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第 29 卷第 1 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.1 182013 年1 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringJan. 2013 旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析 张居敏，周 勇，夏俊芳 ，许绮川 （华中农业大学工学院，武汉 430070） 摘要：为了研究水田高茬秸秆旋耕翻埋机理，该文对 1GMC- 70 型船式旋耕埋草机刀辊的主要耕作部件 螺旋 横刀建立了数学模型，推导了横刀棱边轮廓曲线的静态方程和动态方程，绘制了动态滑切角、动态切土角等主要 耕作参数随刀辊位置角的变化规律曲线，对影响高茬秸秆旋耕翻埋效果的主要因素，例如压草角与抛土角等，进 行了计算分析。 结果发现， 该机的良好作业效果， 例如耕深稳定性达 90.7%、 秸秆埋覆率达 94.6%、 碎土率达 90%、 耕后地表平整度在 20 mm 以内等， 都与横刀设计理念有很大关系， 横刀的主要功能不是土壤切削， 而是秸秆翻埋。 关键词：农业机械，模型，试验，机耕船，土壤耕作，旋耕机，螺旋横刀 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.01.003 中图分类号：S222文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-01-0018-08 张居敏，周勇，夏俊芳，等. 旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析J. 农业工程学报，2013，29(1)： 1825. Zhang Jumin, Zhou Yong, Xia Junfang, et al. Mathematical modeling and analysis of helical blade for stubble burying rotary tillerJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(1): 1825. (in Chinese with English abstract) 0引言 破解秸秆焚烧难题，不能单靠行政处罚和媒体 监督，这需要秸秆处理方面的技术性突破1- 3。秸秆 还田是破解秸秆难题的有效途径。国内外学者对秸 秆覆盖还田（例如保护性耕作）和秸秆粉碎还田研 究得比较多4- 6，对秸秆翻埋还田研究得比较少。 汲 文峰等研究了旱地旋耕- 碎茬秸秆翻埋7；赵铁军、 熊元芳等分别研究了水稻秸秆旋耕翻埋8- 9； 夏俊芳 等研究了水田高茬秸秆旋耕翻埋10。国内学者对于 秸秆翻埋研究大都集中在样机制作与田间试验等 方面8- 14，对翻埋机理方面的理论研究还比较少。 夏俊芳等研制的 1GMC- 70 型船式旋耕埋草机技术 相对成熟，该机在 20072009 年售出 632 台，总 作业面积达 45 133hm215。本文以该机刀辊为研究 对象，对其核心耕作部件螺旋横刀建立数学模 型，分析其良好耕作效果的理论原因，为该产品的 优化节能及系列化提供理论支持。 收稿日期：2012- 07- 20修订日期：2012- 12- 25 基金项目：国家公益行业（农业）专项基金项目（201203059） ；国家自 然科学基金项目（51275196） 作者简介：张居敏（1972）男，博士生，讲师，主要从事土壤耕作方 面的研究。武汉华中农业大学工学院，430070。 Email：ju_min_ 通信作者：夏俊芳（1963）女，博士，教授，博士生导师，主要从 事现代农业装备设计与测控方面的研究。武汉华中农业大学工学院， 430070。Email： 1螺旋横刀的分析与建模 1.1螺旋横刀的结构与参数 1GMC- 70 型船式旋耕埋草机 （以下简称旋耕埋 草机）刀辊结构如图1 所示，主要耕作部件包括螺旋 横刀 1（左右旋反向对置各 5 把）、立刀 2（34 把） 和弯刀3（20 把）。弯刀的主要作用是切出耕幅两端 的沟墙；立刀主要负责破茬、切断垡条和部分秸秆； 螺旋横刀是旋耕埋草机的核心部件，在耕作过程中实 现切土、秸秆切断与翻埋、抛土等功能10- 11,16。 螺旋横刀（简称横刀）刃口是螺旋线，半径 R=200 mm，螺旋线两端沿刀辊轴线方向转角为 46 ，螺距：H=2 653.04 mm，螺旋升角：64.7。 1.2横刀的建模 刀辊有 5 把完全相同的左旋横刀、5 把完全相 同的右旋横刀，左、右横刀除旋向不同外，其他各 建模参数都相同。现以左旋横刀为例，用 Pro/E 软 件建模：（菜单）插入螺旋扫描伸出项，螺 距为常数，横截面垂直于扫描轨迹，扫引轨迹与轴 线之间距离为 200 mm， 螺距 H=2 653.04 mm， 建模 截面如图 2a 所示。如图 2b 所示，在横刀左端焊接 平面与刀辊轴线交点处建立固定坐标系 Oxyz， 坐标 系 Oxyz 沿 x 轴正方向平移 200 mm，再绕 x 轴正向 旋转64.7 角度，就得到横刀的 Pro/E 建模截面 坐标系 Ooxoyozo（图 2a），各点坐标依次为： 第 1 期张居敏等：旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析 19 1.螺旋横刀 Helical blade2.立刀 Vertical blade3.弯刀 Bent blade 图 1螺旋刀辊的结构 Fig.1Structure of rotary tiller 图 2螺旋横刀截面坐标系建模图 Fig.2Cross- sectional coordination of spiral blade ( 1 sin17 o A ，0，0）； (25cos17 oAo B x，25sin17，0）； (10sin17 oBo Cx，10cos17 Bo y，0）； (12cos17 oCo D x，12sin17 Co y，0）； ( o E0，1 cos17，0）。 其中， Ao x表示 o A点的 x 坐标， 其他依次类推。 坐标系 Ooxoyozo、Oxyz 之间的旋转、平移变换 关系如式（1- 1）所示。 100200 0cos64.7sin64.70 0sin64.7cos64.70 o o o xx yy zz （1） 由式（1）可以导出坐标系 Ooxoyozo中各点 Ao、 Bo、Co、Do、Eo在固定坐标系 Oxyz 中对应点 A、B、 C、D、E 的坐标值： A(199.71，0，0)；B(175.80，3.13，6.61)； C(178.72， 7.22， 15.25)； D(190.20， 5.72， 12.08)； E(200，0.41，0.86)。 刀辊静止时各点所在的螺旋线方程称为各自 的静态方程；刀辊旋耕过程中各点所在的螺旋线方 程称为各自的动态方程。 2横刀螺旋线的静态方程与动态方程 点 A、B、C、D、E 等各点所在螺旋线的静态 方程和动态方程求解方法都一样，现以 B 点为例。 设 B 点所在螺旋线的静态方程， 即刀辊静止时 B 点 所在螺旋线的参数方程如式（2）所示。 0 cos () 2 sin B B B xR H y zR （2） 式中，RB为螺旋半径，mm； 0 B 为螺旋线起点相位 角，rad；为参变量；H 为螺距，H=2 653.04 mm。 螺旋线经过 B 点，将 B 点坐标带入式（2）得： RB=175.92 mm， 0 B =0.0450 rad，由此得出 B 点处 静态螺旋线的参数方程。 为检验方程式（2）的正确性，在 Pro/E 软件中 用任意一个垂直于刀辊轴线即 y 轴的平面截取横刀 农业工程学报2013 年 20 与螺旋线，都可以得到 2 个点：螺旋线上的截交点 与横刀 B 点处棱边轮廓线上的截交点。经测定，这 2 个截交点之间的距离都小于 Pro/E 软件的默认测 量精度（0.0012mm），说明 B 点处静态螺旋线方程 代表的曲线与该点处横刀棱边轮廓曲线是吻合的。 耕 作 过 程 中 刀 辊 转 速 n=380 r/min ， = 39.8 rad/s，机组前进速度 vM=4.4 km/h=1 222.2 mm/s。在耕作过程中，刀辊绕 y 轴正向以角速度 旋转时， 还随机组一起沿 x 轴正方向以速度 vM匀速 前进。旋耕过程中螺旋线上各点的 y 轴坐标都保持 不变，t 秒钟内刀辊转过的角度为t，刀辊沿 x 轴 正方向前进的距离为 vMt，螺旋线上各点的 x、z 轴 坐标相当于参变量在原有基础上增大了t， 同时 x 轴坐标值又增大了 vMt。所以在固定坐标系 Oxyz 中， t 时刻刀辊上 B 点处螺旋线方程如式 （3） 所示。 175.92cos() 422.24(0.0450) 175.92sin() M xtv t y zt （3） 该方程称为 B 点处螺旋线的动态方程，令 t=0 得到相应的静态方程。 同理，可以求出 A 点、D 点、E 点等所在螺旋 线的动态方程，令 t=0，得到相应的静态方程。 A 点处螺旋线动态方程如式（4）所示。 199.71cos() 422.24 199.71sin() M xtv t y zt （4） D 点处螺旋线动态方程如式（5）所示。 190.58() 422.24(0.0770) 190.58sin() M xcostv t y zt （5） E 点处螺旋线动态方程如式（6）所示。 200.00cos() 422.24(0.00529) 200.00sin() M xtv t y zt （6） 为计算横刀正切面即内表面的法向矢量，需要 确定线段 AB 中点 M 的坐标及其所在螺旋线方程， M=（A+B）/2，M 点处螺旋线动态方程如式（7） 所示。 187.78cos() 422.24(0.0213) 187.78sin() M xtv t y zt （7） 3横刀的静态参数分析 刀辊有 10 把螺旋横刀，这 10 把螺旋横刀的静 态参数，例如静态滑切角、磨刃角、静态切土角和 静态隙角等，都是相同的。现以截面 y=100 位置处 为例，计算该处左旋横刀刃口的静态参数。 在图 2b 所示坐标系 Oxyz 中，根据横刀各棱边 轮廓螺旋线的动态方程，计算各棱边螺旋线与平面 y=100 截交面中截交点 A1、B1、C1、D1、E1等的坐 标。例如对于 B1点，将 1 100 B y带入 B 点处螺旋 线动态方程式（3），求出0.192 rad，再次带入 式（3），得到 B1点的动态坐标方程如式（8）所示。 1 1 1 175.92cos(0.192) 100 175.92sin(0.192) BM B B xtv t y zt （8） 令 t=0，得 B1点静态坐标：B1(172.70，100， 33.55)。 同理，可以求出 A1、D1、E1、M1点等各点的 动态坐标方程和静态坐标。 3.1静态滑切角 根据旋耕刀正切刃静态滑切角定义8,17- 19，横 刀的静态滑切角等于刃口螺旋线升角的余角。横刀 刃口处有2 条螺旋线， 即A点螺旋线和E 点螺旋线， 这 2 条螺旋线的旋转半径（单位：mm）RA、RE不 同，螺旋升角也不同。A 点处刃口螺旋线的静态滑 切角As为 90tan25.3 2 As A H a R 同理，E 点处刃口螺旋线的静态滑切角为 25.4 Es 3.2磨刃角 严格地讲，用垂直于刀辊轴线的平面 y=100 截 交横刀，所得截面图形中 A1B1、E1D1等都不再是直 线段，而是曲线段。用 Pro/E 软件测量曲线段 A1B1 的曲率圆半径，发现最小半径 rA1B1min=1717.72 mm， 而曲线段 A1B1的长度|A1B1|=25.23 mm。因此，可以 近似用直线段代替曲线段参与刀辊参数的计算分 析。根据定义20，横刀的磨刃角 iv等于 t=0 时刻矢 量 A1B1、E1D1之间的夹角 1 111 1 111 0 cos()35.5 A BE D v A BE D t rr ia rr 式中， 11B A r表示矢量A1B1， 11D E r表示矢量E1D1。 iv值与横刀在Pro/E软件中建模后实测值相同。 3.3静态切土角与静态隙角 固定坐标系 Oxyz 中 A1点位置矢量在 y=100 平 面内的投影分矢量：rA1=A1 0,100,0；设矢量 rA1、 B1A1之间夹角为，则 t=0 时刻 第 1 期张居敏等：旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析 21 11 1 11 1 0 cos18.3 AB A AB A t rr a rr 角大小与图 1 中标注出的(17 2) 是吻合的， 也与横刀在 Pro/E 软件中建模后该参数的实测值是 吻合的。根据旋耕刀静态切土角定义19- 22，横刀的 静态切土角 vs为 9071.7 s v 静态隙角 s 为静态切土角与磨刃角的差20， 即 36.2 ssv vi 3.4横刀内面即正切面的轴向推土角 在旋耕过程中，螺旋横刀对土壤不仅有后抛效 应，还有沿刀辊轴向的侧推轴流效应。为描述土壤 轴流效应，将横刀内表面中间 M1点处的法向矢量 nM1与刀辊轴线之间所夹的锐角， 定义为横刀正切面 的轴向推土角，用符号表示。nM1等于矢量线段 M1B1与 M1点处螺旋线切线 tM1之间的叉乘积，即 nM1=tM1rM1B1 为计算 M1点位置角，将 yM1=100 带入式（7） 得 =0.216 rad；式（7）对参数 求偏导数，再令 =0.216 rad，得到 M1点处螺旋线切线 tM1的矢量方 程如式（9）所示。 1 1 1 187.78sin(0.216) 422.24 187.78cos(0.216) x y z M M M tt t tt （9） 刀辊静止时与旋耕作业时，这 2 种情况下横刀 正切面的轴向推土角相等。用符号 j 表示 y 轴正方 向上的单位矢量，则横刀正切面的轴向推土角 1 1 0 cos67.2 M M t nj a n 角越小，土壤的轴流效应就越强；相反， 90时横刀对土壤没有轴流效应。 4横刀的动态参数分析 耕作过程中对于 10 把螺旋横刀中的每一把横 刀而言，其刃口螺旋线上各点处的动态滑切角都是 刀辊转角t的函数， 尽管各函数的表达式不同，但 它们的函数曲线适当平移后就能完全重合。因此， 横刀刃口螺旋线上各点处的动态参数，例如动态滑 切角、动态切土角和动态隙角等，它们的变化规律 都相同。不仅如此，刀辊不同截面处各横刀对应点 的动态参数变化规律也相同。仍以截面 y=100 位置 处为例，分析该处左旋横刀的动态参数变化规律。 为便于分析横刀动态参数随刀辊位置角的变 化规律，先研究横刀上 A1点的动态坐标。根据 A 点处螺旋线动态方程式（4），由 yA1=100 得 A1点 的动态坐标方程如式（10）所示。 1 1 1 199.71cos(0.237) 100 199.71sin(0.237) AM A A xtv t y zt （10） 刀辊设计耕深 h=120 mm，刃口上 A1点入土时 1 1 800.175 rad10.0 A zt ， 考虑到A1点 t=0 时刻的初始位置角因素，A1点入土时位置角 1= 0.237 rad+t1=23.6 ；A1点到达最大耕深位置时， 1 199.71 A z 2 1.33rad76.4t， 此时 A1点位 置角 2=0.237 rad+t2=90 ；A1点出土时 1 80 A z 3 2.49 rad142.8t，此时 A1点位置角 3= 0.237 rad+t3=156.4 。 4.1动态滑切角 根据旋耕刀动态滑切角的定义17- 20，横刀的动 态滑切角等于刃口上A1点速度矢量vA1与A1点处刃 口螺旋线切线矢量 tA1之间所夹锐角的余角。 式（10）对时间参数 t 求导数，得到 A1点的速 度矢量 vA1。将 yA1=100 带入式（4），得出 A1点位 置角 =0.237 rad；将式（4）对参数 求偏导数， 得到螺旋线上任意一点处切线的动态矢量方程，再 令 =0.237 rad，得到 A1点处螺旋线的切线矢量方 程如式（11）所示。 1 1 1 199.71cos(0.237) 422.24 199.71sin(0.237) x y z A A A tt t tt （11） 则 A1点处横刀动态滑切角d如式（12）所示。 11 11 90cos AA d AA vt a vt （12） 利用 MatLab 软件，绘制出 d 与 A1点位置角 (=0.237 rad+t)之间的关系曲线，如图 3 所示。 图 3动态滑切角与 A1点位置角之间的关系 Fig.3Relationship between sliding cutting angle and positional angle of point A1 根据动态滑切角的定义，A1点运动至最低位 农业工程学报2013 年 22 置、最高位置 2 个瞬时，即 =90 、270 时刻，横 刀动态滑切角与静态滑切角相等。该结论与图 3 及 式（12） 吻合， 这也间接检验了相关理论的正确性。 4.2动态切土角 根据旋耕刀动态切土角的定义19- 22，螺旋横刀 的动态切土角 vd等于矢量 rB1A1与 E1点速度矢量 vE1 之间的夹角。将 yE1=100 带入式（6）求出 E1点位 置角 =0.232 rad；式（6）对时间参数 t 求偏导数， 得到螺旋线上任意一点的速度矢量，令 =0.232 rad，得到 E1点速度矢量方程如式（13）所示。 1 1 1 200.00 sin(0.232) 0 200.00cos(0.232) x y z EM E E vtv v vt （13） 所以横刀的动态滑切角 vd如式（14）所示。 1 11 1 11 cos B AE d B AE rv a rv （14） 式中， 1 E v表示 E1点速度矢量。 图4表示vd随A1点位置角( 0.237 rad) t的 变化规律。可以看出，在 A1点切土过程中，即： 23.690 ，此时63.271.7 d v ，。 图 4动态切土角与 A1点位置角之间的关系 Fig.4Relationship between dynamic cutting angle and positional angle of point A1 根据动态切土角定义，A1点运动至最低、最高 2 个位置时，即 =90 、270 时刻，横刀的动态切土 角等于静态切土角。该结论与图 4 及式（14）的计 算结果都吻合，这间接检验了相关理论的正确性。 4.3动态隙角 横刀动态隙角等于动态切土角与磨刃角的差19。 A1点入土时 =23.6 ， 此时横刀动态隙角 1 27.6； A1点达到最低位置时 =90 ，此时横刀动态隙角 2 36.2。 4.4动态压草角和动态抛土角 A1点切土过程中， 即A1点位置角23.690 ， 时， 横刀正切面对地表秸秆有下压效应； 当 A1点从 最低位置运动至地面过程中，即90156.4 ， 时，横刀正切面对已耕土壤有后抛上扬效应。高茬 秸秆旋耕翻埋主要靠横刀切土过程中正切面对秸 秆的下压掩埋效应和横刀抛土过程中正切面对土 壤的后抛上扬、秸秆覆土效应，为描述这 2 种效应 的作用效果，这里将横刀正切面中点 M1处的法向 矢量 nM1与该点速度矢量 vM1之间所夹的锐角，定义 为横刀的压草角和抛土角，这 2 个角度的定义是相 同的，都用符号表示，横刀切土时角称为压草 角，抛土时角称为抛土角。 由式（9）知道，M1点位置角 =0.216 rad。将 式（7）对时间参数 t 求偏导数，令 =0.216 rad，就 得到 M1点速度矢量 vM1。nM1=tM1rM1B1，tM1参考式 （9）。所以横刀正切面在 M1点处的动态压草角、 抛土角如式（15）所示。 11 11 cos MM MM nv a nv （15） 随 A1点位置角( 0.237 rad) t的变化规 律如图 5 所示，可以看出，尽管压草角和抛土角定 义相同，但是它们的动态值不同，压草角比较大， 有利于横刀入土、切土；抛土角比较小，有利于已 耕土壤后抛上扬。在同等条件下，压草角和抛土角 越小，越有利于秸秆翻埋，但压草角变小时切土角 就会变大，不利于横刀切土。 图 5压草角及抛土角与 A1点位置角之间的关系 Fig.5Relationship between stubble- pressing angle or soil- casting angle and positional angle of point A1 刀辊对土壤兼有轴流效应，压草角及抛土角都 是空间变化的角，其最小值与横刀的轴向推土角有 关。秸秆旋耕翻埋效果主要取决于横刀切土时对秸 秆的下压效应和抛土时对已耕土壤的上扬效应，而 与横刀对土壤、秸秆的侧推轴流效应关系不大。所 以有必要分析刀辊切削平面即 xz 平面内横刀的动 态压草角和动态抛土角变化规律。 4.5xz平面内横刀的动态压草角和动态抛土角 令法向矢量 nM1中的 y 轴分量等于 0， 得到法矢 量 nM1xz，该矢量与 M1点的速度矢量 vM1之间所夹的 锐角， 定义为 xz 平面内横刀的动态压草角和动态抛 土角，并用符号 xz表示，如式（16）所示。 第 1 期张居敏等：旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析 23 11 11 cos xz xz MM xz MM nv a nv （16） xz随 A1点位置角的变化规律如图 6 所示。 图 6xy 平面内压草角及抛土角与 A1点位置角之间的关系 Fig.6Relationship between don xy plane and positional angle of point A1 由图 6 可知，23.690 ，即横刀切土过 程中， 压草角 xz从 28.4 变化到 19.5 ； 横刀抛土过 程中，即90 156.4 ，抛土角 xz从 19.5 变化 到 10.2 ， 可见横刀切土时有很强的秸秆下压掩埋效 应、抛土时有很强的泥土上扬、秸秆覆土、泥土- 秸秆混合效应。 5参数评价与田间应用 5.1参数评价 横刀刃口是螺旋线，静态滑切角为常数，动态 滑切角也近似为常数（波动范围：25 25.3 ）， 这种等滑切角切削方式有利于刀辊受力的平稳性， 有利于保持整机耕深的稳定性。另外，10 把弯刀均 匀分布在中间刀盘的左右端面上（图 1），弯刀之 间夹角为 36 ，而横刀螺旋线两端沿刀轴方向的转 角为 46 ，耕作过程中后一把螺旋横刀入土时，前 一把横刀还有 10/46 的长度正在逐步切入土壤，这 保证了切削过程的交替连续性与平顺性，使刀辊受 力平稳，整机耕深稳定。 旋耕刀刃口与秸秆之间的摩擦角在26 45 之 间23- 25，为防止刀片缠草，传统旋耕刀侧切刃柄端 的静态滑切角推荐值为 65 70 、侧切刃末端处的 静态滑切角推荐值为 55 60 ，侧切刃动态滑切角 通常比静态滑切角小 8 15 26。旋耕埋草机横刀 刃口是螺旋线，其滑切角可以根据实际需要随意设 定而不影响整机尺寸。横刀刃口的动态滑切角与静 态滑切角近似相等，都远低于传统旋耕刀的滑切 角。在设计理念方面，传统旋耕刀对秸秆的处理原 则是防止缠草，让未切断的秸秆沿刃口曲线尽快滑 脱，所以滑切角都很大；而旋耕埋草机螺旋横刀对 秸秆要适度切碎、下压翻埋，既要实现滑切，以降 低切割阻力和能耗27，又不让秸秆沿刃口过分滑 动，以免立刀阻碍滑动而缠草，所以滑切角取刀片 与秸秆之间摩擦角范围的下限值。 一般认为传统旋耕刀切土角的最佳值在 20 25 之间19，并认为切土角越小，旋耕机切土能耗 就越低。旋耕埋草机螺旋横刀的动态切土角大于 63.2 ，旋耕埋草机的作业对象是高茬秸秆水田，耕 作前田块浸泡 24 h，带水作业，水深 3050 mm， 土壤切削强度低、切削能耗小，刀辊的主要能耗在 秸秆翻埋处理环节。 传统旋耕机刀座间距一般比旋耕刀工作幅宽 大 1520 mm20， 各旋耕刀的正切部间歇性交替入 土，正切刃动态滑切角比较大，例如，NJ103- 75 型 R245 旋耕刀， 其正切刃动态滑切角通常在 40 49 之间17，所以传统旋耕机在高茬秸秆水田中漏耕、 秸秆漏切等都是必然的。而旋耕埋草机的横刀刃口 是螺旋线，整体横跨半个耕幅，左右横刀的耕幅重 叠 15 mm，刃口动态滑切角很小（约为 25 ），所 以旋耕埋草机有效避免了漏耕、秸秆漏切等现象。 横刀磨刃角为 35.5 ，入土时隙角为 27.7 ，而 IT245 型旋耕刀的磨刃角为 20 ，入土时隙角为 1 54 20。横刀刃口钝，因为切断秸秆不是目的， 将其压入耕层，掩埋才是目的。 对于传统旋耕刀而言，切土角或隙角越小，说 明刀片正切面更能以靠近切削速度的方向切土，此 时切土阻力就越小，但同时旋耕刀的碎土、抛土及 翻土、覆盖性能也越差21。旋耕埋草机螺旋横刀的 切土角和隙角都很大，这有利于强化其碎土能力和 秸秆埋覆能力。如果不考虑螺旋横刀正切面对土壤 的轴流侧推效应，横刀出土时正切面的抛土角只有 10.2 ，而且刀辊转速（n=380 r/min）比传统旋耕机 转速（150350 r/min）高28，所以横刀对已耕土 壤有很强的后抛上扬效应，这也是该机秸秆埋覆效 果好的一个原因。 5.2田间应用 1GMC- 70 型船式旋耕埋草机是与简易船式拖 拉机（机耕船）相配套的，由于配套机耕船只有一 个前进挡、缺乏系列化产品，所以旋耕埋草机作业 速度（机组前进速度、刀辊转速等）基本上不能调 节，使该机操作的灵活性、适应性受到限制。但是 该机在水田高茬秸秆旋耕翻埋方面能力很强，所以 它仍然有一定的市场需求。 1GMC- 70 型船式旋耕埋草机属于华中农业大 学工学院的专利产品29。 2004 年以来， 该机先后在 湖北省监利县、团风县、浠水县和鄂州市等多点， 针对油稻、麦稻、稻稻、 肥稻等多熟制的水稻生产， 开展了一系列的田间试验，并进行了技术推广与产 业化示范工作， 建立了 6 533.3 hm2水田核心试验示 农业工程学报2013 年 24 范区，在全国水稻主产区 6 省 34 县市辐射推广该 机 632 台，作业面积达 38 533 hm2 10,15。 大量的田间试验表明10,16,29，该机适合于泥脚 深度 350 mm 以内、秸秆高度 700 mm 以下的水田 作业，其平均耕深达 110 mm 以上，耕深稳定性达 90.7%以上，秸秆埋覆率 94.6%，碎土率 90%，耕 后地表平整度在 20 mm 以内。 本文理论分析结果与田间试验结果是一致的。 6结论 1）得到了旋耕埋草机螺旋横刀的数学模型， 明确了横刀动态耕作参数（例如动态滑切角、动态 切土角等）随刀辊位置角的变化规律。 2）指出了旋耕埋草机耕深稳定性好的理论原 因。横刀属于等滑切角切削，各横刀入土时衔接性 好，实现了连续铣削。 3）指出了旋耕埋草机秸秆埋覆效果好、碎土 率高的理论原因。与传统旋耕刀相比，螺旋横刀的 切土角、 隙角和磨刃角都很大， 对秸秆有压覆效应； 刀辊转速高，正切面抛土角小，对已耕土壤有很强 的后抛上扬、秸秆覆土效应。 参考文献 1李建政. 秸秆还田农户意愿与机械作业收益实证研究 D. 北京：中国农业科学研究院研究生院，2011. 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