免耕条件下破茬深松装置设计与试验

随着传统耕作模式带来的土壤有机质含量逐渐降低,免耕耕作的需求日益增加,因此对免耕耕作模式的作业要求也越来越高。深松技术是免耕耕作模式的主要技术之一,本文针对深松作业时土壤扰动大、耕作阻力大、深松土块残留较大等问题,设计了破茬深松装置,并分别对深松铲和破茬碎土刀两个部件进行对比试验,验证其单独部件优良性,在此基础上对装置进行优化试验,得到最优工作参数组合。文章在综合研究国内外免耕研究成果的基础上,针对东北玉米垄作地区免耕地存在的问题,采用试验探究、理论分析及试验验证相结合的方法,对破茬深松装置进行了研究。本文的主要研究如下:（1）设计了拟合曲线型深松铲。采用离散元软件模拟深松铲铲尖在土壤中的运动,并依据仿真试验结果获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程,采用线元设计法对线形优化,获得铲柄外形曲线;同时设计了铲柄刃部,确定切削刃角为40°、入土角为21°,并通过铲柄与铲尖的互作效应试验验证了设计思路的合理性,得到了拟合曲线型深松铲。（2）设计了破茬碎土刀。结合装置部件之间互作效应时的运动学分析及深松铲的田间探究试验,确定破茬碎土刀刃口曲线与地面夹角为10～70°,破茬碎土刀最小半径为180 mm,中间半径为215 mm,最大半径为235 mm,深松铲与破茬碎土刀的最小间隙为20 mm,并运用离散元仿真试验为部件配合设计的合理性提供依据。（3）通过土槽和田间对比试验,验证了拟合曲线型深松铲的作业性能。土槽对比试验结果表明拟合曲线型深松铲比折线式深松铲土壤扰动量减少了53.60%,耕作阻力减少了36.23%;比圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18%,耕作阻力减少了29.18%。田间对比试验结果表明,拟合曲线、折线式、圆弧式深松铲的回土面积分别为7745.4、4278.6、3136.4 mm2。因此对比试验说明拟合曲线型深松铲深松作业时土壤扰动量较小,符合保护性耕作的要求。（4）通过仿真试验和田间对比试验,验证与拟合曲线型深松铲互作效应的破茬碎土刀的作业性能。离散元仿真对比试验表明,深松铲—破茬碎土刀互作效应比深松铲—破茬碎土刀、圆盘刀、缺口破茬刀分离作用时,破茬碎土刀阻力分别减小25.1%、16%、31.5%;深松铲—破茬碎土刀阻力分别减小了8.3%、4.5%、14.9%;碎土效果分别增加了11.5%、98.5%、157%。田间性能试验表明,互作效应装置与参照指标相比,破茬比率提高10.92%、碎土率提高6.04%、耗油量降低31.39%;田间对比试验表明,互作效应的破茬碎土刀比分离作用的破茬碎土刀、圆盘刀、缺口破茬刀,在相同工况下,平均破茬比率分别增加了3.53%、19.38%、8.86%;在不同工况下,比分离作用的圆盘刀,平均载重每降低20 kg,破茬比率提高13.8%,耗油量减小7%,平均载重每降低40 kg,破茬比率提高5.82%,耗油量减小21.82%,比分离作用的缺口破茬刀,平均载重每降低20 kg,破茬比率提高4.5%,耗油量减小了12.79%。（5）通过仿真试验和田间试验对整个装置的工作参数进行优化。仿真试验结果表明,影响装置功耗的主次因素为作业速度、深松深度、装置载重、破茬碎土刀与深松铲的距离;影响作业前后根茬压缩力减少量因素的主次顺序为装置载重、深松深度、作业速度、破茬碎土刀与深松铲的距离;当装置载重106.75 kg、作业速度0.43 m/s、深松深度266.45 mm、破茬碎土刀与深松铲的距离为332.12 mm时,装置功耗为0.6072 kW,作业前后根茬压缩力减少量为411.506 N,作业效果最优。田间试验结果表明,破茬深松装置优化结果组合与传统机具参照指标相比,深松深度稳定性提高14%,破茬比率提高15.05%,碎土率提高6.17%,功耗降低48.6%,耗油量降低13.8%。优化后的破茬深松装置性能有较大提升,满足保护性耕作要求。本文设计的破茬深松装置能够利用深松铲与破茬碎土刀的互作效应增强装置的作业性能与作业效果,为深松、破茬、碎土等农机具部件的设计提供可借鉴的思路。