被動式圓盤刀試驗裝置設(shè)計與試驗研究

程　陽，閆小麗，朱瑞祥，李成鑫，劉　源，劉正道，盧　琦

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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被動式圓盤刀試驗裝置設(shè)計與試驗研究

程陽，閆小麗，朱瑞祥，李成鑫，劉源，劉正道，盧琦

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

[摘要]【目的】 針對目前開溝破茬圓盤工作部件機具設(shè)計缺少精確設(shè)計參數(shù)等問題，設(shè)計了一種角度可調(diào)的圓盤刀試驗裝置?！痉椒ā?以缺口圓盤為研究對象，選取等直徑但缺口數(shù)為8，9，10的3種圓盤，前進速度取3，4和5 km/h，偏角取5°，7.5°，10°，傾角取2°，4°，6°，利用4因素3水平正交試驗，以破茬率和工作阻力為評價指標(biāo)進行試驗研究?！窘Y(jié)果】 圓盤刀試驗裝置符合設(shè)計要求，傾角調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為-10°～10°，精度為1°，偏角的調(diào)節(jié)范圍為-20°～20°，精度為2.5°；影響破茬率和工作阻力的主次因素依次為圓盤刀類型、前進速度、偏角、傾角；最優(yōu)組合是8缺口圓盤、前進速度4 km/h、偏角5°、傾角4°，平均破茬率為76.5%，牽引阻力為3 714.8 N?！窘Y(jié)論】 被動式圓盤刀的破茬率較主動式低，其原因在于缺口處破茬效果較差，但其結(jié)構(gòu)簡單且工作阻力較小，在地表無殘茬或覆蓋量不大的條件下仍具有應(yīng)用價值。

[關(guān)鍵詞]農(nóng)業(yè)機械；被動式圓盤刀；試驗裝置；破茬性能

隨著保護性耕作技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用，不同類型的保護性耕作機具也得到了較快發(fā)展[1]。破茬圓盤刀作為保護性耕作機械常用的重要工作部件[2]，主要用于破茬防堵和減少工作阻力[3-4]，但目前缺乏關(guān)于不同類型破茬圓盤刀適應(yīng)條件、偏角和傾角對其性能影響的研究報道。傳統(tǒng)的研究方法主要是將已設(shè)計好的圓盤以不同角度反復(fù)安裝在試驗機具上，通過大量的田間試驗來完成[5]，但其缺點是試驗裝置通用性差、效率低，難以滿足研究需要[6]。此外由于設(shè)計參數(shù)不可調(diào)，也就無法獲得精確的設(shè)計參數(shù)[7-8]。為此，本研究設(shè)計了一種角度可調(diào)、可以更換不同類型圓盤刀的試驗裝置，并利用土槽模擬田間狀況，對不同偏角、傾角條件下各種類型被動式圓盤刀的作業(yè)性能進行了試驗研究，旨在確定最佳的被動式破茬圓盤刀工作參數(shù)，進而為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗裝置方案設(shè)計

1.1設(shè)計思路

為研究不同試驗因素下被動式圓盤刀的作業(yè)性能，本試驗裝置的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：(1)能夠適應(yīng)不同類型和尺寸的圓盤刀；(2)可實現(xiàn)圓盤刀偏角和傾角的精確可調(diào)，且調(diào)整時無干擾；(3)能進行多圓盤不同作業(yè)條件下的作業(yè)性能分析；(4)試驗裝置通用性好，各部件拆卸、調(diào)整快捷方便。

1.2方案設(shè)計

為使試驗裝置既可考察在試驗條件一致情況下，不同類型圓盤、不同作業(yè)行距對破茬、牽引阻力綜合影響的需要，還要能夠?qū)崿F(xiàn)多圓盤作業(yè)性能測試，根據(jù)設(shè)計原則，本試驗裝置可以同時安裝2個圓盤刀，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機架、限深輪、傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)、偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)及圓盤刀等部件組成。

圖 1　圓盤刀試驗裝置的結(jié)構(gòu)

1.3工作原理

本試驗裝置可同時測試2個圓盤刀，圓盤刀部件在機架上的固定位置可調(diào)。通過絲杠調(diào)節(jié)限深輪高度，達到調(diào)節(jié)圓盤刀入土深度的目的；圓盤刀偏角和傾角的調(diào)整通過分別調(diào)節(jié)偏角調(diào)節(jié)座、傾角調(diào)節(jié)板和異型架之間的相對位置來實現(xiàn)。

圓盤刀試驗裝置與四驅(qū)農(nóng)機土槽車的3個懸掛點連接，且每個懸掛點上均安裝有力傳感器，可以實時測量每個懸掛點的受力情況。試驗裝置在電力四驅(qū)車的牽引下按照預(yù)設(shè)的速度前進，圓盤刀在電力車牽引力和土壤阻力的共同作用下旋轉(zhuǎn)，在土壤中開出溝槽并切斷秸稈，由計算機讀取并存儲力傳感器上傳的實時數(shù)據(jù)。

2關(guān)鍵部件設(shè)計

本試驗裝置的核心是通過偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)、傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)來實現(xiàn)對圓盤刀偏角和傾角的精確調(diào)節(jié)。如圖2所示，圓盤刀的偏角是指圓盤刀水平軸與前進方向的夾角，傾角是指圓盤刀豎直軸與豎直方向的夾角[9]。在偏角和傾角的調(diào)節(jié)過程中，兩角度調(diào)節(jié)部分的相關(guān)性較強，為防止調(diào)整時干擾的發(fā)生，將偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)和傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)在空間上設(shè)計為異面垂直。

圖 2　圓盤刀偏角和傾角示意圖

2.1傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

在圓盤刀工作過程中，其傾角主要影響機具開溝深度。在限深輪高度不變的情況下，隨傾角角度增大，開溝深度隨之減?。划?dāng)傾角過大(絕對值大于10°)時，開溝深度不足，破茬率也隨之降低。為滿足對開溝深度和破茬率的要求，傾角調(diào)節(jié)范圍不宜過大，根據(jù)預(yù)試驗分析，本試驗裝置的傾角調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為-10°～10°，精度為1°。

傾角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由異形架、傾角調(diào)節(jié)板以及圓盤刀3部分組成。圓盤刀及法蘭盤相關(guān)機構(gòu)固定在傾角調(diào)節(jié)板上，異型架和傾角調(diào)節(jié)板通過傾角鉸接螺栓進行連接。異型架上開有傾角調(diào)節(jié)孔和傾角鉸接孔，調(diào)節(jié)板上開有傾角調(diào)節(jié)槽。當(dāng)需要調(diào)節(jié)傾角時，傾角調(diào)節(jié)板繞著鉸接螺栓旋轉(zhuǎn)，通過傾角調(diào)節(jié)螺栓對傾角調(diào)節(jié)孔和傾角調(diào)節(jié)槽進行定位，從而實現(xiàn)對開溝破茬圓盤傾角的精確調(diào)節(jié)。

圖 3　圓盤刀傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

以圖4中的-1、0、1號孔為例：以傾角調(diào)節(jié)孔中心為圓心，規(guī)定圓盤刀在豎直位置時的傾角為0°，對應(yīng)調(diào)節(jié)孔序號為0。以0°傾角為基準(zhǔn)，向上偏移1°為-1°的傾角，向下偏移1°為1°的傾角，在傾角調(diào)節(jié)裝置上均布置對應(yīng)調(diào)節(jié)孔，但由于角度相差1°時，對應(yīng)2調(diào)節(jié)孔的豎直間距過小，若在同一豎直方向上布置會產(chǎn)生干擾，因此將所有調(diào)節(jié)孔在異形架上分3排交錯布置，如圖4所示。不同序號的孔，對應(yīng)不同的傾角角度；同一豎直方向上相鄰兩孔角度差為3°，其對應(yīng)豎直距離在加工安全距離內(nèi)，可避免加工時干擾。

2.2偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

偏角的大小主要影響開溝寬度，偏角越大則開溝寬度越大，土壤阻力也越大。根據(jù)預(yù)試驗分析，考慮到偏角調(diào)整范圍較大，設(shè)定偏角的調(diào)節(jié)范圍為-20°～20°，精度為2.5°。偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由偏角調(diào)節(jié)座和異型架組成，如圖5所示。異型架用偏角鉸接銷和偏角固定螺栓固定在偏角調(diào)節(jié)座上，偏角調(diào)節(jié)座上有偏角調(diào)節(jié)孔與異型架上的偏角調(diào)節(jié)孔對應(yīng)，工作時通過調(diào)節(jié)偏角固定螺栓對偏角調(diào)節(jié)孔進行定位，從而實現(xiàn)對開溝破茬圓盤刀偏角的精確調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)孔的布置方式如圖6所示，其調(diào)節(jié)原理與傾角的調(diào)節(jié)原理(圖4)類似。

圖 4　圓盤刀傾角角度調(diào)節(jié)示意圖

圖 5　圓盤刀偏角調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

3被動式圓盤刀作業(yè)性能試驗

3.1試驗地點及試驗設(shè)備

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院土槽實驗室進行。試驗設(shè)備包括土槽、電力四驅(qū)農(nóng)機土槽車、圓盤刀試驗裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像設(shè)備等。數(shù)據(jù)的采集主要是通過傳感器獲取扭矩和轉(zhuǎn)速實時信號并輸入到計算機中，利用傳感器附帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)的采集與處理，得到實時的圓盤刀阻力及功率消耗情況。選用CYB-602S型拉力傳感器，該傳感器組件安裝于土槽車的3個懸掛點上，可實時測量試驗裝置的六分力及上拉桿角度的變化情況。

圖 6圓盤刀偏角角度調(diào)節(jié)示意圖

Fig.6Schematic diagram of sweep angle

3.2試驗方案

3.2.1評價指標(biāo)缺口圓盤刀的綜合作業(yè)性能主要表現(xiàn)為作業(yè)質(zhì)量和功率消耗。通過預(yù)試驗及考慮實際作業(yè)狀況，選擇破茬率作為作業(yè)質(zhì)量的評價指標(biāo)，以牽引阻力作為功率消耗的評價指標(biāo)。破茬率φ的計算公式為：

φ=n/N×100%。

式中：n為切斷秸稈數(shù)，N為被切秸稈總數(shù)。

牽引阻力F的計算公式為：

F=F1+F2。

式中：F1為圓盤刀切土阻力，N；F2為圓盤刀破茬阻力，N。

3.2.2試驗因素根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，影響圓盤刀破茬能力和功耗的主要因素有圓盤刀類型、入土深度、土壤含水率、前進速度、配重、圓盤刀的安裝參數(shù)等[10-13]。其中圓盤刀類型對破茬能力影響較為顯著，作業(yè)速度與圓盤刀的安裝參數(shù)既影響破茬率，也對牽引阻力有影響。因此，根據(jù)試驗?zāi)康暮徒?jīng)驗，本試驗確定前進速度、圓盤刀類型、圓盤刀的偏角和傾角為試驗因素。各試驗因素及其水平見表1。

表 1　圓盤刀作業(yè)性能試驗的因素與水平

如圖7所示，試驗選用3種基本參數(shù)相同但缺口數(shù)不同的缺口圓盤。缺口圓盤材料為65Mn，直徑430 mm，厚度4.5 mm，邊緣刃口厚度1.5 mm；缺口數(shù)分別為8，9，10。配重是影響破茬深度的重要因素[14]，為保證缺口圓盤切土深度為80 mm，選擇配重為120 kg。

為模擬田間實際作業(yè)情況，結(jié)合測試內(nèi)容，確定土壤和地表的秸稈狀況詳見表2。每次測試前必須進行土壤和地表整理，使其達到試驗設(shè)定條件，確保試驗數(shù)據(jù)的可比性與科學(xué)性。

圖 7　供試的不同類型的缺口圓盤

土壤Soil土壤性質(zhì)Soilproperties平均含水率/%Averagemoisturecontent平均堅實度/kPasoilcompactness秸稈Straw平均直徑/mmAveragediameter平均含水率/%Averagemoisturecontent秸稈量/(根·m-1)Numberofstraw壤土Loam1320517.5615.210

3.2.3試驗方案根據(jù)試驗因素水平進行正交試驗設(shè)計，試驗方案及結(jié)果分析如表3所示。

3.3試驗結(jié)果與分析

按照試驗方案實施試驗，每組試驗重復(fù)3次，取其平均值，試驗結(jié)果如表3所示。對所得試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，結(jié)果表明，對于破茬率，最優(yōu)組合為A1B2C1D2；對于牽引阻力，最優(yōu)組合為A2B1C1D1，這與包文育[15]、白曉虎[16]缺口圓盤田間試驗的結(jié)論基本一致。

表 3　缺口圓盤性能試驗方案及結(jié)果分析

試驗結(jié)果還表明，被動式缺口圓盤破茬率平均為74.71%。而馬洪亮等[2]、李衛(wèi)等[17]分別研究了不同種類主動式圓盤的破茬情況，在轉(zhuǎn)速為350 r/min 時破茬率分別可達到97%和93%以上，可見被動式缺口圓盤破茬率明顯低于主動式。對試驗過程的高速錄像進行觀察分析，結(jié)果(圖8)顯示：秸稈①為圓盤缺口處秸稈，圓盤缺口處將秸稈①壓入土中，但秸稈①未被完全切斷，附著于圓盤缺口處向前滾動，遇到異形架阻擋后掉落；秸稈②為圓盤刃口處秸稈，圓盤邊緣刃口處則可以直接切斷秸稈②，且秸稈②幾乎不被圓盤帶走。由此可見，對缺口圓盤破茬性能起主要作用的是圓盤邊緣而非其缺口，這也是被動式缺口圓盤破茬率不高的主要原因。

圖 8　缺口圓盤破茬效果的高速攝影觀察

方差分析結(jié)果(表4)表明：對破茬率影響最顯著的因素是圓盤刀類型，前進速度次之，此后依次是偏角和傾角；對牽引阻力影響最顯著的因素是圓盤刀類型，其次依次為傾角、前進速度、偏角。

綜合考察破茬率和牽引阻力2個指標(biāo)，圓盤刀類型的影響程度最大，而A1相對A2而言，雖然牽引阻力提高7.9%，但破茬率提高8.8%，因此圓盤刀類型取A1為好；對于前進速度，相對B1而言，雖然B2牽引阻力升高2.4%，但破茬率提高4.9%，因此取B2為好；對于傾角，相對D1而言，雖然D2牽引阻力升高2.6%，但破茬率提高4.9%，因此取D2為好。運用綜合平衡法[18]，可得出最優(yōu)組合方案為A1B2C1D2。

對正交試驗得出的最優(yōu)組合進行了3次重復(fù)試驗，最優(yōu)方案重復(fù)驗證試驗結(jié)果穩(wěn)定性很高，牽引阻力有了明顯降低，破茬率平均為76.5%，牽引阻力平均為3 714.8 N。與正交試驗結(jié)果(表2)中最接近最優(yōu)組合的試驗2(A1B2C2D2)相比，雖破茬率降低7.5%，但牽引阻力降低了12.3%。綜合考慮，可以認(rèn)為最優(yōu)試驗組合為A1B2C1D2。

表 4　圓盤刀性能正交試驗結(jié)果的方差分析

4結(jié)論

1)所設(shè)計的被動式圓盤刀試驗裝置可以滿足圓盤刀多種條件下的作業(yè)性能試驗要求，且具有很好的試驗精度。

2)各因素對牽引阻力影響的主次順序為圓盤刀類型、前進速度、偏傾角，且均影響顯著。

3)本研究在室內(nèi)土槽試驗條件下，通過正交試驗和驗證試驗，綜合考慮破茬率與牽引阻力，得到被動式缺口圓盤影響因素及水平的最佳組合為：8缺口圓盤、前進速度4 km/h、偏角5°、傾角4°，在此條件下平均破茬率為76.5%，平均牽引阻力為 3 714.8 N。

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Design and experiment of testing device for passive disc

CHENG Yang,YAN Xiao-li,ZHU Rui-xiang,LI Cheng-xin,LIU Yuan,LIU Zheng-dao,LU Qi

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract:【Objective】 Aiming at the long testing time of cutting and ditching disc opener,low parameter adjustment accuracy and low working efficiency,a testing device with adjustable angle for passive disc was designed. 【Method】 Choosing different notch numbers of disc (8 notches,9 notches,10 notches),forward speeds (3,4,5 km/h),sweep angles (5°,7.5°,10°) and tilt angles (2°,4°,6°) as influencing factors and using notched discs as research objects,stubble-cutting rate and traction resistance were studied based 4 by 3 orthogonal experiment.【Result】 The testing device met design requirements,the sweep angle was in the range of -20°-20° with precision of 2.5°,and the tilt angle was in the range of -10°-10° with precision of 1°.The factors affecting cutting rate and traction resistance were type,velocity,sweep angle,and tilt angle in order.The optimal combination of notched disks was notch number 8,speed 4 km/h,sweep angle 5°,and tilt angle 4°,under which the average of passive notched disk stubble-cutting rate was 76.5% and the traction resistance was 3 714.8 N.【Conclusion】 Compared with the active disk,the notched disk stubble-cutting rate was lower since the disc notches stubble-cutting performance was lower.But its simple structure and small working resistance make it applicable for not covered or less covered land.

Key words：agricultural machinery;passive disc;testing device;stubble-cutting performance

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-04-0709:0010.13207/j.cnki.jnwafu.2016.05.031

[收稿日期]2014-10-08

[基金項目]國家“十二五”科技支撐計劃項目子課題“關(guān)中平原農(nóng)田循環(huán)生產(chǎn)綜合技術(shù)集成研究與示范”(2012BAD14B11-2)

[作者簡介]程陽(1990-)，男，河南商城人，在讀碩士，主要從事保護性耕作機具研究。E-mail：chengyanglc@163.com[通信作者]閆小麗(1969-)，女，陜西永壽人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)機裝備開發(fā)研究。E-mail：yxl9212@nwsuaf.edu.cn

[中圖分類號]S222.5+2

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)05-0228-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160407.0900.062.html