保護(hù)性耕作擬合曲線型深松鏟設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙淑紅 王加一 陳君執(zhí) 楊悅乾 譚賀文

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

為了打破堅(jiān)硬的土壤犁底層，同時(shí)降低耕作阻力和表層土壤擾動量，選擇在免耕播種地區(qū)進(jìn)行深松。目前深松鏟類型多為折線式、圓弧式，折線式深松鏟更多用于深松滅茬機(jī)上，耕作阻力較大，對拖拉機(jī)的動力要求較高，不適合機(jī)械大范圍作業(yè)；圓弧式深松鏟多用于深松機(jī)上，其土壤表層擾動量較大，土壤水肥損失嚴(yán)重，不能滿足保護(hù)性耕作的要求[1-2]。

近些年來，學(xué)者對深松鏟的研究取得了大量成果[3-9]，其主要從振動和仿生原理兩方面對深松鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

隨著軟件的發(fā)展，仿真分析以減少樣機(jī)的加工及試驗(yàn)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為模擬試驗(yàn)的一種方法。離散元法可用來模擬顆粒材料和研究材料間的微觀及宏觀變化。近幾年學(xué)者通過離散元軟件仿真模擬觸土部件工作狀態(tài)，并與試驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了離散元軟件模擬土壤與試驗(yàn)誤差較小[10-11]，因此離散元軟件可用于模擬觸土部件與土壤模型。在觸土部件與土壤研究中，觸土部件作用于土壤后，土壤往往在運(yùn)動行為上反作用于觸土部件。對于深松鏟的研究，鏟柄使土壤沿鏟柄側(cè)向遠(yuǎn)離鏟柄，土壤在運(yùn)動行為上對于鏟柄的影響較小，而鏟尖作用于土壤后，土壤在運(yùn)動行為上沿鏟柄運(yùn)動方向較明顯，對鏟柄的影響較大，且土壤軌跡沿鏟柄運(yùn)動可以增加滑移，減少摩擦[12-15]。因此本文依據(jù)鏟尖對土壤的作用設(shè)計(jì)鏟柄，建立鏟尖與土壤的仿真模型，獲得鏟尖上方土壤顆粒運(yùn)動軌跡的擬合曲線，設(shè)計(jì)擬合曲線型弧狀深松鏟，運(yùn)用離散元法對鏟柄、鏟尖的互作效應(yīng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行土槽對比試驗(yàn)與田間對比試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的優(yōu)良性。

1 離散元仿真分析

深松鏟的主要作用原理是深松鏟鏟尖在前端的深入開土以及后端深松鏟鏟柄的破土。為設(shè)計(jì)鏟柄形狀，選取鏟尖對土壤的影響進(jìn)行分析。考慮到實(shí)際中鏟尖不可能單獨(dú)運(yùn)動，設(shè)置連接段為任何位置，都會對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此選取離散元仿真軟件對其分析。

1.1 仿真模型與鏟尖模型的建立

本試驗(yàn)選取常用的箭形深松鏟鏟尖進(jìn)行試驗(yàn)，為保證鏟尖作業(yè)范圍，設(shè)置長1 000 mm、寬400 mm、高500 mm的土壤仿真模型。

依據(jù)文獻(xiàn)[16]規(guī)定的深松鏟鏟尖基本尺寸，建立鏟尖模型，如圖1。保存為igs格式導(dǎo)入EDEM軟件中。材料為Q235鋼，密度為7 850 kg/m3，剪切模量為7.7×1010Pa，泊松比為0.3。

圖1 深松鏟鏟尖結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of subsoiler tip

1.2 土壤模型的建立

1.2.1土壤接觸模型

根據(jù)牛頓第二定律，每個(gè)顆粒的運(yùn)動方程為

(1)

(2)

式中vi——顆粒i的移動速度

Ii——顆粒i的轉(zhuǎn)動慣量

ni——顆粒個(gè)數(shù)

ωi——顆粒i的角速度

F——顆粒i的粘聚力

試驗(yàn)地區(qū)為東北壤土，具有粒度均勻、透氣性好、透水性好、強(qiáng)烈脹縮和擾動特性的特點(diǎn)，土壤有一定粘附力和彈塑性[19]。因此土壤顆粒與深松鏟鏟尖之間設(shè)定為Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型，土壤顆粒與土壤顆粒之間除設(shè)置Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型外，考慮到壤土之間內(nèi)聚特性較強(qiáng)，土壤間相互粘結(jié)，因此添加Hertz-Mindlin with bonding接觸模型。依據(jù)文獻(xiàn)[19]對于試驗(yàn)區(qū)相同類型土壤顆粒微觀參數(shù)的測定和文獻(xiàn)[20]適應(yīng)大多數(shù)土壤模型所用的微觀參數(shù)，如表1所示。

1.2.2土壤顆粒模型

為研究每一土壤顆粒的運(yùn)動軌跡，設(shè)置土壤顆粒模型為單一顆粒。并修正實(shí)際中的土壤顆粒粒徑，設(shè)置土壤顆粒半徑為4 mm。

表1 離散元法仿真的微觀參數(shù)Tab.1 Microscopic parameters of DEM simulation

1.3 仿真分析

1.3.1仿真幾何模型的設(shè)置

在所設(shè)定的仿真模型中生成土壤顆粒，固定時(shí)間步長為8.2×10-5s，Rayleigth時(shí)間步長為5.47×10-4s。總土壤顆粒生成時(shí)間為8 s，土壤顆粒自然沉降1 s，鏟尖入土深度為300 mm，運(yùn)動時(shí)間為1 s，運(yùn)動速度選取與深松鏟正常作業(yè)相近的0.5 m/s，沿X軸正向，如圖2所示。

圖2 仿真幾何模型Fig.2 Simulation geometry model

圖5 區(qū)域土壤顆粒的運(yùn)動軌跡圖Fig.5 Soil particle trajectory maps of various areas

1.3.2結(jié)果與分析

仿真完成后，觀察鏟尖作業(yè)后土壤的運(yùn)動效果。由于鏟尖作用正上方土壤顆粒在y軸方向上位移不明顯，并參考文獻(xiàn)[13]，截取鏟尖作用的鉛垂面為剖視圖，選擇鏟尖作業(yè)正上方的土壤顆粒，如圖3，并分析其運(yùn)動軌跡，如圖4所示。

圖3 土壤顆粒的選擇Fig.3 Selection of soil particle

圖4 土壤顆粒軌跡圖Fig.4 Trajectory map of soil particle

由圖4可以看出，每個(gè)土壤顆粒在X-Z平面內(nèi)運(yùn)動位移較大，且運(yùn)動軌跡可分為3個(gè)過程，首先土壤顆粒被鏟尖擾動上升，其次在鏟尖通過后對前方的土粒再次擾動升起的過程中使其后旋，最后在鏟尖完全通過此區(qū)域后回落。根據(jù)顆粒在不同深度的運(yùn)動規(guī)律的不同，可將其沿Z軸負(fù)向平均分為5個(gè)區(qū)域(即深度方向)，深度分別為60 mm，分析其運(yùn)動軌跡，局部圖如圖5所示。

圖6 區(qū)域單一土壤顆粒的軌跡圖Fig.6 Single soil particle trajectory maps of various areas

圖7 土壤顆粒的軌跡擬合曲線Fig.7 Trajectory fitting curves of soil particles

為設(shè)計(jì)鏟柄，選取回落軌跡段進(jìn)行分析。對每一區(qū)域土壤顆粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析。觀察土壤顆粒坐標(biāo)變化，其在Z軸方向最小位移為6 mm，最大位移為25 mm，且土壤顆粒直徑為8 mm。為選取時(shí)在Z軸方向土壤軌跡不遺漏，在每一區(qū)域內(nèi)按深度方向每間隔6 mm選取一粒土壤顆粒(選取5粒)，輸出每一顆粒的數(shù)據(jù)結(jié)果分別為每一時(shí)刻對應(yīng)的X、Z坐標(biāo)，時(shí)間步長為0.01 s，其Z坐標(biāo)值顯著變小時(shí)為土壤顆粒的回落軌跡段，得到在同一區(qū)域內(nèi)，5顆土壤顆粒的回落軌跡段對于同一線形擬合方程的擬合度都較高。因此選擇單一顆粒運(yùn)動軌跡代表單一區(qū)域土壤顆粒運(yùn)動軌跡，軌跡圖如圖6所示。選取其中單一顆粒，回落軌跡段內(nèi)的坐標(biāo)值在Matlab中做顆粒軌跡擬合曲線，結(jié)果如圖7所示，并得到第1區(qū)域土壤軌跡擬合曲線回歸方程為

(3)

第2區(qū)域土壤軌跡擬合曲線回歸方程為

y=0.112 2x5+238.9x4+2.034×105x3+

8.658×1010x2+1.843×1010x+1.569×1012

(4)

第3區(qū)域土壤軌跡擬合曲線回歸方程為

y=1.382×10-7x9-3.012×10-5x8+
0.002 905x7-0.162 8x6+5.843x5-
139.2x4+2 202x3-2.229×104x2+
1.311×105x-3.415 2×105

(5)

第4區(qū)域土壤軌跡擬合曲線回歸方程為

y=-9.68×10-5x4+9.908×10-4x3+
0.444 1x2-0.111 3x-433.9

(6)

第5區(qū)域土壤軌跡擬合曲線回歸方程為

y=1.702×10-7x7+1.718×10-5x6+
7.024×10-5x5+0.014 74x4+0.165 3x3+
0.944x2+2.342x-402.6

(7)

各個(gè)回歸系數(shù)分別為0.975、0.997、0.997、0.990、0.925。每一區(qū)域數(shù)學(xué)函數(shù)曲線的擬合度都較高，可靠性較強(qiáng)，因此可以基于此線形設(shè)計(jì)深松鏟鏟柄的外輪廓曲線。

2 深松鏟設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)深松鏟一般包括鏟柄與機(jī)架連接段、鏟柄和鏟尖，如圖8所示。鏟柄與機(jī)架連接段主要與機(jī)架連接，要求連接穩(wěn)定性較強(qiáng)，并且可以調(diào)節(jié)深松鏟入土深淺；主要作業(yè)部分為鏟柄和鏟尖。

圖8 傳統(tǒng)深松鏟示意圖Fig.8 Diagram of traditional subsoiler1.鏟柄與機(jī)架連接段 2.鏟柄 3.鏟尖

2.1 鏟柄

為與大部分深松機(jī)滅茬機(jī)械、深松機(jī)、中耕施肥機(jī)械相配合，要求鏟柄與機(jī)架連接段的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)深松鏟尺寸相符合[21]。

2.1.1鏟柄線形的理論設(shè)計(jì)

為降低深松鏟與土壤的碰撞，減小其擾動面積，同時(shí)降低耕作阻力。根據(jù)鏟尖作業(yè)后土壤顆粒的運(yùn)動軌跡，由表2建立數(shù)學(xué)模型平面圖。經(jīng)測量，東北壟作玉米播種深度為(50±10) mm，常年耕作形成的耕作層厚度為120 mm左右，犁底層厚度約為120 mm，心土層厚度為240 mm左右，在AutoCAD中建立各段曲線與土壤層對應(yīng)關(guān)系，如圖9所示。

2.1.2鏟柄線形的優(yōu)化

由圖9可看出，鏟尖作用后土壤顆粒回落軌跡1、2段曲線與水平方向夾角為銳角，可以利用滑移原理降低碰撞量和耕作阻力[22-24]。故將1、2段曲線的整體點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入Matlab中擬合為第1段，作業(yè)時(shí)對應(yīng)耕作層土壤；3、4段曲線呈現(xiàn)與水平方向的夾角由銳角向鈍角過渡，因此將3、4段曲線的點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入Matlab中擬合為第2段，作業(yè)時(shí)對應(yīng)犁底層土壤；并將5段曲線的點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入Matlab中擬合為第3段，5段曲線與水平方向夾角為鈍角，可以增加對上方土壤的翻垡[1]，故對應(yīng)部分在犁底層之下，為心土層土壤，對犁底層的打破起到主要作用。本次擬合各段曲線在各方向上有平移，但曲線線形不變，各段線形擬合曲線如圖10，擬合方程如表2所示。

表2 優(yōu)化后土壤軌跡曲線方程Tab.2 Optimized soil trajectory curvilinear equation

圖9 數(shù)學(xué)函數(shù)曲線圖Fig.9 Graph of mathematical function

圖10 優(yōu)化后土壤軌跡曲線Fig.10 Optimized soil trajectory fitting curves

保證各段擬合曲線線形不變的前提條件下在AutoCAD中構(gòu)建深松鏟基本模型，按各層土壤厚度比相應(yīng)擴(kuò)大3段曲線。依據(jù)文獻(xiàn)[25-26]，采用線元設(shè)計(jì)法，將線形與連接不合理處優(yōu)化為由多段圓弧和緩和曲線段(或直線段)順序組合而成，從而減少連接處的應(yīng)力集中問題，使鏟柄受力更均勻。

在鏟柄后端曲線的設(shè)計(jì)上，為適應(yīng)土壤回落軌跡，增加回土量，降低土壤擾動，同時(shí)保證深松鏟作業(yè)時(shí)受力更均勻，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，鏟柄后端曲線設(shè)計(jì)為優(yōu)化后的3段擬合曲線，結(jié)果如圖11。

圖11 擬合曲線型深松鏟示意圖Fig.11 Diagrams of fitting curve subsoiler

2.1.3刃口的設(shè)計(jì)

現(xiàn)深松鏟刃部多為楔形刃或無刃口，楔形刃錐角設(shè)計(jì)較小時(shí)能夠有效降低牽引阻力，但穩(wěn)定性較差，容易折刃[27]，不開刃深松鏟雖然穩(wěn)定性較強(qiáng)，但其牽引阻力較大[28]。部分增加刃口的深松鏟刃口角度一般取60°，為楔形刃口，由文獻(xiàn)[2]及觀察深松鏟作業(yè)時(shí)的實(shí)際狀況，東北地區(qū)深松作業(yè)時(shí)，會使鏟柄前段堆積為土核，如圖12所示。

圖12 土壤堆積示意圖Fig.12 Diagrams of soil accumulation

現(xiàn)有的楔形刃深松鏟和不開刃深松鏟，在作業(yè)過程中刃口端堆聚的土核較多，增大了作業(yè)阻力，從而使作業(yè)性能受到影響。而國內(nèi)文獻(xiàn)中，針對此討論的文獻(xiàn)較少，單純對深松鏟模型進(jìn)行受力分析，與實(shí)際工況下深松鏟的形態(tài)有一定的差異性。且土核的堆聚多為外凸曲線狀。因此依據(jù)文獻(xiàn)[2]，在刃口的線形設(shè)計(jì)上采取介于楔形刃和無刃口之間的外凸形輪廓曲線，降低耕作阻力的同時(shí)保證刃口的穩(wěn)定性，且在作業(yè)中堆積的土核與輪廓曲線形狀基本相似，可以減少土壤粘附，土核的堆聚可以忽略不計(jì)。得到深松鏟刃口結(jié)構(gòu)及受力如圖13、14所示。

圖13 刃口曲線示意圖Fig.13 Diagram of blade curve

圖14 刃口受力示意圖Fig.14 Force diagram of edge

根據(jù)文獻(xiàn)[29]，刃口受到的阻力為

(8)

對式(8)進(jìn)行推導(dǎo)得到

(9)

其中，將ABC視為直角三角形，A處為直角，則

(10)

式中β——刃口切削刃角在水平方向的投影，(°)

F′N——土壤對深松鏟的法向作用力，N

F′T——土壤對深松鏟刃的作用力，N

μ——深松鏟與土壤間的動摩擦因數(shù)

θ——刃口切削刃角，(°)

α——刃口切削刃角平面與其在水平面間的夾角，(°)

在深松鏟作業(yè)速度一定時(shí)，F(xiàn)′N、F′T視為理想常數(shù)值，μ視為定值，則刃口所受到的阻力與刃口切削刃角在水平方向的投影有關(guān)，β越小，受到的切削阻力越小。β又與α、θ有關(guān)，α越大，θ越小，β越小。深松鏟柄切削刃角一般取值為30°～60°，其中壤土的最小切削刃角范圍為40°～45°[30]，外凸形曲線刃口穩(wěn)定性較強(qiáng)，為減小阻力，取刃口切削角為40°。

2.2 深松鏟作業(yè)深度、入土角、刃口高度的確定

犁底層是多年耕作形成的，打破犁底層可以使深松作業(yè)不用每年都進(jìn)行，因此打破犁底層是設(shè)計(jì)深松鏟作業(yè)深度時(shí)首先要考慮的因素，且犁底層的深度為120～240 mm，本設(shè)計(jì)中取深松鏟作業(yè)深度為300 mm。深松鏟的入土角是影響深松阻力的重要因素之一。入土角在21°[31]時(shí)耕作阻力最小，因此本設(shè)計(jì)入土角選為21°。

東北地區(qū)的壤土具有強(qiáng)烈脹縮和擾動特性，彈塑性極限較高，所以要對其破壞，刃口高度設(shè)置不宜過低，但刃口高度設(shè)置過高，穩(wěn)定性會有所降低，容易折刃[27]，因此取刃口高度為15 mm，保證切削刃角的同時(shí)，外凸形樣條曲線連接。材料選為65Mn鋼制造，刃部應(yīng)進(jìn)行熱處理，淬火區(qū)為整個(gè)刃口部位，硬度為HRC48～56。深松鏟如圖15所示。

圖15 擬合曲線型深松鏟Fig.15 Fitting curve subsoiler

2.3 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

為證明設(shè)計(jì)思路的合理性，同時(shí)驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的可行性，選擇在EDEM軟件中對所設(shè)計(jì)深松鏟進(jìn)行仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證鏟尖作用時(shí)土壤顆粒的運(yùn)動與所設(shè)計(jì)鏟柄的關(guān)系。

2.3.1模型的建立

選擇上述鏟尖仿真試驗(yàn)的幾何模型和土壤模型，按所設(shè)計(jì)深松鏟尺寸在CATIA中建立擬合曲線型深松鏟三維圖，如圖16所示，與鏟尖通過螺栓連接裝配，導(dǎo)入EDEM軟件中。材料為65Mn鋼，密度為7 865 kg/m3，剪切模量為7.9×1010Pa，泊松比為0.3。

圖16 擬合曲線型深松鏟三維圖Fig.16 Three-dimensional diagram of fitting curve subsoiler

2.3.2仿真幾何模型的設(shè)置

建立深松鏟與土壤的裝配模型。固定時(shí)間步長為8.2×10-5s，Rayleigth時(shí)間步長為5.47×10-4s。深松鏟入土深度為300 mm，運(yùn)動時(shí)間為1 s，運(yùn)動速度為0.5 m/s，沿X軸正向，如圖17所示。

圖17 深松鏟仿真幾何模型Fig.17 Simulation geometry model of subsoiler

2.3.3結(jié)果與分析

仿真完成后，觀察深松鏟作業(yè)時(shí)土壤的運(yùn)動軌跡。截取鏟尖作用的鉛垂面為剖視圖，選擇鏟尖作業(yè)正上方的土壤顆粒，并分析其運(yùn)動軌跡，如圖18所示。

圖18 深松鏟作業(yè)時(shí)土壤顆粒軌跡圖Fig.18 Trajectory map of soil particle by subsoiler

由仿真結(jié)果可得鏟尖與鏟柄在共同作業(yè)時(shí)，前方土壤顆粒在鏟尖和鏟柄前端及刃口第3段擬合曲線作用下向上翻垡，與第1段擬合曲線產(chǎn)生滑移。在深松鏟作業(yè)后，土壤整體回落趨勢軌跡與鏟柄后端曲線基本一致。

因此仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了鏟柄前端及刃口設(shè)計(jì)曲線對土壤的作用形式；驗(yàn)證了鏟柄后端曲線與土壤整體回落曲線一致；同時(shí)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性，以及本文總體設(shè)計(jì)思路的合理性。

3 土槽對比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對上述所設(shè)計(jì)深松鏟，取耕作阻力與土壤擾動量為試驗(yàn)指標(biāo)，并探究深松鏟對犁底層深度土壤容重的影響，對擬合曲線型深松鏟與折線式、圓弧式深松鏟進(jìn)行對比試驗(yàn)，總結(jié)分析其試驗(yàn)效果，觀察優(yōu)劣性。

3.2 試驗(yàn)條件

力的對比試驗(yàn)對試驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高，同時(shí)為了在對比試驗(yàn)效果時(shí)控制其它無關(guān)因素的一致性，因此對比試驗(yàn)采取土槽試驗(yàn)。在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院的室內(nèi)土槽中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖19所示，試驗(yàn)選取土槽長50 m，寬3 m，土壤厚度1 m，其土壤為典型東北壤土，試驗(yàn)區(qū)所測土壤深度范圍0～300 mm。人工澆水改變土壤含水率，并利用干燥法測量土壤含水率和容重，利用硬度儀測量土壤硬度。所有數(shù)據(jù)測量3點(diǎn)，取平均值。土壤參數(shù)如表3所示。

圖19 土槽試驗(yàn)Fig.19 Soil bin test1.土槽車 2.測力架 3.限深輪 4.土槽 5.深松鏟

參數(shù)深度/mm數(shù)值含水率/%0～30014±120±126±1土壤容重/(g·cm-3)0～3001.421.381.300～125515421366硬度/kPa125～250200115671123250～3001018725676

試驗(yàn)所用器材有全液壓四輪驅(qū)動車(土槽車)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院智能化研究所研制的六分力三向側(cè)力裝置。側(cè)力裝置分為上懸掛架和下懸掛架，兩個(gè)架子間以6個(gè)拉力傳感器(3個(gè)測量垂直力、2個(gè)測量水平力、1個(gè)測量側(cè)向力)鉸接相連。擬合曲線型深松鏟與折線式、圓弧式深松鏟分別與懸掛架通過頂絲固定。

3.3 試驗(yàn)方案

分別取擬合曲線型深松鏟與折線式深松鏟、圓弧式深松鏟單獨(dú)在土槽車工作速度為1、2、3 km/h的牽引帶動下對土槽進(jìn)行深松作業(yè)，深松鏟入土深度都為300 mm。通過拉力傳感器分別測出每種深松鏟作業(yè)時(shí)的耕作阻力，利用溝形輪廓儀[32]對3種深松鏟的溝形進(jìn)行測量，并描繪在坐標(biāo)紙上，示意圖如圖20，B為擾動寬度，D為堆頂寬度，d為開溝寬度，H為開溝深度，h為回土深度。同時(shí)隨機(jī)取犁底層深度土壤樣本，計(jì)算其土壤容重，為防止取樣偶然性誤差，每種鏟型重復(fù)3次試驗(yàn)，計(jì)算其平均值，比較結(jié)果。

圖20 溝形示意圖Fig.20 Diagram of soil groove

圖21 擾動面積與耕作阻力的性能對比Fig.21 Comparisons of performance between disturbed area and tillage resistance

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

犁底層深度土壤容重如表4所示。

表4 土壤容重統(tǒng)計(jì)Tab.4 Soil bulk density statistics g/cm3

記錄并計(jì)算出試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，建立3種深松鏟的擾動面積與速度、耕作阻力與速度在不同含水率下的效果對比圖。

由圖21得，擾動面積隨著速度的增加而增大。同一工況下圓弧式深松鏟的土壤擾動面積大于折線式深松鏟，折線式深松鏟土壤擾動面積大于擬合曲線型深松鏟；在牽引阻力方面，折線式深松鏟大于圓弧式深松鏟，圓弧式深松鏟大于擬合曲線型深松鏟。圓弧式、折線式、擬合曲線型深松鏟平均擾土面積為8 749.6、6 377.4、2 959.13 mm2，平均阻力為1 976、1 779.3、1 260.1 N。擬合曲線型深松鏟土壤擾動量比折線式和圓弧式減少53.6%、66.18%，耕作阻力減少36.23%、29.18%。因此在深松鏟的作用效果方面，擬合曲線型深松鏟比其它深松鏟性能較優(yōu)。并由表4得，深松鏟的作用能顯著減小土壤容重，達(dá)到對犁底層的深松效果。

4 田間對比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c條件

本次試驗(yàn)田間土壤平均含水率為(20±1)%，未涉及到粘土量，且土壤板結(jié)較嚴(yán)重。因此選擇土壤擾動量為指標(biāo)，對擬合曲線型、圓弧式、折線式深松鏟進(jìn)行對比試驗(yàn)，并探究深松部件對犁底層土壤容重的影響，2017年5月在黑龍江省東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖22所示。

圖22 田間試驗(yàn)Fig.22 Field tests1.深松施肥機(jī) 2.擬合曲線型深松鏟 3.圓弧式深松鏟 4.約翰迪爾484型拖拉機(jī) 5.折線式深松鏟 6.限深輪

試驗(yàn)區(qū)長50 m、寬6 m、土壤厚度1 m，其土壤為典型東北壤土。平均土壤容重為1.50 g/cm3，土壤硬度分別為：1 526 kPa(0～125 mm)、3 649 kPa(125～250 mm)、2 433 kPa(250～300 mm)，調(diào)節(jié)限深輪與鏟尖的高度差保證所設(shè)計(jì)3段工作刃與試驗(yàn)區(qū)相應(yīng)土層相對應(yīng)。試驗(yàn)所用器材有約翰迪爾484型拖拉機(jī)、深松施肥機(jī)(僅深松部件工作)、3種深松鏟。

4.2 試驗(yàn)方案

拖拉機(jī)以正常田間作業(yè)2 km/h的速度進(jìn)行深松作業(yè)，深松深度為300 mm。借鑒文獻(xiàn)[33-34]對觸土部件工作性能的評價(jià)方法，選取回土面積作為深松鏟擾動量的評價(jià)指標(biāo)。利用溝形輪廓儀[32]先對3種深松鏟自然回土的橫截面積進(jìn)行測量，在坐標(biāo)紙上繪制溝形曲線；而后將溝內(nèi)回落土壤扒出，使其深度達(dá)到開溝深度，利用同一張坐標(biāo)紙?jiān)俅卫L制溝形曲線。其回土面積示意圖如圖23所示，每種深松鏟所開溝形隨機(jī)測量5次，測量出回土面積，求其平均值。并隨機(jī)選取各深松鏟作業(yè)后的犁底層土壤樣本5次，計(jì)算其土壤容重。

圖23 田間試驗(yàn)溝形示意圖Fig.23 Diagram of soil groove in field tests

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

作業(yè)效果如圖24所示。

圖24 作業(yè)效果Fig.24 Operation effect

依據(jù)文獻(xiàn)[33-36]，土壤的擾動量可以由其回土量的多少來反映，相同深松深度條件下，回土量越大，其土壤擾動量越小，深松區(qū)域土壤越松散，效果越好；反之，回土量越小，其擾動量越大，深松區(qū)域土壤越少，水肥散失越嚴(yán)重。土壤容重則對作物苗期生長有顯著性影響[37-38]，3種鏟型的回土量及犁底層土壤容重如表5所示。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Verification results of test

由表5各種深松鏟的指標(biāo)平均值可知，擬合曲線型深松鏟的回土面積大于折線式，折線式深松鏟的回土面積大于圓弧式；擬合曲線型深松鏟的土壤擾動量小于折線式，折線式深松鏟的土壤擾動量小于圓弧式，因此擬合曲線型深松鏟深松效果最優(yōu)。3種深松鏟作業(yè)能夠顯著減小犁底層土壤容重，達(dá)到打破犁底層的要求。

5 結(jié)論

(1)依據(jù)深松鏟鏟尖運(yùn)動的離散元(DEM)仿真試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)了擬合曲線型深松鏟，并通過鏟柄與鏟尖互作效應(yīng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的可行性與合理性。所設(shè)計(jì)擬合曲線型深松鏟可以有效減小耕作阻力和表層土壤的擾動量，同時(shí)打破犁底層，降低犁底層的土壤容重。

(2)對所設(shè)計(jì)的擬合曲線型深松鏟與其他類型深松鏟進(jìn)行土槽對比試驗(yàn)，測出擬合曲線型深松鏟比折線式深松鏟土壤擾動量減少了53.6%，耕作阻力減少了36.23%；擬合曲線型深松鏟比圓弧式深松鏟土壤擾動量減少了66.18%，耕作阻力減少了29.18%。驗(yàn)證擬合曲線型深松鏟牽引阻力最小，土壤擾動量最小，指標(biāo)較優(yōu)。并且減小犁底層土壤容重，達(dá)到打破犁底層的要求。

(3)對擬合曲線型深松鏟與其他類型深松鏟進(jìn)行田間對比試驗(yàn)，進(jìn)一步證明擬合曲線型深松鏟能夠減小犁底層土壤容重，達(dá)到打破犁底層的要求。測出擬合曲線型、折線式、圓弧式深松鏟的回土面積分別為7 745.4、4 278.6、3 136.4 mm2，分別增加81.03%和146.95%，驗(yàn)證了擬合曲線型深松鏟比其他類型深松鏟在回土面積指標(biāo)上較優(yōu)。田間試驗(yàn)與土槽試驗(yàn)均說明，擬合曲線型深松鏟深松作業(yè)時(shí)土壤擾動量較小，更符合保護(hù)性耕作的要求。

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