六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊设计与试验

张春岭 夏俊芳 张居敏 周 华 祝英豪 王金武

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070；3.东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

机械化秸秆埋覆还田是将农作物收获后的秸秆粉碎并埋入土壤，之后秸秆自然分解并腐殖化，不仅增加土壤肥力，改善土壤结构，提升土壤保水、保墒能力，还可提高农业生产效率[1-5]。作为机械化秸秆埋覆还田主要机具之一，秸秆还田耕整机的关键部件设计和刀片排列方式对作业质量和功耗有着显著影响[6-9]。

目前，国内外对秸秆还田耕整机关键部件设计和刀片排列方式已有相应的研究并取得了一定的研究成果[10-14]。传统秸秆还田耕整机作业质量不理想，且刀轴易缠草。国内相关学者根据不同作物耕、播农艺要求设计了相应的秸秆还田耕整机[15-18]。夏俊芳等[19-21]设计了一种螺旋横刀，并通过螺旋横刀、旋耕刀和弯刀等在刀轴上的合理排列设计了多种秸秆还田耕整机，试验分析表明应用螺旋横刀的秸秆还田耕整机不仅提高了作业性能，也解决了刀轴易缠草的问题，但功耗较大。

本文针对长江中下游两熟制地区土壤黏重板结，现有秸秆还田耕整机作业质量不理想、刀辊易缠草和功耗大等问题，设计一种等滑切角二次切刀，进一步提出一种六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊，在满足作业性能要求下降低功耗，并通过田间试验分析主要影响因素对作业性能和功耗的影响显著性，为长江中下游两熟制地区秸秆还田耕整机设计与改进提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构和刀辊结构

六头螺旋秸秆还田耕整机结构如图1所示，主要由三点悬挂装置、变速箱、机架、左刀辊、右刀辊和托板等装置组成。其刀辊(以左刀辊为例)结构如图2所示，主要由刀轴、旋耕刀和二次切刀等部件组成。整机刀辊分为左刀辊和右刀辊两部分，两刀辊关于变速箱输入轴轴线所在竖直平面结构对称，以减小左右刀辊受力不均衡给轴承带来的损坏和机具振动。旋耕刀以四头螺旋线沿圆周方向均匀排布，二次切刀和旋耕刀沿轴向方向交替出现，组成六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊。

图2 六头螺旋秸秆还田耕整机刀辊结构图Fig.2 Schematic of six-head spiral straw returning cultivator’s knife roller1.旋耕刀 2.二次切刀 3.刀轴

1.2 工作原理与技术参数

整机通过三点悬挂装置安装于拖拉机后方。作业时，动力由拖拉机输出轴输出，经齿轮箱变速后分别输送到左刀辊和右刀辊，左、右刀辊均为正向旋转，转速相同。基于课题组前期研制的水旱两用秸秆还田耕整机刀辊旋耕埋草原理[20-21]，本设计刀辊在作业时，旋耕刀和二次切刀交替入土，切割秸秆并切削土壤。在刀辊快速旋转作用下，同一条螺旋线上正切刃相向排列的旋耕刀形成封闭圆柱体状，将秸秆埋入土壤并防止刀轴被秸秆或杂草等缠绕。少量秸秆滑离旋耕刀后被下一刻运动而来的二次切刀切断，从而提高秸秆粉碎率。二次切刀运动于两把旋耕刀之间，还起到防止旋耕刀夹土、降低旋耕刀切土阻力的作用。根据课题组前期研制的水旱两用秸秆还田机技术参数[20-21]和本文对关键部件设计结果，整机主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计

2.1 等滑切角二次切刀设计

(1)刀片刃口曲线方程的建立

作业时，等滑切角二次切刀(简称二次切刀)一方面切割土壤表面秸秆和土壤内部根茬，同时撕裂土壤，减小旋耕刀作业阻力；另一方面，二次切刀可以对沿旋耕刀正切刃滑出的秸秆进行二次切割，从而提高秸秆粉碎率。由于稻-油、稻-麦两熟区中水稻茎秆韧性大，易缠绕，且生长土壤较粘湿，传统旋耕刀不易切断秸秆，而二次切刀对前一时刻旋耕刀未切断的秸秆可以进行第二次切割，因此称为二次切刀。结合秸秆还田刀片已有研究成果[22-23]，本设计的二次切刀刃口曲线采用等角(静态滑切角)螺线。

表1 六头螺旋秸秆还田耕整机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of six-head spiral straw returning cultivator

二次切刀刃口曲线示意图如图3所示，M为刃口曲线上任意一切割点，坐标轴OX正方向为机具前进方向，OY正方向为刀轴重心方向。当刀片绕刀轴中心O以角速度ω由任意初始角θ转过dθ时，M点变到M′点，极径由r变成了r′，增加了dr。如果dr趋近于0，则弧线MM′可近似为直线，其弧长和直线MN长度相等。由滑切角定义[23]可得

(1)

式中τ——滑切角，(°)

本设计二次切刀静态滑切角为常数，令其为C0，即tanτ=C0。将其代入式(1)整理后可得

r=Ceθcotτ

(2)

式中C——积分常数

图3 二次切刀刃口曲线示意图Fig.3 Diagram of secondary cutter blade edge curve

参考已有研究[24]并结合课题组前期对韧性较大的水稻茎秆切割力学试验分析，本设计选取静态滑切角为50°。依据GB/T 5669—2008《旋耕机械 刀和刀座》对刀片初始入土半径设计要求并减少材料的使用，设计刀片刃口起始处极径为105 mm。根据小麦播种以及油菜和水稻直播深度要求[25-26]，结合GB/T 5668—2008《旋耕机》对旱耕耕深的规定，耕深大于8 cm即可满足小麦播种和油菜直播相应农艺要求，但当秸秆埋覆深度在10 cm以下时，可以明显提高土壤温度和蓄水能力[27]。考虑到二次切刀作用，取其最大旋转半径为210 mm，较旋耕刀最大旋转半径大5 mm；刃口起始处极角取54°。将刀片刃口起始处极径和极角代入式(2)可求得C=47.73，因此等滑切角二次切刀刃口曲线方程为

r=47.73eθcot50°

(3)

(2)二次切刀动态滑切角分析

对静态滑切角的分析并未考虑机具行驶速度，但实际中机具行驶速度对滑切角影响很大，不可忽视。如图3所示，静态滑切角与动态滑切角的差值Δτ可表达为

(4)

式中u——机具前进速度，m/s

t——运动时间，s

R——最大旋耕半径，mm

由图3几何关系可得

(5)

(6)

联立式(4)～(6)可解得

(7)

其中

λ=Rω/u

式中H——耕深，mm

λ——旋耕速比

由式(7)可得，r越大，即越靠近刀尖处，动态滑切角受影响越小，即只要刃口起始处动态滑切角满足秸秆不缠绕的要求，其余各处均满足。因此，下面仅分析刃口起始处动态滑切角。目前常用旋耕速比为4～10[28]，但旋耕速比过大会增加刀辊转速或降低作业速度，从而导致功耗的增大或作业效率的降低，本设计旋耕速比初始选为4～7。

图4 不同旋耕速比时Δτ随H变化曲线Fig.4 Relationship curves between Δτ and H at different rotational speed ratios

图4为二次切刀刃口起始处在不同旋耕速比时Δτ随耕深H的变化关系。由图可得，随着旋耕速比λ的增加，Δτ逐渐减小，即滑切角变化减小，有利于刀片的滑切。不同旋耕速比下，Δτ随耕深H的增大而增大，但变化幅度较小。当λ=4时，Δτ值较大，均大于18°，不利于刀片刃口滑切，所以本设计旋耕速比范围缩减为5～7。

2.2 刀片排列方式设计

本设计刀辊中左刀辊和右刀辊呈对称结构，两者使用的刀片及刀片排列方式完全相同，仅刃口方向相反，因此下面以左刀辊为对象进行分析。

旋耕刀排列基本原则：刀片按多头螺旋线方式排列；同一条螺旋线上相邻两把刀片正切刃方向相反；避免同一刀辊上同向刀片相继入土，以减少机具振动和轴向力。二次切刀排列基本原则：刀片按多头螺旋线方式排列，螺旋线头数是旋耕刀排列螺旋线头数的一半；每把刀片在正切刃同向的相邻两把旋耕刀之间，并相差一个相位角。

图5 刀片排列示意图Fig.5 Schematics of blades arrangement

图5为刀辊左端主视图及其左视图。如图5a所示，轴向方向上，同一螺旋线上正切刃相向的两把相邻旋耕刀在刀轴旋转作用下形成类似圆柱体状，相邻两把旋耕刀刀座内侧间距m不能过大；若m过小，则容易夹土。依据国标旋耕刀II245作业宽度，m取值100 mm。二次切刀位于两旋耕刀中间位置，刀座厚度为22 mm，因此旋耕刀刀座与相邻二次切刀刀座内侧间距b取值39 mm，相邻两把二次切刀刀座内侧间距h取值100 mm。可安装刀座的刀轴长度为1 100 mm，则

100(x-1)+22x≤1 100

(8)

式中x——每条螺旋线上轴向刀座数量，把

由式(8)可得x≤9.8，取整数得x=9。

如图5b所示，由于同一条螺旋线上左、右旋向旋耕刀交替入土，所以在圆周方向上正切刃相向排列的组数为

(9)

式中z——同一切割小区内圆周方向上正切刃相向排列刀片组数

y——同一切割小区内圆周方向上旋耕刀数量，把

为保证刀辊受力均衡且作业平稳，z取值需为偶数，即y为4,8,12，…。但是，当y≥8时，刀辊尺寸过大，且功耗急剧增加，因此取y=4，则同一切割小区内二次切刀数量为2。

为了使正切刃相向排列的相邻两把旋耕刀在刀辊旋转作用下形成类似圆柱体状，正切刃相向安装的相邻两把旋耕刀正切刃间隙e(图5)不能太大；同时为了保证未切断秸秆能顺利从空隙中滑出，e需大于茎秆最大直径。本次设计取e=15 mm。由于A值较小，可近似得到

(10)

式中A——相邻两把旋耕刀相位角,(°)

p——旋耕刀刀尖处刀宽近似值，实际测量为50 mm

R1——旋耕刀最大旋转半径，mm

将各值代入式(10)求得A≈15°。

图6所示为切土垡片示意图。图中，A′为与刀片3在同一切土小区且正切刃方向相同的刀片刀尖入土点，B′为刀片1刀尖入土点，C′为刀片3刀尖入土点，K为切土垡片宽度，P为刀片3所受切向力。切削土壤时，刀片3所受切削阻力为

F=F1+F2+F3+F4

(11)

式中F——刀片3切削阻力，N

F1——刀柄切削阻力，N

F2——刀翼切削阻力，N

F3——垡片撕裂土壤时的阻力，N

F4——刀片与土壤间的摩擦阻力，N

图6 切土垡片示意图Fig.6 Schematic of cutting soil slice

无二次切刀时，垡片撕裂土壤面积为SA′C′D，二次切刀作用后，垡片撕裂土壤面积为SB′C′E，即二次切刀减小刀片3切削阻力主要体现在SA′B′ED面积的大小上。其面积越大，撕裂土壤阻力越小；其面积越小，撕裂土壤阻力越大。公式表示为

(12)

式中σ——二次切刀减阻程度，%

图7为刀片运动轨迹示意图，其运动方程分别为

(13)

(14)

(15)

式中T——刀辊旋转一周时间，s

B——二次切刀与下一刻入土旋耕刀之间的相位角，(°)

图7 刀片运动轨迹示意图Fig.7 Schematic of blade movement track

图7中阴影部分面积占垡片横截面积比例可表示为二次切刀减阻程度。B越大，减阻程度越大，但不利于秸秆的二次切割；B越小，减阻程度越小，且易夹土。前期预试验得出，当B=50°时秸秆粉碎效果较好，且不易夹土，因此取B=50°。此时，二次切刀减阻程度为σ≈58.6%。

由以上设计可得刀辊中刀片排列展开图，如图8所示。由图8可得

(16)

式中γ——螺旋升角，(°)

D——刀轴直径，取80 mm

x′——刀辊一条螺旋线上旋耕刀数量，把

(17)

式中H0——旋耕刀排列螺旋线导程，mm

将各值代入解得：γ≈5°,H0≈2 871 mm。

2.3 作业参数选取

2.3.1切土节距

切土节距对碎土率和秸秆粉碎率有重要影响，其由整机运动参数和刀辊结构参数决定，满足

(18)

图8 刀片在刀辊上排列展开图Fig.8 Blades arranged on knife roller

式中S——切土节距，mm

n0——刀辊转速，r/min

Z——同一切土小区内正切刃方向相同刀片数量，把

根据长江中下游土壤特点，为满足碎土质量[29]，S取值范围为40～60 mm。将各值代入式(18)，结合GB/T 5668—2008《旋耕机》可得n0取值范围为250～350 r/min。

2.3.2作业耕深

如图3所示，旋耕刀刃口上任一点M沿X轴方向运动方程为

x0=ut+R′cos(ωt)

(19)

式中x0——点M沿X轴方向位移，mm

R′——点M旋转半径，mm

则M点沿X轴方向速度为

vx=u-R′ωsin(ωt)

(20)

式中vx——点M沿X轴方向速度，m/s

当vx<0时，刀片才能起到碎茬作用。联立式(5)和式(20)可得

(21)

将各值代入可得H<196 mm。

2.3.3沟底凸起高度

旋耕作业后耕层底部有凸起存在，该凸起部分是机具作业时未耕到的土壤，其高度对播种和插秧均有影响，各参数间相互关系应满足

(22)

式中h——沟底凸起高度，mm

根据农业技术要求[28]，沟底凸起高度不超过耕深的20%，即h≤0.2H。将各值代入式(22)可得λ≥3.9，因此2.1节求得的λ取5～7，满足该要求。

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件

图9 刀辊实物图Fig.9 Physical photo of knife roller

试验于2018年5月在华中农业大学现代科技试验基地进行，试验地为小麦茬地，土壤类型为壤土。0～10 cm土壤干基含水率为20.8%，10 cm深处土壤坚实度为2 208.0 kPa；10～20 cm土壤干基含水率25.0%，20 cm深处土壤坚实度4 081.9 kPa。收获后小麦秸秆平均高度为312 mm，秸秆覆盖量为408 g/m2。刀辊实物如图9所示，试验设备包括东方红LX954型轮式拖拉机、专用功率测试装置(黑龙江省农业机械工程科学研究院研制)、秒表、米尺、钢尺、水平尺和电子天平等。

3.2 试验方法

依据课题组前期研究[20-21]，本试验取耕深、作业速度和刀辊转速为主要影响因素。根据小麦播种、油菜和水稻直播深度要求[25,30-31]，结合2.3节对作业参数范围的分析，取耕深范围为10～18 cm；拖拉机作业挡位选用慢Ⅰ、慢Ⅱ和慢Ⅲ，作业速度范围0.5～1.1 m/s；取刀辊转速范围250～320 r/min。试验采用Design-Expert软件中的Box-Behnken方案进行三因素三水平响应面试验，其因素编码如表3所示。

表3 试验因素编码Tab.3 Test factors codes

3.3 试验指标及测试方法

根据GB/T 5668—2008 《旋耕机》要求，结合保护性耕作技术，选取试验指标为秸秆掩埋率、秸秆粉碎率、碎土率和功耗。由于上述标准中没有关于秸秆粉碎率的测量方法，因此其测量方法按照GB/T 24675.6—2009 《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》要求进行测量。试验区总长为30 m，取中间20 m为稳定测量区。同一工况重复3次，结果取平均值。

3.3.1秸秆掩埋率

在每个行程测量区中随机选取一点，测量1 m×1 m面积内所有未被掩埋的秸秆质量，秸秆掩埋率计算公式为

(23)

式中Y1——秸秆掩埋率，%

Mq——耕前单位面积秸秆质量，g/m2

Mh——耕后单位面积未掩埋秸秆质量，g/m2

3.3.2秸秆粉碎率

在每个行程测量区等间距选取3个点，分别测量每个点1 m×1 m面积内全耕层所有秸秆质量和长度大于10 mm秸秆质量，秸秆粉碎率计算公式为

(24)

式中Y2——秸秆粉碎率，%

Ms——1 m×1 m面积内全耕层所有秸秆质量，g

Mk——1 m×1 m面积内全耕层长度大于10 mm的秸秆质量，g

计算每个取样点秸秆粉碎率，取平均值为该行程秸秆粉碎率。

3.3.3碎土率

在每个行程测量区中随机选取一点，分别测量0.5 m×0.5 m面积内全耕层所有土块质量和直径大于4 cm土块质量，碎土率计算公式为

(25)

式中Y3——碎土率，%

M0——0.5 m×0.5 m面积内全耕层所有土块质量，g

M1——0.5 m×0.5 m面积内全耕层直径大于4 cm土块质量，g

3.3.4功耗

采用ZigBee无线传输技术，应用扭矩输出轴转速一体传感器、无线动态数据采集器和黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的专用功率测试装置进行功耗测量，测量结果实时显示在专用软件面板上，并以.csv格式保存于终端计算机中。

3.4 结果与分析

根据Box-Behnken方案共进行13组试验，试验结果如表4所示。表中，A、B、C分别为耕深、作业速度、刀辊转速因素编码值。

对表4试验结果进行处理，得秸秆掩埋率、秸秆粉碎率、碎土率、功耗的方差分析结果分别如表5、6所示。由表5可以得出，对于秸秆掩埋率，A2、A和B影响显著；对于秸秆粉碎率，C和A2影响显著。各因素对秸秆掩埋率和秸秆粉碎率的影响显著性由大到小分别为耕深、作业速度、刀辊转速和刀辊转速、作业速度、耕深。由表6分析结果可知，对于碎土率，C影响显著；对于功耗，A和C影响极显著。各因素对碎土率和功耗的影响显著性由大到小分别为刀辊转速、作业速度、耕深和刀辊转速、耕深、作业速度。

表4 试验方案与结果Tab.4 Test scheme and results

表5 秸秆掩埋率和秸秆粉碎率方差分析结果Tab.5 Variance analysis result of rate of straw burial and rate of straw crushing

表6 碎土率和功耗方差分析结果Tab.6 Variance analysis result of rate of soil pulverization and power

表5和表6分析结果显示，各因素交互作用对秸秆掩埋率和秸秆粉碎率的影响较碎土率和功耗大，因此对秸秆掩埋率和秸秆粉碎率进行响应面分析，分别如图10和图11所示。由图10a可知，秸秆掩埋率随着耕深和作业速度的增大均呈先增大后减小的趋势，在耕深为14.7 cm、作业速度为0.71 m/s时达到最大值；由图10b和图10c可知，秸秆掩埋率随刀辊转速的增加呈增大趋势；由于刀辊转速对功耗影响极显著且随着刀辊转速的增加功耗呈增大趋势，因此，在满足秸秆掩埋率的前提下应尽量降低刀辊转速。由图11a可以得出，随着耕深和作业速度的增加，秸秆粉碎率均呈先增大后减小的趋势，在耕深为14.2 cm、作业速度为0.74 m/s时达到最大值；由图11b和图11c可以得出，秸秆粉碎率随刀辊转速增加呈增大趋势。

图10 因素对秸秆掩埋率的影响Fig.10 Influence of factors on rate of straw burial

由表4试验结果可以得出，碎土率均随刀辊转速的增加呈增大趋势，随耕深和作业速度的增加呈减小趋势，因素间无交互作用。功耗随耕深、作业速度和刀辊转速的增加均呈增大趋势，因素间无交互作用。因此，在满足作业质量的前提下应尽量选择较小刀辊转速。

应用软件中的Optimization功能，以降低功耗为首要目的，其次为秸秆掩埋率，最后分别为秸秆粉碎率和碎土率，进行优化分析，得最优参数组合为：耕深12.7 cm，作业速度0.7 m/s，刀辊转速273 r/min。此时的预测效果为：功耗30.4 kW，秸秆掩埋率94.4%，秸秆粉碎率89.2%，碎土率80.3%。

4 试验

4.1 验证试验

应用响应面法分析得到的最优参数组合进行田间验证试验，如图12所示。试验重复3次，取平均值，结果为：功耗31.9 kW，秸秆掩埋率93.1%，秸秆粉碎率87.5%，碎土率78.3%。与软件预测值误差分别为4.7%、1.4%、1.9%和2.6%，软件预测误差较小。

图12 田间试验Fig.12 Field test

4.2 对比试验

课题组前期研制的水旱两用秸秆还田耕整机作业效果较传统秸秆还田耕整机作业效果好[20]，但旱耕作业功耗较大，因此将这两种秸秆还田耕整机进行对比试验，在保证作业质量满足要求的基础上降低功耗。在两种秸秆还田耕整机最优参数组合[20-21]下分别进行试验，每组重复3次，取平均值，结果如表7所示。由表7可得，水旱两用秸秆还田耕整机秸秆掩埋率与功耗较六头螺旋秸秆还田耕整机高2.3%和8.8%，但秸秆粉碎率和碎土率分别较后者低3.0%和6.1%，分析其原因主要是：水旱两用秸秆还田耕整机中使用的是螺旋横刀，其主要作用是压草和抛土，因此秸秆掩埋效果较六头螺旋秸秆还田耕整机好，但同时也增大了作业阻力，尤其在旱地作业时，功耗增加明显[22-23]；六头螺旋秸秆还田耕整机取消了螺旋横刀，增添了等滑切角二次切刀的使用，所以秸秆粉碎率和碎土率较水旱两用秸秆还田耕整机高，同时也降低了功耗。

表7 对比试验结果Tab.7 Comparison test results

5 结论

(1)基于茎秆力学特性和滑切原理，设计了等滑切角二次切刀，取消了螺旋横刀的使用，设计了六头螺旋秸秆还田耕整机，田间试验结果表明作业质量均满足国家标准要求。

(2)通过三因素三水平响应面试验结果分析，得出各因素对功耗、秸秆掩埋率、秸秆粉碎率和碎土率的影响显著性由大到小分别为：刀辊转速、耕深、作业速度；耕深、作业速度、刀辊转速；刀辊转速、作业速度、耕深；刀辊转速、作业速度、耕深。并得到最优参数组合为耕深12.7 cm，作业速度0.7 m/s，刀辊转速273 r/min。验证试验结果表明，功耗、秸秆掩埋率、秸秆粉碎率和碎土率的实际测量值和预测值误差分别为4.7%、1.4%、1.9%和2.6%。

(3)与课题组前期研制的水旱两用秸秆还田耕整机田间对比试验得出，六头螺旋秸秆还田耕整机秸秆掩埋率和功耗分别低2.3%和8.8%，秸秆粉碎率和碎土率分别提高3.0%和6.1%。