秦 寬，梁小龍，曹成茂，*，方梁菲，吳正敏，葛 俊

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室，安徽 合肥 230036； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230036； 4.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶與食品科技學(xué)院，安徽 合肥 230036)

茶葉種植為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，急需配套專用機械化作業(yè)裝備[1]，其中茶園施基肥開溝是茶樹種植的重要環(huán)節(jié)[2]，但目前仍以人工作業(yè)較多，機械化開溝施肥僅在少數(shù)平地、等高茶園使用，此現(xiàn)象是由于茶樹種植多采用行栽密植，行距較小[3]，且部分茶園位于丘陵、山地等陡坡地區(qū)，茶樹的種植環(huán)境與栽植農(nóng)藝使得大型、大馬力開溝機具無法進地作業(yè)，且茶區(qū)多為硬地土，土壤中含有砂礫、石粒較多[4]，此土壤特性提高了茶園機械化開溝的能耗需要[5]。目前茶園使用開溝機械多為通用田園圓盤式開溝機，其刀具多為通用刀具，未有專門針對茶園環(huán)境設(shè)計的圓盤開溝刀具，因此為滿足茶園開溝減耗的需要，需對茶園專用開溝刀進行減耗設(shè)計。對于圓盤開溝刀具的減阻減耗設(shè)計，學(xué)者們已有相關(guān)研究：劉大為等[6]對果園雙旋耕刀輥開溝部件建立了功耗的切土、運土、拋土力學(xué)模型并對開溝刀具參數(shù)進行了減耗研究；康建明等[7-9]為降低果園圓盤式開溝刀功耗，進行了構(gòu)型減阻研究，采用類旋耕刀正弦指數(shù)曲線設(shè)計側(cè)切刃、切土角、彎曲半徑等關(guān)鍵構(gòu)型參數(shù)，并利用多體動力學(xué)虛擬技術(shù)探明刀具作業(yè)功耗；Tarverdyan、Kakahy等[10-11]確定果園圓盤式開溝刀的滑切角為50°、摩擦角為24°時，可保證溝型尺寸與穩(wěn)定性，并能減小約8%的功耗。從已有研究可知，現(xiàn)有圓盤式開溝刀具的研究多集中于果園環(huán)境[12]，對于茶園圓盤式刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計與減耗研究雖有一定參考價值，但仍缺少針對性。因此，本文針對茶園機械化開溝專用刀具設(shè)計與減耗的需要，采用理論與離散元數(shù)值模擬結(jié)合的方法設(shè)計茶園節(jié)能型開溝刀，并進行田間試驗驗證其開溝功耗與作業(yè)質(zhì)量。

1 茶園節(jié)能型開溝作業(yè)平臺與工作原理

茶園節(jié)能型開溝作業(yè)平臺為手扶開溝機，節(jié)能型開溝刀安裝于開溝機刀盤上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于成規(guī)模茶園多采用條栽密植，行距僅在1～1.5 m 左右[13]，且超過60%茶園位于丘陵、山地等具有斜坡特征的地區(qū)，因此茶樹種植環(huán)境及栽植特性使開溝機的動力源重量及功率均受到限制，則發(fā)動機質(zhì)量應(yīng)小于36 kg，功率≤4.5 kW，開溝機外型尺寸(長×寬×高)為1.3 m×0.5 m×0.83 m，整機質(zhì)量≤65 kg，軸距0.2 m，通過更換開溝刀具可使開溝深度范圍在0～0.3 m。

1，搖臂式導(dǎo)向與限深裝置；2，擋土導(dǎo)流裝置；3，開溝刀；4，驅(qū)動輪；5，齒輪變速箱；6，汽油機；7，手扶裝置；8，鏈箱；9，帶傳動箱。

作業(yè)時，開溝機的汽油機動力通過皮帶輪(帶傳動箱9內(nèi))經(jīng)離合器分兩個方向傳動，一個方向通過齒輪變速箱帶動開溝刀盤旋轉(zhuǎn)，另一個方向通過齒輪變速箱帶動驅(qū)動輪使機器前進。工作時，開溝刀隨開溝刀盤旋轉(zhuǎn)完成切土、碎土、拋土的開溝作業(yè)。

2 茶園節(jié)能型開溝刀的設(shè)計

為降低茶園開溝刀作業(yè)功耗，對匹配于手扶開溝機的茶園節(jié)能型開溝刀進行設(shè)計。在通用開溝刀基礎(chǔ)上，進行改進設(shè)計，為滿足茶園開基肥溝深度200 mm的農(nóng)藝要求，其回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計為260 mm，轉(zhuǎn)速為550 r·min-1。

2.1 正切刃與側(cè)切刃關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計

因節(jié)能型開溝刀正切刃與側(cè)切刃是切土、碎土、拋土的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，且針對其作業(yè)土質(zhì)較硬，土壤多砂礫、石粒的特點，對其側(cè)切刃及正切刃參數(shù)重新進行設(shè)計，使其適用于茶園作業(yè)。

節(jié)能型開溝刀側(cè)切刃為平面曲線，采用等進螺旋線進行設(shè)計[14]，其線型如圖2所示，坐標系為oxyz，其曲線方程如式(1)所示。

ρ=ρ0+α1θ。

(1)

式(1)中：ρ0為螺旋線起點極徑，mm；α1為螺旋極角每增加1弧度極徑的增量，mm；θ為螺旋線上任意點的極角，rad。為避免開溝刀無刃部分切土，ρ0應(yīng)滿足式(2)。

(2)

式(2)中：S為切土截距，mm；a為設(shè)計開溝深度，mm；R為開溝刀回轉(zhuǎn)半徑，mm。為保證溝深穩(wěn)定合理，開溝后溝深滿足施肥要求且溝底平整，設(shè)計溝深為200 mm，彎刀回轉(zhuǎn)半徑為260 mm，切土截距為105 mm，則將已知參數(shù)代入式(2)可知，螺旋線起點極徑ρ0為168 mm。

為使側(cè)切刃曲線可以平滑過渡，使開溝刀切土?xí)r所受切土阻力連續(xù)平穩(wěn)變化，螺旋極角每增加1弧度極徑的增量α1應(yīng)滿足如式(3)所示關(guān)系。

(3)

式(3)中：ρn為螺旋線終點極徑，mm；θn為螺旋線終點極角，°。為保證側(cè)切刃曲線平滑過渡，ρn設(shè)計為250 mm；螺旋線終點極角θn與滑切角有關(guān)，其表達式如式(4)所示。

(4)

式(4)中：τn為螺旋線終點處滑切角[15]，滑切角與開溝阻力有直接關(guān)系，過大則增加開溝功耗，過小則無法開出目標溝深并獲得穩(wěn)定溝型，螺旋線終點處滑切角合理取值范圍為50°～60°。

相對于節(jié)能型開溝刀側(cè)切刃，其正切刃為一條空間曲線。如圖2所示，正切刃所在坐標系為obxbybzb，在設(shè)計生產(chǎn)時正切刃多按照它在側(cè)切刃平面內(nèi)的展開曲線加工，其展開線以偏心圓的方法進行設(shè)計[16]，以保證刀型滿足作業(yè)需求，正切刃空間曲線方程如式(5)所示。

1，側(cè)切刃；2，正切刃。

(5)

式(5)中：rb為正切刃曲線的極徑，mm；r為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線極徑，mm；r1為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線于彎折線l處極徑，mm；β為彎折線l與x軸夾角，°；φ為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線極角，°；φ1為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線于彎折線l處極角，°；ψ為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線繞彎折線l彎折角度，°。其中正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線于彎折線l處極徑r1與側(cè)切刃曲線終點極徑相等，為250 mm；為保證節(jié)能型開溝刀可適應(yīng)硬地的開溝作業(yè)，能起到滑切土壤中砂礫的效果，彎折線l與x軸夾角β及正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線繞彎折線l彎折角度ψ不易過大，分別設(shè)計為58°、74°；為保證正切刃與側(cè)切刃長度具有合適比例，正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線于彎折線l處極角φ1設(shè)計為35°。

因正切刃設(shè)計采用在側(cè)切刃平面內(nèi)展開的方法進行設(shè)計[16]，則正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)的偏心圓方程如式(6)所示。

(6)

式(6)中：e為偏心系數(shù)，e=R0/ρ；R0為偏心圓半徑，mm；ρ為偏心距，mm；τs為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線終點處靜態(tài)滑切角，°。為保證正切刃曲線可由側(cè)切刃曲線平滑過渡，其中偏心圓半徑R0略小于側(cè)切刃曲線終點極徑，為240 mm，偏心系數(shù)e為1.1；為增大切土隙角[17]，減小正切刃切土阻力，設(shè)計正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線終點處靜態(tài)滑切角τs范圍為50°～65°。

2.2 基于離散元法側(cè)切刃與正切刃滑切角的確定

根據(jù)2.1節(jié)分析可知，茶園節(jié)能型開溝刀的側(cè)切刃曲線與正切刃曲線最終確定需知側(cè)切刃螺旋線終點處滑切角τn與正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線終點處靜態(tài)滑切角τs，現(xiàn)已知其范圍分別為50°～60°，50°～65°，因?qū)嶋H加工進行田間試驗確定最優(yōu)值較為困難，因此，采用離散元數(shù)值模擬方法確定二者的最優(yōu)參數(shù)值。

2.2.1 仿真試驗設(shè)置

使用EDEM離散元軟件中的顆粒元素對土壤進行建模，因典型茶園土壤為砂壤土，土壤深厚質(zhì)地疏松，砂粒、石礫含量較高，土壤顆粒直徑多分布在1～50 mm[18]，因此，土壤建模時土壤密度、泊松比和剪切模量按照典型砂壤土參數(shù)進行設(shè)定[19-20]，建模時設(shè)置土壤粒徑從1～50 mm不等，顆粒數(shù)量呈正態(tài)分布，以接近真實土壤分布狀態(tài)，因茶園土壤具有硬地土特性，土壤之間有較強的抵抗正向和切向運動的粘結(jié)力，因此，建模時土壤顆粒間采用Hertz-Mindlin粘結(jié)鍵的形式進行粘結(jié)，當(dāng)正向和切向的應(yīng)力達到臨界值時，粘結(jié)破壞，此后土壤顆粒像硬球一樣運動，根據(jù)砂壤土的剪切力學(xué)特性[21]，設(shè)置粘結(jié)鍵中法向剛度為0～150 N·m-1，臨界法向剛度與其數(shù)值一致；剪切剛度為0～170 N·m-1，臨界剪切剛度與其數(shù)值一致。此外再隨機設(shè)置占顆粒總量5%的50～80 mm大直徑顆粒，以模擬茶園土壤中的砂粒、石礫，因砂粒、石礫以較為獨立狀態(tài)存在于茶園土壤中，因此，大直徑顆粒與土壤顆粒之間不設(shè)置粘結(jié)鍵。節(jié)能型開溝刀參數(shù)，包括密度、泊松比和剪切模量，根據(jù)開溝刀實際采用的65Mn參數(shù)進行設(shè)置，仿真中的土壤與開溝刀的接觸參數(shù)，根據(jù)文獻[22-23]中的參數(shù)及土壤與鐵質(zhì)材料實際接觸情況進行設(shè)置，仿真的材料參數(shù)和接觸參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)能型開溝刀仿真模型參數(shù)

2.2.2 仿真試驗方法

仿真試驗采用全因素試驗，側(cè)切刃螺旋線終點處滑切角τn每1.5°設(shè)置1個試驗水平，共11個水平，正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線終點處靜態(tài)滑切角τs每2°設(shè)置1個試驗水平，共6個試驗水平，進行全因素試驗，每次試驗考察開溝刀平均作業(yè)阻力，每組水平試驗3次，結(jié)果取平均值。

2.2.3 仿真試驗過程

試驗開始前，將Pro/E建模已安裝節(jié)能型開溝刀的開溝機導(dǎo)入EDEM。將開溝機放置于土壤一端，設(shè)置開溝刀入土深度為20 cm。對仿真參數(shù)進行設(shè)置，保證仿真連續(xù)性的前提下，設(shè)定固定時間步長為7.95×10-6，是Rayleigth時間步長的25%，總時間為30 s，網(wǎng)格單元尺寸為5 mm。參數(shù)設(shè)置完畢后，驅(qū)動開溝機進行仿真，仿真從開溝刀入土開始計算，出土為結(jié)束，仿真結(jié)束后從后處理模塊提取開溝刀作業(yè)阻力數(shù)據(jù)并求平均值，仿真過程如圖3所示。

圖3 節(jié)能型開溝刀仿真過程

2.2.4 仿真試驗結(jié)果

仿真試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，當(dāng)側(cè)切刃螺旋線終點處滑切角τn與正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線終點處靜態(tài)滑切角τs分別為62°、56°時節(jié)能型開溝刀開溝阻力最小，為152.3 N。因此，確定節(jié)能型開溝刀側(cè)切刃螺旋線終點處滑切角τn與正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開曲線終點處靜態(tài)滑切角τs分別為62°、56°。

表2 仿真試驗結(jié)果

將確定的τn代入式(3)、式(4)，可得節(jié)能型開溝刀側(cè)切刃曲線方程如式(7)所示，其中0°≤θ≤22.3°。

ρ=168+3.7θ。

(7)

將確定的τs代入式(5)、式(6)，可得節(jié)能型開溝刀正切刃曲線方程如式(8)所示。

(8)

設(shè)計完成后，將茶園節(jié)能型開溝刀加工成型，加工標準按照GB/T5699—2017進行，采用65Mn進行鍛壓成型，入土工作部分經(jīng)過淬火處理，HRC硬度(洛氏硬度)為48～54，金相組織為回火馬氏體，鍛壓前采用有限元軟件Deform-3D對胚料的鍛造工藝進行數(shù)值模擬，選擇最合理胚料，優(yōu)化鍛造過程中金屬的變流規(guī)律和鍛壓力，以提高節(jié)能型開溝刀加工精度。

3 田間試驗

為檢驗設(shè)計的茶園節(jié)能型開溝刀作業(yè)功耗和質(zhì)量，對節(jié)能型開溝刀進行田間試驗。

3.1 試驗條件與設(shè)備

3.1.1 試驗條件

節(jié)能型開溝刀田間試驗于2020年3月23日在安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園茶園試驗田進行，土壤為砂質(zhì)壤土，含有部分砂礫，整個試驗田土質(zhì)均勻，可保證每次試驗土壤條件一致。采用五點測試法測得土壤堅實度在1～20 cm深度的平均值為215.6 N·m-2，土壤含水率在1～25 cm深度平均值為21.1%，土壤容重在1～25 cm深度平均值為1.53 g·cm-3，其中土壤堅實度測試儀器為TYD-2型數(shù)顯土壤硬度計(精度±1%)，土壤含水率測試儀器為GHHB-009-485-1型土壤濕度測量儀(濕度精度±0.3%)，土壤容重采用環(huán)刀進行取樣測試。

3.1.2 試驗設(shè)備

節(jié)能型開溝刀具的田間試驗采用自主研制的開溝刀具田間試驗平臺進行，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。田間試驗平臺主要由機架、48 V電源、前進驅(qū)動電機、電機速度控制器、汽油機、變速箱、刀具鏈傳動系統(tǒng)、刀盤安裝軸、扭矩傳感器、上位機、開溝深度調(diào)節(jié)裝置、行走輪、限深輪組成。田間試驗時，電源給驅(qū)動電機供電，由驅(qū)動電機驅(qū)動行走輪前進，電機速度控制器可控制試驗臺前進速度，汽油機的作業(yè)動力通過變速箱與鏈傳動系統(tǒng)傳遞給刀盤安裝軸，變速箱可輸出4個檔位轉(zhuǎn)速，裝有開溝刀的刀盤安裝在刀盤安裝軸上，在刀具安裝軸的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，進行開溝作業(yè)，扭矩傳感器安裝在汽油機與刀具安裝軸之間，可實時測定刀具轉(zhuǎn)速、作業(yè)功耗(扭矩與功率)，扭矩與功率采集頻率為1 s·次-1。測定數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器傳遞給上位機，顯示在上位機(數(shù)顯儀或Pad)的顯示屏上，上位機數(shù)據(jù)采集軟件由Labview編寫，除可按照頻次采集瞬時扭矩與功率外，可自行控制采集一段時間內(nèi)的總功率。刀具的入土深度由開溝深度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整機架與限深輪之間距離進行調(diào)節(jié)。

1，機架；2，電源；3，前進驅(qū)動電機；4，電機速度控制器；5，汽油機；6，變速箱；7，鏈傳動系統(tǒng)；8，刀盤安裝軸；9，扭矩傳感器；10，上位機；11，開溝深度調(diào)節(jié)裝置；12，行走輪；13，限深輪。

田間試驗的試驗組刀具采用設(shè)計的茶園節(jié)能型開溝刀(圖5-a)，此外再設(shè)置一組對照組，對照組采用通用開溝刀具，回轉(zhuǎn)半徑同為260 mm(圖5-b)。試驗組與對照組刀具均安裝在試驗平臺的開溝刀盤上，共安裝5把。

圖5 試驗刀具

3.2 試驗方法

3.2.1 功耗試驗方法

試驗分別考察茶園節(jié)能型開溝刀與對照組通用開溝刀在開溝深度15、20、25 cm時所對應(yīng)的開溝功耗，開溝功耗由田間試驗平臺的扭矩傳感器測得，功耗具體采集方法：試驗進行中，扭矩傳感器每隔1 s實時采集一次瞬時扭矩，通過公式(9)可同時得到瞬時功率。試驗完成后，上位機可讀出整個行程(5 m長度)的平均功率。同一深度功耗試驗共進行5次，試驗結(jié)果取平均值。

(9)

式(9)中：P為功率，kW；T為扭矩，N·m；n為開溝刀轉(zhuǎn)速，r·min-1。試驗平臺前進速度確定為0.9 m·s-1，開溝刀盤轉(zhuǎn)速為350 r·min-1，試驗現(xiàn)場如圖6所示。

3.2.2 溝深穩(wěn)定性系數(shù)試驗方法

考察茶園節(jié)能型開溝刀與對照組在開溝深度15、20、25 cm時的溝深穩(wěn)定性系數(shù)，將節(jié)能型開溝刀安裝于試驗平臺進行試驗，試驗區(qū)長度為50 m，兩端預(yù)備區(qū)長度為 20 m，寬度為 30 m。同一工況測試3個行程，每個行程測定10個數(shù)據(jù)點，相鄰數(shù)據(jù)點測定位置沿機組前進方向間隔 2 m。試驗后在每個測定點測定土表至溝底距離作為溝深，溝深穩(wěn)定性系數(shù)由式(10)～式(13)計算[24]。同一深度溝深穩(wěn)定性系數(shù)試驗共進行5次，試驗結(jié)果取平均值。

Us=1-Vs。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：Us為開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，%；Vs為開溝深度變異系數(shù)，%；Sb為開溝深度標準差，cm；hp為開溝平均深度，cm；hi為開溝深度測量值，cm；Ns為開溝區(qū)域溝深測量點數(shù)量，個。

3.3 試驗結(jié)果

田間試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知，在開溝深度為15、20、25 cm時，均是茶園節(jié)能型開溝刀試驗組開溝功耗小于通用開溝刀對照組，說明設(shè)計的節(jié)能型開溝刀在各個開溝深度均能夠達到降低開溝功耗的目的。隨著開溝深度的增加，節(jié)能型開溝刀開溝功耗依次增大，15、20、25 cm開溝深度對應(yīng)開溝功耗分別為0.093、0.107、0.128 kW。

表3 田間試驗結(jié)果

由表3可知，節(jié)能型開溝刀在開溝深度為15、20、25 cm時，溝深穩(wěn)定性系數(shù)均大于90%，分別為91.2%、92.8%、91.7%，均高于通用開溝刀對照組，且高于國家標準JB/T 11908—2014《農(nóng)用圓盤開溝機》溝深穩(wěn)定性系數(shù)標準值[25]，滿足開溝機的作業(yè)穩(wěn)定性要求，說明設(shè)計的節(jié)能型開溝刀在降低開溝功耗的同時，可保證開溝質(zhì)量。

4 結(jié)論

1)針對茶園機械化開溝減阻減耗需要，設(shè)計專用于茶園圓盤式開溝機的節(jié)能型開溝刀，用于減小茶園機械化開溝時的開溝功耗，通過理論與離散元數(shù)值模擬方法確定節(jié)能型開溝刀側(cè)切刃與正切刃的關(guān)鍵參數(shù)。

2)設(shè)計的茶園節(jié)能型開溝刀在不同開溝深度時開溝功耗均小于通用開溝刀，說明設(shè)計的節(jié)能型開溝刀在各個開溝深度均能夠達到降低開溝功耗的目的。

3)節(jié)能型開溝刀在不同開溝深度，其溝深穩(wěn)定性系數(shù)均高于國家標準及通用開溝刀，滿足開溝機的作業(yè)穩(wěn)定性要求，說明設(shè)計的節(jié)能型開溝刀在降低作業(yè)功耗的同時，可保證開溝質(zhì)量。