卜明杰，劉洋禮，許淵，王鋒，劉禹辰，張鋒偉

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

我國人均耕地面積占世界人均的1/3 左右，而且高原和山地等中低產(chǎn)田占耕地總面積的79%，我國耕地的后備資源嚴(yán)重不足，西北和東北一些生態(tài)較為薄弱的地方耕地問題已較為突出，尤其是在我國西北地區(qū)[1]。西北地區(qū)耕地不僅面積有限，而且大部分為包括高原和山地在內(nèi)的中低產(chǎn)田[2]，而這些耕地普遍存在的問題就是含有大量的石子、石塊、礫石等，直接影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分、水分和作物的生長、農(nóng)田復(fù)墾，給農(nóng)田的生產(chǎn)和管理等帶來很大困難，同時(shí)增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，降低了單位產(chǎn)量，減少了經(jīng)濟(jì)效益，并拖慢了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和專業(yè)化進(jìn)程[3]。從廣義上來說，復(fù)墾農(nóng)田是指對被破壞或退化的農(nóng)業(yè)用地的再生利用及其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的綜合性技術(shù)過程。由于采礦是破壞農(nóng)業(yè)用地最嚴(yán)重的行業(yè)，因此，復(fù)墾農(nóng)田從狹義上又可以理解為是對礦業(yè)用地的再生利用及其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的過程[4]。早期，主要采用人工撿拾的方法將地表的石塊撿出農(nóng)田，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且許多石塊部分或全部埋藏在耕層內(nèi)，只有不斷耕作才露出地表。對于大面積的山區(qū)農(nóng)田而言，撿拾石塊勞動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)大，導(dǎo)致出現(xiàn)“年年撿年年有”的情況，每年都要投入大量人工對石塊進(jìn)行拾取。現(xiàn)有撿石機(jī)械機(jī)型單一，自動(dòng)化程度低[5-7]，我國復(fù)墾農(nóng)田對撿石機(jī)的需求已十分迫切。

目前，國內(nèi)外針對不同耕地條件研制的機(jī)型主要有挖掘式、撥齒式、螺旋輸送式、滾筒式、鏟式、鏈?zhǔn)剑啻嬖趽焓实?、生產(chǎn)成本高、易卡石和針對不同濕度土壤的漏土效果不理想等問題[8]。本研究主要針對西北地區(qū)土石多、耕地難等問題，在結(jié)合已有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)，并以撿石率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)，尋求最佳作業(yè)組合，以期達(dá)到對土壤中石塊的最佳撿拾效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)睫r(nóng)田撿石機(jī)主要由牽引架、機(jī)架、傳動(dòng)裝置、入土起石裝置、撥土碎石裝置、礫石輸送裝置、盛石小車、卸石裝置組成，如圖1 所示。鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)主要與拖拉機(jī)配套使用，牽引架與拖拉機(jī)之間采用典型的三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)連接。機(jī)架主要由牽引機(jī)架、運(yùn)土鏈箱體和盛石車架等組成，用于撿石機(jī)的牽引和保證撿石機(jī)正常撿石和盛石等；傳動(dòng)裝置由變速箱、鏈輪、扭力保護(hù)器、帶輪、齒輪、鏈條、皮帶等組成；入土起石裝置由入土起石鏟、集土板等組成。撥土碎石裝置由撥土碎石鏟、緩沖軌道等組成；礫石輸送裝置由礫石輸送鏈、懸臂鏈輪組、擋石板、運(yùn)土鏈箱體等組成；盛石裝置由盛石小車、液壓推桿等組成。

為減少入土阻力且便于在入土起石時(shí)完成斜切，入土起石鏟采用三角式犁鏵。送石裝置采用傾斜的鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)，其傾角為30°（在一定范圍內(nèi)可以調(diào)整），傳動(dòng)比為95∶180。礫石輸送鏈中間設(shè)置擋石鏈條，可保證撿拾石頭時(shí)將多余的土壤和肥料及時(shí)還田。另外，盛石裝置的小車底部設(shè)有柵欄式金屬橫條，便于將沒有漏凈的土壤及時(shí)還田，小車兩側(cè)設(shè)有液壓推桿，用于將撿拾的礫石卸出。

1.2 工作原理

撿石機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)與牽引架相連，拖動(dòng)撿石機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，拖拉機(jī)為撿石機(jī)提供動(dòng)力的同時(shí)為變速箱提供圓周力，完成撿石機(jī)的牽引和撿石工作。牽引架限位孔控制入土裝置的高度以控制撿石深度，入土起石裝置可將耕地5～30 mm的土層鏟起，集土板則將礫石和土壤收納至撥土碎石鏟下和礫石輸送鏈上，便于后方裝置完成撿石。撿石過程中，變速箱通過皮帶傳動(dòng)為撥土碎石鏟提供動(dòng)力，撥土碎石鏟在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可將整體土塊以及軟質(zhì)礫石擊碎。在礫石輸送裝置中，礫石輸送鏈通過傳動(dòng)鏈傳動(dòng)，主動(dòng)鏈鏈輪一端安裝扭力保護(hù)器，當(dāng)過大礫石卡在入土起石鏟與撥土碎石鏟之間時(shí)，扭力保護(hù)器將起到保護(hù)作用。礫石輸送鏈的松邊由鏈條托架托起以減少傳送鏈條之間的拉力。在盛石裝置中被撿石機(jī)分離出的礫石在礫石輸送鏈條的帶動(dòng)下落入盛石小車，完成礫石的收集。盛石小車在液壓推桿的作用下，在完成礫石卸車的同時(shí)可一定程度上調(diào)節(jié)整機(jī)的傾斜度。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)由東方紅1404 拖拉機(jī)牽引，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 農(nóng)田鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of farmland chain stone picker

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 入土起石鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1.1 鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

入土起石鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因工作方式和環(huán)境與地下作物收獲機(jī)械相似，故多參考地下作物收獲機(jī)械挖掘鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合比較固定式和振動(dòng)式挖掘鏟優(yōu)缺點(diǎn)[9-11]，考慮西北地形地貌對農(nóng)田撿石機(jī)性能的要求，并結(jié)合不同形式挖掘鏟的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種固定式三角入土起石鏟，如圖2 所示。

該挖掘鏟由鏟刃、鏟架和擋石板3 部分組成，8 個(gè)小型三角鏟均勻排列固定在鏟架上。在鏟架后端等間距分布擋石板。工作時(shí)，鏟刃隨著運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鏟體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，在外部壓力作用下，可有效減少入土阻力，滿足絕大多數(shù)作物最低耕深要求。鏟刃間隙可根據(jù)作物對農(nóng)田土壤條件要求進(jìn)行調(diào)整，撿拾直徑3～30 cm 的礫石。鏟架尾端設(shè)置擋石板可阻擋尺寸較小石塊再次入田，提高撿石效率。

2.1.2 鏟主要參數(shù)的確定

（1）入土角α

入土起石鏟入土角決定入土起石鏟的入土性能和挖掘深度，為達(dá)到更好的挖掘效果，有效增加礫石的撿拾率，入土起石鏟在工作時(shí)入土角度應(yīng)保證能達(dá)到最低挖掘深度的要求，并使掘出土石混合物在鏟面上勻速運(yùn)動(dòng)，并能順利輸送到入土起石鏟后端輸送鏈而不掉落。土石混合物受力分析如圖3所示。

圖3 中：vm——拖拉機(jī)前進(jìn)的速度；F——掘起土石混合物所需要的力；Ff——入土起石鏟對土石混合物的摩擦力；FN——入土起石鏟對土石混合物的作用力；G——土石混合物的重力；L1——入土起石鏟鏟刃及鏟體長度；L2——擋石板長度；H1——土石混合物到達(dá)鏟體尾部距離地面的高度；H2——土石混合物到達(dá)擋石板尾部距離地面的高度；α——入土起石鏟入土角度；α1——擋石板與鏟面夾角；μ——土石混合物對鋼的摩擦系數(shù)。

入土角α的理論值可由沿挖掘鏟運(yùn)動(dòng)的掘起物作用力的平衡方程確定：

式中：F——掘起土石混合物所需要的力，N；Ff——入土起石鏟對土石混合物的摩擦力，N；FN——入土起石鏟對土石混合物的作用力，N；G——土石混合物的重力，N；α——入土起石鏟入土角，°；μ——土石混合物對鋼的摩擦系數(shù)。

方程變換后得到：

試驗(yàn)表明：入土角α越小，挖掘阻力減小，入土性能增強(qiáng)，但挖掘深度減小；入土角α越大，入土性能降低，挖掘深度增大，但挖掘阻力增大。當(dāng)α超過40°后，牽引阻力便會(huì)急劇增大，故α不宜選擇過大，通常取20°～30°。

（2）工作長度L

入土起石鏟的長度可以分為2 部分：前端為挖掘鏟鏟刃鏟體部分，主要作用為將土壤中的礫石挖掘出來；后端部分鏟架和擋石板，用于承載和運(yùn)輸土石混合物，使土石混合物沿著鏟面向后拋送。后端部分的長度可利用能量守恒定律計(jì)算，即掘出的土石混合物所有的動(dòng)能E 全部用于向后推送H2高度克服重力所做的功Ag和克服與長度為L2的鏟架和擋石板摩擦力所做的功At，如式（3）、式（4）。

式中：Vm——入土起石鏟的拋送速度，m/s；L2——鏟體和擋石板長度，m；H2——土石混合物到達(dá)擋石板尾部距離地面的高度，mm；φ——鏟面與土石混合物間的摩擦角，°；g——重力加速度，m/s2。

土石混合物能量平衡方程式可以寫成式（5）：

化簡后

一般選取機(jī)器的最低值作為計(jì)算的極端條件，即確定Vm取值便可計(jì)算出L2，通過桿長條件繼而求出工作長度L=640 mm。

2.2 礫石輸送裝置的設(shè)計(jì)

礫石輸送裝置主要由主動(dòng)輪、懸臂鏈輪、擋石鏈條、鏈條托架、從動(dòng)輪和柵條等部分組成，如圖4 所示。平行排列的柵條在主動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸間圍繞一圈，懸臂鏈輪可調(diào)節(jié)輸送鏈的松緊，土石混合物輸送的一面設(shè)有擋石鏈條，輸送鏈下側(cè)由鏈條托架進(jìn)行支撐。土石混合物經(jīng)入土起石鏟挖掘起后，經(jīng)由撥土碎石鏟擊打分解，大部分土肥可再次入田，礫石輸送裝置負(fù)責(zé)將礫石輸送到盛石小車。輸送過程中，擋石鏈條的作用是阻擋礫石滑落防止再次入田。

在輸送礫石的過程中，礫石多由相鄰的2 個(gè)柵條支撐，輸送鏈達(dá)到一定角度后極易發(fā)生礫石滾落而失去輸送能力。由受力分析可知，礫石發(fā)生滾落的臨界條件是礫石所受重力完全作用于一根柵條上，如圖5 所示。

礫石輸送鏈傾斜角度β應(yīng)滿足式（7）。

式中：β——柵條與礫石中心連線的水平夾角，°；R——礫石橫切半徑，mm；r ——柵條半徑，mm；L——相鄰柵條之間的距離，mm。

礫石在輸送鏈的穩(wěn)定性取決于輸送鏈的傾斜角度。由式（7）可知，礫石輸送鏈的傾斜角度與相鄰柵條之間的距離、礫石最大截面半徑以及柵條半徑有關(guān)，因此礫石橫切面半徑越大即礫石尺寸越大，在輸送過程中就越不穩(wěn)定；同時(shí)，在保證礫石不滑落的情況下，增加相鄰柵條之間的距離可以有效提高礫石輸送的穩(wěn)定性。此鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)主從驅(qū)動(dòng)輪中心距為3 500 mm，柵條長度為1 000 mm，提升高度為2 150 mm，柵條半徑r=10 mm，相鄰柵條之間的距離L=54 mm，故礫石輸送鏈傾斜角β應(yīng)當(dāng)隨著礫石橫切半徑R 變化而變化，即隨需復(fù)墾農(nóng)田實(shí)際工作環(huán)境而定，但為保證撿石率，輸送鏈傾斜角度β應(yīng)小于30°。

礫石輸送鏈線速度的設(shè)定與礫石實(shí)際滑落速度和拖拉機(jī)牽引速度有關(guān)，其大小將影響礫石與土壤在輸送鏈上分離效果。礫石沿柵條線速度方向的運(yùn)動(dòng)速度vs可按式（8）計(jì)算。

式中：vx——礫石在柵條上水平方向的分速度。

再根據(jù)礫石輸送鏈線速度v 與牽引速度vm的比值λ來確定礫石輸送鏈的線速度：

其中，礫石輸送鏈線速度應(yīng)滿足v ＞vs。

試驗(yàn)表明，土石分離效率與輸送鏈的線速度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)線速度在1.2～1.8 變化時(shí)，土石分離效率較高。為了既能保證撿石機(jī)的行進(jìn)速度又能有效提高撿石率，通常應(yīng)使輸送鏈的速度略高于拖拉機(jī)牽引速度，故礫石輸送鏈的線速度取1.6 m/s 。

3 田間試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件與材料

2021 年3 月，在甘肅省洮河拖拉機(jī)制造有限公司-甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)臨洮旱作農(nóng)機(jī)裝備專家大院試驗(yàn)田進(jìn)行了鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)田間撿石作業(yè)性能試驗(yàn)，現(xiàn)場如圖6 所示。試驗(yàn)地面積為0.6 hm2，土壤為黃沙土，疏松且地表平整，含水率較低。試驗(yàn)前，試驗(yàn)地人工埋入直徑為3～30 cm 大小不一的礫石，約占土壤面積的30%，并對鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)進(jìn)行作業(yè)前調(diào)試，牽引機(jī)配套動(dòng)力為87 kW 的東方紅1404 輪式拖拉機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)按照NY/T 3884-2021《農(nóng)田撿石機(jī) 質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》、DG/T 229-2019《農(nóng)田撿石機(jī)》、Q/HCJ 001-2013《農(nóng)田撿石機(jī) 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求[12-14]，以撿石率為試驗(yàn)指標(biāo)。首先通過PB試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)選取撿石作業(yè)深度、撿石作業(yè)速度、柵齒入土角3 個(gè)主要影響因素，并確定各因素最優(yōu)區(qū)間。其中，撿石作業(yè)深度通過撿石機(jī)牽引架限位孔調(diào)節(jié)，撿石作業(yè)速度通過拖拉機(jī)擋位和油門控制，柵齒入土角可直接在機(jī)器上調(diào)整。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗(yàn)誤差，每個(gè)處理重復(fù)3 次，取各重復(fù)試驗(yàn)平均值為該處理的試驗(yàn)值，因素水平編碼如表2 所示。

表2 田間撿石試驗(yàn)因素水平編碼Tab.2 Factor level coding for field stone picking experiment

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Design-Expert.v8.0.6.1 軟件，分析田間撿石試驗(yàn)數(shù)據(jù)因變量與自變量的關(guān)系，得到給定范圍內(nèi)預(yù)測響應(yīng)值回歸模型為：

方差分析結(jié)果如表3 所示。由表3 分析可知，建立二次回歸模型的P 值（0.00 18）小于0.01，表明回歸模型極其顯著；失擬項(xiàng)P＞0.05，即失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實(shí)際相符合，能正確反映撿石率λ與因素A、B、C 之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗(yàn)中各種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中，模型的一次項(xiàng)A、B、C和二次項(xiàng)A2對撿石率的影響極顯著；交互項(xiàng)AB、BC 影響顯著，其余各項(xiàng)均不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素對撿石機(jī)的影響主次順序?yàn)锽 →A →C。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

應(yīng)用Design-Expert.v8.0.6.1 中的Optimization-Numerical 模塊，以撿石率的最大值為目標(biāo)進(jìn)行愿望函數(shù)優(yōu)化，得出最佳組合參數(shù)為：當(dāng)撿石作業(yè)深度取153 mm，撿石作業(yè)速度取1.79 m/s，柵齒入土角取27.9°時(shí)，撿石率可達(dá)到最大值94.25%。

4 結(jié)論

（1）通過融合學(xué)習(xí)復(fù)墾土地的農(nóng)藝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了適合復(fù)墾農(nóng)田的鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)，確定了樣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，并對其入土起石裝置、扭力保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)及礫石輸送裝置等關(guān)鍵作業(yè)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)作業(yè)性能要求，完成了工作參數(shù)的分析計(jì)算。

（2）進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過應(yīng)用響應(yīng)曲面分析法，建立撿石率與撿石作業(yè)速度、撿石作業(yè)深度、柵齒入土角的二次多項(xiàng)式回歸模型。以撿石率為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，獲得鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)最優(yōu)工作參數(shù)：鏈?zhǔn)綋焓瘷C(jī)前進(jìn)速度為1.79 m/s、撿石作業(yè)深度為153 mm、柵齒入土角為27.9°。