水田搅浆埋茬平地机压茬装置设计与试验*

范延伟，毛欣，衣淑娟，陶桂香，马成成

(黑龙江八一农垦大学工程学院，粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心，黑龙江大庆，163319)

0 引言

中国是世界上最大的水稻种植国家，水稻对于人们的生活至关重要，据统计，2018—2019年种植面积约为30 000 khm2，占粮食种植面积的35.6%，水稻产量已达到1.99×108t。通过搅浆平地将水稻秸秆还田的工作是重要农作环节之一，由于水田搅浆埋茬平地机的起步较晚，这种机器还有很大的提升空间，选择平整度较优、灭茬率较高且节约经济成本的水田搅浆平地机是农业机械化的当务之急。

近年来，学者们对水田搅浆埋茬平地机进行大量研究，红兴隆科研所成功研发液压平地机，虽提高了平整度，但平地铲转角仍需人工调整[1]。姜明海等为使打浆机一次进地即可完成系列搅浆平地工作，研制了1GBPS-120型水田耕耙平地机，该机符合技术要求，但需要匹配的手扶拖拉机。王力捷为改善耕翻后田面不平整，深浅不一致的问题，研制了1BPS-1.7型水田整地机，作业后田面平整，但效率不高。周浩等[2]研制激光控制的水田搅浆埋茬平地机，效率满足田间作业要求，但价格成本过高。基于以上研究，水田搅浆埋茬平地机取得一定成绩，但目前市面上的水田搅浆埋茬平地机作业性能还不够稳定，价格昂贵。为提升平整、灭茬效果，本文设计了压茬装置，应用离散元方法进行仿真试验，并与田间试验相结合，得到较优参数组合[3-6]。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

水田搅浆埋茬平地机主要由侧齿轮传动总成Ⅰ、机架总成、上悬挂总成、齿轮箱、后罩板总成、平地拖板、弹簧总成、液压油缸总成、压茬弹齿、侧齿轮传动总成Ⅱ、打浆刀锟总成等组成，如图1所示。传动装置由万向节、锥齿轮箱和链轮箱总成组成。

1.2 工作原理

作业时，拖拉机牵引水田搅浆埋茬平地机前进，拖拉机动力经万向节总成传至水田搅浆埋茬平地机，由两个锥齿轮变速并改变方向，再由链轮传至刀锟总成。水田中的土块与秸秆在打浆刀旋转的作用下被切碎，液压马达控制压茬弹齿旋转，进而实现压茬工作，随着拖拉机带着水田搅浆埋茬平地机的运动，平地拖板在弹簧总成的压力作用下实现平地功能。

图1 水田搅浆埋茬平地机总体结构图Fig. 1 Overall structure of paddy field mixing stubble grader1.齿轮箱 2.上悬挂总成 3.机架总成 4.侧齿轮传动总成Ⅰ 5.打浆刀片总成 6.侧齿轮传动总成Ⅱ 7.弹齿 8.平地铲 9.液压油缸总成 10.弹簧总成 11.平地拖板 12.后罩板总成

2 压茬装置关键部件设计

2.1 压茬弹齿设计

压茬弹齿的作用是进一步埋茬，为提高灭茬率，设计了具有压茬功能的压茬弹齿，作业后高留茬被压入土壤，土块被打碎，使泥浆更均匀。压茬弹齿主要由套筒、弹齿轴、弹齿螺栓等组成，其结构示意图如图2所示。由生产试验可知，弹簧劲度系数、旋绕比、弹齿直径与弹齿个数会影响作业效果，为提高作业效果，按照式(1)进行设计。

(1)

式中：K——弹簧劲度系数；

[τ]——弹齿材料的许用切应力，kg/mm2；

D1——弹齿中径，mm；

P——弹齿最大工作负荷，kg；

d——弹齿直径，mm；

C——旋绕比；

G——切变模量，kg/mm2；

F——弹齿变形量，mm；

n——弹齿的有效圈数；

n1——弹齿总个数；

n2——弹齿旋绕圈数。

根据查找机械设计手册和相关经验，弹齿材料的许用切应力取64 kg/mm2，弹齿中径取28 mm，弹齿最大工作负荷取110 kg，旋绕比取5.6，切变模量取8 000 kg/mm2，弹齿变形量取90 mm，最终计算KC1值为179.04，弹齿直径d为5 mm，弹齿的有效圈数n为32圈，弹齿总个数n1为33个。

由于灭茬标准为15～18 cm，且弹齿旋转半径不超过搅浆刀的旋转半径，取弹齿旋转半径为120 mm，并通过对其中心曲线的设计，其中弹齿的形状在XOY面上设计为圆弧式(图2)，得到XOY中心曲线的函数方程式(2)，X轴为垂直与地面的方向，Y轴为拖拉机前进方向，Z轴为弹齿轴向。

(X-70)2+(Y+120)2=1202

(2)

图2 弹齿结构示意图Fig. 2 Sketch of spring tooth structure1.螺栓 2.套筒 3.弹齿轴 4.弹齿

2.2 平地拖板设计

水田搅浆埋茬平地机在作业时与水田土地表面直接接触的部件就是平地拖板，因此平地拖板的设计直接影响水田土壤表面的平整度[7]，每个平地铲焊接在平地拖板上，在作业过程中实现平地功能，平地拖板形状如图3、图4所示。

图3 平地拖板俯视图

图4 单个平地铲俯视图Fig. 4 Top view of single flat shovel

平地拖板是搅浆平地作业中直接与土壤接触的部件，根据水田搅浆埋茬平地机的作业幅宽来设计平地拖板的长度，根据对田面的浸泡深度标准来设计水田搅浆埋茬平地机平地拖板的宽度，平地拖板的原材料选取4 mm厚的钢板，由于水田搅浆埋茬平地机幅宽为3 600 mm，设计平地拖板长度3 500 mm，在搅浆平地作业时，放水深度为2.5～5 cm，为了不使平地拖板被淹没，再结合各部件安装尺寸，设计其宽度为290 mm。

图4中底部梯形纵向的宽度为铲宽，铲宽可用式(3)计算。

(3)

式中：Ph——拖拉机正常工作时额定牵引力；

P1——平地拖板工作时的平均阻力；

n3——所需平地拖板个数；

ηp——利用系数，取ηp=0.8。

拖拉机正常工作时额定牵引力为66 kW，平地拖板工作时的平均阻力为20 N，平地铲的数量为19个，经计算选定铲宽B=100 mm。

图4中底部梯形横向的长度为铲长，铲长可用式(4)计算。

(4)

计算确定铲长L=50 mm。

3 水田搅浆埋茬平地机仿真试验研究

3.1 仿真试验研究

选取机具前进速度、弹齿轴转速、弹齿下压深度为仿真试验因素，选取平整度和灭茬率为指标，利用EDEM2018仿真软件对灭茬平地效果进行仿真研究[8-11]。

3.2 性能评价指标

3.2.1 平整度计算

在搅浆平地作业中，地表平整度能够说明搅浆效果的优良，平整度越小，搅浆平地效果越好，即平整度标准差[12]。

(5)

W——搅浆后泥浆到基准点的垂直距离，mm。

3.2.2 EDEM中平整度的测量方法

利用EDEM2018软件中后处理模块的Tools-Ruler功能，选择Link To Particle可以测量搅浆后泥浆到基准点的垂直距离及2∶1的局部放大图，如图5所示。

图5 泥浆到基准点的垂直距离测量图Fig. 5 Measurement of vertical distance from mud to reference point

3.2.3 灭茬率

在搅浆作业中，灭茬率作为评价灭茬效果的性能指标，灭茬率越高，搅浆后泥浆表面残留秸秆越少，性能越好。水稻高留茬搅浆作业的重中之重是将残留的稻秆压入土壤内部，这一操作过程称为灭茬的过程[8]。计算灭茬率如式(6)所示。

(6)

式中：m前——试验前田间稻秆质量，g；

m后——未打入地下的残茬质量，g。

3.2.4 EDEM中灭茬率的测量方法

在仿真前设定每支秸秆的长度、直径、质量相同，搅浆前与搅浆后稻秆的质量为搅浆前后的数量，在EDEM操作界面中可以清晰看出泥浆表面秸秆的数量，用灭茬后数量比灭茬前数量，即得到灭茬率。

3.3 单因素试验

以《GB/T5668.3—旋耕机械试验方法》及农机作业标准进行试验研究，根据生产农艺要求并与实践相结合，机具前进速度、压茬深度、弹齿转速这3个因素对生产作业影响较大，最终采用3个因素进行单因素试验研究。

3.3.1 弹齿转速对性能指标的影响

试验条件为机具前进速度为4 km/h，压茬深度为10 cm，以弹齿转速分别为260 r/min、280 r/min、300 r/min、320 r/min、340 r/min进行试验研究，试验结果如图6所示。

(a) 弹齿转速对灭茬率的影响

(b) 弹齿转速对平整度的影响图6 弹齿转速对搅浆指标影响Fig. 6 Effect of rotating speed of spring teeth on mixing index

从图6(a)中可以看出，随着弹齿转速增大，灭茬率先增大后减小。当弹齿转速为280 r/min时，灭茬率达到最高为92.6%。从图6(b)中可以看出，弹齿转速不断加快，平整度先减小后增大，当弹齿转速为280 r/min时，平整度达到最低数值为1.87 cm。

3.3.2 机具前进速度对性能指标的影响

试验条件为弹齿转速为300 r/min，压茬深度为10 cm，以机具前进速度分别为2 km/h、3 km/h、4 km/h、5 km/h、6 km/h进行试验研究，试验结果如图7所示。

(a) 机具前进速度对灭茬率的影响

(b) 机具前进速度对平整度的影响图7 机具前进速度对搅浆指标影响Fig. 7 Influence of forward speed of machine on mixing index

从图7(a)中可以看出，机具前进速度不断加快，灭茬率呈现先增大后减小的变化趋势。当机具前进速度为5 km/h时，灭茬率达到最高为96.3%。从图7(b)中可以看出，随着机具前进速度增大，平整度先减小后增大，当机具前进速度为5 km/h时，平整度达到最低数值为1.99 cm。

3.3.3 压茬深度对性能指标的影响

试验条件为弹齿转速为300 r/min，机具前进速度为4 km/h，以压茬深度分别为6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm进行试验研究，试验结果如图8所示。

从图8(a)中可以看出，随着压茬深度增大，灭茬率先增大后减小。当压茬深度为12 cm时，灭茬率达到最高为90.7%。从图8(b)中可以看出，随着压茬深度增大，平整度先减小后增大，当压茬深度为12 cm时，平整度达到最低数值为2.08 cm。

(a) 压茬深度对灭茬率的影响

(b) 压茬深度对平整度的影响图8 压茬深度对搅浆指标影响Fig. 8 Effect of stubble pressing depth on mixing index

3.4 多因素试验设计及结果

试验因素水平如表1所示，试验结果如表2所示。

表1 试验因素水平表Tab. 1 Test factor levelTable

表2 正交试验结果Tab. 2 Results of orthogonal test

由于单因素3个影响因素对搅浆效果影响显著性不同，综合单因素的结果，选取合适的试验水平因素进行正交试验。根据单因素结果，确定弹齿转速、机具前进速度、弹齿下压深度为试验因素，采用三因素三水平正交试验设计方案。

3.5 试验结果分析

由表3可知，机具前进速度对灭茬率的影响是3个因素中最大的，其次是弹齿下压深度，最后是弹齿转速，即因素B>因素C>因素A。通过分析得出对于灭茬率最优结果的组合是B2C2A3。弹齿下压深度对平整度的影响是3个因素中最大的，其次是弹齿转速，最后是机具前进速度，即因素C>因素A>因素B。通过分析得到对于平整度最优的组合是C2A3B1。

综合分析，以灭茬率作为作业评定的主要指标，最终确定A3B2C2为因素的较优组合，即弹齿转速选择320 r/min，机具前进速度选择4 km/h，弹齿下压深度选择12 cm，此时灭茬率为92.6%，平整度为3.06 cm。

表3 试验结果极差分析Tab. 3 Analysis of extreme difference of test results

4 田间试验验证

4.1 田间试验条件与方法

4.1.1 试验条件

2020年在黑龙江省建三江前进农场进行了水田整地作业试验(图9)。

图9 田间试验图Fig. 9 Field experiment

试验田土质类型属于白浆土，田地为翻耕后的水稻田，留茬的平均高度为17 cm，高留茬的平均长度为9 cm，在田地放水前，试验田中的大土块需先用旋耕机打碎，使土块之间的缝隙缩小，并对田地进行3日泡水工作。

4.1.2 试验方法及仪器

试验主要机具与仪器：作业时的动力为东方红904轮式拖拉机，水田搅浆埋茬平地机，水平仪，两根轻细绳，取样框(0.5 m×0.5 m)，直尺卷尺等测量工具。

试验水田面积选取100 m×100 m，采取五点取样法，用取样框取样10处样本，在取样框内随机选取5个监测点，计算各个指标的平均值，弹齿转速选择320 r/min，机具前进速度选择4 km/h，弹齿下压深度选择12 cm进行田间试验验证。

4.2 田间试验结果分析

通过测量与计算可以得出灭茬率、平整度的平均值如表4所示。

表4 田间试验各项指标数值表Tab. 4 Field test index valueTable

水田搅浆埋茬平地机作业后的灭茬率达到92.8%，平整度达到2.87 cm，与仿真优化结果相差不大，表明优化结果可信。同时灭茬率能控制在80%以上，平整度能够控制在0～5 cm以内，满足GB/T5668.3《旋耕机械试验方法》及农业机械作业标准。

5 结论

为提高搅浆灭茬的效果，设计了水田搅浆埋茬平地机压茬装置，该装置可以提高灭茬率和平整度，通过进行单因素、多因素仿真试验以及田间验证试验，分析得出以下结论。

1) 机具选取弹齿直径为5 mm，弹齿个数为33个；设计平地拖板宽度为290 mm，长度3 500 mm，平地铲数量19个。

2) 单因素试验结果表明：随着机具前进速度、弹齿转速、弹齿下压深度的增大，灭茬率先增大后减小，平整度则是先减小后增大。

3) 多因素试验结果表明，弹齿转速为320 r/min，机具前进速度为4 km/h，同时弹齿下压深度为12 cm时为较优方案。

4) 通过田间试验和仿真试验进行对比，设计的水田搅浆埋茬平地机的灭茬率能达到80%以上，平整度能够达到0～5 cm，该机器可以满足水稻插秧前的搅浆整地标准。