電動旋耕培土機的田間性能試驗研究

毛鵬軍，張松泓，丁月華，張亞龍，江　凱

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽　471003；2. 河南省煙草公司洛陽市公司，河南 洛陽　471003)

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電動旋耕培土機的田間性能試驗研究

毛鵬軍1，張松泓1，丁月華1，張亞龍1，江凱2

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽471003；2. 河南省煙草公司洛陽市公司，河南 洛陽471003)

摘要：針對目前大多中耕培土作業(yè)機械依靠燃油作為動力源嚴(yán)重污染環(huán)境且作業(yè)成本高等問題，通過替換動力源的方式，設(shè)計了電動旋耕培土機。試驗結(jié)果表明：作業(yè)耕深穩(wěn)定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率等作業(yè)性能指標(biāo)均能達到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時其經(jīng)濟性優(yōu)于同功率燃油機械。

關(guān)鍵詞：電動旋耕培土機；作業(yè)性能指標(biāo)；經(jīng)濟性

0引言

目前，大多中耕作業(yè)機械依靠燃油提供動力，由于燃油的能量利用率普遍較低僅為30%左右[1]，不完全燃燒的顆粒物在對環(huán)境造成污染的同時也加速了能源的枯竭[2]。近年來，電驅(qū)動技術(shù)在汽車及微型機械領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展為中耕培土機械的電動化實現(xiàn)提供了寶貴經(jīng)驗。為此，針對豫西南旱地中耕培土作業(yè)農(nóng)藝環(huán)境要求，設(shè)計了一種新型電動旋耕培土機。

本文利用所設(shè)計的電動旋耕培土機進行田間試驗，選取刀軸轉(zhuǎn)速及驅(qū)動輪前進速度為試驗因素，以耕深穩(wěn)定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率為試驗指標(biāo)進行性能試驗。結(jié)果表明：在所擬定的設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)，各項指標(biāo)均能滿足國家相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，同時較同功率燃油機械有較好經(jīng)濟性。

1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

電動旋耕培土機在動力方式上有別于傳統(tǒng)的燃油機械，主要由電驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、工作部件、機械底盤及其它附件組成，如圖1所示。其中，蓄電池組、控制器、驅(qū)動輪及直流串勵電機共同構(gòu)成電動旋耕培土機的動力中心—電驅(qū)動系統(tǒng)。作為整機執(zhí)行機構(gòu)的工作部件，則主要由旋耕培土部件、限深裝置及罩殼等組成。

作業(yè)時，蓄電池作為動力源將電能提供給直流串勵電機，電機作為驅(qū)動電機將動力輸出到動力傳動系統(tǒng)，動力在動力傳動系統(tǒng)內(nèi)一部分經(jīng)過速度變速箱經(jīng)過減速增扭后到達驅(qū)動輪，驅(qū)動機組前進；另一部分經(jīng)過轉(zhuǎn)速變速箱減速后到達培土刀軸，完成培土作業(yè)。其中，控制器上設(shè)置有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，通過拉線與扶手總成連接；操作者通過調(diào)節(jié)控制旋鈕，完成對電機的控制并最終實現(xiàn)對機組的啟動、制動及加減速操作，以適應(yīng)不同農(nóng)藝要求的需要。

1.蓄電池　2.驅(qū)動輪　3.控制器　4.直流串勵電機　5.變速箱

1.2初始主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合豫西南地區(qū)旱地中耕培土作業(yè)實際農(nóng)藝情況，并結(jié)合國家對中耕作業(yè)機械田間試驗指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]，確定電動旋耕培土機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　電動旋耕培土機的主要參數(shù)

續(xù)表1

2田間試驗研究

2.1田間試驗條件

試驗選取洛陽市高新區(qū)辛店鎮(zhèn)白營村附近的未耕試驗田作為田間試驗場地。試驗在2015年2月4-9日期間進行，試驗期間天氣以晴天為主，溫度為3～8℃，濕度為40%～53%。設(shè)備采用TYD-1型土壤硬度計以及101-4電熱鼓風(fēng)干燥箱。為了避免選取測試點的隨意性，采用平行四邊形對角線等距取點原則對試驗區(qū)域深度12cm處的土壤情況進行測定[6-7]，其相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2　土壤相關(guān)參數(shù)

2.2試驗因素以及作業(yè)性能指標(biāo)

田間中耕培土作業(yè)時，選取刀軸轉(zhuǎn)速及機組前進速度為試驗因素，主要測定耕深穩(wěn)定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率等試驗指標(biāo)，并按照國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)完成對各項指標(biāo)的測定。

2.3試驗方案

2.3.1耕深穩(wěn)定性

耕深穩(wěn)定性反映了耕作深度的穩(wěn)定程度，是衡量旋耕機械作業(yè)性能的重要指標(biāo)。測量時，以未耕地表平面為參考面，在試驗區(qū)內(nèi)沿機組前進方向在培土壟兩測每隔2m各取一點，利用耕深尺或鋼尺測得作業(yè)溝底至參考平面的垂直距離并計算其平均值；然后，采用國家標(biāo)準(zhǔn)對耕深穩(wěn)定性的計算方法求得機組單個工況下的耕深穩(wěn)定系數(shù)。則有

(1)

(2)

(3)

式中aj—第j個行程的耕深平均值(cm)；

aji—第j個行程中第i個點的耕深值(cm)；

nj—第j個行程中的測定點數(shù)；

Sj—第j個行程的耕深標(biāo)準(zhǔn)差(cm)；

N—同一工況的行程數(shù)，N=3。

2.3.2培土高度合格率

用鋼尺或高度尺沿機組前進方向每隔2m測定1點，每個行程左右各測5點，記錄數(shù)據(jù)；定義符合國家標(biāo)準(zhǔn)的培土高度值為合格，因此培土高度合格率的定義為

(4)

式中ηH—單個工況培土高度合格率；

NH—單個工況培土高度合格點數(shù)；

N0—單個工況培土高度測量點數(shù)。

2.3.3培土角度合格率

所測點與培土高度測量點相對應(yīng)，同時測出培土作業(yè)底部與頂部距離，將培土作業(yè)截面近似于等腰梯形，即可將培土角度α定義為

(5)

式中b—作業(yè)后頂部寬度(cm)；

a—作業(yè)后溝底寬度(cm)；

H—培土高度(cm)；

h—耕作深度(cm)。

最后，將測得的培土高度與國家標(biāo)準(zhǔn)對培土角度的規(guī)定相比，將符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的培土角度視為合格，即可將培土角度合格率定義為

(6)

式中ηj—單個工況培土角度合格率；

Nj—單個工況培土角度合格點數(shù)；

N0—單個工況培土高度測量點數(shù)。

2.3.4機組碎土率

碎土率是旋耕培土機械的量化指標(biāo)，反映了機組作業(yè)時對土壤的切削能力。在已耕地上測定0.2m×0.2m×0.12m面積內(nèi)的全耕層土塊，土塊大小按其最長邊分別小于或等于5cm和大于5cm，分2個等級。同時，以小于或等于5cm的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比作為碎土系數(shù)，每個行程測定5點。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對碎土率測定的相關(guān)規(guī)定，定義培土機械碎土率為

(7)

式中δ—單個行程土壤碎土率(%)；

Wai—第i個測量區(qū)內(nèi)培土機拋落土塊最長邊小于等于5cm的土塊質(zhì)量(g)；

Wbi—第i個測量區(qū)內(nèi)培土機拋落土塊總質(zhì)量(g)。

耕深穩(wěn)定性、培土高度合格率、培土角度合格率及機組碎土率等試驗指標(biāo)在不同試驗因素(刀軸轉(zhuǎn)速及機組前進速度)情況下的測定結(jié)果如表3所示。

表3　培土作業(yè)性能測定結(jié)果

2.4試驗結(jié)果與分析

基于DPS與MatLab數(shù)據(jù)處理平臺，分別對耕深穩(wěn)定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率進行因素間的綜合作用響應(yīng)曲面分析，并得到相應(yīng)的回歸方程。

1)機組前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速交互作用對耕深穩(wěn)定性的影響規(guī)律。為了研究因素間交互作用對耕深穩(wěn)定性的影響規(guī)律，借助DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得出機組前進速度及刀軸轉(zhuǎn)速對耕深穩(wěn)定性的回歸方程為

(8)

交互作用對耕深穩(wěn)定性的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2　因素交互作用對耕深穩(wěn)定性的影響規(guī)律

由圖2可知：在試驗范圍內(nèi)，隨著機組前進速度的增加，耕深穩(wěn)定性逐漸降低；但隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加，耕深穩(wěn)定性變化較緩，耕深穩(wěn)定性最低為87.5%左右。此時，刀軸轉(zhuǎn)速為181r/min左右，機組前進速度0.62m/s，仍符合國家標(biāo)準(zhǔn)對旋耕機械耕深穩(wěn)定性80%的要求。

2)機組前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速交互作用對培土高度合格率的影響規(guī)律。運用同樣的方法得出因素間交互作用對培土高度合格率的影響規(guī)律及回歸方程為

(9)

交互作用對培土高度合格率的影響規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知：在試驗范圍內(nèi)，隨著機組前進速度的增大，培土高度合格率呈先升高后降低的趨勢，隨著刀軸的轉(zhuǎn)速的增加逐漸降低。培土高度合格率的最低值處于刀軸轉(zhuǎn)速220r/min，機組前進速度0.55m/s附近；但其高度合格率仍在78%以上，高于國家標(biāo)準(zhǔn)對培土高度合格率75%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)機組前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速交互作用對培土角度合格率的影響規(guī)律。同理得出因素間交互作用對培土角度合格率的影響規(guī)律以及回歸方程為

Y3=44.236 3+242.872 2X1-0.207 2X2-

(10)

交互作用對培土角度合格率的影響規(guī)律如圖4所示。

圖3　因素交互作用對培土高度合格率的影響規(guī)律

圖4　因素交互作用對培土角度合格率的影響規(guī)律

由圖4可知：在試驗范圍內(nèi)，隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大，培土角度合格率呈逐漸增長趨勢；培土角度合格率隨著機組前進速度的增大而降低。培土角度合格率最低值處于刀軸轉(zhuǎn)速182r/min，機組前進速度0.62m/s附近；但其角度合格率仍在78%以上，符合國家對培土起壟角度的要求。

4)機組前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速交互作用對碎土率的影響規(guī)律。運用同樣的方法得出因素間交互作用對培土角度合格率的影響規(guī)律以及回歸方程為

Y4=28.953 5+1.028 9X1-223.121 3X2-

(11)

交互作用對碎土率的影響規(guī)律如圖5所示。

圖5　因素交互作用對土壤碎土率的影響規(guī)律

由圖5可知：在試驗范圍內(nèi)，隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大，土壤碎土率呈增長趨勢；土壤碎土率隨著機組前進速度的增大而降低。土壤碎土率的最低值處于刀軸轉(zhuǎn)速181r/min，機組前進速度0.62m/s附近；但其高度合格率仍在78%以上，高于國家標(biāo)準(zhǔn)對土壤碎土率50%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5經(jīng)濟性能分析

田間試驗表明：所設(shè)計的電動旋耕培土機作業(yè)效率可達0.121hm2/h，而同功率燃油旋耕培土機的作業(yè)效率最高為0.11hm2/h。耗電量約為30.71kW·h/hm2，按照均電價0.6元/kW·h計算，該電動旋耕培土機每公頃的作業(yè)成本為18.43元；而同功率的汽油培土機作業(yè)耗油量約為15.3L/hm2[8]，按7元/L計算，汽油培土機每公頃的作業(yè)成本高達107.1元。

3結(jié)論

研制的電動旋耕培土機工作性能穩(wěn)定，耕深穩(wěn)定性、培土高度合格率、培土角度合格率以及碎土率均能滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，適合豫西南地區(qū)農(nóng)藝要求的需要；整機由蓄電池作為動力源，能源利用率高，有效解決了傳統(tǒng)中耕培土機械對環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，整機結(jié)構(gòu)輕便操作性好；在作業(yè)效率以及經(jīng)濟性方面均優(yōu)于同功率的燃油培土機械。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0200-EA

Experiment on Working Performance of Electric Rotary Hillers

Mao Pengjun1, Zhang Songhong1, Ding Yuehua1, Zhang Yalong1, Jiang Kai2

(1.College of Agriculture Engineering, Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Luoyang,Henan Province Tobacco Company Subsidiaries,Luoyang 471003,China)

Abstract：Against existing rotary hillers serious environmental pollution problems, combined with higher operating costs, by way of replacing power sources, designed in the form of organization as well as an electric rotary Hillers transmission parameters. The test results shows that the plow depth stability, the height of Earthing up pass rate, the angle of Earthing up pass rate and the soil breaking rate according with national standards. While its fuel economy is better than the mechanical power.

Key words：electrical rotary hillers; working performance; economic performance

文章編號：1003-188X(2016)03-0200-04

中圖分類號：S222.3

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：毛鵬軍(1972-)，男，河南南陽人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)mpj@mail.haust.edu.cn。

基金項目：河南省高校科技創(chuàng)新人才計劃項目(2012HSTIT015)；洛陽市“百千工程”科技特派員項目(LYTPY10)；河南省煙草公司資助項目(2014-2016)

收稿日期：2015-03-11