秸秆深埋还田机覆土装置的参数优化与试验

林 静，孟凡成，高文英

（沈阳农业大学 工程学院，沈阳110161）

近年来，随着农作物废弃秸秆量的增加，玉米秸秆总量也随之提升，但是只有少部分的玉米秸秆得到了有效利用[1-6]。因此在保护性耕作的前提下，秸秆的处理与利用逐渐的被人们所重视[7-12]。秸秆还田技术作为其利用方式之一，可以有效的提高土壤中的有机质含量，进而营造农作物生长所需的良好的微生物环境和土壤理化特性[13-14]。通过优化土壤的耕层构造和水肥气热条件，改善农作物生长的土壤环境来实现增产增收的目的[15]。因而许多学者对秸秆还田机进行了广泛研究，秸秆还田机因其开沟深度的不同，对土壤产生的影响也不尽相同[16-17]。如果将秸秆埋入地下深度过浅，会产生土壤分层，导致土壤肥力不均匀，不利于农作物的生长[18]。因此为使机具作业后具有良好的作业效果，覆土镇压装置的选择和设计显得尤为重要[19]。机具的开沟特性和覆土镇压性能是检验机具作业效果的重要指标，由于机具开沟深度在25cm以上，机组前进过程中由开沟装置开出深沟的同时会将土壤向四周抛洒，这就要求在选用覆土器类别时着重考虑覆土量大小的问题。覆土装置选用不佳，会导致土壤不能完全回填进沟内，镇压装置失去作用，降低机具的作业质量，对后续的作业产生影响，不满足早地合理耕层构建技术指标的要求[20-21]。本研究主要对1JHL-2型秸秆深埋还田机的覆土装置进行参数优化。因机具在初次田间试验过程中，覆土装置存在土壤的抛洒和飞溅，作业后地表不平整，针对这一状况，本研究对机具的覆土装置进行优化设计，改善机具的作业效果，使覆土装置可以通过转速的调节来调整覆土镇压效果，寻找适合东北地区秸秆深埋还田机覆土装置的最佳结构型式。

1 覆土装置总体结构及工作原理

1.1 总体结构

1JHL-2型秸秆深埋还田机如图1，选取机具的覆土装置作为研究对象进行参数优化，设计了一种水平式等螺距等径螺旋式覆土装置，结构如图2，主要包括带轮，左、右覆土螺旋，支撑板，螺旋轴等。其中，螺旋覆土装置主要由左、右覆土螺旋组成，动力由拖拉机万向节传至变速箱，分别通过链传动和输送带传送最终传至覆土装置。选取直径为50mm的圆钢作为螺旋轴，长度设置为1100mm，螺旋叶片采用焊接的方式与螺旋轴连接，左、右螺旋对称布置且旋向相反，二者间距500mm，覆土宽度为1200mm，叶片厚度为3mm，螺旋轴上螺旋线圈数设置为2圈，因其工作过程中无需入土，仅需将沟两侧的土回填至沟中，则选用厚度为3mm的钢板滚压而成。

图1 1JHL-2型秸秆深埋还田机整机结构示意图Figure 1 Structural sketch of 1JHL-2 straw deepburied returning machine

1.2 工作原理

机具作业时，拖拉机通过带传动带动覆土装置工作，螺旋叶片高速旋转，可以将沟两旁的土壤旋起并使土壤沿其表面向沟中运输，由于机组所开深沟在25cm以上，所以需在短时间内将开沟器甩出的土壤全部回填至沟中，因此选用覆土量较大的螺旋式覆土器作为覆土装置，可以通过改变带轮间的传动比来调节其转速以便于更好的完成覆土作业。覆土装置焊接于机架上，高度不可调，旋转的螺旋叶片可以将螺旋开沟装置开沟时甩出的土沿螺旋轴向输送至沟中，覆盖于秸秆上方，将秸秆掩埋，经由镇压装置将土壤压实。螺旋覆土装置的工作示意图如图3。

2 螺旋覆土器的设计

2.1 螺旋覆土器的参数设计

针对螺旋式覆土器，螺旋线的设计由垂直于覆土螺旋轴的直线绕其匀速旋转并移动所形成[22-23]。用Z轴表示覆土螺旋轴，螺旋线的形成示意图如图4。

在XYZ坐标系中，螺旋叶片上任意一点的坐标为：

图2 螺旋覆土装置结构图Figure 2 Structural diagram of spiral soil covering device

式中：ρ为叶片上质点距离Z轴的距离 （mm）；θ为形成线的转角(°)；C为螺旋线形成线沿Z轴旋转一弧度所上升的距离（mm）；S 为螺距（mm）。

图3 螺旋覆土器工作原理Figure 3 Working Principle of Spiral Clay Cover

图4 螺旋线形成过程Figure 4 Helix formation process

螺旋叶片转动时，叶片作用于土壤的力沿叶片法线方向，则计算土壤运动时，应先确定叶片上任意一点与Z轴之间的夹角，形成线KF上选取一点A，并沿其作一切面T，AN为切面T的法线，则AN与Z轴的夹角为δ，则 δ等于[24]：

经过计算可得：

由此可知，螺旋叶片上任意一点的法线与Z轴的夹角大小应等于该螺旋叶片的螺旋角。因螺旋叶片上各点的螺旋角不等，且半径最小时，螺旋角最大；半径最大时，螺旋角最小，则其余螺旋角大小介于二者之间。

图5为螺旋角α与土壤沿轴向的运动速度Vz的关系曲线图，其中曲线1和曲线2分别为α=20°和α=30°时的轴向速度曲线，由曲线可知，当α约为35°和30°时，Vz取得最大值，由式（3）可以求得覆土装置轴向速度最大时螺旋角的大小，螺距表达式为[24]：

图5 螺旋角与Vz的关系Figure 5 The relationship between spiral angle and Vz

将式（4）带入式（3），可以求得螺旋角的大小：

式中：φ为螺旋叶片与土壤的摩擦角。

2.2 螺旋覆土器转速的确定

机组前进过程中，土壤不断的被开沟器向外抛出，若想把沟外的土全部回填入沟中，则螺旋转速的计算尤为重要，该过程要求其转速保持在一定的范围内。若转速过小，则沟外的土不能全部回填入沟内；若转速过大，会导致土被抛送至镇压装置后方，影响机具的作业效果。螺旋覆土器转速为：

式中：r0为螺旋叶片半径（mm）；g为重力加速度；一般Fr选取范围为2.5～4.5。

要保证螺旋叶片工作中，沟两侧的土壤被回填入沟中，需要满足以下条件：

式中：α 为螺旋角(°)；φ 为土壤与钢板的摩擦角(°)。

由于螺旋叶片上各点的螺旋角是不相同的，半径最小处螺旋角最大，因此只要保证内径处的螺旋角满足以上条件即可。

螺旋叶片的进给量可根据工作地区的土壤情况和动力的大小来确定。螺旋外边缘一点运动方向和竖直方向夹角β，则螺旋的进给量S与夹角β的关系为：

式中：D0为螺旋叶片的计算直径（mm）；其中，β=0.4°～1°。

由于机具开沟抛土量大，为了保证螺旋覆土装置具有较好的输送效率，同时保证功耗较少，选取螺旋升角为16°。通过查阅农业机械学手册，选择土壤颗粒运动方向与竖直方向夹角φ为24°[25]，最终可得螺旋覆土器转速为 268r·min-1。

2.3 螺旋覆土器工作条件

螺旋叶片的土壤切削量为：

式中：b 为工作幅宽（m）；v为机具前进速度（m·s-1）；h 为耕深（m）。

螺旋叶片的输送量为：

式中：φ为充满系数；R为螺旋叶片外径（mm）；r为螺旋叶片内径（mm）；s为切土进距（mm）；n为螺旋叶片转速（r·min-1）。

由于螺旋覆土器进行土壤传输过程中，同一断面上土壤各点距离螺旋轴距离不等，且土壤的轴向运动速度不同，因此覆土器的生产率可以通过积分的方式进行计算：

式中：Q为螺旋覆土器生产率；g为土壤容（kg·m-3）；R为螺旋叶片外半径（m）；r为螺旋叶片内半径（m）；ξ为螺旋叶片上任意一点距螺旋轴的距离（m）；K为覆土器生产率降低系数，一般选取为1；τ为充满系数，一般取值范围为 0.2～0.4。

为了保证被螺旋覆土装置切削的土壤被及时的由螺旋叶片输送进入沟中而不产生土壤拥堵现象，应保证螺旋叶片的土壤输送量大于切削量[26-28]。经过计算，得出本研究所设计螺旋覆土装置的土壤输送量大于土壤切削量，可以将沟两侧的土壤回填进沟中并不产生拥堵。

2.4 土壤颗粒的受力及运动分析

螺旋覆土器在旋转和前进的同时，将沟两旁的土壤沿螺旋轴两端向沟中输送土壤。选取螺旋覆土器作为参考系，将土壤颗粒简化为质点均布在螺旋叶片上。选取土壤颗粒质点作为研究对象，图6为土壤颗粒的受力示意图，X、Y坐标轴分别表示运输土壤的方向和机具的前进方向，设叶片的螺旋升角为α，忽略土壤间的相互作用力，对土壤进行受力分析。土壤质点受到泥土的摩擦力Pf，螺旋叶片的法向推力PN，以及田间摩擦力fa。

土壤被螺旋输送过程中，由于叶片对泥土的摩擦作用，导致螺旋叶片对物料作用力的合力F0与叶片的法向方向偏离了角度β，大小等于泥土对于叶片的摩擦角。土壤质点运动过程中所受合力可以分解为轴向和沿螺旋旋转方向，其公式为：

式中：O为土壤质点；F0为螺旋叶片对土壤颗粒的合力（N）；β为泥土对螺旋叶片的摩擦角(°)；α为螺旋角(°)；FX为轴向分力（N）；Ft为周向分力（N）。

由式（13），为使土壤沿轴向运动，则需保证Fx＞0，因此螺旋升角的大小应满足：

图7中，V0为土壤颗粒的牵连速度，方向为其沿O点旋转的切线方向；Vr为土壤颗粒相对叶片表面的滑动速度，方向沿O点处螺旋线的切线方向；Vb为拖拉机的前进方向[29]。则螺旋叶片上土壤颗粒沿轴向及螺旋旋转方向的速度可以分解为：

式中：S为螺旋叶片的螺距；μ为土壤与螺旋叶片表面的摩擦系数；Vx为土壤颗粒沿轴向的速度（m·s-1）；Vt为土壤颗粒沿螺旋叶片旋转方向的切向速度（m·s-1）；r为土壤所在螺旋线的半径（mm）。

图6 土壤颗粒受力示意图Figure 6 Stress diagram of soil particles

图7 土壤颗粒速度分解图Figure 7 Soil particle velocity decomposition map

3 试验设计与结果分析

3.1 试验条件

试验时间为2019年4月，试验地点为沈阳市辽中区朱家镇白头沟村的玉米试验田。经过实地测量，玉米秸秆留茬的平均高度为10cm，行距为55cm，株距平均为35cm，地表的玉米秸秆覆盖量平均为0.8kg·m-2，在试验田中圈定正方形区域，按照对角线取点进行测试，在选取的区域中分别测得不同深度下的土壤含水率和坚实度：测量深度为5cm时，土壤含水率为27.1%，土壤坚实度为1249kPa；测量深度为10cm时，土壤含水率为30.5%，土壤坚实度为1298kPa；测量深度为20cm时，土壤含水率为30.67%，土壤坚实度为1347kPa；测量深度为25cm时，土壤含水率为31.3%，土壤坚实度为1490kPa。

田间试验过程中所需的主要仪器为：雷沃2004型拖拉机、螺旋开沟器、仿生螺旋开沟器、1JHL-2型秸秆深埋还田机、SM-2型高精度土壤水分测量仪、SC900型土壤紧实度测量仪、卷尺、直尺等。试验过程中机器分别装载两个螺旋开沟器，试验过程如图8。

3.2 试验影响因素及指标的确定

影响机具开沟效果的因素有很多，主要包括机组的前进速度、螺旋覆土器转速、开沟深度、土壤含水率、土壤坚实度和地表秸秆覆盖量等。因试验地区的土壤含水率与坚实度相对稳定，所以选取前进速度A、螺旋覆土器转速B、开沟深度C为试验指标的影响因素。参照《GB/T 6242-2006种植机械马铃薯种植机试验方法》[30]，选取覆土合格率S作为试验指标。

3.3 试验方案的设计及方差分析

试验利用Design-Expert软件设计三因素五水平二次回归正交组合试验，因素水平编码表如表1。试验次数设置为17次，其中零水平试验组合进行3次，每组试验过程中，机具前进距离设置为50m。利用Design-Expert软件对试验结果进行方差分析并将试验因素对试验指标的影响进行排序[31]。试验结果如表2。

表2 试验结果Table 2 The test results list

通过Design-Expert软件对试验数据进行分析，得出覆土合格率的方差分析表3，回归方程模型中，p＜0.0001，回归是极显著的。失拟项中p=0.23＞0.05，说明拟合不足是显著的，所以此模型可以用于覆土合格率的预测。通过对所得回归方程系数的比较，得出试验因素对试验指标的影响顺序为：机具前进速度＞覆土器转速＞开沟深度。覆土合格率的回归方程为：

表3 覆土合格率方差分析Table 3 ANOVA analysis of qualification rate of covered soil

3.4 试验因素的影响趋势

利用Design-expert中的3D Surface model graphs功能可以直观的的表现出试验过程中，各试验因素对试验指标的影响。由图9可知，覆土合格率随着随着前进速度的增大而减小，随着覆土器转速和开沟深度的增大而先增后减并在0水平附近取得最大值。

3.5 试验优化参数的确定

依据所建立的回归方程模型，可以获得每个因素的最优参数组合，进而可以实现改善秸秆还田机的作业效果等目的。利用Design-Expert软件中的优化求解功能获得回归方程中的最优解。依据试验过程中得到的数据，覆土合格率的目标函数和约束条件为：

求得覆土合格率的最优参数组合为：前进速度为2km·h-1，覆土器转速为290r·min-1，开沟深度为25cm时，覆土合格率为97.1%。

3.6 试验结论的验证

根据所得的最优参数组合，在相同的试验田中以同样的试验方法进行验证[32]，随机选取10组地块，设定机具前进速度为2km·h-1，覆土器转速为290r·min-1，开沟深度为25cm进行多组随机试验，在每组地块中选定区域进行称重，取10组试验的平均值作为结果。通过试验，所得覆土合格率为97.1%，该结果符合秸秆深埋还田机的行业要求和国家标准，可以满足秸秆深埋还田的农艺要求。

图9 试验因素对覆土合格率的影响Figure 9 Effect of test factors on qualification rate of covered soil

4 讨论与结论

目前，秸秆深埋还田技术还正处于发展阶段，国内外的相关研究较少。由马铁[33]研制的一种螺旋式秸秆深埋还田机，该机具采用双轴立式螺旋开沟器作为机具的开沟装置，可以一次性完成粉碎、收集、开沟、掩埋等作业，掩埋深度达到了25cm以上。孙福辉等[34]对机具的镇压装置结构进行了仿形设计，并进行了仿真试验，得出了镇压轮尺寸结构参数与土壤坚实度之间的关系，并建立了其数学模型。宋鲁鹏等[35]对圆盘式覆土器切削土壤过程中的动力学建模仿真，得出了土壤切削应力与切削角及切削破裂角之间的关系。通过比较，本研究设计了更加适合东北地区的秸秆深埋还田机配套覆土装置，能够满足玉米秸秆深埋还田技术要求。

本研究主要对1JHL-2型秸秆深埋还田机进行覆土装置的参数设计及试验分析，通过对覆土过程中，土壤受力情况及运动过程进行分析，确定了螺旋覆土器的参数。螺旋覆土器的最大螺旋升角为16°、叶片厚30mm、转速268r·min-1、螺距为250mm。并进行了三因素五水平二次正交试验，建立了以前进速度、覆土器转速、开沟深度为试验因素，覆土合格率为试验指标的数学回归模型，得出了试验因素对试验指标的影响顺序为：机具的前进速度＞覆土器转速＞开沟深度。同时利用Design-Expert软件中的3D Surface功能，对于试验因素对试验指标影响的直观展示，可以确定最佳参数组合为：机组前进速度2km·h-1，覆土器转速为290r·min-1，开沟深度为25cm，对应的覆土合格率为97.1%。通过对试验结论的验证，在最优的参数组合下，覆土合格率的平均值达到97.1%，满足秸秆深埋还田的相关技术要求，可以为秸秆深埋还田机覆土装置的设计及参数优化提供一定的理论参考。