許春林，孔陽陽，閆德峰，張豐爍，蔣亦元

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

近年來，保護性耕作制度和方法在水土保持、環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生顯著作用和效果[1-3]。保護性耕作可增加土壤有機質(zhì)、改善土壤狀況，為發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)提供支持，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供保障[4-6]。整地作業(yè)為種子創(chuàng)造良好種床環(huán)境，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)[7]，整地作業(yè)保護性耕作研究對減少土壤結(jié)構(gòu)破壞、提高工作效率、降低作業(yè)成本具有重要意義[8-10]。目前，國內(nèi)外關(guān)于全幅整地作業(yè)裝置研究較多。秦寬等針對復式整地機出現(xiàn)耕作穩(wěn)定性問題運用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，提高復式整地機耕作穩(wěn)定性[11]；方會敏等利用離散元法研究土壤和耕作部件間相互作用規(guī)律[12]；張欣悅等設(shè)計1GSZ-350旋耕聯(lián)合作業(yè)機，減少機具對土壤壓實[13]；汲文峰等運用仿生學原理設(shè)計旋耕刀片完成旋耕、碎茬作業(yè)[14]。目前帶狀旋耕裝置研究較少。帶狀旋耕作為保護性耕作中整地作業(yè)方法，可滿足整地作業(yè)要求，解決全面積耕整地耗能過高問題[15-17]。設(shè)計動土量少、能耗低的新型帶狀整地裝置，符合保護性耕作要求。

1 工作原理

試驗臺架主要由機架和螺旋作業(yè)裝置組成，放置在試驗土槽一端，螺旋旋轉(zhuǎn)作業(yè)單體通過特定夾具固定于機架，可調(diào)節(jié)側(cè)向位置和作業(yè)裝置高度，角度可調(diào)節(jié)底座下部安裝電動機，為2個螺旋旋轉(zhuǎn)作業(yè)提供動力，傳動軸通過軸套與角度調(diào)節(jié)底座作螺栓連接，螺旋通過法蘭與傳動軸連接，傳動軸通過鏈輪、鏈條與電動機輸出軸連接，電動機通過螺栓與角度調(diào)節(jié)底座下部固定，角度調(diào)節(jié)底座兩端各焊接兩個耳板，耳板通過螺栓與角度調(diào)節(jié)裝置連接，解決螺旋整地作業(yè)時存在一定入土角問題；在工作時電動機動力通過鏈輪、鏈條傳動，將動力傳遞給傳動軸，由傳動軸帶動螺旋整地作業(yè)，工作原理見圖1。

圖1 工作原理Fig.1 Working principle

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

根據(jù)東北農(nóng)藝要求，螺旋刀片對土壤完成耕翻、碎土等作業(yè)，產(chǎn)生幅寬不小于150 mm帶狀種床。螺旋運動過程分析可知，螺旋刀片在慣性力和土壤阻力作用下作業(yè)。由于材料與加工工藝限制，采用分段式實體型螺旋刀片便于安裝，刀片由鋼板經(jīng)模具冷壓而成。

按上述農(nóng)藝要求及加工條件選取：螺旋直徑D=125 mm；螺旋軸直徑dl=30 mm，保證機具工作時滿足作業(yè)要求。

3 耕作過程建模分析

3.1 螺旋刀片力學分析

為研究土壤在該裝置下運動規(guī)律，將土壤顆粒簡化為質(zhì)點并作力學分析。螺旋作工作時土壤受螺旋刀片對其推力F，在推力作用下土壤與螺旋面產(chǎn)生相對運動作滑切，產(chǎn)生滑動摩擦力f，土壤受力分析如圖2所示。

由圖2可得，螺旋刀片對土壤作用力合力F與螺旋刀片法向夾角為β，將合力F分解為與軸線方向垂直徑向力F1以及與螺旋線方向軸向力F2。

其中：

式中，α-法向力F3與軸線夾角（°）；β-螺旋刀片對土壤作用力合力F與法向力F3之間夾角（°）；S-螺距（mm）；μ-土壤與螺旋刀片摩擦系數(shù)。

為保證土壤可達到預期狀態(tài)，應(yīng)滿足如下條件，

其中：

帶入整理得：

圖2 土壤顆粒受力分析Fig.2 Force analysis of soil particle

3.2 土壤顆粒位移與節(jié)距分析

當螺旋作整地作業(yè)時，由圖3土壤顆粒隨螺旋運動作運動，土壤顆粒運動可分解為沿螺旋軸方向螺旋推動與沿機具運動方向運動，當螺旋運動一個周期時，土壤顆粒沿螺旋軸線向下運動一個螺旋螺距S與沿機具方向運動位移D見圖4。

圖3 土壤顆粒位移Fig.3 Particle displacement diagram of soil

圖4 土壤顆粒位移狀況分析Fig.4 Displacement analysis diagram of soil particle

分析螺旋整地時土壤狀況可知，

聯(lián)立（7）（8）得：

其中：

則：

定義：

則：

螺旋切土壤節(jié)距為

式中，S-螺旋刀片螺距（mm）；D-機具運動一個周期前進距離（m）；B-螺旋切土節(jié)距（cm）；n-螺旋轉(zhuǎn)速（r·min-1）；θ-螺旋入土角（°）；V-機具前進速度（m·s-1）；γ-螺旋拋土角（°）

結(jié)合上述理論分析對其整地效果加以分析，由式（14）可知，螺旋傾角一定時，當γ＜90°時螺旋僅對土壤產(chǎn)生推送，同時m越大γ越小，S越大γ越大；當γ=90°時，螺旋對土壤僅產(chǎn)生切削，且此時m=cosα·S；當γ＞90°時，螺旋切削并翻動土壤，且m越大γ越大，S越大γ越小。為使螺旋工作滿足作業(yè)要求，位移傾角。由式（16）可知切土節(jié)距m與入土角θ有關(guān)，因此機具前進速度、螺旋螺距、螺旋轉(zhuǎn)速應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值，螺旋正常工作時入土角θ≤90°。

4 土槽試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗條件

試驗儀器與設(shè)備：卷尺、直尺、電子秤、秒表，STEPS土壤堅實度測定儀（購自北京博普特科技有限公司），WGL-45B恒溫干燥箱，天平，非接觸式轉(zhuǎn)速計（購自樺利電子衡器有限公司），ATV312HU 75N4型變頻器（購自施耐德電氣有限公司等）。

2017年12月在東北農(nóng)業(yè)大學工程實訓中心開展室內(nèi)土槽試驗，如圖5所示。土壤取自哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院試驗田（經(jīng)度126.63°、緯度45.75°）表層30 mm深土壤，前茬作物為玉米。土槽長為12 m、寬為1.2 m，土槽土層深度為0.5 m，試驗前需對土槽土壤噴水、輥子壓實，地膜覆蓋2 d增加土壤團粒結(jié)構(gòu)，模擬田間土壤特性，測定其含水率為17.3%，土壤堅實度為88.9 kPa。試驗臺土槽運動速度與螺旋作業(yè)單體轉(zhuǎn)速均通過控制臺變頻器控制，安裝在機架上螺旋作業(yè)單體動力由電動機提供。

4.1.1 試驗方法

采用4因素5水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方法，選取前進速度、螺旋轉(zhuǎn)速、螺旋節(jié)距、入土角度、耕深為試驗因素，共36組，每組試驗相同條件下重復5次，取5次試驗結(jié)果平均值作為結(jié)果，以碎土率為評價指標。試驗因素見表1，試驗因素編碼值為x1、x2、x3、x4。其試驗過程如圖6所示。

表1 試驗因素水平Table 1 Experimental factors and levels

圖5 土槽試驗Fig.5 Experiment of soil-bin

4.1.2 檢測指標

檢測碎土率，在其耕帶內(nèi)，采用5點取樣法確定檢測點，以該點為中心選取面積0.1 m×0.1 m，其中最長邊小于3 cm土塊質(zhì)量占耕層土塊總質(zhì)量百分比為該點破土率，計算5點平均值。土壤稱重如圖5所示，碎土率公式如下：

其中，Q-碎土率（%）；M1-耕層內(nèi)最長邊不大于3 cm土塊質(zhì)量（g）；M2-0.1 m×0.1 m面積內(nèi)耕層土塊總質(zhì)量（g）。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 試驗結(jié)果分析

試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 試驗方案及試驗結(jié)果Table 2 Test plan and experiment result

由表2可知，碎土率隨機具前進速度升高而降低，因為單位時間內(nèi)螺旋部件接觸土壤量隨機具前進速度升高而增加。機具前進速度較低時，碎土效果好，但效率相對較低；碎土率隨螺旋轉(zhuǎn)速增加而升高，因為機具前進速度為定值時，單位時間內(nèi)作業(yè)土壤量不變，螺旋轉(zhuǎn)速增加提高碎土效果，但動力消耗相對較大。碎土率隨入土角度增加先升后降，隨著螺旋入土角度增加，螺旋對土壤切削力在垂直于螺旋刀片刃口分量增加，隨入土角度增大，滑切作用降低。由表2可知，在螺旋入土角度為20°時，破土效果優(yōu)于其他入土角度。當螺旋作整地作業(yè)時，螺旋與土壤形成一定工作腔體，當螺旋刀軸與螺旋刀片寬度一定時，螺距越小，螺旋工作腔體越小，土壤顆粒與土壤顆粒之間、土壤顆粒與螺旋刀之間形成較大阻力，壓實工作腔體土壤使其堵塞，破土率降低。當螺旋節(jié)距增大時，螺旋刀片切削量相對較大，碎土率降低。在螺旋刀螺螺距為60 mm時，碎土效果優(yōu)于其他螺距。二次回歸分析及多元回歸擬合檢驗數(shù)據(jù)顯著性。碎土率Q方差分析如表3所示。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

各因素間交互作用對碎土率Q影響主次順序依次為：前進速度X1、螺旋轉(zhuǎn)速X2、入土角度X3、螺旋螺距X4，其中機具前進速度X1、螺旋轉(zhuǎn)速X2、螺旋螺距X4、機具前進速度與螺旋轉(zhuǎn)速X1X2、前進速度與耕深交互項X1X4、螺旋轉(zhuǎn)速與入土角度交互項X2X3、入土角度與螺旋節(jié)距X3X4交互項均對碎土率影響極顯著（P＜0.01）；其中入土角度X3對碎土率影響顯著（0.01＜P＜0.05）；其余交互項不顯著（P＞0.1），將不顯著交互作用項回歸平方與自由度去除，作方差分析，得到各因素對破土率Q影響回歸方程為：

對回歸方程作失擬檢驗，如表所示，其中P=0.8359（P＞0.1），證明分析結(jié)果合理。

4.2.2 響應(yīng)曲面分析

運用Design-Expert8.0.6作數(shù)據(jù)處理，得出螺旋轉(zhuǎn)速、機具前進速度、入土角度以及螺旋螺距交互作用響應(yīng)曲面，如圖6所示。

圖6 影響碎土率雙因素響應(yīng)曲面Fig.6 Response surfaces of double parameters about soil-broken rate

當前進速度為0.6 m·s-1、螺旋螺距為60 mm時，如圖6（a）所示，當螺旋轉(zhuǎn)速一定時，碎土率隨入土角度增大先增后減，最優(yōu)入土角度為19°～21°；當入土角度一定時碎土率隨轉(zhuǎn)速提高而增大，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為 550～600 r· min-1。當轉(zhuǎn)速 550 r·min-1、入土角為20°時，螺旋螺距與前進速度交互作用影響如圖6（b）所示，當螺旋螺距一定時，碎土率隨前進速度增大而減小，最優(yōu)前進速度為0.4～0.6 m·s-1；當前進速度一定時，碎土率隨螺旋螺距先增后減，其最優(yōu)螺距為78～90 mm。當前進速度為0.6 m·s-1、螺旋轉(zhuǎn)速為550 r·min-1時，螺旋螺距與入土角度交互作用影響如圖6（c）所示，其最優(yōu)螺旋螺距為56～64 mm；最優(yōu)入土角度為19°～21°。

根據(jù)實際作業(yè)要求，在多組優(yōu)化下選取最優(yōu)參數(shù)組合：前進速度0.4～0.6 m·s-1、螺旋轉(zhuǎn)速550～600 r·min-1、螺旋螺距60 mm、螺旋入土角度19°～21°，其對應(yīng)碎土率為92.17%～93.65%。

4.3 試驗條件與驗證試驗

4.3.1 試驗條件

土壤含水率為16.9%，土壤堅實度為90.1 kPa。參考GB/T5668-2017《旋耕機械試驗方法》。

4.3.2 驗證試驗

以螺旋作業(yè)參數(shù)選取：前進速度為0.4 m·s-1，螺旋轉(zhuǎn)速為550 r·min-1，入土角度為20°，螺旋節(jié)距為60 mm時，碎土率為92.54%。結(jié)果表明，斜置式螺旋整地裝置碎土率較高，碎土效果較好，優(yōu)化組合相對合理，優(yōu)化后參數(shù)組合可滿足整地作業(yè)要求。

5 結(jié) 論

a.設(shè)計斜置式螺旋帶狀整地裝置，可將6個或8個該作業(yè)部件組合整地作業(yè)，作業(yè)效率高于同等機具，帶狀整地作業(yè)功耗降低，但整體機具適應(yīng)性以經(jīng)濟性需試驗驗證。

b.通過建立數(shù)學模型定義斜置式螺旋整地機具前進速度與螺旋轉(zhuǎn)速比值m，分析可知拋土角γ＞90°時，整地作業(yè)效果相對較好。

c.利用Design-Expert8.0.6軟件確定最優(yōu)參數(shù)組合，當土壤含水率為16.9%，土壤堅實度為90.1 kPa時，前進速度為0.4 m·s-1、螺旋轉(zhuǎn)速為550 r·min-1、入土角度為20°、螺旋節(jié)距為60 mm，碎土率為92.54%。此時斜置式螺旋拋土角γ＞90°，驗證上述模型正確性。