高茬秸稈還田旋耕機(jī)工作機(jī)理與試驗(yàn)研究.pdf

1、長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)，種植面積約占全國(guó)總面積的60％。長(zhǎng)江以北以一年兩熟制為主:油菜-水稻、小麥-水稻、綠肥-水稻等;長(zhǎng)江以南以一年三熟制為主:油菜-早稻-晚稻、大麥-早稻-晚稻、綠肥-早稻-晚稻等。該地區(qū)高溫高濕、降雨量大、雨熱同季，雜草及病蟲害滋生嚴(yán)重，秸稈埋覆還田有助于消除雜草及病蟲害，減少農(nóng)藥施用量，減輕農(nóng)業(yè)面源污染，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量;就地埋覆還田是最直接、最有效的處理方式。
　　由于長(zhǎng)江中下游地區(qū)前茬作物收獲

2、后，農(nóng)時(shí)緊迫，秸稈量大，秸稈收集運(yùn)輸成本高，殘留田間的秸稈越來(lái)越高，常規(guī)犁耕難以翻埋，絕大部分就地焚燒，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境。雖然旋耕翻埋已顯替代優(yōu)勢(shì)，但由于秸稈翻埋機(jī)理不明，影響作業(yè)質(zhì)量和能耗因素多，作業(yè)功耗較高，機(jī)具結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的合理性、動(dòng)力性、適用性的研究還停留在定性類比階段，迫切需要深化理論研究和田間試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文在系統(tǒng)分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外旋耕埋草機(jī)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)糧食作物種植特點(diǎn)，以華中農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)

3、研制的高茬秸稈還田系列旋耕機(jī)為研究對(duì)象，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)對(duì)適合該區(qū)水旱輪作種植模式的水旱兩用高茬秸稈還田旋耕機(jī)關(guān)鍵部件—組合刀輥，進(jìn)行了工作機(jī)理和田間試驗(yàn)研究，并對(duì)其核心部件—螺旋橫刀的切土角進(jìn)行了優(yōu)化，得到的主要研究結(jié)果如下:
　　1.以適宜長(zhǎng)江中下游種植的水稻、油菜水田和玉米旱地土壤為研究對(duì)象，對(duì)其主要性能參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，分別測(cè)得了3種種植不同作物土壤的質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、土粒比重、土壤容重、含水率、孔隙度、土壤

4、界限含水率，并對(duì)3類土壤的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)，為高茬秸稈還田耕整機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、工作參數(shù)選擇及田間試驗(yàn)提供了理論參考依據(jù)。
　　2.建立了組合刀輥的核心作業(yè)部件螺旋橫刀的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析其作業(yè)特性。螺旋橫刀（以下簡(jiǎn)稱橫刀）動(dòng)態(tài)滑切角(25～25.3°)小于秸稈-橫刀之間摩擦角，且軸向排布不存在漏耕間隙，因而機(jī)具在高茬秸稈田中作業(yè)時(shí)刀軸不容易纏草;標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀ⅡT245耕作過(guò)程中對(duì)土壤產(chǎn)生軸向側(cè)推效應(yīng)，將橫刀和ⅡT245旋

5、耕刀合理組合，使其對(duì)土壤的軸向側(cè)推效應(yīng)相互抵消，因而機(jī)具作業(yè)后地表平整度較高。高茬秸稈旋耕埋覆分三個(gè)階段:螺旋橫刀切土過(guò)程中秸稈包裹在刃口上，被橫刀壓覆、拖拽到耕層土壤中;螺旋橫刀拋土過(guò)程中包裹在刃口上的秸稈在自身離心力、泥土摩擦力及橫刀拋出的土壤流等共同作用下迅速脫離螺旋橫刀而永久性沉入耕層土壤中;螺旋橫刀后拋上揚(yáng)的泥土撞擊拖板后落地覆蓋地表，增加秸稈埋覆深度。第一階段中橫刀動(dòng)態(tài)切土角比較大(71.735°)，并且地表大量秸稈包裹刃口

6、，導(dǎo)致切土阻力大，因而機(jī)具作業(yè)過(guò)程中功耗高于傳統(tǒng)旋耕機(jī);第二階段中橫刀動(dòng)態(tài)切土角(80.275°)遠(yuǎn)大于秸稈-橫刀之間的摩擦角，有利于秸稈快速滑脫橫刀，同時(shí)利于第三階段中土壤后拋上揚(yáng)埋覆秸稈。
　　3.對(duì)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的高茬還田耕整刀輥—螺旋刀輥和組合刀輥，進(jìn)行了一系列田間試驗(yàn)。
　　(1)以組合刀輥為研究對(duì)象，開展了水稻、油菜、綠肥類田塊的田間試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了組合刀輥田間作業(yè)時(shí)對(duì)植被的適應(yīng)性。
　　(2)影響刀輥?zhàn)?/p>

7、業(yè)質(zhì)量的主要因素有刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度和耕深等。為明確上述3個(gè)因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，利用L9(34)正交試驗(yàn)表對(duì)組合刀輥進(jìn)行田間正交試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果分析得出:影響作業(yè)質(zhì)量的主次因素依次為耕深、前進(jìn)速度、刀輥旋轉(zhuǎn)速度。3個(gè)因素對(duì)秸稈埋覆率的影響程度依次為:耕深和前進(jìn)速度的影響極顯著，刀輥旋轉(zhuǎn)速度的影響不顯著。組合刀輥田間作業(yè)的最佳參數(shù)范圍為:拖拉機(jī)前進(jìn)速度0.43～0.93 m/s，刀輥旋轉(zhuǎn)速度330 r/min左右。
　　(3

8、)對(duì)傳統(tǒng)旋耕刀、螺旋刀輥、組合刀輥為關(guān)鍵部件的旋耕機(jī)具，進(jìn)行田間作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:傳統(tǒng)旋耕刀作業(yè)耕深低于其他2種刀輥，對(duì)秸稈埋覆性能極差，達(dá)不到國(guó)標(biāo)要求;組合刀輥植被埋覆率達(dá)94％以上，耕深大于20 cm，作業(yè)耕深穩(wěn)定。結(jié)果顯示:組合刀輥耕后地表平整，覆蓋率、耕深及耕后地表平整度等作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)均優(yōu)于其它2種刀輥。即組合刀輥?zhàn)鳂I(yè)質(zhì)量最佳，秸稈埋覆性能最好。
　　(4)對(duì)水田高茬秸稈還田旋耕機(jī)和水旱兩用高茬秸稈還田旋耕機(jī)分別

9、進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試研究。通過(guò)這一系列試驗(yàn)研究，得到水旱兩用高茬秸稈還田旋耕機(jī)相較于水田高茬秸稈還田旋耕機(jī)更適用于水稻、油菜、小麥等主要糧食作物水田和旱地高茬秸稈的埋覆還田，機(jī)具田間適應(yīng)性較強(qiáng)，埋覆性能良好。
　　4.開展土壤運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，獲取了土壤運(yùn)動(dòng)軌跡，得到了土壤的速度與時(shí)間、位移與時(shí)間、合力與時(shí)間等的變化規(guī)律，機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中，土壤被刀輥向后拋出;開展了秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，獲取秸稈運(yùn)動(dòng)軌跡，得到了秸稈的速度與時(shí)間、位移與時(shí)間、合

10、力與時(shí)間等的變化規(guī)律，機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中，秸稈被刀輥向下壓覆后被后拋的土壤埋覆;對(duì)組合刀輥工作過(guò)程進(jìn)行了分析，獲得了刀輥運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到了刀輥的速度與時(shí)間、位移與時(shí)間、合力與時(shí)間等的變化規(guī)律以及刀輥所受力矩變化規(guī)律，刀輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中，入土破土?xí)r刻刀輥受力急速達(dá)到最大，機(jī)具所耗功率最大。
　　5.采用無(wú)線遙測(cè)技術(shù)，利用動(dòng)力輸出軸一體化扭矩傳感器，對(duì)安裝原組合刀輥、傳統(tǒng)旋耕刀以及螺旋刀輥的旋耕機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)質(zhì)量及功耗對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:

11、組合刀輥和螺旋刀輥旋耕后秸稈埋覆率、耕深、耕深穩(wěn)定性及地表平整度等作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)均高于國(guó)標(biāo)要求，傳統(tǒng)旋耕刀秸稈埋覆率不達(dá)標(biāo);傳統(tǒng)旋耕刀雖然作業(yè)功耗較低，但對(duì)高茬秸稈的埋覆性能較差;組合刀輥?zhàn)鳂I(yè)質(zhì)量最優(yōu)，但是其作業(yè)功耗偏高。
　　6.為了保持刀輥良好的高茬秸稈埋覆效果，同時(shí)為了提高刀輥強(qiáng)度、降低刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗，尋找螺旋橫刀最佳切土角，在理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)螺旋橫刀進(jìn)行了改進(jìn)，主要對(duì)螺旋橫刀截面尺寸進(jìn)行一定的調(diào)整，為了提高通用性，降低成本，

12、將原刀輥上的中間刀盤更換成為標(biāo)準(zhǔn)件刀座。
　　7.設(shè)計(jì)加工了4種不同切土角的橫刀，進(jìn)行水田和旱地田間作業(yè)質(zhì)量和功率的測(cè)試，測(cè)量田間耕前耕后相關(guān)參數(shù)，通過(guò)田間作業(yè)性能得到組合刀輥較佳的切土角。
　　8.優(yōu)化后的水旱兩用秸稈還田組合刀輥對(duì)高達(dá)90.6 cm的水稻整株和49.2 cm的水稻秸稈進(jìn)行水田和旱地埋覆還田試驗(yàn)，作業(yè)后耕深分別為17.9、24.0 cm，耕深穩(wěn)定性分別為89.8％、86.6％，植被埋覆率分別為99.8％、9