免耕圆盘刀破茬过程运动特性研究

0 引言

免耕播种机是实施保护性耕作的关键机具，分为驱动防堵和被动防堵两种机型。驱动防堵依靠动力驱动的切刀装置切断秸秆和根茬，防堵能力强，但高速旋转的刀具对土壤扰动量大，功率消耗大；被动防堵主要依靠机具的重力和圆盘刀自身锋利的刃口切开根茬，使得免耕播种机结构简单、工作部件磨损少[1-4]。我国东北垄作地区玉米收获后，秸秆进行综合利用，地表覆盖量较少，只有根茬留在地里，因此对机器防堵性能要求不高，适合采用被动防堵技术。圆盘刀破茬对土壤的扰动小，利于保持垄形，是东北地区玉米垄作免耕播种机破茬装置的首选型式[5]。由于春季气候干燥、土壤风蚀严重，玉米根茬粗大，挖出地面会导致土壤严重失墒；另外，根茬埋在地里，自然腐烂后可提供有机质。所以，播种时可将根茬留在田里而不必挖出，通过圆盘刀的滚动作用将根茬切开，防止播种机的其它工作部件堵塞[6-7]。因此，本文对滚动圆盘刀破茬过程的运动特性进行研究，为研制适合东北垄作的免耕播种机破茬装置提供参考。

1 圆盘刀刀刃工作弧长和破茬时间

1.1 圆盘刀刀刃切割根茬弧长变化

当圆盘刀工作在两根茬之间时，其作业对象完全为土壤，圆盘刀入土深度不变的情况下，刀刃切割土壤的工作弧长不变。从圆盘刀刀刃与根茬开始接触到完全离开根茬的过程中，其作业对象为土壤—根茬团聚体。由于圆盘刀入土深度一般要大于根茬地表下深度，因此刀刃工作弧长一部分用来切割根茬，一部分用来切割土壤，而且切割土壤和根茬的弧长随圆盘刀前进不断变化。

圆盘刀切割根茬时刀刃作业弧段变化情况如图1所示。土壤—根茬团聚体沿圆盘刀前进方向的剖面为矩形ABCD，圆盘刀运动到位置1时开始破茬，刀刃与根茬接触点为A；到达位置2和位置3时刀刃分别通过点B和D，刀刃切割根茬部分弧长分别为BE和DF；到达位置4时刀刃通过点C，将根茬完全切开，破茬过程结束。

1.破茬过程开始位置 2.刀刃切入根茬位置 3.刀刃切入根茬位置 4.破茬过程结束位置图1 破茬过程中刀刃工作弧长变化Fig.1 Change of length of coulter edge in cutting stubble

假设零时刻圆盘刀位于位置1，则任一时刻t圆盘刀刀刃切割根茬部分的弧长为

式中l—刀刃切割根茬弧长(m)；

R—圆盘刀半径(m)；

h—圆盘刀入土深度(m)；

ds—根茬直径(m)；

hs—根茬深度(m)；

v—免耕播种机前进速度(m/s)。

根据式(1)及图1经分析可知：圆盘刀破茬过程中刀刃切割根茬弧长与所处位置有关。破茬过程从开始到结束，刀刃切割根茬弧长变化规律为从零增加到最大值、保持不变、从最大值减小到零3个阶段，分别对应于图1中的位置1到位置2、位置2到位置3、位置3到位置4。

1.2 圆盘刀破茬时间分析

圆盘刀切开一个根茬所需要的时间为

式中T—圆盘刀切开1个根茬所需要的时间(s)。

由式(2)可知：影响破茬时间的因素包括根茬直径ds、根茬深度hs、免耕播种机前进速度v、圆盘刀半径R和圆盘刀入土深度h。忽略根茬尺寸的差异，在免耕播种机前进速度不变的情况下，将T分别对R和h求偏导数得

构造函数求其导数得

因此可知：f(h)>f(h-hs)，则?T/?R>0。这说明在圆盘刀入土深度相同的情况下，破茬时间随圆盘刀半径的增大而增加。

构造函数求其导数得

因此可知：g(h)

2 圆盘刀破茬过程速度分析

圆盘刀破茬过程中，刀刃上任意一点的运动可由该点随播种机的平动和绕圆心的转动合成。如图2所示，若忽略圆盘刀沿地面的滑移，可将圆盘刀的运动认为是纯滚动，则圆盘刀与沟底接触点为其速度瞬心。

图2 忽略圆盘刀滑移时刀刃上任一点的速度Fig.2 Velocity of a point in coulter edge without slippage

在刀刃上任取一点M，由于P点为此时的速度瞬心，所以M点的速度方向与PM垂直。当圆盘刀做纯滚动时，由图2可得M点的速度v为

式中v—M点速度(m/s)；

vu—播种机前进速度(m/s)；

R—圆盘刀半径(m)；

hm—圆盘刀入土深度(m)。

由式(5)可知：圆盘刀破茬作业时，在播种机前进速度不变的情况下，刀刃上任一点的速度与该点至沟底的距离hm和圆盘刀半径R有关；随着圆盘刀的前进，该点与沟底距离逐渐降低，破茬速度也随着减小。圆盘刀半径R增加，会降低破茬速度，因此圆盘刀半径不宜过大。播种机前进速度增加使破茬速度加大，利于破茬，因此在不影响播种质量的前提下可适当提高作业速度。

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