全秸硬茬地小麦播种机碎秸导流装置参数设计与优化

罗伟文，胡志超，吴 峰，顾峰玮，徐弘博，陈有庆

·农业装备工程与机械化·

全秸硬茬地小麦播种机碎秸导流装置参数设计与优化

罗伟文，胡志超※，吴 峰，顾峰玮，徐弘博，陈有庆

（农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

针对中国稻麦轮作区小麦播种时，存在田间秸秆量大和茬口紧等影响小麦播种的问题，提出可直接在全秸硬茬地作业的小麦“洁区”宽幅播种农艺模式，并基于种带无播种秸障、碎秸行间条覆的技术思路设计相应的碎秸导流装置。通过理论分析作业时碎秸下抛及与碎秸导流装置滑切耦合的运动规律，以清秸率和种带宽度变异系数为目标函数，确定影响目标函数的主要结构参数。结合Box-Benhnken中心组合试验方法和EDEM离散元仿真技术对影响碎秸导流装置作业性能的参数进行虚拟试验，利用Design-Expert软件分析因素对碎秸导流装置作业性能的影响，确定最佳参数组合，并通过田间对比试验验证该装置的作业性能。试验结果表明: 各因素对碎秸导流装置清秸覆秸性能有显著影响，其对清秸率影响的主次顺序依次为装置导流宽度、装置导流长度、径向距离，对种带宽度变异系数影响的主次顺序依次为装置导流长度、径向距离、装置导流宽度；最佳参数组合设计为装置导流长度300 mm、径向距离19 mm和装置导流宽度298 mm，其对应指标清秸率为91.83%，种带宽度变异系数为10.36%，其田间试验对应指标清秸率为90.75%，种带宽度变异系数为10.94%，仿真与田间试验结果基本吻合。研究结果可为全秸硬茬地的小麦机播作业提供技术与装备支持，亦可为碎秸行间集覆还田的碎秸导流装置参数优化提供参考。

农业机械；离散元；优化；种带清秸；碎秸导流装置

0 引 言

江苏省常年稻麦轮作总面积约1.6×106hm2，约占全省稻麦种植总面积的60%，轮作区的小麦产量可达6 600 kg/hm2；此外，四川、安徽、湖北等地的常年稻麦轮作面积也都接近1.3×106hm2[1]。稻麦轮作两熟制是中国稻麦生产的重要模式，可有效提高谷物生产总量，在保证国家粮食安全方面占有重要地位[2]。但稻收后小麦播种工序复杂，通常为稻秸粉碎、翻耕埋茬、旋耕整地、施肥播种、播后镇压，同时稻收后播种小麦的茬口非常紧，导致轮作区的小麦生产不仅成本较高，而且通常无法在适播期内完成播种[3]。因此，产区亟需能直接在秸茬地进行下茬小麦播种的作业设备。

播前秸茬的及时有效处理，是直接在秸茬地播种的关键环节，国内外专家对此做出大量研究，成效显著[4-5]。针对不同作业背景，秸茬处理主要有以下方式：在秸秆被移出并资源化利用后，田间仍有部分秸茬的背景下，主要有“秸秆流动”、“重力切茬”、“条耕”、“粉碎”、和“拨抛”等几种技术模式，其相关设备适用性强，但在秸秆量大、秸茬不做任何处理的地块作业时机具入土部分易挂草雍秸[6-12]；在农作物收获后不做任何秸秆移出和耕整地处理的全秸硬茬地背景下，主要有全量秸秆粉碎后播前入土混埋、播后地表均覆、按比例混埋均覆、侧边集秸、开沟深埋等几种技术模式，其相关设备均能直接在全秸硬茬地作业，但均需配置相应的后续碎秸处理装置，整机结构相对复杂，功耗相对较大[13-20]。同时，由于水稻秸秆量大、韧性强、流动性差等特点，易导致大量秸茬混入土壤造成架种晾种，大量秸秆覆盖地表影响出苗等问题[21-24]。

因此，针对上述2种背景下的秸茬处理问题，本文结合小麦宽幅播种农艺要求与课题组研制的全秸硬茬地小麦洁区播种机工作机理，提出播种带无秸障、碎秸行间集覆的轮作区小麦机播技术思路，设计了一种能够高效集秸、行间覆秸的碎秸导流装置，具有组配方便、高度集成、高效低耗等优点，既能满足在全秸硬茬地高质顺畅播种需求，又能实现提升地温、封闭行间杂草、改善土壤结构的功能，可为一年两熟、多熟耕作区保护性耕作提供技术与装备支持[25]。

1 播种方式及结构设计

1.1 行间覆秸小麦洁区播种方式

小麦宽幅播种具有优化群体结构、均衡营养面积等优势[26]。结合以往试验，在全秸硬茬地作业工况下，提出了一种幅距为300 mm，播幅为240 mm（播幅内等距排列3组开沟器，每组开沟器播种幅宽为80 mm），并将全量秸茬粉碎后覆盖于行间的小麦“洁区”（种带无播种秸障）宽幅播种农艺模式，如图1所示，目前该农艺模式已在江苏、河南等地区进行应用示范。

1.小麦种子 2.洁区种带 3.覆秸带

1.2 整机结构

全秸硬茬地小麦播种机（碎秸行间集覆式）整机结构如图2所示，主要包括秸秆粉碎装置（压秸辊、碎秸刀罩壳、碎秸刀、调节横梁）、碎秸导流装置、种带旋耕装置（可调支撑辊、阻隔板、旋耕刀组、旋耕刀罩壳）、多功能施肥播种装置（种箱、肥箱、撒肥器、开沟器、镇压轮）、机架、悬挂系统、传统系统等，主要技术参数如表1所示。

1.牵引架 2.变速箱 3.机架 4.后桥 5.肥箱 6.排肥器 7.播种机架 8.种箱 9.镇压装置 10.开沟器 11.阻隔板 12.旋耕刀组 13.旋耕刀罩壳 14.后压秸辊 15.碎秸导流装置 16.调节横梁 17.碎秸刀 18.碎秸刀罩壳 19.前压秸辊

表1 主要技术参数

1.3 碎秸导流装置

碎秸导流装置如图3所示，主要包括斜面导流板、定型板和安装板。该装置安装在捡拾粉碎装置与种带旋耕装置之间。4组碎秸导流装置固定于捡拾粉碎装置后下方的调节横梁上，相邻碎秸导流装置沿作业幅宽方向等距分布，装置与地面的间隙为20 mm。作业时，捡拾粉碎装置的碎秸刀将作业幅宽内秸秆捡拾并粉碎，粉碎后的秸秆沿碎秸刀罩壳内侧壁向下喷射，位于覆秸带（行间）幅宽内的碎秸直接落在覆秸带上，位于清秸带（种带）幅宽内的碎秸在碎秸喷射与碎秸导流装置的滑切耦合作用下，自行向碎秸导流装置两侧分开，并下落于种带两侧的覆秸带上，形成无秸秆障碍的“洁区”播种带和相邻碎秸导流装置间的覆秸带。后续种带旋耕和播种作业均在所形成的无秸秆障碍的种带上进行。

图3 碎秸导流装置结构图

2 碎秸颗粒运动学特性

注：oxz为坐标系；P1、P2分别为碎秸颗粒下抛起止点；D、D1分别为过P2的装置导流刃线的平行线与坐标轴交点；Q为刀轴回转中心；R为回转中心与碎秸下抛点P1的距离，mm；a为装置导流长度，mm；c为装置高度，mm；h为碎秸导流装置底面与回转中心所在水平面的距离，mm。r为碎秸刀回转面半径，mm；t为导流刃线与碎秸刀回转面的径向距离（以下简称径向距离），mm；a为导流刃线与水平面夹角，(°)；b为粉碎装置回转中心和碎秸质心两点连线与水平面夹角，(°)。

2.1 碎秸下抛运动规律

碎秸从粉碎室喷出后，在重力和空气阻力作用下，做下抛运动。任取碎秸导流装置竖直方向一截面为研究域，离散化碎秸为单个颗粒，碎秸颗粒从1点运动到2点做下抛运动[27]，下抛过程中碎秸在坐标系的运动微分方程为

式中为空气阻力因子，描述碎秸下抛过程中所受空气阻力；为重力加速度，m/s2。

初始条件为

设碎秸下抛运动时间为1，忽略碎秸下抛点1到碎秸刀罩壳的距离，则0≤<1时，碎秸的运动轨迹为

式中1x、1z分别表示碎秸下抛点1的初速度沿、轴的分速度，m/s。

且碎秸的下抛终点位置满足关系式

由式（3）、式（4）可知，在下抛过程中，秸秆粉碎装置参数和前进速度确定后，影响碎秸下抛终点位置、速度的因素有径向距离、装置导流长度、导流刃线与水平面夹角和碎秸导流装置单侧分秸角。

2.2 碎秸与导流装置滑切运动规律

碎秸下抛至碎秸导流装置时，与斜面导流板进行滑切耦合，从而改变碎秸运动轨迹。以碎秸为研究对象，碎秸从2点运动到3点为滑切耦合的过程，忽略碎秸在该过程中受到的空气阻力，分析碎秸颗粒受力情况，如图5所示。结合文献[4]，在滑切过程中碎秸所受支持力为

式中为导流装置高度，由安装横梁与地面高度决定，=250 mm；为碎秸自然休止角，(°)。

式中为碎秸与斜面导流板之间的摩擦角，斜面导流板材质确定，为一定值，(°)。

Note:is coordinate system;,, andare the three corner points of the deflector, whereis the front end of the deflector, and C is the highest point of the deflector;3is the sliping point of smashed straw;is the support force perpendicular to the deflector, N;is the friction parallel to the deflector, N;is the half width of the device, mm;0is the quality of smashed straw, kg;is the distance between2and the symmetry plane of the device, mm;is the unilateral guiding angle of straw flow guiding device,(°).

图5 稻秸受力分析图

Fig.5 Force analysis diagram of rice straw

式中2x、2y、2z分别为滑切耦合过程中的初速度在、、轴的分速度，m/s。

从式（7）可知，影响滑切运动轨迹的因素包括滑切运动的初始位置和速度、装置导流长度、装置单侧宽度。而滑切运动的初始位置、速度与下抛运动终点位置、速度有关；同时，由碎秸导流装置结构可知，导流刃线与水平面夹角、碎秸导流装置单侧分秸角、装置单侧宽度均与碎秸导流装置结构参数有关，分别有如下几何关系

式中为装置导流宽度，mm。

因此，在秸秆粉碎装置参数与前进速度确定后，影响碎秸运动轨迹的因素为装置导流长度、径向距离和装置导流宽度。

3 离散元仿真试验

为分析装置导流长度、径向距离和装置导流宽度对碎秸导流装置作业性能的影响，并寻找最佳参数组合，设计了种带清秸性能的仿真试验。碎秸在碎秸导流装置的作用下条覆于行间，该过程涉及大量碎秸离散体运动，运用离散元仿真软件EDEM对碎秸导流装置行间覆秸过程进行分析，可提高工作效率，降低试验成本[28]。通过建立装置—碎秸—土壤间作用模型，模拟碎秸导流装置的田间作业环境，并建立以清秸率和种带宽度变异系数为主的评价指标，为后续对影响作业性能的主要因素进行分析和寻找最佳参数组合准备。

3.1 三维仿真平台搭建

3.1.1 工作模型建立

为平衡计算机处理效率与仿真效果，在进行模型构建时适当简化模型。运用SolidWorks软件简化建模秸秆粉碎装置（碎秸刀罩壳、碎秸刀辊）和碎秸导流装置，并以.igs格式导入EDEM软件Geometry 项。同时，为了便于分析仿真后碎秸的分布情况，在碎秸导流装置下方20 mm处建立土槽简化模型，土槽尺寸（长×宽×高）为4 000 mm×2 500 mm×20 mm，槽内土壤颗粒直径为8 mm[29]。根据稻秸粉碎长度及参考文献[29]，采用直径为7 mm、球心间距为3.5 mm的球体组合成总长为90 mm的长线型模型作为稻秸颗粒模型。装置—碎秸—土壤间作用模型搭建如图6所示。

1.罩壳 2.土槽 3.碎秸 4.碎秸刀辊 5.碎秸导流装置

3.1.2 材料间的接触模型

在行间覆秸作业过程中，碎秸与碎秸、导流装置、土壤之间的接触模型采用Hert—Mindlin无滑动接触模型。导流装置模型材料属性设置为45号钢，根据相关文献确定碎秸颗粒、导流装置模型、土壤的相关材料与接触力学参数，如表2所示[29-30]。

表2 材料间接触模型的参数设置

3.2 仿真试验设计

根据参考文献[14]，设定仿真作业速度为1.2 m/s，粉碎装置转速为2 000 r/min。以江苏省稻麦轮作区稻秸产量为参考，草谷比均值为1.6，草谷总质量均值为2.2 kg/m2，设置颗粒工厂生产稻秸颗粒的速度为3.9 kg/s（≥田间秸秆覆盖量）[26]。

依据Box—Benhken试验理论，设计3因素3水平分析试验，通过EDEM虚拟仿真试验，对装置导流长度、径向距离、装置导流宽度3因素进行响应面试验研究[31-32]。在以往单因素试验基础上，选取装置导流长度的取值区间为200～300 mm，径向距离的取值区间10～40 mm，装置导流宽度的取值区间280～350 mm，试验因素水平编码如表3所示。EDEM仿真性能试验如图7所示。

表3 试验因素和水平

1.覆秸带 2.洁区种带

3.3 碎秸导流装置清秸性能评价指标

通过查阅相关资料并结合实际作业情况，选取清秸率、种带宽度变异系数为试验评价指标[33]。在模拟种床的中间区域选取长度为3 000 mm的作业带，应用EDEM后处理Selection模块设置Grid Bin Group，将各洁区种带和各覆秸带均分为10个网格单元，如图8所示。

1.覆秸带 2.洁区种带

清秸率指作业后种带上被清除的碎秸数量与作业前种带碎秸总数量的比值，其值越大表明碎秸导流装置的清秸性能越好，清秸率的计算方法为

式中为清秸率，%；c为仿真作业后第行第列网格小区的种带碎秸数量；为仿真作业前种带网格小区内碎秸总数量；为测量种带行数，=4；为每行种带测量网格数，=10。

种带宽度变异系数值越小，碎秸导流装置清理出的种带宽度越接近农艺要求的播幅。种带宽度变异系数计算方法为

4 结果分析

试验包括12个分析因子和5个零点估计误差，共17个试验点。运用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行回归分析，并利用响应面分析法对各因素相关性和交互效应的影响规律进行分析研究。试验方案与响应值如表4所示。

表4 试验设计方案及响应值

4.1 回归分析

用Design-Expert 8.0.6软件对表4的数据进行分析和多元回归拟合，清秸率1、种带宽度变异系数2的方差分析结果如表5所示。分别建立清秸率、种带宽度变异系数对装置导流长度1、径向距离2和装置导流宽度33个自变量的多项式回归方程，并检验其显著性。

4.1.1 清秸率的显著性分析

4.1.2 种带宽度变异系数的显著性分析

4.2 响应曲面分析

4.2.1 因素对清秸率的影响分析

当径向距离位于中心位置（25 mm）时，装置导流长度和装置导流宽度对清秸率1的交互作用影响如图9a所示，随着装置导流长度增加，清秸率增大，随着装置导流宽度增加，清秸率先增大后减小。当装置导流长度位于中心位置（250 mm）时，径向距离和装置导流宽度对清秸率的交互作用影响如图9b所示，随着径向距离增加，清秸率先增大后减小，随着装置导流宽度增加，清秸率先增大后减小。各因素对清秸率1的总体影响趋势为：随着装置导流长度增加，清秸率增大；随着径向距离、装置导流宽度增加，清秸率先增大后减小。

分析原因可知：随着装置导流长度增加，碎秸导流装置本身壅秸情况减弱，对碎秸产生的雍滞影响减小，清秸率增大。当径向距离过小时，碎秸惯性力大，碎秸易被反弹至洁区种带；但当径向距离过大时，碎秸与导流装置耦合位置过低，耦合滑切能力减弱，同时惯性力减弱，碎秸经耦合滑切后落至覆秸带概率减小。在整个清秸过程中，始终有少量碎秸通过导流装置与地面间隙漏入种带，随着装置导流宽度增加，漏秸区域变化不大，但作业前的碎秸量增幅较大，清洁率增大；装置导流宽度增加到一定程度后，碎秸滑出洁区的横向位移过大，滑切后落至种带的碎秸量增加，清洁率减小。

4.2.2 因素对种带宽度变异系数的影响分析

当径向距离位于中心位置（25 mm）时，装置导流长度和装置导流宽度对种带宽度变异系数的交互作用影响如图9c所示，随着装置导流长度增加，种带宽度变异系数减小，随着装置导流宽度增加，种带宽度变异系数先减小后增大。当装置导流长度位于中心位置（250 mm）时，径向距离和装置导流宽度对种带宽度变异系数2的交互作用影响如图9d所示，随着径向距离增加，种带宽度变异系数增大，随着装置导流宽度增加，种带宽度变异系数先减小后增大。各因素对种带宽度变异系数的总体影响趋势为：随着装置导流长度增加，种带宽度变异系数减小；随着径向距离增加，种带宽度变异系数增大；随着装置导流宽度增加，种带宽度变异系数先减小后增大。

分析原因可知：随着装置导流长度增加，导流装置本身壅秸情况减弱，碎秸分流流向性越好，雍秸滞秸、覆秸成团的情况减弱，种带宽度变异系数减小；随着径向距离增加，耦合位置降低以及碎秸惯性力减小，碎秸流向种带趋势增大，种带宽度变异系数增大；随着装置导流宽度增加，碎秸滑切后横向位移增大，横向分秸能力增强，种带宽度变异系数减小，但超过一定宽度后，相邻导流装置间隔变小，易出现漏秸区滞秸堆秸和碎秸成团集覆等问题，导致种带变异系数增大。

表5 回归方程方差分析

注：<0.01（极显著）；0.01≤<0.05（显著）；0.05≤<0.1（较显著）。

Note:<0.01 (highly significant); 0.01≤<0.05 (very significant); 0.05≤<0.1 (significant).

图9 交互因素对清秸率和种带宽度变异系数的影响

5 参数优化与验证

5.1 参数优化

为达到种带清秸与行间覆秸的最优性能，采用多目标变量优化方法，以清秸率最大、种带宽度变异系数最小为优化目标，对装置导流长度、径向距离和装置导流宽度进行优化设计，结合试验约束条件，建立目标及约束函数

运用Design-Expert8.0.6软件对2指标的数学模型进行分析求解，优化后选取最佳参数组合为：装置导流长度300 mm、径向距离19 mm和装置导流宽度298 mm，对应理论清秸率、种带宽度变异系数分别为92.60%、9.77%。选取优化后的参数组合进行仿真验证，其清秸率、种带宽度变异系数分别为91.83%、10.36%，与优化后的理论结果基本一致。

5.2 验证试验

为验证碎秸导流装置的田间作业性能，于2018年10月在江苏省农业科学院泗洪水稻种植基地进行田间试验。试验地为全量稻秸硬茬地，平均留茬高度为≥400 mm，水稻品种为南粳9108号，土质为重黏性土壤。碎秸导流装置结构参数为优化后的结果：装置导流长度300 mm，径向距离19 mm，装置导流宽度298 mm，进行5次重复试验，取其平均值，机具田间试验及作业前后种带清秸与行间覆秸效果如图10所示。试验结果为清秸率90.75%，种带宽度变异系数10.94%，与优化后仿真结果相比偏差均小于5个百分点，误差在可接受范围内，验证了参数组合的可行性和准确性。

图10 导流装置最优参数验证试验

根据本文研究，该类型小麦播种方式及碎秸导流装置已在江苏、河南等地进行示范应用，并对该播种方式的小麦长势进行跟踪，如图11所示，随着小麦生长分蘖，覆秸带逐渐被小麦植株覆盖，与其他稻秸还田方式的小麦长势相比未出现明显弱苗现象，证明了该种小麦生产方式应用于稻麦轮作的可行性。

a. 小麦出苗状况a. Wheat emergence statusb. 小麦生长状况b. Wheat growth status

6 结论与讨论

1）针对一年两熟稻麦轮作区，提出了直接在全秸硬茬地工况下进行种带清秸、行间覆秸的小麦“洁区”宽幅播种生产模式，对碎秸导流装置进行了参数设计，通过对碎秸的运动过程进行分析，得出影响碎秸导流装置性能的结构参数为装置导流长度、径向距离和装置导流宽度。

2）搭建了离散元法模拟碎秸导流装置工作过程的试验平台，采用Box-Benhnken试验方法，对装置导流长度、径向距离和装置导流宽度对清秸率和种带宽度变异系数的影响趋势进行了仿真分析并建立了优化模型。研究表明，碎秸导流装置各因素对清秸率影响的主次顺序依次为装置导流宽度、装置导流长度、径向距离，对种带宽度变异系数影响的主次顺序依次为装置导流长度、径向距离、装置导流宽度。

3）碎秸导流装置最佳参数组合为装置导流长度300 mm、径向距离19 mm、装置导流宽度298 mm，优化后仿真结果为清秸率91.83%，种带宽度变异系数10.36%，田间作业性能试验结果为清秸率90.75%，种带宽度变异系数10.94%，与理论计算及仿真结果均基本吻合，验证了回归模型的建立是准确可行的。

由于试验时间与自然条件限制，本研究没有考虑粉碎装置转速、机具前进速度与稻秸本身差异性等对作业质量的影响。在后续试验中将对影响碎秸导流装置作业性能的参数做进一步分析与试验。

[1] 刘正平，何瑞银. 江苏稻麦轮作区机械化生产模式分析[J]. 中国农机化学报，2017，38(7)：112－116.

Liu Zhengping, He Ruiyin. Analysis on mechanized production mode of rice and wheat rotation area in Jiangsu Province[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(7): 112－116. (in Chinese with English abstract)

[2] 房焕，李奕，周虎，等. 稻麦轮作区秸秆还田对水稻土结构的影响[J]. 农业机械学报，2018，49(4)：297－302.

Fang Huan, Li Yi, Zhou Hu, et al. Effects of straw incorporation on paddy soil structure in rice-wheat rotation system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(4): 297－302. (in Chinese with English abstract)

[3] 吴峰，徐弘博，顾峰玮，等. 秸秆粉碎后抛式多功能免耕播种机秸秆输送装置改进[J]. 农业工程学报，2017，33(24)：18－26.

Wu Feng, Xu Hongbo, Gu Fengwei, et al. Improvement of straw transport device for straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 18－26. (in Chinese with English abstract)

[4] 施印炎，罗伟文，胡志超，等. 全量秸秆粉碎条铺与种带分型清秸装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(4)：58－67.

Shi Yinyan, Luo Weiwen, Hu Zhichao, et al. Design and test of equipment for straw crushing with strip-laying and seed-belt classification with cleaning under full straw mulching[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 50(4): 58－67. (in Chinese with English abstract)

[5] 廖庆喜，高焕文，舒彩霞. 免耕播种机防堵技术研究现状与发展趋势[J]. 农业工程学报，2004，20(1)：108－112.

Liao Qingxi, Gao Huanwen, Shu Caixia. Present situations and prospects of anti-blocking technology of no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions7 of the CSAE), 2004, 20(1): 108－112. (in Chinese with English abstract)

[6] Ahmad F, Ding W, Ding Q, et al. Forces and straw cutting performance of double disc furrow opener in no-till paddy soil[J]. Plos One, 2015, 10( 3): 1－14.

[7] 朱瑞祥，李成鑫，程阳，等. 被动式圆盘刀作业性能优化试验[J]. 农业工程学报，2014，30(18)：47－54.

Zhu Ruixiang, Li Chengxin, Cheng Yang, et al. Working performance of passive disc coulte[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 47－54. (in Chinese with English abstract)

[8] 何进，李洪文，李慧，等. 往复切刀式小麦固定垄免耕播种机[J]. 农业工程学报，2009，25(11)：133－138.

He Jin, Li Hongwen, Li Hui, et al. No-till planter with reciprocating powered-cutter for wheat permanent raised beds cultivation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(11): 133－138. (in Chinese with English abstract)

[9] 高娜娜，张东兴，杨丽，等. 玉米免耕播种机滚筒式防堵机构的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(12)：31－37.

Gao Nana, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Design and experiment of drum-type anti-blocking mechanism of no-till planter for maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(12): 31－37. (in Chinese with English abstract)

[10] 陈海涛，查韶辉，顿国强，等. 2BMFJ 系列免耕精量播种机清秸装置优化与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(7)：96－102.

Chen Haitao, Zha Shaohui, Dun Guoqiang, et al. Optimization and experiment of cleaning device of 2BMFJ type no-till precision planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 96－102. (in Chinese with English abstract)

[11] 贾洪雷，赵佳乐，姜鑫铭，等. 行间免耕播种机防堵装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2013，29(18)：16－25.

Jia Honglei, Zhao Jiale, Jiang Xinming, et al. Design and experiment of anti-blocking mechanism for inter-row no-tillage seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 16－25. (in Chinese with English abstract)

[12] 何进，李洪文，陈海涛，等. 保护性耕作技术与机具研究进展[J]. 农业机械学报，2018，49(4)：1－19.

He Jin, Li Hongwen, Chen Haitao, et al. Research progress of conservation tillage technology and machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(4): 1－19. (in Chinese with English abstract)

[13] 朱惠斌，李洪文，何进，等. 稻茬地双轴驱动防堵式小麦免耕播种机[J]. 农业机械学报，2013，44(6)：39－44.

Zhu Huibin, Li Hongwen, He Jin, et al. No-till wheat seeder with two-axel drive anti-blocking in rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(6): 39－44. (in Chinese with English abstract)

[14] 顾峰玮，胡志超，陈有庆，等.“洁区播种”思路下麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机研制[J]. 农业工程学报，2016，32(20)：15－23.

Gu Fengwei, Hu Zhichao, Chen Youqing, et al. Development and experiment of peanut no-till planter under full wheat straw mulching based on “clean area planting”[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(20): 15－23. (in Chinese with English abstract)

[15] 徐弘博，胡志超，吴峰，等. 全量稻秸还田小麦播种机秸秆分流还田装置设计[J]. 农业工程学报，2019，35(9)：19－28.

Xu Hongbo, Hu Zhichao, Wu Feng, et al. Design of straw distributed retention device of wheat planter under full rice straw retention[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 29－28. (in Chinese with English abstract)

[16] 李小聪，吴明亮，邱进，等. 稻秸秆对行抛撒装置的结构设计与试验[J]. 湖南农业大学学报，2016，42(4)：454－459.

Li Xiaocong, Wu Mingliang, Qiu Jin, et al. Design and experiment of row-controlled throwing mechanism for ricestraw[J]. Journal of Hunan Agricultural University, 2016, 42(4): 454－459. (in Chinese with English abstract)

[17] 郑智旗. 玉米秸秆捡拾粉碎沟埋还田机研究[D]. 北京：中国农业大学，2017.

Zheng Zhiqi. Study on Corn Straw Pickup-Chopping and Ditch-Burying Returning Field Machine[D]. Beijing: China Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[18] 胡红，李洪文，李传友，等. 稻茬田小麦宽幅精量少耕播种机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(4)：24－32.

Hu Hong, Li Hongwen, Li Chuanyou, et al. Design and experiment of broad width and precision minimal tillage wheat planter in rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 24－32. (in Chinese with English abstract)

[19] 章志强，何进，李洪文，等. 可调节式秸秆粉碎抛撒还田机设计与试验[J]. 农业机械学报，2017，48(9)：76－87.

Zhang Zhiqiang, He Jin, Li Hongwen, et al. Design and experiment on straw chopper cum spreader withadjustable spreading device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 76－87. (in Chinese with English abstract)

[20] 田阳，林静，李宝筏，等. 气力式 1JH-2 型秸秆深埋还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(14)：10－18.

Tian Yang, Lin Jing, Li Baofa, et al. Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 10－18. (in Chinese with English abstract)

[21] 王红妮，王学春，黄晶，等. 秸秆还田对土壤还原性和水稻根系生长及产量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：116－126.

Wang Hongni, Wang Xuechun, Huang Jing, et al. Effect of straw incorporated into soil on reducibility in soil and root system and yield of rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 116－126. (in Chinese with English abstract)

[22] 李华，刘世平，陈畅，等. 连续免耕与秸秆还田对土壤养分含量的影响[J]. 江苏农业科学，2018，46(15)：237－241.

[23] Olaf E, Umar F, Malik R K, et al. On-farm impacts of zero tillage wheat in South Asia’s rice-wheat systems[J]. Field Crops Research, 2008, 105(3): 240－252.

[24] Botta G, Tolón-becerra A, Lastra-bravo X, et al. Alternatives for handling rice (.) straw to favor its decomposition in direct sowing systems and their incidence on soil compaction[J]. Geoderma, 2015, 239/240: 213－222.

[25] 胡志超. 全秸秆覆盖地机械化免耕播种技术研发取得重大突破[J]. 基层农技推广，2015(4)：40.

[26] 石玉华，初金鹏，尹立俊，等. 宽幅播种提高不同播期小麦产量与氮素利用率[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：127－133.

Shi Yuhua, Chu Jinpeng, Yin Lijun, et al. Wide-range sowing improving yield and nitrogen use efficiency of wheat sown at different dates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17):127－133. (in Chinese with English abstract)

[27] 章志强. 玉米秸秆粉碎抛撒还田机的设计与秸秆运动特性研究[D]. 北京：中国农业大学，2018.

Zhang Zhiqiang. Research on Corn Straw Chopping and Spreading Machine Design and Dynamic Characteristic of Straw[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[28] 王奇，贾洪雷，朱龙图，等. 免耕播种机星齿凹面盘式清秸防堵装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(2)：68－77.

Wang Qi, Jia Honglei, Zhu Longtu, et al. Design and experiment of star-toothed concave disk row cleaners for no-till Planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(2): 68－77. (in Chinese with English abstract)

[29] 方会敏，姬长英，郭俊，等. 基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析[J]. 农业机械学报，2016，47(3)：22－28.

Fang Huimin, Ji Changying, Guo Jun, et al. Analysis of soil dynamic behavior during rotary tillage based on distinct element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 22－28. (in Chinese with English abstract)

[30] Lenaerts B, Aertsen T, Tijisken E, et al. simulation of grain-straw separation by discrete element modeling with bendabke straw particles[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014, 101(7441): 24－33.

[31] 任露泉. 试验设计及其优化[M]. 北京：科学出版社，2009.

[32] 吕金庆，王英博，李紫辉，等. 加装导流板的舀勺式马铃薯播种机排种器性能分析与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(9)：19－28.

Lü Jinqing, Wang Yingbo, Li Zhihui, et al. Performance analysis and experiment of cup-belt type patato seed-metering device with flow deflector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 19－28. (in Chinese with English abstract)

[33] 中华人民共和国农业部. NY/T 500-2002 秸秆还田机作业质量[S]. 北京：中国标准出版社，2002.

Design and optimization for smashed straw guide device of wheat clean area planter under full straw field

Luo Weiwen, Hu Zhichao※, Wu Feng, Gu Fengwei, Xu Hongbo, Chen Youqing

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing 210014, China)

The rice-wheat alternate planting system is the main grain production model in most areas of China which has a great significance to ensure food security in China. The wheat sowing season after the rice harvest is relatively short, combined with the complexity of the traditional wheat planting process, which not only result in the higher sowing costs, but also fails to complete all works during the wheat sowing season. . Seeding directly in the field without straw treatment is an effective way to avoid the aforementioned problems. However, the following issues often occur during the application: for example, the soil-buried parts of the machine are blocked by grass which can’t guarantee the steady operation; a large amount of straw is mixed into the soil which will take the seeds outside the soil and lead to the seeds exposed. To handle the above problems, this paper provided a new sowing method and an efficient guiding device, which adopted the planting technology in the full amount of straw and root stubble field. After the straw was pulverized, all the smashed straw could be placed on inter-rows by using the guiding device to form a sown strip containing few stalks, and the subsequent sowing operations could be completed on the strip. Through the theoretical analysis of the motion of the smashed straw, length of the diversion, radial distance and width of the diversion as key parameters affect the performance of the equipment were verified. The discrete element platform for simulating the operation of the device was established, and the platform mainly was composed of a pellet factory, a crushing device cover, a smashed straw guiding device and a soil trough. Based on the Box-Benhnken central composite test method and EDEM technique, the three-factor and three-level orthogonal rotating quadratic combination experiment was carried out with straw cleaned rate andvariable coefficient of the strip width as the evaluation indexes. The influence of the three key parameters was analyzed. Furthermore, the regression equations were established to describe the relationships between the various factors and each assessment index by using the regression analysis and response surface analysis by software Design-Expert 8.0.6. The optimum combination of the selected parameters was obtained, and it was verified by numerical simulations and field trials. The experiment results indicated that various factors had a significant impact on straw cleaned rate and variable coefficient of the strip width. Depending on the order of significance of the impacts, the factors affecting straw cleaned rate were arranged as follows: width of the diversion, length of the diversion, radial distance. Likewise, the factors affecting variable coefficient of the strip width were arranged as follows: length of the diversion, radial distance and width of the diversion. The combination result of parameter optimum design was presented as follows: length of the diversion is 300 mm, radial distance is 19 mm and width of the diversion is 298 mm. The straw cleaned rate and the variable coefficient of the strip width were (91.83%, 10.36%) and (90.75%, 10.94%), which were determined through simulation experiment and field experiment respectively. Hence, the results of the two verification tests were basically consistent. The study should provide technical and equipment reference for no-tillage seeding of wheat after the rice harvest in the rice-wheat alternate season in China.

agricultural machinery; discrete element method; optimization; seeding strip straw removal; smashed straw guide device

罗伟文，胡志超，吴 峰，顾峰玮，徐弘博，陈有庆. 全秸硬茬地小麦播种机碎秸导流装置参数设计与优化[J]. 农业工程学报，2019，35(18)：1－10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.001 http://www.tcsae.org

Luo Weiwen, Hu Zhichao, Wu Feng, Gu Fengwei, Xu Hongbo, Chen Youqing. Design and optimization for smashed straw guide device of wheat clean area planter under full straw field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2019, 35(18): 1－10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.001 http://www.tcsae.org

2019-05-17

2019-07-03

江苏省农业科技自主创新资金子项目（CX（17）1002-03）。

罗伟文，助理工程师，主要从事农机装备研发。Email：luoweiwensc@163.com

胡志超，研究员，博士，博士生导师，主要从事农机装备研究。Email：nfzhongzi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.001

S223.2

A

1002-6819(2019)-18-0001-10