茶田翻耕機耕作部件運動分析

代紅朝+肖宏儒+梅松+宋志禹+韓余

摘要：為了探索茶田翻耕機耕作部件的運動規律，確定最佳作業參數，通過對茶田翻耕機刀具的結構特點、運動軌跡、動力學特性、重耕漏耕以及切土功耗進行理論分析，構建了耕作刀具在土壤下的運動模型，并通過室內土槽試驗得出該機具重耕量較小，耕深穩定系數達91.54%，翻土功率0.155 kW，驗證了理論分析和模型的可靠性，正交試驗結果表明，當曲柄轉速為105 r/min、行走速度為0.30 m/s、曲柄軸與連桿軸所在直線傾角為45°時，重耕漏耕量為6.39 cm、碎土率為68.3%、切土功耗為0.114 9 kW、耕深穩定系數為92.08%，此時作業性能最佳，符合茶園農藝要求，可依此設計變速齒輪參數，為進一步尋求省力、低功耗的刀片參數來減小耕作阻力、提高耕作效率的研究與設計提供了參考。

關鍵詞：茶田翻耕機；動力學分析；重耕漏耕；功耗；虛擬分析

中圖分類號： S222文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0174-06

隨著社會的發展，人們對茶葉的需求越來越大。根據中國茶葉流通協會發布的數據顯示，2014年，中國茶葉產量209.2萬t，比2013年增長10.33%，占全球茶葉總產量的 41.6%[1]。然而茶園管理過程中長期缺乏合理有效的耕作而造成茶園普遍土壤板結、硬化等，導致土壤肥力下降[2-4]。隨著農業現代化的提出，茶園機械化也逐步提上日程，政府逐年增加對茶葉機械的研發經費，隨之而來的是茶園機械應運而生。當前茶果園等行間間隙有限，常規田間耕作機械難以進入，而人工翻土作業存在人力資源緊張、體力消耗大、效率低等問題，茶田的機械化翻耕一直是茶農和農業現代化急需實現的目標。

本研究對茶田翻耕機耕作部件的結構特性進行了分析，并利用實體建模和虛擬仿真技術對耕作部件進行模擬仿真，目的是通過虛擬分析得出耕作部件運動特性，以求控制其耕作過程，調整耕作機構相關參數，進而改進樣機，并通過室內土槽試驗得出該機具有良好的作業性能。整機結構設計精巧而緊湊，特別適用于空間狹小的作業場所，為茶園耕作作業機械化提供了理想裝備，提高了工作效率，降低了勞動強度，克服了傳統試驗研究存在的設計周期長、效率低的問題，為茶果園耕作機械的設計提供理論依據和可行方法。

1耕作部件結構及工作原理

目前，耕作機械有多種分類，按耕作方式可分為犁式作業、臥式旋耕、立式旋耕、刨耕、撬翻，后2種多用于茶果園等經濟作物壟間整地作業過程中。本研究所述茶田翻耕機是由無錫華源凱馬發動機有限公司、農業部南京農業機械化研究所等聯合研制而成，整機包括機架、前支架、深度調節器、驅動皮帶盤、從動皮帶盤、傳動皮帶、扶手架、離合手把組件、深度調節手把、發動機總成、變速箱總成、耕作機構（曲柄、搖桿、連桿、翻耕刀）、行走輪，其中翻耕刀與連桿一端以螺栓固定連接，從而以這種新型的應用于小型耕作機械的曲柄搖桿機構控制翻耕刀翻土作業，翻耕刀以模仿人工翻土的方式進行機械化作業[5]，屬于刨耕方式。茶葉翻耕機樣機見圖1。

發動機總成輸出的動力通過皮帶傳動到變速箱總成，其中，變速箱總成上有3根輸出轉動軸，1根驅動1對行走輪，使翻耕機向前行走；1根與1對搖桿分別以軸承相連，支撐耕作部件運動；1根驅動1對共線反向的曲柄，曲柄又帶動搖桿、連桿運動，翻耕刀亦跟隨連桿以模仿人工鋤地的動作實現翻耕土地的機械作業，且作業時可利用土壤作用于刀具水平方向的反作用力克服一部分整機前進作業時受到的地表阻力，從而減輕發動機負荷，節省能耗。耕作部件結構見圖2。

2耕作部件各主要參數數學模型

2.1運動軌跡的數學模型

茶田翻耕機翻耕刀在耕作過程中的運動軌跡是設計耕作部件結構的理論基礎，對茶田翻耕機作業性能的影響至關重要[CM（25]。運動軌跡分為靜軌跡和動軌跡，而動軌跡特性反映耕作

[TPDHC2.tif]

部件作業參數理論設計是否滿足茶園土壤翻耕農藝要求，是評價茶田翻耕機等耕整地機械耕深、重耕漏耕等的理論基礎。為此，建立耕作部件曲柄搖桿結構封閉矢量位置方程式：

[JZ（]l[DD（-*2][HT6]→[DD）]1+l[DD（-*2][HT6]→[DD）]2+l[DD（-*2][HT6]→[DD）]3=l[DD（-*2][HT6]→[DD）]4。[JZ）][JY]（1）

其復數形式為：

[JZ]l1eiφ1+l2eiφ2+l3eiφ3=l4eiφ4。

式中：曲柄OA、連桿AB、搖桿BC、變速箱總成上曲柄驅動軸與搖桿支撐軸間連線OC分別用矢量l[DD（-*2][HT6]→[DD）]1、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]2、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]3、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]4表示，方向如圖3坐標系xOy中箭頭所示，且與坐標軸x軸正向的夾角分別為φ1、φ2、φ3、φ4（φ4=0），長度分別為l1、l2、l3、l4。

由于曲柄初始相位角、各桿件長度已知，運用歐拉公式對公式（1）進行數學求解得：

[JZ（]φ3=2arctan[SX（]A+[KF（]A2+B2-C2[KF）]B-C[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：A=2l1l3sinφ1、B=2l3（l1cosφ1-l4）、C=l22-l21-l23-l24+2l1l4cosφ1。

將公式（2）帶入關系式l1sinφ1+l2sinφ2=l3sinφ3可求得：

[JZ（]φ2=arcsin（l3sinφ3-l1sinφ1）/l2。[JZ）][JY]（3）

設圖3中翻耕刀簡化機構BD、DE的長度分別為l5、l6，其夾角為φ5，OC與水平方向所夾銳角為φ6=45°，翻耕刀刃部靜態軌跡的運動方程為：

[JZ（][JB（{]xE=（l2+l5）cosφ2-l6cos（φ5-φ2）+l1cosφ1yE=（l2+l5）sinφ2+l1sinφ1+l6sin（φ5-φ2）[JB）]。[JZ）][JY]（4）

耕作部件作業時行走速度為v，時間為t，翻耕刀刃部動態軌跡的運動方程為[6-7]：

[JZ（][JB（{]xE=（l2+l5）cosφ2-l6cos（φ5-φ2）+l1cosφ1-vtcosφ6yE=（l2+l5）sinφ2+l1sinφ1+l6sin（φ5-φ2）-vtsinφ6[JB）]。[JZ）][JY]（5）

[TPDHC3.tif]

2.2翻耕刀刀尖速度分析

取曲柄與變速箱總成的鉸接點O為坐標原點，水平線為x軸，建立如圖2所示的直角坐標系xOy。由于耕作部件在圖示相位角處，當曲柄軸順時針轉動時，運用三心定理可分別確定：曲柄、搖桿的相對瞬心位于連桿與OC的交點處M，變速箱總成（即機架）、連桿（可與翻耕刀視為同一構件）的相對瞬心（此時由于機架沒有行走速度而又被稱為絕對瞬心，即此時N點處絕對速度為0）位于搖桿與OA延長線的交點處N，設主動曲柄、連桿、搖桿的角速度分別為ω1、ω2、ω3，B、E、M 3點處速度大小分別為vB、vE、vM，則可得出如下3個式子[8]：

[JZ（]vM=|OM|·ω1=|CM|·ω3。[JZ）][JY]（6）

[JZ（]vB=|BN|·ω2=|BC|·ω3。[JZ）][JY]（7）

[JZ（]vE=|NE|·ω2。[JZ）][JY]（8）

有公式（6）、（7）可求出ω3并帶入公式（8）求得翻耕刀刀尖E點處速度（方向垂直于NE向下）：

[JZ（]vE=[SX（]|NE|·|BC|·|OM||BN|·|CM|[SX）]·ω1。[JZ）][JY]（9）

2.3急回運動特性分析

耕作部件中主要由曲柄搖桿機構控制翻耕刀的運動行程，從圖4可以看出，曲柄分別處于OA1、OA2時是2個極位，通過各桿件初始參數（OA=66.5 mm，AB=147 mm，BC=250 mm，OC=193.6 mm）及三角函數公式計算可得極位夾角，通過作圖法得出極位夾角B1OA2（a）為50.9°，擺角B1CB2（b）為40.94°。當耕作部件作業時曲柄以恒定的角速度轉動時（方向如圖4所示），搖桿在2個極位之間來回往復擺動，且曲柄轉動1周時搖桿做1次完整的往復擺動并回至初始位置。當曲柄從OA1勻速轉動至OA2時（即前段行程），搖桿從CB1擺動至CB2，當曲柄從OA2勻速轉動至OA1時（即后段行程），搖桿從CB2擺動至CB1，由此可見，前段行程曲柄轉過角度明顯小于后段行程，即前段行程時間小于后段行程時間，由于搖桿往復擺動的行程相同可知搖桿在前段行程中平均速度大于后段行程，此即急回運動特性[8-9]，而翻耕刀在前段行程中是主要作業過程，因此，該耕作部件結構正好利用此特性利于刀具切入土壤，并在一定程度上減小了動力的輸入，即降低了功耗。

2.4傳力性能分析

在耕作部件結構簡圖中，如果忽略摩擦力、重力、慣性力等的影響，評價其傳力性能的指標主要是壓力角和傳動角，當主動曲柄經連桿驅動搖桿端點B的力將沿AB方向，與該點處速度方向之間的夾角即為壓力角，圖5中角α所示，而連桿與搖桿之間所夾銳角即連桿機構所在位置的傳動角，傳動角越大對此耕作結構傳力愈有利，即傳力性能越好。曲柄轉動至與變速箱總成（機架）上OC連線共線時傳動角達到最值（改變各桿件長度參數可改變傳動角的最值），作圖法測量得最小傳動角為22.4°（圖5）。

3耕作部件作業過程仿真分析

為了模擬茶田翻耕機耕作部件的運動規律和作業特性，運用三維實體建模軟件Solidworks對耕作機構各桿件建立模型，并通過虛擬裝配可以觀察各機構桿件間的運動情況。為了更加直觀地分析和觀察耕作部件的運動規律，將所建三維實體模型通過轉換格式并以部件的形式導入機械系統動力學自動分析軟件ADAMS，進行更加直觀、形象、精確的模擬其耕作運動過程，從而驗證上述理論模型分析[10-13]。

運行ADAMS/View并對耕作部件賦予運動屬性，建立約束、驅動條件（模型中，0.3 m/s、125 r/min，方向為圖9中順時針方向）后進行虛擬運動仿真分析，其虛擬樣機模型見圖6，設置仿真參數：end time：3，step size：0.01，選取運動學仿真類型。

選取耕作部件中搖桿所在擺動中心軸處的轉動幅為測量對象[14]，測得搖桿轉動角度（°）隨時間（s）變化的曲線見圖7，從圖7可以看出，搖桿的擺動角度隨著翻耕機作業呈現正弦或余弦規律變化，且最大擺角為曲線上下幅值之差，為4075°，與上面的理論計算結果40.94°相近。

選取翻耕刀刀尖頂點為研究目標的運動質點，可繪制出樣機模型虛擬運動軌跡，從圖8可以看出，軌跡顯示此時樣機

虛擬作業時基本無重耕漏耕現象發生，滿足茶園耕作農藝要求。通過改變仿真作業行走速度為0可繪制其靜態軌跡見圖9，此連桿曲線（即靜態軌跡）無尖端等不利于耕作部件高效作業的現象發生，觀察耕作部件虛擬仿真靜態作業過程發現，當其從圖9-b所示狀態作業至圖9-c所示狀態時（前段行程），翻耕刀（此時主要處于即將入土和剛入土的狀態）作業速度明顯提高，而在從圖9-c所示狀態至圖9-b所示狀態作業時（后段行程），翻耕刀（此時主要處于即將出土和出土后階段）作業速度明顯減小，這正是巧妙合理的利用了耕作機構具有的急回特性，同時翻耕刀入土后會受到土體對其反向（翻耕機前進方向）的阻力，從另一方面講這正好為翻耕機提供了部分行走動力，減小了整機能耗。

選取翻耕刀刀尖頂點為研究目標，同樣可繪制出翻耕刀在水平、垂直方向上的速度（mm/s）隨時間（s）變化曲線，從圖10可以看出，當所選翻耕刀刀尖頂點處于初始相位角狀態即圖9-a時，具有較大的向下的垂直速度和較大的向后的水平速度，且此種狀態持續于翻耕刀從圖9-b所示狀態作業至圖9-c所示狀態時（前段行程），而翻耕刀從圖9-c所示狀態至圖9-b所示狀態作業時（后段行程），具有較小的向上的垂直速度和較小的向前的水平速度。運動合成后的狀況就是翻耕刀在前段行程中作業速度明顯較高，而在后段行程中作業速度明顯較小，因此，與理論分析一致。

4試驗驗證

為了驗證理論分析與虛擬仿真的可行性，獲得KM3CG-50[CM（24*2]型茶田翻耕機耕作部件最佳作業性能參數，于2016年4

月在江蘇大學利用農業裝備工程學院室內直立式土壤高速切削試驗平臺對耕作部件進行了試驗驗證分析。

4.1試驗裝置與測試方法

試驗臺如圖11所示，主要由土槽、行走機構、驅動機構、懸掛機構、耕作機構、數據采集與處理系統、上位機等組成。其中耕作機構由無錫華源凱馬發動機有限公司制造，懸掛機構由江蘇省鎮江市丹徒環球機電配件廠負責制造，數據采集系統主要有北京龍鼎金陸測控技術有限公司LDN-08D型動態扭矩傳感器、F/V轉換模塊、NI USB-6008采集卡、SONCLE SRS-05VDC-SL繼電器等組成，上位機通過LabVIEW程序控制并以Excel表格形式輸出采集參數。試驗性能指標的測定方法、采樣數等參考標準《GB/T 5668—2008旋耕機》《JB/T 9803.2—2013耕整機》《GB/T 5262—2008農業機械試驗條件測定方法的一般規定》等[15-16]實施。

4.2仿真試驗驗證

通過調整行走電機、轉動電機的頻率使耕作部件作業行走速度為0.3 m/s（24 Hz）、曲柄轉速為125 r/min（12.5 Hz）、耕深為10 cm。試驗前用5點法測得所選土壤各點處堅實度（HJD-2型數字式土壤緊實度儀）、含水率（TS-1型土壤水分速測儀），平均值分別為106.7、79.0、91.0、87.0、950 N和

4.2.1耕深穩定性

依然用5點法選取各點并用耕深尺測定耕深，測量及計算方法參考標準文獻，測量相關數據見表1，結果表明，耕深穩定性系數高達91.54%，表明該機耕深穩定，作業過程平穩，且完全符合茶田翻耕對土壤的要求[17]。

測定翻耕后2翻耕刀翻土軌跡的最大橫向距離即為耕寬，并用卷尺測定5點取平均值為350 mm。以此作業參數可以計算此時的生產率為0.038 hm2/h，該機茶園間作業速度可達0.5m/s，生產率為0.063 hm2/h。

4.2.2重耕漏耕

當茶田翻耕機翻土作業時，測量同一翻耕刀完成1次翻耕作業時的入土點與出土點之間的水平距離并

4.2.3碎土率

碎土率參考標準文獻進行標準測試，測得數據見表3，此時碎土性能較好，符合茶園耕作土壤的農藝要求。

4.2.4切土功耗

有傳感器測得電壓信號經過轉換后輸出轉速、扭矩數據，并通過程序內部計算同時輸出功率，經上位機輸出的數據轉化為二維推積折線見圖12，取中間穩定作業時的部分數據處理后求得平均值見表4。分析可知，此時茶田翻耕機作業時翻耕刀切土功耗較小，而耕深穩定、碎土率高，作業性能良好，作業效率較高。

4.3正交試驗

4.3.1試驗設計

試驗因素與試驗指標較多，但是目前已研究且有實際意義的相對有限，以重耕漏耕、碎土率、耕深穩定性、切土功耗作為試驗指標，以行走速度（v）、曲柄轉速（n）、入土角（α）作為試驗因素，進行3因素3水平的正交試驗（表5）。[CM（23*2/3]根據試驗臺電機頻率的調節范圍和仿真試驗的工作參

數，選用正交表L9（34）進行設計（表6）。

4.3.2試驗結果分析

5點法測得土壤各點處堅實度、含水率平均值分別為86.0、82.5、153.4、134.4、128.3 N和8.3%、10.2%、7.6%、10.1%、8.2%。測得試驗結果見表7。

中可以看出[18-19]，試驗3、試驗6存在一定的重耕現象， 但是茶田間隙較小，且地形多崎嶇不平，不利于保持水土流失，不利于節能等，而茶園農藝又允許存在一定的漏耕現象，故而不是最佳作業參數；試驗2存在微量的漏耕；試驗4、試驗7、試驗8存在較大程度的漏耕現象；試驗1、試驗5、試驗9存在較適量漏耕，碎土率分別為66.23%、68.30%、6910%，耕深穩定性系數分別為92.13%、92.08%、9145%，作業結果均符合茶園農藝要求，作業速度分別為0.25、0.30、0.35 m/s，由于消耗功率0.263 0 kW>0.129 9 kW>0.114 9 kW，故試驗1可作為低速作業參數設計，由于試驗9的功率是試驗5的2倍，而速度基本相當，從節能角度考慮，試驗5的設計參數最具有經濟價值，最合理的設計參數為試驗5，即曲柄轉速為105 r/min，作業速度0.30 m/s，曲柄軸與連桿軸所在直線傾角為45°，為設計變速箱的傳動比提供了依據。

5結論

對茶田翻耕機耕作部件作業過程進行了運動學分析，建立了翻耕刀刀尖的運動軌跡和速度的數學模型，得出搖桿擺角為40.94°，且在前段行程中平均速度大于后段行程。

在ADAMS軟件中進行了虛擬樣機仿真，得出了翻耕刀運動軌跡和速度曲線圖，分析結果表明，搖桿擺角為40.75°，翻耕刀在前段行程中作業速度明顯高于后段行程。室內土槽試驗表明，重耕量較小，考慮土壤黏性的影響，可認為仿真軌跡可靠；耕深穩定系數達91.54%，耕后碎土率為70.8%～72.5%，符合茶園農藝要求，較好反映了對耕作部件的仿真結果，符合理論分析的結果。

正交試驗結果表明，耕作部件最合理的作業參數為曲柄轉速105 r/min、作業速度0.30 m/s、曲柄軸與連桿軸所在直線傾角為45°，為設計變速箱齒輪參數的設計提供了理論依據。

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