王金武，唐 漢，王金峰，林南南，黃會(huì)男，趙 藝

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

1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王金武，唐 漢，王金峰※，林南南，黃會(huì)男，趙 藝

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

為提高水田筑埂作業(yè)質(zhì)量與效率，減輕作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，結(jié)合東北地區(qū)水稻種植農(nóng)藝要求，研究設(shè)計(jì)了1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)。闡述分析了機(jī)具整體設(shè)計(jì)方案與工作原理，對其關(guān)鍵部件偏牽引懸掛仿形調(diào)節(jié)系統(tǒng)、旋耕筑埂深度可調(diào)式傳動(dòng)總成、旋耕集土刀輥總成和鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成進(jìn)行了理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為獲得修筑埂機(jī)最佳工作參數(shù)組合，以機(jī)具前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，田埂平均堅(jiān)實(shí)度和高度變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了多因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗(yàn)，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件建立因素與指標(biāo)間數(shù)學(xué)模型，采用多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化確定機(jī)具最佳作業(yè)狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為1.33 km/h，旋耕工作轉(zhuǎn)速為525 r/min時(shí)，筑埂作業(yè)性能最優(yōu)，滿足旋耕集土及鎮(zhèn)壓筑埂要求，其所筑田埂平均堅(jiān)實(shí)度為2 160 kPa，高度變異系數(shù)為4.01%。田間試驗(yàn)表明，該機(jī)具作業(yè)性能穩(wěn)定，所筑田埂質(zhì)量良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足筑埂作業(yè)要求。該研究為水田機(jī)械化筑埂機(jī)具的創(chuàng)新研發(fā)與優(yōu)化提供理論支撐和技術(shù)參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；水田；修筑埂機(jī)；旋耕；鎮(zhèn)壓

0 引 言

水稻是我國主要糧食作物之一，其種植生產(chǎn)規(guī)模對糧食生產(chǎn)安全發(fā)展具有重要意義[1]。堅(jiān)實(shí)合理的田埂是實(shí)現(xiàn)水田淹灌和水稻生產(chǎn)的重要保證，可提高糧食作物產(chǎn)量，減少水資源浪費(fèi)，有利于我國標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田建設(shè)[2-3]。水田田埂修筑屬于水稻生產(chǎn)過程中耕整地作業(yè)環(huán)節(jié)，目前我國田埂修筑仍以人工勞力為主，其筑埂質(zhì)量差，作業(yè)周期長，重復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著水田機(jī)械化程度的發(fā)展，水田機(jī)械化筑埂已成為水稻種植生產(chǎn)的“瓶頸”問題之一[4]。

水田機(jī)械化筑埂是通過農(nóng)業(yè)機(jī)械構(gòu)筑出滿足水稻灌溉及生產(chǎn)要求田埂的技術(shù)。從20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外學(xué)者開始對水田筑埂技術(shù)及相關(guān)機(jī)具進(jìn)行研究[5-7]，其中日本對此項(xiàng)技術(shù)的研究較為成熟，將機(jī)電液多種技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，可自動(dòng)調(diào)整筑埂作業(yè)部件方向，提高所筑田埂堅(jiān)實(shí)性與穩(wěn)定性，但其價(jià)格昂貴，維修不便，且日本與中國水田土質(zhì)差異性較大，并不適合于在中國各地區(qū)大面積推廣使用[8-9]。中國最早出現(xiàn)的水田筑埂機(jī)是1975年東北農(nóng)學(xué)院蔣亦元院士團(tuán)隊(duì)研制[10]，該機(jī)通過鏵式犁取土，成型板鎮(zhèn)壓筑埂。此后國內(nèi)部分科研院所及農(nóng)機(jī)企業(yè)也相繼對水田筑埂機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，主要通過鏵式犁或旋耕刀等部件進(jìn)行雙側(cè)取土，雙側(cè)圓盤滾動(dòng)鎮(zhèn)壓筑埂[11-13]，但此類機(jī)具質(zhì)量較重，靈活性較差，功率消耗較大，且取土位置受限，適用范圍局限，影響后續(xù)插秧及土壤平整作業(yè)，多數(shù)仍停留在試驗(yàn)研究階段，無法完全滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

針對上述問題，本文結(jié)合東北地區(qū)水稻種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)，對其工作原理進(jìn)行分析，優(yōu)化各關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過臺架試驗(yàn)獲得修筑埂機(jī)最佳工作參數(shù)組合，并進(jìn)行田間試驗(yàn)檢測機(jī)具作業(yè)性能，以期為水田機(jī)械化筑埂機(jī)具及其關(guān)鍵部件的研制設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)主要由偏牽引懸掛機(jī)架、平行四臂仿形總成、旋耕集土刀輥總成、鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成、擋土罩殼、旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置、行走尾輪和多級傳動(dòng)變速系統(tǒng)等組成，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中旋耕集土刀輥總成和鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成是機(jī)具主要工作執(zhí)行部件，其設(shè)計(jì)配置的合理性直接影響整機(jī)作業(yè)性能。通過3種類型刀具綜合設(shè)計(jì)與排列（即旋耕集土刀輥總成），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處取土拋土、近處推土切型的功用。通過鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成將土壤集中聚攏壓實(shí)并修筑田埂，滿足水田田埂形態(tài)及堅(jiān)實(shí)度要求。通過偏牽引懸掛機(jī)架和平行四臂仿形總成共同配合，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)行走輪與筑埂作業(yè)部件間相對位置的調(diào)整，避免車輪碾壓對田埂修筑造成影響。通過定軸轉(zhuǎn)動(dòng)式旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)旋耕集土與鎮(zhèn)壓筑埂相對深度的調(diào)整，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)具集土及鎮(zhèn)壓狀態(tài)，滿足不同區(qū)域環(huán)境舊埂修補(bǔ)及原地起埂作業(yè)要求。

圖1 1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)Fig.1 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field

1.2 工作原理

機(jī)具修筑田埂作業(yè)過程主要分為取土切型和鎮(zhèn)壓筑埂2個(gè)階段。正常作業(yè)時(shí)，修筑埂機(jī)通過偏牽引三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接，根據(jù)機(jī)具輪距尺寸調(diào)整平行仿形總成機(jī)架的位置，選擇合適作業(yè)區(qū)域，避免車輪輪轍與修筑埂機(jī)取土鎮(zhèn)壓區(qū)域前后重合碾壓。根據(jù)水田舊埂修補(bǔ)或原地起埂作業(yè)要求，調(diào)整修筑埂機(jī)行走尾輪及旋耕筑埂變速箱位置，調(diào)節(jié)合適的取土深度及鎮(zhèn)壓強(qiáng)度。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳至主副變速箱、旋耕變速箱和筑埂變速箱，分別驅(qū)動(dòng)旋耕集土刀輥總成和鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成以一定比例轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)。各類刀具相互配合共同進(jìn)行高速旋切，將土壤定向取拋于后方及側(cè)后方，配合擋土罩殼進(jìn)行粉碎切型，并將土壤聚攏至鎮(zhèn)壓總成作業(yè)區(qū)域，通過鎮(zhèn)壓筑埂圓盤自身重力及旋轉(zhuǎn)動(dòng)力將所聚攏土壤壓實(shí)成型，完成單側(cè)田埂修筑。通過拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向在另一側(cè)沿所筑單側(cè)田埂軌跡行駛，進(jìn)行反向旋耕集土及鎮(zhèn)壓成型作業(yè)，完成另一側(cè)田埂的修筑，同時(shí)對田埂頂部進(jìn)行二次壓實(shí)，完善田埂整體形態(tài)，提高兩側(cè)土壤堅(jiān)實(shí)度，實(shí)現(xiàn)水田機(jī)械化田埂修筑作業(yè)。

1.3 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)主要通過旋耕集土和鎮(zhèn)壓筑埂等方式，完成水田舊埂修補(bǔ)及旱田改水田時(shí)大面積新埂起筑作業(yè)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)采用輕量化機(jī)架設(shè)計(jì)配置，箱體類部件通過組裝方式連接，機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊簡單，質(zhì)量輕，可通過調(diào)節(jié)取土深度及筑埂高度適應(yīng)不同區(qū)域筑埂作業(yè)，改善機(jī)具作業(yè)通用性及靈活性，減輕水田作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率與質(zhì)量。修筑埂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 修筑埂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of ridger

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 偏牽引懸掛仿形調(diào)節(jié)系統(tǒng)

偏牽引懸掛仿形調(diào)節(jié)系統(tǒng)是修筑埂機(jī)與驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)主要連接裝置，由偏牽引懸掛機(jī)架和平行四臂仿形總成2部分組成，如圖2所示。其中平行四臂仿形總成鉸接安裝于偏牽引懸掛架后部，根據(jù)作業(yè)環(huán)境橫向調(diào)節(jié)修筑埂機(jī)相對位置，適應(yīng)各型號拖拉機(jī)配套，避免拖拉機(jī)車轍與修筑埂機(jī)旋耕鎮(zhèn)壓區(qū)域前后重合，保證車輪不碾壓舊埂，鎮(zhèn)壓筑埂部件可對田埂有效修筑，減少對田埂修筑影響，拓寬驅(qū)動(dòng)機(jī)具類型范圍。

平行四臂仿形總成是調(diào)節(jié)筑埂部件橫向作業(yè)位置的主要裝置。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，修筑埂機(jī)通過偏牽引懸掛架與拖拉機(jī)三點(diǎn)掛接，機(jī)架懸掛連桿與拖拉機(jī)保持固定不動(dòng)，其兩側(cè)所配置的左右鉸接連桿均為活動(dòng)桿件，可調(diào)節(jié)其左右偏移角度，通過人為控制伸縮拉桿的有效長度，平行調(diào)整修筑埂機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及作業(yè)部件方位，固定伸縮拉桿上圓孔銷釘?shù)奈恢眠M(jìn)行整體鎖定，實(shí)現(xiàn)筑埂部件的橫向調(diào)節(jié)。

圖2 偏牽引懸掛仿形調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.2 Partial traction hanging adaptive mechanism

將平行四臂機(jī)構(gòu)仿形運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡化分析，如圖2c所示。在調(diào)節(jié)過程中，該系統(tǒng)中活動(dòng)桿件數(shù)量為5個(gè)，各鉸接點(diǎn)均為低副連接，共7個(gè)，分析計(jì)算機(jī)構(gòu)整體自由度為1，可滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行仿形調(diào)節(jié)。當(dāng)銷釘位置固定時(shí)，該系統(tǒng)活動(dòng)桿件數(shù)量為4個(gè)，低副連接為6個(gè)，機(jī)構(gòu)整體自由度為0，實(shí)現(xiàn)剛性連接進(jìn)行筑埂作業(yè)。根據(jù)常規(guī)驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)偏牽引懸掛機(jī)架兩下懸掛點(diǎn)間距離為526 mm，上下懸掛點(diǎn)間距離為540 mm。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況、修筑埂機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸配置要求及拖拉機(jī)輪距尺寸，設(shè)計(jì)鉸接連桿長度為680 mm，懸掛連桿長度為662 mm，伸縮連桿最大伸縮量為213 mm，鎮(zhèn)壓筑埂部件最大橫向調(diào)節(jié)距離為330 mm，最大橫向角度為29o。

2.2 旋耕筑埂深度可調(diào)式傳動(dòng)總成

在水田筑埂作業(yè)過程中，應(yīng)根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境調(diào)節(jié)修筑埂機(jī)作業(yè)狀態(tài)，保證合適的旋耕取土深度及鎮(zhèn)壓強(qiáng)度，提高田埂修筑質(zhì)量。因此本文設(shè)計(jì)了旋耕筑埂深度可調(diào)式傳動(dòng)總成，將定軸轉(zhuǎn)動(dòng)式旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置與機(jī)具總體傳動(dòng)系統(tǒng)組合2部分配置一體，可完成旋耕鎮(zhèn)壓多級傳動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋耕集土與鎮(zhèn)壓筑埂相對深度的調(diào)節(jié)，如圖3所示。

在調(diào)節(jié)旋耕集土及鎮(zhèn)壓筑埂相對作業(yè)深度時(shí)，主傳動(dòng)機(jī)架與旋轉(zhuǎn)軸支撐架整體固定不動(dòng)，通過人為調(diào)節(jié)固裝于機(jī)架與筑埂變速箱間的螺旋搖桿伸縮長度尺寸，控制筑埂變速箱體與旋耕變速箱體以中間公共旋轉(zhuǎn)軸為軸線進(jìn)行相對轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋耕鎮(zhèn)壓2部分關(guān)鍵部件整體以固定傳動(dòng)比進(jìn)行作業(yè)。將深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡化分析，如圖3b所示。在調(diào)節(jié)過程中，將主傳動(dòng)機(jī)架簡化為固定件，螺旋伸縮搖桿長度的變化由其自身螺旋副實(shí)現(xiàn)，但其僅在同一平面內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此可將其簡化為移動(dòng)副。該系統(tǒng)中活動(dòng)桿件數(shù)量為3個(gè)，其余鉸接點(diǎn)均為低副連接，共4個(gè)，分析計(jì)算機(jī)構(gòu)整體自由度為1，可滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。根據(jù)實(shí)際作業(yè)區(qū)域環(huán)境、螺旋搖桿伸縮尺寸范圍及功率要求，設(shè)計(jì)旋耕集土及鎮(zhèn)壓筑埂深度相對可調(diào)范圍均為0～110 mm。

圖3 旋耕筑埂深度可調(diào)式傳動(dòng)總成Fig.3 Rotary tillage ridging adjustable depth transmission assembly

修筑埂機(jī)總體傳動(dòng)路線如圖4所示，旋耕筑埂動(dòng)力源由驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出端傳出，經(jīng)萬向聯(lián)軸器與整機(jī)主變速箱連接，通過錐齒輪變向傳動(dòng)至鏈輪副變速箱，通過公共傳動(dòng)軸分別以不同鏈傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)旋耕集土刀輥和鎮(zhèn)壓筑埂圓盤進(jìn)行作業(yè)。

動(dòng)力輸入端與旋耕集土刀輥傳動(dòng)比為

動(dòng)力輸入端與鎮(zhèn)壓筑埂圓盤傳動(dòng)比為

整理式（1）和式（2），可得旋耕集土刀輥與鎮(zhèn)壓筑埂圓盤作業(yè)轉(zhuǎn)速比為

式中i1為動(dòng)力輸入端與旋耕集土刀輥傳動(dòng)比；i2為動(dòng)力輸入端與鎮(zhèn)壓筑埂圓盤傳動(dòng)比；N為旋耕集土刀輥與鎮(zhèn)壓筑埂圓盤轉(zhuǎn)速比。

圖4 總體傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of transmission mechanism

根據(jù)筑埂作業(yè)農(nóng)藝要求，機(jī)具旋耕刀輥應(yīng)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)集土作業(yè)，鎮(zhèn)壓圓盤則相對緩慢穩(wěn)定進(jìn)行壓實(shí)成型作業(yè)，結(jié)合拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速調(diào)控范圍，配置主變速箱齒輪齒數(shù)分別為 Z1=20、Z2=31，各級變速箱鏈輪齒數(shù)分別為Z3=11、Z4=11、Z5=20、Z6=20、Z7=18、Z8=12，旋耕集土刀輥與鎮(zhèn)壓筑埂圓盤轉(zhuǎn)速比為3∶2。

2.3 旋耕集土刀輥總成

旋耕集土刀輥總成是修筑埂機(jī)核心工作部件之一，其刀具設(shè)計(jì)及刀輥排列配置直接影響筑埂作業(yè)質(zhì)量。因此本文根據(jù)其作業(yè)功用分別設(shè)計(jì)取土、拋土及切型3種類型刀具，并采用組合排列方式，保證其旋耕集土量，提高筑埂作業(yè)性能，為后續(xù)鎮(zhèn)壓筑埂奠定基礎(chǔ)。

2.3.1 結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)

如圖5所示，旋耕集土刀輥總成主要由同向（右彎刀）的取土彎刀、拋土彎刀、切型彎刀及刀輥軸等部件組成，根據(jù)其旋耕作業(yè)范圍分為取土區(qū)域、拋土區(qū)域及切型區(qū)域。取土區(qū)域?qū)?yīng)鎮(zhèn)壓筑埂部件的外側(cè)，主要通過取土彎刀將土壤雜草切斷進(jìn)行旋切取土作業(yè)，此部分刀具由4把取土彎刀通過刀座式雙螺旋線排列配置（刀間相位角90o），保證刀輥受力均勻，同時(shí)增加單位耕幅內(nèi)刀具幅寬，減少刀具切取過程中土壤間相互碰撞，避免粘土堵泥纏草現(xiàn)象，其作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑為270 mm。拋土區(qū)域主要將所取土壤進(jìn)行二次旋切碎土，并將土壤定向拋擲推聚于后方及側(cè)后方，同時(shí)切取部分土壤以補(bǔ)充筑埂集土量，此部分刀具由 4把拋土彎刀通過刀盤式雙螺旋線排列配置（刀間相位角90o），具有良好拋土性能，同時(shí)降低機(jī)具功率消耗，其作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑為230 mm。切型區(qū)域主要將土壤旋切為呈階梯斷面的雛形田埂，此部分刀具由 2把切型彎刀通過軸端同面反向?qū)ΨQ排列（刀間相位角180o），保證鎮(zhèn)壓筑埂土壤形態(tài)要求，其作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑為145 mm。通過3種類型刀具協(xié)同配合，完成旋耕集土作業(yè)，同時(shí)將田埂初步切取為梯形形態(tài)，有利于下一階段鎮(zhèn)壓筑埂部件完成鎮(zhèn)壓夯實(shí)筑埂作業(yè)。

圖5 旋耕集土刀輥總成Fig.5 Rotary tillage collecting soil roller assembly

2.3.2 旋耕集土作業(yè)參數(shù)分析

為提高旋耕集土作業(yè)性能，保證足夠集土用量，對刀輥總成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。在作業(yè)過程中，刀輥總成絕對運(yùn)動(dòng)為隨驅(qū)動(dòng)機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其刀具各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡皆為余擺線，3種類型刀具旋切點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度皆可表示為

式中vix為刀具旋切水平速度分量，m/s；viy為刀具旋切豎直速度分量，m/s；vm為驅(qū)動(dòng)機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；xi為刀具旋切水平位移分量，mm；yi為刀具旋切豎直位移分量，mm；ω為刀具旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Ri為刀具回轉(zhuǎn)半徑，mm；t為刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。其中i=1,2,3，分別表示取土彎刀、拋土彎刀及切型彎刀切土運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

各類刀具旋切作業(yè)主要發(fā)生在土壤表面及內(nèi)部，其作業(yè)角度范圍為

式中h為刀具耕作深度，mm。

由于3種類型刀具回轉(zhuǎn)半徑及入土耕作深度不同，其作業(yè)旋切線速度、作業(yè)角度等參數(shù)皆有相應(yīng)差異。

旋耕集土刀輥總成的切土節(jié)距是影響其旋耕碎土質(zhì)量的重要因素。在機(jī)具設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中，常通過增加單位區(qū)域內(nèi)刀具數(shù)量、降低驅(qū)動(dòng)機(jī)具前進(jìn)速度及提高刀輥軸轉(zhuǎn)速等方式，減小切土節(jié)距，提高整體旋耕碎土質(zhì)量[14]。但實(shí)際作業(yè)時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度過低，將導(dǎo)致其作業(yè)效率降低，刀輥轉(zhuǎn)速過快，將導(dǎo)致其功率消耗增大，單位區(qū)域內(nèi)刀具數(shù)量增加，易出現(xiàn)堵泥纏草現(xiàn)象。對于中等黏度的稻田土壤，當(dāng)土壤含水率在20%～30%時(shí)，機(jī)具切土節(jié)距可大于100 mm，當(dāng)土壤含水率大于35%時(shí)，機(jī)具切土節(jié)距60～90 mm較合適。由于修筑埂機(jī)對土壤破碎程度要求較高，因此設(shè)定其切土節(jié)距為30～50 mm，經(jīng)過切削拋擲的土壤與擋土罩殼碰撞，進(jìn)一步提高其碎土程度。根據(jù)各類型刀具在單位區(qū)域內(nèi)安裝數(shù)量及安裝角度，其刀具切土節(jié)距可表示為

式中Si為各類刀具切土節(jié)距，mm；n為刀輥軸轉(zhuǎn)速，r/min；zi為單位安裝平面內(nèi)各類刀具數(shù)量，把。其中i=1,2,3，分別表示取土彎刀、拋土彎刀及切型彎刀切土運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)合實(shí)際筑埂切土要求及機(jī)具功率影響，綜合各類型刀具排列方式（角度、數(shù)量等），參考機(jī)具前進(jìn)作業(yè)速度為vm=0.8～1.5 km/h，刀具理想切土節(jié)距為S=30～50 mm，將上述參數(shù)代入式（6）中計(jì)算，可得刀輥軸理想轉(zhuǎn)速n=450～550 r/min。

對水田筑埂作業(yè)所需取土量進(jìn)行分析，根據(jù)農(nóng)藝田埂要求，所筑田埂高度及埂頂寬度應(yīng)大于200～250 mm，埂底寬度（雙側(cè)）應(yīng)大于300 mm，同時(shí)保證田埂具有良好堅(jiān)實(shí)度。水田田埂旋耕集土截面如圖6所示，原地起埂作業(yè)時(shí)，完整田埂所需土量較大，修筑埂機(jī)單次作業(yè)進(jìn)行單側(cè)取土筑埂，其兩側(cè)作業(yè)取土截面面積應(yīng)等于所成型田埂總面積，完整田埂截面積為

式中A1為完整田埂截面積，mm2；q為田埂埂底寬度，mm；w為田埂埂頂寬度，mm；H為田埂高度，mm。此時(shí)修筑埂機(jī)單側(cè)旋耕取土截面積為

式中A2為單側(cè)筑埂取土截面積，mm2；B為旋耕取土作業(yè)寬度，mm；α為田埂坡度夾角，（°）；h為旋耕取土作業(yè)深度，mm。

圖6 水田田埂截面圖Fig.6 Sectional drawing of paddy ridge

當(dāng)旋耕取土量滿足筑埂要求時(shí)，旋耕取土量與筑埂需土量間關(guān)系為

式中k為土壤堅(jiān)實(shí)度相關(guān)系數(shù)（常規(guī)水田田埂土壤取0.8～1）。

將式（7）～（9）合并整理可得，旋切取土寬度應(yīng)滿足

將上述農(nóng)藝田埂相關(guān)參數(shù)代入式（10）中，可得旋耕取土作業(yè)寬度B=380～500 mm，即所設(shè)計(jì)旋耕刀輥軸長度尺寸應(yīng)在此范圍內(nèi)，不同田埂修筑及原地起筑作業(yè)環(huán)境可根據(jù)取土量需求進(jìn)行調(diào)整，以滿足后續(xù)筑埂鎮(zhèn)壓作業(yè)。

2.3.3 旋耕集土刀具設(shè)計(jì)

旋耕集土刀輥總成通過3種類型刀具共同完成旋切取土、定向拋土及切型起埂作業(yè)，其刀型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對筑埂集土作業(yè)及機(jī)具功率消耗具有重要影響。因此本文重點(diǎn)對取土刀具、拋土刀具及切型刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)及作業(yè)效果進(jìn)行分析，各類刀具結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 各類型旋耕集土刀具Fig.7 Various types of rotary blades for collecting soil

取土彎刀主要將土壤雜草切斷并進(jìn)行有效取土作業(yè)，本文采用傳統(tǒng)阿基米德螺線[15-17]對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具有銳利的側(cè)切刃和正切刃。作業(yè)過程中刀具按距刀軸中心先近后遠(yuǎn)的順序依次入土，轉(zhuǎn)過單位角度其徑向切土長度相同，刀具切土負(fù)荷變化均勻，有利于將刀身上雜草及莖稈切斷甩出，減少作業(yè)過程中摩擦阻力。阿基米德螺線方程為

式中ρ為螺線任意點(diǎn)極徑，mm；a＇為螺線極角增加單位弧度時(shí)極徑的增量，mm；1ρ為螺線起點(diǎn)極徑，mm；nρ為螺線終點(diǎn)極徑，mm；θ為螺線任意點(diǎn)極角，rad；nθ為螺線終點(diǎn)極角，rad；nτ為螺線終點(diǎn)靜態(tài)滑切角（常取50o～60o），（°）；。

為使刀具正切刃及側(cè)切刃光滑過渡，刀具螺旋終點(diǎn)極徑nρ應(yīng)小于彎刀回轉(zhuǎn)半徑10～20 mm。側(cè)切刃與前端側(cè)切刃所呈角度應(yīng)適當(dāng)，角度過大將導(dǎo)致刀具纏草嚴(yán)重，角度過小將減小刀具作業(yè)幅寬，降低其取土作業(yè)性能。綜合上述分析，并結(jié)合筑埂作業(yè)參數(shù)（取土彎刀作業(yè)耕深為200 mm，刀具作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑為270 mm，切土節(jié)距為30～50 mm），將其代入式（11）～（13）中，計(jì)算可得取土刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)為ρ1=190 mm，ρn=245 mm，τn=60°,θn=0.38 rad。

拋土彎刀主要進(jìn)行二次旋切碎土，將土壤定向拋擲推聚于后方及側(cè)后方，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為刀具正切刃曲線及正切刃彎折角，本文采用正弦指數(shù)曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)[18]，增加刀體正切部寬度，提高刀具對土壤沖擊破碎作用，降低機(jī)具功耗，避免刀柄部纏草現(xiàn)象，獲得理想的土壤拋送及聚斂性能。正弦指數(shù)曲線方程為

式中ρz為指數(shù)曲線任意點(diǎn)極徑，mm；ρ1z為指數(shù)曲線起點(diǎn)極徑，mm；θz為指數(shù)曲線任意點(diǎn)極角，rad；τ0為指數(shù)曲線起點(diǎn)靜態(tài)滑切角（°）；K為指數(shù)曲線靜態(tài)滑切角遞減量比值。

參照相關(guān)文獻(xiàn)[19]，并根據(jù)拋土彎刀作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑及拋土最低點(diǎn)位置，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)為ρz1=165mm，τ0=50°。同時(shí)通過試驗(yàn)對比確定刀具較優(yōu)正切刃彎折角為155°，提高刀具對土壤拋擲作用，滿足筑埂成型土量需求。

切型彎刀主要將土壤旋切為階梯斷面土層，以便后續(xù)對田埂的鎮(zhèn)壓修筑，本文采用常規(guī)L型直角彎刀[20-21]，刀體寬度較大，刀具質(zhì)心距刀刃曲線較近，增加彎刀與刀輥軸旋轉(zhuǎn)中心間距離，其正切刃與側(cè)切刃角度≥90°，刀刃為斜側(cè)刃，以滑切形式入土作業(yè)，降低切型過程中阻力影響，具有較好切型碎土功能。

2.3.4 旋耕集土刀具排列方式

各類型系列刀具排列方式直接影響旋耕集土刀輥總成作業(yè)性能，正確合理的排列方式可提高筑埂作業(yè)質(zhì)量，降低機(jī)具功率消耗，減少其作業(yè)故障率。旋耕集土刀具排列方式應(yīng)滿足：①在滿足農(nóng)藝要求前提下，增大刀具間軸向安裝距離，增加徑向相鄰刀具間角度，避免刀具相互干擾，影響取土作業(yè)效果，同時(shí)緩解刀具磨損現(xiàn)象，節(jié)約成本；②同類型相鄰刀具在刀輥軸徑向安裝角度相等，刀輥軸所受力矩均勻，降低機(jī)具振動(dòng)；③各類刀具均采用右彎刀形式設(shè)計(jì)，所取土壤由旋耕集土刀具側(cè)向拋出，應(yīng)依靠修筑埂機(jī)行走尾輪抵消相應(yīng)側(cè)向力。結(jié)合不同排列方式優(yōu)缺點(diǎn)及修筑埂機(jī)實(shí)際作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其取土彎刀采用刀座式雙螺旋線排列，拋土彎刀采用刀盤式雙螺旋線排列，切型彎刀采用軸端同面反向?qū)ΨQ排列，主要由1個(gè)矩形刀盤、2個(gè)異形刀盤、4個(gè)刀座配套組成。各類型刀具排列詳細(xì)參數(shù)如圖8所示，以旋耕刀輥軸螺線為起點(diǎn)，沿刀輥軸線所列各類型刀具排列，其中X軸為旋耕刀輥軸軸線方向，Y軸為機(jī)具前進(jìn)方向。

2.4 鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成

鎮(zhèn)壓筑埂作業(yè)是田埂修筑的最終環(huán)節(jié)，將所集取土壤充分壓實(shí)成型，有利于增加田埂堅(jiān)實(shí)度及穩(wěn)定性，提高田埂使用性能及壽命。因此本文對鎮(zhèn)壓筑埂原理進(jìn)行分析，優(yōu)化鎮(zhèn)壓筑埂部件結(jié)構(gòu)，提高筑埂作業(yè)性能。

2.4.1 鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成結(jié)構(gòu)與工作原理

鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成主要由鎮(zhèn)壓圓輥、鎮(zhèn)壓輥連接軸及彈性羽片等部件組成，其中彈性羽片與鎮(zhèn)壓圓輥結(jié)構(gòu)尺寸直接影響所筑田埂成型形態(tài)，如圖9所示。彈性羽片采用兩段式彎折扇形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其有效半徑為360 mm，折彎角度為150°。鎮(zhèn)壓圓盤側(cè)斜面由10片獨(dú)立彈性羽片在圓周上以階梯形式均勻疊加組合而成，相鄰羽片間采用折彎搭接焊合形式配置，羽片折彎處整體焊接有圓盤支架及支撐加強(qiáng)筋，提高整體作業(yè)穩(wěn)定性及可靠性。鎮(zhèn)壓圓輥為直徑180 mm，長度220 mm的空心圓筒，與鎮(zhèn)壓圓盤焊接組成總成裝置，且圓輥及羽片整體設(shè)計(jì)與所筑梯形田埂頂面及側(cè)面形狀相吻合，使所筑田埂頂面與側(cè)面呈倒角光滑過渡，提高圓盤附著性與耐磨性，避免田埂自然滑坡現(xiàn)象，所設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成最大回轉(zhuǎn)直徑為800 mm。

圖9 鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成Fig.9 Compacting ridging circular assembly

在鎮(zhèn)壓筑埂作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓筑埂圓盤隨機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過鎮(zhèn)壓圓輥及彈性羽片與黏性土壤相接觸，對所筑田埂頂面及側(cè)面進(jìn)行滾動(dòng)碾壓，在接觸過程中羽片將發(fā)生彈性變形，與土壤顆粒間產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)，通過鎮(zhèn)壓圓輥靜力壓實(shí)及彈性羽片振動(dòng)壓實(shí)反復(fù)對土壤進(jìn)行有規(guī)律拍打擠壓，克服土壤顆粒間摩擦力及內(nèi)聚力，壓縮土壤層中空氣、重力水分、附著水分及土壤顆粒間間隙，使土壤顆粒重新緊密排列，保證所筑成型田埂形態(tài)及堅(jiān)實(shí)程度，土壤內(nèi)部變化示意如圖10所示。

圖10 鎮(zhèn)壓筑埂作業(yè)示意圖Fig.10 Schematic diagram of compacting ridging

2.4.2 鎮(zhèn)壓筑埂力學(xué)分析

為研究鎮(zhèn)壓筑埂作業(yè)規(guī)律，分析影響筑埂質(zhì)量的主要因素，對鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成進(jìn)行力學(xué)分析。以鎮(zhèn)壓圓輥中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間直角坐標(biāo)系，設(shè)定鎮(zhèn)壓圓盤穩(wěn)定勻速進(jìn)行筑埂作業(yè)，其模型簡化如圖11所示。鎮(zhèn)壓筑埂圓盤主要受到機(jī)具驅(qū)動(dòng)作用力T、土壤頂面對鎮(zhèn)壓圓輥接觸摩擦力Fs1、土壤側(cè)面對彈性羽片接觸摩擦力Fs2、行走尾輪側(cè)向力FT、土壤頂面對鎮(zhèn)壓圓輥均布支持力及其自身組合重力（M1+M2）共同作用，并產(chǎn)生相應(yīng)力矩。

將力學(xué)模型相應(yīng)簡化，其平衡關(guān)系應(yīng)滿足、土壤側(cè)面對彈性羽片均布支持力

式中Fx為鎮(zhèn)壓筑埂圓盤沿x軸方向所受力，N；Fy為鎮(zhèn)壓筑埂圓盤沿y軸方向所受力，N；Mxoy為鎮(zhèn)壓筑埂圓盤在xoy平面所受力矩，N mm·；Wd為鎮(zhèn)壓筑埂圓盤主動(dòng)力矩，N mm·；PN1為鎮(zhèn)壓圓輥對土壤頂面壓強(qiáng)，kPa；PN2為彈性羽片對土壤側(cè)面壓強(qiáng)，kPa；s1為鎮(zhèn)壓圓輥對土壤頂面作用面積，mm2；s2為彈性羽片對土壤側(cè)面作用面積，mm2；e為鎮(zhèn)壓圓輥支持力徑向矢量，mm；l為彈性羽片摩擦力徑向矢量，mm；δ為彈性羽片安裝角度，（°）；μ為鎮(zhèn)壓筑埂圓盤與土壤間摩擦因數(shù)。

圖11 鎮(zhèn)壓筑埂作業(yè)受力分析Fig.11 Force analysis of compacting ridging assembly

鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成進(jìn)行純滾動(dòng)鎮(zhèn)壓的臨界條件為

選取鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成極限摩擦力求解其系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力矩，假設(shè)

式中c為鎮(zhèn)壓圓輥長度，mm；u為鎮(zhèn)壓圓輥摩擦力徑向矢量，mm；lmax為彈性羽片摩擦力徑向矢量最大值，mm；s為鎮(zhèn)壓圓輥厚度，mm；j為鎮(zhèn)壓羽片厚度，mm；R1為鎮(zhèn)壓圓輥半徑，mm；R2為鎮(zhèn)壓筑埂圓盤回轉(zhuǎn)半徑，mm；L為彈性羽片作業(yè)長度，mm；g為重力加速度，m/s2。

將式（18）～（20）合并整理可得

將農(nóng)藝田埂相關(guān)參數(shù)及鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式（21）中，即可求解驅(qū)動(dòng)力矩極限要求。其中鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成與土壤間壓強(qiáng)及摩擦力等參數(shù)需要通過試驗(yàn)獲得，同時(shí)合理堅(jiān)實(shí)的鎮(zhèn)壓田埂與外界土壤溫度、含水率等因素有關(guān)。在后續(xù)研究中，將研究相關(guān)土壤參數(shù)對鎮(zhèn)壓筑埂作業(yè)的影響機(jī)理，通過現(xiàn)代測試手段對相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，為鎮(zhèn)壓筑埂部件優(yōu)化改進(jìn)提供理論參考及數(shù)據(jù)支撐。

3 臺架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院土槽試驗(yàn)室，試驗(yàn)裝置為TCC-III型計(jì)算機(jī)監(jiān)控輔助測試試驗(yàn)臺車、土槽臺架和懸掛式水田單側(cè)修筑埂機(jī)，數(shù)據(jù)采集儀器為SL-TYA型土壤堅(jiān)實(shí)度測試儀（杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)）、TZS-5X型土壤水分測試儀（杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)）、鐵鍬及鋼板尺等，如圖12所示。土槽內(nèi)供試土壤為東北地區(qū)典型黑壤土，結(jié)合田間筑埂實(shí)際情況對土壤進(jìn)行耕整處理，檢測土壤絕對含水率20%～30%，土壤堅(jiān)實(shí)度130～200 kPa，符合筑埂作業(yè)農(nóng)藝環(huán)境要求。

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)選取

田埂修筑作業(yè)質(zhì)量與機(jī)具前進(jìn)速度、旋耕工作轉(zhuǎn)速、旋耕取土深度及外界土壤狀態(tài)等因素有關(guān)，所設(shè)計(jì)的修筑埂機(jī)配置旋耕筑埂深度調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)不同作業(yè)土壤狀況調(diào)節(jié)機(jī)具集土鎮(zhèn)壓狀態(tài)，提高機(jī)具作業(yè)適應(yīng)范圍。結(jié)合實(shí)際臺架土壤狀態(tài)，根據(jù)前期理論分析進(jìn)行單因素預(yù)試驗(yàn)，同時(shí)為提高臺架試驗(yàn)可操作性及準(zhǔn)確性，通過深度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整確定合適的旋耕取土深度，保證機(jī)具取土用量與所筑田埂所需土量間平衡。其中各組臺架試驗(yàn)皆屬于原地起埂作業(yè)，調(diào)節(jié)旋耕集土刀輥總成作業(yè)深度均為200 mm，保證旋耕取土量充足。在此前提下，由預(yù)試驗(yàn)可知修筑埂機(jī)前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速是影響筑埂質(zhì)量主要因素，因此選取修筑埂機(jī)前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素（旋耕轉(zhuǎn)速/筑埂轉(zhuǎn)速為3/2）。試驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺車運(yùn)行速度控制機(jī)具前進(jìn)速度，通過調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出頻率控制旋耕工作轉(zhuǎn)速。

圖12 筑埂性能臺架試驗(yàn)Fig.12 Bench experiment for ridging performances

由實(shí)際水稻生產(chǎn)農(nóng)藝需求可知，水田田埂堅(jiān)實(shí)度及形態(tài)特征是檢測田埂質(zhì)量的重要指標(biāo)，由于目前國內(nèi)尚無關(guān)于水田機(jī)械化田埂修筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，查閱相關(guān)資料結(jié)合水田筑埂實(shí)際作業(yè)，選取田埂平均堅(jiān)實(shí)度、田埂高度變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)（在農(nóng)藝田埂要求范圍內(nèi)，田埂平均堅(jiān)實(shí)度越高，高度變異系數(shù)越低，其所筑田埂質(zhì)量最佳）。其相關(guān)計(jì)算公式為

在試驗(yàn)過程中，對所筑田埂整體高度及堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行測定，各組試驗(yàn)所筑田埂有效長度皆應(yīng)大于20 m，每間隔0.8 m選取一測試點(diǎn)進(jìn)行測定，各組試驗(yàn)累計(jì)測試25次，數(shù)據(jù)處理取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。在田埂尺寸形態(tài)及堅(jiān)實(shí)程度皆滿足農(nóng)藝要求前提下，認(rèn)定此組作業(yè)為有效試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化組合，分析因素影響規(guī)律。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

根據(jù)前期理論分析、單因素預(yù)試驗(yàn)及田間筑埂作業(yè)要求，配合各因素可控有效范圍，設(shè)定試驗(yàn)因素水平如表2所示。在此基礎(chǔ)上，采用2因素5水平通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)安排試驗(yàn)方案[22-23]，對影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性分析，并根據(jù)實(shí)際需求獲得機(jī)具最佳工作參數(shù)組合。

表2 試驗(yàn)因素水平編碼Table 2 Coding of level of experimental factors

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在臺架土槽試驗(yàn)過程中，由于人為控制及臺架振動(dòng)等外界因素影響，試驗(yàn)操作實(shí)際值與理論參數(shù)設(shè)計(jì)值存在一定偏差，但其最大誤差為3.3%，在可接受范圍內(nèi)，因此可對修筑埂機(jī)前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速兩參數(shù)設(shè)計(jì)值進(jìn)行結(jié)果分析，尋求機(jī)具最佳工作參數(shù)組合。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與測定結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Design of tests and results

通過Design-Expert 6.0.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，進(jìn)行因素方差分析，篩選出較為顯著影響因素，得到性能指標(biāo)與因素編碼值間回歸方程。

式中x1為修筑埂機(jī)前進(jìn)速度編碼值；x2為旋耕工作轉(zhuǎn)速編碼值；y1為田埂平均堅(jiān)實(shí)度，kPa；y2為田埂高度變異系數(shù)，kPa。

為直觀地分析試驗(yàn)指標(biāo)與因素間關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件得到響應(yīng)曲面，如圖13所示。

圖13 各因素對試驗(yàn)性能參數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surfaces of all factors on qualified indexes

在上述試驗(yàn)田埂堅(jiān)實(shí)度及尺寸皆滿足農(nóng)藝田埂要求前提下，對各因素影響規(guī)律進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)回歸方程和響應(yīng)曲面圖等高線分布密度可知，修筑埂機(jī)前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速間交互作用對田埂平均堅(jiān)實(shí)度影響較顯著，對田埂高度變異系數(shù)影響并不顯著。由圖13a可知，當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí)，田埂平均堅(jiān)實(shí)度隨工作轉(zhuǎn)速增加先減小后增加；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，田埂平均堅(jiān)實(shí)度隨前進(jìn)速度增加也為先減小后增加，其變化區(qū)間較大。由圖13b可知，當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí)，田埂高度變異系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加先減小后增加，其變化區(qū)間較小；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，田埂高度變異系數(shù)隨前進(jìn)速度增加而增加。當(dāng)前進(jìn)速度變化時(shí)，田埂平均堅(jiān)實(shí)度及高度變異系數(shù)兩指標(biāo)變化影響較大，前進(jìn)速度是影響修筑埂機(jī)作業(yè)性能的主要因素。

在此基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)因素最佳水平組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，對田埂平均堅(jiān)實(shí)度、高度變異系數(shù)回歸方程進(jìn)行分析，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型為

基于Design-Expert 6.0.10軟件中Optimization多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模塊對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，可得當(dāng)修筑埂機(jī)前進(jìn)速度為1.33 km/h，旋耕工作轉(zhuǎn)速為525 r/min，旋耕取土深度為200 mm時(shí)，筑埂作業(yè)質(zhì)量最優(yōu)，其所筑田埂平均堅(jiān)實(shí)度為2080 kPa，田埂高度變異系數(shù)為3.59%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行臺架土槽試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際作業(yè)所筑田埂的平均堅(jiān)實(shí)度為2160 kPa，高度變異系數(shù)為4.01%，田埂平均高度為340 mm，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，可滿足農(nóng)藝田埂作業(yè)要求。

4 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)修筑埂機(jī)田間作業(yè)性能，驗(yàn)證機(jī)具各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)可靠性，分別于2015年10月及2016年4月春秋兩季在黑龍江省綏化市慶安縣稻田試驗(yàn)基地進(jìn)行田間筑埂試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榈咎锓N植地塊，試驗(yàn)土壤黏性較大，其絕對含水率29.7%，土壤堅(jiān)實(shí)度190 kPa，環(huán)境溫度17℃，環(huán)境濕度68%，滿足筑埂作業(yè)農(nóng)藝要求。配套驅(qū)動(dòng)機(jī)具為東方紅704型拖拉機(jī)（功率51.5 kW），試驗(yàn)樣機(jī)為1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)，機(jī)器運(yùn)行狀況良好。操作人員技術(shù)熟練，轉(zhuǎn)向作業(yè)時(shí)可沿所筑單側(cè)田埂軌跡精確控制拖拉機(jī)行駛，保證筑埂直線作業(yè)要求。

田間試驗(yàn)作業(yè)類型分別為舊埂修筑作業(yè)和原地起埂作業(yè)，將作業(yè)區(qū)域劃分為啟動(dòng)調(diào)整區(qū)、有效試驗(yàn)區(qū)及停止區(qū)，測試總距離130 m，前后啟動(dòng)調(diào)整區(qū)和停止區(qū)分別為5 m，如圖14所示。在啟動(dòng)調(diào)整區(qū)調(diào)節(jié)機(jī)具作業(yè)左右位置及旋耕深度，保證旋耕集土量充足平衡，確定機(jī)具在前進(jìn)速度1.33 km/h，旋耕工作轉(zhuǎn)速525 r/min工況條件下，單次進(jìn)行單側(cè)田埂修筑，轉(zhuǎn)向進(jìn)行另一側(cè)田埂修筑，同時(shí)保證田埂直線度及兩側(cè)整體形態(tài)。在此條件下重復(fù) 3次試驗(yàn)，對所筑田埂質(zhì)量進(jìn)行人工檢測取平均值，以評價(jià)機(jī)具作業(yè)性能，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field experiment

表4 田間筑埂作業(yè)檢測結(jié)果Table 4 Performance testing results in field

田間試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)機(jī)型各項(xiàng)指標(biāo)皆優(yōu)于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)可一次性完成集土、鎮(zhèn)壓和成型等多項(xiàng)作業(yè)，在工況條件下所筑田埂各處土壤堅(jiān)實(shí)度均大于1500 kPa，田埂整體堅(jiān)實(shí)光滑，外形平整一致，人在埂上行走無塌陷現(xiàn)象，經(jīng)農(nóng)田泡水無滲水漏水問題，滿足水田生產(chǎn)農(nóng)藝要求。

5 結(jié) 論

1）1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)可一次性完成水田集土、鎮(zhèn)壓和成型等多項(xiàng)作業(yè)，適用于舊埂修補(bǔ)及原地起埂作業(yè)，所筑田埂質(zhì)量良好，堅(jiān)實(shí)光滑，外形平整一致，滿足水田生產(chǎn)農(nóng)藝技術(shù)要求。

2）對修筑埂機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了研制設(shè)計(jì)，偏牽引懸掛仿形調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了筑埂部件相對位置的調(diào)整，避免拖拉機(jī)車轍與修筑埂機(jī)旋耕鎮(zhèn)壓區(qū)域間重合碾壓；旋耕筑埂深度可調(diào)式傳動(dòng)總成在進(jìn)行多級傳動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了旋耕集土深度與鎮(zhèn)壓筑埂強(qiáng)度的調(diào)整，提高機(jī)具對各區(qū)域環(huán)境作業(yè)的適應(yīng)性；旋耕集土刀輥總成實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)處取土拋土、近處聚攏切型的功用，保證作業(yè)集土量；鎮(zhèn)壓筑埂圓盤總成采用靜力壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)兩種方式將田埂壓實(shí)成型，提高所筑田埂堅(jiān)實(shí)度及穩(wěn)定性。

3）采用多因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗(yàn)研究機(jī)具前進(jìn)速度和旋耕工作轉(zhuǎn)速對筑埂性能的交互影響，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多因素優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為1.33 km/h，旋耕工作轉(zhuǎn)速為525 r/min時(shí)，筑埂作業(yè)質(zhì)量最優(yōu)，其所筑田埂平均堅(jiān)實(shí)度為2160 kPa，田埂高度變異系數(shù)為4.01%，田埂平均高度為340 mm。田間試驗(yàn)表明，該機(jī)具作業(yè)性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)簡單合理，適用性強(qiáng)，其各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)皆優(yōu)于參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可有效減輕水田生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率與質(zhì)量。

本機(jī)具的研究設(shè)計(jì)可提高水田筑埂作業(yè)的適應(yīng)性與靈活性，減輕勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，滿足水稻種植農(nóng)藝要求，為水田機(jī)械化筑埂機(jī)具的創(chuàng)新研發(fā)與優(yōu)化提供技術(shù)參考，有利于我國標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)水稻生產(chǎn)規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

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Design and experiment on 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field

Wang Jinwu,Tang Han,Wang Jinfeng※,Lin Nannan,Huang Huinan,Zhao Yi
(College of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Rice is the most important crop in China,which has the largest planting area,the highest per unit area yield and the most total output. The production scale of rice has important significance to the development of grain production safety. Solid ridge is important guarantee for irrigation and rice growth. It can improve the yield of grain crops and reduce the waste of water resources,which is conducive to the construction of standardized farmland in China. At present,the ridge are built still by manual labor in some regions. The ridge building by manual labor have some problems such as poor quality,long operation period,and repeated labor intensity. Ridging operation belongs to a part of tillage operation in the whole production process. With the development of paddy field mechanization,the paddy field machinery ridging technology has become the bottleneck problem for production. Paddy field mechanization ridging is constructed by agricultural machinery to meet the production requirements of rice irrigation and ridge technology. Some Chinese scientific research institutes and agricultural machinery enterprises have carried out researches and designed paddy field ridge machines. These machines take the soil on both sides through the plow or rotary blade and other parts,and compact soil to build ridge by double disc rolling,but they have shortcomings of heavy body,poor flexibility,high power consumption,and limits to the sampling position,which affect the follow-up planting and soil leveling operations. This kind of machine can not fully meet the actual production demands in China. In order to improve the quality and the efficiency of ridging operation in paddy field,and to reduce the labor intensity,the 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger was designed,in view of meeting the agronomic requirements of rice planting in the northeast region of China. The overall structure and working principle of the ridger were illustrated and analyzed. The structural design and the theoretical analysis were conducted for key components,such as partial traction hanging adaptive mechanism,rotary tillage ridging adjustable depth transmission assembly,rotary tillage soilcollecting roller assembly and compacting ridging circular assembly. To improve the working performance of ridger and to obtain the best operation parameters,the quadratic general rotary unitized design experiment was carried out with the forward speed and the rotational speed as the impact factors,and the average value of ridge density and the variation coefficient of ridge height as the response indices. Based on experimental data,a mathematical model was built by using the Design-expert 6.0.10 software,the experimental factors were optimized,and the best combination was achieved. Test results showed that the forward speed of the ridger was 1.33 km/h,the rotational speed was 525 r/min,and the average of ridge density was 2 160 kPa,the variation coefficient of ridge height was 4.01%. On the basis,the field test was carried out,and the test results showed that the ridger was characterized by its compact-sized reasonable structure and simple operation. And its ridge had good quality,which was solid and smooth and could meet the requirement of paddy field production. The research results in this paper can provide the theoretical basis and direction for the research of mechanical ridger and its key parts for paddy field.

agricultural machinery;design;experiment;paddy field;ridger;rotary tillage;compacting

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.004

S222.5+3

A

1002-6819(2017)-01-0025-13

王金武，唐 漢，王金峰，林南南，黃會(huì)男，趙 藝. 1DSZ-350型懸掛式水田單側(cè)旋耕鎮(zhèn)壓修筑埂機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(1)：25－37.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.004 http://www.tcsae.org

Wang Jinwu,Tang Han,Wang Jinfeng,Lin Nannan,Huang Huinan,Zhao Yi. Design and experiment on 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):25－37.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.004 http://www.tcsae.org

2016-06-13

2016-12-14

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAD06B04)

王金武，男，黑龍江慶安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間機(jī)械和機(jī)械可靠性領(lǐng)域研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：jinwuw@163.com

※通信作者：王金峰，男，黑龍江同江人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事田間作業(yè)機(jī)械研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。Email：Jinfeng_w@126.com