水稻秸稈深埋整稈還田裝置設計與試驗王金武;王奇;唐漢;周文琪;多天宇;趙藝【摘要】針對目前我國水稻秸稈還田機械普遍存在的耕作深度淺、秸稈還田深度不滿足農(nóng)藝要求、旋耕部件纏草嚴重等問題，運用旋耕理論和數(shù)值計算分析方法設計了水稻秸稈深埋整稈還田裝置.根據(jù)實際情況對土壤顆粒進行假設，運用離散元法建立土壤顆粒力學模型，應用EDEM軟件進行整稈還田仿真虛擬試驗，仿真結(jié)果表明,耕深在20cm時，土壤表層覆蓋率為93.87%.通過土槽臺架試驗得到在作業(yè)速度為1.25km/h、刀輥轉(zhuǎn)速為237r/min時，耕深可達到U22cm,地表以下15~20cm翻埋的秸稈占秸稈總量的80%,秸稈還田率為91.63%,同時刀輥軸不纏草.試驗結(jié)果表明，秸稈還田深度達到水整地環(huán)節(jié)的要求，秸稈還田率較高.通過虛擬仿真和臺架試驗相互驗證，證明新型整稈還田裝置一次作業(yè)可實現(xiàn)切土、碎土、埋草、壓草及覆土的功能，滿足農(nóng)藝要求.【期刊名稱】《農(nóng)業(yè)機械學報》【年(卷)，期】2015(046)009【總頁數(shù)】6頁(P112-117)【關鍵詞】水稻秸稈還田機;整稈還田裝置;離散元法【作者】王金武;王奇;唐漢;周文琪;多天宇;趙藝【作者單位】東北農(nóng)業(yè)大學工程學院,哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學工程學院,哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學工程學院,哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學工程學院,哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學工程學院,哈爾濱150030【正文語種】中文【中圖分類】S222.3現(xiàn)階段我國已將農(nóng)作物秸稈的綜合利用作為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項基本國策［1］。秸稈還田技術因具有補充土壤養(yǎng)分、促進微生物活動、減少化肥使用量、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等特點已成為我國主要的秸稈處理方式之一［2］。秸稈還田深度在大于15cm時，可以明顯提高土壤溫度及蓄水性能［3-4］；若被還田的秸稈在作物根系生長層(表層以下0~10cm［5］)的含量過高會產(chǎn)生一系列影響次年作物生長的問題。目前我國水稻秸稈還田的主要方式有翻壓還田和覆蓋還田，水稻秸稈整稈深埋還田是一種新型還田方式，與其他秸稈處理方式相比，具有耕深較大、還田性能好、次年泡田整株秸稈不會浮出水面而影響插秧作業(yè)及作物生長等優(yōu)點［6］，近年來已引起學者的關注并開展研究。基于上述分析，研制將水稻整株秸稈埋入根系生長層以下的還田機具是非常必要的。離散元法(Discreteelementmethod,DEM)是一種分析與求解復雜離散系統(tǒng)動力學問題的新型數(shù)值方法［7］。作為典型的離散物質(zhì)，土壤的粘結(jié)和破碎表現(xiàn)出離散性的本質(zhì)，因此離散元法可以作為分析土壤動態(tài)行為的新理論［8-11］。近年來國內(nèi)外學者開始運用此種方法解決土壤顆粒問題，但均停留于理論階段。本文運用旋耕理論、數(shù)值計算分析方法設計一種新型的水稻秸稈深埋整稈還田裝置，并配置了整株秸稈還田試驗臺架。應用離散元軟件EDEM進行覆土旋耕虛擬試驗，仿真機具作業(yè)效果。通過土槽臺架試驗檢驗機具的實際工作性能，與虛擬仿真進行對比分析，驗證理論方法與設計分析的合理性和可行性，為整機的研究提供參考。水稻秸稈深埋整稈還田裝置由刀輥滾筒、刀盤和還田刀具組成。為解決刀軸纏草問題設計了大直徑刀輥滾筒，綜合考慮秸稈特性及滾筒直徑與功耗之間關系，確定滾筒外徑為240mm；為減小作業(yè)阻力、防止還田刀具刀柄部分纏草以及便于通過調(diào)節(jié)刀具安裝角而確定合理的滑切角，設計了刀盤結(jié)構(gòu)［12］,其外徑為310mm、內(nèi)徑為240mm。還田刀具是水稻秸稈深埋整稈還田裝置中最關鍵的工作部件，對作業(yè)質(zhì)量及功率消耗起著決定性作用，刀具固裝在刀盤上，完成切土、碎土、埋草、壓草和覆土等功能。1.1深埋整稈還田刀具設計深埋整稈還田刀具由刀柄、側(cè)切部、過渡部及正切部組成。側(cè)切刃為正弦指數(shù)曲線和阿基米德螺線的組合，實現(xiàn)切土、推土功能；正切刃為特殊空間曲線，實現(xiàn)拋土、升土功能；過渡刃以三維空間光滑曲線的形式將兩部分連接，以改善刀具綜合作業(yè)質(zhì)量。增加刀體寬度，減小刀輥上埋草刀數(shù)量，利用寬刀正切面對土壤的沖擊和破碎作用降低功耗，獲得較好的作業(yè)質(zhì)量。深埋整稈還田刀結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.1.1側(cè)切刃設計側(cè)切刃前半部采用正弦指數(shù)曲線。此部分可有效防止刀柄部掛草，保證整刀在高留茬且多草的稻田里作業(yè)不纏草［13］。正弦指數(shù)曲線方程式中p0——正弦指數(shù)曲線起點極徑，mmT0——曲線起點的靜態(tài)滑切角，（°）K一曲線上靜態(tài)滑切角遞減比0——任意點極角，（°）k—正弦指數(shù)曲線系數(shù)還田刀具固裝在刀盤上，側(cè)切刃初始位置回轉(zhuǎn)半徑應大于120mm，依據(jù)GB/T5669—2008《旋耕機械刀和刀座》的設計要求，確定p0=150mm,T0=52°。側(cè)切刃后半部采用阿基米德螺線。此部分的滑切角隨著回轉(zhuǎn)半徑的增大逐漸增加，刀刃每轉(zhuǎn)過單位角度，徑向切土長度相同，使刃口切土負荷變化較為均勻。該部分可以增加耕深，減少摩擦阻力，防止刀具纏草。阿基米德螺線方程式中p1——阿基米德螺線起點極徑，mmaf——螺線極角增加單位弧度時極徑的增量0n終點極角，radpn阿基米德螺線終點極徑，mmTn阿基米德螺線終點處靜態(tài)滑切角(常取50°~60°),(°)根據(jù)農(nóng)藝要求，確定整稈還田刀具的設計參數(shù)如下：耕深200mm、刀具回轉(zhuǎn)半徑250mm、切土節(jié)距80mm。為使螺線能與正切刃光滑過渡，pn一般比彎刀回轉(zhuǎn)半徑小10-20mm［13］，本文取20mm。將設計參數(shù)代入以上公式中，經(jīng)計算，取p1=185mm,pn=230mm,Tn=60o,0n=0.34rad。在刀具作業(yè)過程中，必須考慮機具前進速度對滑切角變化的影響，即動態(tài)滑切角。據(jù)文獻［12］可知，動態(tài)滑切角最佳范圍是35。~55。°為保證還田裝置的作業(yè)效果且減小切割阻力，在設計過程中令其動態(tài)滑切角不斷減小，限制在45。~55。內(nèi)變化。1.1.2正切刃及過渡刃設計正切刃設計采用空間過渡曲線，正切面為弧形曲面。正切刃曲線上各點滑切角逐漸增大，對土垡有一定加速作用。為提高刀具的拋土性能，同時減少耕耘阻力，降低機具功耗，設計正切刃彎折半徑為r=42mm，刀具工作幅寬為b=75mm。過渡刃為一段空間曲線，其將側(cè)切刃曲線與正切刃曲線連接并圓滑過渡，以提高刀具切土流暢性，避免作業(yè)過程中產(chǎn)生應力集中，影響刀具使用壽命。深埋整稈還田刀在切削土壤過程中按照空間運動軌跡先由靠近刀柄部位的側(cè)切刃切削土壤，然后沿著側(cè)切刃曲線向夕卜逐漸切削土壤，最后土壤及秸稈沿正切刃拋出［6］。通過側(cè)切刃避免切土過程中掛草、纏草，同時增加耕深；正切部切出溝底并將秸稈向夕卜推移連根拋出土壤。在刀具整體作業(yè)過程中，逐步增加刀具切土刃長及面積，達到較為理想的還田效果。1.2深埋整稈還田裝置刀具排列深埋整稈還田裝置的每個刀盤上交錯安裝左、右刀各兩把，作業(yè)時左、右刀依次入土。根據(jù)文獻［6］及文獻［13］知，刀具按4條螺線規(guī)則排列，可以降低還田裝置作業(yè)功率，保證耕深穩(wěn)定、避免漏耕現(xiàn)象。主要參數(shù)為：刀盤6個，還田刀24把（左右各12把），刀盤軸向間距180mm，相鄰刀片定位孔轉(zhuǎn)角15°。圖2所示是深埋整稈還田裝置的刀具排列展開圖。1.3深埋整稈還田工作原理深埋整稈還田裝置采用反轉(zhuǎn)作業(yè)的方式，還田刀具將土壤及整株秸稈通過刀輥上方向刀輥后方拋出。由于秸稈質(zhì)量小，導致其被拋起高度低且受空氣阻力等影響其在空中運動時間短；而切碎的土壤被刀具拋起的高度高，受空氣阻力等影響小使其在空中運動時間長［6］。因此，秸稈與土壤落入被切出的溝底存在時間差，秸稈會先于土壤落入溝底，且秸稈會被隨后落下的土壤覆蓋，從而完成秸稈深埋還田作業(yè)。為分析深埋整稈還田裝置的作業(yè)性能，建立還田虛擬仿真模型，進行虛擬仿真試驗以驗證其作業(yè)性能。在此基礎上對虛擬試驗臺架進行整機配置，為加工后續(xù)土槽驗證試驗所需試驗臺架做準備。本文運用離散元法建立土壤顆粒間力學模型，并應用離散元軟件EDEM進行還田作業(yè)虛擬仿真試驗。2.1深埋整稈還田虛擬仿真模型建立結(jié)合水稻秸稈深埋整稈還田裝置，應用Pro/E軟件建立還田作業(yè)必要的仿真模型。為了將還田刀拋起的土壤順利導流至刀輥后側(cè)，采用與刀輥滾筒同軸的凸弧形罩殼;根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，設計合理的側(cè)擋板。在仿真過程中調(diào)節(jié)罩殼與擋板的參數(shù)以達到最佳工作性能。仿真模型如圖3所示。土壤顆粒離散元模型建立深埋整稈還田裝置旋耕切土作業(yè)質(zhì)量與土壤物理性質(zhì)有著密切關系。土壤顆粒間結(jié)構(gòu)關系十分復雜，建立合理的土壤顆粒模型，能夠真實地反映還田試驗過程中土壤的運動趨勢。以東北地區(qū)農(nóng)業(yè)耕作土壤為研究對象。結(jié)合實際情況，運用土壤物理學及力學理論，做如下假設：①土壤顆粒主要為常規(guī)礦質(zhì)土壤，忽略其他土質(zhì)影響。②土壤粒徑在0.5-5mm之間，其粒徑大小呈正態(tài)分布［14］。③土壤顆粒形狀簡化為球狀、桿柱狀、鱗片狀、團粒狀、棱柱狀、圓盤狀、團塊狀、棱塊狀等8種［15］，顆粒形狀呈隨機分布。④建立土壤接觸非線性接觸模型，簡化土壤顆粒間的主要作用形式為粘結(jié)、碰撞、內(nèi)聚及滑移4種［14］。運用離散元法將土壤顆粒間、顆粒與邊界間的作用方式進行簡化，分析工作部件在作業(yè)過程中對土壤顆粒動態(tài)行為的影響。結(jié)合EDEM軟件中顆粒作用模型簡化出土壤顆粒力學模型如下：①土壤顆粒中因毛細水管形成的不連續(xù)液橋產(chǎn)生粘性力簡化為濕顆粒粘性力JKR接觸模型［16］。②土壤顆粒之間相對滑移、滾動產(chǎn)生的接觸力、摩擦力簡化為Hertz-MindlinwithRollingFriction滾動摩擦接觸模型。③土壤顆粒相互碰撞產(chǎn)生的能量損失簡化為機械阻尼中的粘性阻尼。EDEM虛擬仿真試驗應用離散元軟件EDEM對仿真模型進行虛擬仿真試驗。前處理(Creator)設定將建立的仿真模型導入EDEM中進行參數(shù)定義。設定模型材料為45號鋼；根據(jù)實際田間作業(yè)情況，設定深埋整稈還田裝置反旋作業(yè)，前進速度為0.35m/s，轉(zhuǎn)速為237r/min，耕深為20cm；設定顆粒力學關系模型為：JKR接觸模型、Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型、Hertz-MindlinwithRollingFriction滾動摩擦接觸模型；以實際土槽試驗臺為基準，建立虛擬土槽(長5m，寬1.5m)。根據(jù)前期8種土壤顆粒形狀及大小分布，在EDEM中建立土壤顆粒固體系統(tǒng)的參數(shù)化模型，如圖4所示。通過查閱相關文獻［17］,土壤顆粒泊松比為0.25-0.42,平均容重為2100-2500kg/m3，土粒密度(土壤固相密度)為2400-2800kg/m3，土壤孔隙度為30%-37%。求解器(Simulator)設定在保證仿真連續(xù)性的前提下，設定固定時間步長為4.2x10-6s，為Rayleigth時間步長的5%，總時間為10s，網(wǎng)格單元尺寸為2mm，為最小顆粒半徑的2倍。仿真過程如圖5所示，粉色顆粒代表旋耕翻埋的土壤。EDEM虛擬仿真結(jié)果分析根據(jù)離散元EDEM軟件模擬土壤顆粒的特點，以旋耕作業(yè)國家標準為衡量指標，選取平整度及覆土率為虛擬試驗分析對象。土壤平整度利用EDEM軟件的網(wǎng)格劃分功能(GridBinGroup模塊)對虛擬試驗中的土槽進行區(qū)域劃分，設定網(wǎng)格標尺為15mm；據(jù)NY/T499—2002《旋耕機作業(yè)質(zhì)量》要求，待機具運作穩(wěn)定后沿前進方向等距選取4個土槽橫截面(如圖6所示)，并對各個區(qū)域的土壤耕作變化進行分析。由圖6分析可以得出，經(jīng)試驗機具虛擬仿真作業(yè)后土壤表層比較平整，土壤表層輪廓線始終在一個網(wǎng)格單元內(nèi)(圖中紅色標尺表示)即地表平整度小于15mm；被旋耕土壤的底層與未耕土壤間界限分明且較為平整，兩部分土壤的界限輪廓線始終在一個網(wǎng)格單元內(nèi)，即溝底不平度小于15mm。經(jīng)上述分析，該試驗機具作業(yè)后土壤平整度均滿足行業(yè)標準要求且能夠獲得較高的土壤平整度。覆土率根據(jù)旋耕覆土標準要求，將田間作業(yè)中秸稈、雜草深埋于地表15cm以下以保證農(nóng)藝耕作要求。運用EDEM軟件的選擇組集模塊(Selection)功能進行土壤顆粒跟蹤。分析作業(yè)后地表以下0~10cm范圍內(nèi)土壤顆粒的縱向位移分布，具體位移分析如圖7所示。圖7中，以土壤表層為臨界標準面，x軸表示在旋耕作業(yè)后土壤深度數(shù)值分布，y軸表示標記區(qū)域內(nèi)跟蹤顆粒的數(shù)量，圖7實質(zhì)即為標記區(qū)域土粒旋耕入土層深度的數(shù)量分布。由圖可得，經(jīng)過深埋整稈還田仿真模型旋耕作業(yè)后，跟蹤的顆粒大部分被旋入10~20cm土壤中，最大深度達到21cm，且表層土壤的覆蓋率達93.87%。這表示此仿真模型具有較好的土壤翻埋效果，標記區(qū)域的土壤及長在地上的秸稈會被深層土壤（地表深度10cm以下）所覆蓋。2.5試驗臺架虛擬設計結(jié)合設計的虛擬仿真模型，對虛擬試驗臺架進行整機配置，為加工后續(xù)土槽試驗所需試驗臺架做準備。水稻秸稈整稈還田試驗臺架在虛擬仿真模型的基礎上配置了機架總成、側(cè)邊減速器、擋草柵、限深滑板等關鍵部件。該試驗臺架通過三點懸掛架偏置掛接于土槽試驗車上，土槽試驗車將動力經(jīng)由萬向聯(lián)軸器傳至側(cè)邊減速器，再由側(cè)邊減速器帶動深埋整稈還田裝置進行反轉(zhuǎn)旋耕完成水稻秸稈整稈深埋還田作業(yè)。該試驗臺架的主要參數(shù)為：作業(yè)幅寬1m、罩殼與旋耕回轉(zhuǎn)半徑間隙70mm、變速箱減速比2.28、配套動力30kW，試驗臺架如圖8所示。3.1試驗條件試驗地點為黑龍江省農(nóng)業(yè)機械研究院的土槽試驗室。秸稈還田試驗機具的驗證試驗臺包括Tcc—m型計算機監(jiān)控及輔助測試土槽試驗車、土槽、試驗臺架以及數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)。土槽內(nèi)的土壤為黑龍江地區(qū)典型的黑壤土試驗單元區(qū)域面積為2mxlm,秸稈采用秋季收割的水稻秸稈。土壤及秸稈的處理情況：土壤含水率30%;土壤堅實度900kPa;水稻行距30cm;水稻株距15cm。作業(yè)過程中，調(diào)節(jié)土槽車變頻器，控制調(diào)速電動機輸出轉(zhuǎn)速，使刀輥轉(zhuǎn)速達到試驗要求，同時保持預定的前進速度勻速作業(yè)，完成單個試驗單元的測試。進行多組試驗以檢驗秸稈還田試驗機具的作業(yè)效果。3.2試驗結(jié)果及分析機具作業(yè)后對試驗地塊進行測定。試驗臺架作業(yè)前后效果對比如圖9所示；被翻埋的秸稈在地表到溝底的垂直斷面分布情況如圖10所示。測量結(jié)果如表1所示。由試驗結(jié)果可知：深埋整稈還田試驗機的耕深為20-23cm，經(jīng)測量在地表到溝底的整稈還田垂直斷面內(nèi)距地表15-20cm內(nèi)翻埋的秸稈占秸稈總量的80%左右,秸稈還田率為91.63%，刀輥軸幾乎不纏草，秸稈整株還田質(zhì)量良好，各項技術指標均能滿足農(nóng)藝要求。所設計的深埋整稈還田刀對增加耕深及秸稈還田深度，改善作業(yè)過程中刀軸及還田刀具纏草問題的效果明顯。將土槽驗證試驗結(jié)果與虛擬EDEM仿真試驗分析結(jié)果進行比較，可以得出虛擬仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果基本一致，土壤運動趨勢基本相同。其中存在的誤差如：耕深誤差小于2cm，覆土率誤差為2.24%，耕后平整度誤差小于0.3cm，主要原因是：EDEM仿真環(huán)境過于理想，土壤顆粒模擬情況基本滿足但仍有一定差別。但以上誤差都在誤差范圍內(nèi)，表明上述理論仿真及設計的合理性和可行性。運用旋耕理論、數(shù)值計算分析方法設計了一種深埋整稈還田裝置，一次作業(yè)即可完成切土、碎土、埋草、壓草、覆蓋等功能。采用虛擬樣機理論，對土壤物理性質(zhì)進行假設，建立土壤顆粒模型；應用離散元EDEM軟件進行覆土旋耕虛擬試驗，用以驗證還田裝置設計的合理性。與土槽臺架試驗結(jié)果進行比較，結(jié)果證明虛擬仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)及土壤運動趨勢均基本一致。證明理論仿真及設計的合理性和可行性。設計了深埋整稈還田試驗臺架，進行了土槽驗證試驗，試驗結(jié)果表明其作業(yè)效果良好，各項指標均滿足農(nóng)藝要求。在作業(yè)速度為1.25km/h、刀輥轉(zhuǎn)速為237r/min時，耕深為22cm、地表以下15~20cm內(nèi)翻埋的秸稈占秸稈總量的80%,秸稈還田率為91.63%，同時刀輥軸不纏草。【相關文獻】1農(nóng)業(yè)部.全國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展第十二個五年規(guī)劃(2011—2015年)[R].北京：中國農(nóng)業(yè)部，2011.2高煥文，李洪文，李問盈.保護性耕作的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2008,39(9):43-48.GaoHuanwen,LiHongwen,LiWenying.Developmentofconservationtillage[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2008,39(9):43-48.(inChinese)3常曉慧，孔德剛，井上光弘，等.秸稈還田方式對春播期土壤溫度的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2011,42(8):117-120.ChangXiaohui,KongDegang,InoueMitsuhiro,etal.Effectofdifferentstrawreturningmethodsonsoiltemperatureinspringsowingperiod[J].JournalofNortheastAgriculturalUniversity,2011,42(8):117-120.(inChinese)4張帥，孔德剛，常曉慧，等.秸稈深施對土壤蓄水能力的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2010，41(6):127-129.ZhangShuai,KongDegang,ChangXiaohui,etal.Effectofstrawdeepapplicationonsoilwaterstoragecapacity[J].JournalofNortheastAgriculturalUniversity,2010,41(6):127-129.(inChinese)5蔡昆爭，駱世明，段舜山.水稻根系的空間分布及其與產(chǎn)量的關系[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報，2003，24(3):1-4.CaiKunzheng,LuoShiming,DuanShunshan.Therelationshipbetweenspatialdistributionofricerootsystemandyield[J].JournalofSouthChinaAgriculturalUniversity,2003,24(3):1-4.(inChinese)6王金武，尹大慶，韓永俊，等.水稻整株秸稈還田機的設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2007，38(10):54-56.WangJinwu,YinDaqing,HanYongjun,etal.Designandexperimentofwholericestrawreturningmachine[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(10):54-56.(inChinese)7張輝，張永震.顆粒力學仿真軟件EDEM簡要介紹[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2008(12):48-49.CarrilloAR,WestJE,HornerDA,etal.Interactivelargescalesoilmodelingusingdistributedhighperformancecomputingenvironments[J].TheInternationalJournalofHighPerformanceComputingApplications,1999,13(1):33-48.TanakaH,InookuK,SumikawaO,etal.Simulationofsoilbehavioratsubsoilingbythedistinctelementmethod[C]iiProceedingsofthe6thAsia-PacificConferenceoftheInternationalSocietyforTerrain-VehicleSystems,2001:194-200.MomozuM,OidaA,YamazakiM,etal.Simulationofasoillooseningprocessbymeansofthemodifieddistinctelementmethod[J].JournalofTerramechanics,2003,39(4):207-220.11李建橋，黃晗，王穎，等.松軟地面機器系統(tǒng)研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015,46(5):306-320.LiJianqiao,HuangHan,WangYing,etal.Developmentonresearchofsoft-terrainmachinesystems[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2015,46(5):306-320.(inChinese)12趙鐵軍，王金武.水稻秸稈整株還田埋草彎刀滑切角與安裝角分析[J].農(nóng)機化研究，2007(11):58-60.ZhaoTiejun,WangJinwu.Analysisandresearchofgrassremovingangleandsettingangleofstraw-mulch