甘蔗地鑿式深松犁角度參數的優化研究

李柏林，李 明，廖宇蘭，韋麗嬌，董學虎

(1．海南大學 機電工程學院，海口 570228； 2．中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

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甘蔗地鑿式深松犁角度參數的優化研究

李柏林1,2，李 明2，廖宇蘭1，韋麗嬌2，董學虎2

(1．海南大學 機電工程學院，海口 570228； 2．中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

針對現有甘蔗地深松犁牽引阻力大的問題，通過試驗分析優化對深松犁綜合性能影響較大的角度因素—犁柄傾角、入土角、入土隙角。采用二次通用旋轉組合試驗，建立了關鍵角度參數與牽引阻力之間的數學模型，對試驗數據進行通徑分析和響應面分析。在保證深松犁作業性能的前提下，確定了犁柄傾角為33°、入土角為25°、入土隙角為6°時為最優的參數組合。田間檢驗試驗結果表明：優化后的深松犁深松性能良好，牽引阻力較低，滿足甘蔗地深松技術要求。研究結果可為進一步優化甘蔗地深松機整體性能提供理論依據和數據參考。

甘蔗地；深松犁；牽引阻力；參數優化

0 引言

甘蔗是我國熱帶地區重要的經濟作物，主產區在廣西大部、廣東、海南及云南的小部分地區，這些地區土壤多為風化充分的紅壤、磚紅壤，土壤比阻和粘性大。近年來，隨著經濟的發展，市場對甘蔗的數量、產量等需求不斷地攀升，因受農業用地資源的限制，擴大作物種植面積可能性很小。因此，為了獲得甘蔗產量的最大化，只能依賴大量施用化肥，結果導致熱區一大部分土地表現出以下特點：①氮肥利用率低、損失嚴重；②作物養分供應不平衡；③土壤酸化、板結，使得土壤養分轉化慢；④土壤微生物區系失衡、土傳病蟲害嚴重；⑤耕地土層淺薄，有機質含量低。從我國熱區氣候和灌溉條件看，季節性干旱是相關作物生產的主要制約因素，除了選育合這些地區抗旱的優良品種之外，耕地機械深耕深松技術也顯得尤為重要[1-2]。

土壤深松是保護性耕作中一項關鍵技術，其通過拖拉機帶動深松機具作業，并通過深松鏟對土壤進行切削與疏松作業。由于深松機不翻土而只對土壤切削和松土，因此不會破壞耕層植被和土壤的團粒結構，從而保持耕層土壤的層次和土壤的自我修復能力。熱帶地區深松作業深度要求35～45cm，打破了由于常年機具作業產生的犁底層，形成上虛下實的耕層結構，從而促進植物根系的發育，提高作物的產量[3-4]；同時，耕層結構的改善和耕層的增加還可以形成土壤小水庫，雨季的時候可以起到蓄水的作用，旱季的時候可以為作物提供生長所需水分，從而實現了土壤水分的自我調節，增強了田間土壤抗旱、排澇的能力。研究表明[5]：深松技術能夠使甘蔗產量提高16.08%。在北方廣泛應用的深松犁在南方熱區使用存在結構單薄的問題[6-7]，用于甘蔗地的深松犁為滿足強度和深松技術要求，尺寸設計得更大，如犁體厚度可達40mm，犁頭一般為鑿式。鑿式犁具有工作性能好、工作阻力低及強度大的優點[8]，犁柄則選用直列前傾式，相比圓弧式犁柄不易沾土。

1 牽引阻力檢測原理與影響因素分析

1.1 牽引阻力檢測原理

深松機的牽引阻力是指土壤作用在機具上的總阻力在沿前進方向的水平分力，這部分阻力直接關系到整個機組的動力性和經濟性，是機具的主要經濟指標之一。深松機牽引阻力的測量計算是強度校核和合理配置機組動力的依據。在實際作業中，拖拉機通過三點懸掛承受來自機具的牽引阻力，機具所受牽引阻力等于為拖拉機上下拉桿對作業機具的水平合力的代數和[9](如圖1所示)，則

P=F2X-F1sinω

其中，P為拖拉機牽引力；F2X為兩下拉桿對機具作用力的水平分力；F1sinω為上拉桿對機具的水平分力；ω為上拉桿與拖拉機的夾角。

1.上拉桿 2.拖拉機 3.下拉桿 4.深松犁 5.機架圖1 機具平面受力簡圖Fig.1 Sketch of forces on implement plane

1.2 主要角度因素對牽引阻力影響分析

深松機所受牽引阻力由3部分組成：機具使土壤破碎、扭轉等形變所需的力；機具在前進時土壤對機具的摩擦力；機具使土壤運動所需的力[10-13]。影響深松機牽引阻力的主要因素有機具工作參數、土壤物理參數及深松機結構參數[14]。機具工作參數(如深松深度、前進速度)一般都有相應的要求，調整范圍有限；而土壤物理參數是客觀條件，所以降低機具牽引阻力主要通過優化深松機結構參數實現。深松犁作為深松機的作業部件，其結構(見圖2)參數對深松機減阻性能起決定性作用。土壤被深松犁朝前上方擠壓、推動、抬升，同時被擠壓到兩側，土壤在與金屬接觸面開始產生裂紋，一直延伸至地表，靠著不斷使土壤產生剪切失效達到疏松的效果[15-16]。與直深松犁柄相比，有一定傾角的犁柄能增加對土壤的擾動量。犁柄傾角、入土角、入土隙角是深松犁的主要角度參數，三者對深松犁工作阻力有影響。如圖3所示：土壤作用在深松犁的力有垂直于金屬表面的法向力N，沿著金屬表面的摩擦力f，兩者的合力為阻力R，可以將阻力R分解為水平分力RX和垂直分力RY。其中，RY即為抬升擾動土壤產生的有效工作阻力，RX是組成牽引阻力的重要部分。RX與各角度參數的關系為

RX=Rcosδ

δ+φ-β=90°

聯立得

RX=Rcos(90°-φ+β)

其中，φ為土壤與金屬的摩擦角，磚紅壤φ取值范圍為30°～36°[17]；δ為合力作用角。由上式可以看出：在工作阻力R一定的條件下，水平分力隨犁柄傾角β的增大而減小。同理可知：RX隨著入土角的增大而增大；入土隙角θ對牽引阻力的影響主要體現在溝底土壤對深松犁的支撐力的水平分力，入土隙角越大水平分力越大。

α.入土角 β.犁柄傾角 θ.入土隙角圖2 深松犁結構示意圖Fig.2 Sketch of Sub-soiling plough

圖3 犁柄受力簡圖Fig.3 Sketch of forces on column

這3個角度因素還會影響深松犁的入土性能，三者的取值應在合理范圍。減小入土角能降低牽引阻力并且提高入土性能，但入土角的減小又降低了對土壤的擾動量。適當增加犁柄傾角能降低牽引力，但犁柄傾角大于65°時，會降低深松鏟的入土能力，甚至達不到所要求的深度。入土隙角越大，入土行程越大；入土隙角過小，則使深松深度穩定性變差[18-19]。通過分析可知：上述3個角度因素都會影響深松犁的綜合性能，為得到較優的角度參數，在保證深松質量的前提下進行試驗，研究這3個角度因素之間的交互作用和對牽引阻力的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗設備

試驗測力設備由3根LLZX軸銷測力傳感器(上海隆旅電子科技有限公司提供)、TST3822靜態應變儀及其配套軟件(江蘇泰斯特電子設備制造有限公司提供)組成。軸銷測力傳感器受力后產生的應變量以電信號的形式傳遞給靜態應變儀，電信號在其中被高倍放大后轉換成數字量，通過TSTDAS3822靜態信號測試分析系統軟件在DELL計算機中進行數據處理。試驗用犁由中國熱帶農業科學院農業機械研究所最新引進的數控機床(見圖4)(廣州奧凌數控科技公司制造)加工，利用乙炔氣割而成，大大提高了加工效率，如圖5所示。

圖4 數控機床Fig.4 Computer numerical control machine tools

圖5 試驗用犁Fig.5 Sub-soiling plough for experiment

2.2 試驗方案

采用二次通用旋轉正交設計方法，傳統的正交試驗法只用于分析離散型變量，不能在給出的整個區域上找到因素的最佳組合和響應值的最優值；而響應面分析法能以較少的試驗次數，求得較精確的回歸方程，且能研究因素間的交互作用，更適用于分析角度這樣的連續變量[20]。根據實際應用情況，設定犁柄傾角水平范圍為120°～170°，入土角為22°～38°，入土隙角為1°～11°，γ=1.682。試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗因素水平

2.3 試驗地點與過程

1)試驗地點：廣東省雷州市龍門鎮金星農場，土壤類型為磚紅壤，土壤含水率22.3%。

試驗時間：2016年5月9日，天氣多云，氣溫26～30℃。

2)試驗機具：按《甘蔗地深耕、深松機械作業技術規范》(GB/T 29007-2012)中的要求進行深松作業，配套拖拉機為東方紅-LX804拖拉機，拖拉機行進速度0.6m/s，深松深度保證40cm左右。

3)試驗方法：按3種因素的不同水平組合一共準備了20個試驗用犁，共進行20組試驗，每組試驗重復3次，數據取其平均值[21-22]。每組試驗選取長100m、寬60m的地塊，前后20m為過渡區，取機組行進平穩的中間60m測量牽引阻力大小[23]。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果與方差分析

試驗安排及結果如表2所示。

表2 試驗組合與結果

續表2

對以上試驗數據進行方差分析，如表3所示。

表3 試驗數據方差分析

輸出結果顯示，入土角對牽引阻力的影響最大，犁柄傾角次之，入土隙角的影響最小。方差分析顯示，回歸方程達到極顯著，即建立響應變量Y關于因素A、B、C的回歸方程是有意義的。 剔除不顯著項目，得各因素與響應變量之間的回歸方程為

Y=4982.92-232.88A+427.74B+177.61C

-149.32AB+128.68BC+191.61A2

+239.71B2+194.83C2

3.2 各因素通徑分析

將試驗數據輸入Spss軟件進行分析，求得深松犁各自變量與響應變量牽引阻力之間的相關系數與直接通徑系數，相關系數如表4所示。

表4 試驗因素相關系數

分析變量間的相關系數，可知犁柄傾角與入土角之間不相關，入土隙角與前面兩者相關。當兩個變量X1、X2彼此相關時，則

其中，ry1、ry2分別為原因X1、X2對結果Y的相關系數，r12為X1、X2之間的相關系數，Py1、Py2分別為X1、X2到Y的直接通徑系數，而Py2r12、Py1r12為間接通徑的系數。此公式反映了某項自變量對因變量之間的綜合作用，可分解為直接作用與間接作用。

根據表4中的數據和上述方程，得到各角度因素對于牽引阻力作用的通徑分析表，如表5所示。

表5 試驗因素通徑分析

通徑分析表明：犁柄傾角增大，直接使牽引阻力減小(-0.348)，但犁柄傾角的增大影響入土隙角，間接使牽引阻力小幅增加(0.020 2)，但總體還是使牽引阻力降低(-0.328)；入土角增大，直接使牽引阻力增大(0.672)，同時通過影響入土隙角間接使牽引阻力小幅增加(0.020 2)，從而進一步加大了對牽引阻力的影響；入土隙角增大，直接使牽引阻力增大(0.266)，同時影響犁柄傾角間接使牽引阻力小幅降低(-0.026 4)，通過影響入土角則使牽引阻力小幅增加(0.051 1)，綜合作用增加了牽引阻力(0.291)。

3.3 各因素交互作用分析

在Design Expert 8.0.6軟件中可得到各因素交互作用的響應面分析圖，能直觀地描述出各個因素之間的交互作用和各因素對響應變量的影響。當分析其中的兩個因素時，第3個因素控制在0水平上，如圖6所示。

圖6 響應面分析圖Fig.6 Response surface analysis diagyam

由圖 6(a)和圖 6(b)可知：入土角取值越大，因犁柄傾角增大而帶來的降阻效果越明顯。在入土角一定時，在20°～35°范圍內增大犁柄傾角能有效降低牽引阻力；但隨著犁柄傾角的進一步增大，減阻效果并無明顯加強，甚至有使牽引阻力小幅度增加的趨勢。這是因為隨著犁柄傾角的增加，要達到相應的深松深度，就必須增加犁柄的長度，從而增加了犁體質量和摩擦阻力，故犁柄傾角應選擇在20°～35°范圍內，過大的犁柄傾角使深松犁顯得太長而不適用。當犁柄傾角在此區域內取值，入土角從28°增加到33°時，牽引阻力的增加幅度并不大，保持在5 500N以內，故入土角在此范圍內取值，能在避免牽引阻力過大的同時取得較大的入土角，從而保證了深松犁的擾動性能。

由圖 6(c)和圖6(d)可知：當犁柄傾角一定時，牽引阻力隨入土隙角的增大呈先減小后增大的趨勢。在二維等值線圖中，在入土隙角大于7°、犁柄傾角小于35°的區域內，等值線密度大。這說明，當犁柄傾角取值較小時，若入土隙角超過7°，牽引阻力將隨著入土隙角的增加而急劇增加；當犁柄傾角取值較大時，牽引阻力隨入土隙角的增長緩慢增加。

由圖 6(e)和圖6(f)可知：當入土角取值在中間水平時，牽引阻力在入土隙角3°～5°范圍內與入土隙角成負相關；超過5°時，則與入土隙角成正相關。這是因為當入土角的取值一定時，犁頭夾角隨入土隙角的增加而減少犁頭變尖銳，牽引阻力減小；但隨著入土隙角進一步增加，溝底對犁頭反作用力的增阻作用將大于因犁頭夾角減小而帶來的減阻效果，同時犁頭變薄將使強度降低，所以應避免入土角與入土隙角的差值過小；當入土角的取值過小或過大時，入土隙角對牽引阻力的影響減弱。

4 深松犁參數優化及檢驗

借助于響應面優化模型，以牽引阻力最小化為目標，對各角度因素進行優化。根據響應面分析結果，為保證深松犁作業性能，對各角度因素水平值取值范圍做了如下限定，即

在Design Expert 8.0.6軟件中計算出深松犁各角度最終優化因素的最優取值：犁柄傾角為33°、入土角為25°、入土隙角為6°時，牽引阻力最低可降至4 867.88N。

為檢驗實際的優化效果，2016年5月20日在原試驗農場進行田間試驗。當日天氣晴朗，氣溫在27～33℃，試驗田土地平坦，土壤含水率17.62%。檢測項目為深松犁牽引阻力和深松深度穩定性。牽引阻力檢測方法與之前的試驗一致；深松深度穩定性檢測試驗方法為每隔2m測定一點，共3個行程，每行程測定10點，測定每點深度，按相關國家標準計算深松深度平均值及其穩定性系數。試驗數據如表6所示。

試驗數據測得：平均深松深度為40.6cm,深松穩定性系數達到91.8%，能滿足甘蔗地深松作業要求。平均牽引阻力為4 952.29N，考慮到經過連日暴曬試驗場地土壤含水量下降導致土質變硬的情況，檢驗結果基本與理論預測值基本相近。通過響應面分析選取最佳角度參數后，優化后的深松犁在實地應用中具有一定的實用價值。

表6 深松深度田間試驗數據

5 結論

1)試驗分析表明：對牽引阻力影響程度由大到小依次為入土角、犁柄傾角、入土隙角。經通徑分析發現，上述因素對牽引阻力的影響可分為直接作用和間接作用。

2)經分析因素間的交互作用，限定因素取值范圍，得出深松犁最優結構參數為：犁柄傾角為33°，入土角為25°，入土隙角為6°。田間檢驗結果表明：參數優化后的深松犁牽引阻力較低，工作性能穩定，可滿足南方蔗區的土壤深松技術要求。

3)經過優化后的深松犁正在推廣應用，用戶反映良好。

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Optimization Study on the Angle Parameter of Chisel Shaped Sub-soiling Plough used in Sugarcane Land

Li Bolin1,2， Li Ming2， Liao Yulan1， Wei Lijiao2， Dong Xuehu2

(1.School of Mechanics and Electrics Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China;2.Agricultural Machinery Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

Aim at the existing problems that the traction resistance of Sub-soiling plough used in sugarcane is large, optimize the angle parameter which have great impact on the Sub-soiling plough’s comprehensive performance through experiment analysis: inclination angle, penetration angle, penetration clearance angle. The mathematical model between the key angle parameters and the traction resistance was established by the quadratic universal rotary assembly experiment., and the path and response surface analysis were carried out. Under the premise of ensuring the working performance of the deep loose plough, choose the :inclination angle is 33°,penetration angle is 25°,penetration clearance angle is 6°as the optimal parameter combination .Field experiment showed that the optimized sub-soiling plough has good performance and low traction resistance, which can meet the technical requirements of the sugarcane field. The research results can provide theoretical basis and data reference for further optimization of the overall performance of sugarcane subsoiler.

sugarcane field； sub-soiling plough； traction resistance； parameter optimization

2016-06-29

農業科技成果轉化項目(2014GB2E000040)；海南省自然科學基金項目(20155208)；國家公益性行業(農業)科研專項(201503136)；廣東省部產學研合作重大專項子項目(2012A090300015)；廣東省協同創新與平臺環境建設專項子項目(2014B090907006)

李柏林(1990-)，男，廣東紫金人，碩士研究生，(E-mail)987073334@qq.com。

李 明(1964-) ，男，廣東化州人，研究員，(E-mail)liming282@21cn.com。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)06-0170-07