灭茬免耕大豆播种机的设计与试验

王超群，曹成茂,2*，秦 宽，廖移山，宣林森

（1.安徽农业大学工学院，合肥 230036；2.农业部南方主要农作物生产技术与装备重点实验室，合肥 230036；3.宿州市科鸣农业机械有限公司，安徽 宿州 234113）

中国北方地区以种植小麦、大豆、玉米为主，小麦基本实现机器收获，机收小麦后在全秸秆覆盖地播种大豆较困难。传统种植方式焚烧秸秆、深耕、耙地、播种，费时费力，污染空气。在全国禁烧秸秆背景下，急需设计可一次性完成灭茬、粉碎、播种的保护性耕作机械。

免耕播种机是保护性耕作机具[1]，国内已对灭茬免耕播种机开展大量研究[2]。刘忠军等设计茬地免耕玉米播种机[3]，刘艳芬等设计玉米垄作免耕机，采用破茬盘、切拨机构防止秸秆堵塞播种机，灭茬粉碎效果差、晾籽率高[4]；李杞超等设计2BZJ-12型大豆窄行平作精密播种机[5]，吴峰等设计秸秆粉碎后抛式免耕播种机[6]，顾峰玮等研制麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机[7]。为解决传统免耕播种在全秸秆覆盖地作业存在堵塞架种、晾种等问题，本文设计灭茬免耕大豆播种机，以降低晾籽率、避免秸秆堵塞。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

灭茬免耕大豆播种机，包括悬架、罩壳、限位轮、仿形地轮、灭茬刀轴、动刀、定刀、机架、开沟器、种箱、排种器等组成。

如图1所示，罩壳左右两侧对称安装仿形地轮，左右两个限位轮安装在罩壳前方，机架位于机罩壳后上方，种箱安装在机架，排种器位于种箱底部，开沟器竖管和机架固定，灭茬刀轴位于开沟器前方，动刀座在灭茬刀轴，定刀座焊接在灭茬刀轴正上方罩壳，动刀、定刀分别安装于动刀座、定刀座。

图1 整机结构Fig.1 Schematic of the whole machine structure

1.2 工作原理

拖拉机以1.11～1.67 m·s-1速度前进，拖拉机动力输出轴通过变速箱和皮带轮将动力传递给灭茬刀轴，灭茬刀轴以1 800～2 000 r·min-1速度反转，动刀随灭茬刀轴作高速反转运动，秸秆切断后抛起与灭茬刀轴正上方定刀产生剪切，使秸秆粉碎向后抛洒，开沟器将种子播在无秸秆区域，实现洁区播种。开沟器距灭茬刀轴轴心横向距离略大于动刀最大回转半径，在罩壳约束下，粉碎后秸秆和碎土沿罩壳形状斜向下均匀抛洒在机具后方。播种大豆时左侧仿形地轮带动外槽轮式排种器实现7行播种。

2 关键部件设计

2.1 灭茬粉碎装置设计

灭茬粉碎装置由灭茬刀轴、动刀座、动刀、定刀座、定刀等构成。动刀座焊接在灭茬刀轴上，每两把动刀与灭茬刀轴上动刀座通过销钉连接。定刀通过固定螺栓和定刀座固定，定刀座焊接于灭茬刀轴正方罩壳横板，定刀距灭茬刀轴中心距离与灭茬动刀最大回转半径相同，工作时，每对动刀Y型开口从定刀刃口穿过。

2.2 灭茬动刀排布

动刀排列结构如图2所示。动刀座采用双螺旋方式排列焊接在灭茬刀轴上，等距均匀分布，轴向相邻距离67 cm，径向相邻动刀座呈85°等分。每个动刀座上安装两把动刀，每对动刀下端开口约120°呈Y型。

图2 动刀排列结构Fig.2 Structure of stubble device

2.3 灭茬动刀运动轨迹

机具作业时，动刀旋转同时随机具前进，因此动刀绝对运动由两种运动合成。设计灭茬刀轴转向为反转，动刀端点绝对运动水平分速度与机具前进方向相反，动刀运动轨迹为余摆线。

设灭茬刀轴旋转中心为坐标原点，灭茬免耕播种施肥机前进方向为X轴正向，Y轴正向竖直向下（见图3），Q点为动刀顶端。动刀端点初始位置与X轴重合水平，则动刀端点轨迹方程为

式中，R—动刀端点回转半径（m）；ω—灭茬刀轴旋转角度速度（rad·s-1）；vm—机具前进速度（m·s-1）；t—时间（s）。

动刀端点在X轴Y轴方向分速度为

动刀端点绝对速度V为

灭茬刀轴转速是灭茬结构关键参数，可通过式（6）[7]确定灭茬刀轴转速范围。

式中，n—刀轴转速（r·min-1）；V—为动刀端点线速度（m·s-1）；h—切茬高度（m）。

灭茬免耕大豆播种机正常作业时，前进速度取 vm=1.11～1.67 m·s-1，取切茬高度h=0.15 m。本机设计动刀为两个L型开口动刀片，通过螺栓对称安装在一个动刀座上，整体呈Y型，动刀最大回转半径R=0.27 m，在节能前提下提高切茬粉碎效果，取动刀端点线速度V=25 m·s-1，将以上数据代入公式（6）[7]得出灭茬刀轴转速n ≥ 1 857 r·min-1，由于作业过程中速度、秸秆稠密度存在波动，设计灭茬刀轴转速n为1 800～2 000 r·min-1。

图3 动刀运动轨迹Fig.3 Trajectory of knife moving

2.4 开沟器设计

为提升开沟器入土能力，确保沟深、沟宽稳定性，便于排种，设计开沟器类型为锄铲式。开沟器前端作曲面处理，后方设计成空心便于排种和排肥，根据当地农艺要求，大豆播种行间距取30 cm，设计相邻开沟器间距30 cm。

图4 开沟器曲面设计Fig.4 Surface design of trench opener

假设开沟器曲面弧线OA方程为[8]

式中，a、b—圆心B坐标；r—圆半径（mm）。

尖角处O点坐标（0，0），开沟曲面与竖直面结合处A点坐标（60，80），C点为O、A点与开沟器曲线切线交点，即，α、β为O、A处入土角。α过小，开沟器强度变小，尖角变长；α过大，入土能力差，动土严重，保墒效果差。经查阅资料，取α为25°[8]，β为80°。为便于分析计算，在曲线方程上作相应辅助线。D点为直线OA中垂线。在四边形OCAB和△OBC、△ABC中，可得出式（8）：

式中，OA为点O、A间直线距离（mm）。

由A点坐标得直线OA为100 mm，将α、β值分别带入式（8）中，得r=106 mm，再将r代入（7）得曲线方程为

则锄铲式开沟器曲线OA上任意一点M入土角θ计算公式为

式中，OM为曲线上P点到M点直线距离（mm）。

由于本设计锄铲式开沟器用于排种和排肥，开沟深度45～65 mm不等，计算时取入土深度为55 mm，即M点坐标（55，60）代入（10）中得M点入土角为35°，符合设计要求。

3 机架静力学仿真分析

3.1 建立简化后机架有限元模型

由于机器在实际工作中7行同时开沟，且结构简单，机架主要由两根60 mm×80 mm×3.5 mm方管，罩壳、两根方管中梁和左右厚10 mm侧板焊接而成，牵引力和阻力过大导致机架变形损坏，需仿真分析机架静力。利用solidworks软件绘制整机三维模型，将简化后模型文件保存为.igs格式，导入ANSYS/Workbench软件，机架材料选用普通碳素钢，ANSYS/Workbench软件默认材料为普通碳素钢，无需设置材料参数。通过自动划分网格后，更改网格尺寸，共划分17 290个单元，47 301个节点。

3.2 加载和约束

工作时引起机架变形原因是牵引力和开沟阻力，阻力计算通过F=khd[9]（F牵引阻力，k土壤黏性系数，h开沟深度，d开沟宽度）。查阅资料并结合实际情况，沟深取5 cm，沟宽6 cm，黏性系数取8，计算牵引阻力约F=240 N，简化后模型对应安装开沟器及悬挂架位置设置加载和约束。

3.3 有限元分析结果

经仿真软件分析运算得出位移分布云图5a和应力分布云图5b，由图5a可知，应力集中产生于后面一根横梁中部及与左右侧板焊接处，应力最大值7.90×107Pa；位移变形最大处发生在后面一根横梁中间部位，应变最大值1.34 mm。结合实际田间作业环境，对照普通碳素钢材料特性可知，设计不合理，需改进。

3.4 建立改进后简化后机架有限元模型

改进办法：在机罩壳上方两横梁中间焊接4根80 mm×80 mm×5 mm连接梁，增强装置强度。按照上述仿真步骤，将改进后简化机架模型导入ANSYS/Workbench软件，机架材料选用普通碳素钢，通过自动划分网格后，更改网格尺寸，共划分18 186个单元，53 477个节点。

3.5 加载、约束和有限元分析结果

仿真改进后机架受载，添加相同载荷得出相应位移分布云图6a和应力分布云图6b，由图6a可知，改进后机架应力分布均匀，应力最大值5.22×106Pa；位移变形最大处发生在罩壳边缘及侧板边角处，机架应变最大值为4.64×10-5mm，对比改进前仿真结果，改进后机架刚性明显改善，对照普通碳素钢材料特性可知，改进合理，设计符合要求。

图5 有限元分析结果Fig.5 Finite element analysis results

图6 改进后有限元分析结果Fig.6 Improved finite element analysis results

4 田间试验与结果分析

4.1 试验条件

2018年6月18日在安徽省宿州市芦岭镇播种大豆。芦岭镇位于安徽省北部，属暖温带半湿润季风气候，前茬作物小麦，机收留茬高度15～22 cm，土壤绝对含水率18%～24.5%，试验选用拖拉机型号为雷沃M1200-DA1，标定功率为88.2 kW，动力输出轴转速：760/1 000 r·min-1。

4.2 试验方法

按国家标准GB/T 20865—2007《免耕施肥播种机》[10]规定的方法和农业部农业机械推广鉴定大纲《免耕施肥播种机》[11]开展灭茬免耕播种机性能试验。试验内容包括机具通过性、秸秆粉碎率、晾籽率、播种深度合格率、粒距合格率、重播指数、漏播指数等。检测设备包括电子秤、卷尺和铲子等。

4.2.1 机具通过性

测试长度为100 m，往返一个行程不发生堵塞或者有一次轻度堵塞视为合格[12]。本试验在全秸秆覆盖地9次播种测试。

4.2.2 秸秆粉碎效果

在测试地块，按照对角线法选5点，每点用1 m×1 m测试框取样；测量每个测点秸秆总质量和粉碎长度合格秸秆质量（合格秸秆长度≤8 cm），按式（11）计算各点根茬粉碎率[13]。

式中，P—根茬粉碎合格率（%）；Mh—合格秸秆质量（g）； Mz—秸秆总质量（g）。

4.2.3 晾籽率测量

在机具作业后行程内，本试验交叉选取5个测区，每个测区长度为2 m，宽度为一个作业幅宽。按照公式（12）计算晾籽率[14]。

式中，T—晾籽率；X—晾籽数；N—区域面积内播种总数。

4.2.4 播种深度合格率

随机取5行，每行在10 m内随机取5个点，人工扒开土层测量播种深度（以当地农艺要求播种深度为h，h±1 cm合格），计算播种深度合格率。

4.2.5 田间播种均匀性

播种均匀性试验在往返各一个单程中，随机选定5组，每组长2.5 m，宽为一个作业幅宽，在不改变种子位置前提下，把种沟覆土拨开测量，计算粒距合格指数、重播指数和漏播指数。

图7 田间试验Fig.7 Fieldexperiment

表1 试验因素与水平Table 1 Factors and levels of test

表2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal experiment

4.3 试验结果与分析

由表2可知，麦秸秆覆盖地9次测试，均无拥堵现象，机具通过性良好；在根茬粉碎率测定中，根茬粉碎状况较好，平均根茬粉碎合格率89.40%，平均晾籽率1.42%，平均播种深度合格率87.75%，平均粒距合格指数91.72%，平均重播指数2.90%，平均漏播指数3.95%，测量数据均符合GB/T 20865—2007《免耕施肥播种机》国家标准，满足设计要求。

机具前进速度和灭茬刀轴转速影响晾籽率和田间播种均匀性。相同前进速度，灭茬刀轴转速越高，秸秆粉碎效果越好；相同灭茬刀轴转速，机具前进速度越快，粒距合格指数降低，重播指数、漏播指数升高。机具前进速度和灭茬刀轴转速对播种深度影响较小，播种深度受限深轮控制。最优试验因素组合是机具前进速度1.39 m·s-1、灭茬刀轴转速2 000 r·min-1，根茬粉碎合格率、晾籽率、播种深度合格率、粒距合格指数、重播指数、漏播指数分别为92.75%、1.28%、88.35%、92.68%、2.15%、3.82%。

5 结论

a.设计一种灭茬免耕播种施肥机，与传统免耕播种机不同之处：在锄铲式开沟器前安装灭茬粉碎装置，灭茬刀轴高速反转使动刀切断根茬，动刀配合定刀把秸秆粉碎后抛向机具后方，实现洁区播种。

b.机具前进速度和灭茬刀轴转速对播深稳定性影响较小；机具前进速度影响田间播种均匀性；机具前进速度和灭茬刀轴转速影响根茬粉碎合格率和晾籽率，影响因素排序为灭茬刀轴转速＞机具前进速度；通过数学建模、运用ANSYS/Workbench软件仿真分析关键部件承载情况，对后期生产加工具有指导作用。

c.经试验验证可实现洁区播种，解决秸秆堵塞播种机问题，试验各项指标均满足免耕播种机设计要求。最优试验因素组合：机具前进速度1.39 m·s-1、灭茬刀轴转速2 000 r·min-1，根茬粉碎合格率92.75%、晾籽率1.28%、播种深度合格率93.35%、粒距合格指数92.68%、重播指数2.15%、漏播指数3.82%。