圓盤式開溝機拋土性能的研究

何彬濤，蒙賀偉，王忠軍，戚江濤，孫興祚，秦鑫照

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.第八師 121團畜牧中心奶牛三場，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國幅員遼闊，物種多樣，僅在水果種植業方面，2008 年全國水果種植面積達到了1 073.43萬 hm2。自1993年以來，中國果品生產位居世界第一，連續17年成為世界第一大水果生產國。據有關人員調查[1]，目前我國大部分果園處于非管理狀態，造成了我國果實產量低、果品質量差等諸多問題。為確保我國果業快速健康的發展，必須加大對果園建設和經營的投入。果園施肥是重要的園藝作業，目前我國大多數都依靠人力施肥，勞動強度大，效率低下。隨著勞動力成本的不斷增加，農民對果園機械化裝備的需求越來越迫切，果園施肥機械化在很大程度上取決于開溝機的發展。因此，開溝機的研究具有重要的意義。

1 研究現狀

開溝機主要有圓盤式、螺旋式、開溝犁式、鏈齒式等類型，目前使用最廣泛的是盤式開溝機，主要配套大中型拖拉機。近年來，我國對小型盤式開溝機的研究較多，目前的研究主要集中在結構參數設計上及拋土性能方面。拋土性能包括拋撒距離、土壤粉碎系數、覆蓋土層厚度和土壤覆蓋均勻系數。國外開溝機的發展已有70年多的歷史，美國、蘇聯、英國、法國、意大利和日本等國家發展很快，并形成了一系列產品[2]，如意大利Malletti和Dondi開溝機系列，荷蘭Ridder開溝機系列和日本的“Lida”開溝機系列[3]，可根據用戶需求的多樣化，在開溝機上安裝各種工作裝置，如推土機、穿孔機、挖土機及電纜擴孔機等。在更先進的開溝機中，裝備了靜液壓傳動、平板式及自動功率控制和其他高科技。目前，全球主要的開溝機制造商都在美國，如GASE，Charles Machine Works、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWF Industries及Maxon等公司在業界有很高的聲譽。國外開溝機正向專業化、規模化、節能化及智能化等方向發展[4-5]。早在20世紀50年代，犁溝已被應用于中國的農田水利建設，然而其他形式的開溝機的研制晚于傳統犁溝開溝機和盤溝開溝機。目前，國內主要是犁式開溝機和旋轉式開溝機兩大類。

2 拋土模型

圓盤開溝裝置主要由刀盤支架、刀盤體、開溝刀、削壁刀、傳動軸及分土導流裝置等組成，如圖1所示。

圓盤式開溝機拋撒阻力增大的主要原因之一是土壤的回流，就是已耕土的重耕；而土壤回流正是由于切削土不能很好地向后方拋擲所造成的，也增加了開溝機對溝渠的阻力，同時影響了覆土的質量。目前，對圓盤式開溝機拋土的研究較少，由于開溝機與旋耕機的機理相同，因此可以參考旋耕機進行了研究。

1.機架 2.分土導流裝置 3.開溝刀 4.傳動軸 5.削壁刀 6.刀盤體圖1 圓盤開溝裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of a disc ditching device

旋耕機開始于19世紀中葉，但直到20世紀20年代在歐洲成功開發直角刀之后，旋耕機才在歐洲旱地廣泛使用。日本約在1920年引進了一種在歐洲和美國的稻田試驗改良的旋耕機，使用中發現直角刀不適合水田耕作。大量日本學者(如吉田富穗[6]、松尾昌樹[7]及坂井純[8]等)開始致力于旋耕機的研究。日本研制的鉈刀很好地解決了刀片上纏草的問題。除了日本，美國的詹姆斯·G·亨德里克、威廉·吉爾[9-12]和蘇聯的西諾科夫[13]也研究了旋轉刀。中國在20世紀50年代進行研制，滿足了南方稻田精耕的要求，現已形成T.S系列14個品種。自20世紀70年代以來，我國的旋耕刀有了新的發展，如圓切線與平面切平面的設計理論、帶曲線的切線實驗研究，旋轉齒CAD系統研制切割式節能刀開發，以及旋耕刀三維特性的研究[14]。近年來，桑正中提出了潛土逆轉耕作理論，指出潛在的土壤耕作反轉旋耕的工作部分在地表下方，旋轉方向與拖拉機驅動輪的旋轉方向相反；土壤從底部向上切割破裂，不僅具有深耕犁的耕作特點，且還具有旋耕土壤的作用，具有良好的留茬覆蓋率，是一種新的耕種方式。目前，國內對反轉旋耕進行研究，所用的旋耕刀仍是國家標準系列旋耕機，主要缺點是切割土壤的前部將土壤拋向刀軸前面，導致大量重耕及旋轉功率消耗增加。因此，研究旋轉刀具改善土壤拋擲性能的潛力已成為我們面臨的一項緊迫任務[15]。

目前，廣泛使用的旋轉方法是正轉旋耕，主要優點是耕后土壤松散及表面平整，耕作后可在土壤中均勻攪拌基肥，達到農藝學上分層施肥的要求。正轉旋耕法的主要缺陷如下：①耕作深度一般在10～14cm，不利于作物生長；②功耗多，如果增加耕深，負載，功耗會急劇增加；③覆蓋質量差。近年來，潛土逆轉旋耕得到了廣泛關注，其主要優點如下：①耕作深度相對較大，因切割邊緣可能位于地表以下，耕深增加。②旋耕機切割力小。國內外學者發現潛土逆轉旋耕工作時，其切割力比旋耕機普遍降低1/3，耕作穩定性好，減少了旋耕機的工作在有石塊土壤中破壞。③消耗少。研究發現：潛土逆轉旋耕比正轉旋耕功耗少20%～30%[16]。

2.1 正轉旋耕拋土模型

正轉旋轉是需要旋轉刀具正面切割時阻力小，土壤拋撒充足。日本學者坂井純[17]認為旋轉切割土壤時，隨著剪切面的增大，上部土塊運動受到底層塊體的約束，只能保持大致水平或略傾斜的拋土。因此，提出了保持良好的土壤條件及理想的土拋拋撒方向：頂部土體質量在水平方向上向后，底部土體質量向上拋出，如圖2所示。為了分析這種理想的拋撒方向是否可以實現，陳鈞[18-19]分析了兩種日本旋耕機(FT803和Y151)在日本使用高速攝影的三維投擲特性：①部分表面土塊落在斜的方向上，與頂部拋出的原始底土發生碰撞，但原始表土仍在原始底土之上；②刀片再次被相鄰刀片拾起后，土塊側面的一部分原始表面拋入鄰近空間，仍拋撒到表層；③靠近土壤底部的自由側不能與原來的表土塊向上交換位置。因此，這種理想的拋物線方向不太可能實現。

盡管如此，坂井純[20]提出了圓弧形正截面的概念，使切塊滑動，并加速了對旋轉切向拋擲性能的理解。目前，使用的旋轉刀都是平切面，耕作了一段時間，可以觀察到切面上的油漆還沒有剝落，說明切面只有尖端部分的加速土塊，正切表面本身不能加速土壤。

圖2 理想拋土方向Fig.2 Ideal direction of throwing earth

綜上，正轉旋耕拋土通過上層土塊沿水平方向向后，下層土塊向后上方拋擲的理想拋土模型難以實現。刀具為平面型正切面僅是刀尖部分對土塊有加速作用，正切面本身不能使土塊加速，只有使用表面切面才能有效控制拋撒速度的大小和方向。

2.2 反轉旋耕拋土模型

涉澤榮[21-23]比較分析了正反轉4種旋耕方式的耕作特性，包括刀軸位于地面以上及刀軸位于地面以下；之后，切割土壤向后拋出良好的耕作模型是刀軸位于地面以上的正向旋轉旋轉刀具和刀軸位于地面下的倒置旋轉旋轉刀具。前者在傳統的旋轉耕作時是有利的，而后者在深耕時是有利的。涉澤榮使用一段圓弧作為正常截面的截面形狀。在主軸轉速為160 r / min的條件下，建立了一個帶有位于地面以下的刀軸的反轉旋耕機。如圖3所示：在該模型中，涉澤榮[24]假定剪切破壞并積累在正切削刃上的土體質量很小，可近似為剛體，因此認為切割平面中的切割長度PoQ(弧)和土壤的滑移長度PQ(弧)大致相等，其正切面參數可以根據拋撒方向和拋撒距離來確定。該模型分為未耕土和已耕土兩種模型：在未耕土模型中，由刀刃切割和沿切向平面損壞的土體從切向平面的尖端移動到末端加速拋撒；在已耕土模型中，由于堆放在地表的土壤較軟，在正切面近表面切割的土塊在切割方向上沒有足夠的支撐力，已耕土在沿著切向尖端加速的作用下拋動。

李紹珍認為：弧形切線可以連續切割使土塊加速，從而達到理想的拋土效果。但是，刀尖端的磨損較快，直接影響旋轉刀片的使用壽命; 而平面的正切面只會使土壤在其上滑動，可以減少刀尖端的磨損，但由于不能加速土壤，旋轉土壤不能完全拋出仍存在二次切割。李紹珍結合圓弧和正切平面的優缺點，提出了一種結合平面和圓弧兩部分的新型正切平面母線，如圖4所示。其中，部分平面切割土壤，弧形部分拋出，不僅克服了土壤不能加速的缺點，且解決了弧形切割邊緣的磨損問題。

PQ.旋耕刀正切面母線圖3 正切面拋土模型Fig.3 Positive shear surface model

L.平面形正切刃長度圖4 平面和圓弧結合的正切面Fig.4 Apositive section of a plane and a circular arc

綜上，反轉拋土模型主要適用于深耕，且在已耕土和未耕土中作業狀況不同，當刀具為平面型正切面時可以減輕刀尖磨損，但不能使土塊加速；圓弧型正切面能使被切削土塊連續加速，但刀尖磨損嚴重，則由平面和圓弧兩部分結合的新型正切面兼顧了拋土和刀尖磨損問題。

3 開溝刀具與土塊的運動分析

3.1 開溝刀具的運動分析

盤式開溝機采用更多的反向切割(從下向上切割)，開溝工具運動是單位前進速度vm和旋轉刀盤角速度ω合成運動，開溝工具和更多使用標準旋耕刀。圖5為IT245型旋耕刀結構。其中，R為刀具的旋轉半徑；B為工作幅寬。圖6顯示了開溝機的工作原理。反切割刀是從溝內進入土壤，向上切割，刀具側切出溝壑，正切出溝底，正切刃切割土壤并拋出。

圖5 IT245 型旋耕刀的結構簡圖Fig.5 Structure diagram of IT245 rotary tillage knife

圖 6 開溝刀具的工作原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of the working principle of a trenching tool

朱繼平等[25]使用MatLab繪圖功能，通過簡單的編程，刀具運動模擬仿真。反向旋轉切割時開溝刀相鄰兩個相同半徑點的堆疊運動軌跡如圖7所示。其中，反向旋轉切割，正向切割刀刃與正常切割點的軌跡(從頂部到底部切削)不同，軌跡圖剛好上下對稱；刀具路徑不同時，通過選擇不同的參數，可以直觀地分析溝后凸起的高度變化和相鄰兩刀每轉1圈切割寬度。

為了改變切削速度和切削方向，朱繼平使用Simulink模擬切削過程中的變化，了解切削刃的切削速度范圍和方向的變化范圍，從最大軌跡最低點開始切割速度逐漸變小，到軌跡最底點的最高。

綜上，開溝刀具工作時刀盤逆旋切削從溝底入土，向上切削，刀具的側切刃切出槽壁，正切刃切出槽底，正切面切出土帶并拋出；開溝刀逆向旋轉切割時，正向切削刃上的軌跡與正常的前進切削(自上而下切削)不同。

R= 0.8m，ω= 4π，Vm= 0.5m / s圖7 開溝刀具的運動仿真圖Fig.7 Motion simulation diagram of trench cutters

3.2 土塊運動分析

在切削土壤過程中，在開溝刀具的正壓力下，土壤被擠壓和壓實。當土層上的力足以破壞土壤中的摩擦力和內聚力時，刀具土體將土壤分離并投擲出去。刀具切削過程中，不同階段出土的不同位置，土塊單元上的受力不同。刀具正切面的變化如圖8所示。其中，圖8(a)正切平面垂直于地面(正切平面向下)，圖8(b)正切平面垂直于地面(正切平面向下)，圖8(c)切平面與地面之間的角度(切刀向后)，圖8(d)切平面平行于地平面(正切刃向上)。

(a) (b) (c) (d)圖 8 開溝刀具正切面切削過程中的位置Fig.8 The position of the cutting tool in the normal cutting process

劉保玲等[26]以高速數字圖像采集技術和圖像處理技術為研究手段，獲得了多種條件下旋耕土壤的實驗圖像，并對圖像進行了處理和分析。在單目視覺系統中，追蹤拋土粒流序列圖像中的目標，并獲得拋出土的二維軌跡。在此基礎上，構建了雙目立體視覺系統，并利用BP神經網絡對拋撒土壤的三維軌跡進行了恢復，為進一步研究拋撒土壤的運動規律和拋土模型驗證提供了依據。

劉保玲等[27]用兩臺高速攝像機組成雙目立體視覺系統同時記錄旋耕機的拋土過程，并跟蹤圖像序列中相同土壤顆粒的軌跡,提出了一種利用BP神經網絡的雙目立體視覺方法。利用此方法解決了提取土粒三維運動軌跡的問題，更好地分析旋耕機的拋土性能。

劉孝民等[28-30]研究了潛土逆轉旋耕過程中的拋土問題，確定被拋土壤質點拋出后的運動軌跡，得到了只有正切刃到達或接近地表之后，正切面上被切土才有沿著刀片轉動方向從刀片的前部向后拋出的可能性。

朱繼平等在刀具在切削時對土塊單元進行了受力分析，開溝作業時，由于溝槽的寬度有限，溝槽內的土塊只有少量的橫向移動，大部分主要作用于刀具，刀具是從溝渠進行的，還有一些越過正切面 ，進入溝里。

任述光等[31]建立了油菜開溝機旋耕旋耕刀的運動模型,研究了土壤顆粒在開溝刀上的動力學特性,并利用MatLab軟件進行了旋耕開溝機的優化模擬試驗和田地試驗。結果表明：彎曲半徑為0.21～0.23m、刀盤轉速為245r/min，在0.04s時，相對速度為4.5～6m/s土壤粒子離開正切面，在這個范圍內具有最佳的拋撒性能，最大拋撒距離為0.968～1.024m。

綜上，當土壤的單元受到的力足以破壞土壤內部凝聚力時，土塊拋出時最大拋土距離為0.968～1.024m，有少量的土壤在溝中橫向運動，其余的土壤被刀具從溝中帶出，有部分回流到溝里。

4 影響拋撒因素

通過對開溝機刀具的運動及土塊運動的分析，得出影響開溝機拋撒的因素主要包括牽引速度、旋耕刀盤轉速、刀片的安裝方式、開溝鏟與旋耕刀盤間隙，以及分土導流裝置等影響開溝拋土效果的5個因素。其中，刀片的安裝方式和分土導流裝置為主要影響因素。

4.1 刀片的安裝方式

羅海峰等通過對刀片安裝方法的調整，將刀片安裝在刀盤上變為向外拋撒模式，標記為M型安裝，如圖9所示。切刀刀片對稱交錯安裝，記錄為N型安裝，如圖10所示。不同的安裝方式也會使拋土距離發生變化，M型安裝好于N型安裝，速度越快，效果越明顯。

圖9 M 型安裝方式Fig.9 Type M installation method

圖10 N型安裝方式Fig.10 Type N installation method

朱繼平等通過對開溝刀具布置和選擇的類型：刀具的布置主要影響間距切割間距，機器運行的穩定性和機器的功耗。開溝工具的開溝機安排要求：機械力均勻，碎土適當; 開溝工具的工作，同時更少地涉及到切割工具，機器上的負載就越小。

陳玉侖等[32]針對刀片排列對開溝機開溝的影響進行研究得知：為了確保開溝作業能夠達到一定的寬度，并避免在開溝橫斷面發生泄漏切割，草地和溝渠分為左、中、右3個切割面。為了盡可能均勻地將土體拋撒到切割面的兩側并保持切割機的軸向穩定性，在左外切割表面和右切割外表面交替地設置在外拋土切刀的圓周上，切割表面圓周的中間分別交替布置在拋撒土壤刀片2把。所以，10把刀片左右交錯排列，在切割面的圓周上對稱排列。為了完成溝渠成形，使溝渠光滑，坡度不塌陷(梯形溝槽)，左右刀面對稱安裝2把平面切壁刀，如圖11所示。

圖11 刀片在刀盤圓周上的展開圖Fig.11 The unfolding of the blade on the circumference of the knife plate

綜上，開溝工具的布置主要影響切割間距的大小，機器運行的穩定性和整機的功耗。在開溝刀布置的設計中，使用交錯的左右彎刀的布置交替地工作，鄰近的溝渠開溝刀受力平衡。開溝刀具M型安裝的安排要好于N型安裝，速度越大，效果越明顯。

4.2 分土導流裝置

羅海峰等[33]在對潛土逆轉旋耕的工作過程的研究中發現：當沒有擋土板或柵欄時，該空間中拋撒土壤的顆粒流的軌跡是沒有任何空氣阻力的拋物線。在機械的實際工作過程中，為了使地電位反轉，被拋土塊將與旋耕機的工作部分(如柵欄和擋板)發生碰撞，其軌跡將因碰撞而改變。

葉強等[34]認為開溝施肥是葡萄園生產過程中的重要環節。傳統葡萄園開溝通常采用人工挖埋法，勞動強度大，效率低。為了提高葡萄園的生產效率，通過對葡萄園環境和溝道農藝要求的分析，設計并研制了一種小型葡萄園開溝機。用于旋耕刀拋撒土壤的工作方式，沿溝兩側的擋板引導拋土。

李伯全等[35]通過建立碰撞數學模型，利用計算機對潛土逆轉旋耕被拋土粒與擋土板的碰撞的過程進行仿真分析，分析不同結構和位置參數的擋土板對拋撒性能的不同作用，為優化擋土板的結構和形狀提供了理論依據。當擋板采用平面擋板時，整體碰撞情況如圖12所示。圖13顯示了土壤顆粒碰撞的一個特定點，Q是碰撞點。從圖13中可以看出：碰撞使一些土壤顆粒改變了運動的軌跡，從而改變了投擲的落點。可見，不同形狀、不同位置的擋土板影響著拋土效果。

朱繼平等人對擋土板的形狀和安裝位置進行選擇。擋土板的作用主要是改變被拋土壤的方向，將土壤顆粒拋到溝外，擋土板的形狀和安裝位置直接影響開溝機的拋土性能，影響土壤顆粒的拋撒方向、回流土壤的量及機器的功耗。

圖12 碰撞整體仿真Fig.12 Collision holistic simulation

1.未碰撞軌跡曲線 2.碰撞軌跡曲線 3.擋土板圖13 任一被拋土粒碰撞仿真Fig.13 Collision simulation of any thrown soil particle

陳玉侖等在研究開溝機拋土方面時，為了使鄰近土塊的拋擲工具得以有效、有限的重疊，避免過度拋撒對收獲作業產生不利影響，對土壤導流裝置設計。為了確保導土裝置能夠將在刀頭向前投擲的土塊向凹槽邊緣兩側的特定區域反射，以防止其飛出傷人并均勻分布，結合刀盤結構尺寸，將分土導流板設計成寬度為50cm，曲面半徑約為1.5m的弧形。土壤分流裝置由兩個弧形鐵板組成，如圖14所示。結果表明：支撐3號導地裝置開溝的裝置配備有圓形開溝裝置，單面拋撒寬度1.1～1.2m，拋土集中面積平均厚度約2.3cm；破土率和拋土均勻性大于90%和85%，溝內回流土壤較少，與以前相比有明顯的改善。

李伯全等[36-38]結合JHF130型秸稈還田機的研究項目，利用計算機動態模擬技術，對各種形式土壤擋土板的沖擊進行了模擬，優化了JHF130秸稈還田機擋土板的結構參數，即初始高度、工作間隙和圍欄的起始角度，并采用弧形擋板。試驗表明：優化后的擋土板參數更合理，不產生前方壅土現象，測得的秸稈覆蓋率為97.9%。

圖14 分土導流裝置結構示意圖Fig.14 A schematic diagram of the structure of a soil diversion device

李伯全等[39]研究了潛土逆轉旋耕被拋土塊和旋耕機質量的碰撞機理，建立了碰撞的數學模型和仿真模型，在AUTOCAD R14平臺上，從運動學的角度分析了旋耕機曲面型擋土板對潛土逆轉旋耕效果的影響，得出安裝位置和形狀的不同對潛土逆轉旋耕的拋土性能有不同的影響。

綜上，土壤導流裝置將拋撒土壤導流到溝渠兩側，有無板式、不同形狀、不同擋板的安裝面對拋擲土壤有不同的影響，對開溝作業后回流土壤的量和整機功耗大小都有影響。其中，弧形的拋撒導流裝置效果最好，不會產生壅土現象。

5 結論與展望

1)考慮果園環境對開溝機的要求，突破了關鍵技術難題，增強開溝機的適應性。

2)從理論出發，結合實際，重點關注以下幾個方面：一是開溝工具的工作原理分析，不斷改進設計，優化工具，使開溝動力和油耗下降; 二是優化開溝刀安裝方法，控制開溝機拋撒方向; 三是開溝機土壤分流裝置的改進，以減少土壤回流增強開溝的性能。

3)堅持農藝與農機的結合，研制出適合現有果園開溝施肥的機具。