摘要
油菜为中国第一大油料作物，其种植面积及总产量均居世界前列。长江中下游地区是中国冬油菜主产区，该地区雨水多、土壤粘重板结，地表秸秆留茬高、残留量大且深施肥难度大，油菜直播作业时，易出现秸秆埋覆率低、旋耕刀轴缠草与深施肥铲铲前挂草、铲与铲之间壅堵等问题，难以保证良好的种床质量，结合油菜直播农艺要求，对油菜直播机旋耕和深施肥部件进行了设计，并开展了部件田间作业效果试验，主要研究内容如下： （1）针对油菜直播作业前的复杂工况及作业过程中存在的问题，结合油菜直播种床整理农艺要求，提出了反转深浅旋、正位深施肥及旋耕部件配合深施肥部件主动防堵的旋耕与深施肥作业方案，明确了旋耕及深施肥部件结构与技术参数，阐述了其工作原理、传动方案及工作过程。 （2）对油菜直播机旋耕和深施肥关键部件进行了设计与参数分析。主要包括：①对比正转与反转旋耕的作业性能，确定了反转旋耕的作业方式，分析了反转抛土运动，得出了土壤的运动轨迹和实现后抛的临界条件为η＞π/2；②开展了深浅旋组合旋耕刀辊的结构设计，选用直径为150mm的刀筒式刀轴，确定了旋耕刀盘的内径为150mm，外径为270mm。设计了回转半径245mm、工作幅宽45mm的深旋弯刀，回转半径210mm、工作幅宽65mm的浅旋弯刀和回转半径310mm的防堵直刀；③对深、浅旋弯刀的结构参数进行了研究，采用了阿基米德螺旋线的刃口曲线，通过建立旋耕刀切割秸秆模型，得出了正切刃的最佳滑切角为35°~55°，为提高土壤后抛量，设计了90°的弯折角，并将弯刀隙角设计为30°。对防堵直刀进行受力分析，确定了阿基米德螺旋线的侧切刃与40°的刃磨角。④明确了种床带的旋耕深度为130mm~170mm，宽度为100mm；灭茬带的旋耕深度为95mm~135mm，宽度为150mm，并进行了三种类型旋耕刀相组合的多头螺旋线对称排列设计；⑤研究设计了一种菱形结构的深施肥铲，施肥深度为80mm~100mm，开展了铲体与铲尖结构参数的研究分析，得出菱形截面的夹角为75°，其破土刃为正弦指数曲线，切削刃角为45°。 （3）运用计算机仿真技术，开展了旋耕和深施肥部件运行参数的优化试验及优化验证试验，验证了菱形施肥铲的减阻能力，并分析了机架的振动特性。具体包括：①基于EDEM离散元软件，构建了秸秆-土壤的仿真模型，开展了机具运行参数的仿真优化试验，通过建立二次多项式回归模型以及响应面分析，确定了较优的运行参数范围为：前进速度1.5km/h~3.5km/h，耕深140mm~160mm，旋耕转速345r/min；②为考察机具的作业效果，以前进速度2.5km/h，耕深150mm，旋耕转速345r/min进行了优化验证试验，得出秸秆埋覆率为87.53%，误差大小为1.50%，菱形施肥铲的施肥深度为83mm~116mm。对地表下秸秆的空间分布情况进行了分析，超过70%的秸秆分布在0mm~100mm的深度内，不到30%的秸秆分布在100mm~150mm范围内。对作业后的土层交换情况进行了分析，3个区域的土壤交换程度均达到了50%及以上；③在1.5km/h、2.5km/h、3.5km/h前进速度下开展了两种施肥铲的对比仿真试验，对比分析了菱形施肥铲和现有直播机中传统矩形施肥铲的阻力曲线，其减阻率分别达到了9.79%、16.46%、19.79%；④利用ANSYS Workbench软件，对机架进行了约束下的前4阶模态分析，求解得到前四阶固有频率为65.32Hz、69.07Hz、92.40Hz、97.45Hz。并通过开展不同工况下机架的田间振动验证试验，验证了旋耕和深施肥部件机架结构设计的合理性。 （4）以油菜直播机旋耕和深施肥部件为试验对象，试验前测定了田间工况，随后进行了一系列的田间试验。主要包括：①在华中农业大学和监利县共选取了5块工况具有较为明显差异的试验地块，其中1号试验田为杂草地，留茬高度301mm，土壤坚实度为3233.8kPa。以及四块稻茬田，其留茬高度分别为351mm、364mm、513mm、519mm，土壤坚实度分别为1786.1kPa、1825.4kPa、1913.3kPa、3362.5kPa；②开展了机具的功能性试验，于工况1考察了旋耕部件的作业效果，于工况2考察了旋耕部件与深施肥部件配合防堵的能力，试验表明：旋耕部件与深施肥部件均实现了各自的功能。③开展了机具的全因子质量试验，确定了最优参数组合为：前进速度2.1km/h，耕深155mm，旋耕转速345r/min，此时作业后的耕深为167mm（深）、126mm（浅），耕深稳定性为91.34%（深）、92.01%（浅），碎土率为91.83%，厢面平整度为14.56mm，秸秆埋覆率为93.28%，施肥深度为104.6mm，菱形施肥铲未出现壅堵情况，达到了油菜直播前种床制备的要求；④通过开展旋耕和深施肥部件与传统旋耕机的作业质量对比试验，对比分析了两种机具的作业效果以及作业功耗，得出旋耕和深施肥部件的功耗提高了5.4kW，但作业后耕深提高了54mm、13mm，耕深稳定性没有明显变化，碎土率和秸秆埋覆率分别提高了5.71%、31.41%，厢面平整度减小了5.69mm，其作业质量较传统旋耕作业有明显提高；⑤高茬地表作业适应性试验表明：4号稻茬田作业后，菱形施肥铲未出现壅堵现象，作业后深旋的耕深及耕深稳定性达到了165mm、91.86%，浅旋的耕深及耕深稳定性为129mm、91.27%，其碎土率、厢面平整度、秸秆埋覆率、施肥深度分别达到了92.13%、16.48mm、90.35%、108.6mm，于工况更为复杂的5号稻茬田作业后，其耕深分别达到了158mm（深）、118mm（浅），耕深稳定性为87.43%（深）、85.97%（浅），其碎土率、厢面平整度、秸秆埋覆率分别达到了81.24%、22.65mm、86.69%，施肥深度为96.8mm，两种工况作业后各项指标均达到标准。
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