直播机组合式种床装置的设计范文

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《华中农业大学学报》2016年第四期

摘要

为降低油菜直播机作业功耗，设计一种深浅旋组合式种床整备装置。该装置旋耕弯刀采用多区段双头螺旋线对称排列安装方式，作业时将厢面分为交错排列的种床带和灭茬带，实现种床带深旋播种、灭茬带浅旋灭茬的功能。结合油菜种植农艺要求，确定种床带和灭茬带主要设计参数和刀片的整体排列方式。田间试验表明，在试验工况一致前提下，直播机作业幅宽全旋耕作业功耗占直播机耕整部件功耗的72．53％～82．20％；与油菜直播机作业幅宽全旋耕相比，深浅旋组合式种床整备装置作业功耗减少14．13％～18．04％，其作业质量指标中植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度仍满足旋耕作业标准要求；对安装有深浅旋组合式种床整备装置的直播机作业后的厢面进行地表轮廓分析，所得厢面平整，畦沟沟型稳定。研究结果表明，深浅旋组合式种床整备装置能有效降低直播机整机作业功耗，为直播机整机结构改进和作业功耗优化提供参考。

关键词

油菜直播机；旋耕作业；种床整备；深浅旋组合；作业功耗长江中下游油菜种植前茬作物一般为水稻，作业时地表通常进行全部旋耕作业。种床整备装置是2BFQ－6型油菜直播机的关键部件，其结构直接影响直播机作业功耗、作业效率、种床整备质量及油菜生长发育状况［1］。种床整备装置设计主要包括旋耕弯刀结构设计、刀片安装排列方式及作业参数等方面［2－5］。目前，为降低种床整备装置作业功耗、提高作业质量，国内外学者针对旋耕弯刀结构参数优化及旋耕弯刀安装排列方式，通过仿真试验［6－9］、土槽试验［10－11］及田间试验［12－14］等进行了大量研究。2BFQ－6型油菜直播机进行作业幅宽全旋耕，一次作业可以获得满足油菜种植农艺要求的厢面。厢面油菜种子发芽生长区域（以下简称种床带），需进行灭茬除草和应具有适宜的细碎土壤量及松碎土层深度，为油菜种子发芽生长提供良好条件；厢面非油菜种子发芽生长区域（以下简称灭茬带），相较于种床带，旋耕作业时，对细碎土壤量及松碎土层深度要求可相对降低，只需灭茬除草，防止杂草等生长对油菜种子发芽生长的影响。根据2BFQ－6型油菜直播机作业幅宽全旋耕设计要求，直播机旋耕刀辊刀轴上都安装回转半径为245mm的旋耕弯刀，进行全幅宽旋耕作业时灭茬带与种床带耕作深度一致，功耗较大。因此，优化直播机种床整备装置，有助于降低直播机整机作业功耗。针对全幅宽旋耕作业功耗较大的问题，研究设计一种油菜直播机深浅旋组合式种床整备装置，实现在种床带深旋播种，在灭茬带浅旋灭茬功能，并通过田间对比试验，考察该装置能否有效降低整机作业功耗以及能否满足油菜种植农艺要求，为直播机整机结构改进和作业功耗优化提供参考。

1结构设计与分析

1．1总体结构及工作原理

油菜直播机种床整备装置对称布置在油菜直播机中央齿轮箱两侧，作业幅宽为2m，转速为386r／min，通过高速旋转，种床整备装置切断稻茬、杂草茎秆及根系，切碎土壤，一次作业形成适合油菜播种的厢面。全幅宽旋耕作业全部安装回转半径为245mm旋耕弯刀，左右刀辊各22把，其中左旋弯刀及右旋弯刀各11把，弯刀按双头螺旋线排列［15］。因此，需要对旋耕刀辊进行重新设计，按照作业要求，旋耕弯刀以多区段双螺旋线对称方式排列，均分布在刀轴周向上，使刀轴受力平稳及转动平衡。深浅旋组合式种床整备装置结构及作业示意图如图1。该装置刀辊刀轴一头通过花键连接于齿轮箱底部动力输出轴，为种床整备装置提供动力。单侧装置由刀辊刀轴、刀座、旋耕弯刀及防缠草板组成。根据设计要求，旋耕刀辊刀轴上安装有2种类型旋耕弯刀，旋耕弯刀按照多区段双螺旋线对称排列方式安装，形成交错排列的种床带与灭茬带各3个。田间作业时，通过拖拉机后动力输出轴带动种床整备装置旋转，在种床带深旋播种，为幼苗生长提供适宜种床，在灭茬带浅旋灭茬，切断稻茬及杂草根系。同时，由安装在旋耕刀辊两侧的开畦沟系统作业出厢面两侧畦沟及由安装在旋耕刀辊后面的仿形拖板平整压实厢面，形成最终满足油菜种植农艺要求的整洁畦沟及平整厢面。

1．2刀片排布

种床带主要提供适合油菜生长发育的良好着床环境，宽度为100mm，旋耕作业深度为110mm。作业时，为使种床带具有充足的细碎土壤及松碎土层深度和尽量消除旋耕弯刀轴向侧推土壤效应，结合油菜种植农艺要求，在种床带安装4把回转半径为245mm的旋耕弯刀，均布在旋耕刀轴上，其中左旋弯刀及右旋弯刀各2把。每个种床带包含2个切土小区，每个切土小区旋耕弯刀同向且指向种床带，使旋耕作业时土壤尽量往种床带堆积，保证种床带细碎土壤量，从而尽量减少往灭茬带窜动的土量。旋耕弯刀均布在刀轴上，使刀轴周向质量分布均匀，转动平稳。灭茬带主要旋耕作业除掉稻茬根茬及杂草，防止杂草等生长影响油菜幼苗生长发育，宽度为180mm，旋耕作业深度为60mm。作业时，为减少旋耕过程中漏切、重切现象，同时消除旋耕弯刀轴向侧推土壤效应，结合农艺及装置设计要求，在灭茬带安装6把回转半径为195mm的旋耕弯刀，均布在旋耕刀轴上，其中左旋弯刀及右旋弯刀各3把。每个灭茬带包含3个切土小区，每个切土小区安装2把旋向相异的旋耕弯刀，使作业时左旋及右旋弯刀片依次入土，使刀轴载荷及转动平稳。刀片整体按照多区段双螺旋线对称方式排列，为使种床整备装置作业时整体负荷变化均匀，冲击载荷及转动平稳性好，对种床带及灭茬带旋耕弯刀排列方式进行整体设计，旋耕弯刀安装周向展开图如图2所示，横坐标表示距厢面中轴线距离，纵坐标表示刀轴周向展开相位角。以耕幅中分面为基准，从耕幅中分面开始，从近到远，依次为种床带旋耕刀组、灭茬带旋耕刀组各3个。其中相邻种床带旋耕刀组间的轴向距离为180mm，相邻灭茬带旋耕刀组间轴向距离为100mm。左右两边种床整备装置关于耕幅中分面对称布置，周向夹角为5°。

2田间试验

种床整备装置是直播机种床整理的核心部件，不同结构的种床整备装置对直播机的作业功耗、种床整理作业质量都会产生影响。直播机耕整地作业主要由2个部件组成，开畦沟系统及种床整备装置，其作业功耗可以分别通过测量直播机牵引功耗及旋耕作业功耗获得。为研究旋耕作业功耗所占直播机耕整地功耗比例及深浅旋组合式种床整备装置的相关作业效果，在同一块试验田开展直播机深浅旋组合式种床整备装置及作业全幅宽旋耕田间对比试验。试验前通过预试验明确后悬挂液压手柄位置与直播机耕深关系，并测得在预定耕深时拖拉机各试验挡位的前进速度。试验地点为华中农业大学现代农业科技试验基地，选取地表平整、稻茬均匀分布的地块作为试验区域。

2．1作业功耗

1）功耗测试系统。

2）功耗测试方法。田间试验前调试好测试系统，并分别对安装有深浅旋组合式种床整备装置和作业幅宽全旋耕的油菜直播机进行试验。其中，只在安装有作业幅宽全旋耕的油菜直播机进行牵引功耗测试；对深浅旋组合式种床整备装置和作业幅宽全旋耕油菜直播机进行旋耕功耗试验时，直播机中只有旋耕装置不同，其他部件均相同。试验时根据前期试验结果，通过控制拖拉机后悬挂液压手柄位置使每次试验耕深为110mm，且拖拉机手油门置于最大位置以保证在相同挡位时拖拉机作业速度及动力输出轴转速相等。

2．2作业质量

3结果与分析

3．1功耗田间试验结果如表1所示，对安装有作业幅宽全旋耕的直播机牵引功耗及旋耕功耗进行分析，与旋耕作业功耗相比，虽然随着作业速度的增加，开畦沟系统作业功耗增幅较旋耕作业功耗增幅大，但在直播机正常作业速度范围内，开畦沟系统作业功耗只为旋耕系统作业功耗的17．80％～27．47％，即旋耕系统占直播机整个耕整作业功耗的72．53％～82．20％，表明直播机耕整地作业过程中，作业幅宽全旋耕作业功耗所占比重较大。如降低旋耕作业功耗，可有效降低直播机整机作业功耗。对分别安装有深浅旋组合式种床整备装置和作业幅宽全旋耕的油菜直播机旋耕功耗进行分析，深浅旋组合式种床整备装置和作业幅宽全旋耕的功耗随作业速度的增加而增大。

3．2作业质量田间作业质量试验结果如表2所示，作业幅宽全旋耕和深浅旋组合式种床整备装置的植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度都随作业速度的提高而降低。由于试验地块土壤黏重板结，土壤团粒间粘结力较大，土块不易破碎，地表水稻秸秆成青绿色且秸秆量较大，稻茬较高，相较于田间杂草，水稻秸秆具有较强的韧性，不易切断，致使田间旋耕作业时，作业质量指标植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度值有所降低。深浅旋组合式种床整备装置和作业幅宽全旋耕刀辊转速、作业速度、种床带耕作深度及2种旋耕弯刀切土节距相等。由于深浅旋组合式种床整备装置作业时，灭茬带安装的旋耕弯刀回转半径变小，作业深度减小，与作业幅宽全旋耕相比，灭茬带区域旋耕深度减少，扰动土壤量减少32％，整个作业后厢面松碎土壤明显减少。而所选试验地表稻茬较高，平均高度为453．6mm，秸秆量较大，平均量为1．37kg／m2，同时水稻秸秆比较有韧性，不易旋耕切断。当作业厢面松碎土壤量明显减少时，没有足够的土壤量来覆盖大量秸秆，从而使裸露在厢面表面的秸秆量增加，植被埋覆率指标下降明显。对于碎土率指标，就耕作前进方向土垡而言，相较于回转半径较大的旋耕弯刀前方土垡，在旋耕半径较小作业区域前方某土垡能够较晚地进入弯刀切削范围，且切削甩起后再次掉到弯刀回转打击区域的概率明显降低（回转打击区域面积较小），从而使土垡与旋耕弯刀触时间较短，被弯刀切削打击次数较少。同时由于种床带只占整个作业幅宽区域的30％，与作业幅宽全旋耕相比，松碎土层整体大土垡增多，使深浅旋组合式种床整备装置碎土率指标下降明显。由于碎土率指标的下降，表明大土垡所占比例提高，大土垡越多，厢面横截面越高低起伏不平，从而导致地表平整度指标的下降。由于碎土率指标下降比较明显，从而地表平整度指标下降也较明显。对在由安装有深浅旋组合式种床整备装置的直播机连续4厢作业后的地表测量所获得的数据进行地表轮廓分析，把数据坐标点值导入Matlab软件后，进行去噪，曲面拟合及平滑处理后，获得作业厢面轮廓（图6）。所得厢面平整，畦沟沟型稳定。

4讨论

研究设计了一种深浅旋组合式种床整备装置，该装置作业时把厢面分为交错排列的种床带及灭茬带，实现种床带深旋播种，灭茬带浅旋灭茬功能。对种床带及灭茬带主要设计参数进行分析并确定了刀片整体排列方式。同时田间试验表明，与作业幅宽全旋耕相比，深浅旋组合式种床整备装置作业质量指标植被埋覆率、碎土率及耕后地表平整度仍满足旋耕作业标准要求；对由安装有深浅旋组合式种床整备装置的直播机作业后的厢面进行地表轮廓分析，所得厢面平整，畦沟沟型稳定。

参考文献

［1］田波平，廖庆喜，黄海东，等．2BFQ－6型油菜精量联合直播机的设计［J］．农业机械学报，2008，39（10）：211－213．

［2］芳，贺小伟，余水生，等．基于ANSYS／LS－DYNA的螺旋装置土壤切削有限元模拟［J］．农业工程学报，2013，29（10）：34－41．

作者:张青松 肖文立 廖庆喜 丁幼春 廖宜涛 万国伟 周洋 单位：华中农业大学工学院