復(fù)合式羊草切根機的設(shè)計研究

焦　巍，布　庫，萬其號，陳啟淵，顧麗霞

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所/農(nóng)業(yè)部草原畜牧業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站，呼和浩特　010010；2．內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特　010070；3．內(nèi)蒙古經(jīng)貿(mào)學(xué)校，呼和浩特　010010)

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復(fù)合式羊草切根機的設(shè)計研究

焦巍1，布庫1，萬其號1，陳啟淵2，顧麗霞3

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所/農(nóng)業(yè)部草原畜牧業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站，呼和浩特010010；2．內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特010070；3．內(nèi)蒙古經(jīng)貿(mào)學(xué)校，呼和浩特010010)

摘要：針對退化羊草草原土壤板結(jié)嚴重且橫走根莖錯節(jié)致使自繁促生能力下降等問題，研制了復(fù)合式羊草切根機。同時，介紹了該機的整體結(jié)構(gòu)、工作原理及主要部件的設(shè)計原理和設(shè)計方法。復(fù)合式羊草切根機切根性能穩(wěn)定、效率高、能耗低，有較強的實用價值，對退化羊草地機械化改良機具的研發(fā)及相關(guān)技術(shù)的推廣具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：羊草草原；切根機；切根松土；復(fù)壯促生

0引言

天然羊草草原長期無養(yǎng)息、超載放牧和家畜踩踏啃食，加之氣候因素的影響，導(dǎo)致草地土壤板結(jié)嚴重，板結(jié)層深達25～35cm，土壤堅實度高達40～45kg/cm2。同時，羊草等多年生根莖型禾木放牧草的根莖分布于50～200mm的土層或更深的地方，其他地下橫走莖每年延伸可達1～1.5m；盤根錯節(jié)的根系致使土壤透氣性減弱，含水量和孔隙度下降，容量增大，造成這類草原呈現(xiàn)板結(jié)性退化。這種退化現(xiàn)象在人工建植年限5年以上的羊草地上也很常見[1-2]。

從土壤物理性狀看，羊草草原退化的原因主要是土壤質(zhì)地緊密、孔隙度小、有效水貯存能力差及空氣含量低。研究顯示：采用機械化方法對羊草草原進行切根松土可以消除土壤板結(jié)，增加土壤的透氣性，修復(fù)退化羊草草原；但傳統(tǒng)翻耕、松土?xí)淼乇淼娘L(fēng)蝕、水蝕、跑墑、加速沙化，破壞其他牧草根莖，同時切根效果差且能耗巨大。因此，合理、有效的破土切根方法以及機具對退化羊草草原復(fù)壯促生具有重要的意義[3]。

本文提出的羊草復(fù)合式切根松土機利用盤式犁刀入土阻力小、剪切能力強的特點開出細溝、切斷上土層(0～20cm)粗壯根莖，利用臂式犁刀破根能力強的特點破壞下土層(20～30cm)橫走細根網(wǎng)來實現(xiàn)機械化復(fù)壯促生。同時，采用的復(fù)合式結(jié)構(gòu)將羊草地破土切根工藝難點進行分解，逐一解決。

1整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1整體結(jié)構(gòu)

復(fù)合式羊草切根機首先利用PRO/E三維建模軟件進行三維模型的建立，確定總體方案；再進行部件的分析、優(yōu)化、樣機的試制及試驗。圖1為復(fù)合式羊草切根機三維模型。復(fù)合式羊草切根機主要由機架、緩沖刀架、漩渦犁刀、臂式犁刀、鎮(zhèn)壓輪及排種系統(tǒng)等組成[4-5]。

1.機架　2.緩沖刀架　3.漩渦犁刀

1.2工作原理

復(fù)合式羊草切根機通過三點懸掛與拖拉機液壓控制桿相連接，利用拖拉機液壓系統(tǒng)提供的作用力將犁刀壓入土層，再牽引向前進行切根松土補播作業(yè)。漩渦犁刀與臂式犁刀分別在上土層(0～20cm)、下土層(20～30cm)進行切根作業(yè)，行走輪進行覆土鎮(zhèn)壓，行走輪輪轂上設(shè)有與排鐘系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的鏈輪，通過鏈條傳動帶動排種系統(tǒng)進行排種補播作業(yè)。圖2為該機工作原理示意圖。

圖2　工作原理示意圖

2主要部件的研制

2．1漩渦犁刀的研制

圖3　漩渦犁刀工作示意圖及土壤質(zhì)子受力分析圖

假設(shè)運動過程中受到的轉(zhuǎn)矩為Tn，則在距離為d處土壤所受到的合力Fn,是由3個立體的分力合成的。其中，合力主要是土壤與圓盤的摩擦和圓盤對土壤的支撐力。將3個力進行分解,具體為

圓周力

Fτ=Fncosαncosβ

徑向力

側(cè)向力

式中αn—兩個Fn分力的夾角；

β—圓周力與Fn分力的夾角；

βn—Fn分力與Fn的夾角。

盤式犁刀不僅要開溝松土，還要完成羊草地上土層(0～20cm)的切根工作，因而漩渦曲線選擇了阿基米德螺旋線。當一點沿著動射線以等速率運動的同時，該射線又以等角速度繞軸旋轉(zhuǎn)，則該點的軌跡稱為“阿基米德螺線”。該曲線的特點是漩渦犁刀在土壤中工作時，犁刀刃口始終垂直切入，剪切效果最佳[9]。設(shè)計的漩渦犁刀三維模型如圖4所示。

圖4　漩渦犁刀三維模型

2.2臂式犁刀的研制

復(fù)合式犁刀結(jié)構(gòu)解決羊草切根問題是將切根松土所遇到的問題細化，盤式滾動前犁刀剪切能力強，對上土層粗壯根莖的處理效果好；而配合完成作業(yè)的后犁刀需要對下土層細密的橫走根莖網(wǎng)進行破壞，同時疏松土壤。傳統(tǒng)的中耕犁刀雖然松土能力強，但對土壤的擾動過大，尤其容易破壞草場的表層；同時能耗很大，難以在較深土層范圍內(nèi)工作。天然羊草地復(fù)壯促生的前提是不能夠破壞草場表層，因此在吸取傳統(tǒng)中耕犁刀優(yōu)點、結(jié)合切根工藝要求的基礎(chǔ)上研制了臂式犁刀[10]；再依據(jù)仿生學(xué)及材料強度、剛度，設(shè)計的犁刀工作處橫截面由半徑為278、R80、215、76mm這4段圓弧構(gòu)成。過渡弧面可以減少土壤的附著。犁刀采用雙面固定結(jié)構(gòu)確保入土切根的強度要求。同時，設(shè)計的臂式犁刀寬度與漩渦犁刀漩渦寬度一致[11]，保證臂式犁刀可以在漩渦犁刀開出的細溝繼續(xù)作業(yè)。圖5為臂式犁刀三維模型。

圖5　臂式犁刀的三維模型

利用有限元分析模塊對臂式犁刀入土切根過程中的所受應(yīng)力進行分析，根據(jù)TYD-2土壤硬度計測試所得數(shù)據(jù)，土壤的平均應(yīng)力為2.39N/mm2,可將應(yīng)力的線性變化利用方程的形式進行分析。在直角坐標系中，由于Y軸的方向為水平向上，壓應(yīng)力隨著Y的變化而變化，可列方程為F=-0.0206(y+130)。施加作用力后的分析結(jié)果如圖6所示[12-13]。

由圖6可以看出：臂式犁刀在與土層表面接觸位置受力最大。由有限元的分析結(jié)果及臂式犁刀在下土層工作的特點可知：臂式犁刀材質(zhì)的選擇與處理非常重要。通過大量的實驗分析，最終確定犁刀材質(zhì)為65Mn，并對該材質(zhì)進行二次退化、淬火、回火工藝熱處理，處理后的材質(zhì)硬度可到達HRC55以上。圖7為處理后材質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)。

圖6　臂式犁刀有限元分析

圖7　晶格結(jié)構(gòu)圖

由圖7可以看出：處理后的材質(zhì)晶格細致、緊湊，晶格顆粒之間的間隙小，有較好的強度與剛度，能夠滿足臂式犁刀的工作要求。

2.3復(fù)合刀架的研制

根據(jù)漩渦犁刀及臂式犁刀的性能特點及工作要求,設(shè)計研制了復(fù)合刀架，三維模型如圖8所示。

圖8　復(fù)合刀架三維模型

復(fù)合刀架采用了三點懸掛方式與拖拉機相連接，并分別通過橫梁和縱梁來安裝漩渦犁刀及臂式犁刀。橫梁處裝有深度控制軸套，深度控制軸下方與緩沖刀架相連接，上方與橫梁處的深度控制軸套相連接。通過軸套與深度軸的限位螺栓可以調(diào)整漩渦犁刀相對于架體的入土深度?？v梁與臂式犁刀相連接，同樣通過限位螺栓控制臂式犁刀相對于架體的入土深度。這樣的設(shè)計可以使復(fù)合犁刀入土深度自由調(diào)整，針對不同特質(zhì)的羊草地進行切根松土作業(yè)，且使用、維護方便，犁刀可隨時更換。

2.4緩沖刀架的研制

漩渦犁刀是復(fù)合式羊草切根機中最為精密的部件，也是影響切根效果的主要因素，因此保護好漩渦犁刀不受損傷非常重要。漩渦犁刀工作的天然草場地況復(fù)雜，在土層內(nèi)有大量的碎石塊，且分布不均勻。犁刀與石塊正面相撞會損壞犁刀，正常的土壤工作部件難以在天然草場上作業(yè)。

緩沖刀架可以使漩渦犁刀在行走方向及垂直行走方向緩沖躲避障礙。當在行走方向上遇到難以通過的障礙時，刀盤正面受力使得彈簧緩沖器壓縮，漩渦犁刀延支撐點翹起，從上方躲避障礙；當越過障礙后彈簧緩沖器伸展釋放壓力，使得漩渦犁刀回到工作位置繼續(xù)前進。在垂直行走方向上，刀架可以延深度控制軸自由旋轉(zhuǎn)，在緩沖刀架與深度控制軸連接處設(shè)有定位塊，限制刀架旋轉(zhuǎn)角度；刀架可以延行走方向兩側(cè)各偏移7°來躲避障礙，如圖9所示。其中，直箭頭是沖擊力方向，彎曲箭頭是犁刀躲避沖擊方向。緩沖刀架的設(shè)計可有效減少漩渦犁刀的損傷，使漩渦犁刀應(yīng)用于復(fù)雜的土壤環(huán)境中。

圖9　緩沖刀架工作示意圖

3試驗

3.1試驗條件

完成復(fù)合式羊草切根機的研制工作后，將樣機在內(nèi)蒙古呼和浩特市中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所試驗樣地上進行了試驗。土壤類型為壤土，緊實度為1.76×104Pa，土壤含水率為24.3%(0～15cm)和34.1%(15～25cm)。

3.2試驗結(jié)果與分析

分別采用單漩渦犁刀、單臂式犁刀及復(fù)合犁刀進行切根松土試驗。試驗采用紐荷蘭704拖拉機，在拖拉機與羊草切根機之間連接牽引力測試儀，測試要求在相同時間內(nèi)前進1m的能耗[14]。試驗結(jié)果如圖9所示。

圖10　入土能耗對比數(shù)據(jù)圖

試驗結(jié)果表明：在5～30cm的入土深度范圍內(nèi)，復(fù)合犁刀、漩渦單犁刀、臂式單犁刀需要的牽引功率呈線性增加；在入土30cm時，復(fù)合犁刀需要的最大功率約為33.6kW，漩渦單犁刀需要的功率為31.3kW；在25～30cm區(qū)間，漩渦單犁刀所需功率顯著增加，原因是由于入土深度增加，犁刀法蘭處壅土及纏草所致。而臂式單犁刀入土阻力大，試驗所用的紐荷蘭704拖拉機無法提供入土30cm所需動力。因此，臂式單犁刀入土能耗只取到入土深度25cm的數(shù)據(jù)。

采用對角線試驗方法，選取矩形試驗場地的4個邊角及對角線中心區(qū)域作為試驗數(shù)據(jù)采集區(qū)，采集區(qū)面積設(shè)定為1m2，對0～25cm范圍內(nèi)切根數(shù)據(jù)進行檢測[15]。設(shè)定切根成功率為切斷的草根數(shù)與所開溝內(nèi)長度超過30cm草根數(shù)的百分比。測定結(jié)果：復(fù)合犁刀切根成功率為85.4%，單漩渦犁刀切根成功率為51.1%，單臂式犁刀切根成功率為78.3%。復(fù)合犁刀切根效果如圖11所示。

圖11　切根效果示意圖

通過試驗可以看出：復(fù)合犁刀比傳統(tǒng)犁刀入土切根能耗低，又比盤式犁刀的切根效果好；且未對羊草地表層造成過大的擾動，能夠高效完成羊草地機械化復(fù)壯促生工作。

4結(jié)論

復(fù)合式羊草切根機提出了復(fù)合式的切根松土作業(yè)結(jié)構(gòu)，將漩渦犁刀和臂式犁刀有機地結(jié)合起來，利用各犁刀的功能特點解決退化羊草地改良作業(yè)中的工藝難點。復(fù)合式羊草切根機工作性能穩(wěn)定，有較好的實用價值。該機的研發(fā)過程中運用了三維建模、有限元分析及仿生學(xué)分析等手段，為相關(guān)機具的研發(fā)及技術(shù)的推廣提出了新思路、新方法。

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Research on Compound L. Chinensis Root Cutting Machine

Jiao Wei1, Bu Ku1, Wan Qihao1, Chen Qiyuan2, Gu Lixia3

(1.Grassland Research Institute Chinese Academy of Agriculture Science/Scientific Observing and Experimental Station of Grassland Animal Husbandry Equipment, Hohhot 010010,China; 2.Inner Mongolia Mechanical and Electrical Vocational and Technical College, Hohhot 010070, China; 3 Inner Mongolia Economic and Trade School, Hohhot 010010, China)

Abstract：This paper introduces the design of the compound l. chinensis root cutting machine based on the degradation of l. chinensis grassland soil harden and horizontal rhizome serious fault section which causes the ability to reproduce dropping. This paper also introduces the overall structure of the machine, the working principle and design principle, design method of main parts. The compound l. chinensis root cutting machine has stable performance, high efficiency, low energy consumption on cutting root The compound l. chinensis root cutting machine has a guiding role in the promotion of development and related technology.

Key words：L. chinensis grassland; root cutting machine; root scarification; resurrect

文章編號：1003-188X(2016)06-0132-05

中圖分類號：S817.1

文獻標識碼：A

作者簡介：焦巍(1986-),男, 內(nèi)蒙古包頭人，實習(xí)研究員，(E-mail)jiaowei9@126.com。通訊作者：布庫(1961-),男,呼和浩特人,副研究員，(E-mail)buku0471@yahoo.cn。

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項(1610332014008)；國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家項目(CARS-35-18)

收稿日期：2015-05-27