旋耕刀三向工作阻力試驗及作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

熊平原，楊 洲，孫志全，朱卿創(chuàng)，朱正波，谷 峣

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旋耕刀三向工作阻力試驗及作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

熊平原1,2，楊 洲1※，孫志全1，朱卿創(chuàng)1，朱正波1，谷 峣1

（1. 華南農業(yè)大學工程學院，廣州 510642；2. 仲愷農業(yè)工程學院機電工程學院，廣州 510225）

以普通C型旋耕彎刀為研究對象，分析了影響刀具三向工作阻力的作業(yè)因素，確定了刀具彎折角、刀具幅寬、耕深、相位角、前進速度等主要試驗因素，以單位幅寬工作阻力為試驗指標。在試驗土槽模擬南方紅壤黏土環(huán)境，進行L18(37)正交試驗，對試驗結果進行極差分析、顯著性檢驗、值分析及線性回歸建模。結果表明試驗因素對單位幅寬前進阻力影響主次順序為、、、、，其中和影響等級相當，和影響等級相當，、影響具有顯著性（＜0.05）；對單位幅寬垂直阻力影響主次順序為、、、、，其中、、、影響等級相當，具有顯著性（＜0.05）；對單位幅寬側向阻力影響主次順序為、、、、，其中、、影響等級相當，但不具顯著性；綜合分析得最優(yōu)工作組合模型為彎折角120°，刀具幅寬80 mm，耕深80 mm，前進速度0.5 m/s。田間旋耕對比試驗表明：采用優(yōu)化組合模型時，手扶式旋耕機的刀軸轉矩、振幅分別降低了12%和21%，整刀磨損量增加，但單位幅寬磨損量卻降低了16%，碎土率和耕深穩(wěn)定系數(shù)均有所提高。該研究為降低旋耕機作業(yè)能耗、減少刀具磨損及提高機具穩(wěn)定性提供參考。

農業(yè)機械；優(yōu)化；設計；旋耕刀；三向阻力；室內土槽

0 引 言

旋耕機是一種由拖拉機動力驅動刀軸旋轉以實現(xiàn)土壤切碎的耕耘機械，能一次完成耕耙復合作業(yè)，具有碎土能力強，耕后地表平整，搶農時和節(jié)省勞力等優(yōu)點，被廣泛應用于稻田水耕、果園菜地等播前整地[1-4]。旋耕刀是旋耕機具的關鍵零部件，直接與地層接觸，工作時，刀片一方面繞刀軸旋轉，切拋土壤，另一方面隨拖拉機前行，連續(xù)進給[5]。刀片與土壤之間的相互作用情況影響著機具作業(yè)質量、功率消耗、系統(tǒng)平穩(wěn)性和刀具磨損等，研究旋耕刀具切土力學特性，是優(yōu)化刀片結構尺寸，降低作業(yè)能耗，減少刀具磨損的前期基礎[6-11]。

國內外學者對耕作部件力學特性進行了大量的理論分析和試驗研究。Onwualu等[12]提出犁耕水平阻力與前進速度的關系，依土壤狀態(tài)不同而呈線性、二階多項式、拋物線或指數(shù)特性，并修正已有工作阻力-速度函數(shù)關系，得到平均偏差為28%的預測模型。Jafar等[13]構建了旋耕消耗功率與刀片單位體積挖土表面和切削角的數(shù)學關系式，土槽試驗驗證偏差為-6%至3.1%之間。Rohit等[14]通過測量單盤刀，鏵犁、中耕刀、圓盤耙，以及組合模式（鏵犁后置圓盤耙、中耕后置圓盤耙）在特定工作參數(shù)和土壤環(huán)境下的牽引阻力，得到牽引阻力與土壤狀態(tài)、工作參數(shù)、刀具結構的回歸方程，對2類組合模式的預測誤差僅為18%和13.5%。汲文峰[15]從仿生學角度，對比了鼴鼠爪趾模型與試驗件的水平阻力，分析了旋耕-碎茬刀具結構參數(shù)與排列方式對水平阻力的影響情況。翟力欣等[16]開發(fā)出室內流變態(tài)土壤切削測試系統(tǒng)，在室內土槽中模擬水田土壤狀態(tài)，得到犁體在不同耕作速度下的耕作阻力曲線。盧彩云等[17]采用SPH算法對平面刀切土過程進行數(shù)值仿真，分析了不同方向等效應力變化規(guī)律和總功耗隨時間變化情況?，F(xiàn)有耕作部件力學分析對象以楔形平面犁為主，對旋耕彎型刀三維方向受力特性研究較少，僅有部分學者通過試驗研究了旋耕刀水平阻力與前進速度、耕深、刀片形狀等因素之間的關系，進而得到功耗回歸方程。

中國旋耕刀普遍采用C型彎刀，旋耕作業(yè)時，刀面受到、、共3個方向的工作阻力，方向受力即水平阻力是功率消耗的主要部分，但向和向受力也影響著刀具磨損情況和機具穩(wěn)定性。本文首先對影響旋耕刀三向工作阻力的可控因素進行分析，模擬南方弱酸性紅壤黏土環(huán)境，在自制室內土槽試驗平臺上進行單刀切土試驗，通過正交試驗得到、、三向工作阻力與各試驗因素之間的變化規(guī)律，且以單位工作幅寬阻力為評價指標，確定最優(yōu)水平組合，采用南方常見手扶式旋耕機與標準旋耕刀在通用工作參數(shù)下進行田間對比試驗，以期降低作業(yè)能耗、減少刀具磨損及提高機具穩(wěn)定性提供參考。

1 試驗指標及因素分析

刀具幅寬和工作阻力是評價旋耕作業(yè)性能的主要指標，一般同等作業(yè)情況下，刀具幅寬越大，其工作阻力也越大。為適應不同的耕作要求，旋耕刀的幅寬可在25～55 mm之間變化，在對比不同幅寬刀具工作阻力時，應選取單位幅寬工作阻力作為性能評價指標為宜。

1.1 刀具形狀

旋耕刀分左彎刀和右彎刀[24]，以右彎刀為研究對象，其結構簡圖及主要尺寸參數(shù)如圖1所示。其中，為刀輥回轉中心，為刀輥回轉半徑，為正切面彎折角，為正切刀面寬度，為刀具幅寬。在刀面彎折處，折線將切削刃口分為正切刃和側切刃，均為復雜空間曲線；將刀具前切土面和后背面分為正前面、側前面和正后面、側后面，它們是刀體上與土壤接觸的主要表面。刀具切土體積與刀具幅寬、正切面彎折角和正切刀面寬度有關，一般切土體積越大，刀具承受工作阻力也越大。由于刀輥回轉半徑和刀面寬度隨刀具的用途（旱田、水田、淺耕等）而定，對一般果園及種植農場所用旋耕刀，其回轉半徑和刀面寬度相對固定。因此，選取刀具幅寬和正切面彎折角作為刀具形狀參數(shù)中的可控試驗因素。

1.2 位置參數(shù)

旋耕刀具隨刀輥周期性回轉切土，切削刃按距離刀輥回轉中心由近及遠的順序依次入土，既先由側切刃逐步從縱向切開土壤，最后由正切刃從橫向切開土垡。在一個旋轉周期內，刀具處在土壤中的位置時刻改變，與土壤的接觸狀態(tài)亦不同，阻力值隨之變化。為便于分析，將切土過程分為6個部分，其工作狀態(tài)如圖2所示。創(chuàng)建工作狀態(tài)坐標系，以刀輥回轉中心為原點，沿機具前進方向反方向為軸正向，垂直于土面向上為軸正向，軸正向為由刀具前切土面指向后背面，為耕深。設初始狀態(tài)為回轉末端點位于正半軸，V為前進速度，為回轉半徑與軸正向夾角（刀具相位角），則初始相位角1=0°；刀具以角速度旋轉，當側切刃與土面剛好相切于點時，即為入土臨界狀態(tài)，相位角2；當折線與土面相交于點時，正切刃開始橫向切土，相位角3；當回轉端點運動至最低點時，為最大耕深處，4=90°；當折線與土面相交于點時，側切刃完全退出土面，相位角5；最后當回轉端點運動至土面點時，切土完成，相位角6?？芍?，相位角不同，刀具與土壤的接觸面積及接觸狀態(tài)亦不同，工作阻力隨之發(fā)生變化，是重要的位置參數(shù)，經測量其變化范圍為∈(25°，144°)。

注：O為刀輥回轉中心；R為刀輥回轉半徑，mm；B為正切刀面寬度，mm；L為刀具幅寬，mm；θ為正切面彎折角，(°)。

注：Vm為前進速度，m·s-1；ω為旋轉角速度，rad·s-1；H為最大耕深，mm；A、B、C、D、E、F分別代表特征位置點；φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6為不同位置的刀具相位角，(°)。

1.3 工作參數(shù)

旋耕刀深入土層內部，在牽引力驅動下向前移動，土塊對刀片產生反作用力，即工作阻力。耕深越深，刀具切土量增加，切土阻力相應增大；機具前進速度V越快，則單位時間內對刀片施加反作用力的土壤量越多，牽引阻力隨之變化。一般研究認為耕深越深，前進速度越快，機具功率消耗越大，但工作參數(shù)對刀片磨損和機具穩(wěn)定性綜合影響規(guī)律尚不明確。因此，耕深和前進速度可作為影響三向工作阻力的重要試驗因素。旋耕作業(yè)時，該工作參數(shù)值是可調節(jié)的，對于南方黏性土壤，耕深一般在80～140 mm之間，前進速度為0.27～1 m/s。

2 土槽試驗

2016年6月至7月，在華南農業(yè)大學工程訓練中心進行旋耕刀三向工作阻力測定試驗，采用自主研制的土槽試驗臺。試驗前標定傳感器，試驗臺車空運行20 min，土壤調濕、調平，各次試驗含水率和緊實度保持一致。

2.1 試驗裝置

土槽試驗臺主要由牽引裝置、試驗臺車、行走導軌、梯形土槽、變頻電機、傳動系統(tǒng)、三維力傳感器、扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單刀盤、旋轉刀盤等組成[25-30]，土槽總長8 000 mm，中寬650 mm，高600 mm，能分別開展單刀切土阻力測試和旋轉實時功耗分析研究，其結構簡圖如圖3所示。

1. 牽引裝置 2. 單刀盤 3. 三維力傳感器 4. 行走導軌 5. 主變頻電機 6. 傳動系統(tǒng) 7. 扭矩傳感器 8. 行走輪 9. 試驗臺車 10. 土槽 11. 旋轉刀盤 12. 計算機 13. 多通道數(shù)據(jù)采集儀 14. 電荷放大器 15. 變頻牽引電機

本試驗研究旋耕刀在不同因素水平條件下所受三向工作阻力變化規(guī)律，各試驗因素控制方式為：在華南農業(yè)大學機械工程中心使用沖壓機床彎折出所需刀具幅寬和彎折角的旋耕刀片，并進行適當?shù)臒崽幚恚煌ㄟ^改變牽引變頻電機頻率值，調節(jié)臺車前進速度；單刀盤上有弧形槽，旋耕刀片可繞單刀盤中心轉動，在弧形槽中通過緊固螺栓將刀片與單刀盤固定，調節(jié)刀片在弧形槽中的不同位置，控制刀具相位角；向上或向下調節(jié)支架在試驗臺車上的位置，改變工作耕深，實物連接方式如圖4所示。

圖4 單刀盤連接圖

2.2 傳感器標定

三維力傳感器是本次試驗重要的測量元器件，采用安徽蚌埠市鑫力測控技術設備廠定制的壓阻式壓力傳感器，單路精度0.5%，綜合精度3%，供電為直流24 V，、、三向測量量程均為2 kN，為保證試驗數(shù)據(jù)準確性，在使用前需進行檢測和標定，建立輸入力值與輸出電壓之間的關系矩陣。標定試驗在WD-E系列精密型微控電子萬能試驗機（廣州市廣材試驗儀器有限公司制造）上進行，試驗機最大負荷為20 kN，精度等級為0.5級。先在某個方向以逐步遞加的方式施加載荷，記錄三向輸出電壓值，再在該方向以逐步遞減的方式施加載荷，取兩次輸出電壓平均值，計算得標定矩陣:

式中F，F，F分別指傳感器，，三向施加壓力值，N；V，V，V分別指，三向輸出電壓值，V。

2.3 數(shù)據(jù)采集軟件

傳感器信號經電荷放大器后，輸出0～±10 V的直流差分電壓，采用研華科技（中國）有限公司生產的USB-4711便攜式數(shù)據(jù)采集卡，分辨率為12 bit，采樣速率可達100 kS/s。為方便在計算機中查看及保存采樣數(shù)據(jù)，應用Labview軟件開發(fā)出一套農機刀具三維分力實時檢測軟件。數(shù)據(jù)采集流程為：程序框圖中DAQNavi Assistant獲取三通道數(shù)據(jù)，分別經Butterworth濾波器，一路輸出到實時電壓波形圖，另一路經過標定矩陣變換成阻力值，輸出到實時分力波形圖，在分力波形圖中截取采用周期內數(shù)據(jù)最大值、最小值和平均值，并記錄采樣時間和臺車行走距離。數(shù)據(jù)采集軟件前面板界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件前面板

2.4 土壤調配

土槽環(huán)境模擬廣東種植農場土質特征，為弱酸性紅壤土，分三層鋪放，每層均松土、灑水、夯實，使用C-60平板型汽油夯實機，依土層緊實度不同，來回夯8～15次，調配后的平均土壤含水率和緊實度均接近真實值，結果如圖6所示。

圖6 土壤調配結果

2.5 試驗方案

在實際作業(yè)過程中，刀具持續(xù)轉動，同時檢測出旋轉刀體所受3個方向阻力十分困難，且刀具與土壤不同接觸位置的瞬時阻力值亦無法表示。為有效表達每一個切土位置的三向阻力值，本試驗以單個C型旋耕刀為對象，刀具不旋轉，控制刀體入土深度，考察各作業(yè)參數(shù)對刀體3個方向工作阻力的影響規(guī)律，綜合分析得出最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合模型。

相位角是表征切土位置的重要參數(shù)，刀具處于不同的相位角，刀體與土壤接觸狀態(tài)不同，所受三向阻力值亦變化，對常用旋耕刀，相位角為25°時開始切土，為90°時達到最大入土深度，為144°時出土，刀體離開土壤，進入空運行階段，優(yōu)選試驗水平值為60°，90°，120°，測量三向阻力值時刀具所處的位置通過相位角確定。耕深依據(jù)生產需要而設定，南方淺耕作業(yè)在80～140 mm之間，手扶式旋耕機除了考慮機具功率消耗外，刀片的磨損程度和機具的穩(wěn)定性也是重要的機具評價指標，還需進一步研究耕深對垂直阻力和側向阻力的影響程度，在允許范圍內綜合選擇耕深優(yōu)化值，優(yōu)選試驗水平值為80，100，120 mm。

安排正交試驗，選用L18(37)正交表，取前5列，試驗因素與水平如表1所示。采用、、、、分別表示彎折角、刀具幅寬、耕深、相位角與前進速度。

表1 試驗因素與水平

試驗用旋耕刀片一共9把，刀體為IT245型寬刀，根據(jù)工作幅寬和彎折角的水平值鍛壓成型，并進行熱處理，刀身部分熱處理硬度為48～54 HRC，刀柄部分硬度為38~45 HRC，彎制后的試驗刀片外形如圖7所示。

圖7 試驗刀片

3 結果與分析

三向工作阻力方向定義：與前進速度相反方向為F正向，垂直向下為F正向，刀具側前面指向側后面為F正向。以刀具單位幅寬所受工作阻力為評價指標，每一個試驗條件下，重復3次試驗，取平均值，試驗安排及結果如表2所示。

對單位幅寬阻力F進行分析。由極差分析可知，5個因素對F影響主次順序為：、、、、，其中耕深對試驗結果的影響程度最大，幅寬與耕深影響等級相當，彎折角和相位角影響等級相當，前進速度影響程度最小。由方差分析（表3）可得，耕深和幅寬對F影響具有明顯顯著性（<0.05）。正交試驗值結果表明影響F的最優(yōu)組合為23111，該水平組合不在正交試驗表中。線性回歸分析表明回歸方程具有顯著性（=0.008<0.05），回歸方程為：

F=0.0713′-0.179′+0.203′+0.0238′+4.07′-12.1 （2）

式中′，′，′，′，′分別為試驗因素彎折角、幅寬、耕深、相位角和前進速度所對應的數(shù)值。

對單位幅寬阻力F，極差分析表明因素對F影響順序為、、、、，其中彎折角、幅寬、耕深、相位角的影響等級相當，前進速度影響等級最小。由方差分析可知，彎折角、幅寬、耕深、相位角等4個因素對結果影響具有明顯顯著性。正交試驗值分析得出最優(yōu)組合為13131，不在正交試驗列表中。線性回歸方程具有顯著性（=0.003<0.05），回歸方程為：

F=0.0849′-0.0808′+0.0845′-0.0407′+3.86′-8.82 （3）

對單位幅寬阻力F，極差分析得因素影響主次順序為、、、、，其中耕深、相位角、彎折角的影響等級相當，幅寬次之，最小仍是前進速度。方差分析可知，各因素對結果影響均不顯著，究其原因為向分力F作用于刀體側前面和正前面，其中側前面為鉛垂面且與前進方向平行，理論上土壤對側前面的向作用力為零；正前面為空間曲面，光滑圓弧過渡，長度短，切削受力時土塊沿圓弧向刀尖處滑移，故各因素在水平值間變化時，對結果影響不顯著。正交試驗值分析得出最優(yōu)組合為131D12，不在正交試驗列表中。線性回歸分析，單因素彎折角、耕深具有顯著性，回歸方程檢驗值=0.049<0.05，方程為：

F=0.101′+0.103′-17.8 （4）

表2 正交試驗及結果

綜合分析，水平分力F為前進阻力，是機具的主要功率消耗成分；垂直分力F占總工作阻力比例最小，但影響著機具工作穩(wěn)定性和刀具正后面的磨損情況；側向分力F影響機具左右平穩(wěn)性和刀具正前面、側前面的磨損程度。實際旋耕作業(yè)中，通常期望三向分力均取最小值。比較3個方向單位幅寬阻力最優(yōu)組合，都含有相同的3、1因素水平值；由于正常工作時，刀具持續(xù)旋轉，相位角不斷變化，旋轉周期阻力是所有相位角對應力的平均值，在確定工況下，可不考慮相位角；前進速度對三向單位幅寬阻力影響均最小，兼顧工作效率，可取2；為優(yōu)先保證前進阻力最小，降低能耗，彎折角取2為宜。故最優(yōu)作業(yè)組合模型為2312，既彎折角為120°，刀具幅寬為80 mm，耕深為80 mm，前進速度為0.5 m/s。

表3 方差分析

注：＜0.05為顯著。

Note: There is significant difference when＜0.05.

4 旋耕對比試驗

為分析優(yōu)化組合模型的實際工作效果，進行標準旋耕刀（=60 mm，=120°）在通用工作參數(shù)下（工況1）和結構優(yōu)化刀片在最優(yōu)工作參數(shù)下（工況2）的旋耕對比試驗。南方菜地、果園以手扶式旋耕機應用為主，其通用工作參數(shù)為：刀軸轉速205 r/min，前進速度0.39 m/s，耕深100 mm。刀片分布方式為：雙排，共6把刀，左右各半交錯排列。田間土壤環(huán)境為：紅壤黏性土，平均含水率16.6%，平均緊實度305 kPa。測量儀器為：WDH型轉矩轉速傳感器，北京沃德行世紀科技有限公司，扭矩量程300 N·m，精度0.2%FS；福祿克F802CN測振儀，福祿克電子儀器儀表公司，振幅量程1.999 mm，精度0.001 mm；JA21002電子精密天平，上海精密儀器儀表有限公司，量程2 100 g，精度0.01 g。分別測量旋耕作業(yè)時刀軸轉矩，旋耕機振幅及單刀片磨損量（工作5 h后測量），進行3次重復試驗，結果見表4。

表4 對比試驗結果

注：工況1為標準旋耕刀在通用工作參數(shù)下作業(yè)，工況2為結構優(yōu)化刀片在最優(yōu)工作參數(shù)下作業(yè)。

Note: Working condition 1 is that the Chinese standard blades are used under general operational parameters. Working condition 2 is that the structural optimization blades are used under the optimum operational parameters.

可知：優(yōu)化組合模型比通用工作模型在刀軸轉矩和旋耕機振幅上有明顯的優(yōu)勢，分別降低了12%和21%，對手扶式旋耕機而言，機具功率消耗減少，穩(wěn)定性提高，操作性更強；優(yōu)化組合模型單刀片磨損量增加，是由于優(yōu)化結構刀片工作幅寬比標準旋耕刀長20 mm，接觸面增大，總磨損量增大，但單位幅寬磨損量卻降低 了16%。

參照GB/T5668-2008《旋耕機械試驗方法》進行作業(yè)質量測定，分別測得工況1和工況2的碎土率為76.3%、82.5%，耕深穩(wěn)定系數(shù)為87.4%、89.8%，優(yōu)化組合模型旋耕作業(yè)質量有所提高。

5 結論與討論

1）分析旋耕作業(yè)時影響刀具三向工作阻力的可控因素，確定彎折角、刀具幅寬、耕深、相位角、前進速度為試驗因素，單位幅寬工作阻力為試驗指標。

2）選用壓阻式三維力傳感器，運用Labview開發(fā)出數(shù)據(jù)采集界面，模擬南方紅壤黏土環(huán)境，在自制土槽試驗平臺上進行正交試驗，結果表明對單位幅寬前進阻力影響順序為耕深、幅寬、相位角、彎折角、前進速度，耕深和幅寬影響具有顯著性（＜0.05）；對單位幅寬垂直阻力影響順序為彎折角、耕深、相位角、幅寬、前進速度，前4個因素影響具有顯著性（＜0.05）；對單位側向阻力影響順序為相位角、耕深、彎折角、幅寬、前進速度。

3）為降低能耗，減少刀具表面磨損，保證機具工作穩(wěn)定性，最優(yōu)工作組合模式為：彎折角取120°，刀具幅寬取80 mm，耕深取80 mm，前進速度取0.5 m/s。田間旋耕試驗表明：優(yōu)化組合模型比通用工作模型在刀軸轉矩、旋耕機振幅上分別降低了12%和21%，單片整體磨損量增加，但單位幅寬磨損量卻降低了16%，碎土率和耕深穩(wěn)定系數(shù)均有所提高。

針對南方地區(qū)旋耕作業(yè)環(huán)境，試驗分析得出三向工作阻力與作業(yè)參數(shù)之間的關系，并提出一種優(yōu)化組合模型，可供農機研究者參考。但旋耕阻力是一個復雜力學系統(tǒng)，其精確數(shù)學表達模型需進一步理論分析，旋耕刀片磨損機理需繼續(xù)試驗研究。受試驗條件所限，目前僅能測量固定相位角的刀具所受三向阻力值，開發(fā)出旋轉刀具實時三向工作阻力動態(tài)檢測系統(tǒng)是后續(xù)研究重點之一。本研究為降低旋耕機作業(yè)能耗、減少刀具磨損及提高機具穩(wěn)定性提供研究基礎。

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Experiment on three-axis working resistances of rotary blade and working parameters optimization

Xiong Pingyuan1,2, Yang Zhou1※, Sun Zhiquan1, Zhu Qingchuang1, Zhu Zhengbo1, Gu Yao1

(1.510642,; 2.510225,)

Small type rotary tillers are widely used in southern China. During the operation of rotary tiller, rotary blades will be subjected to three-axis working resistances. The forward resistance is the major source of power consumption, and meanwhile, the vertical resistance and lateral resistance will influence moving stationarity of whole machine and wear of blade respectively. So far, current research focuses on the relation model between forward resistance and working parameters, but little research has been done on vertical resistance and lateral resistance. There are many factors that could affect three-axis working resistances, such as the state of soil, geometry of rotary blade, operational parameters and position of blade in soil. In order to explore the relationships between working resistances and these factors, taking C-type rotary blade for the research object, single blade cutting resistance experiments were carried out in the soil bin. The experimental soil came from the orchard in Guangdong Province, and was red, clayey and wet. Considering the accuracy of experimental data and operability of process, bend angle of blade, working width, tilling depth, forward speed and phase angle were identified as the main experimental factors, resistance per unit working width of blade was identified as experimental index, and the orthogonal experiment with 7 factors and 3 levels was designed. Levels of each factor could be changed easily. Bend angle of blade and working width could be set in punch machine. Tilling depth could be controlled through the way of moving up and down the support frame on test vehicle. Forward speed could be quickly regulated by traction motor. Rotary blade would be installed on the cutter head, which had a center hole and curved groove, and phase angle could easily be controlled by adjusting fixed location of blade in the curved groove. The soil in the bin had 3 layers: uppermost layer, middle layer and lowest layer; the moisture content was 14.3%, 20.6%, and 29.8% respectively for the 3 soil layers, and the soil compactness was 105, 310, and 531 kPa respectively. Custom three-dimensional force sensor was adopted to measure resistances, with measure range of 2 kN. USB-4711 portable data acquisition card was used, with sampling rate of 100 Ks/s. The three-axis resistances detection system for cutter of agricultural machinery was designed based on Labview2012.By range analysis, significance test,value analysis and linear regression modeling, the results showed that the primary and secondary order of the factors that affected forward resistance was tilling depth, working width, phase angle, bend angle and forward speed. Among them, working width and tilling depth had similar effect degree, bend angle and phase angle also had similar effect degree, and working width, and tilling depth had significant effect on the index. The optimal combination was bend angle of 120°, working width of 80 mm, tilling depth of 80 mm, phase angle of 60° and forward speed of 0.3 m/s. The primary and secondary order of the factors that affected vertical resistance was bend angle, tilling depth, phase angle, working width and forward speed. Bend angle, working width, tilling depth, and phase angle had similar effect degree, and also had significant effect on the index. The optimal combination was bend angle of 100°, working width of 80 mm, tilling depth of 80 mm, phase angle of 120°, and forward speed of 0.3 m/s. The primary and secondary order of the factors that affected lateral resistance was phase angle, tilling depth, bend angle, working width and forward speed. Tilling depth, phase angle and bend angle had similar effect degree, but they had no significant effect. The optimal combination was bend angle of 100°, working width of 80 mm, tilling depth of 80 mm, phase angle of 60°, and forward speed of 0.5 m/s. Making discussion about these results, and comprehensively considering the operation efficiency and energy saving, it is finally found that the best operating mode is bend angle of 120°, working width of 80 mm, tilling depth of 80 mm, and forward speed of 0.5 m/s in practice. The results of contrasting test in fields showed that torque and amplitude of walking rotary tiller were decreased by 12% and 21% respectively when working in the best operating mode. Although the mass wear of rotary blade increased, the wear per unit working width of blade was decreased by 16%. This study can provide the reference for saving energy, improving stationarity of rotary tiller and reducing blade wear.

agricultural machinery; optimization; design; rotary blade; three-axis working resistances; indoor soil bin

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.007

S222.3

A

1002-6819(2017)-19-0051-08

2017-03-28

2017-08-12

廣東省科技計劃項目（2013B020501002）；廣東省現(xiàn)代農業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)盟建設項目（2016LM2153）

熊平原，湖北大悟人，博士生，主要從事農業(yè)機械化研究。廣州 華南農業(yè)大學工程學院，510642。Email：xpy020@163.com

※通信作者：楊 洲，山西襄汾人，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)機械化研究。廣州 華南農業(yè)大學工程學院，510642。 Email：yangzhou@scau.edu.cn