小區自走式旋耕機的設計優化與試驗研究

王英雪，趙立軍，劉環宇，李　強，周福君，何　堤

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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小區自走式旋耕機的設計優化與試驗研究

王英雪，趙立軍，劉環宇，李強，周福君，何堤

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：以小區自走式旋耕機為研究對象，對其結構組成及工作原理進行了分析，并針對玉米根茬地旋耕作業的要求，采用Box—Behnken中心組合試驗設計方法對玉米根茬地進行了較為詳盡的田間試驗。結果表明：當旋耕機前進速度為0.6m/s、刀軸轉速為224r/min、刀齒齒數為11片時，旋耕深度達到13cm，玉米根茬破碎率達到95%以上，基本滿足了小區作業要求。

關鍵詞：小區旋耕機；自走式；參數優化

0引言

旋耕機是一種以拖拉機為行走和作業動力，靠一組安裝于水平軸上的彎刀回轉來實現土壤耕耘作業的農機具，在我國農村普遍使用[1]。旋耕機械具有實用性強、操作方便、應用范圍廣等特點，與人工相比達到了省時、省力的功效，與其它機械相比旋耕機具有良好的切土性能和碎土能力[2]。日本早在1975年就已經大面積推廣使用旋耕機作為主要耕地機械，而相比之下我國旋耕機發展速度相對較慢[3-4]。我國在農業生產中引進旋耕機大多用于蔬菜種植、大田作業、水稻整地及旱田滅茬等[5]。

旋耕機的有效使用能夠增加土壤有機質的含量，從而能達改善土壤的作用[6]。相關研究表明：每公頃還田根茬干物質達到1 200kg時，相當于施加了大量的農家肥，給農戶帶來了一定經濟效益，同時能夠很好地改善土壤環境，增加耕層的透氣性、透水性，為土壤微生物生存創造了良好的條件[7-8]。

國內在旋耕機方向早已進行了大量的工作研究，主要針對大田作業旋耕機械，對小區自走式旋耕機還少有研究[9]。為此，以自走式旋耕機的關鍵部件旋耕刀為研究對象，研究各個參數對土壤耕深及根茬破碎率的影響規律。

1主要結構參數

旋耕機主要由發動機、機架、旋耕工作部件、限深機構、傳動鏈及行走輪等組成，如圖1所示。其工作原理是：將發動機的動力經鏈傳動直接傳遞給刀輥軸，驅動軸上旋耕刀片旋轉，進而完成耕地、松土、滅茬等作業環節[10-11]。小區自走式旋耕機工作的主要技術參數如表1所示。

表1　主要技術參數

小區自走式旋耕機配套動力輸出由汽油發動機完成，前進速度在0.3～0.7m/s范圍內可調，最大更耕幅100cm;耕深范圍主要靠阻力鏟柄上孔眼的位置進行上下調節，范圍設定值為10～15cm;旋耕刀刀片以彎刀為主，設置每組刀片數量為8～12片。

2旋耕機原理及關鍵部件分析

2.1旋耕機工作過程

工作時，通過汽油機輸出動力，帶動刀軸旋轉進行旋耕作業，通過調節旋耕機后端支撐桿產生阻力，隨著支撐桿深淺的調節使彎刀有不同的轉速，從而得到不同的耕深、生產率和碎土質量[12]。旋耕機耕作原理示意圖如圖2所示。

1.汽油機　2.機體　3.操縱手柄　4.離合器

圖2　旋耕機耕作原理示意圖

2.2耕幅確定

自走式小區作業旋耕機耕幅取決于汽油機動力輸出功率和旋耕作業時單位幅寬功耗。如果選擇幅寬過大，將導致發動機工作過載，影響工作效率且增加人工的勞動強度；選擇幅寬過小，會導致工作效率過低[13]。因此，應在一定程度上選擇合適的幅寬，進而保證主機功率的充分利用。實際中幅寬計算公式為

B=(0.260.29 )N

(1)

其中，N=3.5kW，即發動機的額定功率。

通過計算可知：取值范圍為0.91～1.02m。為計算方便，本設計選取B=1m。

2.3刀軸轉速選定

自走式小區作業旋耕機的旋耕刀設計主要采取螺旋線布置方式，既可以保證良好的碎土效果，又能在一定程度上減少由作業帶來的振動，增加了農民作業時的方便性。刀軸轉速一般設定在200～250r/min范圍內，隨著土壤性質、土壤含水量、土壤根茬而變化：對于性質較粘著土壤，刀軸轉速會相應偏低；而針對性質稀松土壤，刀軸轉速可偏高[14]。

3田間性能試驗

3.1試驗地點及儀器

試驗地點為東北農業大學小區玉米試驗田；試驗材料為秋收后殘留玉米根茬(取自小區玉米試驗田)，平均茬高4.3cm，根茬殘存莖稈直徑為2.43cm，平均株38.2cm，莖稈含水率30%；試驗儀器：耕深測量尺、5m皮尺、鋼尺、游標卡尺、烘箱及電子秤等。

3.2技術要求

由于東北地區情況較為特殊，玉米根茬較南方地區粗大，利用人工清理不僅不宜刨除、切碎而且浪費大量人力及時間。本文在對旋耕機小區作業情況進行大量研究的前提下，針對小區玉米根茬粉碎旋耕機械提出了以下技術要求：①旋耕后耕深值應達到10cm以上；②粉碎后的根茬要直接覆蓋在土壤表層或與土壤直接混合，根茬破碎率要達到90%以上[15]。

3.3評價指標

耕深值具體測試方法為：在東北農業大學小區玉米試驗田隨機選取6個測試點，各耕深點間距大于1m；旋耕后用耕深尺測量各耕深點深度。耕深值計算公式為

(2)

其中，n為測試點。

在測試旋耕深度的同時，在旋耕區域隨機選取0.5m×0.5m的耕地，旋耕機耕作后的根茬按長邊小于5cm、大于等于5cm、完整(60%未被粉碎)根茬劃分，并測出其總質量。其計算公式為

(3)

式中ki—測試點內5cm以下根茬的質量；

k—測試點內根茬的總質量。

3.4試驗方法

本試驗根據旋耕機關鍵部件設計給定各因素取值范圍，確定影響耕深及根茬破碎率的主要因素為旋耕機前進速度、刀軸轉速、刀齒齒數，取值范圍為前進速度0.3～0.7m/s、刀軸轉速為200～250r/min、刀齒齒數8～12片。采用響應曲面法進行實驗設計，因素水平表如表2所示。

3.5田間試驗

試驗以自走式小區旋耕機前進速度、刀軸轉速、刀齒齒數為主要因素，采用Box—Behnken試驗設計對其進行優化，結果如表3所示。

3.6試驗結果分析

從表3可以看出：各因素對耕深影響均達到了10cm以上，滿足了旋耕作業要求。利用Design Expert7.0軟件對表3中根茬破碎率試驗數據進行二次多元回歸擬合，得到根茬破碎率的回歸方程為

Y=94.74+0.62x1-0.28x2+1.82x3-

4.96x12-4.66x22-2.86x32-

2.87x1x2+4.48x1x3+1.38x2x3

回歸決定系數R2=0.944 2，修正決定系數為0.872 4。這說明，試驗誤差相對較小，回歸模型顯著，能夠很好地描述試驗結果，使用該方程代替真實的試驗點進行分析是可行的。根茬破碎率回歸統計分析結果如表4所示。

表2　響應面因素水平編碼表

表3　Box—Behnken設計方案及試驗結果

表4　根茬破碎率回歸統計分析結果

續表4

3.7根茬破碎率響應曲面分析

根據響應曲面圖，可分析各因素對響應值的影響和各個因素間的交互作用。由表3中各項系數的P值可知：前進速度、刀軸轉速、刀齒齒數對旋耕機根茬破碎合格率有極顯著影響，影響程度由高到低依次為刀齒齒數、前進速度、刀軸轉速。

圖3～圖5分別為旋耕機前進速度、刀軸轉速、刀齒齒數對根茬破碎合格率交互作用的響應曲面分析圖，且考察兩個因素變化對指標影響時，第3個因素固定在零水平上。

由圖3可知：在旋耕機刀齒齒數一定的情況下，前進速度、刀軸轉速增大時，根茬破碎率逐漸增加，直到根茬破碎率達到最大值；之后，根茬破碎率隨著前進速度、刀軸轉速的進一步增加逐漸減小。

由圖4可知：在旋耕機刀軸轉速一定的情況下，前進速度、刀齒齒數增大時，覆土合格率逐漸增加；直到根茬破碎率達到最大值之后,根茬破碎率隨著前進速度、刀齒齒數的進一步增加逐漸減小。

由圖5可知：在旋耕機前進速度一定的情況下，刀軸轉速、刀齒齒數增大時，根茬破碎率逐漸增加；直到根茬破碎率達到最大值之后,根茬破碎率隨著刀軸轉速、刀齒齒數的進一步增加而逐漸減小。

3.8田間驗證試驗

為檢驗其可靠性，以旋耕機前進速度0.6m/s、刀軸轉速224r/min、刀齒齒數11片為參數進行了玉米根茬地驗證試驗。在此條件下，旋耕深度可達到13cm，玉米根茬破碎率達到95%以上。旋耕后土壤表面結構如表5所示。

圖3　前進速度和刀軸轉速對根茬破碎率響應曲面圖

圖4　前進速度和刀齒齒數對根茬破碎率響應曲面圖

圖5　刀軸轉速和刀齒齒數對根茬破碎率響應曲面圖

旋耕深度/cm根茬破碎率/%1395

旋耕后根茬均勻分布在土壤表面，滿足旋耕后耕深值應達到10cm以上、粉碎后的根茬要直接覆蓋在土壤表層或與土壤直接混合、根茬破碎率達到90%以上等作業要求。土壤結構如圖6所示。

4結論

1)設計了一種適合小區作業的自走式旋耕機，對其工作原理及關鍵部件進行了有效的分析，對旋耕機耕幅、刀軸轉速進行了計算選擇。

2)采用Box—Behnken中心組合實驗設計方法對小區自走式旋耕機進行了田間試驗。結果表明：旋耕機前進速度0.6m/s、刀軸轉速224r/min、刀齒齒數11片時，旋耕深度平均值最大可達13cm，根茬破碎率達到95%以上，滿足了小區作業基本要求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0165-EA

Study on a Self-propelled Rotary Cultivator Used in Village

Wang Yingxue, Zhao Lijun, Liu Huanyu, Li Qiang, Zhou Fujun, He Di

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：The the structure composition and working principle of a self-propelled rotary cultivator used in village. Box-Behnken central composite design method was employed to analyze the maize root crop field experiments of rotary tillage operation. Optimal parameters were obtained as the forward speed is 0.6m/s，rotary speed is 224r/min，blade teeth is 11 evaluation index to achieve the optimal rotary cultivator.Rotary tillage depth may reached 13cm,corn stubble root breakage rate of 95% which meets the basic requirement for residential area operation.

Key words：rotary cultivator; self-propelled; parameters optimization

文章編號：1003-188X(2016)04-0165-05

中圖分類號：S222.3

文獻標識碼：A

作者簡介：王英雪(1988-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，(E-mail) 15774509739@163.com。通訊作者：何堤(1951-)，男，吉林德惠人，教授，博士生導師，(E-mail)hedi04511558@sohu.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-04)

收稿日期：2015-05-11