馬鈴薯中耕施肥機的設計與試驗研究

孫 鵬,沈 鵬,王 斌,姚永亮,鄭美英,孔 浩,沈東華,寧旺云

( 云南農業大學 機電工程學院,昆明 650201)

0 引言

馬鈴薯是我國繼小麥、水稻、玉米之后的第四大作物,也是云南省傳統的種植作物。云南省地處高原,盆地、河谷、丘陵、高山相間分布,各地地貌之間田間差異較大,但獨有的氣候條件非常適合其生長。中耕是馬鈴薯生產的重要環節,主要作用是疏松土壤,提高土壤蓄水率及土壤溫度,擴大匍匐莖活動空間,減少匍匐莖生長阻力,從而促進馬鈴薯生長[1]。目前,由于中耕施肥機多以大型機械為主,而碎土刀具又不能適應于云南黏重土壤,所以云南省大部分馬鈴薯中耕仍然采用傳統的人工作業方式,存在勞動強度大、人工成本高等缺點。

目前,絕大多數馬鈴薯中耕機僅具備松土、培土及筑壟功能,不能實現中耕和施肥過程有機結合。因此,針對云南特殊的地理環境和土壤特點,對傳統的中耕機進行改進,設計一種將中耕和施肥過程有機結合的中耕施肥機,將極大地促進我國農業機械化的發展[2]。

1 整體結構及工作原理

1.1 總體結構設計

中耕施肥機主要由動力機構、碎土機構、排料機構和培土機構等組成。排肥機構包括肥料箱、外槽輪式排肥器、肥料箱支撐架、地輪、鏈傳動;碎土機構包括碎土刀具總成、中間變速箱總成、碎土刀具支撐架[3]。總體結構如圖1所示。

1.扶手總成 2.施肥箱 3.外槽輪排肥器 4.下肥管 5.鏈條 6.施肥地輪 7.培土器角度調節桿 8.培土器側板 9.培土器深度調節桿 10.行走地輪 11.碎土刀軸 12.擋泥板 13.刀具支撐架 14.傳動總成 15.變速箱總成 16.油箱 17.前護架圖1 總計設計Fig.1 Total design

1.2 工作原理

該機以汽油機作為動力源,經過一級變速箱和二級可調速變速箱調速后,將動力傳遞給旋耕刀軸,利用旋耕刀軸所做的回轉切削運動打碎耕作層土壤,并將切下的土壤拋向后方撞擊擋泥板,進一步破碎再落到地面[4]。該設計在傳統中耕機的基礎上加裝施肥裝置和培土器裝置。施肥裝置以地輪轉動為動力源,靠鏈條傳動帶動排肥器旋轉,將肥料施灑的指定位置,然后通過培土器的作業一次性完成培土及筑壟。

2 主要設計

2.1 動力選擇

中耕施肥機是以汽油機作為動力源,發動機的選型主要考慮工作可靠性、動力輸出穩定性、經濟性及國家的噪音尾氣污染等相關指標[5]。因市場上較多中耕機發動機的輸出轉速較高、輸出扭矩較小,在工作過程中經常出現超過發動機的最大輸出扭矩的現象,導致出現熄火情況,易損壞發動機,因此中耕機發動機的選擇至關重要[6]。

在中耕機消耗的總功率中,以切土、拋土及機械傳動上消耗和培土所占比重較大,約占總功率的65%左右。本文設計轉軸選用結構鋼 ,軸徑為20mm,驅動部分擬采用10.0kW發動機,轉速為3 600r/min。相關公式為

查表得,A0=135,則

式中τT—扭矩切應力(MPa);

n—軸的轉速(r/min);

P—軸傳遞的功率(kW);

A0—軸的材料系數;

d—轉軸直徑(mm)。

軸的實際直徑大于計算所得20%,符合設計要求,故發動機選擇10.0 kW發動機型號較為合理。

2.2 旋耕刀具的選擇

由于丘陵和山地土壤粘性較高、比阻較大,使得中耕施肥機在作業過程中功耗較大。為了降低功耗,提高中耕施肥機勞動效率,中耕施肥機旋耕刀具選用彎型刀片。彎型刀具有滑切作用,耕刀的彎曲角度采用100°,刀片長度為285mm。該刀具能對土壤進行切削有較強的翻土覆蓋性能,一定程度上也能對雜草進行切碎。

2.3 排肥裝置的設計

經過對云南省的實地調查研究發現,云南省中耕施肥一般集中在馬鈴薯現蕾期,施肥多為復合肥。中耕施肥機排肥裝置以地輪轉動為動力源,靠鏈條傳動帶動排肥器旋轉,將肥料施灑到指定位置,該設計一定程度上保證排肥裝置工作的穩定性。排肥器作為決定馬鈴薯施肥質量的關鍵部件,選擇星輪式排肥器調節性能好、工作阻力低,具有一定的防腐耐磨性和適應性,不易出現架空和堵塞現象。

2.4 培土器的設計

中耕過程中的培土效果一定程度上決定了中耕的質量。馬鈴薯種植過程中,對培土作業要求為覆土嚴密、培土深度穩定高、盡量保證壟型。

新型培土器采用鏵式設計,主要由三角鏵、分土板、培土板、調節桿和鏟柱等組成。其中,分土板采用曲面設計,成壟效果好,干濕土基本不混合,不容易黏土,工作阻力小。該培土器設計了地輪深度調節桿和培土板調節桿,針對不同的地形特點進行相應的調節能在一定程度上克服適應起伏的山地丘陵作業對培土的影響,單桿單點鉸連式仿形機構設計,可調節切入角,從而保證壟型,滿足馬鈴薯中耕的農藝要求。

3 仿真處理

為研究其系統結構的動態特性,通過ANSYS中的 LS-DYNA模塊對旋轉刀具進行動力學分析,主要參數為刀具和土壤的材料、實際運動狀態及接觸類型等[7]。中耕施肥機工作時,刀具高速旋轉,如工作過程中發生意外會引發重大安全事故。

云南地理環境特殊,中耕機在耕作過程中,碎土刀具與土壤接觸會造成腐蝕和磨損;與土壤中的沙石、作物秸稈及根塊接觸時,會受到沖擊載荷和震動造成刀具斷裂。碎土刀具為觸土部件,容易發生磨損或者斷裂失效,因此需要對旋耕刀具做出安全性評價試驗,但試驗周期較長、成本較高、危險性大,可操作性差并且試驗信息采集比較困難。因此,對旋耕刀具進行動力學仿真分析是一個較好的選擇。通過仿真分析,可以確定最大應力場的分布位置和破壞位置,找到容器的薄弱點,進行結構優化,減小意外事故的發生。

中耕施肥機是通過旋耕刀的旋轉切削運動來工作的,刀軸通常選用結構鋼,旋耕刀片選用 65Mn鋼(旋耕刀具參數如表1所示),其強度高、耐磨性好、不易磨損或折斷。導入實體模型到 ANSYS中,采用0.10mm單元格對網格進行劃分,刀柄通過安裝孔固定于刀座上,如圖2所示。

表1 旋耕刀具參數Table 1 Rotary tillage tool parameters

圖2 網格劃分Fig.2 Mesh generation

將ANSYS旋耕刀具保存為K文件格式并導入LS-PREPOST進行前處理[8],分別定義旋耕刀具和土壤的材料、單元屬性、旋轉刀具與土壤的邊界、接觸條件、速度,并添加全積分的殼單元算法和SPH算法等的定義,如圖3所示。定義完成后,導出K文件并通過ANSYS LS-DYNA求解器進行求解計算,通過LS-PREPOST查看求解結果如圖 4、圖5 所示。

圖3 旋耕刀輥切削土壤效果圖Fig.3 Effect Chart of Rotary Tiller Roller Cutting Soil

由圖4、圖5可以看出:在碎土刀具切削土壤的初始階段,彈性變形也處于初始階段;隨著碎土刀具與土壤的接觸面積不斷增加,碎土刀具克服土壤的彈性變形,土壤切削阻力逐漸增大;在碎土刀具克服土壤的彈性變形階段后,土壤出現塑性變形,土壤結構遭到破壞,發生初始時效,碎土刀具受力在一定范圍內波動,不再增加。開始時,切削力曲線比較稀疏;隨著時間增加,切削力曲線比較均勾,主要是因為開始時接觸并切削土壤刀片較少;隨著時間增加,均勻布置的旋耕刀依次切削土壤,切削力變得均勻穩定。

圖4 切削力曲線Fig.4 Cutting force curve

圖5 切削力矩曲線Fig.5 Cutting moment curve

4 試驗及其結果分析

4.1 試驗條件及環境

為了驗證該中耕施肥機設計的合理性,采用上述設計,按照中華人民共和國機械行業標準 JB/T 8576-1997《旱田中耕追肥機 技術條件》試驗方法對中耕施肥機進行試驗并測算[9]。在云南省陸良縣試驗基地進行田間試驗和整機性能測試,試驗區域為100m×25m的地塊,土壤質地為壤土,試驗耕深設為15cm[10]。

4.2 試驗結果

本研究的目的是為了驗證中耕施肥機的中耕和施肥的性能,所以先在硬地面上調節單行標準施肥量,并選擇需要中耕施肥的馬鈴薯種植地塊進行試驗。試驗時,分別采用高低兩個擋位來改變實際作業速度,并對土壤碎土率進行測量計算。

在試驗組單行上隨機取5個樣方點進行排肥測量測算,發現個樣方點排肥量基本一致,因此直接測量試驗組各行施肥總量,作為計算排肥效果的依據。當土壤含水率平均值、堅實度平均值等條件保持基本一致時,通過計算求得各行施肥量在施肥標準中占的比例和土壤碎土率等,試驗結果如表2所示。對比分析1、2、3和4、5、6兩組試驗可知:中耕施肥機作業速度一定程度上影響施肥效果和耕深穩定性,作業速度過高會降低排肥比率和耕深穩定性系數,應適當調高排肥量,來提高各行排肥量所占比率,從而提高中耕施肥機的作業效果。

表2 試驗結果Table 2 Test result

5 結論

該中耕施肥機主要是針對我國丘陵和山地特殊地形地貌所設計的,適應于云南黏重土壤特性,能一次完成中耕過程中所需松土、施肥、培土及筑壟功能農藝要求。整機結構輕巧,易于轉向,操作簡單方便,工作穩定可靠,能夠適應地形復雜地塊,培土器符合馬鈴薯中耕過程中對培土的農藝要求。該中耕施肥機將中耕和施肥進行了有效組合,縮短了必要勞動時間,一定程度上提高了經濟效益。