大豆垄上双行免耕播种锯齿式开沟器设计与试验
作者单位：东北农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：赵淑红;孙士明
授予年度：2021年
摘 要：在玉米-大豆轮作免耕种植模式下,大豆垄上双行播种作业过程中,由于玉米根土结合体较大且垄向分布不均,大豆免耕播种机的破茬刀和施肥铲只能沿机组前进方向将根土结合体竖直切开和扰动,地表下的根土结合体仍然团聚较大,进而影响开沟器播种质量,致使无法满足播种深度均匀性和行距一致性,因此,为解决地表下玉米根土结合体对开沟质量的影响,提高播种质量,本文设计了一种锯齿式大豆垄上双行播种开沟器。综合理论分析、物料物理特性测量、EDEM仿真、多目标优化、响应曲面分析、高速摄像、田间试验等多种方法和手段,确定了锯齿式开沟器结构参数,并开展了离散元仿真性能测试试验,田间对比分析了其作业性能,优化了田间作业参数并验证了其适用性,以期为提高免耕大豆垄上双行播种机播种质量提供一种新的参考。本文的主要研究如下:(1)锯齿式开沟器的结构参数设计在阐述锯齿式大豆垄上双行播种开沟器结构和工作原理的基础上,对前刀刃口曲线进行了设计,推导出了前刀曲线方程;分析了侧刃切割根系力学模型,确定侧刃为锯齿形;以玉米根土结合体各区域滑动摩擦角的测定结果为横坐标,其对应的滑切角为纵坐标,利用Matlab软件进行拟合,得到了侧刃齿形曲线,依据理论计算,当每个侧刃齿数为3时,具有有明显的锯切效果;根据大豆播种的农艺要求,明确了开沟器主体内导种管以交错形式布置,同时确定了锯齿式开沟器的入土隙角为5°。(2)基于EDEM软件离散元仿真性能测试试验为验证设计思路的合理性及测试锯齿式开沟器的作业性能,利用离散元软件EDEM对所设计的锯齿式开沟器进行仿真性能测试试验。根据物料特性、前茬作物农艺要求以及锯齿式开沟器的结构尺寸,建立了东北壤土-根茬-秸秆离散元模型,利用Solidworks构建破茬刀-施肥铲-锯齿式开沟器几何模型,最后在EDEM软件中构成了整体作用模型;设置机组前进速度分别为5 km/h、7 km/h、9 km/h,开沟器入土深度为50 mm,以开沟器切割根茬能力以及工作阻力为测试指标,进行了离散元仿真性能测试试验,试验结果表明:锯齿式开沟器可有效切断根系,其工作阻力随作业速度的增大趋于平稳,表明锯齿式开沟器具有平稳的工作性能。(3)锯齿式开沟器田间作业性能对比试验为分析锯齿式开沟器田间综合作业性能,在开沟深度50 mm条件下,分别设置机组前进速度5 km/h、6 km/h、7 km/h、8 km/h、9 km/h,选取开沟深度变异系数、横向粒距变异系数、土壤扰动面积为评价指标,与双圆盘开沟器进行了田间作业性能对比试验,试验结果表明:锯齿式开沟器比双圆盘开沟器平均开沟深度变异系数降低了43.33%、平均种子横向粒距变异系数降低了60.81%,锯齿式开沟器平均土壤扰动面积较双圆盘开沟器小377.28 mm。(4)锯齿式开沟器田间作业参数优化试验为探究锯齿式开沟器田间最佳作业参数及验证其合理性,以机组前进速度、开沟器开沟深度、秸秆覆盖量为试验因素,以开沟深度变异系数、横向粒距变异系数、工作阻力和根系切断率为评价指标,进行了三因素五水平二次回归正交旋转组合试验;通过Design-Expert6.0.10软件对试验数据进行了处理分析,当机组前进速度5.81 km/h、开沟深度34.05 mm、秸秆覆盖量0.6 kg/m时,锯齿式开沟器具有最佳的作业性能,机组在最佳作业参数下,其开沟深度变异系数为6%,横向粒距变异系数为2.61%,工作阻力为229.38 N,根茬切断率为96.87%;对优化后的最佳作业参数进行圆整,以机组前进速度6 km/h、开沟深度35 mm、秸秆覆盖量0.6 kg/m进行了田间验证试验,其中高速摄像测定结果可知,锯齿式开沟器主要通过所设计的侧刃进行切割,验证试验结果表明:锯齿式开沟器平均开沟深度稳定性高于行业最低标准17.9%,平均开沟后碎土率高于行业最低标准6%,平均粒距合格指数高于行业最低标准7%,平均根系切断率为96.5%,满足行业标准。仿真试验和田间试验均表明锯齿式开沟器满足免耕大豆垄上双行播种农艺要求,可为提高免耕大豆垄上双行播种机播种质量提供一种新的参考。
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