不同刀片形式對反轉旋耕機作業性能的影響

朱繼平　陳偉　袁棟　丁艷　夏敏　姚克恒

摘要：用Matlab仿真工具，通過仿真反轉旋耕刀片的運動軌跡，研究反轉旋耕刀的切削機制，分析反轉旋耕刀片影響整機驅動功耗和作業質量的因素。田間試驗在高、低留茬麥茬地下，1GKF-200型反轉旋耕機安裝IT245、直角刀、焊接刀和圓弧直角刀4種刀片，測定它們的驅動功耗和作業質量，通過對比評價刀片的技術性能。結果表明，安裝直角刀的機具在高留茬（留茬高度≥25 cm）和低留茬（留茬高度≤20 cm）條件下，均有良好的埋茬效果；低留茬條件下，機具驅動功耗差異不明顯，值得進一步研究。

關鍵詞：反轉旋耕機；直角刀；IT245；焊接刀；圓弧直角刀；驅動功耗；作業質量

中圖分類號： S2223文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0235-06

HJ13mm]

收稿日期：2016-12-27

基金項目：公益性行業（農業）科研專項（編號：201503119-02-01）；江蘇省科技計劃項目（編號：SBN2014010318）。

作者簡介：朱繼平（1963—），男，陜西寶雞人，研究員，主要從事耕整地機械研究。E-mail：zhujip@163com。

通信作者：陳偉，碩士，研究實習員，主要從事耕整地機械研究。E-mail：chenweiccbb@163com。

反轉旋耕機以其良好的埋茬覆蓋效果，成為稻麥兩熟地區秸稈機械化還田的主要機具，也用于綠肥翻埋、有機肥混施、中低產田土壤改良。

反轉旋耕機（又稱為反轉滅茬機、反轉滅茬旋耕機等）是反轉旋耕技術應用的基本機型，其結構形式有圓梁式、框架式2種。2種形式機具主要區別在于側邊齒輪箱體的方向，圓梁式向后傾斜，框架式與水平面基本垂直。傳統的圓梁式由于加工工藝復雜，加工費用高，已逐漸被框架式所替代。

反轉旋耕技術不同于傳統的正轉旋耕技術，它的旋耕刀是由下向上切削土壤，作業時旋耕刀軸旋轉方向與旋耕機組驅動輪的旋向相反，旋耕刀切削土壤的切削機制也不同于正轉旋耕作業，刀片切削土壤方向是由有約束的溝底向無約束的田面作用，在作業速度相同的情況下，刀片的切削速度可以取較小的值，理論上可以減少整機的功率消耗1]。

雖然反轉旋耕機應用較早，過去主要受大型拖拉機發展的影響，推廣應用受到一定的限制。反轉旋耕機使用中存在的主要問題為整機功耗較大，生產率低。功耗大的主要原因是反轉旋耕機一般仍采用傳統的正轉旋耕機的旋耕刀，刀身長，刀片在土壤中的作用軌跡長，刀片向上的升土和向后的拋土能力差，造成刀軸前方大量積土，刀片會對切下的土壤過度切削粉碎，使得機具整機功耗增加。

針對反轉旋耕機沒有適用的旋耕刀片問題，通過Matlab仿真工具，精確描繪刀片不同工況下的運動軌跡圖，以分析反轉旋耕刀的切削機制，為刀片的設計提供理論依據。通過IT245、焊接刀、直角刀、圓弧直角刀田間對比試驗，評價其作業質量、機具功耗，以篩選適用的刀片。

1研究現狀

反轉旋耕的研究已有40多年歷史。國外，前蘇聯學者發現了反轉旋耕能減少切削阻力，穩定耕深；日本學者發現反轉旋耕能實現深耕，提高作業質量。國內，王長兵等提出了潛土逆旋理論，采用計算機仿真、數學建模、高速攝像等方式，進行刀片的切削機制、拋土性能、刀片運動和功耗等方面的研究2-4]；陳鈞等研究了下切式節能型旋耕刀的設計理論和設計方法，提出切削曲線成型法和正切面“凸胸扭翼”形狀能降低切土功耗5-6]；南京農業大學工學院丁為民等采用對比試驗、理論分析方法，研究了反轉旋耕刀性能、切土扭矩的影響因素及反轉旋耕刀滑切角的計算方法7-8]；浙江大學馬旭等采用模糊試驗分析方法，研制出了具有良好升拋能力的凹形鏟刀逆轉刀輥與開式土鏟組合的拋土部件9]。

過去對常規反轉淺旋耕技術和潛土逆旋的深旋耕技術進行了多方面的研究，從旋耕刀切削曲線成型、形狀等方面對節能型反轉旋耕刀提出了設計理論和設計方法，可以用于指導反轉旋耕技術的研究和應用10]。但對提高反轉旋耕刀的升土和拋土能力的研究還不多，對影響反轉旋耕機功耗和作業質量因素的系統研究還明顯不足，實際應用還沒有專用旋耕刀產品。現行的反轉旋耕機依舊采用傳統的正轉旋耕刀片，機具功耗大，秸稈覆蓋質量無法完全滿足農藝要求。因此，有必要對反轉旋耕機刀片切削機制、刀片的升土和拋土過程進行深入研究，以優化反轉旋耕刀的設計，為反轉專用旋耕刀的設計提供技術指導。

2反轉旋耕機的工作原理

反轉旋耕機利用機組前進速度和旋耕刀輥旋轉運動的復合運動，完成對土壤的切削碎土和植被的覆蓋作業。反轉旋耕機刀片切下土垡后，通過刀輥與機罩組成封閉的通道，向后拋出。刀具旋轉的同時也將根茬、地表的秸稈、雜草等植被帶起，向后拋出，長的秸稈、雜草和根茬等被擋草柵擋下，落到前方，短的拋出擋草柵，落到后方。向后拋出的土垡，在與機罩碰撞下，改變方向，進一步細碎化；由于土垡之間的質量、體積差異，受到空氣阻力、土塊之間相互作用的影響，落到機組后方，完成植被的覆蓋作業（圖1）。

3反轉旋耕機刀具的切削機制

反轉旋耕機的刀具從下向上切削，刀刃切土的順序與正轉相反，刀具的正切刃先切土，然后側切刃逐步切土。刀具刃部軌跡為水平向前直線運動和反向旋轉運動的復合運動形成的倒置余擺線。刀具的側切刃切出溝壁，正切刃切出溝底，正切面將切出土垡帶出，并向后拋出。如圖2建立直角坐標系，O點為刀軸中心，A點為刀刃上點，R為該點的回轉半徑，當機組以速度Vm前進，同時刀軸以角速度ω作業時，經過時間t后，刀軸中心到達O1，刀刃部的點為A1（x，y），其運動分析圖及運動方程見圖2、公式（1）。

FK（W11]TPZJP2tif]

x=Vmt+Rsin（ωt）；y=-Rcos（ωt）。JZ）]JY]（1）

公式（1）仿真后的旋耕刀運動軌跡見圖3。

FK（W12]TPZJP3tif]

4刀具對反轉旋耕機作業功耗影響分析

影響旋耕機作業功耗的因素有很多，刀具結構形式是重要的因素之一。對于反轉旋耕機來說，由于其作業工作原理和刀具的切土機制同正轉旋耕機不同，對刀具的結構要求也有所不同。反轉旋耕機功耗主要為驅動功耗，公式（2）為驅動功耗的計算公式：

P=Mω=Mπn30。JZ）]JY]（2）

式中：P為驅動功耗，W；M為驅動扭矩，Nm；n為轉速，rmin。

驅動扭矩主要為克服刀具切削阻力、升土和拋土阻力等所需的作用力矩。影響刀具切削阻力的因素有刀具的切削角（或入土角）、刀刃的刃口鋒利程度、刀具正切面和側面寬度等。升土和拋土是反轉旋耕作業時重要的步驟，刀具需要把切下的土垡從下帶起，通過刀輥與機罩形成的通道，向后拋出。因此，提高刀具的升土和拋土能力，減少刀具對土垡的重復切削，可減少切削阻力，提高升土和拋土的效率，可以大大降低機具的功耗。影響刀具升土和拋土能力的因素主要有刀具安裝角、正切面的彎折位置和彎折角、結構形狀、刀具正切面和側面寬度以及刀軸的轉速等。圖4為不同刀具入土角和出土角。

FK（W10]TPZJP4tif]

IT245型標準刀在耕深120 mm時，最低點的入土角為26°，耕深120 mm時的出土角（刀具正切面與地表的夾角）為33°；R245型直角刀入土角為36°，出土角為27°。一般情況下，入土角大，機具容易入土，但對土壤的擠壓嚴重，入土阻力增大；對反轉旋耕機來說，入土角大，刀具的升土和拋土能力增大。出土角大小主要影響刀具的升土能力，出土角小，刀具正切面的斜角小，土垡不容易滑落，升土能力強；反之，出土角大，土垡容易滑落，升土能力弱。

采用特殊刀具結構，如給刀具側切面、正切面增加擋土面，改善土垡在刀刃面的運動狀態，可以增強土壤的升土和拋土能力。圖5為增加擋土面的刀具結構示意圖。

FK（W9]TPZJP5tif]

適當增加刀具正切面和側面寬度，可以增加刀具的載土量，從而提高刀具的升土和拋土能力。

不同作業工況影響刀具的運動軌跡形狀，刀具出土時的切削速度方向不同，同樣也影響刀具的升土和拋土能力。圖6為不同刀軸轉速對刀具切削速度方向的影響示意。

如圖6所示，刀軸轉速200、240、280 rmin變化時，刀具出土時的切削速度V與地表線夾角逐漸變大，刀具對土垡向上的作用速度增大，刀具的升土和拋土能力增大，當然刀軸轉速增加，整機的功耗也會增加。因此，選擇合適的刀具，還要配合適宜的刀軸轉速，既可以增加刀具的升土和拋土能力，又能降低大機具的功耗。

增大刀具的安裝角，減少刀具在土壤中的作用軌跡長度，可以降低整機功耗。如IT245型旋耕刀，安裝角為22°，側切刃長，滑切能力強，適用于正轉旋耕作業，防止地表的秸稈、雜草等纏繞，無法入土，但側切刃長后，刀具在土壤中的作用時間延長，整機功耗就大。直角刀一般安裝角為40°左右，側切刃縮短，滑切能力減弱，可以減少刀具在土壤中的作用長度。地表的秸稈、雜草等長度較短時，對其影響不大，只需帶向后方，當地下根茬較少時，可以降低整機的功耗。

5反轉旋耕機刀片對其作業質量的影響分析

反轉旋耕機作業一般用于稻麥秸稈覆蓋還田和土壤耕整作業。農藝對一般的旋耕作業質量要求為耕深適宜、深度穩定、土壤細碎、秸稈覆蓋嚴密、耕后地表平整等。對反轉旋耕作業，尤其提出要對秸稈適應能力強，對低茬10 cm左右，還是高茬25 cm以上，要有良好的適應性，對秸稈的種類和密度也要有好的適應能力。考慮到水稻旱直播和冬小麥種植的耕作要求，希望耕層上部0～5 cm范圍內，秸稈量要少，以利于播種和后期作物的生長。反轉旋耕作業質量評價需要引入耕層秸稈分布，通過測定耕層上層0～5 cm單位面積覆蓋的秸稈量占全耕層總秸稈量的百分比，評價秸稈覆蓋質量。該指標可以間接評價刀具及刀輥作業系統的升土和拋土能力，覆蓋在秸稈上的土層越厚，耕層上部的秸稈量越小，刀具及其刀輥系統升土和拋土能力就越強。刀具的切削能力強，有利于碎土；增加刀具的表面寬度，有利于提高升土和拋土能力，但是過大的表面寬度，尤其是正切面的寬度過大，刀具切下的土垡截面就大，影響機具的碎土效果，機具功耗也會增大。

64種刀片反轉旋耕機田間對比試驗

試驗通過對采用設計或選擇的4種刀片反轉旋耕機，在高留茬、低留茬條件下機具的作業質量和整機功耗的考核，以評價刀片的適用性和功耗。

61試驗條件

611試驗機具

1GKF-200型反轉旋耕機：框架式結構；刀片排列形式為人字形；刀軸裝刀數為48把（原50把排列，左右兩側也是一內一外，試驗時拆除向外的刀具，以保證耕后溝壁的完整，減少土塊外拋）；刀軸設計轉速為200 rmin（n動=540 rmin）、279 rmin（n動=760 rmin），反轉旋耕機選擇刀片形式見表1。

612配套拖拉機

考慮大馬力拖拉機應用現狀，選用 JS-1304A型拖拉機；拖拉機動力輸出軸轉速：540、760 rmin，試驗用760 rmin；試驗擋位：低Ⅱ擋。

試驗時控制拖拉機油門位置一致；機具耕深調整為10 cm。

613田間試驗條件

土壤質地為壤土，麥茬地，留茬高度為27～40 cm（平均：32 cm），留茬高度在25 cm以上為高留薦，耕前植被4 950 kghm2，無雜草和綠肥；其余情況見表2、圖7、圖8。

FK（W12]HT6H]STHZ]表1刀片形式HTSS]STBZ]

HJ5]BG（！]BHDFG11，WK15。4W]TPZJP5-1tif]TPZJP5-2tif]TPZJP5-3tif]TPZJP5-4tif]

BHDG12]IT245焊接刀直角刀圓弧直角刀

BHDWG42，WK15。4ZQW]SQ2]標準刀，安裝角22°，回轉半徑245 mm，工作幅寬50 mmSQ2]在IT245型標準刀基礎上通過焊接改造，增加刀身寬度，增設刀身擋土面SQ2]安裝角40°左右，回轉半徑245 mm，工作幅寬80 mm，正切刃為外延負角度SQ2]在直角刀的基礎上，正切面的切削刃做成內收的圓弧BG）F]

614試驗地點江蘇省淮安經濟技術開發區廣州路辦事處小堆村；試驗時間：2016年6月16日。

按照GBT 5668—2008《旋耕機》，結合編制的試驗實施方案進行。

62試驗測試參數

測試參數包括驅動功耗、耕深及耕深穩定性、碎土率、植被覆蓋率；還有耕后田面情況和耕層秸稈分布等。

耕后田面情況：要求田面平整，無壅土、壅草情況，無明顯的漏耕，通過目測考核。

耕層秸稈分布：測定耕后土壤耕層中05 m×05 m×05 m 范圍內各層的秸稈質量，以0～5 cm耕層中秸稈質量百分比包括秸稈、根茬（不包括根系部分）占全耕層中總秸稈質量的百分比]表示。

63測試結果

試驗一：高留茬條件測試結果見表3、表4。試驗二：低留茬條件測試結果見表5。

74種刀片反轉旋耕機田間試驗測試結果分析

71不同刀片機具的作業質量及分析

從表3、圖9、圖10、圖11可得出，（1）耕深。試驗時通過液壓和鎮壓輥控制，按照當地農藝要求，測定的結果基本符合

要求。（2）耕深穩定性。測試結果均大于國家標準GBT 5668—2008《旋耕機》的規定（≥85%），符合當地的農藝要求，刀片之間差異不大，直角刀最好。（3）碎土率。測試結果均遠大于國際標準GBT 5668—2008《旋耕機》的規定（≥50%），刀片之間差異不大，IT245最好；由于本試驗考慮刀在現行農業生產中的實際應用，機具配套拖拉機動力較大，機具刀軸轉速較高，機具作業后碎土效果非常好。（4）植被覆蓋率。試驗結果發現，直角刀和焊接刀差異不大，IT245與焊接刀、直角刀相比差異較大，相差分別為134%、130%。可能是因為普通的IT245刀片，側切面和正切面小，正切面彎折角大（120°），向后的輸土能力差；正切刃的滑切角大，向后的帶秸稈能力差，影響了秸稈的覆蓋效果。（5）耕層秸稈分布。它是用于評價反轉旋耕機作業質量的新指標，按農藝需求秸稈應盡量分布在土下5 cm以下，試驗結果表明焊接刀最好，IT245次之，直角刀最差；直角刀按照理論分析輸土能力應該好于IT245和焊接刀，主要原因可能是本次試驗地留茬高度太高，達 27～40 cm（平均32 cm），土壤的水分較大（0～20 cm絕對含水率平均為2921%，容積含水率為3001%），造成試驗時的刀片纏草嚴重，影響了刀片的輸土能力，加上耕前秸稈分布嚴重不均，相差最大達590 gm2，也會影響測試結果（圖8）；耕層秸稈的分布指標也差，從圖11可以看出類似的結果。試驗結果表明，該指標可以作為評價秸稈還田質量的技術指標。（6）耕后地表情況。它是直觀反映機具作業質量的指標。由圖10可知，4種刀片耕后地表平整，埋茬效果依次為直角刀、焊接刀、圓弧直角刀、IT245；IT245最差，地表遺留秸稈較多。測試結果表明，直角刀升土和輸土能力最好，焊接刀次之。說明減小刀片的彎折角、增大側切面和正切面可以提高埋茬能力。

72不同刀片機具的驅動功耗

不同刀片機具的驅動功耗能反映整機的使用經濟性，也是評價刀片質量的重要指標。由于影響機具功耗的因素很多，本試驗主要考核刀片對機具功耗的影響，不同刀片應該在同一工況下評價，由于田間試驗的不確定性因素多，試驗區土壤堅實度不均勻，會影響機具功耗的測試結果。

從表4、圖12可知，試驗一機具的驅動功耗由大到小依次為圓弧直角刀、直角刀、焊接刀、IT245。直角刀作業時刀片纏草嚴重，刀片的切土阻力大，造成整機的功耗大；圓弧直角刀作業時有刀片基本無纏草，但由于可能是試驗時機手對拖拉機的油門控制過大，旋耕刀軸的實際轉速遠高于其他3種刀片，機組作業速度也高于其他刀片。

低留茬條件下的驅動功耗差距不明顯（圖13），IT245的功耗稍大于直角刀，IT245耕深大于直角刀，作業速度又小于直角刀，兩者的影響可以互相抵消。試驗時直角刀也無纏草，耕后地表直角刀優于IT245。

8結論

反轉旋耕機采用直角刀，土壤質地為壤土，留茬高度不大于20 cm，作業后地表平整，埋茬嚴密；旋耕刀軸作業時也基本無纏草，整機功耗與IT245差異不大。直角刀、圓弧直角刀、焊接刀均可以提高機具的埋茬質量，耕后地表情況為直角刀最好。直角刀不適用于留茬高度大于25 cm的麥秸稈還田作業，機具的刀軸纏草嚴重，功耗遠大于其他刀片；圓弧直角刀可以減少刀軸纏草，值得深入研究。采用耕層秸稈分布指標，可以反映農藝對麥秸稈覆蓋還田旋耕作業的技術要求，能用于間接評價反轉旋耕刀具及機具的升拋土能力。要降低反轉旋耕機作業功耗，刀軸轉速需嚴格控制，盡可能不超過 280 rmin。

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