留茬行间交替耕作模式配套播种机关键技术研究

近年来，东北地区摸索出多种适合东北地区实际情况的保护性耕作技术，其中留茬行间交替耕作技术是应用最为广泛的保护性耕作技术之一。留茬行间交替耕作技术在收获作业时采取高留茬作业，翌年在第一年的休耕行播种，第三年回到第一年的播种行播种，依次循环往复，其具有蓄水保墒，降低风蚀水蚀，根茬降解腐蚀程度高，增加土壤有机质含量等优势。由于采取高留茬作业（根茬上方保留一定长度的秸秆，长度约为300-500mm），因而播种作业时，地表上残留大量倒伏的根茬和秋季作业时掉落的秸秆，致使播种作业时易发生如下问题：①秸秆、根茬易堵塞开沟装置，破茬作业需同时针对秸秆和根茬进行作业；②由于采取留茬交替耕作，拖拉机行驶轮和机具在作业时均会接触到残留于地表的根茬，因而相对于原垄耕作模式，机具震动增加，排种器易发生掉种现象；③当覆土镇压装置与地表残留的根茬、秸秆接触时，会发生覆土量降低和镇压强度不稳定的现象；上述问题使得传统播种机很难适用于留茬行间交替耕作技术，因而对留茬行间交替耕作模式的免耕播种技术进行深入研究，并研制一种适用于行间交替耕作技术的播种机具对东北黑土区的保护与恢复和保障国家粮食安全均具有重要意义。 本文针对留茬行间交替耕作技术缺少配套播种机具的问题，在国家十二五科技支撑计划课题（玉米种植机械关键技术和装备研究与示范2011BAD20B09）的支持下，结合交替耕作技术特点和东北地区实际作业条件，通过理论分析、试验设计、建立数学模型、仿真分析等方法，研究关键部件的几何形态、结构参数、作业方式与作业效果之间的关系，并总结和量化其规律，从而设计出合理的排种、破茬、镇压等关键部件，最终设计出与留茬行间覆盖交替耕作技术相配套的播种机具。 （1）秸秆切割阻力与切割功耗影响因素及其规律的研究。本文以刀具切割作业方式（切割速度、滑切角、是否固定秸秆）和秸秆自身属性（秸秆含水率、秸秆直径）为试验因素，秸秆切割性能（最大切割阻力、切割功耗）为试验指标。本文通过多水平单因素试验发现秸秆自身属性和刀具切割作业方式对切割性能的影响规律；通过理论分析等方法总结出刀具切割作业方式对切割性能产生显著性影响的原因：滑切角通过改变刀具对秸秆的实际切割角，进而影响最大切割阻力和切割功耗，切割速度和是否固定秸秆通过改变秸秆滑移率和实际滑切角，进而影响最大切割阻力和切割功耗；通过数学建模的方法建立了切割阻力和切割功耗与切割速度、滑切角等因素的一般数学关系模型（①刀具切割秸秆最大切割阻力与刀具实际切割刃角之间关系数学模型，②刀具实际切割刃角与刀具构造刃角、刀具动态滑切角之间关系数学模型③刀具动态滑切角与切割速度、刀具滑切角之间关系数学模型，④秸秆被固定时切割功耗与滑切角之间关系数学模型，⑤秸秆未被固定时秸秆滑移位移与切割速度、滑切角之间关系数学模型，⑥秸秆未被固定时切割功耗与切割速度、滑切角之间关系数学模型），通过数学模型求解揭示其因变规律，数学模型所得出结论与多水平单因素试验结论相互印证，证明了结论的可靠性，为行间播种机具防堵破茬部件的设计提供理论基础。 （2）播种机破茬作业理论研究与机构设计。针对留茬行间交替耕作技术春季播种时，地表残存根茬和秸秆致使免耕播种作业易堵塞的问题，本文以第二章的研究成果为基础，结合行间交替耕作技术特点和东北黑土区实际作业条件，设计一种同时设有被动卧式旋转部件和主动卧式旋转部件的秸秆固定滚切式防堵装置。本文通过试验和理论分析的方法，得出被动刀片刀刃曲线采取等滑切角曲线时可有效固定住秸秆，进而降低作业功耗和最大切割阻力，并通过优化设计，分别设计出作业效果最佳的被动切割刀片和主动切割刀片，其中被动切割刀片的刀刃曲线采用等滑切角曲线，刀片半径为185mm，主动切割刀片的刀刃曲线采用阿基米德螺线，刀片半径为240mm；通过多因素组合试验，并运用Design-Expert软件对试验数据进行处理，建立各因素与各指标之间的回归方程，从而确定出刀片最佳结构和作业参数；通过田间验证试验，得出玉米根茬和秸秆切断率平均值为91.3%，单把主动刀片功率消耗平均值为145.2W，为整机设计提供关键部件。 （3）排种过程中种子受力与位移问题研究及新型排种器和漏播报警装置设计。针对留茬行间交替耕作技术条件下，拖拉机行驶轮和机具在作业时均会接触到残留于地表的根茬，相较于原垄耕作技术排种器震动较大、易掉种的问题，设计一种双凹曲面摇杆式排种器及漏播报警装置，其通过双凹曲面取种块与倾斜式清种环共同完成充种、运种、清种、排种等作业环节，播种作业时将种子压入双凹曲面取种块的第二凹曲面内，降低排种器震动对排种作业的影响，实现高效率、高精度、低破损的作业目标。通过分析作业效果与关键部件几何形态、结构参数之间的关系，对作业关键部件双凹曲面取种块进行优化设计，选取三段圆弧曲面组成双凹曲面取种块的两段凹曲面，使其对种子的夹持效果更佳；通过选用合理的单片机、传感器等部件，设计出合理的漏播报警装置电路和流程；通过排种器震动试验台模拟田间实际作业情况，以排种器转速、清种环倾斜角为试验因素，单粒率为试验指标进行多水平双因素试验，确定其最佳作业参数；通过田间验证试验对排种器实际作业效果进行验证，试验结果表明排种器单粒率在95%以上。 （4）土壤位移和受力仿真分析与弹性覆土镇压装置作业原理分析及设计研究。针对覆土、镇压作业中覆土量和镇压强度不稳定，影响作物产量的问题，本文设计一种弹性覆土镇压轮，其主要由胎体、胎体腔室和覆土器组成，覆土器通过弹性伸缩表皮完成覆土和震动清除粘附土壤等作业，胎体通过机具重力和胎体腔室内气体的压力完成镇压作业。由于弹性覆土镇压装置采取弹性腔室设计，并由平行四连杆仿形机构与机架连接，遇到秸秆、根茬时亦可保证与土壤的接触面积，保证镇压强度稳定，并依靠覆土器增加覆土量，从而达到镇压强度和覆土量稳定的目的。通过ABAQUS软件对弹性覆土镇压轮作业过程中土壤位移与受力情况进行仿真分析，得出作业时土壤在覆土器部分位移较大；覆土镇压轮应变和应力最大值均出现在覆土器与胎体腔室结合部，覆土镇压轮与土壤接触面积基本稳定在24000mm2，垂直接触力基本稳定在800N。 （5）留茬行间交替耕作技术配套播种机整机结构配置合理性研究。播种机主要由防堵破茬机构、施肥机构、播种机构、覆土镇压机构、传动机构组成，本文通过结构优化设计方法，设计出平行四连杆等机构，并得出合理的整机结构配置，经整机田间试验，机具各项指标均超过国家标准。