梯形组合刀盘设计与作业性能实验讨论

0 引言

保护性耕作能够减少风蚀、水蚀，是提高土壤肥力和抗旱能力的先进耕作技术，制约我国保护性耕作发展的关键是大秸秆条件下的免耕播种技术。免耕播种机在地表残茬、秸秆、杂草覆盖条件下进行作业，作业防堵是免耕播种机设计的难点。国内外免耕播种机采用的防堵装置主要分为被动式和动力驱动式两种。被动式圆盘刀主要是依靠圆盘刀锋利的刃口和足够的正压力切断秸秆、根茬和切开土壤，需要有足够大的垂直载荷，采用这种破茬装置的免耕播种机结构庞大、质量大，多为牵引式，不适合我国小地块国情。动力驱动式破茬装置主要是依靠拖拉机的动力驱动各种刀具旋转切断作物残茬，我国中小型悬挂式免耕播种机常采用这种方式。目前，国内采用的动力驱动式防堵装置多为传统旋耕机的改进产品，存在防堵效果不佳等问题; 也有采用防缠绕技术的产品，但存在一定程度的草土混杂、干湿土混杂等问题。为此，本文设计了一种新型驱动破茬防堵装置。该装置由一对带倾角的梯形刀盘组成，在工作过程中将秸秆与杂草切断并拨向开沟器两侧，同时将表层干土向两侧抛出，从而实现草土分离和干湿土分离，并解决开沟器堵塞的问题，可为后续种子萌发、出苗创造有利条件，提高播种作业质量。

1 设计思路
破茬防堵装置如图1 所示。该装置的主要作用是将地表的秸秆残茬切断，并将根茬切开，防止其堵塞工作部件。

机具作业时，由拖拉机后输出轴提供动力给传动箱，再将动力传给刀轴，从而带动梯形刀盘旋转( 与机器前进方向一致)。破茬防堵装置主要由梯形刀盘和开沟器组成，根据前期设计秸秆粉碎还田深松作业机的经验，开沟铲与梯形组合刀盘的间距在不影响正常工作的前提下越小越好。

1． 1 秸秆与土壤的受力分析
刀盘和土壤在机具前进方向上的相互作用力用于切断秸秆及切碎土壤。为了分析梯形刀盘对秸秆和土垡的作用力，将梯形刀盘的工作状态简化，如图2 所示。


土垡和秸秆受到梯形刀盘的合力分解为水平方向分力F2、F5和垂直方向分力F1、F4。在 F2和F5的作用下，土垡和秸秆会被侧向抛出; 在 F1和 F3的作用下，土垡和秸秆会向上移动。刀盘在工作的过程中高速旋转，秸秆和土垡最终被抛向刀盘的外侧上方。

1． 2 组合刀盘实现草土分离与干湿土分离机理
土壤分为干土层与湿土层，未播种地表如图3( I)所示。地表有杂草、根茬以及秸秆，土壤分为干土层与湿土层。转动的梯形刀盘将秸秆压到地表，在地表的支撑下将其切断，并将作物根系切断，将地表以下 4～ 6 cm 的土壤疏松。由于刀盘有向外的偏角，组合刀盘能够开出“W”型沟，会将土壤表层的“干土”和播种带上的秸秆与杂草拨向组合刀盘两侧，防止其回落至播种带。梯形组合刀盘工作后的土壤状态如图 3( II) 所示。安装于组合刀盘后的开沟器工作后，会在刀盘中间的土壤开出“V”型沟并将土壤推向开沟器两侧，部分地表“干土”会落入梯形组合刀盘形成的“W”型沟中。此时播种带为湿土，据此实现干湿土分离。开沟器工作过后土壤状态如图 3( III) 所示。开沟器铲尖伸入到组合刀盘回转半径范围内，与之形成类似于定刀与动刀的组合; 当开沟器铲柄前方有秸秆堵塞时，高速旋转的梯形刀盘能够及时清除堵塞，便于施肥和播种。


2 梯形组合刀盘运动分析及结构参数设计

2． 1 梯形刀盘运动分析
梯形刀盘在切削秸秆、根茬和土壤时，刀盘外圆上的点在绕刀轴轴线作圆周运动的同时跟随整个机组做匀速直线运动。梯形刀盘运动分析如图4 所示。

设刀盘回转中心为 O，刀盘上任意点的回转半径为 Ｒ，坐标为( x，y) ，起始位置为 A，运行 t 时间后，刀盘旋转速度为 ω，随刀盘转到 B 的位置，刀盘随机具前进速度为 v，其最终位置应为 B1。虽然刀盘刀齿部分存在偏角，但是刀齿的偏角为固定值，所以刀齿上任意点回转平面与刀盘中间部分回转平面的距离一定，对刀盘的运动分析无影响，则其运动方程为

由方程( 5) 可知，刀盘外圆上点的运动轨迹为余摆线，将式( 5) 对时间求导可得任意点瞬时速度为

由此可得到刀盘外圆上任意点相对于地面的速度Vm为

由式( 7) 可见: Vm是一个变量，是 v、Ｒ、ω、t 的函数。由于任意点相对于地面速度是最大回转半径 Ｒ 的函数，在机组前进速度、刀盘转速一定时，最大回转半径 Ｒ 是影响破茬率的关键因素。

2． 2 梯形刀盘结构参数设计
2． 2． 1 最大回转半径 Ｒ 设计
梯形刀盘结构如图 5 所示。设计中，为防止刀轴过低而发生缠草堵塞，梯形刀盘最大回转半径不能太小; 但是随着回转半径的增大，刀盘与土壤的接触面积会增加，阻力增大，使刀轴所受的扭矩和整体消耗的功率增加。考虑到播种机变速箱的结构及播种机组的通过性，参考旋耕机刀片、圆盘耙片和现有破茬圆盘的直径，综合免耕播种机的结构要求和田间通过性能，设计时取圆盘半径为 Ｒ =200mm。
2． 2． 2 刀齿高度 H 设计
根茬清除率是评价防堵装置防堵性能的重要指标之一，而刀盘切茬深度是影响根茬清除率的主要因素之一。当切茬深度大于 25mm 时，即可将小麦根茬切断，并打破根须与土壤形成的团块; 同时，考虑到播种玉米时干土层土壤厚度及种肥深度，设计刀盘刀齿高度为80mm，最大切茬深度为60mm。
2． 2． 3 刀盘偏角 α 设计
如图 5 所示，刀盘的偏角不宜太小，否则对秸杆和土垡的侧向作用力太小，无法将其推出播种带; 偏角太大，抛土作用过强，后续作业时回土不好，影响种子的覆土效果。参考圆盘耙片的设计参数并做预实验，本设计选取刀盘偏角12°。
2． 2． 4 刀盘其它结构参数设计
刀盘工作的过程中必然伴随着磨损，若刀齿设计为尖形，刀齿的高度会因磨损而降低，会影响刀盘入土深度这个重要工作参数，将刀齿设计有齿顶宽 S，可以有效地避免这个问题。当齿顶磨损为尖形时，需更换刀盘，带缺口的刀盘在工作中会对秸秆和杂草有滑切效果。当滑切角 β 为 35° ～55°时，开沟器耕作阻力及入土阻力较小，尤其在较硬土层入土效果较好。刀盘的 Ｒ、L、Z、S、β，这几个参数互相影响，在确定 Ｒ、H之后，综合考虑刀盘的安装要求，确定 L =110mm，Z =6，S = 30mm，β = 52°。固定螺栓安装在半径为 Ｒ1的圆周上，Ｒ2为刀盘内径，Ｒ1、Ｒ2大小根据实际需要确定。
2． 2． 5 材料选取及技术要求
为了增加耐磨性和锋锐性，减小切割阻力，同时考虑到刀片的强度，切刀材料选用 5mm 厚 65Mn 钢片，刃口厚度2mm，切削部分进行淬火处理。为了方便刀盘在刀轴上的安装和拆卸，刀盘先整体加工，然后从中间对称割开，中间有 2mm 的间隙; 考虑到刀轴运转时的动平衡，每对梯形组合刀盘的两片需错位90°安装。最终确定梯形刀盘结构如图 5 所示。


3 破茬防堵装置土槽试验

为了研究梯形组合刀盘的破茬防堵效果，进行了土槽试验，在西北农林科技大学土槽试验台上进行。为使土槽中土壤状况与田间尽量一致，将土槽内土壤旋耕翻土整平后洒水，用镇压滚将土壤压实后放入秸秆。该土壤含水率为 15． 8% ，平均土壤坚实度为2． 21MPa。土槽车前进速度 4km / h，刀盘转速为 400r /min，刀盘偏角为 12°，刀盘间距为 40mm，试验设备为自行研制的破茬防堵装置试验台，如图6 所示。

选取0．6、0． 9、1． 2kg/m2这 3 种秸秆覆盖条件进行组合刀盘防堵性能检验，每种覆盖条件试验 5 次。根据农业部农机鉴定总站免耕播种机性能检测要求，以60 m 作业距离内发生堵塞的程度进行分类: 如果出现秸秆壅塞、不停机无法继续作业，为严重堵塞; 如果秸秆壅塞、不需停机清堵，为一般堵塞; 如果发生秸秆壅塞、但能从开沟器间自动流过，则为轻度堵塞; 不堵塞或轻度堵塞，为合格。
土槽试验过程中，0．6kg/m2与0．9kg/m2秸秆量覆盖条件下梯形组合刀盘均未出现堵塞现象，在 1．2kg/m2秸秆量覆盖条件下出现轻微堵塞现象 1 次。试验结果表明: 梯形组合刀盘通过性良好。

4 田间试验

4． 1 试验条件
梯形组合刀盘安装在玉米免耕播种机上，在西北农林科技大学试验田进行了田间性能试验，主要考察梯形组合刀盘在田间工作时能否实现草土分离与干湿土分离。试验地为小麦玉米一年两熟耕地，前茬作物为冬小麦，行距为 24cm，秸秆覆盖量为 0． 8 ～ 1． 7kg / m2，小麦平均留茬高度为 27． 9cm，秸秆含水率为17． 6% ; 土壤为塿土，在 0 ～ 10cm 土层内土壤平均含水率为 8． 43% ，0 ～ 10cm 土层平均土壤坚实度为0． 86MPa; 试验地地表平整，基本均匀; 机具前进速度为4．0km/h，梯形刀盘入土深度为 60mm。图 7 为田间试验现场。


4． 2 试验内容与方法
根据农业部农机试验鉴定总站制定的对免耕播种机播种质量的检测指标，播种性能试验测试内容包括常规的通过性、土壤扰动量、干湿土分离状况、种肥深度及粒距等，主要检验依据为《免耕播种机选型试验大纲》和小麦免耕播种机性能检测项目与检测方法。检测设备包括电子秤、土壤硬度计、游标卡尺、秒表及卷尺等。
4． 2． 1 通过性与土壤扰动量
保护性耕作要求免耕播种时土壤扰动小，即要减少开沟动土量，达到保墒保水的目的，同时减少拖拉机的动力消耗。在60 m 作业距离内随机取 20 个点，测量并记录数据。土壤扰动量￡ 为￡ = F /S 式中 ￡ —土壤扰动量;F—实际的开沟宽度( mm) ;S—播种行距( mm) 。
4． 2． 2 草土分离与干湿土分离效果
播种前，用 5 点法在地块选取 5 个点，每个点各取1m2内的秸秆与杂草，并称重记录; 播种后，在相同位置，取掉表层 2cm 以上的秸秆、杂草和土壤，取地表下3 ～5cm 内的土壤并筛选出秸秆，称重记录。草土分离效果可由草土分离系数 ρ 来表示，有
ρ = ( M1－ M2) /M1式中 ρ—草土分离系数;M1—播种前所取秸秆质量;M2—地表下3 ～5cm 所取秸秆质量。
拖拉机以正常作业速度播种后，随机取 6 行，每行在50m 内随机取20 个点，人工扒开土层选取土样，按烘干方法对土样进行处理，得到所取土样的含水率，用相同的方法在播种前邻间行选取土样做对比。选取土样的方法为: 取种子播种深度上下 20mm 的土壤。干湿土分离效果可由干湿土分离系数  来表示，有

4． 2． 3 播种质量
拖拉机以正常作业速度播种后，随机选取6 行，每行在50 m 内随机取 20 个点，人工扒开土层进行播种深度、施肥深度、种肥间距及粒距的测量，并记录测试数据。

4． 3 试验结果与分析
4． 3． 1 通过性与土壤扰动量
按4． 2． 1 所述方法测量通过性与土壤扰动量。试验共有6 次重复: 无堵塞5 次、轻微堵塞 1 次( 小麦收获时形成大量秸秆堆积处) 、重度堵塞 0 次，土壤平均扰动量为68．5%。试验结果表明: 由于梯形组合刀盘能够将播种带上的秸秆和杂草拨向两侧，实现了播种时的草土分离; 梯形刀盘能与开沟器构成的动定刀组合，从而有效防止了开沟器缠草堵塞，机具具有良好的通过性。
4． 3． 2 干湿土分离
免耕播种作业后按 4． 2． 2 所述方法进行草土分离与干湿土分离效果测定。播种前所取秸秆平均质量为1．2 kg，播种深度土壤平均含水率为 10．48%; 播种后地表下3 ～5cm 所取秸秆平均质量为 0． 06kg，播种带播种深度土壤平均含水率为9．61%，草土分离系数平均值为 95%，干湿土分离系数平均值为 91． 7%。试验结果表明: 梯形组合刀盘形成“W”型沟与开沟器形成“V”型沟，能够实现播种时的草土分离与干湿土分离。
4． 3． 3 播种质量
免耕播种作业后按 4． 2．3 进行播种质量的测定，测量值取平均值后如表 1 所示。播种地块有一定的畦垄是导致播种时种深、肥深、种肥间距和粒距变化的主要因素; 但从合格率指标方面评价，作业质量可以满足农艺要求。试验结果如表1 所示。


5 结论

1) 梯形组合刀盘破茬装置能够将播种带上的秸秆与杂草拨向开沟器两侧，组合刀盘先开出“W”沟，开沟器二次开出“V”沟，产生了一种同时实现破茬防堵、草土分离、干湿土分离的方法。
2) 土槽试验表明: 梯形组合刀盘在秸秆覆盖量不大于1．2kg/m2时通过性合格。
3) 田间试验表明: 该破茬防堵装置通过性好，开沟宽度、土壤扰动量都能够达到保护性耕作技术要求; 免耕播种作业时能够实现草土分离与干湿土分离，草土分离系数达95%，干湿土分离系数达 91．7%，可为种子萌发创造良好的种床条件。
参考文献（略）