錐型被動旋轉式淺松裝置設計與試驗

溫翔宇，周福君,2，李小利

(1.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030；2．黑龍江省普通高等學校北方寒地現代農業裝備技術重點實驗室，哈爾濱 150030)

0 引言

中耕作業是我國農業細作精耕的重要環節之一[1-2]，合理的中耕作業可以疏松表土、消除土壤板結、改善土壤的物理性狀及增加土壤的孔隙，從而增加土壤的透氣性，消滅雜草，促使有機肥料分解且提高地溫，還可以減少水分蒸發，起到了蓄水保墑的作用，為作物發育生長創造出良好的生長條件，保證作物穩產、高產[3-6]。

傳統旋轉鋤在壟作作物中耕作業時，鋤齒沿著壟向在傾斜的壟側上作業，能使不同鋤齒盤上的鋤齒入土深度不同，若要使靠近壟溝處的鋤齒保持一定的入土深度，則貼近壟臺處的鋤齒入土深度會相應增加，從而增大鋤齒盤的入土阻力，鋤齒所受應力變大，影響鋤齒強度、使用壽命和作業效果的穩定性。而對單個鋤齒盤設計獨立的仿形機構，會增加機器質量和加工成本。若通過改變鋤齒的長度來貼合壟側，保證入土深度和作業效果的穩定性，但由于鋤齒長短不一，影響鋤齒強度和使用壽命。

為此，針對東北壟作作物中耕時期淺松的作業需求，提出了錐形鋤齒式淺松單體，貼合壟側作業，使每個鋤齒的工作長度相同，從而保證單個鋤齒入土深度和作業效果的穩定性；并利用錐形滾筒轉動時，軸向上各點所對應的圓周線速度不同的結構特性，增強鋤齒在土壤作業過程中的滑移作用。本文對關鍵工作部件—外嵌鋤齒的錐形滾筒進行研究，對錐形滾筒、鋤齒的結構尺寸和鋤齒在滾筒上的排布進行設計，并通過土槽試驗得到其最優參數，以提高淺松作業效果。

1 裝置組成及工作原理

1.1 裝置組成

錐形被動旋轉鋤齒式淺松機主要由三點懸掛裝置、限深輪、錐形滾筒架、淺松培土鏟仿形架、淺松培土鏟、壓力彈簧、調壓桿、主機架、清草架及錐形滾筒組成，如圖1和圖2所示。限深輪架與培土器機架通過螺栓固裝于主機架上，可同步橫向調節，以適應50～70cm壟距小壟種植模式作業；壓簧架通過U型螺栓安裝在主機架上，錐形滾筒架的前端與主機架鉸接，后部與清草架固裝，在錐形滾筒架與清草架中間部位處通過錐形滾筒支撐軸安裝錐形滾筒，套裝壓力彈簧的調壓桿可上下移動地插裝在壓簧架后側上部，調壓桿下端與錐形滾筒架鉸連接，實現錐形滾筒的浮動仿形[7-8]。

1.2 工作原理

作業時，在牽引動力機械帶動下，淺松機整體前行；自轉的錐形滾筒在調壓桿、壓力彈簧、錐形滾筒架作用下，在隨壟側表面上下仿形的同時，沿壟向在壟的兩側滾動，錐形滾筒圓周上的鋤齒間斷地完成入土出土，疏松苗帶兩側的土壤[9]；在清草架的配合下，將纏繞在鋤齒上的雜草清下還回田間，最后由培土器完成培土作業。

(a) 淺松機左視圖

(b) 機構三維模型

圖2 錐形被動旋轉式淺松裝置實物圖

2 關鍵部件設計及參數確定

外嵌鋤齒的錐形滾筒是中耕錐型被動旋轉鋤齒式淺松機的關鍵部件，鋤齒及其在滾筒上的排布方式對淺松機的作業效果有著決定性的作用，合理的結構設計是本文的重要研究內容。

2.1 錐形滾筒參數設計

根據東北壟作作物中耕時期的需求，提出了一種外嵌鋤齒的錐形滾筒，其上的鋤齒進行松土作業的同時，錐形滾筒貼合壟邦，對壟邦土壤起到一定的鎮壓作用，并將壟邦上的雜草壓倒，由鋤齒切壓入土。如圖3所示：對壟距為65cm的小壟單行種植模式的壟型尺寸進行實地測量，繪出其壟型尺寸示意圖，結合壟型尺寸對錐形滾筒進行參數設計。

圖3 錐形滾筒貼合壟形尺寸示意圖

圖3中，小壟單行種植模式壟距Ls為650mm，壟高Hr，本設計選用的淺松培土鏟鏟尖作業寬度M取174mm，根據實地測量并參考相關文獻，確定不同含水率及不同類型的壟側土壤傾角范圍為40°～46°，考慮到松土滾筒對壟側土壤的壓實作用，這里設定松土錐筒的傾斜角δ=40°。由圖3可知

Lp=Ls/2-M/2

(1)

Da=2Lptanδ

(2)

經計算得出錐筒大盤直徑Da≈399.36mm，取整Da=400mm。

在東北農業大學香坊農場實驗基地，隨機抽取中耕期的玉米苗30株，對玉米莖葉、根茬的幅寬進行參數測定(見圖4)，計算玉米底端莖葉和根茬的平均寬幅Wb、Wd分別為214mm和127mm，為錐形滾筒的設計提供依據。

為提高作業部件錐形滾筒的田間通過性，減少作業部件對苗期玉米的損傷，設定錐形滾筒的橫向寬度為

L≤Lp-Wb/2

(3)

經計算，L≤131mm，取整L=130mm。

錐形滾筒小盤直徑Da根據相似三角形計算公式

Db/Da=(Lp-L)/Lp

(4)

經計算，Db≈181.5mm，取整Db=180mm。

圖4 苗期玉米

2.2 鋤齒齒刃滑切曲線設計

錐形滾筒為從動工作部件，為減小鋤齒入土阻力，并降低土壤擾動性，設計松土鋤齒為平面刀齒，通過齒刃切開土壤、斬斷草根。齒刃在整個切土過程中應保持適度的滑切作用，使草根在被切時能沿刃口滑動以便于切斷或從齒尖滑脫。適度的滑切角還可以使鋤齒由近及遠地切土，即開始時離錐形滾筒較近處先接觸土壤，然后逐漸向前和向深處切入。

鋤齒齒刃滑切曲線部分采用圓弧便可滿足農藝要求，且易于制造。刃口曲線的曲率中心位于以滾筒中心為圓心，Q為半徑的圓周上，曲率半徑為R，刃口曲線上任一點的滑切角τ與Q、R及θ角之間的關系為

(5)

當Q/R為定值，最小滑切角是在θ=0°的情況下，為保持土壤和雜草在齒刃上的滑切，應使刃口全長的τ角都大于金屬與土壤間的摩擦角[10](旱地作業中摩擦角取24°)，即τmin≥24°，使Q/R≤0.91。本設計選取Q/R=0.74，如圖5所示。

以錐形滾筒中圈的鋤齒為例，經計算中圈鋤齒基圓半徑Q為145mm，齒刃滑切曲線半徑R=196mm。

設計鋤齒內弧半徑R1為260mm，為便于制造，采用雙面磨刃，刃口厚b2為1mm，刃角α=36°，鋤齒寬度b1由近錐形滾筒處的12mm至刀端逐漸減薄?？紤]到滾筒在作業過程中滑移時會導致鋤齒推土現象發生，所以對稱設計鋤齒內弧上的刃口和刃角。

圖5 鋤齒滑切曲線

2.3 鋤齒在錐形滾筒上的排列

鋤齒在作業過程中，不僅對壟向上的土壤有作業效果，由于鋤齒切入土壤時對土壤的擠壓作用，使鋤齒對滾筒軸向上也有一定的作用范圍?？紤]到過密的鋤齒排列會增加鋤齒的入土阻力和寬度為130mm的錐形滾筒緊湊的空間結構，每排鋤齒間距可設計在40～55mm，所以在錐形滾筒上等間距設置3排鋤齒。單排鋤齒的設計原則是使滾筒在壟上作業時保證鋤齒不漏耕。

本文設計的中耕錐型被動旋轉鋤齒式淺松機針對淺松深度在2～8cm的作業需求，所設計的鋤齒在錐形滾筒外的工作長度均為8cm，每個鋤齒實現相同的功能。因此，如圖6所示：以錐形滾筒軸向中心處的鋤齒為例，對鋤齒滾動半徑r端點A及其外緣點B進行運動學分析。已知，錐形鋤齒盤繞其回轉中心作勻速圓周運動，其定值角速度為ω(rad/s)，錐形鋤齒環以滾動半徑r接觸地表，無滑移，做純滾動，則回轉中心的前進速度為ω·r，鋤齒環的最大回轉半徑為R。鋤齒豎直向上為描述其運動的起始位置，經過時間t后，滾動半徑基點A及外緣點B的運動軌跡方程分別為

(6)

(7)

鋤齒理論滾動半徑r為鋤齒所在錐形滾筒位置處的滾筒半徑，則當yB=-r時，求得單個鋤齒的作業寬幅MN≈92.5mm。假設鋤齒環上的鋤齒對壟向上的土壤滿幅作業(即鋤齒環上的鋤齒入土點與下一個鋤齒的出土點重合)，鋤齒環處于位置1時，相鄰鋤齒1、鋤齒2如圖7所示。其中，O點為鋤齒1入土位置，此時鋤齒1齒尖位于出土點K；當鋤齒環運動到位置2時，鋤齒2運動到鋤齒2ˊ所在位置，此時鋤齒2ˊ的齒尖出土點與鋤齒1的入土位置O點重合，實現鋤齒作業不漏耕。

圖6 鋤齒運動學分析

圖7 鋤齒作業原理圖

相鄰兩鋤齒間的夾角為

(8)

經計算，θ1=36.5°。由此得出中間位置鋤齒環上的鋤齒數為

N≤360°/θ1≈10個

(9)

所以，設計3排鋤齒環每圈均為10個鋤齒。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗設備及條件

2016年12月，在黑龍江省農業機械工程科學研究院進行室內土槽試驗。試驗儀器設備主要有土槽(長30m、寬3m、土壤厚度1m)、TCC-3土槽試驗車、美國RGB Spectrum公司生產的DR300土壤水分測定儀和SC-900型土壤緊實度儀。試驗車為全液壓四輪驅動，可在0～8km/h范圍內調速，其液壓系統控制調節工作部件的入土深度。土壤類型為典型東北黑壤土，土壤含水率12.8%～18.5%、0～8cm平均土壤硬度0.56MPa。

3.2 試驗因素與指標選取

鋤齒在作業過程中，不僅對壟向上的土壤有作業效果，由于鋤齒切入土壤時對土壤的擠壓作用，使鋤齒對滾筒軸向上也有一定的作用范圍。鋤齒環間距排列過密會增加作業部件的入土阻力，鋤齒環間距過遠會影響松土質量。因此，選取淺松機作業速度、彈簧鎮壓力和鋤齒環間距為試驗因素。

為檢驗淺松機松土效果，參考GB/T 24675.1-2009《保護性耕作機械 淺松機》[11]，選取土壤堅實度差和入土深度穩定性作為試驗評價指標。

3.3 試驗方法

通過三點懸掛裝置將淺松機與土槽試驗車連接，分別對作業速度和彈簧鎮壓力進行單因素預試驗，以合理控制因素變化范圍。采用三因素三水平正交試驗，以確定淺松機最優參數。試驗因素水平編碼如表1所示，因素編碼值符號為A、B、C。試驗臺結構如圖8所示，試驗現場如圖9所示。

表1 因素水平編碼表

1.TCC-3土槽試驗車 2.土槽車測控顯示屏 3. 觀測座椅 4.調頻控制臺 5.液壓升降調控桿 6.土槽車牽引裝置 7.試驗樣機 8.土槽

圖9 試驗現場圖

3.4 試驗指標的測定

3.4.1 土壤堅實度差值

對壟體進行修整后，在測試段隨機選取10點，測定入土深度0～8cm的土壤堅實度值，并求均值B1；按照對照試驗處理進行試驗，以同樣方法測定作業后土壤的堅實度的均值B2，則土壤堅實度差值為

B=B1-B2

(10)

式中B—土壤堅實度差(N/cm2)；

B1—作業前土壤堅實度均值(N/cm2)；

B2—作業后土壤堅實度均值(N/cm2)。

3.4.2 入土深度穩定性

按試驗方案的每個試驗處理，測定一種水平組合情況下的鋤齒入土深度hi(i=1～10)，計算這一組數據的均值h及其標準差T，利用這兩個數據計算其變異系數V=T/h×100%，則鋤齒入土深度穩定性為

U=1-V=1-T/h×100%

(11)

式中U—鋤齒入土深度穩定性(%)；

h—鋤齒入土深度的均值(cm)；

T—鋤齒入土深度的標準差(cm)；

V—鋤齒入土深度的變異系數(%)。

3.4.3 數據處理

對試驗數據極差分析，尋找影響各指標的主次因素，并優選最佳組合。采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行方差分析，檢驗各因素影響土壤堅實度差和入土深度穩定性的顯著性。

4 試驗結果與分析

試驗方案與結果如表2所示。

由表2可知，各因素對土壤堅實度差和入土深度穩定性的影響情況。通過對試驗結果的極差分析，得到影響土壤堅實度差的主次順序為B、C、A，各因素的最優水平分別為A2、B3、C2，則最優組合為B3C1A2。同理，影響入土深度穩定性因素的主次順序為B、A、C，各因素的最優水平分別為A1、B3、C1，則最優組合為B3A1C3。

表2 試驗方案結果與極差分析

通過方差分析[12]，對各因素影響土壤堅實度差和入土深度穩定性進行顯著性檢驗，如表3和表4所示。

由表3、表4可知：作業速度對土壤堅實度差和入土深度穩定性影響均顯著；彈簧鎮壓力對土壤堅實度差和入土深度穩定性影響均極顯著；鋤齒環間距對土壤堅實度和入土深度穩定性影響均顯著，這與極差分析的主次因素結論一致。

表3 堅實度差方差分析表

* 表示顯著(p<0. 05)，**代表極顯著(p<0. 01)。

表4 入土深度穩定性方差分析表

* 表示顯著(p<0. 05)，**代表極顯著(p<0. 01)。

根據淺松機作業性能要求，各試驗指標分析所得優水平組合不盡相同，為了達到兼顧平衡各項指標的目的，采用綜合加權評分法進行分析，以選出令各項指標都盡可能最優的組合[13-14]?？紤]到3個因素對衡量指標的重要程度，以100分作為總“權”，土壤堅實度差和入土深度穩定性各為50分，試驗的綜合加權結果如表5所示。

表5 綜合加權結果

續表5

通過表5分析得出各試驗因素對試驗指標(土壤堅實度差、入土深度穩定性)影響的最優組合，影響各因素大小排列順序為B、A、C，各因素最佳水平組合為B3A1C1，即作業速度為1.0m/s，彈簧鎮壓力920N，鋤齒環間距42mm。

為了檢驗模型預測的準確性，在最佳參數范圍內進行試驗驗證。在土槽試驗車前進速度為1.0m/s，彈簧鎮壓力920N，鋤齒環間距42mm的情況下進行淺松試驗，測得：土壤堅實度差達到29.8N/cm2，入土深度穩定性93%，結果表明：在優化參數指標區間內，優化結果是可信的，滿足中耕作物苗期淺松作業的性能要求。

5 結論

1)設計一種錐型被動旋轉鋤齒式淺松機，淺松深度2～8cm。對裝置關鍵參數進行設計，并進行正交試驗，通過極差分析、方差分析和綜合加權法得到影響淺松機作業性能因素的主次順序為作業速度、彈簧鎮壓力、鋤齒環間距；最優組合為作業速度為1.0m/s，彈簧鎮壓力920N，鋤齒環間距42mm。

2)在土槽試驗車前進速度為1.0m/s，彈簧鎮壓力920N，鋤齒環間距42mm的情況下進行淺松試驗，結果表明：土壤堅實度差達到29.8N/cm2，入土深度穩定性93%，滿足中耕作物苗期淺松作業的性能要求。

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