行间清秸耕整关键技术及条带耕整机研究

推行以秸秆覆盖还田和免耕、少耕种植为核心的保护性耕作技术是现代农业新技术的发展趋势,是加强东北黑土地保护、推进农业绿色发展的重要措施。然而,地表过量的秸秆残留严重影响整地和播种作业,不利于作物生长,致使相关装备工作效率低,难以保证作业质量。条带耕作通过在秸秆覆盖地表创建清洁的苗床,将秸秆残留移至两个条带之间用以保护土壤,是有效解决秸秆覆盖难题的新型保护性耕作技术。条带耕作继承了传统耕作地温提升较快的优点,及免耕模式保护土壤、节能环保等特点,具备了传统耕作的安全性和免耕种植的绿色可持续性农业优势。条带耕整地作业是条带耕作模式的基础环节,需要配套相关作业机具用以代替传统耕作设备。然而,目前我国对条带耕作技术的研究较少,且缺少适合的条带耕整地作业机具。本文以条带耕作技术为依据,结合东北黑土区实际生产条件,采用机械结构设计和自动控制技术等手段,开展行间清秸耕整关键技术及条带耕整机研究,力图解决国内条带耕作技术缺少配套耕整地作业机具的难题。该文通过理论分析、计算机仿真分析和试验研究等方法和手段,研究关键部件作业质量影响规律,开展圆盘犁刀配置优化、自动控制条带清秸装置设计和耕深稳定性控制系统设计等关键技术研究,最终进行行间清秸耕整关键技术集成及自动控制条带耕整机试制。本文为保护性耕作技术的进一步推广和应用提供了有效的装备技术支撑,具有重要的实际意义。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)圆盘犁刀运动分析及其对作业质量的影响研究探究了圆盘犁刀滚切机理,建立了犁刀滚切过程动力学和运动学模型,分析了影响圆盘犁刀作业阻力的因素及其规律和滑移滚动条件下对犁刀切割性能的影响规律。为完成圆盘犁刀配置优化,设计搭建了田间犁刀作业性能动态测试试验台,以圆盘犁刀类型、有无秸秆覆盖和工作速度为试验因素进行了全因子试验,测定沟槽轮廓、秸秆扰动率、犁刀工作阻力和滑移率。试验结果表明:犁刀类型和前进速度显著影响所有考核指标,秸秆残留显著影响工作阻力和滑移率;平面犁刀具有最小的沟槽轮廓、残留物扰动变化率、切割阻力和最大的滑移率;在被测的波纹犁刀中,随波纹数量的增加切割阻力、犁沟宽度、沟槽面积逐渐降低,滑移率和残留物扰动率逐渐升高。对试验结果进行统计分析,综合考虑被动式条带耕整机作业条件及技术要求,配置优化了条带耕整机的圆盘犁刀,优选18W波纹犁刀用于切断作业行内秸秆残留物,优选13W波纹圆盘犁刀用于进行松碎土壤作业。(2)自动控制条带清秸装置设计及其对清秸质量影响研究结合机械结构设计和自动控制技术,设计了一种幅宽自动控制条带清秸装置,分析了该装置总体结构和工作原理。为设计星齿凹盘式条带清秸装置,对秸秆在清秸盘表面的运动过程和作业幅宽构造进行理论分析,探究影响清秸装置清秸质量的结构参数和工作参数及其取值范围,运用离散元软件EDEM进行清秸性能虚拟试验研究,考察各因素对清秸质量的影响规律,并获得最优参数组合方案。虚拟仿真试验结果表明:最优结构参数:清秸盘回转半径为152.5 mm、曲率半径为160 mm、圆盘曲面投影长度为50.9 mm,最优工作参数:清秸盘间距为90 mm、安装偏角为30°、安装倾角15°。基于星齿凹盘式条带清秸装置,运用S型拉压力传感器和电动直线推杆协同作用,设计了幅宽自动控制系统,进行了田间作业幅宽-工作阻力标定试验,建立了二者间的回归数学模型。田间试验结果表明,幅宽自动控制条带清秸装置的条带清秸率为92.3%、秸秆横向抛掷距离为40.2 mm,幅宽自动控制系统使苗幅宽稳定性提高9.8%,清理的条带满足玉米种植作业的农艺和技术要求。(3)耕深稳定性控制系统设计及单体力学模型建立结合理论分析和机械结构设计,确定了整机为平行四连杆结构和单铰接结构协同作用的条带耕整单体仿形方案,设计了平行四连杆结构单体仿形机构、单铰接结构仿形松土装置和单铰接结构仿形V型碎土装置,并确定了各仿形机构主要结构参数;运用自动控制技术,以空气弹簧作为平行四连杆仿形机构的下压力加载部件,设计了耕深稳定性气动控制系统,通过实时维持空气弹簧内气压,为条带耕整单体提供稳定的下压力,提高机具耕深稳定性;建立了由空气弹簧施加下压力的条带耕整单体的力学模型,分析得知气动监控系统利于实现机具轻量化配置、提高机具的耕深适用性。(4)行间清秸耕整关键技术集成及自动控制条带耕整机设计与试验综合应用前期行间清秸耕整关键技术研究成果,集成研制了适用于东北玉米主产区的条带耕整机,完成了样机的试制。田间应用作业性能和适用性试验结果表明:所研制的条带耕整机通过切秸-清秸-松土-碎土的顺次作业工序,完成在秸秆覆盖地的条带清秸和耕整作业,气动耕深控制系统和幅宽自动控制系统能够提高机具作业稳定性,作业后形成优质的种植条带,满足玉米种植农艺和技术要求。该机的作业速度适用范围为6～12 km/h,耕深适用范围为6～12 cm,幅宽适用范围为18～24 cm,研究结果为机具的后续优化改进提供数据参考。