摘要
油菜作为我国重要的油料作物之一，不仅具有传统种植优势同时也是产油效率最高的油料作物，耕整地是油菜生产的基础环节。驱动型犁旋联合耕整机采用先主动犁旋后旋耕碎土、中间开畦沟的工作方式;因其具备主动犁旋特性，驱动型犁旋联合耕整机可高效完成大多数土壤类型的耕整地工作，但在前茬作物留茬高、土壤黏重等土壤工况下旋耕装置仍然存在碎土率不高、秸秆埋覆率低、刀辊易缠草，驱动圆盘犁组-开畦沟装置堵塞等问题。本文为进一步提高驱动型犁旋联合耕整机作业质量和机组适应性，对驱动型犁旋联合耕整机结构进行改进设计，改进后的驱动型犁旋联合耕整机采用了机组两侧开畦沟装置的结构布局;设计并研制了一种双刃型旋耕装置以提高整机作业质量;开展相关仿真试验与田间试验。主要的研究内容如下: (1)开展了驱动型犁旋联合耕整机样机在前茬作物留茬高、土壤黏重、土壤含水率波动大等复杂工况下作业预试验。通过试验明确了机组作业过程中存在犁组结构易堵塞、旋耕装置易缠草、作业后碎土率、埋茬埋覆率低的问题;结合油菜合理耕层构建和稻-油或稻-稻-油水旱轮作总体农艺要求，提出了先驱动犁翻，后双刃型旋耕装置碎土，同时两侧开畦沟的工艺方式;确定了整机改进方案与改进后结构，阐述了整机与双刃型旋耕装置工作原理与整机改进后的主要技术参数。 (2)本研究在考虑长江中下游地区的实际耕作工况的基础上，开展了驱动型犁旋联合耕整机的关键部件的改进设计工作。具体研究内容包括:①通过理论计算分析确定了驱动圆盘犁直径为510mm,临界偏角为27.06°,驱动圆盘犁组安装间距160mm;依据驱动圆盘犁与开畦沟装置翻垡原理开展驱动圆盘犁与开畦沟装置交互设计，确定了两侧开畦沟装置的结构布局。②依据滑切原理确定了具有阿基米德螺旋线长刃部和正弦指数曲线短刃部的双刃型旋耕刀片关键结构参数;通过驱动圆盘犁组-旋耕装置耕深匹配确定了长刃部旋耕深度为150mm、短刃部耕深为100mm;对双刃型旋耕刀片作业状态受力分析得出其刃口曲线的滑切条件为滑切角大于秸秆与钢材的摩擦角，并以此确定长刃部刃口曲线螺线起点极径为164mm,螺线线终点处滑切角为60°、螺线终点处极角为0.75rad;确定双刃型旋耕刀片短刃部侧切刃曲线起点极径为120mm,短刃部侧切刃曲线起点静态滑切角为52°。③进行了双刃型旋耕装置运动学分析，确定了双刃型旋耕装置刀辊转速为290～360r·min-1,在该运动参数下分析了双刃型旋耕刀片正切刃切削过程，明确了正切刃切削角变化规律，确定了双刃型旋耕刀片正切刃磨刃角为20°,安装角为55°,隙角变化范围为1.31°～7.33°。④开展了双刃型旋耕装置刀辊设计与参数分析，设计旋耕刀筒直径为152mm,根据驱动圆盘犁组结构布局及圆盘犁作业后土壤形态确定了双刃型旋耕刀片按照双头螺旋线排列规则排列和双刃型旋耕装置单侧工作幅宽为1075mm。 (3)应用仿真方法开展了双刃型旋耕装置性能对比仿真试验、双刃型旋耕装置动平衡校核仿真试验。具体研究内容包括:①基于离散元仿真软件构建了土壤-秸秆-机具仿真模型，土壤仿真模型使用Hertz-MindlinwithJKR模型，并确定了模型间接触参数。②分析了双刃型旋耕装置工作过程，以秸秆埋覆率为仿真试验指标进行了整机搭载双刃型旋耕装置与传统旋耕装置性能对比试验;仿真对比试验表明整机搭载双刃型旋耕装置作业后平均秸秆埋覆率为90.11％,较整机搭载传统旋耕装置秸秆埋覆性能提高5.99％;对比分析了整机搭载双刃型旋耕装置与传统旋耕装置作业后对土壤耕层的交换情况，仿真试验显示安装双刃型旋耕装置的驱动型犁旋联合耕整机作业后土壤耕层交换程度更高。③应用MDB仿真方法开展了双刃型旋耕装置动平衡校核仿真试验，仿真结果显示双刃型旋耕装置在最高转速360r·min-1下总不平衡量为23163.2g·mm,满足农业机械动平衡G16设计标准。 (4)以改进后的驱动型犁旋联合耕整机为试验对象进行了田间性能试验和田间播种试验。具体内容包括:①在监利县稻-油轮作全程机械化生产示范基地选取了两块土壤含水率和地表留茬高度存在差异的试验田块，并测定了地块工况参数;其中工况1试验地块测量平均留茬高度506mm、地表平均秸秆量3.28kg?m-2、平均土壤含水率25.7％,工况2试验地块测量平均留茬高度323mm、地表平均秸秆量1.51kg?m-2、平均土壤含水率33.27％。②在试验地块开展了驱动型犁旋联合耕整机性能验证试验，其中工况1地块作业后测定试验结果秸秆埋覆率为97.7％、碎土率为96.2％;在工况1地块下开展整机与旋耕式油菜直播机作业性能对比试验，试验结果表明驱动型犁旋联合耕整机较旋耕式油菜直播机平均碎土率提升8.94％,平均秸秆埋覆率提升24.23％。工况2测定田间性能试验结果碎土率为94.4％、秸秆埋覆率为95.2％。田间性能试验表明在两种工况下驱动圆盘犁组和双刃型旋耕装置共同作用能够有效的埋覆地表秸秆，整机作业后土壤细碎平整。③采用改进后的驱动型犁旋联合耕整机并搭载窝眼轮式排种器进行了田间播种试验，播种试验结果表明，使用该联合耕整机播种后油菜出苗效果优良，且该联合耕整机的各项作业性能能够满足油菜直播种床整备的相关要求。
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