高茬秸秆还田旋耕机工作机理与试验研究

长江中下游地区是我国水稻主产区,种植面积约占全国总面积的60%。长江以北以一年两熟制为主:油菜-水稻、小麦-水稻、绿肥-水稻等;长江以南以一年三熟制为主:油菜-早稻-晚稻、大麦-早稻-晚稻、绿肥-早稻-晚稻等。该地区高温高湿、降雨量大、雨热同季,杂草及病虫害滋生严重,秸秆埋覆还田有助于消除杂草及病虫害,减少农药施用量,减轻农业面源污染,提高土壤有机质含量;就地埋覆还田是最直接、最有效的处理方式。由于长江中下游地区前茬作物收获后,农时紧迫,秸秆量大,秸秆收集运输成本高,残留田间的秸秆越来越高,常规犁耕难以翻埋,绝大部分就地焚烧,严重污染生态环境。虽然旋耕翻埋已显替代优势,但由于秸秆翻埋机理不明,影响作业质量和能耗因素多,作业功耗较高,机具结构性能参数的合理性、动力性、适用性的研究还停留在定性类比阶段,迫切需要深化理论研究和田间试验验证。本文在系统分析和总结国内外旋耕埋草机相关研究的基础上,针对中国长江中下游地区粮食作物种植特点,以华中农业大学设计研制的高茬秸秆还田系列旋耕机为研究对象,采用理论与试验相结合的方法,重点对适合该区水旱轮作种植模式的水旱两用高茬秸秆还田旋耕机关键部件—组合刀辊,进行了工作机理和田间试验研究,并对其核心部件—螺旋横刀的切土角进行了优化,得到的主要研究结果如下:1.以适宜长江中下游种植的水稻、油菜水田和玉米旱地土壤为研究对象,对其主要性能参数进行了试验测试,分别测得了3种种植不同作物土壤的质地、有机质、土粒比重、土壤容重、含水率、孔隙度、土壤界限含水率,并对3类土壤的抗剪强度进行了三轴剪切试验,为高茬秸秆还田耕整机关键部件的设计、工作参数选择及田间试验提供了理论参考依据。2.建立了组合刀辊的核心作业部件螺旋横刀的数学模型,计算分析其作业特性。螺旋横刀(以下简称横刀)动态滑切角(25～25.3°)小于秸秆-横刀之间摩擦角,且轴向排布不存在漏耕间隙,因而机具在高茬秸秆田中作业时刀轴不容易缠草;标准旋耕刀IIT245耕作过程中对土壤产生轴向侧推效应,将横刀和IIT245旋耕刀合理组合,使其对土壤的轴向侧推效应相互抵消,因而机具作业后地表平整度较高。高茬秸秆旋耕埋覆分三个阶段:螺旋横刀切土过程中秸秆包裹在刃口上,被横刀压覆、拖拽到耕层土壤中;螺旋横刀抛土过程中包裹在刃口上的秸秆在自身离心力、泥土摩擦力及横刀抛出的土壤流等共同作用下迅速脱离螺旋横刀而永久性沉入耕层土壤中;螺旋横刀后抛上扬的泥土撞击拖板后落地覆盖地表,增加秸秆埋覆深度。第一阶段中横刀动态切土角比较大(71.735°),并且地表大量秸秆包裹刃口,导致切土阻力大,因而机具作业过程中功耗高于传统旋耕机;第二阶段中横刀动态切土角(80.275°)远大于秸秆-横刀之间的摩擦角,有利于秸秆快速滑脱横刀,同时利于第三阶段中土壤后抛上扬埋覆秸秆。3.对华中农业大学研制的高茬还田耕整刀辊—螺旋刀辊和组合刀辊,进行了一系列田间试验。(1)以组合刀辊为研究对象,开展了水稻、油菜、绿肥类田块的田间试验研究,验证了组合刀辊田间作业时对植被的适应性。(2)影响刀辊作业质量的主要因素有刀辊转速、机组前进速度和耕深等。为明确上述3个因素对作业质量的影响,利用L9(34)正交试验表对组合刀辊进行田间正交试验研究。试验结果分析得出:影响作业质量的主次因素依次为耕深、前进速度、刀辊旋转速度。3个因素对秸秆埋覆率的影响程度依次为:耕深和前进速度的影响极显著,刀辊旋转速度的影响不显著。组合刀辊田间作业的最佳参数范围为:拖拉机前进速度0.43～0.93 m/s,刀辊旋转速度330 r/min左右。(3)对传统旋耕刀、螺旋刀辊、组合刀辊为关键部件的旋耕机具,进行田间作业对比试验,试验结果表明:传统旋耕刀作业耕深低于其他2种刀辊,对秸秆埋覆性能极差,达不到国标要求;组合刀辊植被埋覆率达94%以上,耕深大于20 cm,作业耕深稳定。结果显示:组合刀辊耕后地表平整,覆盖率、耕深及耕后地表平整度等作业质量指标均优于其它2种刀辊。即组合刀辊作业质量最佳,秸秆埋覆性能最好。(4)对水田高茬秸秆还田旋耕机和水旱两用高茬秸秆还田旋耕机分别进行实际应用测试研究。通过这一系列试验研究,得到水旱两用高茬秸秆还田旋耕机相较于水田高茬秸秆还田旋耕机更适用于水稻、油菜、小麦等主要粮食作物水田和旱地高茬秸秆的埋覆还田,机具田间适应性较强,埋覆性能良好。4.开展土壤运动规律分析,获取了土壤运动轨迹,得到了土壤的速度与时间、位移与时间、合力与时间等的变化规律,机具在作业过程中,土壤被刀辊向后抛出;开展了秸秆运动规律分析,获取秸秆运动轨迹,得到了秸秆的速度与时间、位移与时间、合力与时间等的变化规律,机具在作业过程中,秸秆被刀辊向下压覆后被后抛的土壤埋覆;对组合刀辊工作过程进行了分析,获得了刀辊运动规律,得到了刀辊的速度与时间、位移与时间、合力与时间等的变化规律以及刀辊所受力矩变化规律,刀辊作业过程中,入土破土时刻刀辊受力急速达到最大,机具所耗功率最大。5.采用无线遥测技术,利用动力输出轴一体化扭矩传感器,对安装原组合刀辊、传统旋耕刀以及螺旋刀辊的旋耕机进行田间作业质量及功耗对比试验,试验结果表明:组合刀辊和螺旋刀辊旋耕后秸秆埋覆率、耕深、耕深稳定性及地表平整度等作业质量指标均高于国标要求,传统旋耕刀秸秆埋覆率不达标;传统旋耕刀虽然作业功耗较低,但对高茬秸秆的埋覆性能较差;组合刀辊作业质量最优,但是其作业功耗偏高。6.为了保持刀辊良好的高茬秸秆埋覆效果,同时为了提高刀辊强度、降低刀辊作业功耗,寻找螺旋横刀最佳切土角,在理论分析基础上,对螺旋横刀进行了改进,主要对螺旋横刀截面尺寸进行一定的调整,为了提高通用性,降低成本,将原刀辊上的中间刀盘更换成为标准件刀座。7.设计加工了4种不同切土角的横刀,进行水田和旱地田间作业质量和功率的测试,测量田间耕前耕后相关参数,通过田间作业性能得到组合刀辊较佳的切土角。8.优化后的水旱两用秸秆还田组合刀辊对高达90.6 cm的水稻整株和49.2 cm的水稻秸秆进行水田和旱地埋覆还田试验,作业后耕深分别为17.9、24.0 cm,耕深稳定性分别为89.8%、86.6%,植被埋覆率分别为99.8%、97.4%,耕后地表平整度分别为1.9、1.4 cm,平均功耗为26.6、28.9 kW,田间作业质量和功耗指标均符合设计指标,且相较之前功耗降低了,达到了预期设计目标。