè)阻力，深施肥鏟鏟體采用菱形截面。菱形深施肥鏟勻速作業(yè)時，菱形深施肥鏟與土壤直接接觸的雙側(cè)鏟體受力相同，取鏟體單個側(cè)面進行受力分析，在鏟體側(cè)面中點Oe處建立直角坐標系，以作業(yè)速度vm方向為x軸正向，其受力如圖8所示。

圖8 菱形深施肥鏟鏟體受力示意圖

根據(jù)圖8建立菱形深施肥鏟與土壤直接接觸的單側(cè)鏟體受力方程

(6)

其中

fc=Frtanαe

式中Fb——單側(cè)鏟體截面所受牽引力，N

Fm——土壤對單側(cè)鏟體截面的切向阻力，N

fc——土壤對單側(cè)鏟體截面的摩擦力，N

Fr——土壤對單側(cè)鏟體截面的法向力，N

δ——雙側(cè)鏟體截面間夾角，(°)

αe——土壤與鏟體間摩擦角，(°)

由式(6)可得菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面所受牽引力FB為

(7)

油菜直播機勻速作業(yè)時，菱形深施肥鏟鏟體所受牽引力與前進阻力相等。由式(7)可知，菱形深施肥鏟鏟體所受阻力與菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角有關。隨菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角在0°～90°之間增加，菱形深施肥鏟鏟前可堆積土壤秸稈面積增加及鏟體工作阻力增大，但菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角過小會影響肥料顆粒的流動性及鏟體側(cè)向面剛度，綜合考慮確定菱形深施肥鏟雙側(cè)鏟體截面間夾角為75°。

2.2.2深施肥鏟鏟體曲線

深施肥鏟鏟體曲線形狀影響肥料顆粒的流動性和主動防堵性能，深施肥鏟鏟體曲線結(jié)構如圖9所示。鏟體BC段彎折角γn影響肥料流動效果，為防止肥料顆粒在BC段壅堵，BC段彎折角一般應大于肥料顆粒的休止角，根據(jù)文獻[16]可知，不同顆粒肥料的平均休止角為31.84°，肥料顆粒在鏟體AB段至BC段為加速運動，為避免肥料顆粒在BC段壅堵，確定BC段彎折角γn為32°。為使深旋彎刀作業(yè)時能刮削深施肥鏟體前表面，鏟體DE段應為圓弧曲線，同時為避免菱形深施肥鏟與深旋彎刀端點產(chǎn)生干涉，確定鏟體DE段與深旋彎刀端點的徑向間隙Δr為10 mm，則DE段圓弧半徑RDE為255 mm。

圖9 菱形深施肥鏟鏟體曲線示意圖

2.2.3深施肥鏟破土刃

菱形深施肥鏟鏟尖需深入土層中進行破土、開溝作業(yè)，破土刃曲線采用正弦指數(shù)函數(shù)，以減少作業(yè)過程中的鏟尖掛草導致作業(yè)壅堵，破土刃刃口曲線如圖10所示。

圖10 破土刃刃口曲線示意圖

根據(jù)圖10可知，正弦指數(shù)破土刃刃口曲線為

(8)

式中rn——破土刃刃口曲線終點處極徑，mm

ra——破土刃刃口曲線起點處極徑，mm

τa——破土刃刃口曲線起點處靜態(tài)滑切角，取40°

k——靜態(tài)滑切角變化比例系數(shù)，取-1

θb——破土刃刃口曲線上任意點處極角，(°)

根據(jù)式(8)可知，當破土刃刃口曲線起點處靜態(tài)滑切角為40°，靜態(tài)滑切角變化比例系數(shù)為-1時[17]，可得破土刃刃口曲線起點處極徑和終點處極徑分別為120、209 mm。

破土刃切削刃角會影響菱形深施肥鏟作業(yè)性能，破土刃結(jié)構及刃口工作過程受力如圖11所示。切削刃角過大會降低對土壤的切削能力，切削刃角過小則會降低刃口強度，為保證切削刃角破土能力及刃口強度，建立破土刃刃口處受力平衡方程

圖11 破土刃結(jié)構及刃口工作過程受力圖

(9)

其中

式中Fe——破土刃口所受阻力，N

Fs——破土刃口法向力，N

ψ——破土刃口切削平面與水平投影面夾角，(°)

ε——切削刃角水平面投影角，(°)

εa——破土刃口切削刃角，(°)

Ka——土壤變形比阻

ta——破土刃口厚度，mm

μa——破土刃口與土壤間滑動摩擦因數(shù)

ΔH——破土刃口單位長度，mm

由式(9)可知，菱形深施肥鏟在固定深度土壤中穩(wěn)定工作，且土壤參數(shù)等變量一定時，破土刃口所受阻力與破土刃口切削刃角相關。當破土刃口切削刃角為40°～45°時[18]，切土阻力較小，故確定破土刃口切削刃角為45°。

2.3 刀片及深施肥鏟排布

根據(jù)油菜直播機作業(yè)幅寬、播種行數(shù)、種床帶寬度、滅茬帶寬度設計要求，設置8個種床帶和9個滅茬帶，種床帶和滅茬帶交錯布置。每個種床帶分為2個切土小區(qū)，共安裝4把深旋彎刀，其中一個切土小區(qū)安裝2把深旋左彎刀，另一個切土小區(qū)安裝2把深旋右彎刀，同一切土小區(qū)2把深旋彎刀周向均布，夾角為180°，每個種床帶中4把深旋彎刀周向均布，夾角為90°。每個滅茬帶只有一個切土小區(qū)，共安裝有4把旋耕刀，包括1把淺旋左彎刀、1把淺旋右彎刀和2把防堵直刀，2把淺旋彎刀周向夾角為180°，每個滅茬帶中4把埋茬刀周向均布，夾角為90°。

刀片在筒狀刀軸排列時，埋茬防堵部件耕幅中心面安裝一組滅茬帶刀組，并以埋茬防堵部件耕幅中心面滅茬帶刀組為基準，將埋茬防堵部件分為左刀輥與右刀輥，左刀輥與右刀輥均對稱布置4組種床帶刀組和4組滅茬帶刀組。整個埋茬防堵部件上，種床帶刀組和滅茬帶刀組呈交錯布置，且左刀輥和右刀輥上安裝的刀片均呈軸向均布。為減小刀片同時入土導致的沖擊振動，將左右兩側(cè)刀輥的周向夾角設置為5°。

由于油菜直播機肥料施用方式為正位深施，深施肥部件主要由8把菱形深施肥鏟組成，每把深施肥鏟置于種床帶深旋彎刀正后方并與深旋彎刀貼合。刀片及深施肥鏟排布周向展開如圖12所示。

圖12 刀片和深施肥鏟排列安裝周向展開示意圖

3 仿真

3.1 模型建立

為分析埋茬防堵部件和深施肥部件埋茬及深施肥作業(yè)效果，利用EDEM開展仿真。仿真模型如圖13所示，其中土壤顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding模型，模擬土壤顆粒直徑為8 mm，秸稈模型為11個半徑為6 mm的球形顆粒組成的長線性模型[19]，單位區(qū)域切向剛度為9.075×107N/m3、法向剛度為1.723×108N/m3、切向強度為221.5 kPa、法向強度為221.5 kPa、粘結(jié)半徑為9.5 mm、顆粒接觸半徑為8.2 mm[20]。

圖13 仿真模型

圖13仿真時，通過在菱形深施肥鏟入口處設置顆粒工廠生成肥料顆粒及肥料下落，模擬排肥器排肥作業(yè)過程。肥料顆粒模型平均直徑設為3.7 mm，模型直徑正態(tài)分布，標準差設為0.05 mm，菱形深施肥鏟入口每秒生成肥料顆粒數(shù)為418，入口處肥料顆粒初速度為2.8 m/s，菱形深施肥鏟入口生成肥料顆粒時間為5 s。

結(jié)合仿真模型總體尺寸及作業(yè)距離，建立土槽模型，并以地表為基準，將仿真模型中深度0～150 mm的土壤均分為上層(藍色)、中層(綠色)、下層(紅色)3個土壤層。為進一步模擬田間秸稈的真實分布情況，設置直立與倒伏兩種秸稈，直立秸稈模型通過接觸模型Hertz-Mindlin with Bonding在秸稈與表層土壤顆粒之間設置bond鍵，將秸稈豎立在土槽模型表面，倒伏秸稈則直接平鋪在土槽表面。直立秸稈均勻分布在土槽表面，倒伏秸稈隨機鋪放在土槽表面。仿真模型設置所需的土壤顆粒、秸稈、鋼材及顆粒肥料仿真參數(shù)如表2、3所示[21]。

表2 仿真模型材料參數(shù)

表3 仿真模型接觸參數(shù)

3.2 試驗方法

仿真時，根據(jù)油菜種植農(nóng)藝要求及結(jié)合油菜直播機實際作業(yè)效率，設置機組作業(yè)速度為2.5 km/h，深旋彎刀耕深為150 mm，埋茬防堵部件轉(zhuǎn)速為345 r/min，試驗指標為施肥深度、秸稈埋覆率及空間分布。

在仿真作業(yè)區(qū)域內(nèi)，隨機選取廂面上5塊500 mm×500 mm的作業(yè)區(qū)域，測定地表全部秸稈的質(zhì)量，秸稈埋覆率計算式為

(10)

式中Mq——耕前地表秸稈質(zhì)量，g

Mh——耕后地表秸稈質(zhì)量，g

在仿真作業(yè)區(qū)域內(nèi)，在每行深施肥位置隨機取5個測點，以仿真后地表為基準面，測定肥料至基準面的垂直距離，由肥料分布的最高點與最低點繪制兩條水平線，兩條線距離基準面的深度為施肥深度范圍，取各測量點垂直距離的平均值作為施肥深度。

3.3 結(jié)果分析

埋茬作業(yè)效果如圖14a所示，秸稈埋覆率為86.53%，深施肥作業(yè)效果如圖14b所示，深施肥鏟施肥深度為83～106 mm，滿足秸稈埋覆和深施肥作業(yè)要求。

圖14 仿真作業(yè)效果

為進一步分析機具作業(yè)后，被埋覆秸稈在深度0～150 mm土壤層中的空間分布情況，將模型中土壤顆粒隱藏，獲得上層(0～50 mm)、中層(50～100 mm)、下層(100～150 mm)區(qū)域土壤層內(nèi)秸稈空間分布如圖15所示。選取模型中500 mm×500 mm×150 mm的區(qū)域，統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)上層、中層、下層中直立秸稈及倒伏秸稈的質(zhì)量分布，結(jié)果如表4所示。由表4可知，機具作業(yè)后，所埋覆的秸稈中，73.89%的秸稈均勻分布在深度0～100 mm的范圍，26.11%的秸稈分布在深度100～150 mm的范圍內(nèi)，且直立和倒伏秸稈在深度0～150 mm土壤層中均勻分布。

表4 深度0～150 mm土壤層中秸稈質(zhì)量分布

圖15 深度0～150 mm土壤層中秸稈空間分布

綜合機具作業(yè)后的秸稈埋覆及空間分布，顆粒肥料深施后分布深度可知，機具可較好地實現(xiàn)秸稈埋覆及肥料深施作業(yè)。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為了驗證埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置田間作業(yè)效果，開展稻茬地機具作業(yè)性能試驗。將埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置安裝于油菜直播機上，在湖北省監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學稻油輪作全程機械化生產(chǎn)示范基地1號、2號、3號、4號試驗田4種作業(yè)工況開展機具田間試驗，1號、2號、3號、4號試驗田的前茬作物均為水稻，土壤及水稻秸稈參數(shù)如表5所示，整機配套動力為東方紅LX-954型拖拉機。

測量土壤堅實度時，在4種作業(yè)工況未耕地表、四周及中間隨機選取5點，將土壤堅實度測量儀勻速貫入土壤中，總貫入深度為250 mm，每個測點記錄貫入深度分別為50、100、150、200、250 mm時的峰值數(shù)據(jù)并計算其平均值，將5次測量結(jié)果的平均值作為試驗田塊的土壤堅實度。

測量土壤含水率時，在4種作業(yè)工況的未耕地表、四周及中間隨機選取5點，將待測區(qū)域深度0～250 mm范圍的土壤分層，相鄰土壤層間隔為50 mm，隨機選取測點并選用體積1×105mm3的取土環(huán)刀對每層土壤進行分層取樣，每層土壤取3個樣本，將所取土樣置入鋁盒中稱量，記錄其質(zhì)量并編號。將盛有土樣的鋁盒放入干燥箱中進行干燥處理，干燥至恒質(zhì)量后取出，再次稱量并記錄，計算各土層中兩個樣本的含水率，并取其平均值作為各層土壤含水率，將5層土壤含水率平均值作為該測點土壤含水率，并取5個測點結(jié)果平均值作為試驗田塊含水率。土壤容重反映土壤顆粒間排列的緊實程度，其計算式為

(11)

式中M2——干燥后土樣與鋁盒總質(zhì)量，g

M0——空鋁盒質(zhì)量，g

Gv——取土環(huán)刀體積，cm3

測量秸稈留茬高度時，在4種作業(yè)工況的未耕地內(nèi)隨機選取5個待測區(qū)域，每個待測區(qū)域選取5個測量點，測量地表以上直立秸稈的最大高度，計算5個測量點直立秸稈高度平均值，并作為該區(qū)域秸稈留茬高度，計算5個待測區(qū)域直立秸稈高度平均值作為試驗田塊的秸稈留茬高度。

測量秸稈留存量時，在4種作業(yè)工況的未耕地內(nèi)隨機選取5個測量點，各測點均用1 m×1 m的鐵框圈出1 m2的范圍，收集此范圍內(nèi)地表以上全部秸稈與浮草并稱量，將5個測量點全部秸稈與浮草質(zhì)量平均值作為試驗田塊秸稈留存量。

測量秸稈含水率時，在4種作業(yè)工況的未耕地內(nèi)隨機選取5個測量點，將收集的秸稈與浮草放入檔案袋中，放入干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定，收集的秸稈與浮草干燥后損失的總質(zhì)量與干燥前質(zhì)量的百分比為各測量點秸稈含水率，取5個測量點秸稈含水率的平均值作為試驗田塊秸稈含水率。

4.2 試驗方法

為分析埋茬防堵部件與菱形深施肥部件配合作業(yè)效果，開展機具田間試驗，作業(yè)時設置機具作業(yè)速度為2.5 km/h，埋茬防堵部件轉(zhuǎn)速為345 r/min，機具作業(yè)總行程設定為50 m，選取中間30 m試驗區(qū)域為機具穩(wěn)定作業(yè)區(qū)段，觀察及測量相關試驗指標。同一工況重復進行3次行程作業(yè)，并將3次作業(yè)的平均值作為各項作業(yè)指標的試驗結(jié)果。其中，為驗證深施肥鏟防堵作業(yè)性能，在1號試驗田開展田間試驗，為便于觀察深施肥鏟作業(yè)是否擁堵，作業(yè)前將機具拖土板卸下，僅在左側(cè)4個菱形深施肥鏟間安裝防堵直刀。為測試機具深施肥部件在高茬黏重地塊作業(yè)是否擁堵拖堆，檢驗通過性及適應性，在2號和3號高茬地表開展機具田間試驗，測量機具作業(yè)后廂面平整度、秸稈埋覆率、碎土率及種床帶刀組區(qū)和滅茬帶刀組區(qū)的耕深及穩(wěn)定性系數(shù)等作業(yè)指標；為測試機具深施肥作業(yè)效果，在4號試驗田開展機具田間試驗，測量機具作業(yè)后施肥深度。

測量廂面平整度時，分別在2號和3號試驗田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，沿機具前進方向隨機設置3條水平基準線，各水平基準線均以所在廂面最高點為基準，按耕寬將廂面等分為10個測點，分別測定各點至旋耕后廂面的垂直距離，平整度為所測距離標準差的平均值。

測量秸稈埋覆率時，分別在2號和3號試驗田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，用鐵框隨機選取廂面上10塊1 m×1 m的區(qū)域，測定旋耕前和旋耕后地表所有秸稈質(zhì)量，并以式(10)計算秸稈埋覆率。

測量碎土率時，分別在2號和3號試驗田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，用鐵框隨機選取廂面上500 mm×500 mm的區(qū)域，測量該區(qū)域內(nèi)全耕層的土塊，土塊大小以最長邊40 mm為標準進行分級，將小于40 mm的土塊總質(zhì)量占全耕層土塊總質(zhì)量的百分比作為碎土率。

耕深測量時，分別在2號和3號試驗田2種工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，將深旋區(qū)與淺旋區(qū)進行標記，沿機具前進方向每隔2 m于深旋區(qū)、淺旋區(qū)各取1個測點，深旋區(qū)與淺旋區(qū)各取10個測點，利用米尺測量耕作層底部至未旋耕地表的垂直距離作為耕深。

耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)用以表征深旋耕及淺旋耕的作業(yè)效果，耕深穩(wěn)定性系數(shù)計算式為

(12)

式中ac——平均耕深，mm

ai——第i個測量點的耕深，mm

u——各工況測量點數(shù)量

測量施肥深度時，在4號試驗田作業(yè)工況的作業(yè)行程測試區(qū)域內(nèi)，每施肥行隨機取5個測點，將土層扒開，以施肥覆土后的地表為基準面，測定肥料顆粒至基準面的垂直距離，取各測量點垂直距離的平均值作為施肥深度。

4.3 試驗結(jié)果與分析

1號試驗田耕前地表工況及機具主動防堵性能試驗效果如圖16所示。試驗過程中8個深施肥鏟均未出現(xiàn)鏟前壅堵現(xiàn)象，試驗后左側(cè)4個深施肥鏟間沒有明顯的秸稈堵塞，右側(cè)未安裝防堵直刀的4個深施肥鏟間有秸稈壅堵情況，表明在高茬黏重稻茬田作業(yè)地表，埋茬防堵部件與深施肥部件配合作業(yè)能實現(xiàn)深施肥鏟的鏟體前表面防堵，并可防止深施肥鏟的鏟間壅堵。

圖16 深施肥部件鏟體前表面及鏟間主動防堵性能試驗

2號和3號試驗田機具作業(yè)后廂面作業(yè)質(zhì)量如圖17所示，機具作業(yè)性能指標結(jié)果如表6所示。由圖17及表6可知，機具在高茬稻茬田作業(yè)，未出現(xiàn)因深施肥鏟鏟體掛草壅土，導致作業(yè)廂面拖堆不平，廂面作業(yè)質(zhì)量差的情況，表明埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置在高茬黏重稻茬田作業(yè)適應性良好，通過性強。在2號和3號高茬黏重稻茬田地表作業(yè)后，秸稈埋覆率為86.69%～90.35%、廂面平整度為16.48～22.65 mm、碎土率為81.24%～92.13%，滿足油菜農(nóng)藝種植要求。

圖17 高茬粘重稻茬田地表作業(yè)效果

表6 機具高茬地表作業(yè)適應性試驗結(jié)果

4號試驗田機具作業(yè)后深施肥作業(yè)效果如圖18所示，機具深施肥作業(yè)后，肥料施入細碎土層深度為87.4～109.5 mm。田間試驗表明，埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置，在高茬黏重稻茬田地表作業(yè)，實現(xiàn)了埋茬防堵和肥料深層施用，達到了設計要求。

圖18 高茬粘重稻茬田地深施肥作業(yè)效果

5 結(jié)論

(1)開展了高茬黏重稻茬田油菜直播埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置研究，通過埋茬防堵部件和深施肥部件設計、仿真及田間試驗，明確了埋茬防堵部件和深施肥部件在高茬秸稈埋茬、主動防堵及深施肥方面的作業(yè)性能。

(2)埋茬防堵部件和深施肥部件埋茬及深施肥作業(yè)效果的EDEM仿真試驗結(jié)果表明：機具作業(yè)速度為2.5 km/h、埋茬防堵部件轉(zhuǎn)速為345 r/min時，施肥深度為83～106 mm，73.89%的秸稈均勻分布在0～100 mm的土層深度范圍，26.11%的秸稈分布在100～150 mm的土層深度范圍內(nèi)，且直立和倒伏秸稈在0～150 mm深度土壤層中均勻分布，秸稈埋覆率為86.53%，可實現(xiàn)深施肥作業(yè)及滿足秸稈覆率要求。

(3)高茬黏重稻茬田油菜直播埋茬防堵深施肥復合作業(yè)裝置在4種田間作業(yè)工況驗證試驗結(jié)果表明：埋茬防堵深施肥部件田間防堵性能良好，消除了深施肥鏟的鏟前及鏟間秸稈黏土堵塞，實現(xiàn)了主動防堵和肥料深施，施肥深度為87.4～109.5 mm、秸稈埋覆率為86.69%～90.35%、廂面平整度為16.48～22.65 mm、碎土率為81.24%～92.13%，埋茬碎土性能良好，滿足施肥設計深度及油菜直播種床整理農(nóng)藝要求。