林 靜 張桐嘉 陳 彬 韓 巍 呂秋立 王佳琦

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 沈陽 110866； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院, 沈陽 110866)

0 引言

遼寧省西部地區(qū)(遼西褐土區(qū))常年降水量較低，蒸發(fā)量較大，土壤干旱程度嚴(yán)重，耕層土壤有機質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)性差；耕地土壤長期以旋耕為主，普遍存在著土壤耕層變淺、犁底層加厚、土壤板結(jié)、蓄水保墑能力降低等問題,嚴(yán)重制約該地區(qū)的糧食生產(chǎn)[1-14]。為了改善該地區(qū)褐土耕層結(jié)構(gòu)，提高土壤的蓄水保墑能力，為玉米播種創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，研究適用于該地區(qū)的聯(lián)合整地機尤為重要[15-21]。

為了解決耕層惡化問題，國內(nèi)許多學(xué)者都進(jìn)行了聯(lián)合作業(yè)機的研究。趙大勇等[22]為了解決聯(lián)合整地機不能深松的問題，研制了1ZML-210深松型聯(lián)合整地機，該機能夠一次性完成滅茬、深松、旋耕、起壟和鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)，田間試驗表明可以使田間狀況達(dá)到播種要求。孫偉等[23]針對北方干旱半干旱地區(qū)設(shè)計了1ZSZL-3000型深松滅茬整地聯(lián)合作業(yè)機，可以一次完成深松、滅茬、鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)，滅茬裝置和深松裝置可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于保護(hù)性耕作的推廣和利用。潘世強等[24]針對吉林省半干旱地區(qū)的環(huán)境特點設(shè)計了SZL-2型深松施肥起壟聯(lián)合作業(yè)機，對機具進(jìn)行了田間試驗，試驗結(jié)果表明該機作業(yè)效果較好，可以完成碎茬、深松、施肥、起壟等作業(yè)，為以后進(jìn)行深入研究打下了堅實的基礎(chǔ)。毛俐[25]在原有滅茬旋耕機基礎(chǔ)上增加了深松功能，設(shè)計了一種新型的滅茬深松旋耕起壟機，能夠一次性完成滅茬、深松、旋耕和起壟等作業(yè)。文獻(xiàn)[22-25]分別根據(jù)其地區(qū)的需求研究了滅茬、深松、起壟等聯(lián)合整地機，對整地機械的發(fā)展起到了應(yīng)有的作用。傳統(tǒng)耕整機械作業(yè)時，拖拉機需要分別掛接鏵式犁、滅茬機、深松鏟、旋耕機、耙、起壟機等不同機具，多次進(jìn)地才能完成播種前的整地作業(yè)。拖拉機多次進(jìn)地，嚴(yán)重破壞土壤的團粒結(jié)構(gòu)，犁底層加厚，土壤板結(jié)，長期以往會導(dǎo)致土壤退化和沙化，農(nóng)作物產(chǎn)量逐年降低，且機具作業(yè)效率低，不利于搶農(nóng)時。聯(lián)合整地作業(yè)機是整地機械發(fā)展的重要方向，機具只需一次進(jìn)地作業(yè)即可達(dá)到種子待播要求。遼寧省西部地區(qū)原壟臺經(jīng)過冬天的風(fēng)吹日曬，再加上春季干旱，含水量低于壟溝，為了春季播種保苗，需將種子播在原壟溝中。針對遼西地區(qū)的墑情、耕種模式以及當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c，結(jié)合合理耕層構(gòu)建褐土區(qū)技術(shù)指標(biāo)要求，本文設(shè)計一種適合遼寧省西部褐土區(qū)聯(lián)合整地機，一次作業(yè)可同時完成滅茬、旋耕、深松、起壟、鎮(zhèn)壓等多項功能，實現(xiàn)壟溝與壟臺互換功能，為遼寧省西部褐土區(qū)耕層合理構(gòu)建提供配套機具[26-31]。

1 整機總體結(jié)構(gòu)與工作機理

1.1 整機總體結(jié)構(gòu)

圖1 滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of structure of stubble rotary tillage and ridge1.側(cè)擋板 2.機架 3.懸掛機構(gòu) 4.深松裝置 5.滅茬旋耕裝置 6.起壟裝置 7.鎮(zhèn)壓裝置 8.鏈傳動裝置 9.中央變速箱

1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。機具從前至后由機架、上下懸掛裝置、深松裝置、滅茬旋耕裝置、起壟裝置、鎮(zhèn)壓裝置、變速箱及傳動裝置等組成。機架由前架和后架組成，深松裝置通過U型螺栓固定在前架前端，左右可調(diào)；將左右對稱的兩上擋板焊接在前架兩端上，下?lián)醢逋ㄟ^螺栓固定于上擋板上；將滅茬旋耕裝置通過左右對稱的下?lián)醢逯虚g的定位圓孔固定在前架下；懸掛裝置和變速箱固定在前架上；傳動裝置連接變速箱與滅茬旋耕裝置；起壟裝置與鎮(zhèn)壓裝置依次通過U型螺栓固定在后架上。深松裝置由U型螺栓、固定夾、深松鏟柄及深松鏟尖等構(gòu)成。滅茬旋耕裝置由長短套管、滅茬裝置、旋耕裝置及滅茬旋耕軸構(gòu)成，起壟裝置由U型螺栓、固定夾、培土面、焊板、起壟鏟柄及起壟鏟尖組成。鎮(zhèn)壓裝置由鎮(zhèn)壓滾筒、鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)裝置、U型螺栓和鎮(zhèn)壓座等組成。

1.2 工作機理

1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機的滅茬旋耕裝置通過變速箱與傳動裝置的配合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高了機具的適用性，主要性能參數(shù)如表1所示。機具通過懸掛裝置與拖拉機連接，拖拉機的動力輸出軸將動力傳至中央變速箱，中央變速箱帶動滅茬旋耕裝置完成滅茬旋耕作業(yè)。機具工作時，在拖拉機前進(jìn)速度帶動下深松裝置在壟溝進(jìn)行深松作業(yè)，中央變速箱帶動滅茬旋耕裝置轉(zhuǎn)動，滅茬旋耕軸上滅茬部分在壟臺滅茬，將地表覆蓋的秸稈粉碎和土壤進(jìn)行混拌填埋。旋耕部分在壟溝進(jìn)行旋耕作業(yè)，起壟裝置作業(yè)于壟臺，通過起壟曲面的設(shè)計，在原壟形的基礎(chǔ)上實現(xiàn)壟溝、壟臺互換，最后鎮(zhèn)壓裝置實現(xiàn)鎮(zhèn)壓作業(yè)，改善土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)，為玉米播種提供良好的土壤環(huán)境。

表1 1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of 1MXQ-4 type stubble rotary tillage and ridge cooperating machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 深松裝置

為了提高土壤的通透性，降低旋耕作業(yè)時旋耕部分所受阻力，減少機具能耗，在滅茬旋耕裝置的旋耕部分前安裝深松裝置，對壟溝底部進(jìn)行先深松后旋耕作業(yè)。提高機具適用性和使用壽命。深松裝置主要由固定夾、深松鏟柄和鏟尖構(gòu)成，如圖2所示。深松裝置通過U型螺栓和固定夾掛接于機架上，深松鏟柄通過六角螺栓和六角螺母固定于固定夾上，鏟尖通過六角螺栓和六角螺母固定于深松鏟柄上，深松鏟的入土深度可通過深松鏟柄上等距定位孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，深松深度調(diào)節(jié)范圍為25～30 cm，深松鏟入土角設(shè)計為18°。其中固定夾由厚度10 mm的鋼板焊合而成，該結(jié)構(gòu)可以有效防止相連螺栓發(fā)生斷裂。深松鏟柄為厚度20 mm的鑄鋼，經(jīng)過熱處理后強度合理。鏟尖材料采用65Mn，鏟尖寬度為50 mm，鏟尖切刀鍥角為10°，由螺栓固定，可更換，損耗時拆卸方便。通過對深松鏟參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，可提高深松鏟的深松效果。

圖2 深松裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic of structure of loosening device1.固定夾 2.深松鏟柄 3.鏟尖

2.2 滅茬旋耕裝置

2.2.1滅茬旋耕裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 滅茬旋耕裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic of structure of stubble rotary tillage1.滅茬裝置 2.旋耕裝置 3.滅茬旋耕軸 4.長套管 5.短套管 6.小鏈輪 7.大鏈輪 8.滅茬旋耕軸承套筒 9.滅茬旋耕軸承外端蓋

滅茬旋耕裝置主要由滅茬裝置、旋耕裝置、滅茬旋耕軸、長套管、短套管、鏈輪、滅茬旋耕軸承套筒和滅茬旋耕軸承外端蓋組成，如圖3所示。滅茬旋耕裝置是針對遼西地區(qū)耕作情況設(shè)計的，滅茬裝置在壟臺上工作，將根茬和土壤進(jìn)行混埋作業(yè)，旋耕裝置在壟溝中工作，對土壤進(jìn)行旋耕作業(yè)，該裝置可在一次作業(yè)中實現(xiàn)滅茬和旋耕兩項作業(yè)。滅茬裝置和旋耕裝置可以通過實際田間壟距情況調(diào)節(jié)相鄰兩組滅茬裝置和旋耕裝置的中心距，使中心距等于壟距，該機具的適用壟距為45～60 cm。每組滅茬裝置由焊接在長套管上的兩組相對的滅茬刀盤組成，兩組滅茬刀盤間距為140 mm，每組滅茬刀盤由通過螺栓固定于滅茬盤的6把方向相同的滅茬刀組成。整機包括4組滅茬裝置，工作于壟臺上。每組旋耕裝置由焊接在短套管上的旋耕刀盤組成，旋耕刀盤由通過螺栓固定于旋耕盤的3把向左的旋耕刀和3把向右的旋耕刀組成，旋耕刀采用多區(qū)段螺旋線對稱排列，整機包括3組旋耕裝置，工作于壟溝上。滅茬刀盤和旋耕刀盤通過螺栓固定于滅茬旋耕軸的通孔上。滅茬旋耕軸兩端與軸承、軸承套筒和軸承外端蓋配合，并固定于機架兩側(cè)擋板上，通過鏈傳動帶動工作。滅茬旋耕軸上設(shè)置多個等距定位孔，間距為5 cm，其中滅茬旋耕軸材料采用直徑為78 mm的45號鋼，套管的外徑為83 mm，刀盤厚度為10 mm，滅茬刀型號為MⅠ245型，旋耕刀型號為PⅡ225型，滅茬入土深度為8～10 cm，旋耕碎土深度為10～15 cm。

2.2.2滅茬裝置運動分析

滅茬裝置在工作時正旋運動，旋轉(zhuǎn)方向與配套動力前進(jìn)方向一致。滅茬刀在運動時作直線運動和勻速圓周運動，若以時間t=0時的刀軸軸心為坐標(biāo)原點，x正向為動力前進(jìn)方向，垂直向下為y軸正向，以xOy為投影面，設(shè)滅茬刀刃上點N坐標(biāo)為N(x，y)，其運動方程可表示為

(1)

式中t——時間，s

R——滅茬刀回轉(zhuǎn)半徑，mm

ω——滅茬裝置刀輥角速度，rad/s

vm——配套動力前進(jìn)速度，mm/s

則滅茬刀刃上點N的運動軌跡如圖4所示。

圖4 滅茬刀刃上點的運動軌跡Fig.4 Stubble trajectory points on blade

公式(1)對t求導(dǎo)可得

(2)

則滅茬刀刃上點的切削速度

(3)

由公式(3)可知，滅茬刀刃上點的速度變化和三角函數(shù)曲線相似，滅茬刀工作時，當(dāng)0<ωt<π/2時，滅茬刀上點的速度v隨ωt的增大而減小；當(dāng)ωt=π/2時，滅茬刀上點的速度v達(dá)到最小值；當(dāng)π/2<ωt<π時，滅茬刀上點的速度v隨ωt的增大而增大。配套動力前進(jìn)速度vm的絕對值不小于滅茬刀滅茬速度v0(|vm|≥|v0|)，在滅茬刀工作時，設(shè)滅茬深度為H1，滅茬刀前端接觸地面時的時間為t，滅茬刀入土角如圖5所示。

圖5 滅茬刀入土角示意圖Fig.5 Sketch of penetrating angle of stubble blade

滅茬刀入土角為

(4)

將公式(4)代入公式(2)中，可得

vx=vm-σ(R-H1)

(5)

為了計算簡便，將vx的絕對值代入可得

(6)

(7)

式中n——轉(zhuǎn)速，r/min

由公式(7)可得出滅茬刀輥的主要運動參數(shù)為滅茬深度H1、滅茬速度v0(vx)、機具前進(jìn)速度vm和刀輥的轉(zhuǎn)速n。同時，在滿足滅茬作業(yè)要求的情況下，滅茬刀軸轉(zhuǎn)速n與半徑R成反比。設(shè)計時選擇的刀輥應(yīng)盡量轉(zhuǎn)速小、直徑大。滅茬裝置所需滅茬刀最小滅茬速度v0為5 m/s，滅茬裝置回轉(zhuǎn)半徑R為300 mm，滅茬入土深度H1為8 cm，根據(jù)公式(7)計算得滅茬裝置轉(zhuǎn)速n最小為210 r/min。

2.3 起壟裝置

2.3.1起壟裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

起壟裝置用于將原壟臺的土分向壟溝，將土壤從壟臺中間切開，使土壤沿起壟裝置分土板的兩側(cè)向后傾斜運動上升，達(dá)到預(yù)定溝邊時，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成要求的壟形。起壟裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由起壟鏟尖、鏟柄、培土板、焊板和固定夾構(gòu)成。起壟裝置通過固定夾和U型螺栓與機架連接，固定夾與鏟柄通過螺栓固定，工作深度可通過螺栓連接鏟柄和固定夾的定位孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為200～350 mm，培土板與鏟柄、焊板焊接固定，起壟鏟尖通過螺栓固定在培土板上。起壟裝置工作壟距可調(diào)，工作范圍為450～600 mm。該起壟裝置適用于壟間作業(yè)，工作于壟臺上，工作后可按農(nóng)藝要求一次性實現(xiàn)壟溝、壟臺互換功能，實現(xiàn)將種子播在上一年種植的壟溝中，以利于種子的發(fā)芽保苗。

圖6 起壟裝置Fig.6 Ridge device1.鏟柄 2.培土板 3.起壟鏟尖 4.固定夾

2.3.2起壟鏟工作曲面的形成原理

起壟鏟培土板的工作性能主要由導(dǎo)曲線參數(shù)與元線角的變化規(guī)律決定。因此，首先建立導(dǎo)曲線的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)曲線的形狀與參數(shù)如圖7所示。

圖7 導(dǎo)曲線的形狀與參數(shù)Fig.7 Curve shape and parameters

導(dǎo)曲線的高度h與耕深、耕寬的關(guān)系可表示為

(8)

式中a——耕深，mm

b——耕寬，mm

Δh——導(dǎo)曲線高度增量，mm

首先建立數(shù)學(xué)模型的直角坐標(biāo)系，設(shè)導(dǎo)曲線的高度方向為Z軸，開度方向為M軸，則直線Ⅰ的數(shù)學(xué)方程式為

Z=Mtanε

(9)

式中ε——安裝角，(°)

M——導(dǎo)曲線對應(yīng)M軸坐標(biāo)值

直線Ⅱ的方程式為

Z=h-(M-L)tan(90°-Δε)

(10)

式中 Δε——拋物線上端點切線與鉛垂線夾角，(°)

L——導(dǎo)曲線開度，mm

直線Ⅰ和直線Ⅱ交點q的坐標(biāo)

(11)

將線段Oq和線段pq等分為m等份(p為導(dǎo)曲線最大開度的點)，m越大，計算越精確。如圖7所示標(biāo)序，直線Ⅰ上第i點坐標(biāo)為

(12)

直線Ⅱ上的第i點的坐標(biāo)為

(13)

連接直線Ⅰ與直線Ⅱ上第i點所得斜線的方程為

(14)

圖8 元線角變化曲線Fig.8 Linear angular variation curve

設(shè)各水平元線間的間隔高度為ΔH，曲面上第n根水平元線的高度即為Z(n)，則Z(n)=nΔH。在坐標(biāo)系MOZ中，在Z(n)高度作一水平直線與上述斜線相交于一點，則該交點的橫坐標(biāo)為

(15)

然后按式(15)逐個求出各交點坐標(biāo)，求出最小值，即為導(dǎo)曲線上元線號為n的開度，坐標(biāo)為

(16)

導(dǎo)曲線上點的坐標(biāo)均可由公式(16)計算得出，并可繪出導(dǎo)曲線的圖形。

按犁體曲面設(shè)計方法，由圖8可知，θ0～θmin段，取水平坐標(biāo)軸z代表元線高度，取垂直坐標(biāo)軸y代表(θ-θmin)的值。坐標(biāo)原點(z=0，y=0)相當(dāng)于元線高度為零、θ角為θmin時的數(shù)值，這一段元線角按直線關(guān)系變化，即

y1=y0-M1z

(17)

式中y1——θ-θmin的值，(°)

y0——θ0-θmin的值，(°)

M1——y0/zmin直線的斜率

z——任一元線的高度，cm

θmin～θmax段，將坐標(biāo)軸y1移至z=zmin處，這一段元線角按拋物線關(guān)系變化，即

(18)

式中y——按一定比例的元線角(θ-θmin)的變化值，(°)

p——拋物線焦點至準(zhǔn)線的距離，cm

zmin——最小元線高度坐標(biāo)，cm

解得

(19)

式中ymax——元線角最大變化值，cm

θmin——最小元線角，(°)

θmax——最大元線角，(°)

m——比例尺，(°)/cm

根據(jù)公式(18)和公式(19)可求出

(20)

式中zmax——最大元線高度坐標(biāo)，cm

由此可得元線角的方程為

θ=θmin+ym

(21)

并繪制出元線角變化曲線，根據(jù)導(dǎo)曲線和元線角的變化規(guī)律設(shè)計起壟裝置的工作曲面。

2.3.3起壟鏟的曲面設(shè)計

根據(jù)行業(yè)項目要求和實地測量遼西褐土區(qū)壟作情況數(shù)據(jù)，設(shè)計起壟壟形斷面圖，如圖9所示。其中壟距T=550 mm，壟底寬度a1=120 mm，壟頂寬度a0=180 mm，溝底到壟頂高度h=125 mm，壟高h(yuǎn)0=55 mm，開溝深度h1=70 mm，起壟鏟工作深度為200 mm，土壤休止角φ為53.1°(大于自然休止角)，可實現(xiàn)壟溝壟臺互換的起壟壟形斷面。

圖9 壟形斷面圖Fig.9 Profile of ridge

起壟鏟工作曲面設(shè)計原理如圖10所示。作起壟鏟的對稱軸線OO′，于軸線上繪一等于h的線段，并過其兩端點與軸線垂直方向引直線Ⅰ-Ⅰ和直線Ⅱ-Ⅱ，然后在直線Ⅰ-Ⅰ上向軸線OO′的兩側(cè)引等于a1/2的線段，該值為50 mm，分別得到點A和B。同理在直線Ⅱ-Ⅱ上引等于(L-a0)/2的兩線段，該值為200 mm，得到點C和D，連接點A、B、C和D得到等邊梯形，即起壟鏟工作時所應(yīng)形成的溝槽。由于起壟鏟工作時土壤會產(chǎn)生一定程度的膨松，其上升的高度應(yīng)大于原定的起壟高度h，所以起壟鏟工作面的高度h2應(yīng)大于壟高h(yuǎn)。當(dāng)h2=h或h>h2時，則會出現(xiàn)部分土壤越過起壟鏟的現(xiàn)象，使溝底的浮土過多，培土量達(dá)不到要求。故設(shè)計起壟鏟工作面的高度h2時，應(yīng)考慮到增高率?，F(xiàn)有的起壟鏟一般為：h2=(1.1～1.2)h，H=1.1h2。過點C和D分別引與OO′軸線平行的等于(0.1～0.2)h的線段，得點E和F，連接點A、B、C、D、E和F，即得起壟鏟工作面的正投影圖，其中h取210 mm(適當(dāng)加大，防止漏土)，h2=252 mm，H=277 mm。起壟鏟工作面的水平投影圖在OO′軸線上任意一點O1作γ0角引直線O1M，該直線將限定起壟鏟鏟尖的刃口，角γ0取值范圍為26°～35°，該設(shè)計取γ0=35°。在距離O1點約等于L/3處與直線O1M垂直方向作直線KK′，此直線為垂直截面的跡。

為繪制導(dǎo)向曲線，起壟鏟高度h取曲面最大高度H=277 mm，當(dāng)H一定時，L值越小，曲面越陡峭，碎土能力越好，但相應(yīng)阻力較大；L值越大，曲面越平坦，碎土能力越弱，土壤易通過，相應(yīng)阻力較小。根據(jù)經(jīng)驗一般曲面設(shè)計時h/L為1.5～1.6，該設(shè)計取1.5；一般起土角為20°～30°，該設(shè)計取30°，導(dǎo)曲線上部傾角取Δε=5°，鏟刃下部直線段長度S=50 mm，兩端點切線夾角α計算公式為

(22)

由公式(22)計算得出α=115°。在曲面的水平投影圖上做輔助投影面，并在輔助投影面上確定原點O1，根據(jù)h/L的值確定p點位置。按ε角從O點做下切線，按Δε從p點做上切線，上、下切線交于點q。在下切線取直線段O1O′長度S=50 mm，以線段pq和線段O′q為上、下切線做包絡(luò)拋物線段，在下切線上從O′點開始以25 mm等距精分標(biāo)注各點，連接相同的同名點，即為所求導(dǎo)曲線。該導(dǎo)曲線使起壟鏟工作曲面具有以下特性：曲面的下部曲率的變化較小，有利于土垡的上升；胸部下凹，上部外扣，可以提高起壟鏟工作面碎土和翻土覆蓋等性能，然后在正投影圖上以25 mm相等間距引平行線1-1，2-2，3-3,…，這些即為構(gòu)成線的投影。在直線O1M上自點O1作與正垂直投影相同間距的點1，2，3,…，過這些等距的點與O1M垂直引互相平行的直線并與導(dǎo)曲線相交于點1，2，3，…，再移至水平投影的垂直斷面的軌跡KK′上，得到點1，1，2，1，3，1，…。過這些點引γ角的構(gòu)成線，γ角按照一定的規(guī)律變化。與犁體曲面的設(shè)計相同，可按下列類型曲線公式求得構(gòu)成線γ角變化的規(guī)律，即元線角變化規(guī)律為

(23)

γ=γ0+βy

(24)

式中γ——高度y上構(gòu)成線角

x——確定角γ的不同高度(即橫坐標(biāo)值)，cm

y——對應(yīng)的縱坐標(biāo)，cm

β——角γ的坐標(biāo)比例p、q——常數(shù)

γ0——角γ的初值，取35°

根據(jù)公式(24)和公式(23)得出

(25)

與鏵式起壟鏟工作面相似，可取p為6.2 cm，q為100。角γ的比例為

θ=Δγ/ymax

(26)

其中

Δγ=γmax-γ0

式中 Δγ——角γ的最大增量，取2°～7°

根據(jù)上述公式可求出元線角γ的變化規(guī)律，如表2所示。

表2 元線角的變化規(guī)律Tab.2 Variation law of element line angle (°)

將構(gòu)成線畫在起壟鏟工作面的水平投影圖上后，將在正視投影圖外形上的點1、2、3…繪于此投影圖上，并將所有已標(biāo)出的點向起壟鏟工作面的水平投影圖上作垂線。將這些垂線與相應(yīng)的構(gòu)成線的交點用曲線連接起來，即可得水平投影圖上起壟鏟工作面的外形曲線。

用樣板檢驗起壟鏟工作面制造的準(zhǔn)確性。樣板曲線的做法如下：在水平投影圖上作與刃口延長線O1M垂直的平行線U1，U2，U3，…。然后，在輔助投影圖上作平行線0-0，1-1，2-2，…，平行線間的距離與正投影導(dǎo)向位置的間距相等。對直線0-0作垂線U′1Z1，U′2Z2，U′3Z3，…，并使其間距相等。以斷面U′3為例，將線段U3E1，U3E2，U3E3…移于輔助投影圖上，并將其置于U′3Z3的相應(yīng)構(gòu)成線上。得點U′3，E′1，E′2，…，以平滑的曲線連接，即為該斷面的樣板曲線。

3 起壟裝置性能試驗

3.1 土槽室內(nèi)試驗

3.1.1試驗條件與試驗方法

起壟裝置是機具的關(guān)鍵部件，為了驗證起壟裝置在遼西褐土區(qū)壟作環(huán)境下的工作性能和適應(yīng)性，性能試驗于2017年9月20—26日在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機實驗室進(jìn)行。本次土槽試驗?zāi)康氖菫榱藴y試曲面型起壟裝置和平面楔子型起壟裝置工作時土粒沿培土鏟的分土板運動軌跡，用以衡量起壟裝置的工作性能技術(shù)指標(biāo)。試驗前準(zhǔn)備可以模擬土粒的材料，要求材料質(zhì)量輕、體積小且在土壤里辨識度要高。為了提高本次試驗的精度和模擬不同地區(qū)土壤土粒的性質(zhì)，選用體積為1 cm3的小木塊為試驗材料。并且按照排列順序編上編號，如圖11所示。土槽試驗動力由12 kW的試驗電動車提供，該電動車可以根據(jù)需求調(diào)整功率，工作性能穩(wěn)定。

圖11 土槽試驗Fig.11 Soil bin test

3.1.2試驗結(jié)果分析

圖12 起壟裝置工作時土粒運動軌跡對比試驗結(jié)果Fig.12 Comparison test result of soil particle trajectory during ridge device operation

在試驗后將埋在地表下的試驗材料挖出，并記錄其所在的位置，試驗中以標(biāo)志點為原點，電動車前進(jìn)方向作為Y軸的正方向；試驗材料擺放所在的直線作為X軸的方向；垂直于地面的方向作為Z軸的方向。根據(jù)兩種起壟培土器裝置試驗所得數(shù)據(jù)，作出其在XOY平面和XOZ平面的位移，如圖12b所示。對于曲面型起壟裝置其分土板由曲面楔子型構(gòu)成。其在XOZ與XOY平面的位移如圖12a所示?？梢娫赬OZ平面內(nèi)，木塊左右翻轉(zhuǎn)較大，且在X軸的位移也比較明顯，土壤發(fā)生明顯的橫向運動，且位移點聚集，位移后的木塊位置分布緊密。從Z軸方向來看，多數(shù)被埋入土內(nèi)，在新壟高度的中間位置。因為起壟裝置為曲面楔子型構(gòu)成，其鏟尖與起壟裝置壁之間由曲線過渡，所以其運動軌跡在XOY平面內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)的曲線，工作時，土壤干濕分離，起壟工作僅僅將干土推向兩側(cè)形成新壟，潮濕的土壤仍然在底部，沒有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。同時，在其工作時，土粒運動呈聚集趨勢，工作后起壟效果明顯，滿足設(shè)計技術(shù)要求。而平面楔子型起壟裝置，由于其起壟裝置由平面構(gòu)成，導(dǎo)致其工作面不連續(xù)，有斷裂現(xiàn)象。因而造成干濕土相混合，濕土被翻在土壤表面，影響土壤的蓄水保墑能力。同時，在其工作時，土壤橫向位移較小，且土粒位移較為分散，導(dǎo)致作業(yè)起壟的壟型高度不夠。無論是從作業(yè)效果還是利于土壤的蓄水保墑能力來看，在起壟作業(yè)中，由曲面楔子型構(gòu)成的起壟裝置要優(yōu)于由平面楔子型構(gòu)成的起壟裝置。壟距為550 mm，壟底平均寬度為12 cm，壟頂平均寬度為18 cm，平均壟高為20 cm，壟壁土壤自然休止角為45°，實現(xiàn)了壟溝與壟臺的互換。

3.2 田間試驗

為了驗證機具能夠在遼西褐土區(qū)不同工況下滿足作業(yè)要求，進(jìn)行最佳工作參數(shù)試驗。田間試驗主要是為了測試機具的工作效果和能耗，機具的工作效果主要是土壤在機具行進(jìn)過程中拋飛的距離應(yīng)盡量小，機具的工作能耗指標(biāo)為機具工作阻力，也應(yīng)盡量小，影響這兩個指標(biāo)的因素主要有機具前進(jìn)速度、工作深度和秸稈覆蓋量，其他的因素對機具的工作效果和工作阻力影響較小。在控制其他因素不變的條件下，以機具前進(jìn)速度、工作深度和地表玉米秸稈覆蓋量為試驗因素，以起壟最大高度和工作阻力為試驗指標(biāo)，進(jìn)行三因素五水平二次回歸正交組合試驗。機具田間試驗如圖13所示。試驗因素編碼如表3所示。

圖13 機具田間試驗Fig.13 Machine field test

編碼因素機具前進(jìn)速度x1/(km·h-1)起壟裝置工作深度x2/cm秸稈覆蓋量x3/(kg·m-2)-1.3536.0013.230.73-16.2615.000.8007.0020.001.0017.7425.001.201.3538.0026.771.27

試驗以機具所受工作阻力和起壟最大高度為評價指標(biāo)。起壟最大高度即由卷尺測定土壤工作后形成的壟高Y1。使用QLLY型傳感器進(jìn)行工作阻力的測定。在機具工作時拉力傳感器將收集到的信息轉(zhuǎn)換為電信號，便攜式計算機接收到這些電信號，并將這些電信號進(jìn)行分析計算轉(zhuǎn)化為一段時間內(nèi)機具前進(jìn)時牽引阻力的平均值Y2。根據(jù)以上對三因素五水平二次回歸正交組合試驗方案的設(shè)計，進(jìn)行17次試驗，試驗結(jié)果如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表4 試驗方案與結(jié)果Tab.4 Experimental scheme and results

運用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，剔除不顯著項，可得起壟最大高度的回歸方程為

(27)

對起壟最大高度回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗，結(jié)果如表5所示。

表5 起壟最大高度方差分析Tab.5 Variance analysis of maximum distance of cast soil

根據(jù)分析可知，模型P<0.01，表明此模型極為顯著；失擬項P>0.05，表明失擬項F的檢驗結(jié)果為不顯著，該分析結(jié)果表明回歸方程的擬合程度良好。

同理可得工作阻力的回歸方程

(28)

對工作阻力回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗，結(jié)果如表6所示。

表6 工作阻力方差分析Tab.6 Variance analysis of working resistance

根據(jù)分析可知，模型P<0.01，表明此模型極為顯著；失擬項P>0.05，表明失擬項F的檢驗結(jié)果為不顯著，該分析結(jié)果表明回歸方程的擬合程度良好。

根據(jù)回歸方程得到響應(yīng)曲面，可得到各因素與指標(biāo)的關(guān)系。固定一個因素于零水平，可看出其他兩因素對指標(biāo)的影響，試驗因素對起壟最大高度的影響如圖14所示，試驗因素對工作阻力的影響如圖15所示。

根據(jù)圖14可得出，機具前進(jìn)速度對起壟最大高度影響最為顯著，工作深度和秸稈覆蓋量影響程度依次遞減，起壟最大高度隨機具前進(jìn)速度的增大而減小。當(dāng)秸稈覆蓋量和工作深度接近零水平，機具前進(jìn)速度較小時，起壟最大高度較大。

圖14 試驗因素對起壟最大高度影響的響應(yīng)面Fig.14 Response surfaces of impact of factors on maximum distance of cast soil

圖15 試驗因素對工作阻力影響的響應(yīng)面Fig.15 Response surfaces of impact of factors on working resistance

根據(jù)圖15可看出，秸稈覆蓋量對工作阻力影響最為顯著，工作深度和機具前進(jìn)速度影響程度依次遞減，工作阻力隨秸稈覆蓋量增大而增大。當(dāng)工作深度和機具前進(jìn)速度接近零水平，秸稈覆蓋量較低時，工作阻力較小。

根據(jù)上述所建立的數(shù)學(xué)模型，利用Design-Expert軟件優(yōu)化求解，得出各因素最優(yōu)參數(shù)組合。以起壟最大高度和最小工作阻力為評價指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型

(29)

根據(jù)公式(29)求得最優(yōu)解，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為：機具前進(jìn)速度為6.01 km/h，工作深度為22.15 cm，秸稈覆蓋量為0.77 kg/m2，起壟最大高度為24.08 cm，工作阻力為12.04 kN?？紤]到試驗的可操作性，將優(yōu)化的試驗條件調(diào)整為：機具前進(jìn)速度為6 km/h，工作深度為22.2 cm。試驗重復(fù)3次，起壟最大高度為24.15、24.07、23.93 cm，取平均值為24.05 cm，與預(yù)測結(jié)果24.08 cm相近，壟距為550 mm，壟底平均寬度為12 cm，壟頂平均寬度為18 cm；工作阻力為12.08、12.06、12.10 kN，取平均值為12.08 kN，與預(yù)測值12.04 kN相近，試驗指標(biāo)滿足設(shè)計要求與褐土區(qū)合理耕層構(gòu)建要求。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)遼西褐土區(qū)合理耕層構(gòu)建技術(shù)要求，研制了1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機，在一次作業(yè)中可完成深松、滅茬旋耕、起壟、覆土鎮(zhèn)壓等多項功能。實現(xiàn)壟溝壟臺互換功能，改善土壤的蓄水保墑能力，為玉米播種創(chuàng)造良好的土壤工況條件。

(2)通過對深松滅茬旋耕裝置的動力學(xué)分析確定了滅茬旋耕裝置的最小轉(zhuǎn)速為210 r/min，滅茬入土深度為8 cm，旋耕碎土深度為10 cm。通過對起壟鏟培土板工作曲面形成原理的研究，確定了起壟裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)通過土槽試驗對比曲面楔子型培土器和平面楔子型培土器工作時土粒運動軌跡分析, 得出曲面楔子型培土器工作性能優(yōu)于平面楔子型培土器工作性能，實現(xiàn)了壟溝壟臺互換功能。

(4)通過田間試驗研究，利用Design-Expert軟件對機具工作參數(shù)求解和實際工作情況驗證試驗得到最佳作業(yè)參數(shù)：機具前進(jìn)速度為6 km/h，起壟裝置工作深度為22.2 cm，秸稈覆蓋量為0.77 kg/m2時，機具起壟最大高度為24.05 cm，壟距為550 mm，壟底平均寬度為12 cm，壟頂平均寬度為18 cm，工作阻力為12.08 kN。可滿足遼寧省西部褐土區(qū)壟臺壟溝互換土壤耕作合理耕層構(gòu)建技術(shù)指標(biāo)要求。