适配免耕播种单体的清秸装置改进设计与试验.pdf
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1、2023年月第54卷第7 期农报业学机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.07.011适配免耕播种单体的清秸装置改进设计与试验侯守印1,2纪张驰薛东辉王星1冯斌杰!陈海涛1,31(1.东北农业大学工程学院,哈尔滨150 0 3 0;2.黑龙江省主要农作物生产机械化材料化技术创新中心,哈尔滨150 0 3 0;3.黑龙江东方学院机电工程学院,哈尔滨150 0 6 6)摘要:地表秸秆覆盖免耕播种具有蓄水保、提高土壤肥力、改良土壤结构、控制土壤侵蚀、降低生产成本和提高作物产量等社会、生态和经济效益。针对现有同位仿形免耕播种单体在重度秸秆覆盖、高速作业条件下,清秸装置
2、作业质量差、工作效率低问题,改进设计了一种具有秸秆轴向加速推送功能的清秸装置。阐明了清秸装置清理秸秆机理,完成了关键部件清秸轮和助推螺旋设计,确定了影响其工作性能主要参数及取值范围。采用二次回归正交旋转中心组合试验方法,以作业速度、工作偏角、螺旋升角、螺旋叶片数为试验因素,清秸率和工作阻力为性能评价指标,在构建的EDEMA D A M S联合仿真试验平台上实施参数组合优化试验,结果表明:各因素对清秸率影响由大至小依次为作业速度、工作偏角、螺旋叶片数、螺旋升角;各因素对工作阻力影响由大至小依次为作业速度、工作偏角、螺旋叶片数、螺旋升角。应用Design-Expert软件对试验结果进行参数组合优化
3、,当螺旋升角为40、螺旋叶片数为4、作业速度为7.5 10.7 km/h、工作偏角为2 0.0 3 2.5时,清秸率大于8 5%,工作阻力小于110 N。在作业速度8、9、10 km/h条件下,对螺旋升角40 螺旋叶片数4、工作偏角3 0 的清秸装置进行田间性能试验,得到清秸率大于8 2%,工作阻力小于112 N,表明仿真试验结果可信,在作业速度10 km/h条件下相对未优化清秸装置清秸率提高3 3.5%、工作阻力无显著性差异。关键词:免耕播种机;清秸装置;EDEMA D A M S联合仿真;设计;试验中图分类号:S223.2文献标识码:A文章编号:10 0 0-12 98(2 0 2 3)0
4、 7-0 111-12OSID:Improved Design and Test of Straw Cleaning Device Suitable forNo-tillage Seeding UnitHOU Shouyin.2JI ZhangchilXUE DonghuilWANG XingFENG BinjieCHEN Haitao1,3(1.College of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China2.Heilongjiang Province Technology Innovation Cen
5、ter of Mechanization and Materialization of Major Crops Production,Harbin150030,China3.College of Mechanical and Electronic Engineering,East University of Heilongjiang,Harbin 150066,China)Abstract:No tillage sowing with straw mulch on the surface has social,ecological and economic benefitssuch as wa
6、ter storage and moisture conservation,improving soil fertility,improving soil structure,controlling soil erosion,reducing production costs and increasing crop yield.In order to solve theproblems of poor operation quality and low efficiency of the straw cleaning device under the condition ofheavy str
7、aw coverage and high speed operation of the no-tillage seeding unit in service,an improved strawcleaning device with the function of straw axial acceleration was designed.The mechanism of the strawcleaning device was clarified,the key components were designed,and the main parameters affecting itswor
8、king performance and the value range were determined.Using the quadratic regression orthogonalrotation center combination test method,taking the operating speed,operating deflection angle,spiralrise angle and spiral blade number as the test factors,and the straw cleaning rate and working resistancea
9、s the performance evaluation indicators,the parameter combination optimization test was carried out on收稿日期:2 0 2 2-11-17 修回日期:2 0 2 3-0 2-0 8基金项目:国家自然科学基金项目(3 2 10 16 2 8)、黑龙江省自然科学基金项目(LH2021E004)、黑龙江省百千万工程科技重大专项(2 0 2 0 ZX 17 B0 1)和财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系项目(GARS-04)作者简介:侯守印(198 6 一),男,讲师,博士,主要从事保护性耕
10、作技术与装备研究,E-mail:h o u s h o u y i n.c n 16 3.c o m通信作者:陈海涛(196 2 一),男,教授,博士生导师,主要从事农业装备及生物质材料研究,E-mail:h t c h e n n e a u.e d u.c n112农2023年机报学业械the constructed EDEM-ADAMS joint simulation test platform.The results showed that each factor had asignificant impact on the straw cleaning rate,and the s
11、ignificant factors were working deflection angle,operating speed number of spiral blades and spiral rise angle.Each factor had a significant impact on theworking resistance,and the significance from large to small was the working speed,working deflectionangle,number of spiral blades,and spiral rise
12、angle.The Design-Expert software was used to optimizethe parameter combination of the test results.When the helix angle was 40,the number of spiral bladeswas 4,the operating speed was 7.5 10.7 km/h,and the operating deflection angle was 20.0 32.5,the straw removal rate was more than 85%,and the work
13、ing resistance was less than 110 N.Under theoperating speed of 8 km/h,9 km/h and 10 km/h,the field performance test was conducted on the strawcleaning device with a spiral angle of 40,a number of spiral blades and a working deflection angle of30.The straw cleaning rate was more than 82%,and the work
14、ing resistance was less than 112 N,whichproved that the simulation test results were credible.At the operating speed of 10 km/h,the strawcleaning rate was increased by 33.5%compared with that of the non optimized straw cleaning device,and there was no significant difference in the working resistance
15、.Key words:no-tillage seeder;straw cleaning device;EDEM-ADAMS joint simulation;design;test0引言保护性耕作技术具有减少土壤风蚀、水蚀,提高土壤肥力和抗旱能力,阻止土壤退化,改良土壤结构等重要功能 ,是东北黑土地保护的重要举措和保证粮食产量持续增长的重要方法之一。东北地区秋季玉米秸秆产量较大2 ,秸秆全量地表覆盖还田条件下,春季免耕播种机作业时秸秆容易缠绕及堵塞播种、施肥和覆土镇压等触土部件,导致播种和出苗质量下降,严重时会造成作物产量降低。高效的秸秆清理技术是解决免耕播种机秸秆堵塞、提高作业质量和效率的核
16、心,是保护性耕作技术推广与应用的关键。目前,国内外针对免耕播种机配套的清秸装置主要包括动力驱动式和被动式两种形式3 。动力驱动式清秸装置多利用高速旋转的刀具对播种带内的秸秆进行切削、冲击破碎并与土壤适度混合,土壤扰动量大、功耗高、作业效率低,同时,高强度土壤耕作对土壤结构及土壤生物群落破坏严重,不利于农业生态可持续发展。被动式清秸装置依靠机具自重和土壤摩擦力的作用被动旋转,将地表覆盖的秸秆清理到播种带两侧,与动力驱动式清秸装置相比具有土壤扰动小、功耗低、能够实现高速作业等优点,但在秸秆覆盖量较大条件下,作业质量会显著降低,影响免耕播种质量和作业效率。东北地区保护性耕作技术实施过程中主要以同位仿
17、形免耕播种机完成播种作业,其装配的同位仿形免耕播种单体配套的清秸装置为被动式。目前,对于适配同位仿形免耕播种单体的清秸装置研究主要集中在通过改进被动式清秸装置关键部件的结构和优化工作参数来提高作业质量。贾洪雷等4 针对东北地区保护性耕作模式,基于2 BMZF-2型免耕播种机,改进设计一种具有凹面结构的秸秆清理装置,分析了作业速度、人土深度和运动偏角对清茬效果的影响。王奇等5通过离散元仿真的方法对星齿凹面盘式清茬防堵装置的结构进行设计,确定了星齿凹面盘的最优结构参数组合。曹鑫鹏等6 为解决清理后的播种带秸秆回流问题设计了一种拨茬齿盘,对影响拨茬齿盘作业性能的主要结构参数进行了分析,确定了拨茬齿盘
18、最佳工作参数。GURSOY7和RAOUFAT等8 针对安装清秸装置和不安装清秸装置对免耕播种作业速度、秸秆被压人土壤概率和出苗质量进行了对比试验。LEKAVICIENE等9 通过改变清秸装置滑移角、齿盘间隙和作业速度分析清秸率变化规律。SIEMENS等10 1设计了一种锐角开沟器配套使用秸秆清理装置,并与未加装清秸装置机具进行了作物出苗对比试验基于上述研究现状,结合东北地区秸秆覆盖量及免耕播种需求,本文设计一种适用于重度秸秆覆盖地区的具有秸秆轴向加速推送功能的清秸装置,通过分析清秸装置清理秸秆机理,完成关键部件设计并确定影响其工作性能主要参数及取值范围。在此基础上,采用二次回归正交旋转中心组合
19、试验方法,在构建的EDEMA D A M S联合仿真试验平台上,通过虚拟仿真试验确定影响清秸装置工作性能最优结构参数组合,并通过田间试验验证仿真优化结果。1清秸装置设计1.1结构及工作原理1.1.1结构组成清秸装置与免耕播种单体配置关系及结构组成如图1所示,免耕播种单体包括机架、仿形机构、排种器、清秸装置、破茬圆盘、仿形轮和覆土镇压装置113第7 期侯守印等:适配免耕播种单体的清秸装置改进设计与试验等,其中清秸装置主要由支撑臂、调节凸轮、清秸轮和助推螺旋组成,清秸轮与助推螺旋刚性连接,工作时共同绕回转中心自转,助推螺旋由圆锥凸台和叶片焊接而成。清秸装置与机架刚性连接,通过调节凸轮可调整清秸轮和
20、助推螺旋与机架相对位置,从而保证清秸轮接地压力,降低清秸轮和助推螺旋滑转率,保证秸秆清理质量和工作效率。156图1 清秸装置与免耕播种单体配置关系及结构组成Fig.1 Configuration relationship and structurecomposition of straw cleaning device and no-tillage seeder1.覆土镇压装置2.机架3.排种器4.仿形机构5.仿形轮6.破茬圆盘7.支撑臂8.调节凸轮9.助推螺旋10.清秸轮1.1.2工作原理以清秸轮回转中心0 为原点建立空间直角坐标系,如图2 a所示,机具前进方向与x轴正方向重合。假设播种单体
21、在拖拉机牵引下保持匀速直线运动,运动方向为x轴正方向,并且清秸轮作纯滚动、无滑移。一X(a)空间直角坐标系(b)清秸轮齿端运动轨迹在xoz面投影Y秸秆运动方向()秸秆清理原理(d)清秸轮齿端运动轨迹在xoy面投影图2清秸装置工作原理Fig.2Working principle of straw cleaning device清秸轮轮齿的任意一端点运动轨迹为一条空间曲线,将其运动轨迹投影到xoz面内,如图2 b所示,可将清秸轮齿端点运动分解为从点到点b。的纯滚动和从点b。到点b的平移运动,从清秸轮运动轨迹合成角度可以发现清秸轮具有在其回转平面的法向方向推运秸秆的功能;将运动轨迹投影到xoy面内,
22、如图2 d所示,轮齿端点运动轨迹为一固定摆线,轮齿对秸秆无向后抛撒作用。通过上述分析,清秸轮主要通过清秸轮回转平面对播种带上的秸秆沿回转平面轴向侧向推运从而实现秸秆清理,如图2 c所示。由于东北地区玉米秸秆量较大,当免耕播种机高速作业时清秸轮不能将秸秆及时推送至播种带外,秸秆很容易在清秸轮前方积聚,积聚秸秆会导致免耕播种作业的清秸率降低,严重时会造成触土部件的堵塞,机具无法正常作业。通过上述分析,为提高清秸装置在重度秸秆覆盖条件下的高速作业性能,基于同位仿形免耕播种单体,本文设计一种具有秸秆助推功能清秸装置,助推螺旋固定在清秸轮的外侧,随清秸轮同步转动。助推螺旋可加速将积聚在清秸轮回转平面内的
23、秸秆轴向推运至播种条带两侧,达到播种带秸秆清理,提高机具通过性和播种质量。1.2关键部件设计1.2.1清秸轮设计清秸装置的清秸幅宽设计主要根据玉米种植农艺要求。清秸幅宽过小时,影响开沟、仿形以及覆土镇压效果;清秸幅宽过大时,机具牵引阻力和土壤扰动量增大,高速作业时秸秆积聚现象严重。清秸装置清理秸秆动力通过清秸轮与土壤相互作用传递,图3 为清秸轮工作位置简图,点M、N是清秸轮外径与地表交点。清秸轮与地表相交的宽度LM可表示为LMN=2V/R-(R-H)(1式中R-一清秸轮半径,mmH-一入土深度,mm图3清秸轮工作位置简图Fig.3Schematicof workingpositionof st
24、rawcleaning wheel本次设计清秸装置的清秸轮采用对称结构布置,为防止清秸轮间秸秆堵塞,两清秸轮间预留一定量间隙,如图4 所示,结合图2 和图3,清秸装置的清秸幅宽可表示为B=(LMN+2R)sin+b(2)=(LMN+ZR)SI+D式中B一清秸幅宽,mm工作偏角,()6清秸轮间隙,mm式中B清秸幅宽,mm一工作偏角,()6一清秸轮间隙,mm由式(2)可知,清秸幅宽与清秸轮半径、人土深度、工作偏角、清秸轮间隙有关。当清秸轮半径一定时,清秸幅宽随工作偏角增大而增大;当工作偏角一定时,清秸幅宽随着清秸轮半径增大而增大。可根据清秸轮入土深度和秸秆厚度确定清秸轮半径,其经验公式1 1 1
25、为114农2023年机报学业械000NN6B图4清秸轮清秸幅宽示意图Fig.4Schematic of straw cleaning widthKHR(3)2式中K一径深比东北地区春季播种作业时地表秸秆厚度为4 0 50mm,为保证清秸轮能够有效转动,设计清秸轮的人土深度为2 0 mm,设计深度为秸秆及土壤层深度,选取径深比为5 5】,代人式(3)可得清秸轮半径为175mm。根据免耕播种的作业要求,玉米播种带宽度为1 4 0 3 2 0 mml12】,在两个清秸轮中间设置间隙1030mm能够提高清秸装置的通过性1 3 ,将已知参数代人式(2),确定满足清秸幅宽条件的工作偏角为1 5 3 5 清
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