水稻是我国主要粮食作物之一,主要种植于东北、华南和长江流域地区。作为水稻主要产地的长江流域有油-稻、麦-稻、肥-稻、双季稻、三季稻等多种种植制度,前茬作物收获以后紧接着种植水稻,农时紧迫,然而前茬作物残留的高茬秸秆对水田耕整带来了很大困难。研究一种高效的水田秸秆还田耕整机,以解决水田耕整中秸秆还田问题,是现阶段水稻机械化种植和可持续生产研究的重点问题之一。
本文以实现水田的高效秸秆还田与耕整为目标,研制了一种双辊式螺旋旋耕埋秆的水田耕整机械,开展了总体技术研究及关键部件的设计与分析,运用CAE软件进行了运动学与动力学仿真分析,主要研究内容如下：
(1)在比较分析国内外秸秆还田与水田耕整机械研究现状的基础上,研制了一种适应高秸秆残茬直接翻埋还田的双辊式水田螺旋旋耕埋秆耕整机,分析了该机具的工作原理和工作过程,提出了总体性能指标参数和基本结构参数,进行了该机具的动力匹配选型分析。
(2)对成熟期的水稻茎秆进行了弯曲和轴向压缩试验,分析了水稻茎秆不同生长部位的力学性能差异。试验结果表明：水稻茎秆由上到下直径依次增大,机械性能依次增大,茎秆上部和茎秆下部的最大弯曲破坏力分别为6.07N、9.64N,茎秆上部和茎秆下部的最大压缩破坏力分别为46.96N、69.35N；同一生长部位的茎秆,受压缩破坏所需的力远大于弯曲破坏所需要的力。
(3)对本机具的动力传递系统、工作刀辊及其螺旋横刀、压秆装置、防缠草装置和挡土平地装置等关键部件展开设计与分析。重点分析了螺旋刀辊及螺旋横刀的结构参数和运动参数,在切土节距为3～6cm时,分析确定了机组的行进速度范围为0.835～1.67m/s。分析了两个螺旋刀辊上左、右螺旋横刀的排列形式。
(4)基于Pro/E软件完成了整机及零部件的实体模型的建立,并进行全局干涉检查与运动仿真分析。分析了当动力机提供转速为720r/min时,机组可以正常工作的前进速度范围,并分析了机组前进速度对作业质量的影响。
(5)基于ANSYS/LS-DYNA显示动力学分析软件,开展刀辊切削土壤的数值模拟,模拟切削过程中的土壤变形、切削阻力和功耗。获得单节螺旋刀辊转速为300r/min,机组行进速度为1.1m/s时,最大切削力为14104N,最大功率为6.4kW。
(6)所研制的水田高茬秸秆还田耕整机在平均高度达300mm的水稻秸秆残茬田的性能试验表明,该机可一次性实现秸秆埋覆还田、旋耕碎土、地表平整等多项功能,其主要性能指标符合设计要求,秸秆埋覆率94.19%；耕后地表平整度25.0mm。
