2BMF J-3型麦茬在免耕覆秸大豆精密播种机的研究

摘要

我国黄淮海一年两熟地区，冬小麦产量高，收获后大量的秸秆、根茬残留田间，而且没有休闲腐解过程，给下茬作物的播种造成很大难度。由于缺少适合的免耕播种机具，“三夏”时节，为抢农时和降低生产成本，于是产生了秸秆焚烧问题。针对这一现状，本研究根据生产实际的迫切需求，设计一种新型的麦茬地免耕覆秸大豆精密播种机，并对其进行深入的理论分析和系统的试验研究，理想地解决了堵塞问题，提高了作业质量，降低了作业成本，为保护性耕作技术的推广和应用提供了有效的装备技术支撑，具有重要的现实意义。本文主要研究内容及结论如下:
　　 (1)清秸覆秸装置的设计:对清秸覆秸刀齿进行运动学分析，建立了刀齿端点的运动轨迹方程和速度方程;分析影响刀齿切茬节距的主要因素，建立了切茬节距与影响因素之间关系的数学模型，确定刀齿的主要结构参数;确定了刀齿合理的排列方式，完成了刀齿总成的结构设计和刀齿的总体布置方案;找出了满足刀齿总成切茬节距均匀性的条件，并建立了衡量清秸覆秸装置输送秸秆参数性能的数学方程;通过秸秆抛撤运动学分析，建立了秸秆运动轨迹方程。
　　 (2)清秸覆秸装置参数优化试验:采用四因素三水平正交试验设计方法，以机组作业速度、刀轴转速、刀齿排布、覆秸控制板角度为影响因素，以清秸覆秸装置的秸秆清除率、根茬清除率、覆秸均匀度、覆秸宽度为目标函数，寻求清秸覆秸装置的最优结构与作业参数组合及各因素对指标的影响规律。试验结果表明:最优结构与参数组合为机组作业速度3.6～4.5km/h，刀轴转速400r/min，刀齿排布4-3-4，覆秸控制板角度75°，此时秸秆清除率90.82％～92.36％，根茬清除率92.13‰～93.79％，覆秸均匀度14.88～15.13，覆秸宽度2.97～3.01m。
　　 四因素对秸秆清除率影响的主次关系为:刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度、覆秸控制板角度;对根茬清除率影响的主次关系为:刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度、覆秸控制板角度;对覆秸均匀度影响的主次关系为:覆秸控制板角度、刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度;对覆秸宽度影响的主次关系为:覆秸控制板角度、刀轴转速、刀齿排布、机组作业速度。
　　 (3)清秸覆秸装置关键部件有限元分析:采用模块化设计原理，应用SolidWorks软件建立了虚拟样机，并采用ANSYS Workbench软件分别对清秸覆秸刀齿和机架进行了静力学分析和模态分析，结果表明:刀齿最大应力为497MPa，小于刀齿材料的最大许用应力667MPa，能够满足强度要求;各激振源的振动频率与机架固有频率不发生重合，机架不会发生共振现象，设计的机架能够满足实际作业对刚度和强度的要求。
　　 (4)播种单元体及施肥装置设计:根据生产条件和农艺要求，设计了播种、施肥装置的关键部件;采用单因素对比试验方法，以作业速度为影响因素，以粒距合格指数、重播指数、漏播指数和变异系数为目标函数，对三种机械式大豆精密排种器进行选型试验。按照国标GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》测试要求，对排种性能进行评价。试验结果表明:在作业速度3～6 km·h-1、理论粒距8cm条件下，勺轮式排种器的排种性能优于垂直窝眼轮式与垂直圆盘勺式排种器，其合格指数87.8％～98.9％，重播指数0.5％～1.1％，漏播指数低于12％，变异系数小于16％。
　　 (5)田间作业功耗试验:采用三因素五水平正交旋转中心组合设计方法，以机组作业速度、刀轴转速、刀齿切茬深度为影响因素，以功耗、燃油消耗率、滑转率为目标函数，寻求整机技术经济性最佳的作业参数组合及各因素对指标的影响规律。试验结果表明:最佳作业参数组合为作业速度4.2～4.6km/h、刀轴转速370～420r/min、刀齿切茬深度20mm，此时机组功耗18～20kW，燃油消耗率低于0.46，滑转率小于15％，且本机技术经济性最佳的配套动力为20～22.22kW。三因素对功耗影响的主次关系为:刀轴转速、刀齿切茬深度、机组作业速度;对燃油消耗率影响的主次关系为:刀齿切茬深度、机组作业速度、刀轴转速;对滑转率影响的主次关系为:刀齿切茬深度、刀轴转速、机组作业速度。
　　 (6)田间性能试验:依据《免耕播种机选型试验大纲》和免耕播种机性能检测项目与检测方法对样机进行田间性能试验，并根据中华人民共和国机械行业标准JB/T51017-1999《中耕作物精密播种机产品质量分等》对作业质量进行评定。结果表明:在作业速度4.5km/h，理论粒距6cm和8cm，理论播深3～5cm条件下，粒距合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数均达到国家标准优等品要求水平，播深合格率达到国家标准一等品要求水平;当清秸覆秸刀齿切茬深度20～30mm时，机具只发生一次轻微堵塞，播后地表秸秆覆盖率达98％以上:无晾籽现象发生，田间出苗率高达90％以上。
　　 (7)生产考核:为检验样机在大面积作业条件下的播种质量、适应性及可靠性等指标，在河南许昌、北京顺义两地对其进行田间生产试验，结果表明:平均生产率为3.9mu/h，平均可靠性系数为0.955;与传统播种方式相比，平均单株粒数增加3粒，平均亩株数增加6668.5株，千粒重增加39.9g，平均实际亩产量增加141.15kg;节约成本35.5元/亩，产值增加564.6元/亩，净收益率高达88％以上。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 国内外保护性耕作技术研究现状

1．1．1 国外技术研究现状

1．1．2 国内技术研究现状

1．2 国内外免耕播种机研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究的目的与意义

1．4 研究的内容、方法与技术路线

1．4．1 课题来源

1．4．2 内容与方法

1．4．3 技术路线

1．5 预期成果

1．6 小结

2 2BMF J-3型麦茬地免耕覆秸大豆精密播种机总体方案设计

2．1 黄淮海主产区大豆生产条件分析

2．2 设计原则

2．3 总体方案及作业原理

2．4 小结

3 清秸覆秸装置设计

3．1 免耕播种机堵塞原因分析

3．2 清秸覆秸装置总体方案设计

3．2．1 设计原则

3．2．2 总体方案与作业原理

3．3 清秸覆秸装置关键部件设计

3．3．1 清秸覆秸刀齿设计

3．3．2 清秸覆秸刀齿总成设计

3．3．3 清秸覆秸刀齿总体布置

3．4 秸秆抛撒运动学分析

3．5 小结

4 清秸覆秸装置参数优化试验

4．1 试验条件

4．2 试验仪器及设备

4．3 试验方法

4．4 试验结果与分析

4．4．1 试验结果

4．4．2 数据处理与分析

4．5 参数优化分析

4．6 小结

5 清秸覆秸装置关键部件有限元分析

5．1 清秸覆秸刀齿静力学分析

5．1．1 建立刀齿有限元模型

5．1．2 定义材料属性

5．1．3 划分网格

5．1．4 添加约束与施加载荷

5．1．5 后处理与结果分析

5．2 机架模态分析

5．2．1 建立机架有限元模型

5．2．2 定义材料属性

5．2．3 划分网格

5．2．4 后处理与结果分析

5．3 小结

6 播种单元体及施肥装置设计

6．1 播种单元体总体方案设计

6．1．1 设计原则

6．1．2 设计方案

6．2 仿形机构设计

6．2．1 类型选择

6．2．2 结构与参数设计

6．3 排种器选型研究

6．3．1 要求及选型

6．3．2 排种器选型试验研究

6．4 开沟器设计

6．4．1 技术要求

6．4．2 类型选择

6．4．3 结构与参数设计

6．5 覆土镇压器的设计

6．5．1 技术要求与类型

6．5．2 结构设计与主要参数的确定

6．6 排肥器的技术要求及选型

6．7 小结

7 样机试制

7．1 整机结构与技术参数

7．1．1 整机结构

7．1．2 主要技术参数

7．2 样机试制

7．3 小结

8 田间作业功耗试验

8．1 试验条件

8．2 试验仪器及设备

8．2．1 测试原理

8．2．2 仪器及设备

8．3 试验方法

8．3．1 测试内容及方法

8．3．2 试验方案

8．4 试验结果与分析

8．4．1 试验结果

8．4．2 数据处理与分析

8．5 参数优化

8．6 小结

9 田间性能试验

9．1 试验条件

9．2 试验材料

9．3 试验仪器及设备

9．4 试验方法

9．4．1 播种均匀性

9．4．2 种肥深度

9．4．3 机具通过性

9．4．4 土壤扰动量

9．4．5 秸秆覆盖率

9．4．6 晾籽情况

9．4．7 田间出苗率

9．5 试验结果与分析

9．5．1 播种均匀性与种肥深度

9．5．2 机具通过性、土壤扰动量及秸秆覆盖率

9．5．3 晾籽情况及田间出苗率

9．6 小结

10 生产考核

10．1 试验目的

10．2 试验条件

10．3 田间生产试验测定结果

10．3．1 播种质量测定

10．3．2 生产率及可靠性测定

10．3．3 产量测定

10．4 经济效益分析

10．5 小结

11 结论、创新点及展望

11．1 结论

11．2 创新点

11．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文