适配免耕播种单体的清秸装置改进设计与试验.pdf

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，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 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 Center 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 water 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 straw 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 itsworking 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 resistanceas 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 significant 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 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 working 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 working 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.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，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 strawcleaning 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 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 清秸轮作业过程中应保证将秸秆及时推出播种带的同时秸秆能够顺利脱离清秸轮，清秸轮轮齿形状对秸秆缠绕影响较大，清秸轮轮齿形状设计不合理,将导致秸秆缠绕，严重时造成清秸装置堵塞1 4 。滑切角是清秸轮轮齿曲线上任一点的速度矢量与该点轮齿曲线法线之间所夹锐角。滑切角是清秸轮轮齿形状设计的重要参数，合理的设计可有效避免清秸轮缠绕秸秆1 5 。滑切角应大于部件与秸秆间的摩擦角1 6 ，当选取滑切角较小时，清秸轮轮齿曲线曲率半径较大，曲线平直，秸秆不易脱离轮齿，导致秸秆缠绕、堵塞；当选取滑切角过大时，秸秆在轮齿上滑移能力增强，虽然秸秆容易从清秸轮轮齿上脱离，但会导致轮齿曲线的长度增加，相同人土深度下，轮齿在土壤中的面积增大，增大工作阻力并加剧了轮齿磨损1 7 。如图5 所示，本次设计清秸轮的轮齿曲线由直线和偏心圆的一部分弧长组成。由图5 可得轮齿偏心直线方程为psinT-e,=0(4)式中偏心直线的偏心距，mm轮齿曲线上任一点的向径，mm轮齿曲线上向径点p处滑切角，（）同理，由图5 可得轮齿偏心圆弧曲线方程为p+R,-2pR,sinT-e=0(5)式中偏心圆弧的偏心距，mm7清秸轮轮齿曲线图5清秸轮轮齿形状Fig.5Tooth shape of straw cleaning wheelR,偏心圆半径，mm当轮齿偏心圆弧曲线选择较小的e2/R,时，轮齿曲线的滑切性能较好，但当选择e2/R,过小时，轮齿弧线和悬臂长度增长，导致轮齿根部强度降低，容易折断。参照文献5,1 8，当e2/R,选取0.7 4 时，清秸轮轮齿具有较好的作业性能，故本文轮齿弧线的ez/R,选为0.7 4。设计清秸轮齿根圆半径为6 0 mm，最大滑切角为6 0，由式（4）可得，偏心直线的偏心距为5 2 mm。同理，轮齿偏心圆弧曲线在齿顶圆处最大滑切角为6 0,由式（5）可得偏心圆半径为1 2 4 mm，偏心圆弧偏心距为9 1 mm。为保证清秸轮能够连续稳定转动，降低滑移，同时为了避免相邻轮齿根部空间过小而夹塞秸秆，需要正确确定清秸轮轮齿数。清秸轮轮齿数可表示为2元(R-l)N=(6)S式中N清秸轮轮齿数1清秸轮齿长，mmS相邻齿根弦长，mm当清秸轮直径和清秸轮齿长确定后，随着轮齿数增加，相邻齿根弦长会减小。清秸轮轮齿数较多时，相邻齿根弦长较小，易出现秸秆堵塞，清秸轮轮齿数较少时，清秸轮转动不平稳，易出现滑移，相邻齿根弦长应大于秸秆直径，本文相邻齿根弦长设计为2 6 mm，由式（6）可得清秸轮轮齿数为1 4。1.2.2助推螺旋设计对秸秆在助推螺旋上受力进行分析。为便于分析，将秸秆视为质点，将螺旋面视为斜直线，秸秆受力如图6 a所示当秸秆位于助推螺旋的叶片上时，秸秆受到垂直于螺旋面的法向推力与沿螺旋面的摩擦力，如需秸秆沿轴向移动，需要法向推力的轴向分力大于轴向阻力，即需要满足F,tansinoF,coso(7)式中螺旋升角，（）F,法向推力，N-一摩擦角，（）一115侯守印等：适配免耕播种单体的清秸装置改进设计与试验第7 期F2F螺旋面B螺旋面F00GV助推螺旋轴线助推螺旋轴线(a)秸秆受力分析(b)秸秆运动分析图6 禾秸秆受力与运动分析Fig.6Analysis of force and motion of straw整理式(7)可得090-(8)助推螺旋与玉米秸秆最大摩擦角为3 3，由式（8）可得螺旋升角小于5 7,为便于试验研究，本文设计助推螺旋的螺旋升角最大值为6 0 秸秆在助推螺旋叶片上的运动包括沿螺旋面滑移的相对运动和随助推螺旋转动的牵连运动，如图6 b所示。由于助推螺旋叶片对秸秆的摩擦力作用，秸秆绝对速度与垂直于螺旋面的法线方向夹角为摩擦角。秸秆绝对速度可分解为轴向速度与径向速度，可表示为其中式中绝对速度,m/s轴向速度,m/s心径向速度,m/s牵连速度，m/sn助推螺旋转速,r/minS螺距,mm整理式(9）得nScos(0+)cos0610cos(11)nSsin(0+)coso610tcos由式（1 1）可知，随螺旋升角增大，秸秆轴向速度减小，为使秸秆获得较大轴向速度，螺旋角不易选择过大，但过小螺旋升角又容易导致秸秆在助推螺旋上滑移，综合上述因素最小螺旋角初定为2 0，螺旋升角确定为2 0 6 0 在忽略螺旋叶片与秸秆的摩擦，并且秸秆轴向速度与螺旋面推运速度相等的情况下，助推螺旋的秸秆输送量可表示为T(D-d)SonpoQ=1009(12)240U,=ucos(0+)(9)Lu,=sin(+)u,sing：cos(10)nS6 10*tang式中Q输送量，kg/sD螺旋叶片直径,mmd圆锥凸台直径，mm填充系数Po秸秆堆积密度,kg/m3由式（1 2）可知，当物料和螺旋升角确定时，影响输送量的因素有助推螺旋转速、螺旋叶片直径和螺距,并且各因素均与输送量正相关，所以，在设计允许范围内选择较大的螺距和螺旋叶片直径，但由于螺旋叶片直径受清秸轮直径限制，本次设计螺旋叶片最大直径为3 0 0 mm。参照文献1 1 ,标准水平螺旋输送机螺距可表示为S=(0.8 1.0)D(13)由式（1 3)可知,螺距的选取与螺旋叶片直径相关，本文研究的输送物料为玉米秸秆，物料形状和尺寸均不规则，选取较大螺距，本文设计螺距为2 4 0 300 mm。圆锥凸台直径与螺旋叶片直径的关系 可表示为d=(0.2 0.35)D(14)由式（1 4）可得圆锥凸台最大直径1 0 5 mm，最小直径为4 8 mm，助推螺旋叶片厚度设计为2 mm，材料选择Q235，螺旋叶片数初步设定为2 6，助推螺旋结构如图7 所示$48圆锥凸台010105300叶片(a)主视图(b)俯视图图7助推螺旋结构图Fig.7Structure diagrams of screw auger2基于EDEM-ADAMS联合仿真试验清秸装置作业过程中涉及的秸秆、土壤均具有离散特性，利用离散单元法进行仿真分析，不仅能清晰观察到秸秆和土壤作业过程中的运动规律，而且能克服环境条件的影响，降低试验装置的加工成本，缩短试验的周期。单一采用离散元软件EDEM仿真无法模拟清秸轮在外力作用下的被动旋转，所以采用离散元仿真软件EDEM和运动学仿真软件ADAMS联合仿真。为探究各因素对清秸装置工作性能的影响规律，采用联合仿真与二次回归正交旋转中心组合试验相结合的方法进行研究1 9 。2.1ADAMS仿真平台构建在ADAMS软件中构建清秸装置的运动模型，116农2023年机报学业械EDEM软件中清秸装置的位置可以通过仿真接口与ADAMS中模型的位置保持同步，从而在EDEM中实现装置的复杂运动。对SolidWorks中构建的清秸装置三维模型进行简化，保留对仿真结果影响重要的零件2 0-2 1 ,在 ADAMS中对清秸装置添加约束及驱动，其中包括旋转副、移动副和直线运动等，同时，对G-Force进行设置，将G-Force的位置设置在每个部件的质心处，G-Force的局部坐标系与ADAMS软件的全局坐标系坐标轴的方向保持一致，ADAMS软件中构建的清秸装置运动模型如图8 所示。1463图：清秸装置运动仿真模型Fig.8NMotion simulation model of straw cleaning device1.支撑臂1 与地面2.支撑臂2 与地面3.清秸轮2 与支撑臂2转动副4.清秸轮1 与支撑臂1 转动副5.清秸轮1 与支撑臂1G-Force6.清秸轮2 与支撑臂2 G-Force2.2EDEM仿真平台构建由于实际土壤环境比较复杂，在仿真试验中假定土壤模型为球状且土壤颗粒大小都相等，忽略土壤中的碎石、砂粒等，选择模拟土壤颗粒直径为5mm。将土壤颗粒通过重力沉积方法在长宽高为1 0 0 0 mm5000mm250mm的虚拟土槽中生成4 0 mm的土壤层，在土壤层上方加载生成实测土壤密度所需垂直载荷，使虚拟土壤层与实际土壤层特性保持一致2 。为使生成的土壤层在物理特性上更加接近真实土壤，采用Hertz一MindlinwithJKR模型，清秸装置与土壤、土壤与土壤表面接触能分别为6.8 J/m和3.5 J/m23-26。根据秸秆几何尺寸测量，试验玉米秸秆实际长度为5 1 2 cm，对秸秆模型进行简化，采用1 0 个球心间隔1 0 mm、直径1 0 mm的球连接而成秸秆模型4-5.2 7 ,通过颗粒工厂生成，均匀铺设在土壤层上。将SolidWorks中简化的清秸装置三维模型导入到EDEM中，将清秸装置材质设置为Q235，参照文献2 2，确定各材料接触和本征参数如表1 所示2.3仿真试验方案在构建的EDEM和ADAMS仿真平台的基础上，通过ADAMSCo一simulation和二次开发API耦合配置文件建立EDEM一ADAMS联合仿真平台。为探究清秸装置主要参数对作业性能的影响，采用表1材料接触和本征参数Tab.1Material contact and intrinsic parameters参数Q235玉米秸秆土壤密度/(kgm3)78502412650剪切模量/Pa7.9 10 101.0 1061.0106泊松比0.300.400.34滚动摩擦因数（与秸秆）0.010.010.05静摩擦因数（与秸秆）0.300.300.50碰撞恢复系数（与秸秆）0.300.300.50滚动摩擦因数（与土壤）0.110.050.20静摩擦因数（与土壤）0.650.300.30碰撞恢复系数（与土壤）0.600.500.60四因素五水平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、工作阻力为性能评价指标，根据上述分析与设计确定试验因素取值范围：作业速度为5.4 1 2.6 km/h、工作偏角为1 5 3 5、螺旋升角为2 0 6 0、螺旋叶片数为2 6 片。因素编码如表2 所示，仿真试验过程如图9 所示。表2试验因素编码Tab.2Test factors codes因素编码作业速度X/工作偏角螺旋升角螺旋叶片数(km h-)X2/()X3/()X4212.635606110.83050509.025404-17.220303-25.415202m/s3.02.41.8(a)t=0.2 s(b)t=0.4 s(c)t=0.6 s1.20.60(d)t=0.8 s(e)t=1.0 s(f)t=1.2 s图9EDEM-ADAMS联合仿真试验过程Fig.9EDEM-ADAMS joint simulation process2.4性能评价指标清秸率是指清秸装置作业前后清秸幅宽内剩余秸秆量与原秸秆量的比值。在EDEM中可以通过后处理模块的grainingroup功能测量作业前后清秸幅宽区域（完成清秸作业后在清秸幅宽内随机选取4个长为1 8 0 mm区域）内的秸秆质量，清秸率计算公式可表示为117侯守印等：适配免耕播种单体的清秸装置改进设计与试验第7 期W,-W100%9P=(15)W式中P-清秸率，%W测区作业后秸秆量，kgW。测区作业前秸秆量，kg工作阻力是指在作业过程中清秸装置所受到的阻力。可通过ADAMS中的Postprocessor绘制工作阻力曲线，提取清秸装置稳定作业后的工作阻力，以平均值作为最终试验结果。2.5结果与分析试验方案和结果如表3 所示，共计2 5 种参数组合，中心点组合试验重复1 2 次。表3试验方案与结果Tab.3Test design and results因素评价指标序号作业速度/工作偏螺旋升螺旋清秸率工作阻(kmh-)角（）角）叶片数Y/%力Y2/N17.22030372.872210.82030379.510437.23030384.084410.83030386.013157.22050369.980610.82050376.010677.23050383.092810.83050385.213697.22030582.9851010.82030586.0117117.23030586.0961210.83030588.0138137.22050578.0931410.82050583.0125157.23050581.01021610.83050583.1142175.42540475.0741812.62540495.0143199.01540474.889209.03540483.9121219.02520483.097229.02560480.099239.02540275.095249.02540683.9102259.02540486.091269.02540484.097279.02540487.098289.02540486.698299.02540487.597309.02540488.2105319.02540484.0101329.02540486.6101339.02540486.398349.02540488.798359.02540478.094369.02540487.097通过对虚拟仿真试验数据分析发现，随作业速度增加，清秸轮转速增加，但清秸轮实际转速比理论转速平均下降3 2%，说明清秸轮在清理秸秆过程中存在较大滑移，并且滑移率随作业速度增大呈先增大后减小趋势。清秸轮滑移对清秸装置工作质量影响较大，说明被动式清秸装置在较低或较高作业速度条件下应用会受到限制，这也同样验证了同位仿形免耕播种机实际生产作业过程中，机具起步阶段速度较低易出现秸秆堵塞现象。不同参数组合条件下秸秆在清秸装置的作用下均表现出相似的运动状态，秸秆颗粒运动轨迹和速度云图如图1 0 所示，秸秆主要由清秸轮和助推螺旋沿清秸轮回转平面法向推运，较少部分秸秆被清秸轮轮齿回带后抛出，这也说明了上述对清秸轮轮齿形状设计较为合理。由图1 0 可以发现，作业速度增加会显著提高秸秆颗粒运动速度，即可以提高清秸装置推运秸秆效率，但是由于清秸装置为被动式，随着清秸装置推运秸秆速度增大，机具作业速度也会增大，单位时间内积聚的秸秆量也增加，如图1 0 r所示，当速度过大时仍会导致清秸率降低。由于清秸装置采用被动式，作业过程中依靠土壤反力和牵引力形成的力偶被动旋转，并且入土深度较小，所以对土壤扰动量较小，土壤扰动情况如图1 0 所示，虽然清秸装置的清秸轮设计时采用对称布置，但从土壤扰动仿真结果发现对称布置的清秸轮并未产生对称布置的沟形,这与实际生产过程相似。工作偏角和作业速度对土壤扰动影响较大，如图1 0 s、1 0 t 所示，当工作偏角较大时，由土壤扰动产生的两个沟形较相似，土壤扰动量较大；如图1 0 q、1 0 r 所示，当作业速度较小时，由土壤扰动产生的两个沟形较相似，土壤扰动量较越小。通过Design-Expert8.0.6软件对试验结果进行方差分析，如表4 所示。螺旋升角对清秸率具有显著影响，作业速度、工作偏角、螺旋叶片数对清秸率具有极显著影响，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，工作偏角和螺旋叶片数之间的交互作用对清秸率有极显著影响；螺旋升角对工作阻力具有显著影响，作业速度、工作偏角、螺旋叶片数对工作阻力均具有极显著影响，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，作业速度和工作偏角之间的交互作用对阻力有极显著影响。2.5.1各因素对性能评价指标的影响作业速度和螺旋升角对清秸率的影响规律如图1 1 a所示，当作业速度一定时，清秸率随螺旋升角增大而降低，主要是由于在螺距和助推螺旋转速一定时，随螺旋升角的增大，助推螺旋对秸秆产生的轴IVIU118农2023年机报业学械3.02.41.81.20.60(a)7.2-20-30-3(b)10.8-20-30-3(c)7.2-30-30-3(d)10.830-30-3(e)7.2-20-50-3(f)10.8-20-50-3(g)7.2-30-50-3(h)10.8-30-50-3(i)7.220305(i)10.8-20-30-5(k)7.2-30-30-5(1)10.830305(m)7.2-20-50-5(n)10.8-20-50-5(o)7.2-30-50-5(p)10.8-30-50-5(q)5.4-25-40-4(r)12.6-25-40-4(s)9.0-15-40-4(t)9.0-35-40-4(u)9.0-25-20-4(v)9.0-25-60-4(w)9.0-25-40-2(x)9.0-25-40-6(y)9.0-25-40-4图1 0仿真秸秆运动轨迹和颗粒速度云图Fig.10Simulation of straw particle trajectory and velocity cloud注.图中分图题为试验参数数值例如图)7.2-20-30-3为作业速度7.2 k工作偏角200螺旋升角3 0 螺旋叶片数3表4 方差分析Tab.4Analysisof variance清秸率工作阻力变异来源平方和自由度FP平方和自由度FP模型802.94147.770.000 1*10.900.721443.660.000 1*X199.53127.030.000 1*7.812.041438.060.000 1*X2183.71124.890.000 1*1717.04196.280.000 1*X342.6715.780.025 5*117.0416.560.018 2*X4101.68113.780.001 3*477.04126.750.0001*X,X29.9211.340.2593162.5619.120.006 5*X,X30.1610.020.884 47.5610.420.5220X,X41.4410.200.66320.5610.030.8607X2X30.4210.060.813 20.5610.030.8607X2X463.2018.560.008 1*33.0611.850.187 8X;X45.7610.780.387 00.5610.030.860 7X0.9610.130.722.4348.92119.570.000 2*X80.43110.900.003 4*188.50110.570.0