留茬行間交替耕作模式配套播種機關鍵技術研究

發(fā)布時間：2020-11-03 10:31

　　近年來，東北地區(qū)摸索出多種適合東北地區(qū)實際情況的保護性耕作技術，其中留茬行間交替耕作技術是應用最為廣泛的保護性耕作技術之一。留茬行間交替耕作技術在收獲作業(yè)時采取高留茬作業(yè)，翌年在第一年的休耕行播種，第三年回到第一年的播種行播種，依次循環(huán)往復，其具有蓄水保墑，降低風蝕水蝕，根茬降解腐蝕程度高，增加土壤有機質含量等優(yōu)勢。由于采取高留茬作業(yè)（根茬上方保留一定長度的秸稈，長度約為300-500mm），因而播種作業(yè)時，地表上殘留大量倒伏的根茬和秋季作業(yè)時掉落的秸稈，致使播種作業(yè)時易發(fā)生如下問題：①秸稈、根茬易堵塞開溝裝置，破茬作業(yè)需同時針對秸稈和根茬進行作業(yè)；②由于采取留茬交替耕作，拖拉機行駛輪和機具在作業(yè)時均會接觸到殘留于地表的根茬，因而相對于原壟耕作模式，機具震動增加，排種器易發(fā)生掉種現(xiàn)象；③當覆土鎮(zhèn)壓裝置與地表殘留的根茬、秸稈接觸時，會發(fā)生覆土量降低和鎮(zhèn)壓強度不穩(wěn)定的現(xiàn)象；上述問題使得傳統(tǒng)播種機很難適用于留茬行間交替耕作技術，因而對留茬行間交替耕作模式的免耕播種技術進行深入研究，并研制一種適用于行間交替耕作技術的播種機具對東北黑土區(qū)的保護與恢復和保障國家糧食安全均具有重要意義。本文針對留茬行間交替耕作技術缺少配套播種機具的問題，在國家十二五科技支撐計劃課題（玉米種植機械關鍵技術和裝備研究與示范2011BAD20B09）的支持下，結合交替耕作技術特點和東北地區(qū)實際作業(yè)條件，通過理論分析、試驗設計、建立數(shù)學模型、仿真分析等方法，研究關鍵部件的幾何形態(tài)、結構參數(shù)、作業(yè)方式與作業(yè)效果之間的關系，并總結和量化其規(guī)律，從而設計出合理的排種、破茬、鎮(zhèn)壓等關鍵部件，最終設計出與留茬行間覆蓋交替耕作技術相配套的播種機具。（1）秸稈切割阻力與切割功耗影響因素及其規(guī)律的研究。本文以刀具切割作業(yè)方式（切割速度、滑切角、是否固定秸稈）和秸稈自身屬性（秸稈含水率、秸稈直徑）為試驗因素，秸稈切割性能（最大切割阻力、切割功耗）為試驗指標。本文通過多水平單因素試驗發(fā)現(xiàn)秸稈自身屬性和刀具切割作業(yè)方式對切割性能的影響規(guī)律；通過理論分析等方法總結出刀具切割作業(yè)方式對切割性能產生顯著性影響的原因：滑切角通過改變刀具對秸稈的實際切割角，進而影響最大切割阻力和切割功耗，切割速度和是否固定秸稈通過改變秸稈滑移率和實際滑切角，進而影響最大切割阻力和切割功耗；通過數(shù)學建模的方法建立了切割阻力和切割功耗與切割速度、滑切角等因素的一般數(shù)學關系模型（①刀具切割秸稈最大切割阻力與刀具實際切割刃角之間關系數(shù)學模型，②刀具實際切割刃角與刀具構造刃角、刀具動態(tài)滑切角之間關系數(shù)學模型③刀具動態(tài)滑切角與切割速度、刀具滑切角之間關系數(shù)學模型，④秸稈被固定時切割功耗與滑切角之間關系數(shù)學模型，⑤秸稈未被固定時秸稈滑移位移與切割速度、滑切角之間關系數(shù)學模型，⑥秸稈未被固定時切割功耗與切割速度、滑切角之間關系數(shù)學模型），通過數(shù)學模型求解揭示其因變規(guī)律，數(shù)學模型所得出結論與多水平單因素試驗結論相互印證，證明了結論的可靠性，為行間播種機具防堵破茬部件的設計提供理論基礎。（2）播種機破茬作業(yè)理論研究與機構設計。針對留茬行間交替耕作技術春季播種時，地表殘存根茬和秸稈致使免耕播種作業(yè)易堵塞的問題，本文以第二章的研究成果為基礎，結合行間交替耕作技術特點和東北黑土區(qū)實際作業(yè)條件，設計一種同時設有被動臥式旋轉部件和主動臥式旋轉部件的秸稈固定滾切式防堵裝置。本文通過試驗和理論分析的方法，得出被動刀片刀刃曲線采取等滑切角曲線時可有效固定住秸稈，進而降低作業(yè)功耗和最大切割阻力，并通過優(yōu)化設計，分別設計出作業(yè)效果最佳的被動切割刀片和主動切割刀片，其中被動切割刀片的刀刃曲線采用等滑切角曲線，刀片半徑為185mm，主動切割刀片的刀刃曲線采用阿基米德螺線，刀片半徑為240mm；通過多因素組合試驗，并運用Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，建立各因素與各指標之間的回歸方程，從而確定出刀片最佳結構和作業(yè)參數(shù)；通過田間驗證試驗，得出玉米根茬和秸稈切斷率平均值為91.3%，單把主動刀片功率消耗平均值為145.2W，為整機設計提供關鍵部件。（3）排種過程中種子受力與位移問題研究及新型排種器和漏播報警裝置設計。針對留茬行間交替耕作技術條件下，拖拉機行駛輪和機具在作業(yè)時均會接觸到殘留于地表的根茬，相較于原壟耕作技術排種器震動較大、易掉種的問題，設計一種雙凹曲面搖桿式排種器及漏播報警裝置，其通過雙凹曲面取種塊與傾斜式清種環(huán)共同完成充種、運種、清種、排種等作業(yè)環(huán)節(jié)，播種作業(yè)時將種子壓入雙凹曲面取種塊的第二凹曲面內，降低排種器震動對排種作業(yè)的影響，實現(xiàn)高效率、高精度、低破損的作業(yè)目標。通過分析作業(yè)效果與關鍵部件幾何形態(tài)、結構參數(shù)之間的關系，對作業(yè)關鍵部件雙凹曲面取種塊進行優(yōu)化設計，選取三段圓弧曲面組成雙凹曲面取種塊的兩段凹曲面，使其對種子的夾持效果更佳；通過選用合理的單片機、傳感器等部件，設計出合理的漏播報警裝置電路和流程；通過排種器震動試驗臺模擬田間實際作業(yè)情況，以排種器轉速、清種環(huán)傾斜角為試驗因素，單粒率為試驗指標進行多水平雙因素試驗，確定其最佳作業(yè)參數(shù)；通過田間驗證試驗對排種器實際作業(yè)效果進行驗證，試驗結果表明排種器單粒率在95%以上。（4）土壤位移和受力仿真分析與彈性覆土鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)原理分析及設計研究。針對覆土、鎮(zhèn)壓作業(yè)中覆土量和鎮(zhèn)壓強度不穩(wěn)定，影響作物產量的問題，本文設計一種彈性覆土鎮(zhèn)壓輪，其主要由胎體、胎體腔室和覆土器組成，覆土器通過彈性伸縮表皮完成覆土和震動清除粘附土壤等作業(yè)，胎體通過機具重力和胎體腔室內氣體的壓力完成鎮(zhèn)壓作業(yè)。由于彈性覆土鎮(zhèn)壓裝置采取彈性腔室設計，并由平行四連桿仿形機構與機架連接，遇到秸稈、根茬時亦可保證與土壤的接觸面積，保證鎮(zhèn)壓強度穩(wěn)定，并依靠覆土器增加覆土量，從而達到鎮(zhèn)壓強度和覆土量穩(wěn)定的目的。通過ABAQUS軟件對彈性覆土鎮(zhèn)壓輪作業(yè)過程中土壤位移與受力情況進行仿真分析，得出作業(yè)時土壤在覆土器部分位移較大；覆土鎮(zhèn)壓輪應變和應力最大值均出現(xiàn)在覆土器與胎體腔室結合部，覆土鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸面積基本穩(wěn)定在24000mm2，垂直接觸力基本穩(wěn)定在800N。（5）留茬行間交替耕作技術配套播種機整機結構配置合理性研究。播種機主要由防堵破茬機構、施肥機構、播種機構、覆土鎮(zhèn)壓機構、傳動機構組成，本文通過結構優(yōu)化設計方法，設計出平行四連桿等機構，并得出合理的整機結構配置，經整機田間試驗，機具各項指標均超過國家標準。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：S223.2
【部分圖文】：

條播機,氣吸式,免耕,機具

吉林大學博士學位論文耕播種機發(fā)展現(xiàn)狀達國家由于科技水平較高，人口密度較低，耕地多為大地塊，因而種機作業(yè)幅寬較大，機具重量較大，懸掛方式多為牽引式，采取，并配合大馬力拖拉機，一次進地即可同時進行破茬、松土、播種等作業(yè)，且不易發(fā)生堵塞問題，具有良好的田間通過性，開溝深度果好[91-93]。

主要參數(shù),作業(yè)指標,參數(shù)值,開溝深度

圖 1-2 Great Plains 3P606NT 型免耕播種機表 1-4Great Plains 3P605NT 型免耕播種機主要參數(shù)作業(yè)指標參數(shù)值單配套功率 44 kw懸掛方式三點懸掛行間距 19.05 cm作業(yè)幅寬 1.83 m開溝深度 89 m重量 1034 k巴西 SPD3O00 玉米秸稈覆蓋地播種機采用牽引式設計，安有氣吸式排種器元盤開溝器等機構，如圖 1-4 所示，其主要參數(shù)如表 1-6 所示[99-100]。表 1-5 SOX30 型免耕播種機主要參數(shù)作業(yè)指標參數(shù)值單

播種機,參數(shù)值,主要參數(shù)