田 阳，林 静，李宝筏，张桐嘉，齐 林，王佳琦



气力式1JH-2型秸秆深埋还田机设计与试验

田 阳，林 静※，李宝筏，张桐嘉，齐 林，王佳琦

（沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866）

针对东北黑土区合理耕层构建秸秆深埋还田的技术要求，实现虚实并存合理耕层结构，研制了气力式1JH-2型秸秆深埋还田机，能够一次完成破茬、秸秆捡拾粉碎、开沟碎土、行间深松、秸秆深埋、覆土镇压等功能。机具主要由传动系统、破茬装置、捡拾粉碎装置、气力输送装置、开沟装置、覆土装置、镇压装置等组成。其关键部件是气力输送装置，应用离散元气固耦合数值模拟法对秸秆在气力气力输送装置中不同转速下的运动过程进行了数值模拟研究，得到了秸秆和气流输送气固耦合的运动规律。正交试验结果表明，机具运行最优参数组合为开沟装置转速215 r/min，风机转速1 850 r/min，机具作业速度3.0 km/h。田间试验表明，在最优参数组合条件下，秸秆深埋率为94%，秸秆粉碎合格率为94.2%，碎土率为95.4%，满足了东北黑土区秸秆深埋还田技术指标要求，为秸秆深埋还田机的改制和评价提供参考。

农业机械；计算机仿真；设计；深埋还田；合理耕层；试验

0 引 言

目前东北黑土区农业生产中，长期以小型动力机具作业为主，深翻、深松等作业面积越来越少，导致耕层变浅、犁底层增厚、耕层有效土壤数量减少、土壤结构变差、贮水能力、抗逆性减弱，使土壤耕层存在“浅、实、少”的问题，严重限制了玉米产量的提高[1-4]。条带式秸秆深埋还田将秸秆深埋还田与虚实并存耕层结构相结合，通过将地表的秸秆深埋于行间和苗带局部镇压的方式来实现，使其具有改善耕层土壤结构，提高土壤有机质、氮、磷、钾等含量；打破犁底层，减少地表径流，提高自然降水的利用率，增强土壤水分保墒能力；改善植物性状、提高出苗率，提高玉米的抗倒伏性和逆境的适应性[5-8]。

条带式秸秆深埋还田是解决东北旱作农业区农田耕层“浅、实、少”问题的主要途径[9-16]，其工艺实现过程是：破茬、行间开沟、秸秆收集输送沟内、覆土镇压，实现将秸秆深埋于土壤25 cm以上。目前国内对于条带秸秆深埋还田机的研究还处于起步阶段机具，机具推广使用还不成熟、功能还有待完善，主要存在掩埋深度不够、掩埋合格率有待提高、结构复杂、功耗高、机具作业效率低等问题。国外关于秸秆深埋还田机的研究还未见报道。因此东北黑土区迫切需要能实现条带秸秆深埋还田作业的配套机具。

王川等[17]研制了一种秸秆深埋保护性耕作复合机具能将地表90%的秸秆深埋到地表10 cm以下。魏凤兰[18]研制的气吸式秸秆复合还田机将覆盖在地表的粉碎秸秆吸入风机内，经导料筒引至垄沟。郑智旗等[19]研制的秸秆捡拾粉碎掩埋复式还田机，能够将20%～50%秸秆掩埋于行间15 cm以下。林静等[20]研制的1JHL-2型秸秆深埋还田机，可以实现秸秆全量深埋还田，适用于东北平原中南部棕壤土区合理耕层构建的秸秆深埋还田的技术要求。但是其存在一些不足：变螺旋开沟装置加工工艺复杂，且耐磨性有待提高；开沟宽度为400 mm，当掩埋秸秆量较少时开沟宽度过大会造成较高的功耗；弹齿式秸秆输送装置，弹齿间有较大间隙，很难将拥入输送装置内的土壤颗粒排除，输送秸秆量较大时易发生堵塞。

本文结合公益性行业（农业）科研专项经费项目“旱地合理耕层构建技术指标研究”，结合东北黑土区耕层障碍性问题配套一种秸秆深埋还田机，以提高秸秆深埋率、精确控制秸秆掩埋深度、降低作业工功耗、提高机具作业的流畅性为出发点研制出一次作业可同时完成破茬、秸秆捡拾粉碎、气力输送、开沟碎土、行间深松、秸秆深埋、覆土镇压等功能，实现虚实并存合理耕层结构，为东北黑土区合理耕层构建配套新型机具。

1 整机的总体结构与工作机理

1.1 整机的总体结构

气力式1JH-2型秸秆深埋还田机，主要由机架、传动系统、破茬装置、捡拾粉碎装置、气力输送装置、开沟分土装置、覆土装置、镇压装置等部分组成，如图1所示。其关键部件是破茬装置、捡拾粉碎装置、气力输送装置、开沟分土装置、覆土装置和镇压装置。气力输送装置，布置在捡拾粉碎装置后方，由螺旋输送装置、风机、输送管道和卸料管道等组成；在螺旋输送装置和卸料管道下方设计安装了开沟分土装置；在卸料管道后方依次设计安装了由左右覆土铲组成的覆土装置、镇压装置等，完成秸秆捡拾粉碎、开沟、秸秆深埋、覆土镇压等功能。

1. 机架 2. 前传动箱 3. 悬挂装置 4. 破茬装置 5. 捡拾粉碎装置 6. 气力输送装置 7. 后传动箱 8. 开沟分土装置 9. 覆土装置 10. 镇压装置

机具采用三点悬挂方式，拖拉机动力输出轴与机具的前传动箱相联，前传动箱分别联结带传动总成和后传动箱，后传动箱联接链传动总成。带传动总成驱动捡拾粉碎装置、气力输送装置链传动总成驱动开沟装置工作。

1.2 工作机理

机具工作条件是玉米收获后将长度在5～25 cm的碎秸秆洒在地表，同时地表留有10～30 cm高的残茬。破茬装置将玉米根茬粉碎后，捡拾粉碎装置通过高速旋转将地表的留茬和秸秆粉碎并抛送至气力输送装置。捡拾粉碎装置工作后清理地表，使开沟分土装置在无秸秆的地表工作。开沟分土装置在行间开出深埋沟后将土壤分流到深埋沟两侧。随后气力输送装置将秸秆送入深埋沟内。覆土装置将土回填后，由镇压装置将深埋沟内的碎秸秆和回填土压实。整机主要技术参数要求如表1所示。

表1 气力式1JH-2型秸秆深埋还田机技术参数

2 关键部件设计

2.1 捡拾粉碎装置的设计

捡拾粉碎装置由定刀片、粉碎罩壳、动刀片和动刀轴组成，其结构如图2所示。定刀设置在粉碎罩壳内侧。

1. 定刀片 2. 粉碎装置罩壳 3. 动刀片 4. 动刀轴

2.1.1 动刀辊的结构设计

为提高秸秆粉碎质量采用动刀、定刀支撑切割的方式。粉碎刀选用作用面积、剪切力较大的Y型甩刀，其具有较好的捡拾粉碎性能[20]。动刀采用双螺旋对称排列方式，每次只有2把甩刀同时作业，负荷均匀，离心力小。动刀辊的排列数量计算公式为

式中N为甩刀数量；B为机具作业幅宽，cm；C为粉碎刀密度，对于Y型甩刀一般采取0.23～0.40。将B=130 cm，C=0.3 代入式（1）得N=39，实际装配40 片刀。

2.1.2 动刀辊转速和回转半径

动刀辊转速和回转半径是秸秆深埋还田机设计的主要参数，其大小会影响秸秆捡拾粉碎质量和秸秆深埋率。动刀辊的转速计算公式

式中n为动刀轴转速，r/min；v为动刀刀端线速度，m/s；v为机具前进速度，m/s；r为动刀最大回转半径，m；h为动刀距地面距离，m。

机具前进速度取0.833 m/s；若动刀工作时紧贴地表，则会打土使其产生反冲击力，导致刀具磨损和断裂，缩短刀具的使用寿命。同时刀具入土会将地表上的土粒和秸秆一同抛入风机，风机很难将土粒排出，长时间工作会导致风机堵死而无法正常工作。取动刀距离地表3 cm。考虑整机结构设计配置关系，及参考目前国内外秸秆捡拾粉碎装置动刀回转半径在0.24～0.35 m范围，选取动刀回转半径r为0.26 m。有一定刚度茎秆无支撑粉碎时动刀刀端线速度大于48 m/s才能达到良好的粉碎效果。将设计参数带入式（2）计算得动刀辊转速n为2 000 r/min。

2.2 开沟分土装置的设计

2.2.1 开沟分土装置的结构

根据合理耕层构建技术要求，秸秆深埋还田机要具有行间深松作业效果，其开沟深度应大于25 cm，选择开沟深度为27 cm。根据田间测试，当秸秆覆盖量为1.2、1.4和1.6 kg/m2，工作幅宽为1.3 m，深埋沟深度为27 cm，宽度为310、355、400 mm时掩埋秸秆深度能够达到200 mm。秸秆深埋沟模型如图3所示。1为秸秆填入深埋沟内的厚度，为12 cm；2为回填土层的厚度，为15 cm；3为覆盖在深埋沟表面的土层厚度，为5 cm；开沟深度为1与2之和，为27 cm。

注：h1为秸秆层厚度，cm；h2为回填土厚度，cm；h3为覆土层厚度，cm；L为深埋沟宽度，cm。

开沟分土装置结构如图4所示，主要由开沟主轴、开沟刀盘、C型开沟刀、分土主板、分土上板和分土侧板组成。其中分土板由分土主板、分土上板、分土侧板组成。2个刀盘可沿轴向移动，调节开沟装置开沟宽度，开沟宽度为300～400 mm使其符合条带秸秆深埋的开沟宽度。其工作时，C型开沟刀逆旋将土壤颗粒向前上方抛出，土壤颗粒撞到分土主板后向两侧运动，撞到分土侧板后落到深埋沟的两侧。

1. 开沟主轴 2. C型开沟刀 3. 分土主板 4. 分土上板 5. 开沟刀盘6. 分土侧板

2.2.2 开沟分土装置主要参数的确定

开沟分土装置工作时，反转开沟土垡向前上方抛，后续刀片具有清沟铲功能所以选择反转开沟。C型开沟刀是一种反转式作业刀具，刀身较宽，厚度大，工作幅宽可达120 mm，且开沟宽度相同时扭矩小于旋耕刀。所以采用C型开沟刀。根据合理耕层构建的技术要求，开沟深度H为270 mm开沟装置的动力由链轮传动，链轮半径为75 mm，同时最低点距离地面10 mm，所以刀盘半径为355 mm。研究表明开沟装置正常工作时其线速度应大于惯性卸载的临界圆周速度，>临，临=5 m/s[21]。开沟装置的圆周线速度高于8.5～9 m/s时，其受力随着圆周线速度增加而急剧增加。根据刀盘线速度v应该在5～9 m/s，选取刀盘的圆周线速度v为8 m/s。刀盘的转速为

式中n为刀盘转速，r/min。其中v=8 m/s，r=355 代入式（3），n为215.2 r/min。

切土节距和刀片数量的关系式为

式中Z为同一旋转切削面刀片数；S为切土节距，m。

在不同类型的土质下切土节距范围在0.5～6 cm，本机具根据设计要求选用5 cm，机组前进速度v为3 km/h，刀盘转速=215.2 r/min 代入式（4）得Z=4.6，取整Z=5，C型开沟刀在刀盘左右对称均匀分布。每个刀盘共5组C型开沟刀，共10组C型开沟刀。

反转方式开沟时，土壤颗粒会向前上方抛出，为了使土壤颗粒落到深埋沟两侧，便于土壤回填需要安装分土板。开沟装置的半径为355 mm，为了防止分土板与开沟装置干涉，且为抛土留出空间，分土板内圆与开沟装置的外径距离为25 mm，因此内圆半径为380 mm，为了节省空间，使机具结构更加紧凑，分土板的外圆半径设计为500 mm；分土主板夹角为120º，使向上运动的土壤颗粒接触到分土上板后，向两侧飞去，撞到分土侧板后落到深埋沟两侧；分土侧板间距为700 mm，土壤颗粒在距离沟壁约200 mm的距离落下，使其不会直接落回深埋沟内，同时便于覆土。

2.2.3 开沟装置的仿真分析

应用离散元软件EDEM进行开沟分土作业的的虚拟试验，分析开沟分土装置的转速和结构能否开出符合要求的深埋沟。将建好的仿真模型导入到EDEM中，其中土槽尺寸为1 m´0.6 m´0.4 m。为使分析更加精确，只分析其稳定工作时的工作指标，建立的2种土壤颗粒模型在土槽中央部分0.2 m´0.4 m´0.27 m的区域用土壤颗粒1填充为分析对象，其余部分用土壤颗粒2填充，如图5所示。开沟刀选用C型开沟刀，机具的前进速度为3 km/h、刀盘转速为215.2 r/min、开沟深度为270 mm、开沟宽度为400 mm。

图5 开沟分土装置仿真模型

根据EDEM软件模拟土壤颗粒的特点和秸秆深埋还田机的工作要求，选取深埋沟的结构、土壤颗粒分布作为虚拟试验的分析对象。

深埋沟结构如图6所示，利用EDEM软件的网格划分功能（Grid Bin Group模块）对土槽区域进行网格划分，中间线框坐标为（–200，200）、（50，320），开出的沟形为矩形沟，宽度为400 mm，深度为270 mm，沟底、沟壁平整。

图6 深埋开沟结构模型

开沟后颗粒1的分布如表2所示。开沟宽度为400 mm,所以区域（–200，–60）、（–60，60）、（60，200）为深埋沟区域，共有1 324 个土壤颗粒占全部土壤颗粒的6%，是抛出的土壤颗粒堆积在深埋沟两侧后重新滑落到深埋沟内的。土壤颗粒多集中在（–540，–420）至（–300，–200）和（540，420）至（300，200）6个区域内，即土壤颗粒经过分土板的分流后多落在距沟壁340 mm处。结果表明：开沟装置能够开出符合要求的矩形深埋沟；土壤颗粒经过分土板的分流后会落在掩沟两侧较近的距离，便于后续的覆土镇压。

表2 开沟后土壤颗粒分布

2.3 气力输送装置的设计

2.3.1 气力输送装置的结构

气力输送装置的结构如图7所示，主要由风机叶片、风机壳、输送管道、卸料管道、螺旋输送装置等组成。其工作时捡拾粉碎装置将秸秆粉碎后抛送至螺旋输送装置，螺旋输送装置将碎秸秆推送至风机，秸秆在风机叶片高速旋转下被抛送至输送管道，秸秆在一定的初速度下受气流作用经过输送管道和卸料管道，将秸秆由机具行进方向左侧的风机内送入开沟装置后方的深埋沟内。

2.3.2 气力输送装置参数的计算

气力输送装置生产率Q1的计算公式为

式中q为秸秆产量，kg/hm2。取B工作幅宽为1.3 m，当最大秸秆量为16 000 kg/hm2、机具行进速度为3 km/h即0.83 m/s时，计算的理论的生产率为6.1 t/h。

1. 风机叶片 2. 风机壳 3. 输送管道 4. 卸料管道 5. 螺旋输送装置

1. Fan blade 2.Fan case 3.Conveying pipe 4. Discharging pipe 5.Screw conveyer

图7 气力输送装置结构示意图

Fig.7 Structure diagram of pneumatic conveying device

螺旋输送装置的生产率计算公式为

式中D为螺旋外径，m；为螺距，m；n为螺旋每分钟转速，r/min；为螺旋外径与输送管内表面的间隙，m；为螺旋轴直径，m；为倾斜输送系数；为被输送物料的单位容积质量，t/m3；K为充满系数。由于螺旋输送物料为长度小于100 mm的碎秸秆。参考《农业机械手册》[22]，选螺旋外径D为250 mm 螺距为200 mm取螺旋轴直径为120 mm，螺旋外径与输送管内表面的间隙为5 mm，螺旋厚度为3 mm，充满系数K为0.4，螺旋生产率为Q为6.1 t/h，螺旋转速n>767 r/min时其推进量可达到6.1 t/h。

机具工作时玉米秸秆通过风机内部，为防止堵塞选为3叶片径向圆周均匀分布。风机输送碎秸秆时管内直径为200～300 mm，输送秸秆的混合浓度比较小，选择横截面为200 mm´200 mm方形管道。在输送管道中，气流输送秸秆是借助空气动力作用，秸秆受到空气动力的大小与空气含秸秆的相对速度有关。捡拾粉碎装置将秸秆粉碎后，秸秆长度小于10 cm，应用农业物料悬浮速度试验台测试玉米秸秆悬浮速为11.9 m/s。

为了保证输送秸秆在输送管道中的流畅输送，气流速度应该略大于秸秆的悬浮速度。即

式中v为输送气流速度，m/s；k为输送气流系数在1.1～2.5范围变化，与输送物的浓度有关；悬为输送物料的悬浮速度，m/s。当输送物料为秸秆且混合浓度比m在1.0～2.0时选取k值为2.2。秸秆的悬浮速度为11.9 m/s，则输送气流速度v为26.2 m/s。混合浓度比计算公式为

式中d为输送管道边长，m；ρ为空气密度，kg/m3。根据气力式1JH-2型秸秆深埋还田机的设计要求其生产率Q1为6.1 t/h，即6 100 kg /h，输送管道边长d为0.2 m，空气密度ρ为1.25 kg/m3，则混合浓度比m为1.29，符合原条件。

气力输送装置的全压由静压ΔP和动压ΔP组成，其中静压主要由管道沿程压力损失ΔP弯头压力损失ΔP局部压力损失ΔP、提升压力损失ΔP、加速压力损失ΔP等组成。沿程压力损失计算公式为

式中λ为沿程压力损失系数；L为管道长度，m；D为管道当量直径，m；

管道采用薄铁皮制成λ为0.045，管道长度L为2.8 m,管道当量直径 D为0.225 m,则管道沿程压力损失DP为230.5 Pa。弯头压力损失计算公式为

式中λ为弯头压力损失系数。共有2个弯头，λ为0.724，则弯头压力损失为317.9 Pa。局部圧力损失DP比较小可以忽略不计。提升压力损失计算公式为

式中λ为提升压力损失系数；h为提升高度，m。λ为14.4，提升高度为1.8 m，则提升压力损失为23.2 Pa。

加速压力损失计算公式为

式中λ为加速压力损失系数，λ为0.41，则加速压力损失为226.9 Pa。动压计算公式为

计算得动压ΔP为429 Pa，则全压为1 227.5 Pa。考虑其他损失，将全压加大10%左右，取1 350 Pa。风机转速n和叶轮直径间的关系为

式中D为叶轮直径，m；φ为风机系数。

在满足气力输送装置生产率的前提下，理论上叶轮直径越大，所需要的转速越小。结合机具作业时风机壳体须有一定离地间隙的要求，设计叶轮直径为0.56 m，农用风机φ一般取0.3则风机转速n为2 073.2 r/min，实际转速略大则风机转速为2 150 r/min。

物料通过风机叶轮时叶轮内径计算公式为

式中D为叶轮内径，m。取值为0.28 m。叶轮与风机外壳的间距为18 mm，则叶轮宽为0.164 m。

2.3.3 气力输送装置的离散元气固耦合数值模拟

由于叶轮和输送管路之间的动静干涉以及气流与秸秆之间的相互影响，气力输送装置工作时其内部秸秆与气流的流动运动非常复杂，对其进行试验观察或经验公式计算比较困难，因此本文采用离散元气固耦合数值模拟方法（DEM-CFD）对气力输送装置进行数值模拟为气力输送装置的设计提供技术依据。

气固耦合数值模拟计算模型与杆状颗粒的离散元模型[23]如式（16）、（17）所示。

杆状颗粒和气象耦合作用的流体相控制方程[24-25]

式中为流体的密度，kg/m³；为流体的速度，m/s；1为流体的压力，Pa； f,i为流体和颗粒间的作用力，N；Ñ为流体计算单元的体积，m³；k为计算单元内颗粒的数量；为夜体的黏性应力张力，N；为局部空隙率[26]；V为颗粒体积，m³。

流体-颗粒作用力[27-29]

式中drag,i为杆状颗粒的曳力，N；A为杆状颗粒等效体积球的截面，m2；C为杆状颗粒阻力系数；为关于雷诺的系数；Re为颗粒雷诺数；d为杆状颗粒的等效体积球的直径，m；μ为流体的黏度，Pa·s；为等效体积球与实际颗粒的表面积的比值；⊥为等效体积球的截面积与实际颗粒在垂直来流方向的投影面积的比值。

EDEM采用表面网格来描述边界表面，从而实现与CFD流体网格边界表面元素的点对点耦合。首先使用三维建模软件Pro/E建立气力输送装置的实体模型，然后将Pro/E所生产的实体模型，导入到CFD的前处理软件ICEM中，对其进行网格划分后分别导入到fluent和EDEM中。在EDEM中采用多球面聚合法建立单个秸秆颗粒模型，由14个直径为11.2 mm的圆球相互重叠构造而成，由于捡拾粉碎装置作业后秸秆长度小于10 cm，所以秸秆的离散元模型长度为10 cm，密度为266.8 kg/m3，如图8所示。

图8 EDEM秸秆颗粒模型

风机抛送秸秆的条件的是叶轮端部线速度达到30～45 m/s即

式中N为叶轮实现抛送条件的最小转速，r/min；v为叶轮线速度，m/s；取叶轮线速度v为45 m/s，叶片直径D为0.56 m，则N为1 523.8 r/min，只有当N超过1 523.8 r/min才能实现秸秆的抛送，所以选取叶轮的转速为1 550、1 850、2 150 r/min进行仿真分析。由式（5）得整机生产率Q为6.1 t/h，即在EDEM中颗粒工厂每秒生成1.7 kg的秸秆。机具工作时由螺旋输送装置将秸秆输送至风机，则秸秆的初速度由螺旋的结构及转速确定[30]。

式中为秸秆与叶片间的摩擦系数；为螺旋半径，mm。取螺距为200 mm，螺旋转速n分别为1 550、1 850、 2 150 r/min，秸秆与叶片间的摩擦系数为0.12，螺旋半径为125 mm。计算得秸秆初速度v0分别4.35、4.92、5.43 m/s。气流入口边界条件设为速度入口，与秸秆的初速度相同，出口为1标准大气压。

流场在0.4 s后处于稳定状态，所以只分析0.4 s后的运动状态。图9为气力输送装置仿真模型，工作过程中秸秆在风机壳出口处、第一个拐点、第二个拐点、和卸料管道出口处速度变化较大，所以设置传感器监测以上4个区域在0.4～1.2 s时秸秆与气流速度。风机转速为1 550、1 850 、2 150 r/min，时间为0.4～1.2 s时4个点的秸秆与气流速度见表3。卸料管道将秸秆排出后直接送入深埋沟内，而当风机转速为2 150 r/min时气流出口速度最大为32 m/s，秸秆速度为8.43 m/s，气流出口速度过大会导致卸料口将秸秆吹出深埋沟外。风机转速为1 550 r/min时，在第二拐点处的速度为3.78 m/s，当输送量增大或秸秆湿度大时，会产生堵塞的情况，综上所述，风机转速为1 850 r/min时秸秆和气流的运动速度较为合适。

1. 风机壳出口 2. 第一拐点 3. 第二拐点 4. 卸料管道出口

表3 不同风机转速下气力输送装置中秸秆和气流速度

3 田间试验

3.1 试验条件及设备

田间试验在2017年10月21日沈阳市辽中区朱家房镇白沟村进行。秋季玉米留茬地，留茬高度平均为12 cm，玉米播种行距60 cm，平均株距32 cm。土壤为东北黑土，含水率均值19.43%，5 cm深处土壤的平均含水率为16.4%，土壤坚实度为1 341 kPa；10 cm深处土层土壤平均含水率为18.4%，土壤坚实度为1 322 kPa；20 cm深处土壤平均含水率为20.42%，土壤坚实度为1 367 kPa；25 cm深土壤平均含水率为22.5%，土壤坚实度为1 512 kPa；通过实地测量，土壤的内摩擦角为35.62°。田间秸秆覆盖量为1.6 kg/m2。调试开沟分土装置使其开沟宽度为400 mm、开沟深度为270 mm。

选用东方红LX1 000型拖拉机（100 kW）SM-2型高精度土壤水分测量仪（澳作生态仪器有限公司），测量范围 0.05～0.6 m3/m3，精度在0～40 ℃时为0.05 m3/m3；SC900 型土壤紧实度测量仪（澳作生态仪器有限公司），量程0～45 cm、0～7 000 kPa，最大加载95 kg，分辨率2.5 cm、35 kPa，质量1.25 kg；皮尺、卷尺、直尺等。

刀盘线速度v低于5 m/s时开沟刀无法将土壤颗粒抛出深埋沟，刀盘线速度高于9 m/s会加大扭矩，增加功耗。选择刀盘线速范围在6.5～8 m/s，即转速范围在175～215 r/min。气力输送装置转速过低会导致风机堵塞，转速过高卸料口的的气力流会将秸秆吹出深埋沟，根据前文分析风机的转速范围在1 550～2 150 r/min。机具的作业速度越低其深埋效果越好但生产率越低，为了保证机具的生产率选择机具作业速度范围在3～5 km/h。试验因素取值如表4所示。

表4 因素水平

作业区域为30 m´1.8 m，将作业区域内的碎秸秆清理收集后，按试验所需的秸秆量将秸秆均匀铺撒在作业区域内，每组试验重复3次，取平均值。将作业区域分为5个区，每个区域内随机选取5个点，以这5个点为中心画出180 cm´60 cm的矩形区域采集所需的试验数据。图10为田间试验现场，表4为试验因素水平表。

图10 田间试验

3.2 试验指标

该机具研制的主要目的是，将秸秆深埋，秸秆的深埋率是该机具试验最重要的指标，深埋率越大越好。

式中为秸秆深埋率，%；1为深埋深度大于20 cm的秸秆质量，kg；2为测试区域秸秆质量，kg。

3.3 试验结果分析

试验方案和结果如表5所示，试验结果数据方差分析如表6所示。根据表6可知3个因素对深埋率均为显著影响。通过表5可知误差项极差远低于其他因素极差，说明因素间的交互作用对试验指标影响不明显，可以不考虑，深埋率的影响因素主次顺序为，深埋率最大组合为123即最优组合，机具前进速度为3 km/h，风机转速为1 850 r/min，开沟装置的转速为215 r/min。

3.4 最优组合试验验证

在最优组合参数条件下对试验样机进行作业性能试验，测试其开沟质量，秸秆粉碎合格率和深埋质量，每组试验重复3次，取平均值。试验条件同3.1节。

试验性能指标为开沟深度、碎土率、秸秆深埋率和秸秆粉碎合格率。碎土率为作业后边长小于4 cm土块质量与总质量的比，计算公式为

式中3为作业后边长大于4 cm的土块质量，kg；4为作业后土块总质量，kg。

表5 试验方案和结果

表6 正交试验方差分析

秸秆深埋率测量方法同本节3.2。秸秆粉碎合格率(%)为

式中5为测试区域长度大于10 cm的秸秆量，kg；6为性能测试区域秸秆质量，kg。

经过试验，得到开沟深度为275.1 mm、碎土率为95.4%，起到了深松作业的效果。秸秆粉碎合格率为94.2%，秸秆的深埋率值为94%，满足秸秆深埋还田与合理耕层构建的技术要求。

4 结 论

1）根据东北黑区秸秆深埋还田的技术要求，研制了气力式1JH-2型秸秆深埋还田机，一次作业可实现破茬、秸秆捡拾粉碎、开沟碎土、行间深松、秸秆深埋、覆土镇压等功能。通过秸秆深埋还田改制农田土壤剖面的不良性状，提高土壤有机质含量，同时达到秸秆有效处理。

2）在捡拾粉碎装置的转速为2 000 r/min、开沟宽度为400 mm、秸秆覆盖量为1.6 kg/m2时，经正交试验得机具运行的最优参数组合为：开沟装置的转速215 r/min；风机转速为1 850 r/min；机具作业速度为3.0 km/h。

3）田间试验表明，在最优参数组合条件下，开沟深度为275.1 mm、碎土率为95.4%，起到了深松作业的效果。秸秆粉碎合格率为94.2%，秸秆深埋率为94%，满足秸秆深埋还田与合理耕层构建的技术要求。

[1] 张久明，迟凤琴，宿庆瑞，等. 不同耕作方式对瘠薄型黑土区土壤结构的影响[J]. 玉米科学，2013，21(5)：104－108. Zhang Jiuming, Chi Fengqin, Su Qinrui, et al.Influence of different tillage modes on the structure of dystrophic[J] Journal of Maize Sciences, 2013, 21(5): 104－108. (in Chinese with English abstract)

[2] 王立春，马虹，郑金玉. 东北春玉米耕地合理耕层构造研究[J]. 玉米科学，2008，16(4)：13－17. Wang Lichun, Ma Hong, Zheng Jinyu. Research on rational plough layer construction of spring maize soil in northeast China[J]. Journal of Maize Sciences 2008, 16(4): 13－17. (in Chinese with English abstract)

[3] 郭金瑞，宋振伟，彭宪现，等. 东北黑土区长期不同种植模式下土壤碳氮特征评价[J]. 农业工程学报，2015，31(6)：178－185. Guo Jinrui, Song Zhenwei, Peng Xianxian, et al. Evaluation in soil carbon and nitrogen characteristics under long-term cropping regimes in black soil region of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 178－185. (in Chinese with English abstract)

[4] 白伟，孙占祥，郑家明，等. 耕层构造对春玉米产量形成及生长发育特征的影响[J]. 华北农学报，2015，30(5)： 205－213.

Bai Wei, Sun Zhanxiang，Zheng Jiaming, et al. Effect of plough layer constructions on maize growth and yield in western liaoning province[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2015, 30(5): 205－213. (in Chinese with English abstract)

[5] 聂影. 土壤耕层构建技术及其机具研究[J]. 农业科技与装备，2013，230(8)：34－35.Nie Ying. Research on technology and equipment used in topsoil construction[J]. Agricultural Science and Technologyand Equipment, 2013, 230(8): 34－35. (in Chinese with English abstract)

[6] 白伟，孙占祥，郑家明，等. 虚实并存耕层提高春玉米产量和水分利用效率[J]. 农业工程学报，2014，30(21)： 81－90. Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zheng Jiaming, et al. Furrow loose and ridge compaction plough layer improves spring maize yield and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 81－90. (in Chinese with English abstract)

[7] 宫亮，邢月华，刘艳，等. 棕壤土合理耕层标准调查研究[J]. 玉米科学，2016，24(5)：94－99，104. Gong Liang, Xing Yuehua, Liu Yan, et al. Investigation on dtandards of the rational plough layer of brownsoil[J]. Journal of Maize Sciences, 2016, 24(5): 94－99, 104. (in Chinese with English abstract)

[8] 赵伟，陈雅君，王宏燕，等. 不同秸秆还田方式对黑土土壤氮素和物理性状的影响[J]. 玉米科学，2012，20(6)：98－102.Zhao Wei, Chen Yajun, Wang Hongyan, et al. Impact of different straw return systems on nitrogen and physical characters in black soil[J]. Journal of Maize Sciences, 2012, 20(6): 98－102. (in Chinese with English abstract)

[9] 李新华，郭洪海，朱振林，等. 不同秸秆还田模式对土壤有机碳及其活性组分的影响[J]. 农业工程学报，2016，32(9)：130－135. Li Xinhua, Guo Honghai, Zhu Zhenlin, et al. Effects of different straw return modes on contents of soil organic carbon and fractions of soil active carbon[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 130－135. (in Chinese with English abstract)

[10] 解文艳，樊贵盛，周怀平，等. 秸秆还田方式对旱地玉米产量和水分利用效率的影响[J]. 农业机械学报，2011，42(11)：60－67. Xie Wenyan, Fan Guisheng, Zhou Huaiping, et al. Effect of straw-incorporation on corn yield and water use efficiency in arid farming areas[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(11): 60－67. (in Chinese with English abstract)

[11] 路怡青，朱安宁，张佳宝，等. 免耕和秸秆还田对土壤酶活性和微生物群落的影响[J]. 土壤通报，2014，45(1)：85－90. Lu Yiqing, Zhu Anning, Zhang Jiabao, et al. Effects of no-tillage and returning straw to soil on soil enzymatic activites and microbial population[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2014, 45(1): 85－90. (in Chinese with English abstract)

[12] 慕平，张恩和，王汉宁，等. 连续多年秸秆还田对玉米耕层土壤理化性状及微生物量的影响[J]. 水土保持学报，2011，25(5)：81－85.

Mu Ping, Zhang Enhe, Wang Hanning, et al. Effects of continuous returning straw to maize tilth soil on chemical character and microbial biomass[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(5): 81－85. (in Chinese with English abstract)

[13] 萨如拉，高聚林，于晓芳，等. 玉米秸秆深翻还田对土壤有益微生物和土壤酶活性的影响[J]. 干旱区资源与环境，2014，28(7)：138－143. Sa Rula, Gao Julin, Yu Xiaofang, et al. Effect of straw-deep incorporation on soil beneficial microorganism and soil enzyme activities[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2014, 28(7): 138－143. (in Chinese with English abstract)

[14] 韩晓增，邹文秀，陆欣春，等. 构建肥沃耕层对沙性土壤水分物理性质及玉米产量的影响[J]. 土壤与作物，2017，6(2)：81－88. Han Xiaozeng, Zou Wenxiu, Lu Xinchun, et al. Effects of constructed fertile layer on sandy soil physical properties and maize yield[J]. Soil and Crop, 2017, 6(2): 81－88. (in Chinese with English abstract)

[15] 孙波，陆雅海，张旭东，等. 耕地地力对化肥养分利用的影响机制及其调控的研究进展[J]. 土壤，2017，49(2)： 209－216. Sun Bo, Lu Yahai, Zhang Xudong, et al. Research progress on impact mechanisms of cultivated land fertility on nutrient use of chemical fertilizers and their regulation[J]. Soils, 2017, 49(2): 209－216. (in Chinese with English abstract)

[16] 韩晓增，邹文秀，王凤仙，等. 黑土肥沃耕层构建效应[J]. 应用生态学报，2009，20(12)：2996－3002. Hang Xiaozeng, Zou Wenxiu, Wang Fengxian, et al. Construction effect of fertile cultivated layer in black soil[J]. The journal of Applied Ecology[J]. 2009, 20(12): 2996－3002. (in Chinese with English abstract)

[17] 王川，邵陆寿，施六林，等. 秸秆深埋保护性耕作复合机具设计[J]. 中国农机化学报，2014，35(1)：117－120. Wang Chuan, Shao Lushou, Shi Liulin, et al. Design of compound equipment with the deep straw and conservation tillage[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(1): 117－120. ( in Chinese with English abstract)

[18] 魏凤兰. 气吸式秸秆复合还田机：02007836[P]. 2011-04-13.

[19] 郑智旗，何进，王庆杰，等. 秸秆捡拾粉碎掩埋复式还田机设计与试验[J]. 农业机械学报，2017，48(7)：87－96. Zheng Zhiqi, He Jin, Wang Qingjie, et al. Design and experiment on straw pickup-chopping and ditch-burying integrated machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 87－96. (in Chinese with English abstract)

[20] 林静，马铁，李宝筏. 1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：32－40.

Lin Jing, Ma Tie, Li Baofa. Design and test of 1JHL-2 type straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 32－40. (in Chinese with English abstract)

[21] 吴建东. 1KS—100型双圆盘开沟机的设计研究和试验[J].渔业现代化，1993，20(3)：9－12.

[22] 中国农业机械化研究院. 农业机械设计手册[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[23] Ucgul M, John M F, Chris S. Three dimensional discrete element modeling of tillage: determination of a suitable contact mode and parameters for a cohesionless soil[J]. Biosystems Engineering,

2014, 121: 105－117.

[24] Ucgul M, John M F, Chris S. Three dimensional discrete element

modeling (DEM) of tillage: Accounting for soil cohesion and adhesion[J]. Biosystem Engineering, 2015,129: 298－306.

[25] Lenaerts B, Aertsen T, Tijskens E, et al. Simulation of grain-straw separation by discrete element modeling with bendable straw particles[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014, 101: 24－33.

[26] Korneí T，Istva’n J J, Abdul M M. Modelling soil-sweep interaction with discrete element method[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 134: 223－231.

[27] Feng Y Q, Yu A B. Assessment of model formulations in the discrete particle simulation of gas-solid flow[J]. Industrial and Engineering Chemistry , 2004, 43(26): 8378－8390.

[28] Xu B H, Yu A B, Chew S J, et al. Numerical simulation of the gas-solid flow in a bed with lateral gas blasting[J]. Powder Technology, 2000, 109(1－3): 13－26.

[29] Felice R D . The voidage function for fluid－particle interaction systems[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1994, 20 (1): 153－159.

[30] 向冬枝，徐余伟. 螺旋输送机设计参数的选择和确定[J]. 水泥技术，2010(1)：29－33.

Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine

Tian Yang, Lin Jing※, Li Baofa, Zhang Tongjia, Qi Lin, Wang Jiaqi

(110866,)

In Northeast black soil region, people always use small power equipment as their main mode in agricultural production at present, and deep tillage and subsoiling operation area is less and less, leading to the problems of shallow soil, plough layer thickened, reducing the number of effective soil layers, soil structure becoming poor, water storage capacity and adversity resistance weakened. It seriously restricts the increase of corn yield. Constructing reasonable plowing mode is the main way to solve the problem of “shallow, compact and less” cropland in the dry farming area of Northeast China. Therefore, it is an effective way to prevent soil degradation and increase grain yield by changing tillage measures to construct reasonable plough layer. The deep straw returning to the field and the “straw belt tight intercropping and loosening” plowing mode are used to achieve the soil improvement by embedding the straw on the surface between the rows and the seedling zone. It also has the advantages of deep burial of straw and the pattern of inter-row subsoiling in the plough layer, which is an important mode for the construction of soil fertile plough layer. The pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine is mainly composed of rack, drive system, stubble breaking device, pickup pulverizing device, conveying device, ditching device, soil covering device, repressing device, and so on. Pneumatic conveying device is arranged at the rear of pickup pulverizing device, and it is mainly composed of auger, blower, pipeline and discharging pipe. A ditching device is installed under the dragline and the discharge pipe. The soil covering device which is composed of 2 cladding plates and the repressing device are installed at the rear of the unloading pipeline. It can finish straw pickup, ditching, deep straw burial, soil covering, and so on. The pickup pulverizing device pulverized the stubble and crushed straw on the surface by high velocity rotation and threw it into the conveying device to realize the crushing and collection. The working processes can be carried out in one operation, such as breaking stubble, picking up straw to smash, opening trenches and crushing soil, deep loosening between rows, deep burial of straw, compacting, and so on. The conveying device, which is one of the key components, is mainly composed of fan blade, wind machine shell, conveying pipe, discharging pipe and screw conveyor. After crushing, the pickup crushing device throws the crushed straw into the screw conveyor, which pushes the straw to the fan as the conveying device working. Then, the straw is thrown to conveying pipe with high velocity revolution fan blade, and the straw goes through the conveying pipe and discharging pipe under a certain initial velocity of airflow. At last, the straw is fed into the straw deep burial ditch behind the ditching device from the fan lies in the left side of the machine. . The motion process of straw in pneumatic conveying system at different velocity was numerically simulated by using the dynamic effect model with computational fluid dynamics (DEM-CFD). The results show that the minimum velocity of straw is 5.39 m/s, the velocity at exit is 6.27 m/s, and the velocity of air flow is 2-28 m/s at the rotational velocity of 1 850 r/min. The field test shows that, when the operating velocity is 3 km/h, the ditching width is 400 mm, the amount of straw is 1.6 kg/m2, and the ditching depth is 270 mm, the straw buried rate is 94%, the pass rate is 94.2%, the soil breaking rate is about 95.4%, and the buried depth reaches 200 mm; the technical indicators of stable operation can meet the technical requirements of agricultural machinery. This machine can realize the combined operation of stubble and straw pulverization, deep burial of straw and deep loosening between lines. It can enhance soil porosity, improve soil moisture and enhance soil organic matter, which can create good soil environment conditions for dryland sowing in Northeast China.

agricultural machinery; computer simulation; design; deep buried backfield; reasonable plough layer; test

田 阳，林 静，李宝筏，张桐嘉，齐 林，王佳琦.气力式1JH-2型秸秆深埋还田机设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(14)：10－18. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002 http://www.tcsae.org

Tian Yang, Lin Jing, Li Baofa, Zhang Tongjia, Qi Lin, Wang Jiaqi.Design and test of pneumatic 1JH-2 style straw deep burying and returning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 10－18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002 http://www.tcsae.org

2018-02-10

2018-05-20

公益性行业（农业）科研专项（201503116-09）；辽宁省农村经济委员会与质量技术监督局地方标准项目（2016160-27）；国家自然科学基金资助项目（51275318）

田 阳，博士生，主要从事旱作农业机械化及智能化装备研究。 Email：125532823@qq.com

林 静，教授，博士生导师，主要从事旱作农业机械化及智能化装备研究。Email：synydxlj69@163.com。中国农业工程学会会员：林 静（E041200749S）

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.002

S224.29

A

1002-6819(2018)-14-0010-09