秸秆深施机设计及深施铲行进阻力的试验研究

左胜甲，孔德刚，杨航，张萌，刘海涛，陈爽，吴艳凤

(东北农业大学工程学院，黑龙江 哈尔滨　150030)



秸秆深施机设计及深施铲行进阻力的试验研究

左胜甲，孔德刚，杨航，张萌，刘海涛，陈爽，吴艳凤

(东北农业大学工程学院，黑龙江 哈尔滨150030)

摘要：【目的】 为了解决我国秸秆焚烧、废弃、利用率低所带来的资源浪费和环境污染等问题.【方法】 设计了秸秆深施还田机.该机能在秸秆还田作业的同时完成秸秆深施还田和土壤深松，并对其深施铲的行进阻力进行了正交试验研究.【结果】 深施铲的行进阻力随着深施铲铲宽、土壤容重和深施铲入土深度的增大而增大，在这3个因素中深施铲入土深度对其影响最大，深施铲铲宽次之，土壤容重对其影响最小；深施铲铲宽与入土深度两因素之间的交互作用对深施铲行进阻力的影响显著(P<0.05)，深施铲铲宽与土壤容重、土壤容重与入土深度之间的交互作用对深施铲行进阻力无显著影响.【结论】 研究结果可以为秸秆深施还田技术的深入研究，以及配套机械装备的研发提供参考.

关键词：秸秆深施还田机；深施铲；行进阻力；正交试验

伴随着我国粮食产量的日益增长，每年的秸秆生产量也逐年增加.但我国秸秆资源利用率低，有大量的秸秆被焚烧，这不仅造成了资源的浪费，还对我们的生活环境造成了很大的污染.秸秆还田不仅能有效解决上述问题，而且还具改善土壤结构，增加土壤孔隙度，促进土壤有机质积累，增强蓄水保墒能力等多重效益[1-2].刑立冉等[3]研制了锯盘式秸秆切碎还田机，将玉米秸秆粉碎，然后利用镇压辊混入田间表层.东北农业大学王金武等[4]研制的水稻秸秆整株还田机，能够将直立和铺放两种形式的水稻秸秆进行还田.欧洲各国分别研制出不同类型的秸秆粉碎还田机械，如意大利CMARY公司生产的与18～130kW拖拉机配套的系列还田机、丹麦生产的SKT1500型、SKT2000型秸秆还田机等[5-6]，但多数只能完成秸秆覆盖还田作业.目前尚未见到能在秸秆深施还田的同时完成土壤深松的农业机械.

鉴于此，本课题组设计了一种秸秆深施还田机，该机能在秸秆深施还田的同时完成土壤深松，并对其深施铲的行进阻力进行试验研究，旨在为进一步改进机械的作业性能，研发其他机型秸秆深施还田机械装备提供技术依据.

1设计要求

根据农艺要求和工作条件提出以下要求：

1)能够连续的将粉碎秸秆(玉米、高粱)深施于土壤深层，要求深施深度不低于250 mm；

2)秸秆深施还田机机架与关键部件有足够的强度；

3)整机的工作幅宽为2.1 m(3垄)，作业效率为0.8 hm2/h，秸秆处理率12 m3/h[7].

4)秸秆深施还田机与拖拉机悬挂联接，动力由拖拉机后动力输出轴提供.

2整机结构与工作原理

秸秆深施还田机的总体结构简图与工作示意图如图1所示，主要由机架1、链传动机构2、悬挂架3、变速箱4、限深轮5、深施装置6、万向联轴节7、料箱8和秸秆输送装置9等组成.秸秆深施还田机与拖拉机悬挂联接.

工作时，拖拉机将秸秆深施还田机落下，使深施铲入土，秸秆深施还田机与联合收割机配合行走，收割机将粉碎的秸秆喷入料箱8中；深施装置6在土壤11的深层形成鼠道10；拖拉机后动力输出轴的动力经变速箱4和链传动机构2传送至秸秆输送装置9，秸秆输送装置9将料箱8中的秸秆输送至深施装置6所形成的鼠道10中.

秸秆深施还田机的牵引由拖拉机提供，整机与拖拉机悬挂联接，为保证还田机动力匹配合理，对拖拉机的选用提出以下要求：

1)秸秆深施还田机能够通过拖拉机后的悬挂装置实现不同高度的抬升与降落，要求拖拉机的悬挂装置提升力满足设计要求；

2)秸秆深施还田机作业时需要克服土壤对深施铲的阻力和机具重量等引起的前进阻力，要求拖拉机的牵引力满足设计要求；

3)秸秆深施还田机深施装置工作时，需要拖拉机后动力输出轴输出动力，要求拖拉机动力输出轴所输出的动力满足设计要求.

由于秸秆深施还田机的工作情况与深松机类似，参考深松机的功率来估算秸秆深施还田机所需的功率，通常作业幅宽为3垄的深松机匹配100 hp以下拖拉机.综合考虑以上要求，秸秆深施还田机的配套动力应选定80～100 hp的拖拉机.

1：机架;2：链传动机构；3：悬挂架；4：变速箱；5：限深轮；6：深施装置；7：万向联轴节；8：料箱；9：秸秆输送装置；10：鼠道；11：土壤.图1　结构简图与工作示意图Fig.1　Diagram of structure and working sketch

3主要部件设计

3.1秸秆输送装置

秸秆输送装置是秸秆深施还田机的主要部件，所起的作用是将玉米秸秆输送至秸秆深施装置.

秸秆输送装置如图2所示,主要有小料箱导料钩、轴套、轴承座、输入轴组成.小料箱由3 mm厚铁皮制成，其内径为270 mm×60 mm，既保证了刚度，又保证了其轻便和柔韧性.导料钩由直径为10 mm的圆钢制成半口形，保证了导料钩在旋转过程中对料箱中秸秆的扰动，同时保证了其不阻碍秸秆的下顺，导料钩与轴套螺纹连接.方便拆卸与更换，轴套安装在输入轴上，输入轴经减速箱与拖拉机的动力输出轴连接，本设计中设计的输入轴的转速为60 r/min.

1：料箱；2：导料钩；3：轴套；4：轴承座；5：输入轴.图2　输送装置Fig.2　Delivery device

3.2秸秆深施装置

深施装置由连接板、铲柄、护板、深施铲和导料管组成，如图3所示.秸秆深施作业深度25 cm，时速4～6 km/h.深施装置的作业环境要求其应具有较高强度、刚度和耐磨性.深施装置铲柄的材料选择为65Mn，其断面为50 mm×25 mm，导料管则由内径80 mm，料为Q235的圆管制成[8]；深施铲参照凿形深松铲的相关技术要求设计[9-11]，焊接在铲柄下端.铲柄的入土部分前侧设置V型护板，有利于碎土并能减小阻力；导料管固定在铲柄后侧，上端与输送装置连接.

1：连接板；2：铲柄；3：护板；4：深施铲；5：导料管.图3　深施装置Fig.3　Deep application device

4深施铲行进阻力试验

4.1试验目的、仪器与方法

4.1.1试验目的深施铲是秸秆深施还田机的关键工作部件之一，深施铲的工作性能对整机的作业效率有很大的影响.整机的主要能耗是用在深施铲在工作过程中克服牵引阻力方面.以下试验是为了研究不同工况对深施铲的行进阻力的影响.

4.1.2试验仪器与方法试验装置主要由深施铲牵引阻力试验台、BLR-1/500拉压力传感器、智能4通道应力/转速/扭矩/功率测量仪和变频电机、计算机、电子秤等组成.深施铲牵引阻力试验台如图4所示，试验台主要由移动跑车、导轨、土槽、电控柜和伺服电机等组成.

试验时电动机通过卷筒、缆绳、传感器，将动力传给安装在移动跑车上的深施铲，实现传感器、深施铲和移动跑车一起运动.深施铲受到牵引阻力作用产生的应变由传感器转换成电信号传至应变测量仪及计算机上，计算出深施铲牵引阻力的大小.

图4　深施铲牵引阻力试验台Fig.4　The deep application shovel resistance test-bed

本试验通过模拟实际深松作业时耕地土壤状态，进行了室内土槽试验.通过测试在相同深施铲行进速度和土壤含水率条件下的深施铲行进阻力，分析各种工况(深施铲铲宽、土壤容重和深施铲入土深度)对深施铲行进阻力的影响.

4.1.3试验设计根据秸秆深施还田机设计的行进速度为4～6 km/h，本试验选取深施铲在土壤中行进速度统一为1.0 m/s(4 km/h).根据实际深松作业时土壤状态，将取自哈尔滨香坊农场的耕地土壤的含水率保持在21%左右[12].

本试验选取深施铲铲宽(x1)、土壤容重(x2)和深施铲入土深度(x3)为考查因素，以行进阻力(y)为试验指标，采用3因素3水平响应曲面法设计一次回归正交试验设计.深施铲铲宽选取65、85、105 mm 3个水平；为确保与实际深松作业时犁底层深度与容重一致[13]，土壤容重选取1.4、1.6、1.8 g/cm33个水平(通过镇压辊逐层碾压直至达到所需容重)；深施铲入土深度选取250、300、350 mm 3个水平.试验方案详见表1.

表1　试验方案与结果

4.2试验结果与分析

4.2.1试验结果按照试验方案进行试验，截掉深施过程中深施铲入土和出土时的不稳定数据，求中间部分稳定数据的平均值作为该组试验的结果.由表1可以看出，深施铲的行进阻力随着x1(深施铲铲宽)、x2(土壤容重)和x3(深施铲入土深度)的增大而增大.

4.2.2深施铲行进阻力的回归模型运用Design Expert软件对深施铲行进阻力进行回归分析，建立深施铲行进阻力(y)与深施铲铲宽(x1)、土壤容重(x2)和深施铲入土深度(x3)的数学模型，并以深施铲行进阻力为目标函数进行参数优化.通过试验数据得到深施铲行进阻力的编码参数回归方程为：

y=2 229.12+433.41x1+252.39x2+671.69x3+29.63x1x2+116.54x1x3+57.05x2x3

(1)

将其转化为实际变量的回归方程为：

y=1055.201+25.141x1-1079.281x2+5.599x3+7.049x1x2+0.117x1x3+25.705x2x3

(2)

4.2.3回归方程方差分析为检验各因素对深施铲行进阻力影响的显著性，对回归方程预测值的拟合度和观测值进行F检验，深施铲行进阻力的方差分析结果见表2.

由表2可知，在本试验条件下，秸秆深施铲行进阻力的数学模型的F值为127.24，P=0.001 1<0.01，达极显著水平；该模型失拟F=0.59，P=0.678 0>0.05，不显著，说明目标函数方程在参数范围内，拟合度较好.从表2也可看出，x1、x2、x3对指标的影响均是极显著的(P<0.01)，x1x3对指标的影响是显著的(P<0.05)，x1x2、x2x3对目标函数影响不显著，剔除不显著项，简化后的回归方程为：

y=1 055.201+25.141x1+1 079.281x2+5.599x3+0.117x1x3

(3)

为了研究各因素对深施铲行进阻力的重要性程度，对回归方程的检验结果进行贡献率计算.各因素的贡献δ和贡献率Δ分别按式(4)和式(5)进行计算：

表2　方差分析

**为极显著(P<0.01);*为显著(P<0.05).

(4)

(5)

式中：Δj为第j个因素的贡献率；δj为第j个因素一次项的贡献；δij为交互项的贡献；δjj第j个因素二次项的贡献.

将表2中各因素的F值带入式(4)中可得各因素的δ值，结果见表3.

表3　回归系数贡献

将表3中各因素的δ值代入式(5)中可得到各因素的贡献率Δ1、Δ2和Δ3分别为1.460、1.340和1.818.

由此可知3个因素对深施铲行进阻力影响的主次顺序依次为：x3>x1>x2，即深施铲入土深度对深施铲行进阻力的影响较大，深施铲铲宽次之，土壤容重最小.

5结论

1)整机一次进地可完成秸秆深施还田和对土壤的深松作业，既达到了秸秆深施的目的，又可缓解频繁作业而造成的耕地破坏.

2)深施铲的行进阻力随着深施铲入土深度、土壤容重和深施铲铲宽的增大而增大，在这3个因素中深施铲入土深度对其影响最大，深施铲铲宽次之，土壤容重对其影响最小；深施铲铲宽与入土深度两因素之间的交互作用对深施铲行进阻力的影响显著，深施铲铲宽与土壤容重、土壤容重与深施铲入土深度之间的交互作用对深施铲行进阻力无显著影响.秸秆深施还田机的设计及深施铲行进阻力的试验在一定程度上可以为秸秆深施还田技术的深入研究，及其配套机械装备的研发提供依据与参考.

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(责任编辑胡文忠)

Design of the straw deep-application machine and resistance test study of deep applicaion shovel

ZUO Sheng-jia,KONG De-gang,YANG Hang,ZHANG Meng,LIU Hai-tao,CHEN Shuang,WU Yan-feng

(College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

Abstract：【Objective】 The research aimed to reduce resource waste and environmental pollution caused by the burning,wasting and low utilization of straw in China.【Method】 A straw deep-application machine was designed.The machine could finish the straw deep-application returning and loosening deep soil at the same time.The travel resistance of deep-application shovel was studied by orthogonal test.【Result】 The travel resistance of the deep-application shove rose with the increasing of application shovel width,soil bulk density and depth into soil,among which the depth into soil affected the resistance most,the shovel width took the second and soil bulk density took the third.The interaction between depth into soil and the shovel width on the resistance was significant (P<0.05),while the interaction between the other two group factors appeared insignificantly.【Conclusion】 Design of the straw deep-application machine and resistance test study of the deep-application shovel can provide reference for further study on the straw deep-application-returning technology and development of matched machine.

Key words：straw deep-application machine;deep-application shove;travel resistance;orthogonal experiment

通信作者：孔德刚，男，教授，博士生导师，研究方向为农业机械化工程.E-mail:kongdegang1956@163.com

基金项目：国家科技支撑计划课题“大规模寒地粮食产能综合性保护技术及装备：寒地秸秆立体还田技术与装备”(2014BAD06B04).

收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-03-01

中图分类号：S 220.2

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0111-05

第一作者：左胜甲(1984-)，男，博士研究生，研究方向为农业机械化工程.E-mail：zuoshengjia1984@163.com