鄭 侃，何 進(jìn)，李洪文，陳黎卿，胡宏男，劉文政

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作業(yè)次序?qū)ι钏尚?lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)質(zhì)量及功耗的影響

鄭 侃1，何 進(jìn)1※，李洪文1，陳黎卿2，胡宏男1，劉文政1

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥230036）

該文選用華北平原壤土區(qū)常用的深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，分析深松、旋耕作業(yè)次序?qū)ζ渥鳂I(yè)質(zhì)量及功耗的影響。運(yùn)用離散元仿真分析結(jié)果表明，旋耕深松作業(yè)次序比深松旋耕作業(yè)次序的工作緊湊、刀輥受力均勻。隨著作業(yè)深度的增加，深松旋耕作業(yè)次序作用的深層土壤較多。建立以旋耕深度、深松深度為因素，以2種作業(yè)次序功耗為指標(biāo)的回歸方程綜合分析得出，作業(yè)深度較淺時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序功耗、地表平整度、植被覆蓋率優(yōu)于旋耕深松作業(yè)次序；作業(yè)深度較大時(shí)，旋耕深松作業(yè)次序功耗明顯小于深松旋耕作業(yè)次序，且兩者作業(yè)質(zhì)量差異不顯著。田間試驗(yàn)表明，離散元仿真建立的2種作業(yè)次序作業(yè)深度與作業(yè)功耗的回歸方程及測(cè)量的地表平整度、土壤膨松度及植被埋覆率基本能真實(shí)反映田間作業(yè)情況。

機(jī)械化；計(jì)算機(jī)仿真；模型；深松；旋耕；聯(lián)合作業(yè)；離散元法

0 引 言

土壤耕整地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基本的作業(yè)，其目的是疏松土壤、恢復(fù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，積蓄水分、養(yǎng)分，覆蓋雜草、肥料，為種子生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好條件[1-2]。深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)將單項(xiàng)深松與旋耕組合，一次作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)表層土壤細(xì)碎平整，深層土壤疏松。具有減少農(nóng)機(jī)具對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞、提高機(jī)具作業(yè)效率等優(yōu)點(diǎn)[3]。深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)可按結(jié)構(gòu)分為深松旋耕作業(yè)次序（常見）、旋耕深松作業(yè)次序。目前，深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)仍存在作業(yè)質(zhì)量差、功耗大等問(wèn)題[4]。若能分析2種作業(yè)次序?qū)β?lián)合工作過(guò)程及作業(yè)功耗的影響，將有助于提高聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)質(zhì)量，降低其作業(yè)功耗。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)深松、旋耕單項(xiàng)作業(yè)的工作過(guò)程、作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)阻力及扭矩已有較多研究，研究成果為設(shè)計(jì)高質(zhì)量、低阻耗的深松機(jī)和旋耕機(jī)提供重要依據(jù)。如黃玉祥等[5]通過(guò)離散元法分析深松工作過(guò)程，研究土壤運(yùn)動(dòng)速度與土壤擾動(dòng)范圍和深松鏟之間距離關(guān)系。Li等[6]設(shè)計(jì)黑熊爪趾仿生深松鏟，應(yīng)用離散元法分析作業(yè)深度與入土角的變化對(duì)土壤總動(dòng)能、耕作阻力、排出的土壤顆粒數(shù)量以及土壤孔隙度影響。Shahgoli等[7]研究振動(dòng)深松鏟工作過(guò)程，揭示了振動(dòng)角對(duì)深松鏟受力的影響以及振動(dòng)頻率與深松鏟阻力關(guān)系。方會(huì)敏等[8-10]基于離散元分析旋耕刀切土過(guò)程中土壤運(yùn)動(dòng)、秸稈位移變化、旋耕刀受力表明，提高轉(zhuǎn)速增加土壤拋撒范圍、秸稈移動(dòng)距離和旋耕刀受力；Matin等[11-12]采用高速攝影方法對(duì)比分析傳統(tǒng)旋耕刀、一半寬度的旋耕刀和直刀工作過(guò)程得出，轉(zhuǎn)速375～500 r/min、切土截距20～27 mm時(shí)，直刀碎土率無(wú)顯著性差異，而土壤擾動(dòng)量和扭矩明顯優(yōu)于另外2種旋耕刀。但在相關(guān)研究資料中，對(duì)不同深松、旋耕作業(yè)次序聯(lián)合工作過(guò)程及功耗影響的研究較少。

因此，為探明深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合工作過(guò)程和功耗的影響，本文采用離散元法，研究深松旋耕作業(yè)次序和旋耕深松作業(yè)次序的工作過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，明確旋耕深度、深松深度對(duì)兩作業(yè)次序的功耗影響，并通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為華北平原壤土區(qū)深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

華北平原壤土區(qū)常見的深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)多為深松旋耕作業(yè)次序，如圖1a所示。可調(diào)整深松鏟安裝位置實(shí)現(xiàn)旋耕深松作業(yè)次序，如圖1b所示。試驗(yàn)用聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由旋耕部件、深松部件、限深輪、懸掛架、變速箱及機(jī)架組成。整機(jī)通過(guò)限深輪及深松鏟與機(jī)架的連接點(diǎn)改變深松與旋耕深度，主要參數(shù)有：拖拉機(jī)配套動(dòng)力≥66.2 kW、作業(yè)幅寬2 500 mm、外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）1 000 mm×2 868 mm×1 285 mm（可調(diào)）、旋耕深度≤ 20 cm、深松深度≤45 cm、深松鏟4個(gè)、深松鏟間距625 mm。其中旋耕刀輥采用左、右刀軸上的旋耕刀按雙頭螺旋線對(duì)稱排列，以抵消刀軸橫向水平力，減小對(duì)刀軸端軸承的影響。同一平面方向相反的旋耕刀相位角為180°，同一螺旋線上的同向相鄰旋耕刀升角為72°。為保證旋耕深度，旋耕刀選用IIT245彎刀，回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，刀軸外徑為80 mm。為滿足深松作業(yè)深度和強(qiáng)度要求，使用的深松鏟長(zhǎng)度為900 mm，鏟柄寬度為90 mm，厚度為 25 mm，切削刃角取60°；鏟尖選用鑿形鏟，入土角23°。

1. 旋耕部件 2. 深松部件 3. 限深輪 4. 懸掛架 5. 變速箱 6. 機(jī)架

1.2 離散元土壤模型與機(jī)具模型的建立

本文采用離散元仿真法與田間試驗(yàn)綜合分析深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合工作過(guò)程和功耗的影響。為準(zhǔn)確反映深松旋耕和旋耕深松兩作業(yè)次序仿真的準(zhǔn)確性，根據(jù)華北平原壤土區(qū)土壤特性，通過(guò)離散元分析軟件EDEM建立耕作層、犁底層、心土層3層土壤模型[13]，運(yùn)用SolidWorks軟件建立兩作業(yè)次序機(jī)具模型。

應(yīng)用干篩法測(cè)量試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為輕壤土（黏粒2.78%），土壤顆粒之間表現(xiàn)出散粒體物料特性，土壤顆粒之間粘附力較小，且表現(xiàn)出一定的壓縮性。因此確定土壤顆粒與邊界接觸模型[14-15]：Hertz-Mindlin為土壤與旋耕部件、土壤與深松部件之間的接觸模型；土壤顆?？伤苄宰冃蔚腍ysteretic Spring接觸模型和法向粘聚力的Linear Cohesion接觸模型共同為土壤顆粒之間的接觸模型。通過(guò)對(duì)耕作層、犁底層、心土層3層仿真土壤顆粒的標(biāo)定、土壤動(dòng)靜摩擦因數(shù)測(cè)量等室內(nèi)試驗(yàn)得到顆粒本征參數(shù)和土壤顆粒接觸參數(shù)，同時(shí)參考前期的研究[13]，設(shè)置耕作層厚度為150 mm（顆粒數(shù)為167 959個(gè)）、犁底層厚度為120 mm（顆粒數(shù)為139 753個(gè)）、心土層厚度為330 mm（顆粒數(shù)為386 110個(gè)），并采用逐層生成的方法建立虛擬土槽。受到仿真運(yùn)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間的限制，在不影響仿真結(jié)果前提下，去掉限深輪，建立尺寸合適的虛擬土槽，基本尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）3 000 mm×2 600 mm× 600 mm。

運(yùn)用SolidWorks軟件同比例創(chuàng)建深松旋耕作業(yè)次序和旋耕深松作業(yè)次序的機(jī)具仿真模型導(dǎo)入EDEM中，仿真土壤模型與兩作業(yè)次序的機(jī)具模型如圖2所示。為保證機(jī)器仿真過(guò)程中土壤顆粒連續(xù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定固定時(shí)間步長(zhǎng)為2×10-5s，Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的5%，總仿真時(shí)間為 3 s，網(wǎng)格單元尺寸為最小顆粒半徑的3倍。

1. 耕作層 2. 犁底層 3. 心土層

2 離散元仿真結(jié)果

基于上述離散元土壤模型和幾何模型的建立，分析深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合工作過(guò)程中土壤運(yùn)動(dòng)、刀軸不同位置旋耕刀受力的影響；同時(shí)在不同深松、旋耕作業(yè)次序聯(lián)合作業(yè)功耗理論分析基礎(chǔ)上，建立以旋耕深度、深松深度為因素、以深松旋耕和旋耕深松兩種作業(yè)次序功耗為指標(biāo)的回歸模型，并對(duì)2種作業(yè)次序功耗與作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行綜合分析。

2.1 兩種作業(yè)次序土壤運(yùn)動(dòng)分析

為研究深松旋耕、旋耕深松工作時(shí)的土壤運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)相同作業(yè)深度和不同作業(yè)深度兩次序聯(lián)合工作過(guò)程中的土壤運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。首先，結(jié)合現(xiàn)有深松聯(lián)合作業(yè)機(jī)[16]與GB/T5668-2008《旋耕機(jī)》中幅寬為2 500 mm作業(yè)要求，并在保證機(jī)具作業(yè)質(zhì)量良好的前提下，綜合考慮實(shí)際作業(yè)深度、阻力及功耗等因素，設(shè)定作業(yè)速度0.8 m/s、旋耕轉(zhuǎn)速350 r/min。其次，華北平原旋耕深度一般大于 8 cm；深松深度一般大于25 cm[17-18]，本文旋耕深度取值8～20 cm，深松深度設(shè)為25～45 cm。最后，基于機(jī)具實(shí)際工作中深松、旋耕部件深度調(diào)節(jié)范圍，分別設(shè)置旋耕深度h為10、15、20 cm，對(duì)應(yīng)的深松深度h為25、35、45 cm。

2.1.1 相同深度兩種作業(yè)次序土壤運(yùn)動(dòng)分析

在相同旋耕、深松作業(yè)深度條件下，對(duì)兩種作業(yè)次序工作過(guò)程土壤運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析（以旋耕深度10 cm、深松深度25 cm為例），如圖3所示。深松旋耕作業(yè)次序工作時(shí)（圖3a），犁底層在深松鏟鏟尖的作用下按垂直于鏟尖上表面方向向上方及兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，犁底層被打破，土塊A在鏟柄的擠壓、切削作用下沿鏟柄兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，深松結(jié)束后土塊A被鏟柄作業(yè)后呈松散狀態(tài)，同時(shí)位置被抬高；后置旋耕刀不斷對(duì)松散狀態(tài)的土塊A進(jìn)行剪切、撕裂等作用，進(jìn)一步破碎土壤；旋耕刀將破碎的土塊A向后上拋起，土壤顆粒擊打在后擋板，沿后擋板下落到地表。從而實(shí)現(xiàn)深松旋耕聯(lián)合作業(yè)表層土壤細(xì)碎平整，深層土壤疏松的目的。旋耕深松作業(yè)次序工作時(shí)（圖3b），前置旋耕刀交替不斷對(duì)未耕作土塊B進(jìn)行剪切、撕裂、翻轉(zhuǎn)、拋擲等作用；當(dāng)土塊B運(yùn)動(dòng)到深松鏟鏟尖上方時(shí)，深松鏟連續(xù)松碎深層土壤，打破土塊B下方的犁底層破碎后的土塊B不斷被旋耕刀拋起撞擊深松鏟和后端板；且土壤在重力作用下沿后擋板下落到地表和深松壟溝中，完成旋耕深松聯(lián)合作業(yè)。旋耕深松工作過(guò)程中，從深松松土至作業(yè)完成，深松部件與旋耕部件共同作用在土塊B上，因此旋耕深松作業(yè)次序比深松旋耕作業(yè)次序工作更為緊湊。

由圖3a、圖3c可知，在鏟柄和鏟尖的作用下，在深松鏟兩側(cè)形成V形松碎區(qū)，構(gòu)成虛實(shí)相間的土壤耕層結(jié)構(gòu)（圖3c中I-I）。深松鏟對(duì)土壤擾動(dòng)小，與深松鏟表面接觸的土壤運(yùn)動(dòng)較快（藍(lán)色代表顆粒靜止、紅色代表顆粒速度較大、綠色介于兩者之間，同下）；深松鏟作業(yè)后，V形區(qū)土壤疏松并將溝壑周圍土壤抬高，使后續(xù)旋耕刀入土深度增加，旋耕刀在虛實(shí)相間的土壤耕層上作業(yè)（圖3c中II-II），土壤擾動(dòng)較大。由圖3b、圖3d表明，旋耕刀不斷對(duì)未作業(yè)的耕作層土壤進(jìn)行破碎，使土壤向后上方拋起，土壤擾動(dòng)大（3d中I-I）；由于與鏟柄接觸的耕作層土壤經(jīng)旋耕作業(yè)后較松碎，因此鏟尖是深松鏟主要受力部位，與鏟尖接觸的土壤顆粒速度最大（3d中II-II）。綜上得出，不同深松、旋耕作業(yè)次序聯(lián)合工作時(shí)整機(jī)前方的土壤松碎過(guò)程有差異，旋耕深松作業(yè)次序作業(yè)更為緊湊，兩種作業(yè)次序中深松部件與旋耕部件工作時(shí)地表的耕層初始狀態(tài)不同。

注：粉色顆粒表示所選土塊A、B；藍(lán)色箭頭表示顆粒靜止、紅色箭頭表示顆粒速度較大、綠色箭頭表示顆粒速度介于兩者之間。

2.1.2 不同深度兩種作業(yè)次序土壤運(yùn)動(dòng)分析

在不同旋耕、深松作業(yè)深度條件下，分析2種作業(yè)次序工作穩(wěn)定段時(shí)土壤運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。當(dāng)旋耕深度h=10 cm、深松深度h=25 cm時(shí)，兩作業(yè)次序的旋耕部件均在耕作層作業(yè)（圖4a-1），深松旋耕作業(yè)次序中旋耕部件后置有利于掩埋前置深松鏟作業(yè)后形成的溝壑，又因后擋板與旋耕部件構(gòu)成的空間比旋耕深松作業(yè)次序小，進(jìn)一步增加壅土量，從而增加地表平整度和植被埋覆率。旋耕深松作業(yè)次序中深松部件后置，作業(yè)時(shí)旋耕刀向后拋送土壤顆粒（圖4b-1），受到深松鏟柄和后擋板的阻擋，使土壤顆粒下落到兩深松鏟之間以及深松鏟作業(yè)后形成的溝槽中，在地表形成溝壑；隨著深松、旋耕作業(yè)深度的增加，當(dāng)h=15 cm、h=35 cm時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序深松鏟將旋耕部件前方的犁底層土壤抬起（圖4a-2），旋耕部件同時(shí)對(duì)耕作層和犁底層土壤破碎，增加旋耕作業(yè)功耗。旋耕深松作業(yè)次序中深松鏟后置，旋耕部件未作用較硬的犁底層土壤（圖4b-2）；當(dāng)h=20 cm、h=45 cm時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序旋耕部件對(duì)深松鏟抬起的大量犁底層和心土層土壤工作（圖4a-3），增加作業(yè)功耗，又由于后擋板與旋耕部件構(gòu)成的空間小，土壤被旋耕刀向前拋送，造成旋耕重復(fù)作業(yè)，進(jìn)一步增加作業(yè)功耗，而旋耕深松作業(yè)次序避免了上述問(wèn)題（圖4b-3）。隨著旋耕深度的增加，大量的土壤被破碎、土壤膨松度增加且后檔板起到一定的鎮(zhèn)壓作用，提高了兩種作業(yè)方式的地表平整度。綜合以上可知，不同的作業(yè)深度下，兩作業(yè)次序作業(yè)后的地表狀況不同。當(dāng)作業(yè)深度增加時(shí)，與旋耕深松作業(yè)次序比，深松旋耕作業(yè)次序作用的深層土壤較多。

注：hn為旋耕深度，hm為深松深度。

2.1.3 工作過(guò)程中旋耕刀受力

深松、旋耕作業(yè)次序的不同對(duì)聯(lián)合作業(yè)深松鏟、旋耕刀受力均有影響，其中旋耕刀的受力更影響聯(lián)合作業(yè)機(jī)振動(dòng)、零部件壽命及作業(yè)穩(wěn)定性。為分析不同深松、旋耕作業(yè)次序聯(lián)合工作過(guò)程中旋耕刀受力，在深松旋耕作業(yè)次序中選取深松鏟正后方1把旋耕刀D1和相鄰的1把旋耕刀D2（旋耕深度10 cm、深松深度25 cm）；并在旋耕深松作業(yè)次序旋耕刀輥同樣的位置選取2把旋耕刀D3和D4，分析旋耕刀前進(jìn)方向（圖2中軸）和垂直方向（圖2中軸）受力。設(shè)置EDEM軟件獲取數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為0.001 s，取兩作業(yè)次序工作平穩(wěn)段，讀取旋耕刀作業(yè)時(shí)軸、軸阻力與仿真時(shí)間變化曲線，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與旋耕轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化公式：=36060（為轉(zhuǎn)動(dòng)角度，（o）；為仿真時(shí)間，s；為旋耕轉(zhuǎn)速，r/min），可得到上述4把旋耕刀沿水平方向（軸）和垂直方向（軸）阻力隨旋耕刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化曲線，如圖5a、5b所示。

旋耕刀開始接觸土壤時(shí)，轉(zhuǎn)角計(jì)為0°、水平方向和垂直方向阻力為0，隨著刀軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角的增加旋耕刀切削土壤。旋耕刀水平阻力先增加后減小，在轉(zhuǎn)角在38°～57°之間阻力最大，隨后逐漸下降至為0；垂直阻力增加較快至最大，而后緩慢下降至0，在60°～80°之間旋耕刀垂直阻力由向上變?yōu)橄蛳?，最后完成切土。?jīng)測(cè)量，深松旋耕作業(yè)次序中，D1旋耕刀水平、垂直阻力的最大值為182.4和146 N，大于D2旋耕刀水平、垂直阻力的最大值91.9和84.2 N；D1旋耕刀水平和垂直阻力的平均值分別為44.6和29.7 N，亦大于D2旋耕刀水平阻力（13.3 N）和垂直阻力（16.3 N）。旋耕深松作業(yè)次序中D3、D4旋耕刀水平方向和垂直方向阻力變化趨勢(shì)和大小差異較?。▓D5a、5b），其中D3、D4旋耕刀水平方向阻力最大值分別為234和241 N、平均值為86.7和87.6 N；垂直方向阻力最大值分別為205.9和203.5 N，平均值分別為55.3和56.8 N。

注：D1為深松旋耕作業(yè)次序中深松鏟正后方的旋耕刀；D2為D1旋耕刀相鄰的旋耕刀；D3、 D4為旋耕深松作業(yè)次序中選取與D1、D2相同位置的旋耕刀。

2.2 功耗回歸模型建立

通過(guò)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，分析深松、旋耕作業(yè)次序的不同對(duì)聯(lián)合作業(yè)功耗影響，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理與方法，建立以旋耕深度、深松深度為因素，以2種作業(yè)次序功耗為指標(biāo)的回歸方程。

2.2.1 深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合作業(yè)功耗影響原因分析

作業(yè)功耗是評(píng)定深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)的重要指標(biāo)，一般不大于85%的配套功率。2種作業(yè)次序的功耗主要來(lái)源于旋耕部件和深松部件。旋耕部件的功耗主要由旋耕刀切削土壤、拋擲土垡、推動(dòng)旋耕機(jī)前進(jìn)、傳動(dòng)部分消耗以及克服土壤沿水平方向作用于刀軸上的反力所消耗的功率組成[19-20]，深松部件功耗主要為深松鏟克服土壤阻力所作的功。當(dāng)旋耕部件與深松部件單項(xiàng)作業(yè)時(shí)，可參考現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算旋耕部件作業(yè)功耗1與深松部件作業(yè)功耗0[21]。

式中1為旋耕部件作業(yè)功耗，kW；0為深松部件作業(yè)功耗，kW；為旋耕作業(yè)部件傳動(dòng)效率，0.8～0.9；0為作業(yè)幅寬，m；h為旋耕深度，cm；v為作業(yè)速度，m/s；為旋耕轉(zhuǎn)速，r/min；為旋耕切土比阻，N/m2；為耕前土壤密度，kg/m3；為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，m；0為深松鏟阻力，N。

由式（1）可知，旋耕部件作業(yè)功耗1大小與0、h、v、、、、等參數(shù)有關(guān)，其中研究表明旋耕切土比阻與土壤的緊實(shí)度、孔隙度、容重等物理參數(shù)相關(guān)[22]。深松部件作業(yè)功耗0與0、v呈線性關(guān)系。深松鏟阻力0與深松鏟入土角、鑿形鏟鏟寬、鑿形鏟鏟長(zhǎng)、切削刃角、鏟柄厚度、鏟柄寬度、鏟柄彎折處內(nèi)弧半徑等深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)；與土壤密度、土壤內(nèi)聚力、土壤與深松鏟摩擦因數(shù)以及深松深度h等土壤物理參數(shù)相 關(guān)[23-24]。綜上可知，當(dāng)旋耕部件、深松部件結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)相同時(shí)，單項(xiàng)深松、旋耕作業(yè)功耗主要與作業(yè)前土壤的物理參數(shù)有關(guān)。

當(dāng)深松部件與旋耕部件聯(lián)合作業(yè)時(shí)，依據(jù)圖3c、3d分析可知，深松旋耕作業(yè)次序中深松部件在未耕作的土壤條件下工作，而旋耕深松作業(yè)次序中深松部件在已旋耕的土壤環(huán)境下工作；同樣深松旋耕作業(yè)次序中旋耕部件在已深松的地表工作，旋耕深松作業(yè)次序中旋耕部件在未耕作的地表工作。兩作業(yè)次序中深松部件、旋耕部件作業(yè)前的土壤耕層結(jié)構(gòu)以及土壤的緊實(shí)度、孔隙度、容重等物理參數(shù)不同，聯(lián)系上述結(jié)論深松、旋耕作業(yè)功耗與作業(yè)前土壤條件有關(guān)，可得出不同深松、旋耕作業(yè)次序影響聯(lián)合工作時(shí)作業(yè)功耗。在所需的旋耕深度8～ 20 cm以及深松深度25～45 cm范圍內(nèi)，隨著作業(yè)深度的增加，單項(xiàng)旋耕與深松作業(yè)功耗變化的數(shù)值、幅度有差異[25-26]，結(jié)合2.1.2節(jié)分析可得，當(dāng)作業(yè)深度的增加時(shí)，2種作業(yè)次序功耗增加的程度也不同。

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真作業(yè)功耗測(cè)量方法

為明確深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合作業(yè)功耗的影響，以及確定深松、旋耕作業(yè)深度對(duì)功耗的變化規(guī)律，文中應(yīng)用離散元仿真法建立旋耕深度、深松深度與2種作業(yè)次序功耗的回歸模型。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6分析軟件，根據(jù)Central-Composite Design（CCD）試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以旋耕深度h和深松深度h為試驗(yàn)因素，分別以深松旋耕和旋耕深松作業(yè)次序功耗W、W為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行離散元仿真（2種作業(yè)次序作業(yè)速度與旋耕轉(zhuǎn)速同2.1節(jié)）。設(shè)置試驗(yàn)因素及水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平

兩作業(yè)次序功耗由作業(yè)扭矩產(chǎn)生的功耗￠1和整機(jī)作業(yè)阻力2產(chǎn)生的功耗￠2組成。測(cè)量方法為：取作業(yè)平穩(wěn)時(shí)段，通過(guò)EDEM圖表生成模塊，得到在一定時(shí)間段內(nèi)旋耕部件作業(yè)扭矩和整機(jī)作業(yè)阻力與時(shí)間變化關(guān)系。求得旋耕扭矩和作業(yè)阻力平均值即為和2。功耗W、W可由式（2）求得[27]。

式中W為深松旋耕作業(yè)次序功耗，kW；W為旋耕深松作業(yè)次序功耗，kW；￠1為扭矩產(chǎn)生的功耗，kW；￠2為阻力產(chǎn)生的功耗，kW；為旋耕部件作業(yè)扭矩，N?m；2為整機(jī)作業(yè)阻力，N。

2.2.3 功耗測(cè)量結(jié)果與回歸方程

利用EDEM軟件運(yùn)行試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示，通過(guò)Design-Expert 8.0.6分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，分析旋耕深度h和深松深度h對(duì)兩工作方式功耗指標(biāo)影響的顯著性，擬合回歸方程獲得試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)模型。

深松旋耕作業(yè)次序和旋耕深松作業(yè)次序作業(yè)功耗W、W響應(yīng)面回歸模型檢驗(yàn)均非常顯著（<0.000 1）；兩仿真模型的校正決定系數(shù)Adj2=0.997 7、復(fù)相關(guān)系數(shù)2=0.998 6，失擬項(xiàng)為分別為0.140 4、0.189 7均大于0.01，說(shuō)明模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，深松旋耕作業(yè)次序和旋耕深松作業(yè)次序作業(yè)功耗W、W與因素編碼值的回歸方程如式（3）所示（H、H分別為旋耕深度h、深松深度h因素編碼值）。深松旋耕與旋耕深松中旋耕深度和深松深度交互作用值分別為0.003 4、0.000 3，小于0.01，均對(duì)作業(yè)功耗影響顯著。

2.3 兩種作業(yè)次序功耗與作業(yè)質(zhì)量綜合分析

由圖6所示的兩作業(yè)次序作業(yè)功耗響應(yīng)曲面圖可知，隨著旋耕深度和深松深度的增加，2種作業(yè)次序功耗增加幅度不同，深松旋耕作業(yè)次序功耗比旋耕深松作業(yè)次序功耗增加幅度大。為此，為綜合分析兩種作業(yè)次序功耗和作業(yè)質(zhì)量，依據(jù)等分原則，選取與2.1節(jié)相同的旋耕深度和深松深度進(jìn)行測(cè)量。

圖6 2種作業(yè)次序作業(yè)功耗響應(yīng)曲面圖

以地表平整度、土壤膨松度、植被埋覆率作為兩作業(yè)次序作業(yè)質(zhì)量考核指標(biāo)。測(cè)量方法為，取兩作業(yè)次序作業(yè)平穩(wěn)段，截取不同作業(yè)深度土槽橫斷面。提取橫斷面耕前地表線、兩作業(yè)次序作業(yè)后地表線、基準(zhǔn)線和理論深松溝底線。參考耕作機(jī)械作業(yè)后地表平整度、土壤膨松度計(jì)算方法[28-29]，可得兩作業(yè)次序作業(yè)后地表平整度、土壤膨松度。為簡(jiǎn)化模型提高仿真運(yùn)算速度，選取土槽表層土壤顆粒，測(cè)量表層一定區(qū)域內(nèi)耕前與耕后綠色顆粒數(shù)量，計(jì)算出變化百分比為植被埋覆率[30]。

基于上述方法與式（3）可得指標(biāo)仿真與功耗測(cè)量結(jié)果，如表3所示，當(dāng)h=10 cm、h=25 cm時(shí)，兩作業(yè)次序作業(yè)功耗較小，其中深松旋耕作業(yè)次序功耗小于旋耕深松作業(yè)次序。深松旋耕作業(yè)次序地表平整度為 15.42 mm，植被埋覆率84.10%，均優(yōu)于旋耕深松作業(yè)次序。兩作業(yè)次序土壤膨松度相差不大；當(dāng)h=15 cm、h= 35 cm時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序功耗為35.29 kW，大于旋耕深松作業(yè)次序。兩作業(yè)次序地表平整度、土壤膨松度以及植被埋覆率均明顯提高，其中深松旋耕作業(yè)次序地表平整度、植被埋覆率優(yōu)于旋耕深松作業(yè)次序，土壤膨松度相差不明顯；當(dāng)h=20 cm、h=45 cm時(shí)，兩作業(yè)次序作業(yè)功耗均達(dá)到最大，深松旋耕作業(yè)次序功耗比旋耕深松作業(yè)次序高9.35 kW，經(jīng)測(cè)量，深松旋耕作業(yè)次序整機(jī)阻力為15 345 N，阻力較大，考慮到機(jī)具幅寬為2 500 mm，不適用于深層耕作，而旋耕深松作業(yè)次序整機(jī)阻力相對(duì)較小為8 571 N。2種作業(yè)次序地表平整度、土壤膨松度、植被覆蓋率均為最優(yōu)，且差異不顯著。綜合以上分析得出，2種作業(yè)次序均能滿足華北平原深松旋耕作業(yè)要求，深松旋耕作業(yè)次序適用于深度較淺時(shí)作業(yè)；旋耕深松作業(yè)次序有利于較深層土壤耕作。

表3 作業(yè)指標(biāo)仿真測(cè)量結(jié)果

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與材料

試驗(yàn)條件：田間試驗(yàn)于2017年4月在河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)（115°56￠E、39°28￠N）中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北北部耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)站土壤質(zhì)地為輕壤土、前茬作物玉米，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后秸稈覆蓋均勻，覆蓋量1.71 kg/m2。

試驗(yàn)儀器：雷沃M904型拖拉機(jī)、約翰迪爾904型拖拉機(jī)、1SZL-250型深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)（旋耕刀為IIT245彎刀；深松鏟長(zhǎng)度為900 mm、鏟柄寬度為90 mm、厚度為25 mm，其強(qiáng)度和長(zhǎng)度能實(shí)現(xiàn)旋耕深度≤20 cm，深松深度≤45 cm條件下作業(yè)）、旋耕深松聯(lián)合作業(yè)機(jī)（1SZL- 250型深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)深松鏟安裝在旋耕部件后方）、北京中航科電測(cè)控技術(shù)有限公司ZH07型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，準(zhǔn)確度±0.3%Fs、溫州市一鼎儀器制造有限公司HF100艾力數(shù)顯拉壓測(cè)力計(jì)，精度±0.5%、北京航天智控監(jiān)測(cè)技術(shù)研究院AIC3600型振動(dòng)分析儀等。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)田被劃分6個(gè)長(zhǎng)度為100 m、寬度為5 m的試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)中間60 m作為測(cè)量區(qū)域。結(jié)合2.3節(jié)仿真選擇對(duì)應(yīng)的旋耕深度h與深松深度h，檢驗(yàn)仿真得到的兩作業(yè)次序功耗回歸模型準(zhǔn)確性。當(dāng)作業(yè)平均速度為0.8 m/s、旋耕轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在350 r/min時(shí)，采用振動(dòng)分析儀將磁性探頭吸附在旋耕部件機(jī)架兩側(cè)上方，實(shí)時(shí)讀取測(cè)量機(jī)具振動(dòng)加速度；地表平整度、土壤膨松度、植被覆蓋率參考JB/T10295-2001《深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)》測(cè)定。利用扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)定對(duì)應(yīng)不同深松、旋耕深度時(shí)的扭矩；通過(guò)安裝在兩輛拖拉機(jī)之間的數(shù)顯拉壓測(cè)力計(jì)同步測(cè)量牽引力（懸掛機(jī)具的拖拉機(jī)為空擋、輸出軸轉(zhuǎn)速為720 r/min；前方拖拉機(jī)提供牽引力），減去空載時(shí)的牽引力即為機(jī)具作業(yè)阻力，求取扭矩和作業(yè)阻力平均值，應(yīng)用式（2）計(jì)算2種作業(yè)次序作業(yè)功耗。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

各指標(biāo)均為行程結(jié)果的平均值，機(jī)具作業(yè)振動(dòng)加速度、地表平整度、土壤膨松度、植被覆蓋率及作業(yè)功耗試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)指標(biāo)田間實(shí)測(cè)結(jié)果

由表4試驗(yàn)指標(biāo)田間實(shí)測(cè)與表3仿真結(jié)果對(duì)比可得，深松旋耕作業(yè)次序在不同深度功耗實(shí)測(cè)值分別為15.05、37.56、61.42 kW，與功耗仿真值誤差分別為1.15、2.27、5.29 kW；旋耕深松作業(yè)次序在不同深度功耗實(shí)測(cè)值分別為18.63、33.31、49.87 kW，與功耗仿真值誤差分別為0.65、1.33、3.09 kW。由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器計(jì)和數(shù)顯拉壓測(cè)力計(jì)讀數(shù)可知，當(dāng)h=20 cm、h=45 cm時(shí)，兩次序作業(yè)阻力和扭矩大幅度增加，機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定性降低（深松旋耕作業(yè)次序比旋耕深松作業(yè)次序差），作業(yè)速度和轉(zhuǎn)速分別維持在0.56 m/s和310 r/min左右，無(wú)法達(dá)到設(shè)定值，又因作業(yè)深度增加，土壤犁底層、心土層堅(jiān)硬的土塊增多，仿真與實(shí)測(cè)功耗誤差變大。田間實(shí)測(cè)的2種作業(yè)次序的地表平整度、土壤膨松度、植被埋覆率，隨著作業(yè)深度增加提高了兩次序作業(yè)質(zhì)量，其數(shù)據(jù)與離散元仿真測(cè)量的數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致?？傮w而言，通過(guò)離散元仿真建立的2種作業(yè)次序作業(yè)深度與作業(yè)功耗的回歸方程及測(cè)量地表平整度、土壤膨松度及植被埋覆率基本能真實(shí)反映田間作業(yè)情況。

3.4 討 論

3.4.1 深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合工作過(guò)程的影響

深松旋耕作業(yè)次序首先對(duì)未耕區(qū)（耕作層、犁底層、心土層）土壤進(jìn)行深松松土（圖3a、圖3c），前置深松部件作業(yè)后在深松鏟兩側(cè)形成V形土壤松碎區(qū)，其次后置的旋耕部件在虛實(shí)相間的土壤耕層上進(jìn)行旋耕碎土。仿真測(cè)量深松鏟后方相鄰旋耕刀作業(yè)一個(gè)周期，水平和垂直方向受力相差較大，刀輥受力不均勻，其主要原因?yàn)?，D2旋耕刀對(duì)應(yīng)深松鏟完全疏松的土壤，D1旋耕刀對(duì)應(yīng)堅(jiān)實(shí)的土壤（圖3c中I-I）；旋耕深松作業(yè)次序中首先對(duì)未耕區(qū)（耕作層）土壤進(jìn)行旋耕碎土（圖3b、圖3d），而后深松部件較緊湊地對(duì)犁底層和心土層進(jìn)行碎土。由于未耕區(qū)土壤的硬度、緊實(shí)度相對(duì)比較均勻，仿真測(cè)量與深松旋耕作業(yè)次序相同位置的旋耕刀作業(yè)一個(gè)周期，D3、D4旋耕刀水平和垂直方向受力基本相同，其刀輥受力均勻。通過(guò)田間試驗(yàn)測(cè)量?jī)蓹C(jī)具作業(yè)振動(dòng)（表4）可知，相同作業(yè)深度條件下，旋耕深松作業(yè)次序振動(dòng)加速度明顯小于深松旋耕作業(yè)次序，并隨著作業(yè)深度的增加振動(dòng)加速度差值變大，驗(yàn)證了旋耕深松作業(yè)次序刀輥受力均勻。由以上分析得出，旋耕深松作業(yè)次序相鄰旋耕刀水平、垂直方向阻力相當(dāng)，從而使刀輥受力均勻，有利于減少機(jī)具振動(dòng)、增加旋耕零部件壽命和作業(yè)穩(wěn)定性。為進(jìn)一步優(yōu)化華北平原壤土區(qū)常用的深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)，建議通過(guò)改變深松旋耕作業(yè)次序中旋耕刀結(jié)構(gòu)及排列方式，以降低機(jī)具振動(dòng)。

3.4.2 深松、旋耕作業(yè)次序?qū)β?lián)合作業(yè)功耗的影響

當(dāng)旋耕深度、深松深度較淺時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序功耗小于旋耕深松作業(yè)次序（圖6、表3、表4）。結(jié)合圖4分析其原因?yàn)?，深松、旋耕作業(yè)較淺時(shí)，兩作業(yè)次序旋耕部件均在耕作層作業(yè)，其中深松旋耕作業(yè)次序中深松鏟作業(yè)后形成V形土壤松碎區(qū)，使后續(xù)旋耕功耗減少（圖3c），而旋耕深松作業(yè)次序中，旋耕作業(yè)在未耕區(qū)功耗大（圖3d）。而兩作業(yè)次序深松深度較淺，作用在土壤耕層的深松阻力相差不大；當(dāng)旋耕深度、深松深度較大時(shí)，旋耕深松作業(yè)次序功耗小于深松旋耕作業(yè)次序，旋耕深松作業(yè)次序較適用深層耕作（圖6、表4）。聯(lián)系圖4分析其原因?yàn)椋鳂I(yè)深度較大時(shí)深松旋耕作業(yè)次序深松鏟前置使較多的深層犁底層和較硬的心土層土壤抬起增加了后續(xù)的旋耕作業(yè)功耗，又因土壤被旋耕刀向前拋送，造成旋耕重復(fù)作業(yè)，同時(shí)深松鏟阻力產(chǎn)生的功耗比旋耕深松作業(yè)次序的深松鏟大，因此，作業(yè)深度較大時(shí)，不宜采用深松旋耕作業(yè)次序聯(lián)合作業(yè)，可采用單項(xiàng)作業(yè)或者旋耕深松作業(yè)次序聯(lián)合作業(yè)。

4 結(jié) 論

1）本文采用離散元法分析兩作業(yè)次序工作過(guò)程得出，旋耕深松作業(yè)次序工作較為緊湊、刀輥受力均勻。當(dāng)作業(yè)深度增加時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序作用在的深層土壤較多。

2）由功耗回歸方程與作業(yè)質(zhì)量綜合分析可知，當(dāng)旋耕深度為10 cm、深松深度為25 cm時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序功耗為13.90 kW，小于旋耕深松作業(yè)次序（17.98 kW），深松旋耕作業(yè)次序地表平整度、植被埋覆率，優(yōu)于旋耕深松作業(yè)次序，土壤膨松度相差不大；當(dāng)旋耕深度為20 cm、深松深度為45 cm時(shí)，深松旋耕作業(yè)次序功耗比旋耕深松作業(yè)次序高9.35 kW，作業(yè)質(zhì)量差異不顯著。隨著作業(yè)深度的增加，提高了作業(yè)質(zhì)量，增加了作業(yè)功耗，其中深松旋耕作業(yè)次序功耗增加的幅度大。

3）田間試驗(yàn)表明：離散元仿真建立的回歸方程及測(cè)量的作業(yè)質(zhì)量結(jié)果可信；旋耕深松作業(yè)次序機(jī)具振動(dòng)加速度低于深松旋耕作業(yè)次序，驗(yàn)證了旋耕深松作業(yè)次序刀輥受力均勻。

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Zheng Kan, He Jin, Li Hongwen, Chen Liqing, Hu Hongnan, Liu Wenzheng.Influence of working order on working quality and power consumption of subsoiling and rotary tillage combined machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 52－60. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.006 http://www.tcsae.org

Influence of working order on working quality and power consumption of subsoiling and rotary tillage combined machine

Zheng Kan1, He Jin1※, Li Hongwen1, Chen Liqing2, Hu Hongnan1, Liu Wenzheng1

(1.100083,;2.230036,)

Subsoiling and rotary tillage combined cultivator is one of the most important tillage machines in China. In our study, discrete element method (DEM) simulation and field tests were conducted to analyze the influence of the sequence of rotary tillage and subsoiling operations on the combined operation process and power consumption, and a subsoiling and rotary tillage combined cultivator was selected as the test machine, which is commonly used in loam soil region in North China Plain. DEM simulation showed that soil movement was different between subsoiling - rotary tillage and rotary tillage - subsoiling operation under the same operating depth. To be specific, the working process of subsoiling - rotary tillage operation is subsoiling loosens the soil, and rotary tillage breaks the loose soil, while the working process of rotary tillage - subsoiling operation is rotary tillage breaks the soil, and subsoiling loosens the soil, which indicated that the rotary tillage - subsoiling operation is more compact. The initial state of the surface soil layer is different under the two operations during the work of the subsoiling and rotary tillage component. And the subsoiling - rotary tillage operation dealt with more deep soil layer than the rotary tillage - subsoiling operation when the working depth increased. The force on the rotor under the two different operations was measured.D1 is the rotary blade behind subsoiler in subsoiling-rotary operation; D2 is the rotary blade adjacent to D1; Under subsoiling – rotary tillage operation, the average horizontal resistance on blade D1 and D2 is 44.6 and 13.3 N, and the average vertical resistance is 29.7 and 16.3 N, respectively. The great difference on the force showed that the force on the rotor is uneven. Under rotary tillage - subsoiling operation, the average horizontal resistance on blade D3 and D4 is 86.7 and 87.6 N, and the average vertical resistance is 55.3 and 56.8 N, respectively. D3 and D4 are the rotary blade at the same location as D1 and D2 in rotary-subsoiling operation. The small difference on the force showed that the force on the rotor was even. Many experiments were conducted to build regression equation by using rotary tillage depth (8-20 cm) and subsoiling depth (25-45 cm) as the influence factors and energy consumption under 2 sequences of two operations as the evaluation indices. The results showed that the energy consumption under subsoiling - rotary tillage operation (13.90 kW) was less than that under the rotary tillage - subsoiling operation (17.98 kW) when the rotary tillage depth was 10 cm and subsoiling depth was 25 cm; the superior surface flatness under subsoiling - rotary tillage operation (15.42 mm) was better than that under the rotary tillage - subsoiling operation (23.87 mm); the vegetation cover rate under subsoiling - rotary tillage operation (84.10%) was also better than that under the rotary tillage - subsoiling operation (78.14%); the soil fluffy degree under subsoiling - rotary tillage operation (11.17%) was similar to that under the rotary tillage - subsoiling operation (10.33%). When the rotary tillage depth was 20 cm and subsoiling depth was 45 cm, the energy consumption under subsoiling - rotary tillage operation was 9.35 kW higher than that under the rotary tillage - subsoiling operation; the superior surface flatness, vegetation cover rate and soil fluffy degree under subsoiling - rotary tillage operation and rotary tillage - subsoiling operation were 2.33 mm, 19.97%, 96.74% and 2.95 mm, 20.24%, 97.28%, respectively, which showed little difference between these 2 operations. According to the results comparison between field tests and simulation analysis, the simulation for the working process of 2 operation sequences, as well as the regression model of the power consumption was able to reflect the practical field operation. The vibration acceleration of the machine under rotary tillage - subsoiling operation was lower than that under the subsoiling - rotary tillage operation, which indicated that the force on the rotor was even under rotary tillage - subsoiling operation. This study can provide a further direction for the optimization of subsoiling and rotary tillage combined cultivator in loam soil region in North China Plain.

mechanization; computer simulation; model; subsoling; rotary tillage; combination process; discrete element method

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.006

S222.4

A

1002-6819(2017)-21-0052-09

2017-05-08

2017-08-16

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503136）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT13039）

鄭 侃，博士生，主要從事保護(hù)性耕作深松作業(yè)機(jī)具研究。Email：zhengkan0219@163.com

※通信作者：何 進(jìn)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作研究。Email：hejin@cau.edu.cn