齿盘式秸秆移位装置设计与试验*

孙萌萌，宋明翰，何瑞银，魏清

(1.南京农业大学工学院，南京市，210031；2.南京市高淳区禾田坊谷物种植家庭农场，南京市，211302)

0 引言

保护性耕作被称为一项革命性的农业技术，是全世界应用面积最大的农业耕作技术[1-3]。免耕播种机是保护性耕作技术中的重要机具[4]，而秸秆移位装置又是免耕播种机的关键部件，直接关系到播种质量。秸秆移位装置能够清理种床，提高播种机的田间通过性以及播种质量[5]。目前秸秆移位装置主要分为主动型和被动型。主动型适用于作业速度较高情况下，结构复杂、传动系统可靠性低[6-8]。被动型主要有圆盘式[9]和齿盘拨草式[10-11]，其中圆盘式工作时需要增加垂直载荷才能完成破茬作业，存在土壤扰动大、工作阻力大、功耗大等问题。齿盘拨草式装置是旋转齿盘在作业时可以使种带上的秸秆推移、拨动、挑起、最终排放至种带两侧，以此来实现“洁区”播种功能，对土壤的扰动量较小，通常安装于免耕播种机前部。曹鑫鹏等[12]对玉米免耕播种机的侧置切刀与拨茬齿盘进行性能分析，确定影响清茬的主要因素并运用EDEM仿真进行优化试验，进一步提高清茬性能。目前齿盘拨草式装置在国外运用较为广泛，针对我国油菜种植时秸秆覆盖量大的问题，目前还难以适用，故还未大面积推广。本文对齿盘式的秸秆移位装置进行重新设计，以满足油菜播种要求，运用EDEM进行仿真分析，得到齿盘工作的最佳参数组合，并进行台架试验验证。

1 秸秆移位装置结构与工作原理

本文设计的齿盘式秸秆移位装置(图1)，轮齿均匀分布于齿盘周围，该装置可以实现对秸秆的压、挑、拨、排放等作业过程，齿盘式秸秆移位装置呈现“八”字型排列，具有拨草与分草两种功能。

图1 秸秆移位装置结构示意图Fig.1 Structural diagram of straw displacement device1.限位调节螺栓 2.开沟器立柱 3.销轴 4.连接摆臂 5.齿盘

该装置由齿盘、连接臂、限位螺杆、限位弹簧等部件组成，其中限位弹簧是为了保证该装置在实际工作中遇到地表起伏不平情况时能够具有一定的入土深度，使装置具有仿形功能，保证种床清秸质量。该装置通过限位螺母安装在机架上，随着机具前进而开始回转作业，达到清理种床的功能。

2 秸秆移位装置的运动分析

机具正常作业时，两个齿盘呈现“八”字型排列，齿盘运动呈现为复合运动。现以齿盘中心为原点，构建空间直角坐标系，其中x轴平行于齿盘平面，y轴垂直于齿盘平面，z轴垂直于水平面。秸秆移位装置齿盘平面运动轨迹如图2所示，其中机具的前进速度为v，齿盘的回转中心点o的运动轨迹与机具的前进轨迹一致，运动偏角γ为齿盘运动过程中齿盘与前进方向的夹角。当机具以速度v匀速工作时，齿盘处最低点a点的运动轨迹方程如式(1)所示。

图2 齿盘运动分析简图Fig.2 Sketch of motion analysis

(1)

式中：v——机具前进速度，m/s；

γ——齿盘运动偏角，(°)；

ω——齿盘旋转角速度，rad/s；

R——齿盘半径，m。

齿盘轮齿上的任意一点轨迹运动为螺旋式前进运动，由图3所示，假设齿盘随着机具工作转动了一圈，那么其中心由a点移动到了b点，此过程可以视为齿盘由a点滚动到了c点，再由c点滑动到了b点两个过程。其中ac为齿盘的滚动距离，bc为齿盘的滑动距离，当ac距离一定时，bc距离越大，秸秆的侧向移位就越明显。bc距离与γ相关，在0～45°的范围中，位移偏角越大，秸秆的侧向移位越明显。因此，前进速度v与位移偏角γ是影响秸秆移位效果的重要因素之一。

图3 ozy平面中点的运行轨迹Fig.3 Locus of the midpoint in ozy plane

3 秸秆移位装置关键参数设计

3.1 齿盘倾向

齿盘作业是通过齿盘齿爪在前进过程中将接触到的秸秆拨向两侧，完成秸秆移位功能。当齿盘前进方向恒定时，齿盘排列方式可依据齿爪的方向与速度方向是否一致分为前倾排列与后倾排列，如图4所示。

前倾排列的齿盘低速作业情况下，齿爪捡拾的秸秆无法抛出，从爪间自动落下；齿盘在高速作业情况下，秸秆及杂草在齿爪间会发生自锁，不会被抛出也不会掉落。齿盘倾向为后倾方式时，倾角增加有利于秸秆及杂草外抛，秸秆及杂草越接近齿盘轮爪端部，向外抛送所满足的角速度越低，越易脱茬[13]，一般抛掷性能机具均布置成后倾形式。

(a)前倾

3.2 齿盘位移偏角

齿盘的啮合高度h是两齿盘啮合点距离地面的高度，对移位秸秆效果有着重要的影响。齿盘的设计过程中，啮合点高度一般应略小于田间秸秆的覆盖高度H[14]，当h>H时，部分秸秆往往会由两齿盘缝隙之中遗漏，无法到达理想的清秸效果；当h

当水稻收获后，假设秸秆均匀铺设于地表，本文不考虑秸秆残茬对覆盖高度的影响，水稻秸秆的覆盖高度一般在80～100 mm，如图5所示。为了适应不同覆盖量的秸秆覆盖高度，啮合高度h取值为80 mm。

图5 田间秸秆覆盖高度Fig.5 Straw covers height in the field

我国保护性耕作中，条带幅宽在10～15 cm之间，由式(2)可得，工作幅宽b与位移偏角γ、齿盘半径R之间的函数关系。

(2)

为探究齿盘半径R、位移偏角γ对工作幅宽的影响关系，对式(2)分别进行求导得

(3)

(4)

为探究齿盘半径R、位移偏角γ对工作幅宽的影响程度，将式(3)、式(4)相除，得到

(5)

图6 工作幅宽与位移偏角、齿盘半径的曲线关系Fig.6 Curve relationship between working width,displacement deflection angle and tooth disc radius

因此，半径R的变化产生的幅宽变化程度相对于位移偏角γ变化产生的幅宽变化可以忽略不计，故将半径R看作常量，由经验公式计算

D=kd

(6)

式中：D——齿盘直径，cm；

d——入土深度，cm；

k——径深比。

查阅农业机械设计手册可得齿盘径深比k为5～7，取入土深度为2～4 cm，齿盘直径取20 cm，将数据代入式(2)中得到位移偏角的取值为10.2°～32.5°之间。

3.3 齿盘形状

图7 超高分子聚乙烯材料打印实物Fig.7 Ultra-high molecular weight polyethylene material printing material

依据拨草轮的设计要求，齿数通常为8～14齿的要求，参照同类机型，选用轮齿数目为12齿，选用超高分子聚乙烯制作，如图7所示。

4 EDEM仿真试验

仿真试验探究前进速度、位移偏角对于秸秆清除效果的影响，并确定机具前进速度、位移偏角的最优参数组合。

4.1 秸秆移位装置与秸秆—土壤模型构建

齿盘—秸秆—土壤之间的相互作用机理对于机构秸秆清理的作业过程分析至关重要。拟定秸秆移位装置的作业条件为秸秆粉碎还田、地表秸秆长度均匀、秸秆覆盖均匀，依据秸秆还田的技术要求，秸秆的长度通常为5～12 cm。将SolidWorks软件中绘制的秸秆移位装置模型(图8)、土槽模型转换成STEP格式导入EDEM软件中，如图9所示。仿真条件设定为：土壤颗粒为直径8 mm球型[15]，如图10所示，秸秆颗粒为直径16 mm的颗粒模型，通过8个直径为16 mm的秸秆颗粒以球心间隔8 mm构建秸秆模型[16]，如图11所示。

图8 秸秆移位装置模型Fig.8 Straw displacement device model

图9 秸秆—土壤模型Fig.9 Straw soil model

图10 土壤颗粒模型Fig.10 Soil particle model

图11 秸秆模型Fig.11 Straw model

依据条带油菜播种机前进速度以及位移偏角等因素设置秸秆移位装置的仿真时长，待秸秆—土壤土槽模型铺设完成后，将秸秆移位装置导入EDEM模型的一端，调节齿盘的触土深度d=2 cm，设定装置的前进速度、位移偏角。

4.2 秸秆移位装置仿真的主要参数

仿真模拟参数如表1所示。

表1 仿真模拟参数表Tab.1 Tab of simulation parameters

EDEM仿真时所需的一些物理和力学参数依据参考文献[17]设定，其中包括：秸秆、土壤、齿盘三者两两之间的恢复系数、摩擦因素以及各材料本征参数。本文秸秆—土壤—秸秆移位装置的接触方式均为刚性物体的低速碰撞，恢复系数仅和材料本身有关。

4.3 仿真结果与分析

以机具的前进速度、位移偏角为因素，前进速度的取值为0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s，位移偏角的取值为10°、20°、30°，设计正交试验来寻求最佳的参数组合，正交试验表如表2所示。

表2 因素编码表Tab.2 Factor coding table

仿真试验方案以及试验结果如表3所示。运用Design-expert软件对试验结果进行方差分析，方差分析的结果如表4所示。模型的P值为0.000 1，则模型显著。由表4中各项因素的P值可以看出，机具的前进速度、位移偏角对秸秆清除率均有显著影响。

昨日欢聚，今朝又赴前程，历史的车轮驶进2019。这是一个“船到中流浪更急，人到半山路更陡的时候，是一个愈进愈难、愈进愈险而又不进则退、非进不可的时候”，也注定了2019年又是一个新时代的开篇之年。

表3 仿真试验方案以及试验结果Tab.3 Simulation test scheme

表4 方差分析结果Tab.4 ANOVA results

运用Design-expert软件绘制响应曲面图如图12所示，可以看出，秸秆清除率与位移偏角以及前进速度均呈现正相关的关系，当机具前进速度一定时，位移偏角越大，装置的秸秆清除效果越好；当位移偏角一定时，机具前进速度越大，装置的秸秆清除效果越好。当前进速度为0.6 m/s、位移偏角为30°时秸秆清除率达到最大值64.70%；当前进速度为0.4 m/s、位移偏角为10°时秸秆清除率达最小值35.63%。

图12 响应面图Fig.12 Response surface graph

5 台架试验

5.1 试验材料及方法

试验用秸秆为华粳5水稻秸秆，试验前对秸秆进行人工处理，均匀剪成长度为8 cm，通过试验测定秸秆的物理特性如下：含水率为18.5%、秸秆密度为895.7 g/m2；测定0～5 cm的土壤含水率为28.54%，土壤容重为1.29 g/cm3，土壤坚实度为165.3 kPa；前进速度、位移偏角取仿真试验中装置最佳组合，对仿真试验结果进行验证。

在装置作业后的地表上，沿着条带区域随机选取5个取样点，测量条带上地表秸秆质量，试验重复3次，共计15个测量点，进行秸秆清除率的计算，故本装置的秸秆清除率即为所测点处秸秆清除率的平均值。

(7)

(8)

式中：ni——测量点的秸秆清除率，%；

k1——机具作业前种床上秸秆质量，g；

k2——机具作业后种床上秸秆质量，g。

5.2 试验设备

试验设备及工具包括：卷尺、电子天平(精度0.01 g)、滑轨式试验台(图13)、秒表等。

图13 试验台架Fig.13 Test bench

5.3 试验结果与分析

从表5可以看出，当装置参数组合为前进速度0.6 m/s、位移偏角30°时，秸秆清除率为60.69%，由于田间实际的作业条件以及秸秆的物理特性与仿真模型存在偏差，因此台架试验基本符合仿真试验的试验结果。

表5 试验测量结果Tab.5 Measurement results of arrangement test %

6 结论

1)设计了一种齿盘式的秸秆移位装置，通过对齿盘的运动分析，确定了影响秸秆清理的关键因素。通过文献比较、计算分析确定了齿盘的基本结构参数，其啮合高度为80 mm，齿盘厚度为6 mm，齿数为12，位移偏角为30°，保证了秸秆的清理效果。

2)利用离散元仿真，确定了装置秸秆清除效果的最佳参数组合是为机具前进速度0.6 m/s、齿盘位移偏角30°，此时秸秆清除率为64.7%。

3)通过台架试验验证表明当前进速度为0.6 m/s，位移偏角30°时秸秆清除率为60.69%，与仿真结果基本一致，满足设计要求。