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水稻是我国主要粮食作物之一,“如何处理水稻秸秆”这一问题始终困扰着黑龙江乃至东北地区水稻的生产。尽管针对秸秆处理问题国家提出“秸秆五化方针”,但东北地区暂时还没有完善、成熟的收储运体系,离田成本较高,因此水稻秸秆就地机械化还田成为了当前解决秸秆处理难题的首要选择。综合分析国内外各种机械化还田模式及研究现状,东北地区作业环境应采用水稻秸秆整秆深埋还田作业模式对水稻秸秆进行机械还田。本文针对目前水稻秸秆整秆深埋还田作业存在牵引动力需求大、作业过程中壅土现象严重的问题,结合北方寒地水稻一熟田作业环境及秸秆还田农艺要求,运用理论分析、虚拟仿真、试验设计等方法对水稻秸秆全量深埋还田机展开研究与设计。(1)以北方寒地水稻一熟田作业环境、秸秆还田农艺要求及土壤物料特性为研究对象,通过实地调研、物理试验相结合的方法对北方寒地水稻一熟田作业环境、秸秆还田农艺要求及土壤物料特性进行测定分析,测量指标主要包括:机具前进速度、秸秆留茬高度、单位面积秸秆鲜重、土壤坚实度、土壤含水率等作业环境;摩擦系数、堆积角、土壤容重等土壤物料特性;及碎土率、地面平整度、作业效率、油耗和还田率等农艺要求,为后续水稻秸秆全量深埋还田机结构设计和虚拟仿真参数设定提供重要的参考依据。(2)通过对水稻秸秆还田作业过程分析,确定机具前方壅土现象是导致机具牵引动力需求过大的主要原因之一。通过查阅文献及理论分析,确定增强刀具抛土能力可以解决机具前方壅土问题,并选用凿型刀刀型对还田刀进行重新设计。(3)根据水稻秸秆全量深埋还田机工作过程中土壤与还田刀间的相对运动状态,将水稻秸秆全量深埋还田机工作过程划分为加速阶段、拋运阶段及空转阶段,基于运动学及动力学原理,构建工作过程中各阶段土壤与还田刀间相对运动状态随时间变化规律的数学模型,并利用MATLAB软件对数学模型进行求解,确定还田刀弯折线角度为55°,还田刀弯折角度为77°,还田刀切向宽度为100mm,刀辊转速为190r/min,在此参数条件下,抛扬时间0.0426 s时,土壤颗粒与还田刀相对静止,土壤颗粒首次被抛扬时绝对速度方向为刀辊后方。随后对还田刀排列布置进行设计,完成水稻秸秆全量深埋还田机旋耕装置设计。(4)根据已设计水稻秸秆全量深埋还田机旋耕装置结构参数,对水稻秸秆全量深埋机传动系统、罩壳及挡草栅进行设计,确定传动箱传动比为54:23,副传动箱齿轮模数为8.15,齿数分别为19、31、23,确定了水稻秸秆全量深埋还田机罩壳曲线的阿基米德螺旋线方程,并根据碎土率国家标准农艺要求确定相邻两挡草栅条间距为3.6cm,挡草栅上均布58个挡草栅条,完成水稻秸秆全量深埋还田机整机配置。(5)为探究各结构参数、运动参数对水稻秸秆深埋还田机的影响机理、验证构建理论数学模型的正确性,结合水稻秸秆全量深埋还田作业环境及土壤颗粒物料特性,基于离散元法及试验设计思想,利用EDEM软件对土壤颗粒工作过程运动状态进行数值模拟,设计分别以刀具切向宽度、弯折线角度和刀辊转速为因素的3个单因素虚拟仿真试验,试验结果与理论分析相符,并以单因素试验结果为依据设计三因素五水平旋转正交回归试验,试验结果证明水稻秸秆全量深埋还田机结构参数及运动参数设计合理。(6)为检测水稻秸秆全量深埋还田机田间作业性能,于黑龙江省各地进行田间性能检测试验。采用三因素三水平正交试验对机具作业性能及各指标对作业性能影响规律进行田间性能验证试验,试验证明机具可在留茬高度140~260mm,离地间隙40~100mm,前进速度1.6~3.0km/h的作业环境下完成作业,各项指标均高于农艺要求,并利用方差分析及极差分析方法揭示了各因素对各指标的影响规律,并分析各因素对各指标的影响机理。在黑龙江省呼兰区进行了水田田间对比试验,在土壤环境较为粘重的情况下,对水稻秸秆深埋还田机、旋耕机及铧式犁作业效果进行对比,试验结果表明,水稻秸秆全量深埋还田机除牵引动力、油耗方面略高于旋耕机外,其余作业指标均远优于旋耕机,而铧式犁无法在此土壤环境下完成作业。在黑龙江各地区进行田间适应性验证试验,试验结果表明,水稻秸秆全量深埋还田机可以在牵引动力67.11kw的情况下完成作业且作业效果满足农艺要求。其中七星农场田间试验中,对秸秆翻埋深度进行测量,试验结果表明绝大多数水稻秸秆翻埋深度均在5cm以上,不会影响后续插秧作业质量;阿城区田间试验结果表明,水稻秸秆全量深埋还田机在粘重土壤环境下牵引动力52.20kw无法满足作业要求。本文将为水稻秸秆全量深埋还田作业提供技术参考与理论支撑,有效降低水稻秸秆还田机作业牵引机具动力需求,减轻机具前方壅土现象,促进水稻秸秆还田技术的推广与应用,加快水稻生产全程机械化进程。