溫翔宇，周福君,2，李小利

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2．黑龍江省普通高等學(xué)校北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

0 引言

中耕作業(yè)是我國農(nóng)業(yè)細(xì)作精耕的重要環(huán)節(jié)之一[1-2]，合理的中耕作業(yè)可以疏松表土、消除土壤板結(jié)、改善土壤的物理性狀及增加土壤的孔隙，從而增加土壤的透氣性，消滅雜草，促使有機(jī)肥料分解且提高地溫，還可以減少水分蒸發(fā)，起到了蓄水保墑的作用，為作物發(fā)育生長(zhǎng)創(chuàng)造出良好的生長(zhǎng)條件，保證作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[3-6]。

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鋤在壟作作物中耕作業(yè)時(shí)，鋤齒沿著壟向在傾斜的壟側(cè)上作業(yè)，能使不同鋤齒盤上的鋤齒入土深度不同，若要使靠近壟溝處的鋤齒保持一定的入土深度，則貼近壟臺(tái)處的鋤齒入土深度會(huì)相應(yīng)增加，從而增大鋤齒盤的入土阻力，鋤齒所受應(yīng)力變大，影響鋤齒強(qiáng)度、使用壽命和作業(yè)效果的穩(wěn)定性。而對(duì)單個(gè)鋤齒盤設(shè)計(jì)獨(dú)立的仿形機(jī)構(gòu)，會(huì)增加機(jī)器質(zhì)量和加工成本。若通過改變鋤齒的長(zhǎng)度來貼合壟側(cè)，保證入土深度和作業(yè)效果的穩(wěn)定性，但由于鋤齒長(zhǎng)短不一，影響鋤齒強(qiáng)度和使用壽命。

為此，針對(duì)東北壟作作物中耕時(shí)期淺松的作業(yè)需求，提出了錐形鋤齒式淺松單體，貼合壟側(cè)作業(yè)，使每個(gè)鋤齒的工作長(zhǎng)度相同，從而保證單個(gè)鋤齒入土深度和作業(yè)效果的穩(wěn)定性；并利用錐形滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸向上各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圓周線速度不同的結(jié)構(gòu)特性，增強(qiáng)鋤齒在土壤作業(yè)過程中的滑移作用。本文對(duì)關(guān)鍵工作部件—外嵌鋤齒的錐形滾筒進(jìn)行研究，對(duì)錐形滾筒、鋤齒的結(jié)構(gòu)尺寸和鋤齒在滾筒上的排布進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過土槽試驗(yàn)得到其最優(yōu)參數(shù)，以提高淺松作業(yè)效果。

1 裝置組成及工作原理

1.1 裝置組成

錐形被動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋤齒式淺松機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、限深輪、錐形滾筒架、淺松培土鏟仿形架、淺松培土鏟、壓力彈簧、調(diào)壓桿、主機(jī)架、清草架及錐形滾筒組成，如圖1和圖2所示。限深輪架與培土器機(jī)架通過螺栓固裝于主機(jī)架上，可同步橫向調(diào)節(jié)，以適應(yīng)50～70cm壟距小壟種植模式作業(yè)；壓簧架通過U型螺栓安裝在主機(jī)架上，錐形滾筒架的前端與主機(jī)架鉸接，后部與清草架固裝，在錐形滾筒架與清草架中間部位處通過錐形滾筒支撐軸安裝錐形滾筒，套裝壓力彈簧的調(diào)壓桿可上下移動(dòng)地插裝在壓簧架后側(cè)上部，調(diào)壓桿下端與錐形滾筒架鉸連接，實(shí)現(xiàn)錐形滾筒的浮動(dòng)仿形[7-8]。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，在牽引動(dòng)力機(jī)械帶動(dòng)下，淺松機(jī)整體前行；自轉(zhuǎn)的錐形滾筒在調(diào)壓桿、壓力彈簧、錐形滾筒架作用下，在隨壟側(cè)表面上下仿形的同時(shí)，沿壟向在壟的兩側(cè)滾動(dòng)，錐形滾筒圓周上的鋤齒間斷地完成入土出土，疏松苗帶兩側(cè)的土壤[9]；在清草架的配合下，將纏繞在鋤齒上的雜草清下還回田間，最后由培土器完成培土作業(yè)。

(a) 淺松機(jī)左視圖

(b) 機(jī)構(gòu)三維模型

圖2 錐形被動(dòng)旋轉(zhuǎn)式淺松裝置實(shí)物圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

外嵌鋤齒的錐形滾筒是中耕錐型被動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋤齒式淺松機(jī)的關(guān)鍵部件，鋤齒及其在滾筒上的排布方式對(duì)淺松機(jī)的作業(yè)效果有著決定性的作用，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本文的重要研究?jī)?nèi)容。

2.1 錐形滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)東北壟作作物中耕時(shí)期的需求，提出了一種外嵌鋤齒的錐形滾筒，其上的鋤齒進(jìn)行松土作業(yè)的同時(shí)，錐形滾筒貼合壟邦，對(duì)壟邦土壤起到一定的鎮(zhèn)壓作用，并將壟邦上的雜草壓倒，由鋤齒切壓入土。如圖3所示：對(duì)壟距為65cm的小壟單行種植模式的壟型尺寸進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，繪出其壟型尺寸示意圖，結(jié)合壟型尺寸對(duì)錐形滾筒進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖3 錐形滾筒貼合壟形尺寸示意圖

圖3中，小壟單行種植模式壟距Ls為650mm，壟高Hr，本設(shè)計(jì)選用的淺松培土鏟鏟尖作業(yè)寬度M取174mm，根據(jù)實(shí)地測(cè)量并參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定不同含水率及不同類型的壟側(cè)土壤傾角范圍為40°～46°，考慮到松土滾筒對(duì)壟側(cè)土壤的壓實(shí)作用，這里設(shè)定松土錐筒的傾斜角δ=40°。由圖3可知

Lp=Ls/2-M/2

(1)

Da=2Lptanδ

(2)

經(jīng)計(jì)算得出錐筒大盤直徑Da≈399.36mm，取整Da=400mm。

在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地，隨機(jī)抽取中耕期的玉米苗30株，對(duì)玉米莖葉、根茬的幅寬進(jìn)行參數(shù)測(cè)定(見圖4)，計(jì)算玉米底端莖葉和根茬的平均寬幅Wb、Wd分別為214mm和127mm，為錐形滾筒的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

為提高作業(yè)部件錐形滾筒的田間通過性，減少作業(yè)部件對(duì)苗期玉米的損傷，設(shè)定錐形滾筒的橫向?qū)挾葹?/p>

L≤Lp-Wb/2

(3)

經(jīng)計(jì)算，L≤131mm，取整L=130mm。

錐形滾筒小盤直徑Da根據(jù)相似三角形計(jì)算公式

Db/Da=(Lp-L)/Lp

(4)

經(jīng)計(jì)算，Db≈181.5mm，取整Db=180mm。

圖4 苗期玉米

2.2 鋤齒齒刃滑切曲線設(shè)計(jì)

錐形滾筒為從動(dòng)工作部件，為減小鋤齒入土阻力，并降低土壤擾動(dòng)性，設(shè)計(jì)松土鋤齒為平面刀齒，通過齒刃切開土壤、斬?cái)嗖莞?。齒刃在整個(gè)切土過程中應(yīng)保持適度的滑切作用，使草根在被切時(shí)能沿刃口滑動(dòng)以便于切斷或從齒尖滑脫。適度的滑切角還可以使鋤齒由近及遠(yuǎn)地切土，即開始時(shí)離錐形滾筒較近處先接觸土壤，然后逐漸向前和向深處切入。

鋤齒齒刃滑切曲線部分采用圓弧便可滿足農(nóng)藝要求，且易于制造。刃口曲線的曲率中心位于以滾筒中心為圓心，Q為半徑的圓周上，曲率半徑為R，刃口曲線上任一點(diǎn)的滑切角τ與Q、R及θ角之間的關(guān)系為

(5)

當(dāng)Q/R為定值，最小滑切角是在θ=0°的情況下，為保持土壤和雜草在齒刃上的滑切，應(yīng)使刃口全長(zhǎng)的τ角都大于金屬與土壤間的摩擦角[10](旱地作業(yè)中摩擦角取24°)，即τmin≥24°，使Q/R≤0.91。本設(shè)計(jì)選取Q/R=0.74，如圖5所示。

以錐形滾筒中圈的鋤齒為例，經(jīng)計(jì)算中圈鋤齒基圓半徑Q為145mm，齒刃滑切曲線半徑R=196mm。

設(shè)計(jì)鋤齒內(nèi)弧半徑R1為260mm，為便于制造，采用雙面磨刃，刃口厚b2為1mm，刃角α=36°，鋤齒寬度b1由近錐形滾筒處的12mm至刀端逐漸減薄?？紤]到滾筒在作業(yè)過程中滑移時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋤齒推土現(xiàn)象發(fā)生，所以對(duì)稱設(shè)計(jì)鋤齒內(nèi)弧上的刃口和刃角。

圖5 鋤齒滑切曲線

2.3 鋤齒在錐形滾筒上的排列

鋤齒在作業(yè)過程中，不僅對(duì)壟向上的土壤有作業(yè)效果，由于鋤齒切入土壤時(shí)對(duì)土壤的擠壓作用，使鋤齒對(duì)滾筒軸向上也有一定的作用范圍?？紤]到過密的鋤齒排列會(huì)增加鋤齒的入土阻力和寬度為130mm的錐形滾筒緊湊的空間結(jié)構(gòu)，每排鋤齒間距可設(shè)計(jì)在40～55mm，所以在錐形滾筒上等間距設(shè)置3排鋤齒。單排鋤齒的設(shè)計(jì)原則是使?jié)L筒在壟上作業(yè)時(shí)保證鋤齒不漏耕。

本文設(shè)計(jì)的中耕錐型被動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋤齒式淺松機(jī)針對(duì)淺松深度在2～8cm的作業(yè)需求，所設(shè)計(jì)的鋤齒在錐形滾筒外的工作長(zhǎng)度均為8cm，每個(gè)鋤齒實(shí)現(xiàn)相同的功能。因此，如圖6所示：以錐形滾筒軸向中心處的鋤齒為例，對(duì)鋤齒滾動(dòng)半徑r端點(diǎn)A及其外緣點(diǎn)B進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。已知，錐形鋤齒盤繞其回轉(zhuǎn)中心作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其定值角速度為ω(rad/s)，錐形鋤齒環(huán)以滾動(dòng)半徑r接觸地表，無滑移，做純滾動(dòng)，則回轉(zhuǎn)中心的前進(jìn)速度為ω·r，鋤齒環(huán)的最大回轉(zhuǎn)半徑為R。鋤齒豎直向上為描述其運(yùn)動(dòng)的起始位置，經(jīng)過時(shí)間t后，滾動(dòng)半徑基點(diǎn)A及外緣點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡方程分別為

(6)

(7)

鋤齒理論滾動(dòng)半徑r為鋤齒所在錐形滾筒位置處的滾筒半徑，則當(dāng)yB=-r時(shí)，求得單個(gè)鋤齒的作業(yè)寬幅MN≈92.5mm。假設(shè)鋤齒環(huán)上的鋤齒對(duì)壟向上的土壤滿幅作業(yè)(即鋤齒環(huán)上的鋤齒入土點(diǎn)與下一個(gè)鋤齒的出土點(diǎn)重合)，鋤齒環(huán)處于位置1時(shí)，相鄰鋤齒1、鋤齒2如圖7所示。其中，O點(diǎn)為鋤齒1入土位置，此時(shí)鋤齒1齒尖位于出土點(diǎn)K；當(dāng)鋤齒環(huán)運(yùn)動(dòng)到位置2時(shí)，鋤齒2運(yùn)動(dòng)到鋤齒2ˊ所在位置，此時(shí)鋤齒2ˊ的齒尖出土點(diǎn)與鋤齒1的入土位置O點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)鋤齒作業(yè)不漏耕。

圖6 鋤齒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖7 鋤齒作業(yè)原理圖

相鄰兩鋤齒間的夾角為

(8)

經(jīng)計(jì)算，θ1=36.5°。由此得出中間位置鋤齒環(huán)上的鋤齒數(shù)為

N≤360°/θ1≈10個(gè)

(9)

所以，設(shè)計(jì)3排鋤齒環(huán)每圈均為10個(gè)鋤齒。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

2016年12月，在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院進(jìn)行室內(nèi)土槽試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有土槽(長(zhǎng)30m、寬3m、土壤厚度1m)、TCC-3土槽試驗(yàn)車、美國RGB Spectrum公司生產(chǎn)的DR300土壤水分測(cè)定儀和SC-900型土壤緊實(shí)度儀。試驗(yàn)車為全液壓四輪驅(qū)動(dòng)，可在0～8km/h范圍內(nèi)調(diào)速，其液壓系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)工作部件的入土深度。土壤類型為典型東北黑壤土，土壤含水率12.8%～18.5%、0～8cm平均土壤硬度0.56MPa。

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)選取

鋤齒在作業(yè)過程中，不僅對(duì)壟向上的土壤有作業(yè)效果，由于鋤齒切入土壤時(shí)對(duì)土壤的擠壓作用，使鋤齒對(duì)滾筒軸向上也有一定的作用范圍。鋤齒環(huán)間距排列過密會(huì)增加作業(yè)部件的入土阻力，鋤齒環(huán)間距過遠(yuǎn)會(huì)影響松土質(zhì)量。因此，選取淺松機(jī)作業(yè)速度、彈簧鎮(zhèn)壓力和鋤齒環(huán)間距為試驗(yàn)因素。

為檢驗(yàn)淺松機(jī)松土效果，參考GB/T 24675.1-2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 淺松機(jī)》[11]，選取土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.3 試驗(yàn)方法

通過三點(diǎn)懸掛裝置將淺松機(jī)與土槽試驗(yàn)車連接，分別對(duì)作業(yè)速度和彈簧鎮(zhèn)壓力進(jìn)行單因素預(yù)試驗(yàn)，以合理控制因素變化范圍。采用三因素三水平正交試驗(yàn)，以確定淺松機(jī)最優(yōu)參數(shù)。試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示，因素編碼值符號(hào)為A、B、C。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

表1 因素水平編碼表

1.TCC-3土槽試驗(yàn)車 2.土槽車測(cè)控顯示屏 3. 觀測(cè)座椅 4.調(diào)頻控制臺(tái) 5.液壓升降調(diào)控桿 6.土槽車牽引裝置 7.試驗(yàn)樣機(jī) 8.土槽

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.4 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

3.4.1 土壤堅(jiān)實(shí)度差值

對(duì)壟體進(jìn)行修整后，在測(cè)試段隨機(jī)選取10點(diǎn)，測(cè)定入土深度0～8cm的土壤堅(jiān)實(shí)度值，并求均值B1；按照對(duì)照試驗(yàn)處理進(jìn)行試驗(yàn)，以同樣方法測(cè)定作業(yè)后土壤的堅(jiān)實(shí)度的均值B2，則土壤堅(jiān)實(shí)度差值為

B=B1-B2

(10)

式中B—土壤堅(jiān)實(shí)度差(N/cm2)；

B1—作業(yè)前土壤堅(jiān)實(shí)度均值(N/cm2)；

B2—作業(yè)后土壤堅(jiān)實(shí)度均值(N/cm2)。

3.4.2 入土深度穩(wěn)定性

按試驗(yàn)方案的每個(gè)試驗(yàn)處理，測(cè)定一種水平組合情況下的鋤齒入土深度hi(i=1～10)，計(jì)算這一組數(shù)據(jù)的均值h及其標(biāo)準(zhǔn)差T，利用這兩個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算其變異系數(shù)V=T/h×100%，則鋤齒入土深度穩(wěn)定性為

U=1-V=1-T/h×100%

(11)

式中U—鋤齒入土深度穩(wěn)定性(%)；

h—鋤齒入土深度的均值(cm)；

T—鋤齒入土深度的標(biāo)準(zhǔn)差(cm)；

V—鋤齒入土深度的變異系數(shù)(%)。

3.4.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析，尋找影響各指標(biāo)的主次因素，并優(yōu)選最佳組合。采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)各因素影響土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性的顯著性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

由表2可知，各因素對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性的影響情況。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得到影響土壤堅(jiān)實(shí)度差的主次順序?yàn)锽、C、A，各因素的最優(yōu)水平分別為A2、B3、C2，則最優(yōu)組合為B3C1A2。同理，影響入土深度穩(wěn)定性因素的主次順序?yàn)锽、A、C，各因素的最優(yōu)水平分別為A1、B3、C1，則最優(yōu)組合為B3A1C3。

表2 試驗(yàn)方案結(jié)果與極差分析

通過方差分析[12]，對(duì)各因素影響土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，如表3和表4所示。

由表3、表4可知：作業(yè)速度對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性影響均顯著；彈簧鎮(zhèn)壓力對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性影響均極顯著；鋤齒環(huán)間距對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度和入土深度穩(wěn)定性影響均顯著，這與極差分析的主次因素結(jié)論一致。

表3 堅(jiān)實(shí)度差方差分析表

* 表示顯著(p<0. 05)，**代表極顯著(p<0. 01)。

表4 入土深度穩(wěn)定性方差分析表

* 表示顯著(p<0. 05)，**代表極顯著(p<0. 01)。

根據(jù)淺松機(jī)作業(yè)性能要求，各試驗(yàn)指標(biāo)分析所得優(yōu)水平組合不盡相同，為了達(dá)到兼顧平衡各項(xiàng)指標(biāo)的目的，采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析，以選出令各項(xiàng)指標(biāo)都盡可能最優(yōu)的組合[13-14]。考慮到3個(gè)因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度，以100分作為總“權(quán)”，土壤堅(jiān)實(shí)度差和入土深度穩(wěn)定性各為50分，試驗(yàn)的綜合加權(quán)結(jié)果如表5所示。

表5 綜合加權(quán)結(jié)果

續(xù)表5

通過表5分析得出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(土壤堅(jiān)實(shí)度差、入土深度穩(wěn)定性)影響的最優(yōu)組合，影響各因素大小排列順序?yàn)锽、A、C，各因素最佳水平組合為B3A1C1，即作業(yè)速度為1.0m/s，彈簧鎮(zhèn)壓力920N，鋤齒環(huán)間距42mm。

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在最佳參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在土槽試驗(yàn)車前進(jìn)速度為1.0m/s，彈簧鎮(zhèn)壓力920N，鋤齒環(huán)間距42mm的情況下進(jìn)行淺松試驗(yàn)，測(cè)得：土壤堅(jiān)實(shí)度差達(dá)到29.8N/cm2，入土深度穩(wěn)定性93%，結(jié)果表明：在優(yōu)化參數(shù)指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化結(jié)果是可信的，滿足中耕作物苗期淺松作業(yè)的性能要求。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)一種錐型被動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋤齒式淺松機(jī)，淺松深度2～8cm。對(duì)裝置關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過極差分析、方差分析和綜合加權(quán)法得到影響淺松機(jī)作業(yè)性能因素的主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、彈簧鎮(zhèn)壓力、鋤齒環(huán)間距；最優(yōu)組合為作業(yè)速度為1.0m/s，彈簧鎮(zhèn)壓力920N，鋤齒環(huán)間距42mm。

2)在土槽試驗(yàn)車前進(jìn)速度為1.0m/s，彈簧鎮(zhèn)壓力920N，鋤齒環(huán)間距42mm的情況下進(jìn)行淺松試驗(yàn)，結(jié)果表明：土壤堅(jiān)實(shí)度差達(dá)到29.8N/cm2，入土深度穩(wěn)定性93%，滿足中耕作物苗期淺松作業(yè)的性能要求。

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