茶田翻耕機(jī)耕作部件運(yùn)動(dòng)分析

代紅朝+肖宏儒+梅松+宋志禹+韓余

摘要：為了探索茶田翻耕機(jī)耕作部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定最佳作業(yè)參數(shù)，通過(guò)對(duì)茶田翻耕機(jī)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)力學(xué)特性、重耕漏耕以及切土功耗進(jìn)行理論分析，構(gòu)建了耕作刀具在土壤下的運(yùn)動(dòng)模型，并通過(guò)室內(nèi)土槽試驗(yàn)得出該機(jī)具重耕量較小，耕深穩(wěn)定系數(shù)達(dá)91.54%，翻土功率0.155 kW，驗(yàn)證了理論分析和模型的可靠性，正交試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為105 r/min、行走速度為0.30 m/s、曲柄軸與連桿軸所在直線傾角為45°時(shí)，重耕漏耕量為6.39 cm、碎土率為68.3%、切土功耗為0.114 9 kW、耕深穩(wěn)定系數(shù)為92.08%，此時(shí)作業(yè)性能最佳，符合茶園農(nóng)藝要求，可依此設(shè)計(jì)變速齒輪參數(shù)，為進(jìn)一步尋求省力、低功耗的刀片參數(shù)來(lái)減小耕作阻力、提高耕作效率的研究與設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：茶田翻耕機(jī)；動(dòng)力學(xué)分析；重耕漏耕；功耗；虛擬分析

中圖分類號(hào)： S222文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0174-06

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)茶葉的需求越來(lái)越大。根據(jù)中國(guó)茶葉流通協(xié)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2014年，中國(guó)茶葉產(chǎn)量209.2萬(wàn)t，比2013年增長(zhǎng)10.33%，占全球茶葉總產(chǎn)量的 41.6%[1]。然而茶園管理過(guò)程中長(zhǎng)期缺乏合理有效的耕作而造成茶園普遍土壤板結(jié)、硬化等，導(dǎo)致土壤肥力下降[2-4]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的提出，茶園機(jī)械化也逐步提上日程，政府逐年增加對(duì)茶葉機(jī)械的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，隨之而來(lái)的是茶園機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前茶果園等行間間隙有限，常規(guī)田間耕作機(jī)械難以進(jìn)入，而人工翻土作業(yè)存在人力資源緊張、體力消耗大、效率低等問(wèn)題，茶田的機(jī)械化翻耕一直是茶農(nóng)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化急需實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

本研究對(duì)茶田翻耕機(jī)耕作部件的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，并利用實(shí)體建模和虛擬仿真技術(shù)對(duì)耕作部件進(jìn)行模擬仿真，目的是通過(guò)虛擬分析得出耕作部件運(yùn)動(dòng)特性，以求控制其耕作過(guò)程，調(diào)整耕作機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而改進(jìn)樣機(jī)，并通過(guò)室內(nèi)土槽試驗(yàn)得出該機(jī)具有良好的作業(yè)性能。整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧而緊湊，特別適用于空間狹小的作業(yè)場(chǎng)所，為茶園耕作作業(yè)機(jī)械化提供了理想裝備，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)研究存在的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題，為茶果園耕作機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和可行方法。

1耕作部件結(jié)構(gòu)及工作原理

目前，耕作機(jī)械有多種分類，按耕作方式可分為犁式作業(yè)、臥式旋耕、立式旋耕、刨耕、撬翻，后2種多用于茶果園等經(jīng)濟(jì)作物壟間整地作業(yè)過(guò)程中。本研究所述茶田翻耕機(jī)是由無(wú)錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所等聯(lián)合研制而成，整機(jī)包括機(jī)架、前支架、深度調(diào)節(jié)器、驅(qū)動(dòng)皮帶盤、從動(dòng)皮帶盤、傳動(dòng)皮帶、扶手架、離合手把組件、深度調(diào)節(jié)手把、發(fā)動(dòng)機(jī)總成、變速箱總成、耕作機(jī)構(gòu)（曲柄、搖桿、連桿、翻耕刀）、行走輪，其中翻耕刀與連桿一端以螺栓固定連接，從而以這種新型的應(yīng)用于小型耕作機(jī)械的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制翻耕刀翻土作業(yè)，翻耕刀以模仿人工翻土的方式進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)[5]，屬于刨耕方式。茶葉翻耕機(jī)樣機(jī)見圖1。

發(fā)動(dòng)機(jī)總成輸出的動(dòng)力通過(guò)皮帶傳動(dòng)到變速箱總成，其中，變速箱總成上有3根輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸，1根驅(qū)動(dòng)1對(duì)行走輪，使翻耕機(jī)向前行走；1根與1對(duì)搖桿分別以軸承相連，支撐耕作部件運(yùn)動(dòng)；1根驅(qū)動(dòng)1對(duì)共線反向的曲柄，曲柄又帶動(dòng)搖桿、連桿運(yùn)動(dòng)，翻耕刀亦跟隨連桿以模仿人工鋤地的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)翻耕土地的機(jī)械作業(yè)，且作業(yè)時(shí)可利用土壤作用于刀具水平方向的反作用力克服一部分整機(jī)前進(jìn)作業(yè)時(shí)受到的地表阻力，從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，節(jié)省能耗。耕作部件結(jié)構(gòu)見圖2。

2耕作部件各主要參數(shù)數(shù)學(xué)模型

2.1運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型

茶田翻耕機(jī)翻耕刀在耕作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡是設(shè)計(jì)耕作部件結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，對(duì)茶田翻耕機(jī)作業(yè)性能的影響至關(guān)重要[CM（25]。運(yùn)動(dòng)軌跡分為靜軌跡和動(dòng)軌跡，而動(dòng)軌跡特性反映耕作

[TPDHC2.tif]

部件作業(yè)參數(shù)理論設(shè)計(jì)是否滿足茶園土壤翻耕農(nóng)藝要求，是評(píng)價(jià)茶田翻耕機(jī)等耕整地機(jī)械耕深、重耕漏耕等的理論基礎(chǔ)。為此，建立耕作部件曲柄搖桿結(jié)構(gòu)封閉矢量位置方程式：

[JZ（]l[DD（-*2][HT6]→[DD）]1+l[DD（-*2][HT6]→[DD）]2+l[DD（-*2][HT6]→[DD）]3=l[DD（-*2][HT6]→[DD）]4。[JZ）][JY]（1）

其復(fù)數(shù)形式為：

[JZ]l1eiφ1+l2eiφ2+l3eiφ3=l4eiφ4。

式中：曲柄OA、連桿AB、搖桿BC、變速箱總成上曲柄驅(qū)動(dòng)軸與搖桿支撐軸間連線OC分別用矢量l[DD（-*2][HT6]→[DD）]1、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]2、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]3、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]4表示，方向如圖3坐標(biāo)系xOy中箭頭所示，且與坐標(biāo)軸x軸正向的夾角分別為φ1、φ2、φ3、φ4（φ4=0），長(zhǎng)度分別為l1、l2、l3、l4。

由于曲柄初始相位角、各桿件長(zhǎng)度已知，運(yùn)用歐拉公式對(duì)公式（1）進(jìn)行數(shù)學(xué)求解得：

[JZ（]φ3=2arctan[SX（]A+[KF（]A2+B2-C2[KF）]B-C[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：A=2l1l3sinφ1、B=2l3（l1cosφ1-l4）、C=l22-l21-l23-l24+2l1l4cosφ1。

將公式（2）帶入關(guān)系式l1sinφ1+l2sinφ2=l3sinφ3可求得：

[JZ（]φ2=arcsin（l3sinφ3-l1sinφ1）/l2。[JZ）][JY]（3）

設(shè)圖3中翻耕刀簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)BD、DE的長(zhǎng)度分別為l5、l6，其夾角為φ5，OC與水平方向所夾銳角為φ6=45°，翻耕刀刃部靜態(tài)軌跡的運(yùn)動(dòng)方程為：

[JZ（][JB（{]xE=（l2+l5）cosφ2-l6cos（φ5-φ2）+l1cosφ1yE=（l2+l5）sinφ2+l1sinφ1+l6sin（φ5-φ2）[JB）]。[JZ）][JY]（4）

耕作部件作業(yè)時(shí)行走速度為v，時(shí)間為t，翻耕刀刃部動(dòng)態(tài)軌跡的運(yùn)動(dòng)方程為[6-7]：

[JZ（][JB（{]xE=（l2+l5）cosφ2-l6cos（φ5-φ2）+l1cosφ1-vtcosφ6yE=（l2+l5）sinφ2+l1sinφ1+l6sin（φ5-φ2）-vtsinφ6[JB）]。[JZ）][JY]（5）

[TPDHC3.tif]

2.2翻耕刀刀尖速度分析

取曲柄與變速箱總成的鉸接點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平線為x軸，建立如圖2所示的直角坐標(biāo)系xOy。由于耕作部件在圖示相位角處，當(dāng)曲柄軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)用三心定理可分別確定：曲柄、搖桿的相對(duì)瞬心位于連桿與OC的交點(diǎn)處M，變速箱總成（即機(jī)架）、連桿（可與翻耕刀視為同一構(gòu)件）的相對(duì)瞬心（此時(shí)由于機(jī)架沒(méi)有行走速度而又被稱為絕對(duì)瞬心，即此時(shí)N點(diǎn)處絕對(duì)速度為0）位于搖桿與OA延長(zhǎng)線的交點(diǎn)處N，設(shè)主動(dòng)曲柄、連桿、搖桿的角速度分別為ω1、ω2、ω3，B、E、M 3點(diǎn)處速度大小分別為vB、vE、vM，則可得出如下3個(gè)式子[8]：

[JZ（]vM=|OM|·ω1=|CM|·ω3。[JZ）][JY]（6）

[JZ（]vB=|BN|·ω2=|BC|·ω3。[JZ）][JY]（7）

[JZ（]vE=|NE|·ω2。[JZ）][JY]（8）

有公式（6）、（7）可求出ω3并帶入公式（8）求得翻耕刀刀尖E點(diǎn)處速度（方向垂直于NE向下）：

[JZ（]vE=[SX（]|NE|·|BC|·|OM||BN|·|CM|[SX）]·ω1。[JZ）][JY]（9）

2.3急回運(yùn)動(dòng)特性分析

耕作部件中主要由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制翻耕刀的運(yùn)動(dòng)行程，從圖4可以看出，曲柄分別處于OA1、OA2時(shí)是2個(gè)極位，通過(guò)各桿件初始參數(shù)（OA=66.5 mm，AB=147 mm，BC=250 mm，OC=193.6 mm）及三角函數(shù)公式計(jì)算可得極位夾角，通過(guò)作圖法得出極位夾角B1OA2（a）為50.9°，擺角B1CB2（b）為40.94°。當(dāng)耕作部件作業(yè)時(shí)曲柄以恒定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（方向如圖4所示），搖桿在2個(gè)極位之間來(lái)回往復(fù)擺動(dòng)，且曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)1周時(shí)搖桿做1次完整的往復(fù)擺動(dòng)并回至初始位置。當(dāng)曲柄從OA1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)至OA2時(shí)（即前段行程），搖桿從CB1擺動(dòng)至CB2，當(dāng)曲柄從OA2勻速轉(zhuǎn)動(dòng)至OA1時(shí)（即后段行程），搖桿從CB2擺動(dòng)至CB1，由此可見，前段行程曲柄轉(zhuǎn)過(guò)角度明顯小于后段行程，即前段行程時(shí)間小于后段行程時(shí)間，由于搖桿往復(fù)擺動(dòng)的行程相同可知搖桿在前段行程中平均速度大于后段行程，此即急回運(yùn)動(dòng)特性[8-9]，而翻耕刀在前段行程中是主要作業(yè)過(guò)程，因此，該耕作部件結(jié)構(gòu)正好利用此特性利于刀具切入土壤，并在一定程度上減小了動(dòng)力的輸入，即降低了功耗。

2.4傳力性能分析

在耕作部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，如果忽略摩擦力、重力、慣性力等的影響，評(píng)價(jià)其傳力性能的指標(biāo)主要是壓力角和傳動(dòng)角，當(dāng)主動(dòng)曲柄經(jīng)連桿驅(qū)動(dòng)搖桿端點(diǎn)B的力將沿AB方向，與該點(diǎn)處速度方向之間的夾角即為壓力角，圖5中角α所示，而連桿與搖桿之間所夾銳角即連桿機(jī)構(gòu)所在位置的傳動(dòng)角，傳動(dòng)角越大對(duì)此耕作結(jié)構(gòu)傳力愈有利，即傳力性能越好。曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)至與變速箱總成（機(jī)架）上OC連線共線時(shí)傳動(dòng)角達(dá)到最值（改變各桿件長(zhǎng)度參數(shù)可改變傳動(dòng)角的最值），作圖法測(cè)量得最小傳動(dòng)角為22.4°（圖5）。

3耕作部件作業(yè)過(guò)程仿真分析

為了模擬茶田翻耕機(jī)耕作部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和作業(yè)特性，運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件Solidworks對(duì)耕作機(jī)構(gòu)各桿件建立模型，并通過(guò)虛擬裝配可以觀察各機(jī)構(gòu)桿件間的運(yùn)動(dòng)情況。為了更加直觀地分析和觀察耕作部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將所建三維實(shí)體模型通過(guò)轉(zhuǎn)換格式并以部件的形式導(dǎo)入機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS，進(jìn)行更加直觀、形象、精確的模擬其耕作運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而驗(yàn)證上述理論模型分析[10-13]。

運(yùn)行ADAMS/View并對(duì)耕作部件賦予運(yùn)動(dòng)屬性，建立約束、驅(qū)動(dòng)條件（模型中，0.3 m/s、125 r/min，方向?yàn)閳D9中順時(shí)針?lè)较颍┖筮M(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真分析，其虛擬樣機(jī)模型見圖6，設(shè)置仿真參數(shù)：end time：3，step size：0.01，選取運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真類型。

選取耕作部件中搖桿所在擺動(dòng)中心軸處的轉(zhuǎn)動(dòng)幅為測(cè)量對(duì)象[14]，測(cè)得搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度（°）隨時(shí)間（s）變化的曲線見圖7，從圖7可以看出，搖桿的擺動(dòng)角度隨著翻耕機(jī)作業(yè)呈現(xiàn)正弦或余弦規(guī)律變化，且最大擺角為曲線上下幅值之差，為4075°，與上面的理論計(jì)算結(jié)果40.94°相近。

選取翻耕刀刀尖頂點(diǎn)為研究目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，可繪制出樣機(jī)模型虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡，從圖8可以看出，軌跡顯示此時(shí)樣機(jī)

虛擬作業(yè)時(shí)基本無(wú)重耕漏耕現(xiàn)象發(fā)生，滿足茶園耕作農(nóng)藝要求。通過(guò)改變仿真作業(yè)行走速度為0可繪制其靜態(tài)軌跡見圖9，此連桿曲線（即靜態(tài)軌跡）無(wú)尖端等不利于耕作部件高效作業(yè)的現(xiàn)象發(fā)生，觀察耕作部件虛擬仿真靜態(tài)作業(yè)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其從圖9-b所示狀態(tài)作業(yè)至圖9-c所示狀態(tài)時(shí)（前段行程），翻耕刀（此時(shí)主要處于即將入土和剛?cè)胪恋臓顟B(tài)）作業(yè)速度明顯提高，而在從圖9-c所示狀態(tài)至圖9-b所示狀態(tài)作業(yè)時(shí)（后段行程），翻耕刀（此時(shí)主要處于即將出土和出土后階段）作業(yè)速度明顯減小，這正是巧妙合理的利用了耕作機(jī)構(gòu)具有的急回特性，同時(shí)翻耕刀入土后會(huì)受到土體對(duì)其反向（翻耕機(jī)前進(jìn)方向）的阻力，從另一方面講這正好為翻耕機(jī)提供了部分行走動(dòng)力，減小了整機(jī)能耗。

選取翻耕刀刀尖頂點(diǎn)為研究目標(biāo)，同樣可繪制出翻耕刀在水平、垂直方向上的速度（mm/s）隨時(shí)間（s）變化曲線，從圖10可以看出，當(dāng)所選翻耕刀刀尖頂點(diǎn)處于初始相位角狀態(tài)即圖9-a時(shí)，具有較大的向下的垂直速度和較大的向后的水平速度，且此種狀態(tài)持續(xù)于翻耕刀從圖9-b所示狀態(tài)作業(yè)至圖9-c所示狀態(tài)時(shí)（前段行程），而翻耕刀從圖9-c所示狀態(tài)至圖9-b所示狀態(tài)作業(yè)時(shí)（后段行程），具有較小的向上的垂直速度和較小的向前的水平速度。運(yùn)動(dòng)合成后的狀況就是翻耕刀在前段行程中作業(yè)速度明顯較高，而在后段行程中作業(yè)速度明顯較小，因此，與理論分析一致。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析與虛擬仿真的可行性，獲得KM3CG-50[CM（24*2]型茶田翻耕機(jī)耕作部件最佳作業(yè)性能參數(shù)，于2016年4

月在江蘇大學(xué)利用農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院室內(nèi)直立式土壤高速切削試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)耕作部件進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1試驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示，主要由土槽、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、耕作機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、上位機(jī)等組成。其中耕作機(jī)構(gòu)由無(wú)錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司制造，懸掛機(jī)構(gòu)由江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒環(huán)球機(jī)電配件廠負(fù)責(zé)制造，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有北京龍鼎金陸測(cè)控技術(shù)有限公司LDN-08D型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、F/V轉(zhuǎn)換模塊、NI USB-6008采集卡、SONCLE SRS-05VDC-SL繼電器等組成，上位機(jī)通過(guò)LabVIEW程序控制并以Excel表格形式輸出采集參數(shù)。試驗(yàn)性能指標(biāo)的測(cè)定方法、采樣數(shù)等參考標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5668—2008旋耕機(jī)》《JB/T 9803.2—2013耕整機(jī)》《GB/T 5262—2008農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》等[15-16]實(shí)施。

4.2仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)調(diào)整行走電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的頻率使耕作部件作業(yè)行走速度為0.3 m/s（24 Hz）、曲柄轉(zhuǎn)速為125 r/min（12.5 Hz）、耕深為10 cm。試驗(yàn)前用5點(diǎn)法測(cè)得所選土壤各點(diǎn)處堅(jiān)實(shí)度（HJD-2型數(shù)字式土壤緊實(shí)度儀）、含水率（TS-1型土壤水分速測(cè)儀），平均值分別為106.7、79.0、91.0、87.0、950 N和

4.2.1耕深穩(wěn)定性

依然用5點(diǎn)法選取各點(diǎn)并用耕深尺測(cè)定耕深，測(cè)量及計(jì)算方法參考標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，結(jié)果表明，耕深穩(wěn)定性系數(shù)高達(dá)91.54%，表明該機(jī)耕深穩(wěn)定，作業(yè)過(guò)程平穩(wěn)，且完全符合茶田翻耕對(duì)土壤的要求[17]。

測(cè)定翻耕后2翻耕刀翻土軌跡的最大橫向距離即為耕寬，并用卷尺測(cè)定5點(diǎn)取平均值為350 mm。以此作業(yè)參數(shù)可以計(jì)算此時(shí)的生產(chǎn)率為0.038 hm2/h，該機(jī)茶園間作業(yè)速度可達(dá)0.5m/s，生產(chǎn)率為0.063 hm2/h。

4.2.2重耕漏耕

當(dāng)茶田翻耕機(jī)翻土作業(yè)時(shí)，測(cè)量同一翻耕刀完成1次翻耕作業(yè)時(shí)的入土點(diǎn)與出土點(diǎn)之間的水平距離并

4.2.3碎土率

碎土率參考標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)見表3，此時(shí)碎土性能較好，符合茶園耕作土壤的農(nóng)藝要求。

4.2.4切土功耗

有傳感器測(cè)得電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后輸出轉(zhuǎn)速、扭矩?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)程序內(nèi)部計(jì)算同時(shí)輸出功率，經(jīng)上位機(jī)輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維推積折線見圖12，取中間穩(wěn)定作業(yè)時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理后求得平均值見表4。分析可知，此時(shí)茶田翻耕機(jī)作業(yè)時(shí)翻耕刀切土功耗較小，而耕深穩(wěn)定、碎土率高，作業(yè)性能良好，作業(yè)效率較高。

4.3正交試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)較多，但是目前已研究且有實(shí)際意義的相對(duì)有限，以重耕漏耕、碎土率、耕深穩(wěn)定性、切土功耗作為試驗(yàn)指標(biāo)，以行走速度（v）、曲柄轉(zhuǎn)速（n）、入土角（α）作為試驗(yàn)因素，進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn)（表5）。[CM（23*2/3]根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)頻率的調(diào)節(jié)范圍和仿真試驗(yàn)的工作參

數(shù)，選用正交表L9（34）進(jìn)行設(shè)計(jì)（表6）。

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

5點(diǎn)法測(cè)得土壤各點(diǎn)處堅(jiān)實(shí)度、含水率平均值分別為86.0、82.5、153.4、134.4、128.3 N和8.3%、10.2%、7.6%、10.1%、8.2%。測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果見表7。

中可以看出[18-19]，試驗(yàn)3、試驗(yàn)6存在一定的重耕現(xiàn)象， 但是茶田間隙較小，且地形多崎嶇不平，不利于保持水土流失，不利于節(jié)能等，而茶園農(nóng)藝又允許存在一定的漏耕現(xiàn)象，故而不是最佳作業(yè)參數(shù)；試驗(yàn)2存在微量的漏耕；試驗(yàn)4、試驗(yàn)7、試驗(yàn)8存在較大程度的漏耕現(xiàn)象；試驗(yàn)1、試驗(yàn)5、試驗(yàn)9存在較適量漏耕，碎土率分別為66.23%、68.30%、6910%，耕深穩(wěn)定性系數(shù)分別為92.13%、92.08%、9145%，作業(yè)結(jié)果均符合茶園農(nóng)藝要求，作業(yè)速度分別為0.25、0.30、0.35 m/s，由于消耗功率0.263 0 kW>0.129 9 kW>0.114 9 kW，故試驗(yàn)1可作為低速作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)，由于試驗(yàn)9的功率是試驗(yàn)5的2倍，而速度基本相當(dāng)，從節(jié)能角度考慮，試驗(yàn)5的設(shè)計(jì)參數(shù)最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，最合理的設(shè)計(jì)參數(shù)為試驗(yàn)5，即曲柄轉(zhuǎn)速為105 r/min，作業(yè)速度0.30 m/s，曲柄軸與連桿軸所在直線傾角為45°，為設(shè)計(jì)變速箱的傳動(dòng)比提供了依據(jù)。

5結(jié)論

對(duì)茶田翻耕機(jī)耕作部件作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了翻耕刀刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度的數(shù)學(xué)模型，得出搖桿擺角為40.94°，且在前段行程中平均速度大于后段行程。

在ADAMS軟件中進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真，得出了翻耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡和速度曲線圖，分析結(jié)果表明，搖桿擺角為40.75°，翻耕刀在前段行程中作業(yè)速度明顯高于后段行程。室內(nèi)土槽試驗(yàn)表明，重耕量較小，考慮土壤黏性的影響，可認(rèn)為仿真軌跡可靠；耕深穩(wěn)定系數(shù)達(dá)91.54%，耕后碎土率為70.8%～72.5%，符合茶園農(nóng)藝要求，較好反映了對(duì)耕作部件的仿真結(jié)果，符合理論分析的結(jié)果。

正交試驗(yàn)結(jié)果表明，耕作部件最合理的作業(yè)參數(shù)為曲柄轉(zhuǎn)速105 r/min、作業(yè)速度0.30 m/s、曲柄軸與連桿軸所在直線傾角為45°，為設(shè)計(jì)變速箱齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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