1.本发明属于农业机械设备领域，具体涉及一种针对根土复合体的动员式剪切破茬开沟装置、破茬系统及破茬方法。
背景技术：
2.保护性耕作技术是一种国内外长期探索与研究的可持续农业技术，能够减少土壤风蚀和水蚀，提高土壤抗旱能力和肥力，增加作物产量，降低生产成本，促进农业可持续发展。破茬开沟是保护性耕作技术的关键技术之一。小麦玉米一年两熟种植区以及东北玉米免耕留茬地区，在未经翻耕且有作物残茬和秸秆覆盖的田地上进行免耕直播时，播种地有大量的根茬，且结构稳定难以切割，容易出现如下情况：一、开沟器入土困难，造成严重的拖拽与壅土，使得表土扰动较大，开沟质量较差；二、易形成坑穴，造成播种深度不一，种子发芽率低等问题；三、播种机阻力能耗大，牵引力不稳定，通过性差。
3.针对上述情况就要求免耕播种机有很好的破茬入土能力。目前的破茬开沟装置主要分为主动式和被动式两种：
4.一、被动式破茬开沟装置不需要驱动力，随着机具的前进而被拖动实现切割；其结构简单能耗低，通过性强，靠自身的重力将根茬压入土中实现切割，但对硬茬类作物的根茬如玉米的根茬切断效果较差。其中，最为典型的是单圆盘和双圆盘开沟器。
5.二、主动式破茬开沟装置需要驱动力，其切割方式主要分为有支撑切割和无支撑切割两种形式。无支撑切割方式需要刀具转速达到1800转/分钟以上才能将根茬和秸秆切断，且会造成大量的能源消耗和严重的土壤扰动，还会由于高速旋转造成不可忽视的安全隐患。剪切应该再提出来有支撑切割方式往往是主动刀具和被动刀具相互配合，从而实现剪切的一种方式。这样的切割方式阻力低，能耗小，刀具本身转速低，土壤扰动更小，更适于保护性耕作机具。
6.近些年，随着科研工作者对根土复合体的研究，根茬本身的力学性质得到了深入的研究。受到玉米根土复合体固土性质的启发，玉米根茬在被拖拽和拉拔的过程中根系产生张力即预紧力，利用刀具进行切割根茬更有利于切断。结合以上方法，设计出一种高效破茬机具。
技术实现要素：
7.本发明的目的是提供一种针对根土复合体的动员式剪切破茬开沟装置，提高根茬的切割效率，提高免耕播种机的防堵性能，从而有利于构建良好的种床，减少机具能耗。
8.本发明的目的通过如下技术方案实现：
9.一种针对根土复合体的动员式剪切破茬开沟装置，包括主动切割组件a、动员组件b和固定架c，所述的固定架c为矩形，由杆件首尾铰接组成，固定架c下部前端为第一铰接点c9，下部后端为第二铰接点c7，上部前端为第三铰接点c3，上部后端为第四铰接点c5，所述的主动切割组件a包括主动切割圆盘a9和连接件，动员组件b包括动员圆盘刀b4和连接件，
所述的主动切割圆盘a9通过连接件可转动连接在第四铰接点c5处，所述的动员圆盘刀b4通过连接件可转动连接在第二铰接点c7处；主动切割圆盘a9的切割刃口与动员圆盘刀b4的动员刀形成剪切区域，包括机架c1以及多个破茬开沟装置，多个破茬开沟装置沿所述机架c1的长度方向上依次间隔安装。
10.作为本发明更优的技术方案：所述的主动切割圆盘a9的切割刃口a91采用仿鼢鼠爪趾内侧曲线，半径为200mm，切割刃口弧线部分为半径为230mm的圆弧区段，阵列均分分布在刀盘上。
11.作为本发明更优的技术方案：所述的动员圆盘刀b4的圆周处有固定的六把动员刀b41。
12.作为本发明更优的技术方案：主动切割圆盘a9与动员圆盘刀b4的中心距离为300-500mm，针对不同品种与不同种类的硬茬作物可对中心距离进行调整。
13.作为本发明更优的技术方案：所述的动员刀b41通过紧固组件b44固定在固定圆盘b42四周，均匀分布，固定圆盘b42上有多个固定孔位b43。
14.作为本发明更优的技术方案：所述的主动切割组件a包括主动切割圆盘a9和连接件，所述的主动切割圆盘a9通过连接件可转动连接在第四铰接点c5处，所述的主动切割组件a的连接件包括被法兰轴套a7、主动刀具轴a8以及固定在轴a8上的第一紧固组件a1、外侧端盖a2和内侧端盖a6，所述的外侧端盖a2和内侧端盖a6以及第一紧固组件a1将固定架c的横向杆件c6和纵向杆件c4固定，第一轴承a3通过过盈配合安装到内侧端盖a6中，轴a8通过过盈配合安装在轴承a3中，主动切割圆盘a9通过套置在轴a8上，所有组件以主动切割圆盘a9所在的平面为镜像面对称安装。
15.作为本发明更优的技术方案：所述的动员组件b包括动员圆盘刀b4和连接件，所述的动员圆盘刀b4通过连接件可转动连接在第二铰接点c7处；所述的动员组件b的连接件包括第三端盖b2和第二紧固组件b1和动员刀具轴b5，所述的动员圆盘刀b4一侧被端盖b2和第二紧固组件b1固定，第三端盖b2直接固定在动员刀具轴b5上，动员刀具轴b5与第二轴承b3通过过盈配合进行装配，动员刀具轴b5又与立柱b7通过过盈配合装配，动员刀具轴b5的另一端与轴承b8通过过盈配合装配，第三轴承b8又与第四端盖b9通过过盈配合装配，利用固定组件b10将第四端盖b9固定在横向杆件c6上。
16.作为本发明更优的技术方案：所述的固定架c包括由两个纵向杆件c4和两个横向杆件c6首尾铰接组成的矩形装置、连接架c10和可调节弹簧c2组成，矩形装置的第一铰接点c9和第二铰接点c7与立柱c8相连能够自由转动，可调节弹簧c2与上部的横向杆件c6相连，立柱c8与连接架c10相连，所述的连接架c10通过卡具c11与机架c1相连。
17.作为动员式破茬开沟装置更优的技术方案：所述的主动切割圆盘a9的切割刃口a91采用仿鼢鼠爪趾内侧曲线，半径为200mm，切割刃口弧线部分为半径为230mm的圆弧区段，阵列均分分布在刀盘上。
18.作为动员式破茬开沟装置更优的技术方案：所述的动员圆盘刀b4的圆周处有固定有六把动员刀b41。
19.作为动员式破茬开沟装置更优的技术方案：所述的动员刀b41通过紧固组件b44固定在固定圆盘b42四周均匀固定，固定圆盘b42上有多个固定孔位b43。
20.作为动员式破茬开沟装置更优的技术方案：所述的主动切割组件a的连接件包括
被法兰轴套a7、主动刀具轴a8以及固定在轴a8上的第一紧固组件a1、外侧端盖a2和内侧端盖a6，所述的外侧端盖a2和内侧端盖a6以及第一紧固组件a1将固定架c的横向杆件c6和纵向杆件c4固定，第一轴承a3通过过盈配合安装到内侧端盖a6中，轴a8通过过盈配合安装在轴承a3中，主动切割圆盘a9通过可转动套置在轴a8上，所有组件以主动切割圆盘a9所在的平面为镜像面对称安装。
21.本发明还有一个目的是提供一种免耕播种机，包括拖拉机、播种装置以及上述任一项破茬开沟装置。
22.本发明还有一个目的是提供一种破茬方法，步骤如下：
23.s1、将待破茬根土复合体的垂直拉拔试验位移-力曲线上的峰值位移的一半作为最佳切割点，根据最佳切割点选择主动切割组件a、动员组件b及其二者之间的距离，组装破茬开沟装置；
24.s2、动员刀b41绕动员刀具轴b5做旋转运动，动员刀b41从地表刺入根土复合体内部；
25.s3、根系被切断根系，动员刀b41会顺利通过；如果没有被切断根系，动员刀b41将根系挑起送入剪切区域；所述的剪切区域为动员刀b41的尖端在侧视图上位于主动切割圆盘a9的圆盘内部或是边缘上时，动员刀b41的内侧与切割刃口a91形成的区域；
26.s4、主动切割圆盘a9切断动员刀b41送入的未切断根系。
27.有益效果如下：
28.本发明的破茬开沟装置，利用了玉米等硬茬作物根系与土壤的作用力，在土壤端产生固定的同时，在被拖拽和拉拔的过程中使得根系产生张力即预紧力，使得破茬装置更高效地切割根茬。解决了免耕破茬开沟装置切割根茬效率低的问题，不但可以起到高效切割根茬的目的，而且可以提高免耕播种机的防堵性能，从而有利于构建良好的种床，减少机具能耗。
29.本发明提供的破茬方法利用根茬在拉伸和拖拽过程中根系产生的预应力，将动员刀具与切割刀具的方位、工作和设计参数合理配置，从而实现高效切割。利用该方法对农机具进行设计需建立在农田根茬拉拔试验的基础之上。通过实验获取根茬原位垂直拉拔的位移力图像。利用图像中反应出的力学峰值和峰值点位移，对破茬开沟装置进行设计，在根茬在被动员刀具勾住向前上方拉拔，达到力学峰值所对应的位移的一半长度的时候，切割刀具及时对被拉伸产生预应力的根系进行切割。本发明将有支撑切割方法利用在新型破茬开沟装置中，动员刀具与切割刀具相遇的时候，动员刀具为支撑刀，切割刀滚动向前切割根系，两刀具配合形成剪切刃口，实现对根系的高效切割。
附图说明
30.图1为本发明的破茬开沟装置的立体图；
31.图2为主动切割组件的爆炸图；
32.图3为动员组件的爆炸图；
33.图4为固定架的立体图；
34.图5为主动切割圆盘的主视图鼢鼠爪趾与提取的曲线图；
35.图6为动员圆盘刀的主视图；
36.图7为主动切割圆盘的切割刃口与动员刀形成的剪切区域所在位置图；
37.图8为动员刀刺入挑起玉米根土复合体的工作示意图；
38.图9为动员刀刺入挑起玉米根土复合体后的主视图；
39.图10为动员刀刺入挑起玉米根土复合体后的根系所在位置的示意图；
40.图11为动员刀刺入挑起玉米根土复合体后的侧视图(省略固定架c)；
41.图12为玉米根土复合体垂直拉拔试验的位移力图像。
42.图13为主动切割圆盘的切割刃口与动员刀形成的剪切区域所在位置图(标注有主动切割圆盘的切割刃口与动员刀的作用范围)。
具体实施方式
43.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
44.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
45.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
46.在本说明书的描述中，所述的固定架c的矩形所在的平面垂直于机架、平行于播种机运动的方向，所述的“下部”指的是靠近地面杆件的方向，“上部”指的是远离地面的杆件的方向，“前端”指的是远离机架的一端，“后端”指的是靠近机架的一端，“上部前端”指的是远离地面杆件的远离机架的一端；“左右”所在的方向指的是平行于地面。
47.下面结合附图对本发明进一步详细说明。
48.如图1-5所示，本发明所述的动员式破茬开沟装置，包括主动切割组件a、动员组件b和固定架c，所述的固定架c为矩形，由杆件首尾铰接组成，固定架c下部前端为第一铰接点c9，下部后端为第二铰接点c7，上部前端为第三铰接点c3，上部后端为第四铰接点c5，所述的主动切割组件a包括主动切割圆盘a9和连接件，动员组件b包括动员圆盘刀b4和连接件，所述的主动切割圆盘a9通过连接件可转动连接在第四铰接点c5处，所述的动员圆盘刀b4通过连接件可转动连接在第二铰接点c7处；主动切割圆盘a9的切割刃口与动员圆盘刀b4的动员刀形成如图8所示的剪切区域。
49.所述的主动切割圆盘a9的旋转面后端位于动员圆盘刀b4旋转面的前端平行投影的投影面上。所述的主动切割圆盘a9至少是刃口部分所在旋转面的后端与动员圆盘刀b4的
平行投影的投影面重合，形成剪切根茬的刀具，其为主动切割圆盘a9至少是刃口部分所在旋转面与动员圆盘刀b4的动员刀旋转面的平行投影面重叠。
50.在一些实施例中，所述的主动切割圆盘a9切割刃口a91采用仿鼢鼠爪趾内侧曲线，如图5所示，半径为200mm，切割刃口弧线部分为半径为230mm的圆弧区段，阵列均分分布在刀盘上。切割刃口a91独特的曲线有利于切割刀具的刃口楔入根茬中，有利于高效切割。半径为200mm，切割刃口弧线部分为半径为230mm的圆弧区段，通过阵列均分分布在刀盘刃口上，共计13个。较小的楔入角和较多的排列个数使得仿生刃口更有利于楔入根土复合体当中，并进行多次切割，有利于提高切割效率。生物经过千百年的进化，进化出适于生存环境的器官。爪趾是鼢鼠等地穴动物重要的挖掘器观，其独特的几何结构在切土挖掘以及切割根系方面有着极为良好性能。主动切割圆盘a9以鼢鼠爪趾为仿生对象，提取鼢鼠前爪爪趾内侧曲线作为主动切割圆盘a9的切割刃口a91以提高其对根茬的切割能力。利用图像分析技术将鼢鼠爪趾内侧曲线提取出来，将爪趾内侧曲线靠近爪趾尖端一侧的曲线切线与主动切割圆盘切线重合，并加工在主动切割圆盘上，圆周总共布置13个仿生刃口，开15
°
刃口。
51.在一些实施例中，所述的动员圆盘刀b4的圆周处有固定有六把动员刀b41，如图6所示。
52.在一些实施例中，所述的动员刀b41通过紧固组件b44固定在在固定圆盘b42四周均匀固定，固定圆盘b42上有多个固定孔位b43。可以通过改换刀具的固定孔位b43，来调节刀具的角度。固定圆盘半径为150mm。不同的土壤对于不同的作物需要不同的刺入角度，使得刺入阻力最小，更有利于将根系引导到剪切区域，并挑起根系产生合适的预应力。
53.在一些实施例中，所述的主动切割组件a的连接件包括被法兰轴套a7、主动刀具轴a8以及固定在轴a8上的第一紧固组件a1、外侧端盖a2和内侧端盖a6，所述的外侧端盖a2和内侧端盖a6以及第一紧固组件a1将固定架c的横向杆件c6和纵向杆件c4固定，第一轴承a3通过过盈配合安装到内侧端盖a6中，轴a8通过过盈配合安装在轴承a3中，主动切割圆盘a9通过可转动套置在轴a8上，所有组件以主动切割圆盘a9所在的平面对镜像面对称安装。在破茬过程中，主动切割圆盘在土壤作用下绕轴做旋转运动。
54.在一些实施例中，所述的动员组件b的连接件包括第三端盖b2和第二紧固组件b1和动员刀具轴b5，所述的动员圆盘刀b4一侧被端盖b2和第二紧固组件b1固定，第三端盖b2直接固定在动员刀具轴b5上，动员刀具轴b5与第二轴承b3通过过盈配合进行装配，动员刀具轴b5又与立柱b7通过过盈配合装配，动员刀具轴b5的另一端与轴承b8通过过盈配合装配，第三轴承b8又与第四端盖b9通过过盈配合装配，利用固定组件b10将第四端盖b9固定在横向杆件c6上。在破茬过程中，动员圆盘刀在土壤作用下绕轴做旋转运动。
55.在一些实施例中，所述的固定架c包括由两个纵向杆件c4和两个横向杆件c6首尾铰接组成的矩形装置、连接架c10和可调节弹簧c2组成，矩形装置的第一铰接点c9和第二铰接点c7与立柱c8相连能够自由转动，可调节弹簧c2与上部的横向杆件c6相连，立柱c8与连接架c10相连，如图4所示。在破茬过程中，前后两组纵向杆件做平行运动，在调节弹簧的作用下在一个合适的区间内运动，保证了固定在第三铰接点的主动切割圆盘能够保持一定深度的同时，当遇到石块的时候可以被顶起，起到一定的保护作用。
56.本发明提供的一种破茬开沟装置，包括机架c1以及多个上述任一项破茬开沟装置，多个破茬开沟装置沿所述机架c1的长度方向上依次间隔安装，所述的连接架c10通过卡
具c11与机架c1相连。
57.本发明提供的一种免耕播种机，包括拖拉机、播种装置以及上述任一项破茬开沟装置。
58.本发明的破茬方法根据玉米根土复合体垂直拉拔试验的位移力图像以及现场试验设计，当曲线图12在达到峰值之后，根土复合体会被拖动，故需要在峰值来临之前将根土复合体斩断，以免产生更大的阻力和不必要的能源消耗。曲线上升过程中，位于中段的斜率最大，阻力上升最快，故应保证拖动位移为从开始到力达到峰值这个区段位移的一半的时候斩断比较合适。根据该位移，可确定动员圆盘刀和主动切割圆盘之间的距离，以保证切割区域恰好在产生预应力的根土复合体区域，从而实现高效的破茬切割作业。根据的位移-力曲线可知，当曲线越过峰值力时，机具将在行进方向上拖动玉米根土复合体。这就需要机具在峰值力来临之前将根土复合体切断，以防止拖动。另外，峰值位移的一半所对应图像上的点为最佳切割点，该点反应了该根系样本被充分动员产生预应力的拖动位移以及所对应的拖动力，在该点切割会产生较小的切割力的同时，也不会带来较大的动员力，该点决定了切割区域的位置。通过五点取样法获取取样田地的地上第一茎节平均直径，地上第一茎节平均直径小于某一值d的样本数目若占总数目的比重小于5％，则取地上第一茎节平均直径为d的样本为研究对象进行机具设计。主动切割圆盘a9上的全部切割刃口a91的曲线最高点的连线为圆b，动员刀b41的前部尖端的连线为圆d，圆b与圆d必须相交(图13)，也就是主动切割圆盘a9旋转形成的圆周与动员刀旋转形成的圆周必须相交，侧视图中动员刀刃口曲线与主动刀具刃口曲线的交点与地面的高度应小于x。动员刀具和主动切割刀具的半径根据农艺需求而定(如开沟深度，松土深度)，通过垂直拉拔试验获取x后即可确定两圆盘的相对位置。
59.本发明提供的破茬开沟装置对根系的切割过程如图8所示，步骤具体如下：
60.第一阶段为刺入阶段ⅰ，动员刀具从地表e刺入根土复合体内部；第二阶段为勾起阶段ⅱ，动员刀具绕轴做旋转运动，如果根系被切断动员刀具将顺利通过，如果没有被切断，动员刀具将根系挑起送入剪切区域，所述的主动切割圆盘a9的刃口与动员圆盘刀b4的刃口相互配合，两圆盘刀的中心距离为330mm，主动切割圆盘和动员刀的刃口形成剪切区域；第三阶段为剪切阶段ⅲ，在主动切割刀具的配合作用下，被动员刀具送入剪切区域的根系被剪切断裂，实现破茬。
61.根据如图12所示的位移-力曲线可知，当曲线越过峰值力时，机具将在行进方向上拖动玉米根土复合体。这就需要机具在峰值力来临之前将根土复合体切断，以防止拖动。另外，峰值位移的一半所对应图像上的点为最佳切割点。所述的动员刀b41为鼢鼠爪趾形状，动员刀b41的内侧勾起根系，主动切割圆盘a9的切割刃口a91(边缘为鼢鼠爪趾内侧曲线)进行切割。如图7-11所示，玉米根系的原位置l经动员刀b41的内侧(鼢鼠爪趾形状的内侧)勾起根系，动员刀b41所在的初位置n、根系所在的初位置l动员刀b41带动根系向上移动距离一端距离后到达根系所在的位置m，进入根系剪切区域a，当移动距离x(动员刀b41与根系初位置l的交点f与动员刀b41与根系位置m的交点之间的距离)为位移-力曲线的峰值位移的一半时切割刃口a91切断，根系所在的位置m上y段的切割点为最佳切割点g。未被动员刀切断的根系在根系剪切区域a被切断，可以是在侧视图(图11)上鼢鼠爪趾形状的动员刀b41前部尖端点与两个切割刃口a91之间的点重合后(侧视图上为重合点，主视图上有距离)，所述
的根系剪切区域a为动员刀b41的内侧与切割刃口a91形成的区域；也可以是在侧视图(图11)上鼢鼠爪趾形状的动员刀b41前部尖端点位于主动切割圆盘a9内部的某一点重合，所述的根系剪切区域a为动员刀b41的内侧和切割刃口a91形成的区域，在此区域内，动员刀b41沿免耕机前进方向运动，主动切割圆盘a9上的鼢鼠爪趾内侧曲线与动员刀b41的内侧运动方向相反，二者共同完成根系的切断。根系剪切区域a所对应的固定圆盘b42上的边缘对根系起到阻挡作用。
62.传统的破茬开沟装置需要足够的垂直力向下切割才能切断根茬，切得越深，阻力越大。农田环境复杂，田间秸秆和根茬力学性质差异较大，不易通过控制配重来达到高效切割的目的。附加配重由于无法科学施加，极易造成切割效果差，阻力大，土壤扰动大灯问题。
63.本发明提供的破茬开沟装置充分利用了根系的固土特性，利用有支撑切割原理，通过动员刀具将根系勾住提起，使得根系产生预应力，从而使得根系在被切割的过程中产生强度衰减，主动刀具在切割过程中就更易切割。这样不仅提高了主动刀具的切割效率，而且不用施加额外配重，更容易控制机具的入土深度，土壤扰动更小，能耗更低。
64.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。