丘陵地區(qū)雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙淑紅 劉宏俊 譚賀文 楊?lèi)偳?張先民

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

丘陵地區(qū)雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙淑紅 劉宏俊 譚賀文 楊?lèi)偳?張先民

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

針對(duì)鎮(zhèn)壓裝置在丘陵地區(qū)作業(yè)時(shí)鎮(zhèn)壓不均勻、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度不足等問(wèn)題，借鑒丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)雙向仿形和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度可調(diào)的鎮(zhèn)壓裝置。該裝置主要由仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓輪組成。建立了丘陵地形下鎮(zhèn)壓輪與土壤相互作用模型，對(duì)鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行受力分析，確定鎮(zhèn)壓輪工作過(guò)程，同時(shí)對(duì)鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行受力分析，確定彈簧變形量(鎮(zhèn)壓強(qiáng)度)的合理范圍。進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和田間性能試驗(yàn)，采用L9(34)正交試驗(yàn)，考察鎮(zhèn)壓輪類(lèi)型、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度、作業(yè)速度對(duì)鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能的影響，得到了各因素的主次順序：鎮(zhèn)壓輪類(lèi)型、彈簧變形量(鎮(zhèn)壓強(qiáng)度)、作業(yè)速度，最優(yōu)組合：橡膠鎮(zhèn)壓輪、彈簧變形量20 mm、作業(yè)速度1 m/s，此時(shí)牽引阻力為22.3 N，根冠比為0.271。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，證明仿形鎮(zhèn)壓裝置更能保證鎮(zhèn)壓均勻性。

丘陵地區(qū)； 鎮(zhèn)壓裝置； 仿形； 設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)

引言

鎮(zhèn)壓裝置[1-3]是播種機(jī)的重要工作部件，主要由支架、仿形機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓輪等組成，其性能決定播種作業(yè)質(zhì)量。北方大豆和玉米作業(yè)區(qū)采用平作、壟作和間作種植方式，要求鎮(zhèn)壓裝置能適應(yīng)不同作物播種和鎮(zhèn)壓作業(yè)要求，同時(shí)不需要額外配重。

研究人員[4-8]對(duì)鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行了深入研究。佟金等[9]采用ABAQUS有限元方法對(duì)傳統(tǒng)和仿生鎮(zhèn)壓輥的作業(yè)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究；賈洪雷等[10]結(jié)合仿生方法，設(shè)計(jì)出一種滑移率低、鎮(zhèn)壓力分布均勻的仿形彈性鎮(zhèn)壓輥；賈洪雷等[11]設(shè)計(jì)出一種具有覆土功能的彈性鎮(zhèn)壓輪，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)；王景立[12]針對(duì)鎮(zhèn)壓器適應(yīng)性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種可變力鎮(zhèn)壓器；賈洪雷等[13]設(shè)計(jì)出一種仿形彈性鎮(zhèn)壓輥。上述研究主要是針對(duì)鎮(zhèn)壓裝置在平原地區(qū)的作業(yè)性能研究，而針對(duì)丘陵(坡度5°～25°)地區(qū)作業(yè)性能的研究未見(jiàn)報(bào)道。在丘陵地區(qū)實(shí)際播種和鎮(zhèn)壓作業(yè)時(shí)，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置存在橫向鎮(zhèn)壓不均勻等問(wèn)題。

針對(duì)北方地區(qū)種植方式和丘陵地區(qū)鎮(zhèn)壓不均勻、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度不足等問(wèn)題，本研究借鑒丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械特點(diǎn)[14-18]，設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)雙向仿形和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度可調(diào)的鎮(zhèn)壓裝置。

1 鎮(zhèn)壓裝置組成和工作原理

該機(jī)構(gòu)主要由鎮(zhèn)壓輪、仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和支架等組成，如圖1所示。

圖1 仿形鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of profiling press device1.吊桿 2.限位板 3.平衡彈簧 4.下支架 5.鎮(zhèn)壓輪 6.鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 7.前梁 8.上支架

鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)功能：通過(guò)改變彈簧的拉伸量來(lái)改變彈簧的拉伸力，進(jìn)而改變鎮(zhèn)壓強(qiáng)度，最終達(dá)到要求的鎮(zhèn)壓目的。

仿形調(diào)節(jié)功能：上支架鉸接在前梁上，作業(yè)過(guò)程中，保證鎮(zhèn)壓裝置在縱向上能隨著地形的高低起伏運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程中隨地形仿形。下支架和固定在上支架尾部的吊桿相鉸接，下支架能相對(duì)于上支架橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橫向仿形。播種機(jī)在丘陵地區(qū)作業(yè)時(shí)，機(jī)架與φ角斜面平行。傳統(tǒng)的鎮(zhèn)壓裝置，鎮(zhèn)壓輪與上支架剛性連接，無(wú)法相對(duì)于上支架橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，故與覆土后土壤表面存在一定夾角，這樣橫向鎮(zhèn)壓輪入土深度不一致，導(dǎo)致橫向鎮(zhèn)壓不均勻，如圖2a所示。雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓輪可以繞鉸接點(diǎn)相對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)，在重力與平衡彈簧共同作用下能與覆土后的表面平行，鎮(zhèn)壓輪入土深度一致，橫向鎮(zhèn)壓均勻，如圖2b所示。鎮(zhèn)壓裝置左右吊桿鉸接在下支架上，主要用來(lái)控制左右晃動(dòng)，保證支架能自動(dòng)歸位。

圖2 鎮(zhèn)壓裝置運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2 Motion sketches of press device

自動(dòng)歸位功能：當(dāng)播種機(jī)被放下時(shí)，鎮(zhèn)壓輪可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歸位，這樣可以減輕對(duì)鎮(zhèn)壓裝置的沖擊力，保護(hù)鎮(zhèn)壓輪及其軸承。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓輪和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是裝置的關(guān)鍵部件。在作業(yè)過(guò)程中，仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，能保證播種機(jī)在平原和丘陵地區(qū)對(duì)不同作物進(jìn)行正常鎮(zhèn)壓作業(yè)。

2.1 仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由限位板、吊桿、下支架、軸套等部件組成。

2.1.1 平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

左右吊桿在平衡彈簧和限位孔的控制下，相對(duì)于限位板只有2個(gè)自由度：沿限位孔進(jìn)行橫向移動(dòng)和在限位板垂直方向移動(dòng)，如圖3所示。

圖3 仿形調(diào)節(jié)狀態(tài)示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of profilling adjustment state

2.1.2 仿形機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4中O1、O2、O3為吊桿與下支架的鉸接點(diǎn)，h為鉸接點(diǎn)O1與限位板頂端的距離，L1為左右吊桿長(zhǎng)度，L為鉸接點(diǎn)O2或O3與鉸接點(diǎn)O1的距離，Δd1為鉸接點(diǎn)O2或O3水平位移，Δd2為鉸接點(diǎn)O2或O3垂直位移。由圖4可知，當(dāng)下支架繞鉸接點(diǎn)O1運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞鉸接點(diǎn)O2和O3向鉸接點(diǎn)O1靠攏。

吊桿過(guò)長(zhǎng)，會(huì)影響裝置的穩(wěn)定性；吊桿過(guò)短，容易出現(xiàn)吊桿脫落現(xiàn)象。圖4中仿形角為α?xí)r，右側(cè)桿下降，左側(cè)桿上升。當(dāng)向另一側(cè)仿形時(shí)，左右吊桿的運(yùn)動(dòng)相反。為了保證鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)緊湊，取L=80 mm，h=150 mm。由圖3可知

Δd2=Lsinα

(1)

L1≥h+Δd2

(2)

該仿形主要是針對(duì)丘陵設(shè)計(jì)，丘陵坡度5°～25°，經(jīng)計(jì)算得出L1≥183.8 mm，取L1=200 mm。

限位孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖5。吊桿在限位孔內(nèi)沿孔進(jìn)行橫向移動(dòng)，限位孔過(guò)長(zhǎng)，造成浪費(fèi)；限位孔過(guò)短，影響仿形，故應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值，由

Δd1=L(1-cosα)

(3)

當(dāng)α≤25°時(shí)，經(jīng)計(jì)算得出d1<7.5 mm，取d1=7.5 mm。

圖4 仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Structural parameters of profiling mechanism

圖6 鎮(zhèn)壓輪受力分析圖Fig.6 Sketches of forces on press wheel

圖5 限位孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 Structural parameters of spacing hole

2.1.3 平衡彈簧設(shè)計(jì)

平衡彈簧對(duì)仿形和運(yùn)輸時(shí)控制仿形裝置穩(wěn)定性起著重要作用。若平衡彈簧選擇不合理，則影響仿形質(zhì)量，影響運(yùn)輸過(guò)程中機(jī)器的穩(wěn)定性。為了保證鎮(zhèn)壓裝置工作性能的穩(wěn)定性和彈簧的壽命，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇YI冷卷壓縮彈簧，其具體參數(shù)：中徑為16 mm，圈數(shù)為20，直徑為1.7 mm。

2.2 鎮(zhèn)壓輪運(yùn)動(dòng)特性及參數(shù)確定

鎮(zhèn)壓輪與覆土后的土壤之間的相互作用是個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程。平原地形下鎮(zhèn)壓輪與土壤之間的相互作用模型應(yīng)用廣泛，而針對(duì)丘陵地形下鎮(zhèn)壓輪與土壤之間的相互作用模型尚未見(jiàn)報(bào)道，故有必要建立相應(yīng)模型。

2.2.1 丘陵地形下鎮(zhèn)壓輪與土壤相互作用模型

鎮(zhèn)壓輪在丘陵地區(qū)作業(yè)時(shí)，按運(yùn)動(dòng)方向正交分解為沿α角斜面上爬坡和沿φ角斜面上行走，見(jiàn)圖6。在重力作用下，覆土后擾動(dòng)土壤的表面在φ角斜面上與地平線平行。鎮(zhèn)壓輪的運(yùn)動(dòng)可近似看作純滾動(dòng)。圖6表示在下陷量為z0時(shí)鎮(zhèn)壓輪受力情況，其中v為前進(jìn)速度，ω為角速度，P為牽引力，W1為鎮(zhèn)壓裝置施加給鎮(zhèn)壓輪的載荷；dR為鎮(zhèn)壓輪邊緣任意一點(diǎn)受到土壤反作用合力，其方向通過(guò)鎮(zhèn)壓輪中心，dRy和dRx為dR在xOy平面中的正交分解力，θ0為鎮(zhèn)壓輪漸近角。忽略輪子軸套的摩擦力矩，同時(shí)不考慮土壤顆粒沿法向變形。土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輪微面積法向力的水平分力積分等于Rx，即前進(jìn)阻力；土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輪微面積法向力的垂直分力積分等于Ry，即垂直阻力。

根據(jù)地面力學(xué)對(duì)圖6a建立力學(xué)平衡方程

(4)

Ry=∫dRy=W1+Gcosα

(5)

P=Rx+Gsinα

(6)

式中D——鎮(zhèn)壓輪直徑，mmb——鎮(zhèn)壓輪寬度，mmG——鎮(zhèn)壓輪重力，Np——深度z0處的抗壓強(qiáng)度Q——土壤受到鎮(zhèn)壓輪的總載荷,N

考慮土壤垂直方向的壓縮，忽略在縱向上擠壓變形，故采用Reece承壓模型[19]

(7)

式中γs——土壤容重c——土壤內(nèi)聚力k′c、k′φ——無(wú)量綱土壤內(nèi)聚力和摩擦變形模量z——下陷量n——土壤變形指數(shù)，取n=1

由圖7得到z與θ之間的關(guān)系

(8)

對(duì)式(8)進(jìn)行積分得

(9)

對(duì)式(4)、(7)、(9)整理可得

(10)

(11)

考慮到θ較小，故簡(jiǎn)化式(11)得

(12)

同理

W1+Gcosα

(13)

(14)

在丘陵地區(qū)作業(yè)時(shí)，雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓輪受力W1與F1的夾角為φ，故可得

W1=F1cosφ

(15)

式中F1——上支架對(duì)下支架的垂直分力，N

聯(lián)立式(12)、(14)、(15)得

(16)

由式(16)可知，土壤條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷和地形決定鎮(zhèn)壓輪工作阻力。載荷和工作阻力呈正相關(guān)。載荷越大，工作阻力越大，能量消耗越多；載荷不易過(guò)小，否則鎮(zhèn)壓不足。鎮(zhèn)壓強(qiáng)度過(guò)大或者過(guò)小均影響鎮(zhèn)壓質(zhì)量。

圖7 土粒的法向位移和鎮(zhèn)壓輪轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖Fig.7 Relationship schematic between soil particles displacement and rotation angle of repressive law

2.2.2 鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)寬度

鎮(zhèn)壓輪寬度決定著鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量。在載荷一定的情況下，鎮(zhèn)壓輪寬度過(guò)小，容易造成局部鎮(zhèn)壓強(qiáng)度過(guò)大，下陷量過(guò)大；鎮(zhèn)壓寬度過(guò)大，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度不夠，不能滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)要求。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，鎮(zhèn)壓輪寬度應(yīng)在開(kāi)溝寬度和播種行距之間。本研究主要針對(duì)玉米平作和壟上雙行(行間距0～150 mm)，按照《農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)》相關(guān)要求，選擇鎮(zhèn)壓輪寬度b=210 mm。

(2)直徑

鎮(zhèn)壓輪直徑與作業(yè)性能有著很大的關(guān)系。當(dāng)前進(jìn)速度和載荷一定時(shí)，若鎮(zhèn)壓輪直徑過(guò)小，鎮(zhèn)壓時(shí)間短，對(duì)土壤的鎮(zhèn)壓不夠，拖土壅土現(xiàn)象嚴(yán)重；若鎮(zhèn)壓輪直徑過(guò)大，影響機(jī)器工作的穩(wěn)定性，故鎮(zhèn)壓輪直徑應(yīng)在合理的范圍(200～500 mm)內(nèi)取值[11]。在保證工作穩(wěn)定性和作業(yè)性能的前提下，結(jié)合農(nóng)藝要求，選擇鎮(zhèn)壓輪直徑D=300 mm。

2.2.3 鎮(zhèn)壓輪類(lèi)型

根據(jù)農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)3種鎮(zhèn)壓輪(剛性鎮(zhèn)壓輪、橡膠鎮(zhèn)壓輪和鼠籠鎮(zhèn)壓輪)。剛性鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力分布均勻；橡膠鎮(zhèn)壓輪的橡膠輪變形與復(fù)原相互交替反復(fù)，壓后地表產(chǎn)生鱗片狀裂紋較少，鎮(zhèn)壓質(zhì)量好；鼠籠鎮(zhèn)壓輪，幾乎不存在壅土，種子與土壤接觸緊密。3種鎮(zhèn)壓輪的鎮(zhèn)壓效果有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由拉力彈簧、雙向調(diào)節(jié)和支架組成。通過(guò)彈簧的拉伸程度來(lái)確定鎮(zhèn)壓強(qiáng)度。主要參數(shù)是彈簧變形量。

2.3.1 鎮(zhèn)壓裝置受力分析

在鎮(zhèn)壓輪穩(wěn)定工作時(shí)，鎮(zhèn)壓裝置受力分析如圖8所示,F4為下支架對(duì)上支架的垂直分力，與F1是一對(duì)平衡力，大小相等，方向相反，F(xiàn)2為下支架對(duì)上支架的水平分析力，F(xiàn)3為上支架對(duì)前梁的水平力，β為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與上支架夾角。鉸接點(diǎn)C主要受到鎮(zhèn)壓裝置水平拉力，忽略豎直方向力，對(duì)鎮(zhèn)壓裝置建立垂直方向力學(xué)平衡方程

F4=F1=Fsinβ

(17)

將式(17)代入式(15)得

W1=kΔlcosφsinβ

(18)

式中k——?jiǎng)偠?，N/mmΔl——彈簧變形量，mm

圖8 鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)受力分析示意圖Fig.8 Force analysis diagram of press device

2.3.2 調(diào)節(jié)彈簧確定及參數(shù)確定

在受到載荷和重力的作用下，鎮(zhèn)壓輪下陷量的計(jì)算可簡(jiǎn)化為[13]

(19)

其中

K=α0(1+0.27b)

(20)

式中K——土壤特性系數(shù)α0——與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)

鎮(zhèn)壓輪接地面積S為

(21)

其中

(22)

式中β1——接觸角l——鎮(zhèn)壓輪與地面接觸弧長(zhǎng)，cm

鎮(zhèn)壓輪接地壓強(qiáng)為ρ，則

(23)

為了保證鎮(zhèn)壓裝置工作性能穩(wěn)定性和彈簧的壽命，選擇帶圓鉤螺旋拉伸彈簧：中徑為29 mm，圈數(shù)為14，直徑為6 mm，切變模量為79 000 N/mm2。根據(jù)文獻(xiàn)[20]確定其剛度k=37.5 N/mm。

通過(guò)上述公式可以求出，試驗(yàn)中采用變形量Δl分別為10、20、30 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的接地壓強(qiáng)均在30～50 kPa，滿(mǎn)足東北地區(qū)土壤條件及其春季風(fēng)大等環(huán)境下東北地區(qū)大豆和玉米的接地壓強(qiáng)要求。

3 試驗(yàn)

為檢驗(yàn)仿形鎮(zhèn)壓裝置相比于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置的仿形作業(yè)性能，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)大豆試驗(yàn)田進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。為檢驗(yàn)鎮(zhèn)壓裝置的作業(yè)性能，在丘陵地形的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)田進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)。

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)條件

2016年5月18—19日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)大豆試驗(yàn)田進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)田長(zhǎng)×寬為21 m×5 m，耕作方式為壟作，前茬作物為大豆，土壤為典型東北黑壤土，0～10 cm土壤容重為1.15 g/cm3，平均含水率為13.4%；10～20 cm土壤容重1.21 g/cm3，平均含水率為16.8%。

試驗(yàn)設(shè)備：約翰迪爾484型拖拉機(jī)，2BM-2型播種機(jī)，SC-900型土壤緊實(shí)度儀，環(huán)刀組件(容積100 cm3)，JD1000-2型電子天平，干燥箱等。

3.1.2 試驗(yàn)方法

采用文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前先用鏵式犁進(jìn)行起壟，然后人工修壟，控制壟臺(tái)有一定傾斜角(8°)。在作業(yè)前進(jìn)方向上，隨機(jī)選取樣點(diǎn)，測(cè)試取樣點(diǎn)的土壤堅(jiān)實(shí)度。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置的土壤堅(jiān)實(shí)度差值為11.2～15.2 kPa，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置的土壤堅(jiān)實(shí)度差值為31.6～39.8 kPa。該結(jié)果與文獻(xiàn)[13]的類(lèi)似，表明試驗(yàn)結(jié)果的正確性。從試驗(yàn)結(jié)果中看出在壟臺(tái)表面有一定傾角的條件下，雙向仿形彈性鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能明顯好于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置，驗(yàn)證雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置仿形作業(yè)性能，同時(shí)也驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。該試驗(yàn)結(jié)果為下一步性能試驗(yàn)提供了保證。

表1 取樣點(diǎn)土壤堅(jiān)實(shí)度差值測(cè)量結(jié)果

3.2 性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證丘陵地形下鎮(zhèn)壓輪與土壤相互作用模型的正確性，探究試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響規(guī)律，進(jìn)行性能試驗(yàn)。通過(guò)正交試驗(yàn)，得到雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置最優(yōu)組合，并得到各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

3.2.1 試驗(yàn)條件

2016年5月22日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備同對(duì)比試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field test

試驗(yàn)條件：耕作方式為平作，前茬作物為玉米，土壤為典型東北黑壤土，土壤平均含水率13.4%，土壤硬度886 kPa，試驗(yàn)田坡度在7°～12°之間。

3.2.2 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)

本研究選擇彈簧變形量(鎮(zhèn)壓強(qiáng)度)、鎮(zhèn)壓輪類(lèi)型和作業(yè)速度為試驗(yàn)因素。將牽引阻力(作業(yè)成本)和根冠比(作物生長(zhǎng)狀態(tài))作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。牽引阻力由測(cè)試系統(tǒng)直接讀取，根冠比計(jì)算公式為

(24)

式中m1——地下部干物質(zhì)量，gm2——地上部干物質(zhì)量，g

在玉米拔節(jié)期時(shí)，在每個(gè)標(biāo)記的小區(qū)中選取5株玉米苗，將其分成地上部和地下部2 部分，根用清水洗凈，分裝于牛皮紙袋，于105℃殺青0.5 h，并在65℃下干燥至質(zhì)量恒定，稱(chēng)其干物質(zhì)質(zhì)量。預(yù)試驗(yàn)和農(nóng)學(xué)相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[21]發(fā)現(xiàn)控制播種深度、種子類(lèi)型、土壤、光照條件等因素一致，與無(wú)鎮(zhèn)壓相比，鎮(zhèn)壓能使作物根冠比增加11%左右，同時(shí)鎮(zhèn)壓程度顯著影響作物根冠比。

3.2.3 試驗(yàn)方案

每個(gè)因素各取3個(gè)水平，選用L9(34)正交表來(lái)安排試驗(yàn)，如表2所示。每次試驗(yàn)工作距離為5 m，平均株距20 cm，播種深度為5 cm，玉米(吉單618)，光照充足。每次試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行標(biāo)記，方便后期對(duì)玉米樣的采集。因素編碼為A、B、C。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示。

由表3可知各因素對(duì)牽引阻力和根冠比的影響情況。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得到影響牽引阻力的主次順序?yàn)锽、A、C，各因素的最優(yōu)水平分別為A3、B1、C2，則最優(yōu)組合為B1A3C2。同理，影響根冠比因素的主次順序?yàn)锳、B、C，各因素的最優(yōu)水平分別為A2、B2、C1，則最優(yōu)組合為A2B2C1。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

通過(guò)方差分析，對(duì)各因素影響牽引阻力和根冠比進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 牽引阻力方差分析

注：*** 代表極為顯著，** 代表顯著，*代表比較顯著，下同。

由表4、5可知，鎮(zhèn)壓輪類(lèi)型對(duì)牽引阻力和根冠比影響均顯著；鎮(zhèn)壓強(qiáng)度(彈簧變形量)對(duì)牽引阻力影響極為顯著，而對(duì)根冠比影響比較顯著；前進(jìn)速度對(duì)牽引阻力影響比較顯著，而對(duì)根冠比影響不顯著，這與極差分析的主次因素結(jié)論一致。因此，對(duì)于牽引阻力和根冠比而言，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度的選擇至關(guān)重要。

3.2.5 最優(yōu)組合確定及驗(yàn)證

根據(jù)鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能要求，各試驗(yàn)指標(biāo)分析所得優(yōu)水平組合各不相同，為了達(dá)到兼顧平衡各項(xiàng)指標(biāo)的目的，采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析，以選出令各項(xiàng)指標(biāo)都盡可能最優(yōu)的組合[22]?？紤]到3個(gè)因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度，以100分作為總“權(quán)”，牽引阻力與根冠比各為50分，試驗(yàn)的綜合加權(quán)結(jié)果如表6所示。

表5 根冠比方差分析

表6 綜合加權(quán)結(jié)果

通過(guò)表6分析得出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(牽引阻力、根冠比)影響的最優(yōu)組合，各因素大小排列順序?yàn)锳、B、C，各因素最佳水平組合為A2B2C1，即橡膠鎮(zhèn)壓輪、彈簧變形量20 mm，作業(yè)速度為1 m/s。采用最優(yōu)組合，在預(yù)留的試驗(yàn)田進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：牽引阻力為22.3 N，根冠比為0.271，另外驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)雙向仿形及具有調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓強(qiáng)度功能的鎮(zhèn)壓裝置，并對(duì)裝置關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)建立鎮(zhèn)壓輪與土壤相互作用模型。

(2)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，確定雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置仿形性能，結(jié)果表明鎮(zhèn)壓均勻性好，滿(mǎn)足大豆種植農(nóng)藝要求。

(3)采用L9(34)正交表進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過(guò)極差分析、方差分析和綜合加權(quán)法得到影響鎮(zhèn)壓裝置性能因素的主次順序：鎮(zhèn)壓輪類(lèi)型、彈簧變形量(鎮(zhèn)壓強(qiáng)度)、作業(yè)速度；最優(yōu)組合：橡膠鎮(zhèn)壓輪、彈簧變形量20 mm，作業(yè)速度為1 m/s，此時(shí)牽引阻力為22.3 N，根冠比為0.271。

1 趙佳樂(lè). 留茬行間交替耕作模式配套播種機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2015. ZHAO Jiale. Research of key technology of no-tillage seeder for stubble retain with alternating tillage[D]. Changchun: Jilin University, 2015．(in Chinese)

2 朱惠斌,李洪文,何進(jìn),等.稻茬地雙軸驅(qū)動(dòng)防堵式小麥免耕播種機(jī)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(6):39-44. http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130608&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.06.008. ZHU Huibin, LI Hongwen, HE Jin, et al. No-till wheat seeder with two-axel drive anti-blocking in rice stubble field[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(6):39-44.(in Chinese)

3 楊自棟, 劉寧寧, 耿端陽(yáng), 等. 2BYM-12型折疊式動(dòng)力防堵免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(增刊1): 46-50. http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2013s109&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.009. YANG Zidong, LIU Ningning, GENG Duanyang, et al.Design and experiment on type 2BYM-12 folding and dynamic anti-blocking no-till planter[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(Supp.1):46-50. (in Chinese)

4 賈洪雷,姜鑫銘,郭明卓,等.2BH-3型玉米行間播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(3):83-89. http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150312&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.012. JIA Honglei, JIANG Xinming, GUO Mingzhuo, et al. Design and experiment of type 2BH-3 inter-row seeder[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3):83-89.(in Chinese)

5 郭慧. 行間耕播機(jī)彈性鎮(zhèn)壓裝置研究與試驗(yàn)[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2014. GUO Hui. Research and experiment of elastic press device for inter-row till-planter[D]. Changchun: Jilin University，2014．(in Chinese)

6 賈銘鈺. 免耕播種機(jī)鎮(zhèn)壓裝置的試驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué), 2000. JIA Mingyu．Study on press-device of no-tillage seeder and CAD[D]. Beijing: China Agricultural University，2000． (in Chinese)

7 林偉. 基于精密播種技術(shù)的可變力鎮(zhèn)壓器應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013. LIN Wei. Variable force precision seeding technology based on the packer application research[D]. Changchun: Jilin Agricultural University，2013．(in Chinese)

8 劉慶福, 欒光輝. 壟上鎮(zhèn)壓式玉米精密播種機(jī)保墑抗旱播種試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007, 38(4): 197-198.

9 佟金, 張清珠, 常原, 等. 仿生鎮(zhèn)壓輥減粘降阻的有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(7): 84-92. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140714&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.07.014. TONG Jin, ZHANG Qingzhu, CHANG Yuan, et al.Finite element analysis and experiment verification of bionic press roller in reducing adhesion and resistance[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(7): 84-92. (in Chinese)

10 賈洪雷, 王文君, 莊健, 等. 仿形彈性鎮(zhèn)壓輥減粘防滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(6): 20-27. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150604&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.004. JIA Honglei,WANG Wenjun, ZHUANG Jian, et al. Design and experiment on reducing soil adhesion and anti-slip structure of profiling elastic press roller[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(6):20-27. (in Chinese)

11 賈洪雷,郭慧,郭明卓,等.行間耕播機(jī)彈性可覆土鎮(zhèn)壓輪性能有限元仿真分析及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(21)：9-16. JIA Honglei, GUO Hui, GUO Mingzhuo, et al. Finite element analysis of performance on elastic press wheel of row sowing plow machine for covering with soil and its experiment[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(21): 9-16. (in Chinese)

12 王景立. 精密播種機(jī)覆土與鎮(zhèn)壓過(guò)程對(duì)種子觸土后位置控制的研究[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2012. WANG Jingli. The research of position control after seed contacting soil in the process of soil covering and rolling with precision seeder[D]. Changchun: Jilin University，2012．(in Chinese)

13 賈洪雷, 王文君, 莊健, 等. 仿形彈性鎮(zhèn)壓輥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(6): 28-34. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150605&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.005. JIA Honglei,WANG Wenjun, ZHUANG Jian, et al. Design and experiment of profiling elastic press roller[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6):28-34.(in Chinese)

14 劉大為, 謝方平, 李旭, 等. 小型果園升降作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(3): 113-121. LIU Dawei, XIE Fangping, LI Xu, et al. Design and experiment of small lifting platform in orchard [J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(3): 113-121. (in Chinese)

15 宋江, 邱勝藍(lán), 王新忠. 4B-1200 型平貝母藥材收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(8): 34-41. SONG Jiang, QIU Shenglan, WANG Xinzhong. Design and test on 4B-1200 type bulbus fritillariae ussuriensis medicinal material harvester[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(8): 34-41.(in Chinese)

16 鄔備, 王德成, 王光輝, 等. 小型自走式割草機(jī)仿形裝置仿真分析與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(7):123-129. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150719&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.019. WU Bei,WANG Decheng,WANG Guanghui, et al. Simulation analysis and experiment of profiling device of small self-propelled mower[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(7):123-129.(in Chinese)

17 呂金慶, 田忠恩, 吳金娥, 等. 4U1Z 型振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(12): 39-47. Lü Jinqing, TIAN Zhongen, WU Jin’e, et al. Design and experiment on 4U1Z vibrating potato digger[J].Transactions of the CSAE, 2015, 31(12): 39-47. (in Chinese)

18 孫偉, 吳建民, 黃曉鵬, 等. 2BFM-5 型山地免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(11): 26-31. SUN Wei,WU Jianmin, HUANG Xiaopeng, et al. Design and field experiments of 2BFM-5 hilly no-tillage seeder[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(11): 26-31. (in Chinese)

19 李建橋, 黃晗, 王穎, 等. 松軟地面機(jī)器系統(tǒng)研究進(jìn)展[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(5): 306-320. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150544&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.05.044. LI Jianqiao, HUANG Han, WANG Ying, et al. Development on research of soft-terrain machine systems[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(5):306-320. (in Chinese)

20 王文斌, 林忠欽. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

21 于希臣，孫占祥，鄭家明，等.不同鎮(zhèn)壓方式對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J].雜糧作物,2002,22(5):271-273. YU Xichen, SUN Zhanxiang, ZHENG Jiaming, et al. Effects of different methods of compaction on corn’s growth and production[J]. Rain Fed Crops, 2002, 22(5): 271-273. (in Chinese)

22 高連興, 回子健, 董華山, 等. 三滾式小區(qū)育種花生脫殼機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(7):159-165. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160722&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.022. GAO Lianxing, HUI Zijian, DONG Huashan, et al. Design and experiment of peanut sheller with three drums for plot breeding[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(7):159-165. (in Chinese)

Design and Experiment of Bidirectional Profiling Press Device for Hilly Area

ZHAO Shuhong LIU Hongjun TAN Hewen YANG Yueqian ZHANG Xianmin

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

According to the deficiencies in uneven soil compaction and insufficient intensity in hilly region，the bidirectional profiling and strength adjustable press device was designed based on the hilly agricultural mechanical characteristics, which mainly consisted of profiling adjusting mechanism，strength adjusting mechanism and press wheel. The interaction model of soil and press wheel was established. Force analysis of press wheel was carried out to determine working process of press wheel. Force analysis of press device was carried out to determine the reasonable range of spring deformation (suppression of strength). The contrast test was done to verify the device performance of profiling, and the orthogonal tests were done to verify the hilly terrain repression wheel, soil interaction models along the correctness of draft force (activity-based costing) and ratio of root to shoot (crop growth state), and the factors affecting the changing rule of performance test. The effects of device under type of press wheel， intensity of the suppression and forward velocity were studied. In order to achieve the purpose of balancing the various indicators, the best combination was determined by using comprehensive weighted scoring method. The results of orthogonal tests of L9(34) showed that the primary sequence of factors was as following: press wheel, suppress strength and forward velocity, and the optimal combination was: rubber press wheel, spring deformation amount of 20 mm and forward velocity of 1 m/s. Under the conditions, the rate of draft force was 22.3 N, and the ratio of root to cap was 0.271. The result of contrast test showed that profiling press device was good in ensuring the uniformity of soil compaction. The result provided valuable information for the design of press wheel of planter.

hilly area; press device; profiling; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.010

2016-08-11

2016-08-31

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD11B01)和黑龍江省重大科技招標(biāo)項(xiàng)目(GA14B101-01)

趙淑紅(1969—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間農(nóng)業(yè)機(jī)械及力學(xué)特性研究，E-mail： shhzh091@sina.com

楊?lèi)偳?1967—)，男，研究員，主要從事保護(hù)性農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail： yangyueqian@126.com

S222.23

A

1000-1298(2017)04-0082-08