深松旋耕联合作业机是我国耕整机械发展的重要方向。在华北平原壤土区秸秆还田地使用的深松旋耕联合作业机仍存在功耗高、秸秆和杂草缠绕严重、振动大等问题。为此,本研究从降耗、防缠、减振出发,设计深松旋耕和适合深层耕作的旋耕深松两种作业次序的联合作业机。主要研究成果如下:(1)通过分析华北平原壤土区土壤物理性质,确定土壤间、土壤和耕作部件的接触模型以及仿真参数,应用离散元EDEM软件,建立耕作层、犁底层和心土层的三层离散元土壤模型。采用仿真与田间试验结合,对比分析华北平原常见的深松旋耕和旋耕深松两种作业次序联合作业机工作过程及功耗得出,旋耕深松作业次序旋耕刀辊受力均匀、振动较小;深松旋耕作业次序深松铲易缠绕秸秆、杂草。旋耕深松作业次序深松铲未出现缠绕,旋耕刀辊缠绕秸秆较为均匀;当旋耕作业深度≥15cm、深松作业深度≥35 cm时旋耕深松作业次序功耗较小,作业质量较优。(2)明确正、反转旋耕刀作业质量、作业深度与功耗的关系,设计深松旋耕作业次序中旋耕部件采用正转旋耕;旋耕深松作业次序中旋耕部件采用反转旋耕。使用高速摄像观测可将旋耕刀辊缠绕过程分为刀座挂草、刀轴缠绕秸秆和杂草、形成隔离层。其中秸秆、杂草的缠绕力主要与张紧力、刀轴与缠绕物间的摩擦系数、缠绕物的长度以及刀轴直径等因素有关。(3)分析深松铲破土刃破土过程,建立破土刃功耗与破土刃结构参数和土壤物理特性的数学模型。基于耕作层、犁底层和心土层3层土层的土壤物理性质,设计折线破土刃深松铲上、中、下破土刃高度分别为200、150、60mm;上、中、下破土刃切削刃角分别为40°、45°、42°,破土刃厚度为25mm。并通过离散元仿真和田间试验验证了折线破土刃能够有效降低深松铲作业阻力,减少秸秆、杂草缠绕。(4)设计深松、旋耕作业次序可调节的联合作业机,其中深松旋耕联合作业次序深松铲采用折线破土刃深松铲。减振防缠旋耕部件由深松铲作业后的耕层特点,设计V形深松区对应的旋耕刀盘安装IT225短刀与2把组合防缠刀;未耕区对应的旋耕刀片安装IIT245长刀与1把组合防缠刀;短刀与长刀采用不同的螺旋线排列。组合防缠刀由圆周方向和轴向方向防缠刀构成,刃口采用指数曲线,厚度取5mm、刃角为30°。旋耕深松联合作业次序中,基于潜土反转旋耕设计反转旋耕防缠刀辊和深松部件,深松铲翼铲长度为150mm、工作宽度为380mm;反转旋耕刀辊采用双头螺旋线排列,使用安装圆周防缠刀的旋耕刀座,防缠刀刃口采用指数曲线,厚度取10mm、刃角取60°,刃口厚度为0.5mm。(5)田间试验表明优化后深松旋耕、旋耕深松作业次序的联合作业机,比优化前振动加速度分别降低29.62%和35.83%、作业功耗分别降低14.21%和15%,同时联合作业机作业时的防缠效果明显。联合作业机作业后的地表平整度、土壤膨松度、植被覆盖率、碎土率及耕深相关测量量均满足国标要求。经对玉米产量分析得出,深松旋耕联合作业次序处理、旋耕深松联合作业次序处理玉米产量高于单一深松、旋耕和对照处理。
