玉米免耕播种机切茬挖茬装置研究
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摘要
我国北方部分地区气温低、春天风大、风蚀和春早严重。种植作物以一茬玉米为主。该地区采用保护性耕作技术，可以有效地抵御春旱、控制风蚀、防治沙尘暴、提高产量和培肥地力。主要技术措施是秸秆回收利用做青畜饲料，留高茬春季免耕直接播种。在有玉米茬的未耕地上进行免耕直播时，由于玉米根茬粗，不易破除，要求免耕播种机具有很好的破茬入土能力。目前生产中所应用的普通免耕播种机，还没有针对处理玉米根茬所设计的破茬装置，在有玉米根茬的未耕地上直接播种时就存在破茬能力差，将种子播在根茬上，或将玉米根掀出形成大坑等问题，严重影响播种质量。为满足生产需要，本文对免耕播种机玉米根茬处理问题进行了深入的理论分析与系统的试验研究，主要研究成果包括：
(1)提出了新的切挖处理播种带玉米根茬的思想。根据此原理设计了玉米根茬处理装置，并开发出了新型免耕播种机。通过对新型免耕播种机的田间生产试验，证明了切挖处理播种带玉米根茬原理可行，所开发的机具结构新颖，具有创新性；该机不但能创造无根茬的良好种床条件，有利于种子生长发芽，而且不需大量粉碎根茬，因而扰土量少、整机消耗动力小、破茬入土能力强，有利于充分发挥保护性耕作的优势。
(2)首次研究测定了整株玉米根茬及根茬-土壤复合体的力学特性。试验结果表明，①根茬含水率愈高，剪切力愈小，根茬含水率与剪切力近似为二次曲线关系；刀片剪切速度愈快，剪切力愈小；凸曲线、斜线、凹曲线和直线四种不同的刀刃曲线对整株根茬剪切力依此由小到大，凸曲线和斜线剪切时有一定程度的滑切作用，所以剪切力相比较小，当根茬含水率为48.2％，剪切速度500mm／min时，与其他三种曲线相比凸曲线型刀刃的剪切力依次分别减少了7.2％、22％和29％；对根茬中部、梢部和根部的剪切力，在相同试验条件下，径向中部最大，比梢部，轴向根部和根部茎秆所需剪切力分别增加32％、45％和111％；当含水率为48.2％，刀片的剪切速度为500mm／min时，一年一熟玉米根茬比一年两熟的玉米根茬剪切力增大37％。②玉米根茬的抗冲击能量为30.2J～60.4J，在相同试验条件下，一年一熟玉米根茬的抗冲击能量比一年两熟玉米根茬的抗冲击能量增大14％～23％；根茬径向抗冲击的冲击能量比轴向大约23％。③土壤-根茬复合体其抗剪强度τ与剪切面上的法向压应力σ成正比，复合体土壤凝聚力C比无根土壤增加115％～205％；内摩擦角φ增加11％～15％。
(3)设计制作了用于室内土槽试验研究的根茬处理试验装置，并设计制作了8种不同结构的破茬刀，通过试验建立了各种破茬刀单刀切茬切土阻力矩数学模型以及根茬处理装置功耗模型；单刀切有根茬土壤比无根茬土壤阻力矩增大约14％；随着刀轴转速的增加刀轴所消耗的功率呈平方关系增加；切茬线速度与前进速度之比λ对破茬质量影响较大，随着速比增大，破茬质量明显提高，当速比小于6时，随着速比的减小，破茬效果明显变差。
(4)设计出了新型的切挖刀，并对其结构参数进行了较深入的分析和研究。
(5)制作出2BMYW-2型切挖式玉米免耕播种机一台，在河北丰宁和学校农场进行了110多亩的免耕播种试验，结果表明：该机对播种带的玉米根茬清除率达92％以上，种床基本无玉米根茬，破茬能力强、清茬效果较好，动土量少，表土破土量约占20％～27％。开沟和播种质量能满足农艺要求。
Conservation tillage is an effective method to prevent soil from wind and water erosion in northern arid regions of China. However, one of the most important limitations to conservation tillage is qualified no-tillage planter. The opener of the no-tiilage planter often can't break up corn rootstalks and penetrate into the soil so as reducing the performance of the planter. In order to solve this problem a new method of dealing with corn rootstalk is put forward and a new model of no-tillage planter equipped with cutting corn rootstalk and residue mechanism has been developed. Systematical experiments about the performance of the mechanism and the theory of cutting corn rootstalk and residue have been conducted in this paper, and significant research achievements have been obtained. The research results include:
1 A new method of dealing with corn rootstalk is put forward and a new model of no-tillage planter equipped with cutting and digging corn rootstalk mechanism has been developed. The test results in the no-tillage fields with corn rootstalks shown that the sample machine has a good ability to cut and dig corn rootstalks only in the seed beds so that the new no tillage planter can create a good condition of seed bed and have lower power consume.
2 System experiment is conducted to investigate the mechanical properties of rootstalks and soil rootstalk composite. The experiment results include: 甌he maximum cutting force decreased exponentially with increasing cutting speed and the moisture contents of rootstalks. The maximum cutting forces are very different using four different curves of knives, namely convex, diagonal, concave and beeline. The cutting force using convex knife is the smallest among all the knives and decrease 7. 2% 22% and 29% respectively less than using other three knives at cutting speed of 500mm/min when the moisture contents of rootstalks was 48.2%. The cutting forces were tested at four different parts of rootstalk that were the middle part along a radius, the tip part along a radius, the middle part along axis and the stalk part along a radius, and the force at the middle along a radius is the largest and increase 32% 45% 111%, respectively more than at the other three parts. The force increase 37% to cut the rootstalks from
the areas one crop a year more than that from two crops a year. ㏕he resistant impact of rootstalks is from 30.2J to 60.4J. The resistant impact of rootstalks from the areas one crop a year increases 37% more than that from areas two crop a year; (3) The direct shear strength of soil rootstalk composite can be scribed by Coulomb equation. The coherence force C and the inner friction angle of composite increase 115%-205% and 11%~15% respectively more than that of no rootstalk soil.
3 The mechanism of dealing with corn rootstalks and eight kinds of blades for experiment in the soil bin have been developed in order to investigating the performance of dealing with rootstalks. The mathematic models of power consume and single blade resistant torque have been set up. The power consume increase exponentially with increasing rotor speed and forward velocity. The rototilling speed ratio obviously effects on breaking rootstalk properties. While A. is less than 6, the quantity of breaking rootstalk becomes worse with decreasing.
4 A new blade has been developed and its parameters have been studied in detail.
5 A new no-tillage planter 2BMYW-2 is made and more than 110mu fields in Herbei province are
planted using it. The production experiments shown that the rate of clearing rootstalks away from seed beds is more than 92% and disturbed soil is from 20% to 27% and the working performance of the sample machine is excellent.
(1)提出了新的切挖处理播种带玉米根茬的思想。根据此原理设计了玉米根茬处理装置，并开发出了新型免耕播种机。通过对新型免耕播种机的田间生产试验，证明了切挖处理播种带玉米根茬原理可行，所开发的机具结构新颖，具有创新性；该机不但能创造无根茬的良好种床条件，有利于种子生长发芽，而且不需大量粉碎根茬，因而扰土量少、整机消耗动力小、破茬入土能力强，有利于充分发挥保护性耕作的优势。
(2)首次研究测定了整株玉米根茬及根茬-土壤复合体的力学特性。试验结果表明，①根茬含水率愈高，剪切力愈小，根茬含水率与剪切力近似为二次曲线关系；刀片剪切速度愈快，剪切力愈小；凸曲线、斜线、凹曲线和直线四种不同的刀刃曲线对整株根茬剪切力依此由小到大，凸曲线和斜线剪切时有一定程度的滑切作用，所以剪切力相比较小，当根茬含水率为48.2％，剪切速度500mm／min时，与其他三种曲线相比凸曲线型刀刃的剪切力依次分别减少了7.2％、22％和29％；对根茬中部、梢部和根部的剪切力，在相同试验条件下，径向中部最大，比梢部，轴向根部和根部茎秆所需剪切力分别增加32％、45％和111％；当含水率为48.2％，刀片的剪切速度为500mm／min时，一年一熟玉米根茬比一年两熟的玉米根茬剪切力增大37％。②玉米根茬的抗冲击能量为30.2J～60.4J，在相同试验条件下，一年一熟玉米根茬的抗冲击能量比一年两熟玉米根茬的抗冲击能量增大14％～23％；根茬径向抗冲击的冲击能量比轴向大约23％。③土壤-根茬复合体其抗剪强度τ与剪切面上的法向压应力σ成正比，复合体土壤凝聚力C比无根土壤增加115％～205％；内摩擦角φ增加11％～15％。
(3)设计制作了用于室内土槽试验研究的根茬处理试验装置，并设计制作了8种不同结构的破茬刀，通过试验建立了各种破茬刀单刀切茬切土阻力矩数学模型以及根茬处理装置功耗模型；单刀切有根茬土壤比无根茬土壤阻力矩增大约14％；随着刀轴转速的增加刀轴所消耗的功率呈平方关系增加；切茬线速度与前进速度之比λ对破茬质量影响较大，随着速比增大，破茬质量明显提高，当速比小于6时，随着速比的减小，破茬效果明显变差。
(4)设计出了新型的切挖刀，并对其结构参数进行了较深入的分析和研究。
(5)制作出2BMYW-2型切挖式玉米免耕播种机一台，在河北丰宁和学校农场进行了110多亩的免耕播种试验，结果表明：该机对播种带的玉米根茬清除率达92％以上，种床基本无玉米根茬，破茬能力强、清茬效果较好，动土量少，表土破土量约占20％～27％。开沟和播种质量能满足农艺要求。
Conservation tillage is an effective method to prevent soil from wind and water erosion in northern arid regions of China. However, one of the most important limitations to conservation tillage is qualified no-tillage planter. The opener of the no-tiilage planter often can't break up corn rootstalks and penetrate into the soil so as reducing the performance of the planter. In order to solve this problem a new method of dealing with corn rootstalk is put forward and a new model of no-tillage planter equipped with cutting corn rootstalk and residue mechanism has been developed. Systematical experiments about the performance of the mechanism and the theory of cutting corn rootstalk and residue have been conducted in this paper, and significant research achievements have been obtained. The research results include:
1 A new method of dealing with corn rootstalk is put forward and a new model of no-tillage planter equipped with cutting and digging corn rootstalk mechanism has been developed. The test results in the no-tillage fields with corn rootstalks shown that the sample machine has a good ability to cut and dig corn rootstalks only in the seed beds so that the new no tillage planter can create a good condition of seed bed and have lower power consume.
2 System experiment is conducted to investigate the mechanical properties of rootstalks and soil rootstalk composite. The experiment results include: 甌he maximum cutting force decreased exponentially with increasing cutting speed and the moisture contents of rootstalks. The maximum cutting forces are very different using four different curves of knives, namely convex, diagonal, concave and beeline. The cutting force using convex knife is the smallest among all the knives and decrease 7. 2% 22% and 29% respectively less than using other three knives at cutting speed of 500mm/min when the moisture contents of rootstalks was 48.2%. The cutting forces were tested at four different parts of rootstalk that were the middle part along a radius, the tip part along a radius, the middle part along axis and the stalk part along a radius, and the force at the middle along a radius is the largest and increase 32% 45% 111%, respectively more than at the other three parts. The force increase 37% to cut the rootstalks from
the areas one crop a year more than that from two crops a year. ㏕he resistant impact of rootstalks is from 30.2J to 60.4J. The resistant impact of rootstalks from the areas one crop a year increases 37% more than that from areas two crop a year; (3) The direct shear strength of soil rootstalk composite can be scribed by Coulomb equation. The coherence force C and the inner friction angle of composite increase 115%-205% and 11%~15% respectively more than that of no rootstalk soil.
3 The mechanism of dealing with corn rootstalks and eight kinds of blades for experiment in the soil bin have been developed in order to investigating the performance of dealing with rootstalks. The mathematic models of power consume and single blade resistant torque have been set up. The power consume increase exponentially with increasing rotor speed and forward velocity. The rototilling speed ratio obviously effects on breaking rootstalk properties. While A. is less than 6, the quantity of breaking rootstalk becomes worse with decreasing.
4 A new blade has been developed and its parameters have been studied in detail.
5 A new no-tillage planter 2BMYW-2 is made and more than 110mu fields in Herbei province are
planted using it. The production experiments shown that the rate of clearing rootstalks away from seed beds is more than 92% and disturbed soil is from 20% to 27% and the working performance of the sample machine is excellent.
引文
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