油菜直播机开沟耕整地部件设计及其工作机理

发布时间：2020-09-24 20:53

　　我国是油菜生产大国,油菜种植面积和总产量均居世界第一。传统油菜种植以人工为主,该种植方式劳动强度大、生产成本高,对油菜机械化耕整地与直播要求迫切。长江中下游地区是我国冬油菜的主产区且主要为稻油轮作的种植模式,油菜播种时要求种床厢面两侧具备用于排水的畦沟,但该区域雨水充沛,土壤黏重板结、含水量波动大,地表秸秆量多,解决耕整地作业部件的降附减阻、良好的通过性与厢面作业质量是稻油轮作区油菜机械化种植的关键技术难题,本文以油菜直播机开沟耕整地对复杂作业地表的适应性和低耗高效的作业质量为目标,开展油菜直播机开沟耕整部件设计及其工作机理研究,主要研究内容如下:(1)开展了稻油轮作区土壤、水稻秸秆物理机械特性参数测试研究。测试结果表明,试验田块的平均耕层深度均在15cm以内,犁底层厚度在10cm左右,土壤平均坚实度为238.6?1627.2kPa,土壤质地均为黏重型土壤,土壤的塑限和液限含水率范围分别为25.1%~28.7%、34.2%~39.1%;稻茬田水稻秸秆量为0.98?1.24g/m~2、平均留茬高度为20.7?45.7cm,水稻秸秆含水率为29.6%?66.8%。明确了常年采取单一的旋耕耕作模式,致使土壤耕层深度浅、犁底层厚度大、土壤坚实度大,机具在土壤含水率高于25%左右的工况条件作业时,易出现下陷、粘附现象,且油菜适播期时水稻秸秆量大、韧性强,切断、翻埋秸秆需要较大作用力;分析了稻油轮作区油菜直播机作业条件对传统开沟耕整部件工作性能的影响,明确了适用于稻油轮作区作业的油菜直播机开沟耕整部件作业质量的影响要素及其设计依据的基础数据。(2)开展了油菜直播机开沟耕整地部件设计与分析。针对长江中下游地区前茬水稻秸秆量大、土壤黏重板结等油菜播种复杂作业工况,提出主动式犁耕与被动式碎土、平整、开畦沟、开种沟的联合开沟耕整工艺方案。设计了一种犁体曲面对称的开畦沟前犁、一种利用船型犁壁切削挤压土壤原理形成畦沟的组合式船型开沟器、一种依靠耙型架体自身仿形的齿耙型种沟开沟器以及驱动圆盘犁与被动式碎土辊组合式耕整地部件。具体包括:(1)依据犁体导曲线为平滑圆弧曲线时具有较好切削、减阻特性的原理,分析确定了开畦沟前犁主要结构参数为犁体最大元线角为45°,最小元线角为40°,起土角为60°;(2)分别构建了船型切削刃口切削土壤力学模型和犁体整形曲面挤压土壤力学模型,研究得出整形曲面各区段的起土角δ较小时,具有较好减阻特性。由此确定组合式船型开沟器主要结构参数为刃口曲线起始滑切角为23°、终止滑切角为45°、切削刃口开度为255mm、整形曲面最大元线角为67°、最小元线角为64.98°,整形曲面导曲线开度为72mm、长度为216mm;(3)通过解析耙型运动仿形机构运动过程,以及种沟滑刀切削土壤机制,确定了耙型运动机构各连接部位和种沟滑刀的主要结构参数;(4)建立了对置驱动圆盘犁组与土壤作用的运动学、动力学模型,并解析了其主要工作、结构参数对作业性能的影响关系,确定了驱动圆盘犁组作业深度为130?180mm,工作偏角为27°,工作转速为65~188r/min,速比系数为1.12?3.24;(5)分析了船型触土曲面与土壤挤压作用的互作机制,研究得出当对置驱动圆盘犁组中间区域宽度为350mm时,开畦沟部件作业后可有效保证畦沟和种床厢面质量。(3)开展了油菜直播机开沟耕整地部件作业性能测试与分析。针对实际作业的地表,分别测试土壤含水率为24.67%、30.40%、37.61%,与之对应的平均土壤坚实度为848.44kPa、647.58kPa、506.84kPa的3种工况条件下,开展了开畦沟前犁、组合式船型开沟器、驱动圆盘犁与被动式碎土辊组合式耕整地等部件作业质量试验。应用激光正交测试方法和现代化功耗测试系统,测绘开沟耕整地部件作业后地表断面,并测定其作业功耗。试验结果表明:(1)开畦沟前犁与组合式船型开沟器通过性良好,可开出平均沟深为241.6~308.4mm,平均沟宽为328.6~386.8mm的梯形沟,沟宽、沟深稳定性系数均达85%以上,满足油菜播种开畦沟农艺要求;(2)驱动圆盘犁组在3种工况下作业稳定,通过两侧限深轮和碎土辊共同作用可达到较好的耕深稳定性,其耕深稳定性系数均在85%以上,对秸秆埋覆率均高于80%;(3)对比结果表明被动式碎土辊碎土率较低,且在特别黏重的地表,被动式碎土辊无法实现碎土功能,齿耙型种沟开畦沟难以在被动式碎土辊作业后的黏重地表稳定作业;(4)开畦沟部件牵引阻力测试结果表明,组合式船型开沟器为主要受载部件,其牵引功耗占总牵引功耗的66.1%~72.1%;(5)正交试验表明,耕深对整机功耗和秸秆埋覆率均有极显著影响,机组前进速度对整机功耗影响显著,驱动圆盘犁组工作转速对秸秆埋覆盖率影响显著。研究得出整机较优工作参数为:耕深深度为180mm,机组前进速度为3.5km/h,驱动圆盘犁工作转速为160r/min时,整机功耗为24.37kW,秸秆埋覆率为92.78%,碎土率为66.74%,厢面平整度为24.18mm,土壤对犁沟平均填埋率为92.3%,满足油菜播种农艺要求。(4)基于微分几何理论和EDEM仿真技术,开展了开沟部件主要触土曲面(整形曲面)的减阻特性研究。主要包括:(1)建立了适用于不同导曲线型组合式船型开沟器的整形曲面宏观参数方程,依据微分几何理论计算了导曲线为直线、抛物线、指数线的整形曲面第一、第二基本形式及其相应的内蕴几何量E、L、M,明确了内蕴几何量为影响不同导曲线型整形曲面内在几何性质的主要因素;(2)建立了整形曲面与土壤作用的EDEM仿真模型,通过开展阻力特性仿真试验解析了牵引阻力与整形曲面内蕴几何量之间的变化规律。试验结果表明,内蕴几何量E的变化速率反映了牵引阻力随速度变化的快慢程度;内蕴几何量L的大小反映了牵引阻力的大小;内蕴几何量M的波动反映了牵引阻力随速度变化的波动程度。在作业速度为0.6?1.4m/s、元线角最大变化量为0?10°范围内,整形曲面为抛物线型的犁体具有较好减阻特性;(3)以减阻特性相对较好的抛物线型犁体为试验对象开展了参数优化试验,研究得出当机组作业速度为1.4m/s时,整形曲面的最大元线角为66.3°和元线角最大变化量为3.9°时,牵引阻力最小为515.20N。(5)结合反转旋耕相比传统正转旋耕和被动式碎土平整部件可增加切土速度、提高碎土、平整质量的特点,考虑被动式碎土、平整部件对复杂工况适应性差的不足,提出了主动式犁耕与反转旋耕结合被动开畦、开种沟的联合开沟耕整地方案,开展了油菜直播机耕整地部件改进设计与试验研究,研究结果主要包括:(1)建立了反转旋耕切削、抛送土壤的运动学、动力学数学模型,分析了影响反转旋耕刀切削土垡厚度和抛送土壤轨迹的影响因素,确定反转旋耕装置工作转速为220~270r/min,机组作业速度为1.2~1.7m/s,旋耕刀辊顶端与主机架的间距为120mm;(2)建立了驱动圆盘犁与反转旋耕组合式耕整地部件与土壤作用的EDEM离散元仿真模型,仿真结果表明,当驱动圆盘犁组耕深一定时,机具作业时可保证反旋装置两侧壅土量相对均匀。增大反转旋耕装置耕深会增加壅土量且增大机具牵引阻力,但可显著提高机具作业后的厢面平整质量。当反转旋耕装置耕深一定时,增大反转旋耕装置工作转速、降低机具作业速度,可有效减少作业时的壅土量,降低机具牵引阻力,提高机具作业稳定性和厢面平整质量。仿真试验得出机具较优工作参数为:驱动圆盘犁组耕深为180mm、驱动圆盘犁组转速为180r/min、反转旋耕装置耕深为120mm、反转旋耕装置转速为270r/min、作业速度为1.2m/s;(3)田间试验表明,在较优工作参数条件下,整机通过性良好、工作性能稳定,机具耕深稳定性和开沟稳定性系数均在90%以上,秸秆埋覆率为92.36%,平均厢面平整度为20.3mm,平均碎土率为86.5%,齿耙型种沟开沟器在旋耕后地表能稳定作业,开沟器横向和纵向开沟沟宽、沟深稳定性系数均达80%以上,且横向和纵向沟宽、沟深稳定性系数差值均在10%以内,可保证沿种床厢面横向、纵向开出种沟沟型稳定性,作业效果满足油菜播种农艺要求。创新点1:提出了一种具备开畦沟功能的组合式船型开沟器,运用微分几何理论和EDEM仿真方法,明确了其主要触土曲面的减阻特性;创新点2:提出了一种对置驱动圆盘犁与反转旋耕组合式耕整地部件,适用于稻油轮作区复杂地表的油菜播种对种床厢面质量的要求。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S223.2
【部分图文】：

装置图,开沟,种肥,播种机

（c）阿玛松 ED 精量播种机组合式开沟装置（d）凯斯 TM800 型播种机种肥分施开沟装置图 1.1 国外播种机种肥开沟部件Fig.1.1 Foreign ditching equipment of seeders除各种形式的开沟器外，铧式犁类开沟部件在农田开排水沟领域得到了更的应用。在铧式犁类开沟部件的研究方面，国外已有很悠久的历史。1750国学者 Bailey 提出螺旋犁面土垡翻转理论；1788 年美国学者 Jefferson 提出定规则移动一条直元线来描述犁体曲面形状的方法；1832 年意大利学mbrusehini 和 Ridolphi 将土垡抽象成矩形断面的长土条，土垡在翻转过程中不变形的刚体，提出了滚垡型犁体的假象翻垡过程；在上世纪 30 年代，苏者从土垡受弯时容积压缩、受扭时剪切变形引起的内外摩擦力，以及受到剪切坏和提升所造成的能耗，提出计算犁体曲面比阻的理论关系式；1932 年美者 Nichols 用一个弓弧扫描形成粘重草地犁，用两个弓弧形扫描出熟地犁的区和碎土区（Nichols，1932）；1937 年美国学者 Wicha 将犁曲面阻力看成

耕整机

（a）大平原 T1-300 型深松联合耕整机（b）雷肯 Solitair 8 播种机图 1.2 国外联合耕整机械Fig.1.2 Foreign trailed tillage machine1.2.2.2 国内耕整地技术我国不同地域的耕地面积和土壤类型差异性较大，传统的旋耕、犁耕和大型联合耕整机械均在不同区域得到了广泛的应用。其中，大型的联合耕整机具主要应用于我国北方旱作地区，我国长江中下游地区的土壤耕整作业主要以旋耕、犁耕为主。旋耕机具由于其较好的碎土、平整能力，广泛应用于播种前的耕整地作业。国内主要使用卧式旋耕机具。针对卧式旋耕技术，国内学者开展了大量的研究。1995 年陈钧等通过对比分析日本 FT803 型旋耕刀与我国 IT245 旋耕刀的曲面形状，得出旋耕刀的滑切角、起土角、偏切角为影响刀面形状和作业功耗的主要因素（陈钧等，1995）；2003 熊元芳研制了 1GMS-69 型水田埋草旋耕机，旋耕装

框图,技术路线,框图,土曲

油菜直播机开沟耕整地部件设计及其工作机理的力学模型，探明触土曲面内在几何性质与牵引阻力之间的关系，探寻采用水平直元线原理形成的犁体曲面减阻设计理论依据。1.4.4 研究方法与技术路线本文研究技术路线如图 1.3 所示。

【参考文献】