秸秆条带捡拾粉碎深埋装置设计与试验

陈桂斌 卢彩云 何 进 王 超 王秀红 王庆杰

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室， 北京 100083)

0 引言

东北黑土区对维护国家粮食安全具有重要意义，长期以来对黑土地的重用轻养、无节度开发利用使黑土层不断变薄、变瘦、变硬[1-3]。近年来随着国家对于东北黑土地保护的不断重视，应用保护性耕作技术，实施作物秸秆还田已成为提升黑土地质量的关键技术之一。

秸秆还田具有补充土壤有机质含量，减少化肥用量，提升土壤蓄水保墒能力等优势[4-5]。在实施作物秸秆还田过程中，当地表大量秸秆覆盖时，容易造成免耕播种机“拖堆”，导致播种质量差，此外地表秸秆腐烂周期长，残存在地表会导致病虫害增加。目前常见的秸秆还田有粉碎翻埋、浅耕混拌、秸秆深埋、覆盖还田等方式。其中秸秆深埋能够增加土壤孔隙度，提高土壤导水导气，改善耕作层的土壤物理性质，减少地表秸秆覆盖量，从而提高播种地温[6-7]。国内已有部分学者对秸秆深埋作业模式和机具开展相关研究，田阳等[8]为构建合理耕层，设计了气力式秸秆深埋还田机输送装置，通过田间试验得到该装置深埋质量满足设计要求。王金武团队[9-10]针对东北地区秸秆特点提出反旋秸秆深埋还田技术，较好地解决了秸秆还田深度不足，旋耕部件易铲草的问题。高文英等[11]结合秸秆深埋还田的技术要求，设计了螺旋开沟装置，并对螺旋叶片表面进行仿生优化设计，有效地降低粘土堵塞问题。窦森[12-13]提出一种秸秆“富集深还”的技术模式，在条带轮耕深松土壤的同时将秸秆富集深埋于条带土壤亚表层。上述研究为秸秆深埋提供了一定的理论和技术支撑。

为解决地表秸秆量大，导致免耕播种质量差，秸秆全量深埋动力消耗大等问题，结合条带耕作模式，本文设计一种秸秆粉碎深埋装置，将地表播种条带内的秸秆捡拾粉碎的同时深埋于地下，降低播种条带内的秸秆量。通过对关键部件理论和仿真分析，得到其关键参数和影响规律；通过田间试验，对装置不同作业参数组合的试验结果进行分析，从而得出秸秆条带捡拾粉碎深埋装置的较优参数组合，以期为秸秆深埋还田的研究和发展提供参考。

1 条带秸秆深埋装置结构与工作原理

1.1 整体结构

秸秆条带捡拾粉碎深埋装置主要针对保护性耕作地表秸秆量大，影响免耕播种质量等问题进行设计。该装置的安装位置如图1a所示，其主要结构如图1b所示，主要有捡拾粉碎机构、集秆螺旋器、运秸风机、输秸软管、开沟铲、压秸轮、回土挡板和开沟仿形机构组成。

1.2 工作原理

如图2所示，秸秆条带捡拾粉碎深埋装置作业时，秸秆捡拾粉碎机构的粉碎刀轴做高速回转运动将地表秸秆和残茬进行粉碎处理，并把秸秆向后抛送至后罩壳挡板处，此过程中秸秆与少量表土形成土秆混合物经由后罩壳挡板处筛孔进行筛分，完成土秆分离，筛分后的秸秆依靠自重落入到集秆螺旋器中，集秆螺旋器产生的推运作用将秸秆沿指定方向输送至运秸风机内，运秸风机叶片高速旋转，对秸秆产生抛送作用，此外运秸风机叶片在抛送秸秆的同时所产生的正压气流同样能在秸秆运动过程中起到一定的吹送作用，秸秆被运秸风机抛出后通过输秸软管进入到开沟铲所开的秸秆掩埋沟中，开沟铲上回土挡板可以减缓回土时间，利于秸秆顺利进入沟底以达到更好的掩埋效果，开沟仿形机构能较好地保证开沟深度的一致性，压秸轮被动旋转能将输入到沟中的秸秆层压实，同时能在形成秸秆层后对回落沟中土壤起到向下压实的作用，能在一定程度上增强回土效果。

2 关键部件设计

2.1 捡拾粉碎机构

秸秆捡拾粉碎机构主要将地表的玉米秸秆进行捡拾粉碎，通过动刀的回转运动完成秸秆粉碎捡拾功能。为实现较好的秸秆粉碎质量和捡拾效果，需对该机构的粉碎刀及粉碎刀辊进行结构、作业参数的确定。

2.1.1粉碎刀设计

秸秆捡拾粉碎刀主要由2把L形粉碎刀组成，L形粉碎刀的侧切刃能显著影响秸秆的粉碎效果，其刃角越小，刀片越薄，秸秆粉碎效果越好，但其使用寿命会降低[14-16]，考虑到田间作业环境复杂，有石块等坚硬异物存在，为保证刀片使用过程中的耐久度，设计刃角为45°，刀片厚度为5 mm，粉碎刀弯折角为135°，材料为结构钢，其他结构参数如图3所示。

2.1.2粉碎刀辊排列

合理的刀辊排列顺序不仅能提升秸秆粉碎质量，还能减小刀辊振动使其负荷均匀，保持动平衡，降低功耗[17]。如图4所示，本文设计粉碎刀数量为21组，粉碎刀的安装顺序为3条螺旋线排列，此排列方式能保证刀辊转动时仅有3把刀具处于工作状态，粉碎刀排列展开图如图5所示，考虑到条带作业秸秆粉碎捡拾需求，选取粉碎刀回转直径为255 mm，粉碎刀轴作业幅宽为300 mm，相邻的两组刀轴间轴向距离相等，为50 mm，径向夹角为60°。为提高刀片的使用寿命，减少磨损和断裂，粉碎刀离地高度设计为15 mm。

2.1.3粉碎刀辊漏捡区域分析

为提高秸秆粉碎捡拾效率，图6中漏捡区ABC的面积应尽量小，通过理论分析可得，漏捡高度h、漏捡距离d与捡拾粉碎刀角速度ωL、刀片数量ZL的关系为

(1)

式中nL——粉碎刀辊转速，r/min

RL——粉碎刀辊回转半径，mm

v——作业速度

可将漏捡区域ABC近似为三角形，因此有

(2)

式中rL——刀座回转半径，mm

l1——粉碎刀弯折处长度，mm

l2——粉碎刀直边长度，mm

μ——粉碎刀弯折角

由式(2)可知，捡拾粉碎刀的转速与图示秸秆漏捡区域面积成反比，秸秆漏捡区域面积随秸秆捡拾刀转速的增加而减小，随机具前进速度的增加而增大；随着L形粉碎刀弯折角增大，秸秆漏捡区域面积增大，不利于提升秸秆捡拾效率；捡拾粉碎刀转速对秸秆漏捡面积的影响大于刃口长度和折弯角对秸秆漏捡面积的影响。

2.1.4粉碎刀辊转速

图6为粉碎刀辊作业时捡拾粉碎刀端点的运动轨迹图，假设端点运动轨迹上任意一点坐标为(x，y)，以此建立其运动轨迹方程为

(3)

对式(3)进行微分，得到捡拾粉碎刀端点速度与时间的运动方程为

(4)

其中

(5)

式中vx——捡拾粉碎刀在x方向的水平分速度

vy——捡拾粉碎刀在y方向的竖直分速度

2.2 集秆螺旋器

集秆螺旋器作业时先由罩壳将粉碎刀轴抛送出的秸秆挡下，再由集秆螺旋器推送并将秸秆收集输送至运秸风机中，实现输送秸秆的目的。

2.2.1集秆螺旋器转速

集秆螺旋输送机构为秸秆粉碎深埋装置重要组成部分，集秆螺旋器转速对秸秆输送量和秸秆运动速度具有直接影响，为确保其具有良好的作业性能，其秸秆输送量应大于或等于粉碎刀辊所产生的喂入量，秸秆条带捡拾粉碎深埋装置的实际作业参数为作业幅宽30 cm，前进速度3～5 km/h，作业地表秸秆覆盖量1.2 kg/m2，则可得集秆螺旋器的输送量为

(6)

故集秆螺旋器转速ng应满足

(7)

式中D——螺旋大径，mm

d——螺旋小径，mm

S——螺距

λ——外径与罩壳内表面间隙，mm

ρ——秸秆密度，kg/m3

ψ——螺旋填充系数，取0.32

k——秸秆输送修正系数，取1.21

已知螺旋大径为165 mm，小径为60 mm，螺距为90 mm，间隙为6 mm，秸秆密度为350 kg/m3，取前进速度为4 km/h。计算得集秆螺旋器转速最小值为896 r/min。

2.2.2秸秆运动速度

当集秆螺旋器以转速ng转动时，秸秆运动速度分析如图7所示，在点O处的秸秆运动速度主要由牵连速度va和相对速度vb矢量合成速度vc，受秸秆与螺旋叶片间摩擦力的存在，合成速度偏转一定的摩擦角α，实际为vf，将绝对速度vf分解为vx、vy，集秆螺旋器中秸秆运动的轴向速度为

vx=vfcos(α+θ)

(8)

式中θ——螺旋升角

故秸秆运动的轴向速度为

(9)

又因为

(10)

所以有

(11)

由式(11)可知，当1-tanαtanθ≤0时，秸秆将不能轴向运动，对vx进行求导，并令dvx/dα=0，则秸秆运动的最大轴向速度所对应的螺旋角θmax为π/4-θ/2。当螺距不变时，集秆螺旋器半径r增大，螺旋角θ减小，此时秸秆输送量增大，但秸秆运动的轴向速度vx会减小；当r不变时，S与α成正比，当S、α增大时vx也相应增大。

2.2.3离散元模型

为获取集秆螺旋器在输送秸秆时的最佳转速范围，明确集秆螺旋器转速与螺旋所受扭矩和离开排秸口处秸秆运动速度之间的关系，本文建立粉碎刀轴抛送、集秆螺旋器推运的工作部件与秸秆颗粒离散元互作模型。

被粉碎后的秸秆形状复杂，主要由碎秆和叶片组成，且秸秆还田机作业后秸秆长度集中分布在5～10 cm[20]，为更加准确地模拟秸秆运动过程，模型中对碎秆做均匀化处理近似为圆柱体，其半径为2.2 mm，长度为6 cm，叶片长度5 cm，由51个半径为1.7 mm的球体组成，秸秆颗粒工厂尺寸(长×宽×高)为300 mm×200 mm×35 mm，所建立的秸秆模型如图8所示，相关离散元仿真参数[20]如表1所示。

表1 仿真相关离散元参数Tab.1 Simulation related discrete element parameters

根据前述作业条件，在离散元前处理面板的秸秆颗粒工厂中设置秸秆生成质量为720 g，秸秆的生成方式为静态生成，仿真时间为2 s，仿真模型如图9所示。

由前述理论计算可知，为满足秸秆量输送要求，集秆螺旋器的最小转速为896 r/min，为探究集秆螺旋器转速与秸秆离开排秸口的速度关系以及与螺旋所受扭矩关系，分别设置螺旋器转速为900、1 000、1 100、1 200 r/min 4个水平进行模拟，在离散元后处理面板中的Setup Selections模块中设置秸秆颗粒速度传感器对秸秆离开排秸口的平均运动速度进行监

测，并在后处理面板中导出集秆螺旋器所受扭矩平均值。

运秸螺旋器在不同时刻输送秸秆运动状态如图10所示。图中0.002～0.2 s过程中地表秸秆被捡拾起抛送到罩壳的后挡板处，0.2～0.3 s时被后罩壳挡下的秸秆落入到集秆螺旋器中并随螺旋器产生定向运移，0.4～0.6 s达到输送稳定状态。

如图11所示，在0～0.2 s中，秸秆颗粒运动速度波动较大，主要与经过排秸口处的秸秆数量较少有关，其中转速1 200 r/min条件下，秸秆的运动速度最大，达7.5 m/s；在0.2～0.4 s中，螺旋器转速对秸秆运动速度影响不显著，但也呈现出随着螺旋器转速增加秸秆运动速度增加的趋势，其中，转速1 100、1 200 r/min条件下，秸秆运动速度变化起伏大，转速900 r/min条件下秸秆运动速度变化较为平稳，趋近于1.6 m/s；在0.4～0.6 s中，秸秆运动速度达到稳定状态，随着转速增加秸秆运动速度呈现增加趋势，其中转速1 200 r/min相较于转速1 100 r/min条件，秸秆运动速度增加不明显，均趋近于2 m/s，而在900、1 000、1 100 r/min 3个水平下，随着转速的增加秸秆运动速度有较为明显的阶段性增加，因此在转速900～1 100 r/min范围内可通过提高集秆螺旋器转速提高排秸口处秸秆的运动速度。

如图12所示，在0～0.2 s中，由于多数秸秆被粉碎刀轴捡拾抛起到后罩壳挡板上，仅有少数秸秆落入到集秆螺旋器中，因此在此阶段所受扭矩较小，螺旋转速变化对其所受扭矩影响较小；在0.2～0.4 s中，螺旋所受扭矩呈明显的增加趋势，其中，1 200 r/min转速条件下扭矩增加趋势大于其他3个水平，在0.4 s时螺旋所受扭矩为12 N·m，远超其他转速；在0.4～0.6 s中，集秆螺旋器所受扭矩趋于平稳，其中，在1 200 r/min转速条件下，扭矩仍存在变大趋势，在0.6 s时刻，螺旋所受扭矩为19.2 N·m，远大于其他转速条件，在900、1 000、1 100 r/min 3个水平下扭矩趋于平稳状态，并呈现随转速增加扭矩变大的趋势。

通过上述对不同转速条件下集秆螺旋器所受扭矩和排秸口处秸秆运动平均速度的分析，集秆螺旋器的转速在900～1 100 r/min较为合理。

2.3 运秸风机

运秸风机输送秸秆的基本原理为利用风机的叶片将粉碎后的秸秆进行抛送，使其具有足够的速度能够沿输秸软管运动，并输送到开沟铲所开沟中，运秸风机叶片在做回转运动时也会形成正压气流，气流能够在秸秆运动速度减小的过程中起到一定的吹送作用，同时能够降低秸秆在运动过程中所受的空气阻力。

当运秸风机叶片绕轴线做高速旋转运动时，叶片将粉碎的秸秆进行抛掷，对秸秆抛掷过程进行分析可知，秸秆跟随叶片转动使其获得一定的初速度，当风机叶片运动到风机排秸口处时，秸秆的运动分析如图13所示，其初速度为vd，根据速度的矢量合成关系可分解为沿风机叶片的切向运动速度vt和垂直于风机叶片的速度vn。

秸秆在垂直升运过程中，被风机叶片以初速度vd抛出，为使粉碎秸秆顺利离开管道，其抛出速度ve应该为4～5 m/s[21]，根据动能定理可得

(12)

式中τ——秸秆在抛送过程中与管壁碰撞及摩擦的能量损失系数，为0.82

H1——秸秆抛送的最大高度，mm

推导得秸秆被抛送的初始速度vd为

(13)

由于理论初始线速度vl与实际线速度vd存在夹角β，因此引入速度修正系数ξ，为3.2。假设秸秆被抛出的初始线速度与风机叶片转速nf的关系为

(14)

由于风机在抛送秸秆的过程中，秸秆并非平行于运秸风机端口处抛出，而是存在夹角π/2-ε，因此有

(15)

因此为保证风机将秸秆能充分地输送到开沟铲所开沟中，已知秸秆抛送高度为50 cm，半径为186 mm，ε为50°，则风机转速为

(16)

求得风机叶片转速nf为1 402 r/min。

2.4 开沟铲设计与离散元仿真

2.4.1开沟铲设计

开沟铲作为秸秆条带捡拾粉碎深埋装置的关键零部件之一，开沟作业效果直接影响秸秆深埋质量。如图14所示，铲柄长度h3为655 mm，铲柄厚度a2为30 mm，破土刃长度h2为280 mm，铲尖长度S2为255 mm，铲尖入土角φ为7°，为增加开沟铲开沟宽度并防止开沟铲开沟过程中回土过快、影响秸秆深埋效果，故在开沟铲后设计回土板保持开沟沟型延迟回土时间，确保开沟质量，回土板高度h4为300 mm，回土板宽度e为200 mm，回土板挡土夹角λ为26°。

由于玉米秸秆具有松散、体积大、密度低等特性，在深埋过程中需对沟中秸秆进行压实处理，所设计的压秸轮依靠自重采用被动旋转的方式对秸秆进行压实，便于后续覆土处理，提升秸秆掩埋效果。压秸轮直径R2为160 mm，压秸轮支臂b为355 mm，压秸轮幅宽l为170 mm。

2.4.2离散元仿真

利用离散元仿真模拟确定作业速度与开沟深度两因素与表层土壤颗粒运动状态及开沟铲受力之间的关系。结合秸秆深埋的实际作业需求，选取装置作业速度为2、3、4 km/h，开沟深度为200、250、300 mm进行两因素的完全试验，共计9组试验。

在EDEM软件中建立土槽，尺寸(长×宽×高)为2 000 mm×600 mm×400 mm，并选择Hertz-Mindlin with no slip 作为土壤颗粒间接触模型，其中土壤颗粒由半径为5 mm的球体组成，土层深度为400 mm，土壤密度为1 346 kg/m3，开沟铲材料属性为65Mn钢，密度为7 830 kg/m3，土壤与开沟铲的本征参数和接触参数[22-24]如表2所示。

表2 离散元仿真参数Tab.2 Discrete element simulation parameter

为提高仿真的计算效率，对开沟铲模型进行简化，将不影响计算结果的结构去除，并将三维软件SolidWorks中的模型保存为x-t格式，导入到EDEM软件中，在前处理面板中调节好开沟铲与土槽间的相对位置，为开沟铲添加前进速度，同时为压秸轮添加绕中心轴线旋转的角速度和前进速度，仿真时间为5 s。图15为开沟铲作业过程的整体仿真模型。

2.4.2.1开沟铲土壤运动状态分析

传统的试验方式很难对开沟过程的土壤运动状态进行分析，为明确开沟铲作业速度和开沟深度对土壤运动的影响，利用离散元法对不同作业条件下土壤颗粒的运动情况进行分析，当开沟铲处于土槽中段稳定开沟阶段时，土壤颗粒运动速度俯视图如图16所示。

由图16可知，在图16f、16h、16i 3组仿真试验中，开沟铲开沟过程中，开沟铲周围土壤表层颗粒运动速度远大于其他条件下颗粒的运动速度，表明该试验条件下开沟铲对表层土壤的扰动较大；图16c、16e 2组仿真试验较图16a、16b、16d、16g 4组仿真试验开沟铲周围土壤颗粒运动速度大，图16a中开沟铲周围土壤颗粒运动速度最小，图16a～16c、图16d～16f、图16g～16i 3组对比试验可知，当开沟深度一致时，随作业速度的增加土壤表层颗粒运动速度增加，土壤扰动范围变大，当作业速度相同时，图16a、16d、16g，图16b、16e、16h，图16c、16f、16i 3组对比试验可得，土壤颗粒运动速度与开沟深度成正相关，随着开沟深度的增加土壤表层颗粒运动速度增加，对土壤表层的扰动越大。在实际开沟过程中开沟铲对土壤表层的扰动大，会增加土壤水分蒸发量不利于保护土壤墒情，因此需要降低开沟铲对于土壤表层的扰动。

为考察开沟铲在开沟过程中，开沟铲位置对于土壤颗粒整体运动情况的影响，选取开沟深度为250 mm、作业速度为4 km/h的仿真试验条件进行分析，分别截取铲尖入土时刻(0.1 s)、开沟铲完全入土时刻(0.5 s)和稳定开沟时刻(1.3 s) 3个代表性阶段，对不同阶段土壤颗粒运动速度进行分析。

由图17a、17d可知，在开沟铲铲尖入土时刻，开沟底层处的土壤颗粒在铲尖的作用下产生了垂直于铲尖平面向上的速度，土壤颗粒有被向上翻升的趋势。如图17b、17e所示，当开沟铲完全入土时，在开沟深度范围内，靠近开沟铲铲柄位置处土壤颗粒速度较大，在铲柄运动方向前侧区域内土壤颗粒产生了运动速度，距离铲柄相对位置越远其运动速度越小，此时土壤颗粒沿垂直于铲尖平面和铲柄平面向前、向上运动，并在回土板的作用下向开沟铲前进方向的两侧运动，在开沟深度内的土壤颗粒主要受到铲柄和铲尖的挤压和切削作用。

当开沟铲处于稳定开沟时刻时，如图17c、17f所示，垂直于铲尖平面和铲柄前方处土壤颗粒运动速度最大，随着开沟铲的前进，土壤颗粒经过挡土板后回落到沟中，铲柄后侧的压秸轮被动旋转使土壤颗粒产生向下运动的趋势，能够增强回土效果。

2.4.2.2开沟铲受力分析

开沟铲在开沟过程中，铲尖与铲柄对土槽内土壤颗粒进行挤压和剪切作用，土壤颗粒沿垂直于铲尖平面及铲柄的破土刃方向被向上和向前抬升，开沟铲后侧后方的土壤颗粒在自身重力和压秸轮被动旋转压实过程中，回落沟中。为进一步明确开沟铲在开沟过程中受到土壤颗粒的作用力，对不同作业速度和开沟深度下开沟铲前进方向所受的作用力进行分析，如图18所示。

图18a中，在0～0.6 s时刻开沟铲处于入土状态，其受到土壤的作用力逐渐变大，在0.6～2.4 s开沟铲在前进方向上受力趋于稳定，其稳定状态下开沟深度为200、250、300 mm时的开沟铲受力的均值分别为358.56、540.65、681.01 N，在2.4～3.5 s开沟铲离开土槽时，在土槽边缘会出现雍土现象，因此在此时间段内开沟铲的受力先急剧增加后迅速减小；图18b中0.5～1.7 s开沟铲受力达到稳定状态，其稳定状态下作业速度开沟深度为200、250、300 mm时的开沟铲受力的均值分别为411.37、576.73、721.83 N；图18c中0.6～1.5 s开沟铲受力达到稳定状态下，开沟深度为200、250、300 mm时的开沟铲受力的均值分别为471.75、653.12、769.41 N；由上述分析可知，当开沟深度相同时开沟铲的受力随作业速度的增加而增大，作业速度相同时开沟铲的受力随开沟深度的增加而增大。

3 田间试验

3.1 试验条件

为测试所设计的秸秆粉碎深埋装置的田间作业性能，2021年8月于山东省天盛机械有限公司开展田间试验，如图19所示，试验地人为设置秸秆覆盖量为1.2 kg/m2，土壤类型为壤土，土层0～300 mm内其他土壤特性参数如表3所示，秸秆平均含水率为31.4%。主要试验仪器有东方红1304型拖拉机、SC900型Cone-index土壤紧实度仪、30 cm×30 cm框架、φ50.46 mm×50 mm取土环刀等。

表3 土壤特性参数Tab.3 Soil characteristic parameters

3.2 试验方法与评价指标

基于前述理论分析与仿真分析，该装置集秆螺旋器转速、作业速度和开沟深度对秸秆输送、粉碎捡拾质量和开沟质量有较大影响，进而进一步影响秸秆掩埋质量，选取集秆螺旋器转速、机具前进速度、开沟深度为试验因素进行Box-Behnken试验，因素编码如表4所示，试验结果如表5所示(X1、X2、X3为因素编码值)。

表4 试验因素编码Tab.4 Coding of test factors

表5 试验方案及试验结果Tab.5 Test scheme and test results

在每个试验行程中随机选取3个测试点，以该点为中心使用30 cm×30 cm框架进行试验数据采集。为确定秸秆深埋质量，采用秸秆掩埋合格率为主要指标进行评价，其计算公式为

(17)

式中Y1——秸秆掩埋合格率，%

M1——掩埋深度大于150 mm秸秆质量，kg

M2——试验前条带内秸秆质量，kg

3.3 结果分析与回归模型建立

利用Design-Expert软件对试验结果进行二次回归分析，并进行多元回归拟合，得到以秸秆掩埋合格率Y1为试验指标的回归方程，并检验其显著性。

由表6可知，试验模型极显著(P<0.01)。主因素中前进速度和开沟深度对指标影响为极显著，螺旋转速为显著，交互项中前进速度和开沟深度对指标影响为较显著，且各主因素对掩埋合格率的影响由大到小为x1、x2、x3。二次主效应项中前进速度与开沟深度均为显著，将不显著的交互项和二次主效应项的平方和、自由度并入残差项，剔除不显著因素，进行方差分析，得到各因素与掩埋合格率的回归方程为

(18)

对上述回归性方程进行失拟性检验，如表6所示，失拟项P=0.247 6>0.1，不显著，证明试验指标和试验因素存在显著的二次关系。

表6 掩埋合格率方差分析Tab.6 Variance analysis of burial rate

3.4 响应曲面分析

通过Design-Expert软件对数据进行处理，得出因素间的显著和较显著交互作用对掩埋合格率影响的响应曲面。

前进速度与开沟深度交互作用如图20所示。当机具前进速度一定时，掩埋合格率随开沟深度的增加而增大，主要因为当开沟深度增加时秸秆掩埋深度更容易达到150 mm，但随着开沟深度的增加开沟阻力也会显著提升;开沟深度最优范围为260～300 mm，当开沟深度一定时，掩埋合格率随机具前进速度的增加而减小，主要因为当前进速度增加时，秸秆粉碎捡拾质量下降明显，前进速度最优范围为3～3.5 km/h。

3.5 参数优化与试验验证

为获得秸秆条带捡拾粉碎深埋装置最优工作参数，利用Design-Expert软件的优化模块，对试验因素参数进行优选，遵循提高掩埋合格率的原则，根据装置的试验条件和工作要求，选择目标函数和约束条件为

(19)

得到最优参数组合为前进速度3～3.07 km/h、开沟深度286～300 mm、螺旋器转速967～1 100 r/min，优化所得秸秆掩埋合格率为62.4%～69.5%。

为验证优化结果可靠性，取前进速度为3 km/h、开沟深度为290 mm、螺旋器转速为1 000 r/min，进行试验验证，其秸秆掩埋合格率为64.2%，在相近参数条件下其预测值约为67.4%，误差小于5%，与优化结果基本一致。

4 结论

(1)设计了秸秆条带捡拾粉碎深埋装置并阐述该装置的工作原理，确定了粉碎刀结构、排列方式和转速等关键参数，对粉碎刀轴的秸秆捡拾过程进行分析，通过理论分析确定了集秆螺旋器和运秸风机的最小转速分别为896、1 402 r/min，并对秸秆在集秆螺旋器中的运移过程进行分析。

(2)利用离散元单因素仿真试验，明确了集秆螺旋器转速与其所受扭矩和秸秆运动速度之间的关系，并初步确定了集秆螺旋器转速为900～1 000 r/min。对开沟铲的开沟过程进行全因素模拟分析，明晰了作业速度与开沟深度两因素与表层土壤颗粒运动及开沟铲受力之间的关系。

(3)根据实际作业条件和要求对装置工作参数范围进行选取，以秸秆掩埋合格率为试验指标，遵循获得较高秸秆掩埋合格率的原则，对目标函数进行优化，得到各最优参数组合范围，选取前进速度为3 km/h、开沟深度为290 mm、螺旋器转速为1 000 r/min，进行试验验证，其秸秆掩埋合格率为64.2%，在相近参数条件下其预测值约为67.4%，误差小于5%，满足设计要求。