免耕播种机液压驱动弹齿式清秸装置设计

魏传省，尤晓东，张 旭

（辽宁省农业机械化研究所，沈阳 110161）

推广保护性耕作技术，将作物秸秆覆盖地表，对农田进行少免耕作业，可减少水土流失，提高土壤肥力。但地表上的大量秸秆会导致播种机具堵塞，需要通过切、拨、抛等方式清理苗带上的秸秆。目前，免耕防堵清秸装置主要有被动式和主动式两种，其中，被动式防堵清秸装置的动力来自于土壤的摩擦力，转速较低，清理能力有限。主动式防堵清秸装置采用齿轮传动，转速较高且固定，但便于调节。机具的清茬效率是秸秆覆盖条件下免耕播种的重要指标[1]，为提高免耕播种作业时的苗带秸秆清理效果，设计一种液压驱动弹齿式清秸装置。

1 液压驱动弹齿式清秸装置结构设计及工作原理

1.1 结构组成

液压驱动弹齿式清秸装置结构如图1所示，由主机架、清秸机架、弹齿清秸部件、破茬刀、液压马达和液压控制阀等组成。

1.2 工作原理

该装置安装在免耕播种机播种单体的正前方，沿拖拉机前进方向运动。作业前，需调节清秸支架限深孔的位置。清秸机架可通过转轴绕主机架转动来调节清秸弹齿部件的入土深度，使弹齿穿过秸秆层并接触土壤，达到苗带清理和减小土壤扰动的双重效果。作业时，通过拖拉机后液压输出、液压控制阀和液压马达为清秸弹齿部件提供动力，使其高速转动。在弹齿的拨、弹作用下，秸秆被清理至苗带两侧。

2 弹齿清秸部件运动学分析

建立三维坐标系Oxyz，以清秸弹齿顶点处在最大入土深度时为坐标原点O，x 轴、y 轴分别平行和垂直于清秸弹齿安装平面，z 轴垂直于地表，如图2 所示。清秸弹齿部件作业时，弹齿触土并带动秸秆向侧后方运动。理想状态下，弹齿顶点的运动轨迹即为秸秆运动轨迹。根据运动轨迹方程，探究弹齿端部绝对速度的影响因素。

图2 清秸弹齿部件示意图Figure 2 Schematic diagram of spring-tooth parts for cleaning straw

选取清秸弹齿部件弹齿任一顶点，分析其运动轨迹，可得轨迹方程为：

式中：v—免耕播种机前进速度，m/s；t—运行时间，s；ω—弹齿清秸部件转动角速度，rad/s；r—弹齿清秸部件投影半径，mm；α—弹齿清秸部件与机具前进方向夹角，°。

假设弹齿清秸部件在液压马达驱动下以角速度ω匀速转动，对式(1)中的时间t进行求导，可得弹齿清秸部件弹齿顶点的速度分量为：

由式（2）可得弹齿端部的绝对速度vs为：

由式（3）可知，弹齿端部的绝对速度与机具前进速度v、弹齿清秸部件转动角速度ω、弹齿清秸部件投影半径r和弹齿清秸部件与机具前进方向夹角α有关。

3 弹齿清秸部件结构参数确定

3.1 弹齿数量

弹齿需要满足清秸作业强度条件，保证秸秆及杂草顺利抛送。弹齿数量并非越多越好，通过参考中小型免耕播种机防堵机构设计，在保证弹齿不夹秆的情况下适当多取，本设计取12个。

3.2 弹齿清秸部件投影直径

各弹齿均匀分布在轮盘周围。根据弹齿入土深度、土壤扰动量、根茬处理要求等，参照《农业机械设计手册》，弹齿清秸部件投影直径为：

式中：D—弹齿清秸部件投影直径，mm；R—弹齿清秸部件投影半径，mm；K—径深比；h—弹齿清秸部件入土深度，mm。

本设计弹齿清秸部件最大入土深度取60 mm，K取5，则根据公式4 计算可得弹齿清秸部件投影直径D=300 mm。

3.3 弹齿清秸部件与机具前进方向夹角

弹齿清秸部件与机具前进方向夹角即弹齿清秸部件的运动偏角α。运动偏角α过大或者过小，均对作业效果产生不利影响。运动偏角α过大，会使秸秆拨离作业效果变差。运动偏角α过小，则清秸部件会把秸秆翻抛到苗带上引起堵塞。参考《农业机械设计手册》中的交错双圆盘分草器及平面清茬轮设计，确定运动偏角α的范围为15°~45°，本设计α=20°。

3.4 两弹齿清秸部件中心距

理论苗带清理宽度与运动偏角、投影直径和两弹齿清秸部件中心距离有关，单个弹齿清秸部件的清理宽度为：

式中：b—单个弹齿清秸部件的清理宽度，mm；L—弹齿清秸部件与土壤接触的理论宽度，mm。理论苗带清理宽度为：

式中：W—理论苗带清理宽度，mm；a—两弹齿清秸部件中心距离，mm。

为提高通过性，避免清秸装置堵塞，应使两清秸盘留有10~30 mm 的间隙，故两弹齿清秸部件端部投影距离：

式中：c—两弹齿清秸部件端部投影距离，mm。

免耕播种作业的苗带宽度为120 mm，理论苗带清理宽度应大于苗带宽度，故本设计取理论苗带清理宽度160 mm。由式5至式8可得：两弹齿清秸部件中心距离为120 mm，两弹齿清秸部件端部投影距离为18 mm。

4 结语

当前，免耕播种机清理秸秆装置研究成为一大焦点。史乃煜等[2]设计了一种弹齿式清秸装置防止残茬回带机构，可有效减少残茬回带，为2BMFJ 系列原茬地免耕播种机高质量种床准备、提高防堵性能提供了技术支撑。王奇等[3]设计一种星齿凹面盘式清秸防堵装置，其苗带清秸率和作业阻力分别为92.2%和142.6 N，且星齿凹面盘式清秸防堵装置的工作性能优于平面爪轮式防堵装置。陈海涛等[4]基于原茬地免耕精量播种机侧向清秸覆秸原理，设计了一种秸秆比例回收装置，结果表明:在参数组合为作业速度5.4~7.2 km/h、滚筒转速95 r/min、弹齿偏角49°时，秸秆回收比率大于94%、含杂率小于5%。本研究在此基础上，针对现有清秸装置清理秸秆效果差的问题，设计了一种液压马达驱动弹齿式清秸装置。通过清秸弹齿部件的运动学分析，得到弹齿端部绝对速度的影响因素，确定弹齿清秸部件的弹齿数量、弹齿清秸部件投影直径、运动偏角和两弹齿清秸部件中心距等结构参数。实际生产作业表明，该装置可在播种作业时对苗带区秸秆进行有效清理，弹齿清秸部件转速高，拨草及防缠能力有所增强，但尚需规模化试验，以进一步验证不同播种作业速度下的防堵效果。