深施肥機旋耕部件關鍵參數設計與試驗

李　緒，吳雪梅，高　貴，周　兵，丁　飛，張富貴

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽　550025；2.貴州省煙草公司 黔西南州公司，貴州 興義　562400；3.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義　563000)

0　引言

煙草是貴州的特色作物之一，在種植過程中要經過旋耕整地、施肥、覆膜等環節[1-2]。作為煙草農用機械，深施肥機與輪式拖拉機配套使用，可一次完成旋耕碎土、地表平整等作業，操作方便、施用范圍廣、工作效率高，對煙草的種植發揮了重要作用[3-4]。旋耕整地作為首要環節，其作業質量要滿足后續環節的需要。加大耕深可以增加施肥深度，提高肥效利用率、防止化肥揮發，有利于作物根系對養分的吸收。根據煙草農藝規范，化肥深施肥必須達到25cm。貴州地區土壤濕度較大，以紅、黃黏土為主，旋耕整地之后土壤顆粒較大，成塊狀分布，嚴重影響后期覆膜效果和煙草苗期的長勢[5-6]。針對以上問題，本文以刀輥直徑、旋耕速比、旋耕刀類型為試驗因素，使深施肥機達到目標耕深合格率和碎土率。通過正交試驗設計法，對影響深施肥機耕深合格率和碎土率的3個因素顯著程度和每個因素的最優水平進行分析和確定，對深施肥機進行參數優化，得出較優作業條件。本研究為貴州煙草農業機械的改進設計提供了參考依據。

1　試驗平臺結構

本試驗深施肥機旋耕結構主要由機架、懸掛架、變速箱、覆土輪、刀輥等組成，如圖1所示。本機傳動系統由拖拉機動力輸出軸輸出動力經萬向節傳遞給變速箱驅動刀輥回轉。

1.機架　　2.外槽輪　3.直流電機　4.肥箱　5.懸掛架　6.取肥口 7.斜板　8.排肥軸片　9.覆土輪　10.排肥管　11.開溝器　 　12.變速箱　13.刀軸　14.刀片

深施肥機旋耕性能參數如表1所示。

表1　主要旋耕性能參數

2 　試驗設計

2.1　試驗方案的確定

2.1.1評價指標的確定

耕深合格率是指在試驗條件下所測點數耕深在25～30cm之間占總測點數的百分比。碎土率是在檢測樣本區域內，以檢測點為中心取面積0.5m×0.5m的全耕層內，邊長最大值小于4cm的土塊質量占總質量的百分比，取5點平均值[7-8]。本文研究以耕深合格率、碎土率作為深施肥機旋耕性能的評價指標，通過專家調查法確定耕深合格率、碎土率評價指標在數據處理中的權重各為0.5、0.5[9]。

耕深合格率Y的計算公式為

(1)

其中，Q為耕深測點合格數；S為耕深測點總數。

碎土率E的的計算公式為

(2)

其中，E為碎土率(%)；Ma最長邊長小于4cm的土塊(g)；Mb為0.5m×0.5m面積內的全耕層土塊的質量(g)。

2.1.2影響因素的確定

根據有關學者的研究，影響旋耕裝置耕深大小和碎土率的主要因素有旋耕刀類型、刀輥轉向、旋耕速比、刀輥直徑、切土節距、作業幅寬及土壤含水率等。刀輥直徑越大，其耕深往往越大。土壤含水率過大會引起土壤黏結現象嚴重，使碎土率增加。機組前進速度影響切土節距的大小，間接影響碎土率[9-12]。本文是在旋耕裝置無升力自然下放、土壤各向同性、相同配重、作業幅寬及刀輥正轉條件下進行的深施肥機旋耕性能試驗。選取選旋耕刀類型、旋耕速比、刀輥直徑為性能主要影響因素。

2.1.3因素水平的確定

1)本研究選擇臥式旋耕機常用的較多的彎刀、直角刀和鑿型刀作為旋耕刀類型的3個因素水平，從上到下依次為直角刀、彎刀、鑿型刀，如圖2所示。

2)刀片運動軌跡形狀受到旋耕速比的影響，如圖3所示。

λ<1時，運動軌跡為短擺線；λ=1時，運動軌跡為滾擺線；λ>1時，運動軌跡為余擺線。通過圖2得知刀片向后拋土的條件為：λ>1，其線型為余擺線。在余擺線和其余結構參數不變的情況下，速比不同其刀片運動形狀也不同，軌跡最大弦長隨著λ值的增加而增加；當λ趨于無窮大時，刀片端點的絕對運動軌跡為圓形，耕深可達最大值，此時機組前進速度幾乎為零，并不符合實際。旋耕速比λ的常用值為4～10。機具正常前進速度一般為0.5～1.5m/s，旋耕機刀輥外緣線速度一般為5～7m/s，經計算和預試驗確定因素水平λ分別為4.3、6.8、8.1。

3)正轉旋耕時，加大刀輥直徑可加大耕深，但刀輥直徑不宜過大以免使其結構笨重。選取旋耕刀型號為195、225、245等3種旋耕刀，其刀輥直徑分別為210、240、260cm。

圖2　旋耕刀類型

圖3　旋耕刀運動軌跡圖

2.1.4正交試驗設計

根據評價指標及影響，因素并考慮作業實際狀況，選取旋耕刀類型、旋耕速比和刀輥直徑3個優化因素為影響因素，以耕深合格率和碎土率為指標，形成三因素三水平試驗方案。

以上3個因素之間交互作用較小，利用正交表L9(34)設計試驗，并設置一列誤差列。因素水平如表2所示。

表2　因素水平表

2.2　試驗設備及條件

測試深施肥旋耕機懸掛在額定功率為58.8kW的耕王-RC804拖拉機上，3種旋耕刀片可以自由匹配安裝到旋耕機刀軸，并采用螺旋線排列方式。通過對拖拉機檔位和油門的調節，近似獲取刀輥轉速、機具前進速度的值，以便確定旋耕速比。試驗在貴州大學試驗農場進行，測區長度為30m，寬度為20m，兩端各留取5m為準備區，中間20m為數據采集區[13]。土質為無茬地，土壤平均絕對含水率為17.86%。

3　結果與分析

3.1　旋耕刀運動參數與分析

臥式正轉旋耕機工作時，旋耕刀上各點的運動軌跡均為余擺線。刀端點運動分析如圖4所示[14-16]。

圖4　旋耕刀運動分析圖

旋耕機正常時，入土點M0運動方程為

(3)

式中Vm—機組前進速度(m/s)；

R—旋耕刀的回轉半徑(mm)；

ω—旋耕刀角速度(rad/s)；

ωt—旋耕刀的轉角(rad)。

旋耕刀滿足向后拋土的條件時，刀片絕對運動軌跡上任意一點的的絕對速度水平分速Vx<0。根據上述方程，令

(4)

(5)

令

(6)

代入式(4)，得

(7)

切土節距計算公式為

(8)

式中Vm—機組前進速度(m/s)；

R—旋耕刀的回轉半徑(mm)；

n—刀輥轉速(r/min)。

由式(7)、式(8)可知：旋耕半徑R和旋耕速比λ都會對耕深最大值產生影響，增大λ和R都可加大耕深。一般選用偏大λ值(機組前進速度降低)，滿足耕深的條件下不僅可以保證有合理的動態隙角、旋耕刀正切面不擠推未耕土壤，而且減小切土節距，提高碎土質量。但機組前進速度不可過慢，以免產生刀輥轉速過快、功率消耗增加等問題。所以，在確定其參數時要整體考慮，以實現不同整地要求的作業。

3.2　正交試驗結果與分析

正交試驗方案及正交試驗結果如表3所示，試驗現場圖如圖5所示。

表3　試驗方案及正交試驗結果

Y為耕深合格率(%)；E為碎土率(%)，下同。

由表3可知，3、5、7號試驗耕深明顯高于其他組。其中，3號試驗的耕深合格率最高為98.3%，1、6；8號試驗耕深合格率較低，分別為11.2%、43.4%、36.2%；3、6、9號試驗碎土率較其他組高，最高的是3號試驗，最低的是4號試驗。上述結果表明：對耕深合格率影響較顯著的因素為刀輥直徑，對碎土率影響顯著的因數為旋耕速比。刀輥直徑越大，耕深合格率越高，旋耕速比越大，碎土率越大。

圖5　試驗現場圖

3.3　試驗結果極差分析

根據表3正交試驗結果，運用極差分析法進行分析，結果如表4所示。

表4　正交試驗極差分析

為了便于直觀分析，作各因子效應曲線，結果如圖6和圖7所示。

圖6　耕深合格率因子效應曲線圖

圖7　碎土率因子效應曲線圖

運用綜合平衡法對上述結果分析，由表4、圖6、7可知：影響耕深合格率的主次因素依次為C>B>A,得到的優方案為C3B3A3。耕深合格率隨著刀輥直徑的增加而增加，刀輥直徑分別為21cm和26cm時，耕深合格率分別為最小值30.3%、最大值93.7%。由此可知：刀輥直徑對耕深大小影響至關重要。根據極差大小分析，旋耕速比也為影響耕深大小的重要因素，旋耕速比在8.1時較在6.8與4.3時分別高出1.8%、17.1%。旋耕刀類型對耕深合格率影響較小，極差僅為3.2%，在對耕深優化設計時可將其忽略。

對于碎土率，旋耕刀類型、旋耕速比、刀輥直徑的較優水平依次為A1B3C3，影響碎土率的主次因素依次為B>A>C。對于因素A，對耕深合格率影響最小，A1水平上碎土率最大；對于因素B，B3水平相比B2、 B1水平，碎土率分別高出7.1%、20.9%，耕深合格率也較大；對于因素C，各水平下碎土率變化較小，但對耕深合格率影響非常大。為了進行后續的方差分析，在設計時留出誤差列D。綜合考慮各因素對耕深合格率和碎土率的影響程度，得出最優組合方案為A1B3C3。

3.4　試驗結果方差分析

根據表3正交試驗結果，運用方差分析法進行分析，分析結果如表5所示。由表5可以看出：對耕深合格率影響最顯著的因素是刀輥直徑C，其次是旋耕速比B，旋耕刀類型對耕深合格率沒有顯著影響，這與極差分析的主次因素C>B>A結論一致。對碎土率影響最顯著的因素是旋耕速比B，旋耕刀類型A影響次之，刀輥直徑對碎土率沒有顯著影響，這與極差分析的主次因素B>A>C結論一致。

表5　正交試驗方差分析

續表5

*代表比較顯著；**代表顯著；***代表最為顯著。

4　驗證試驗

對上文正交試驗得出的組合方案A1B3C3，進行3次重復試驗，結果如表6所示。

表6　驗證試驗結果

由表5結果可知：試驗結果穩定性好，結果優于正交試驗，說明A1B3C3是最優組合方案。但從作業效率來考慮，較大的旋耕速比影響機具前進速度，所以在此方案基礎上適當增加機具前進速度也是一個不錯的選擇。

5　結論

1)對影響耕深和碎土率的因素旋耕速比進行了理論與參數分析，適當選用偏大的λ值可以增加耕深，減小切土節距，提高碎土質量。

2)影響根深合格率的主次因素為刀輥直徑、旋耕速比、旋耕刀類型，影響碎土率的主次因素為旋耕速比、彎刀、刀輥直徑。

3)通過三因素三水平正交試驗，綜合考慮各因素對耕深合格率和碎土率的影響程度，可得出最優組合方案為：旋耕刀類型選用旋耕彎刀，旋耕速比為8.1，刀輥直徑為26cm。

4)本文可為深耕和碎土等農業機具的設計與優化提供參考依據。