六头螺旋秸秆还田耕整机关键部件设计与试验

发布时间：2020-06-15 13:07

【摘要】：稻-油和稻-麦两熟制模式是长江中下游地区的主要种植模式,其特点为土壤粘重板结,秸秆留茬高,密度大,且前茬作物收获后,为了抢农时,秸秆还田难度大。该工况下作业时,传统旋耕机存在作业质量不理想和刀轴易缠绕的问题;带螺旋横刀的秸秆还田耕整机虽解决了传统旋耕机存在的问题,但旱地作业功耗大,更适用于水田作业。针对以上问题,本文研究了水稻茎秆切割特性;基于此研究,设计了滑切-剪切组合式秸秆还田刀片,并研制了六头螺旋秸秆还田耕整机;基于圆锥贯入阻力和单轴无侧限压缩方法标定了粘湿水稻土离散元参数;建立了土壤-整机-秸秆的离散元模型,分析了土壤颗粒位移、秸秆位移和刀片受力;改进优化了六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊,并通过田间试验对改进优化后整机进行了验证。主要研究结论包括:(1)无刀片支撑单根水稻茎秆切割时,滑切角60°下单位截面积切割力峰值虽然较小,但切割功耗较大,而滑切角45°下单位截面积切割功耗最小,且与滑切角60°时的单位截面积切割力峰值无显著性差异,因此,滑切角选取45°左右适宜。有刀片支撑单根水稻茎秆切割时,滑切角30°下单位截面积切割力峰值最小值较滑切角45°、60°下单位截面积切割力峰值最小值大30.9%,且随着切割速度的增加,该差值逐渐减小,单位截面积切割功耗最小值较滑切角45°、60°下单位截面积切割功耗最小值低31.7%,因此,滑切角选取30°左右适宜。利用快速切割试验装置对上述关于无刀片支撑时滑切角选择的合理性进行验证,结果表明,无刀片支撑切割时滑切角的选择是合理的。(2)设计了一种滑切-剪切组合式秸秆还田刀片;依据刀片切割秸秆过程和前期对滑切角与切割功耗关系的研究,参考国家标准,以满足长江中下游两熟制地区水稻、小麦和油菜播种农艺要求的前提下降低作业功耗为目的,确定了滑切-剪切组合式秸秆还田刀片关键参数初始值;建立了土壤离散元模型,以刀辊消耗功率为评价指标,对离散元模型主要参数土壤-土壤恢复系数、土壤-土壤静摩擦系数和土壤-土壤滚动摩擦系数进行标定;基于标定后土壤离散元模型,对滑切-剪切组合式秸秆还田刀片关键参数进行优化仿真分析,得到了最佳关键参数值。田间试验结果表明,安装有滑切-剪切组合式秸秆还田刀片的耕整机碎土率、秸秆粉碎率、秸秆掩埋率、平整度和功耗平均值分别为86.5%、85.0%、87.5%、2.8cm和31.1kW,满足国家标准和长江中下游两熟制地区水稻、小麦和油菜播种农艺要求;与传统旋耕刀片对比试验结果显示,滑切-剪切组合式秸秆还田刀片秸秆粉碎率提高2.1%,功耗降低3.7%,验证了设计目的,满足设计要求。(3)设计了一种等滑切角二次切刀和六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊;分析计算了切土节距、作业耕深和沟底凸起高度,从而确定了刀辊转速、耕深和旋耕速比等作业参数的范围。田间试验结果显示,各因素对秸秆掩埋率和秸秆粉碎率的影响显著性由大到小分别为耕深、作业速度、刀辊转速和刀辊转速、作业速度、耕深,对碎土率和功耗的影响显著性由大到小分别为刀辊转速、作业速度、耕深和刀辊转速、耕深、作业速度;各因素交互作用对秸秆掩埋率和秸秆粉碎率的影响较碎土率和功耗大,其中,秸秆掩埋率随耕深和作业速度的增大均呈先增大后减小的趋势,在耕深为14.7cm、作业速度为0.71m/s时达到最大值;秸秆粉碎率随耕深和作业速度的增加也呈先增大后减小的趋势,在耕深为14.2cm、作业速度为0.74m/s时达到最大值。对应用响应面法分析得到的最优参数组合进行田间试验验证,结果为功耗31.9kW,秸秆掩埋率93.1%,秸秆粉碎率87.5%,碎土率78.3%,与软件预测值误差分别为4.7%、1.4%、1.9%和2.6%。与课题组前期研制的水旱两用秸秆还田耕整机进行对比试验,结果显示,水旱两用秸秆还田耕整机秸秆掩埋率和功耗较六头螺旋秸秆还田耕整机高8.8%和2.3%,但秸秆粉碎率和碎土率较后者分别低3.0%和6.1%。(4)提出了一种基于贯入阻力和单轴无侧限压缩的粘湿水稻土离散元参数标定方法,标定结果如下,基于圆锥贯入仿真与试验得到满足要求的标定参数组合共11组,经过单轴无侧限压缩仿真与试验得到其中误差最小的参数组合为颗粒半径4.4mm,静摩擦系数0.48,表面能27J·m~(-2)。基于上述标定参数建立了土壤-整机-秸秆离散元模型,仿真分析发现,上层土壤颗粒既有向前抛撒,也有向后抛撒,而中层和底层土壤颗粒以向后抛撒为主;由于刀片的螺旋线排列方式,刀辊对土壤具有轴推作用,因此,土壤颗粒具有向螺旋线旋向方向的运动趋势;对于垂直位移,上层土壤颗粒具有向下的运动趋势,中层和底层土壤颗粒具有向上的运动趋势,所以,六头螺旋秸秆还田耕整机有利于土壤的混合。秸秆既有向前的抛撒可能,也有向后的抛撒可能,并具有向整机两侧的运动趋势;向下运动位移,即掩埋深度,平均值为9.9cm。刀片受力分析显示,一个旋转周期内,旋耕刀片和等滑切角二次切刀受力均呈先增大后减小的变化规律,且在最大耕深处达到最大值。三个方向中,Y轴方向受力最大,X轴方向受力最小。基于获取的刀片受力情况,以左刀辊为研究对象,建立了六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊有限元模型;应用有限元软件ANSYS Workbench进行仿真,得到了刀辊作业时的应力、应变和总变形云图;分析各云图可得,刀辊作业时最大应力为83.9MPa,发生在刀座与刀轴焊接处;最大变形量为0.93mm,发生在旋耕刀片正切刃处,其余变形较小,满足使用要求。田间试验结果表明,仿真测得上层、中层、下层土壤颗粒的横向位移、纵向位移、垂直位移与试验测量值误差分别为4.9%、2.8%、6.4%,5.4%、2.8%、6.5%和8.5%、10.0%、29.9%。横向摆放秸秆的横向位移和纵向位移既有正值也有负值,但垂直位移均为正值;纵向摆放秸秆的横向位移有正有负,即既有抛向整机前方的,也有抛向整机后方的,但以抛向整机后方秸秆居多,纵向位移和垂直位移均为正值,即秸秆有向整机内侧和土壤下方的运动趋势;倾斜摆放秸秆的横向位移、纵向位移和垂直位移均为正值,即右刀辊作业区秸秆具有向整机内侧、后方和下方的运动趋势。(5)对已设计六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊进行改进优化设计,改进目的为避免刀辊在含水率较大的粘重板结土壤中作业时易夹土的现象发生,改进的主要措施是调整等滑切角二次切刀与前一时刻入土的相邻秸秆还田刀片之间的夹角,通过分析调整为55°;田间试验结果显示,改进后刀辊在低转速作业时未出现夹土现象,从而验证了改进的合理性。对比田间试验结果表明,六头螺旋秸秆还田耕整机解决了传统旋耕机在水旱轮作模式粘重板结土壤环境下秸秆还田作业质量不理想和易缠绕的问题,且功耗较传统旋耕机和带螺旋横刀的水旱两用秸秆还田耕整机低。六头螺旋秸秆还田耕整机在水稻茬田和麦茬田旱耕作业试验结果显示,水稻茬田作业碎土率和秸秆粉碎率较麦茬田低,但秸秆掩埋率较麦茬田高;此外,两种田块试验结果对比分析也可得出,碎土率、秸秆粉碎率和秸秆掩埋率不仅与秸秆还田耕整机作业参数有关,而且与秸秆和土壤特性也有着密不可分的关系。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S224.29
【图文】：

切割试验,秸秆,切割速度

垂直切割分别低10%和20%（Igathinathaneetal2010）。为了优化刀片设计，Sunil K.Mathanker 等人研究了切割速度和刀片倾斜角对切割能量的影响，试验装置如图1.1 所示。结果表明：切割比能随切割速度的增加而增加；当倾斜角为60°、切割速度为7.9m/s时，平均比能最低，是0.26J/mm；当刀片为直刀片、切割速度为16.4m/s 时，平均比能最高，是1.24J/mm；比能与秸秆直径、秸秆横截面积呈较好的相关性；当倾斜角为30°、平均切割速度为11.3m/s、秸秆直径从11mm到17mm变化时，切割能量在4.5J到15J范围内（Sunilet al 2015）。图 1.1 能源甘蔗切割试验装置Fig. 1.1 Energycane cutting test deviceM.NazariGaledar等人通过试验研究分析了含水率和位置对苜蓿秸秆力学性能的影响。试验在4 种含水率（10%、20%、40%和80%）和3 个位置（顶部、中部和底部）下进行，其中，剪切强度测试装置如图1.2 所示。结果表明：当含水率低于40%时，秸秆不同位置对最大直径、最小直径、厚度、横截面积和极矩无显著影响；不同含水率下，秸秆顶部、中部、底部的抗拉强度分别为 9.24~26.35MPa、16.31~32.74MPa 和28.88~43.82MPa；最大剪切强度

试验装置图,剪切强度,试验装置,含水率

M.NazariGaledar等人通过试验研究分析了含水率和位置对苜蓿秸秆力学性能的影响。试验在4 种含水率（10%、20%、40%和80%）和3 个位置（顶部、中部和底部）下进行，其中，剪切强度测试装置如图1.2 所示。结果表明：当含水率低于40%时，秸秆不同位置对最大直径、最小直径、厚度、横截面积和极矩无显著影响；不同含水率下，秸秆顶部、中部、底部的抗拉强度分别为 9.24~26.35MPa、16.31~32.74MPa 和28.88~43.82MPa；最大剪切强度和剪切能量分别

【参考文献】