旋刀式玉米免耕施肥播种机土壤作业部件的设计

于建军，李保谦，王万章，袁玲合，王建波，朱晨辉

(河南农业大学 机电工程学院/河南粮食作物协同创新中心，郑州 450002)



旋刀式玉米免耕施肥播种机土壤作业部件的设计

于建军，李保谦，王万章，袁玲合，王建波，朱晨辉

(河南农业大学 机电工程学院/河南粮食作物协同创新中心，郑州 450002)

为解决黄淮海一年两熟地区玉米免耕播种中秸秆拥堵的问题，提出了一种旋刀式玉米免耕施肥播种机设计方案。其土壤作业部件主要由刀盘、刀轴及安装在刀盘上的一组旋刀组成，作业中旋刀对土壤及地表秸秆进行开沟、切碎。该机驱动地轮前置，作业中可一次性完成秸秆切碎、开沟、种肥异位同播、覆土及镇压等多道工序。采用ADAMS进行运动学仿真分析，描述了旋刀的运动轨迹及单个周期内旋刀沿机具前进方向的位移量。对土壤作业部件进行力学和功耗分析，阐明了土壤作业部件的切土及碎草特性。田间试验表明：机具通过性良好，切土灭茬效果明显，沟宽160mm，沟深80～120mm，种、肥深度变异系数分别为10.5%和5.9%，地轮打滑率为6.2%，动土量约26%，很好地满足了玉米免耕播种农艺要求。

玉米；免耕播种机；旋刀；运动仿真

0 引言

玉米免耕机械化播种技术是在小麦茬地里直接播种，一次性完成灭茬、开沟、播种、施肥及镇压等多道工序[1]，具有抢时抢墒、节省劳动力等特点，解决了黄淮海一年两熟地区玉米的免耕播种问题，具有增产增收、保护环境的实效。目前，免耕播种机上安装的多为被动防堵作用的铲式开沟器和全旋耕式免耕装置。前者碎土性差，长期作业时开沟器的磨损严重，对秸秆、根茬不能有效地切断；后者作业时动力消耗大，土壤挠动性大，影响播种质量[2-4]。本文提出的旋刀式玉米免耕施肥播种机与66.2kW以上的拖拉机配套，采用三点悬挂式挂接，由带旋刀的刀轴刀盘灭茬开沟装置实现对行开沟，开沟宽度160mm，深度80～120mm；根据刀盘的对行布置，旋刀在开沟、切草的同时将部分秸秆、茎茬等分离到背垄上，为苗带创建一个利于种子着床的播种环境。该机一次性可完成秸秆粉碎、对行开沟、种肥异位同播及覆土镇压等多道作业工序，减少了田间作业次数，降低了作业成本和功耗，可明显提高玉米播种质量。

1 整机结构及工作原理

旋刀式玉米免耕施肥播种机主要适用于黄淮海一年两熟地区玉米的免耕播种，主要由机架、变速箱、前置地轮、刀轴刀盘装置、圆盘式开沟器、肥腿、种管、传动装置、玉米播种单体及种肥箱等组成，如图1所示。

1.刀轴刀盘总成 2.机架部分 3.传动部分 4.施肥部分 5.玉米播种单体

该机采用驱动地轮前置，经链传动从前往后为播种、施肥提供动力。前置驱动地轮行走在未旋耕的地上，在压力弹簧作用下增大地轮对地面的附着力，减小了地轮的打滑率。机架前方安装有切土、碎草作用的旋刀式刀轴刀盘装置，动力来源于拖拉机后方的动力输出轴，经万向节传递，变速箱减速后传到刀轴，旋刀组对行分布实现灭茬开沟，玉米播种单体上的圆盘开沟器在清理过的种床苗带内实现二次开沟进行播种。玉米播种单体上带有平行四杆仿形机构，保证了播深一致；指夹式排种器实现精密播种。

2 土壤作业部件的设计

刀盘总成由刀盘、刀片、联接螺栓等组成[5]，如图2所示。刀盘上分布有螺栓孔，用于固定刀片。刀盘两侧固定有6个刀片，相邻刀片成60°分布。刀片材料选用8mm厚的65Mn，与刀盘面成10.8°夹角安装，入土侧有刃口,利于开沟。联接螺栓为8.8级M12的35钢。

作业时，刀轴带动刀盘转动，刀盘呈对分布，间距为100mm，实现对行灭茬开沟。旋刀片与刀盘间成10.8°夹角，刀盘两侧的旋刀片在切土、切断秸秆、根茬的同时将部分土壤和切断的秸秆、根茬分离推送到背垄上，为苗带处种子的入土着床提供有利的环境，沟宽为160mm，深度为80～120mm。基于农机农艺融合，按照农艺上玉米等行距600mm的种植模式，刀盘在刀轴上的布置如图3所示。

图2 刀盘与旋刀结构

图3 玉米播种时刀盘在刀轴上的布置

2.1 旋刀的运动分析

机具作业时，刀盘上旋刀的绝对运动是沿着机具前进运动和随刀轴刀盘一起旋转运动的合成，其对应的运动轨迹是余摆线[6]，如图4所示。以刀盘刀轴的旋转中心为原点建立坐标系，使X轴正向与播种机前进方向一致，Y轴正向垂直向下。设播种机的水平前进速度为vm，刀盘刀轴的旋转角速度为ω，以旋刀某一入土端点为研究对象，则端点的运动方程为

(1)

式中vm—播种机水平前进速度(m/s)；

R—旋刀的回转半径(m)；

ω—旋刀回转角速度(rad/s)。

对式(1)关于时间t求一阶导数，则速度为

(2)

旋刀端点绝对速度的大小为

图4 旋刀端点的运动

其中，Rω为旋刀端点A的圆周速度。令λ=Rω/vm，即旋刀端点圆周速度与机组前进速度比值，λ值对旋刀的工作轨迹有一定的影响。当λ﹤1时，不论旋刀运动到什么位置，都有vm﹥0，旋刀端点的水平分速度始终与机器前进的方向相同，旋刀的运动轨迹为短摆线，不能向后切土，出现刀片端点向前推土现象，不能进行切土碎草；当λ>1时，运动过程中有vm﹤0，旋刀端点的水平分速度与机器前进方向相反，旋刀能够向后切削土壤和切断秸秆，旋刀的运动轨迹为余摆线，对土壤有二次疏松作用。经计算，λ=6.65。

2.2 旋刀的仿真分析

通过SolidWorks软件建立刀轴刀盘三维模型，并保存为parasolid类型的.X_T文件，导入ADAMS中，设置仿真环境，系统单位设置为MMKs[7-8]。调整模型的前进方向与仿真环境下的X-Y坐标系呈平行关系，模型前进方向与X轴正方向一致；添加各部件间的相关约束和驱动关系，如图5所示。根据实际作业情况，在旋刀端点上标记一个Marker49点，设置Simulation环境中的仿真参数，移动驱动为1 278mm/s，旋转驱动为1 920d/s，取仿真终止时间为2.75个运动周期约0.52s，步长为100。观察仿真运动，在Post/Processor后处理环境中生成关于Marker49点沿X、Y轴的位移、速度仿真曲线。

图5 添加好约束和驱动的刀盘刀轴模型和旋刀的运动轨迹

图6为旋刀沿X、Y轴两方向的位移-时间曲线。在水平前进运动和刀轴刀盘的旋转运动下，旋刀沿X轴方向的位移为一条平滑的呈不断增长趋势的曲线，单个周期内位移为240mm；旋刀沿Y轴方向的位移为一条呈正(余)弦周期变化的曲线，位移变化量为527mm。图7为旋刀沿X、Y轴方向的速度-时间曲线，均呈周期性正(余)弦曲线变化趋势，X轴方向速度变化7 518～10 073mm/s，Y轴方向上的速度趋于稳定，接近8 795mm/s，图中负值表示方向。

图6 X 、Y方向位移—时间曲线图

2.3 旋刀的切土、碎草分析

旋刀在入土作业过程中，克服阻力进行切土和秸秆的切断。设刀尖点处有一草茎m，在被旋刀切断过程中的运动轨迹为aa，过刀尖点分别作运动轨迹aa的切线AA和刃口切线kk。假设旋刀作用于草茎的力为N，则可将N分解成沿m点轨迹切线方向的砍切力P和沿刃口曲线kk的滑切力T[9]，如图8所示。由图8可知：T=Ntanτ，F=Ntanφ，P=N/cosτ。其中，F为土壤摩擦阻力；τ为滑切角；φ为草茎与旋刀刃间的摩擦角，一般为26°～45°。砍切力P具有一定的切土和碎草作用，要保证在滑切作用下草茎被切断，还应有T﹥F，即τ﹥φ。运动过程中，τ值越大，滑切作用越明显。由于旋刀在刀盘两侧呈60°角分布，且与刀盘面呈10.8°夹角，在砍切力和滑切力作用下，圆盘两侧的旋刀在切土、切断秸秆、根茬的同时将部分土壤和切断的秸秆及根茬分离推送到背垄上，清理了苗带，为播种作业时种子的入土着床提供有利的环境。

图8 滑切作用分析

2.4 刀辊受力及切削功耗分析

旋刀对土壤进行切削、抛出时，刀辊所受的阻力由各旋刀的阻力合成，如图9所示。其大小、方向和作用点与土壤的物理性状、耕深、转速、刀的转角和前进速度等各因素有关[10-11]。为便于分析，根据试验资料，半径为R的弯刀切土时，其阻力合力的作用半径R’=0.9R。以刀辊旋转中心为圆心O，未耕地表水平线与圆周相交于A点，相对于OA夹角20°作OC。由于旋刀为直刀，在OC上的δR处确定P点为合力作用点，当δ=0.9时，R，=0.9R，δ为取值系数。假设Q在刀辊上为均布载荷，则Q=m/R’，m=9550P/n。其中，m为刀辊扭矩；P为刀辊功率；n为转速。计算得Q=7429.6N。

图9 刀辊受力

由几何关系可得

式中R—旋刀端点回转半径(mm)；

H—耕深(mm)；

Q—均布载荷(N)。

由R=254mm、H=120mm，得β=58°，α=38°，Px=5854.4N，Py=4568N。

在切土开沟作业的每个瞬时，每个刀盘上都有一个旋刀完全入土，理论上可视为集中在单个旋刀片的受力是Q/8，即928.7N。基于单个旋刀片与刀盘之间的联接螺栓，保证载荷为53 400N。经受力强度校核，满足作业要求。

刀辊作业时，影响功耗的因素很多，其中，总功率的消耗以切土和抛土功率消耗为主。参照农业机械设计手册经验公式[11]得

N=0.1KλHVmB

其中，N为刀辊对土壤切削和抛送的功耗；H为旋刀切土深度(cm)；Vm为机组前进速度(m/s)；B为幅宽(m)，基于刀盘在刀轴上的分布，该机实际作业幅宽为0.64m。Kλ与土壤坚实度、耕深修正系数、土壤含水率修正系数、残茬植被修正系数、作业方式修正系数等值有关，查文献取值，Kλ=9.79，则N=9.6kW。

3 田间播种试验

播种试验在河南长葛市河南农业大学现代农业试验区进行，使用旋刀式玉米免耕施肥播种机进行玉米免耕播种试验，如图10、图11所示。主要依据的国家标准有：GB/T 20865-2007《免耕施肥播种机》、GB/T 6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》、NY/T 1143-2006《播种机质量评价技术规范》等。田间试验的检测内容主要包括机具通过性、种肥覆土状况、种肥间距及地轮打滑率等。试验地为一年两熟旱地，土质为壤土，前茬作物为小麦；行距为宽窄行(12+20)cm，残茬高度为18～25cm，覆盖量为1.3kg/m2；土壤坚实度26kg/cm2，土壤含水率为14.8%(0～5cm)、21.2%(5～10cm)；选用的拖拉机为东方红LX1204；播种速度为4.6km/h。

图10 玉米播种田间试验

图11 田间开沟情况

试验结果表明：旋刀式刀轴刀盘灭茬开沟装置实现对行开沟，切土和切碎秸秆、根茬后，将部分土壤和秸秆分离推送到背垄上，清理了播种苗带，沟宽160mm，沟深80～120mm，动土量约26%。通过性试验测试中，机具没有发生拥堵现象，开沟灭茬能力强，通过性良好。人工对旋刀式玉米免耕施肥播种机的试验测量结果显示：播种平均深度为43 mm，变异系数为10.5%，施肥平均深度为88 mm，变异系数为5.9%，驱动地轮打滑率为6.2%，没有出现晾籽现象，播种质量良好。

4 结论

1)旋刀式玉米免耕施肥播种机，安装带有旋刀的刀轴刀盘灭茬开沟装置。在开沟过程中，旋刀将部分土壤和切断的秸秆、根茬分离推送到背垄上，清理了播种苗带，为播种作业提供良好的种床环境，沟宽160mm，沟深80～120mm。

2)ADAMS运动仿真分析表明：旋刀运动轨迹为一条余摆线，λ值为6.65，符合作业要求。旋刀在向后切削土壤和切断秸秆、根茬的同时，对苗带土壤有二次疏松作用。单个周期内，旋刀沿X轴方向(机具前进方向)的位移为一条平滑的呈不断增长趋势的曲线，位移量为240mm，沿Y轴方向的位移为一条呈正(余)弦周期变化的曲线，最大位移为527mm，验证了建模的合理性及理论运动分析与实际作业相符合的特性。

3)通过对刀辊进行理论受力校核和土壤切削功耗分析，作用于单个旋刀的力为928.7N，远小于固定螺栓的保证载荷，满足作业要求。刀辊的切土(草)、抛土(草)功率消耗为9.6kW，功耗较小，对土壤的挠动性小。

4)田间试验表明：机具的通过性良好，播种平均深度43 mm，施肥平均深度88mm，种、肥深度变异系数分别为10.5%和5.9%，地轮滑移率6.2%，株距合格率96%，动土量约26%，显著提高了玉米播种质量。

[1] 姚宗路,高焕文,王晓燕,等.2BMX-5型小麦一玉米免耕播种机设计[J].农业机械学报,2008,39(12):64-68.

[2] 廖庆喜,高焕文,舒彩霞.免耕播种机防堵技术研究现状与发展趋势[J].农业工程学报,2004,20(1):108-112.

[3] 张喜瑞,何进,李洪文,等.水平拨草轮式玉米免耕播种机设计和试验[J].农业机械学报,2010,41(12):39-43.

[4] 杨娜,张晋国,刘其潼,等.玉米深松全层施肥种行旋耕播种机关键部件的设计[J].农机化研究,2015,37(9):96-99.

[5] 濮良贵,纪名刚,陈国定,等.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] 万其号,布库,李岩,等.波纹圆盘犁刀的运动及静力学分析[J].中国农机化学报,2013(2):212-215.

[7] 赵武云.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京:清华大学出版社,2011.

[8] 蒙建国,赵满全,黄炎,等. 9YG-130型双圆盘割草机刀片的运动仿真研究[J].农机化研究,2013,35(10):21-25.

[9] 朱留宪.基于SPH算法的微耕机旋耕刀有限元仿真与优化[D]. 重庆:西南大学,2012.

[10] 李宝筏. 农业机械学[M]. 北京:中国农业出版社，2003.

[11] 中国农业机械科学研究院. 农业机械设计手册(上)[K].北京：中国农业科学技术出版社，2007．

[12] 成大先.机械设计手册[K].北京：化学工业出版社，2004.

Design of the Soil Working Part of Corn No-till Fertilizing Seeder with Rotary Blade

Yu Jianjun, Li Baoqian, Wang Wanzhang, Yuan Linghe , Wang Jianbo, Zhu Chenhui

(Mechanical and Electrical Engineering College, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops , Zhengzhou 450002, China)

With large amount of straw mulching and blockage, a corn no-till fertilizing seeder with rotary blade has been developed for the double cropping area in huang-huai-hai. The soil working part mainly has the cutter head, the cutter shaft and a set of rotary blades arranged on the cutter head. With driving wheel front and rotary furrowing device, this machine could accomplish many procedures, such as stubble chopping, furrow opening, seeds and fertilizer placement ectopic simulcasting, suppressed etc. The kinematic and dynamic cutting action analysis describes the motion trajectory and cutting soil, grass and furrowing features of rotary blade. Simulation analysis in ADAMS about the rotary blade shows that, moving track is a trochoid and the displacement variation along the X axis within a time period , Field performance test result showed that machine passing is developed, cutting stubble and furrow opening work well, with 160 mm wide and 80～120mm depth . The variations for seed and fertilizer depth are 10.5% and 5.9% respectively, wheel slip ratio is 6.2%, soil disturbance is about 26%, meeting the requirements of corn no-till seeding agronomy.

corn; no-till planter; rotary knife; motion simulation

2016-01-18

河南省高等学校重点科研项目(15A210038)

于建军(1987-)，男，河南周口人，硕士研究生，(E-mail)yujj228@163.com。

王万章(1963-)，男，河南孟津人，教授，博士生导师。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0162-05