驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與碎土效果試驗(yàn)

呂金慶 王英博 兌 瀚 李紫輝 李季成 劉中原

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

驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與碎土效果試驗(yàn)

呂金慶 王英博 兌 瀚 李紫輝 李季成 劉中原

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

針對(duì)傳統(tǒng)鋤鏟式中耕機(jī)在粘重土壤作業(yè)中碎土率低、碎土后土壤粒徑較大等問(wèn)題，對(duì)驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)整體結(jié)構(gòu)和工作原理的闡述，對(duì)由碎土刀與刀盤(pán)組成的耕作部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)碎土刀切削土壤過(guò)程的剪切應(yīng)力進(jìn)行理論分析，運(yùn)用Matlab確定了影響剪切應(yīng)力的因素參數(shù)范圍。以碎土刀刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、耕深、碎土刀折彎角和刃口長(zhǎng)度為因素，以碎土率為指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，并進(jìn)行了正交回歸方差分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：在刀軸轉(zhuǎn)速為275 r/min、前進(jìn)速度為0.75 m/s、耕深為0.18 m、碎土刀折彎角為150°、刃口長(zhǎng)度為0.07 m時(shí)，耕作后土壤碎土率為93.8%。試驗(yàn)確定了碎土刀的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，所設(shè)計(jì)的碎土刀能增強(qiáng)碎土效果，關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)滿足馬鈴薯中耕作業(yè)耕深、碎土要求。該研究基本解決了中耕過(guò)程中碎土率低、碎土后土壤粒徑較大等問(wèn)題，作業(yè)效果更加明顯，為馬鈴薯中耕機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化提供了理論支撐和技術(shù)參考。

中耕機(jī)； 馬鈴薯； 驅(qū)動(dòng)式； 碎土； 試驗(yàn)

引言

馬鈴薯出苗前期和生長(zhǎng)中期的碎土、松土、培土等中耕作業(yè)對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量有很大的影響[1-2]。中耕的主要作用是疏松土壤，保墑抗旱，改善土壤的物理性狀，提高土壤肥力，消除雜草，從而提高作物產(chǎn)量[3-4]。

碎土率作為馬鈴薯中耕作業(yè)最為關(guān)鍵的指標(biāo)，其耕作后土壤顆粒的大小直接影響著土壤的性質(zhì)，粒徑較小的細(xì)碎土壤，其土壤間孔隙較多，空氣流通較好，能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[5]。目前，國(guó)外應(yīng)用比較廣泛的大型中耕機(jī)，主要碎土部件為犁鏵和鋤鏟，作業(yè)效率雖然較高，但在粘重板結(jié)土壤的條件下碎土效果較差，傳統(tǒng)的鋤鏟式中耕機(jī)碎土率為85%～90%[6-9]，其在粘重土壤中的碎土率會(huì)更低，此外，國(guó)外大多數(shù)中耕機(jī)整個(gè)工作幅寬內(nèi)均安裝有耕作部件，在馬鈴薯中耕作業(yè)中容易傷苗；國(guó)內(nèi)大多數(shù)中耕機(jī)采用鋤鏟和彈齒作為耕作部件，其優(yōu)點(diǎn)是耕深一致性好，但大部分中耕機(jī)壟距均只適用于玉米、小麥等主要糧食作物，對(duì)于壟距稍寬的馬鈴薯不太適用[10-11]，且其碎土率也較低，耕作后大粒徑土塊較多，易造成大土塊壓苗現(xiàn)象，并不適合粘重板結(jié)土壤作業(yè)。

本文對(duì)驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)農(nóng)藝要求馬鈴薯中耕機(jī)作業(yè)的碎土率不小于85%，耕深不小于150 mm[12]，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行切削應(yīng)力的理論分析及參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并設(shè)計(jì)影響碎土率的試驗(yàn)臺(tái)。在滿足要求的碎土率前提下，對(duì)不同刀片參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出參數(shù)的最優(yōu)組合，從而確定驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)關(guān)鍵部件的最佳參數(shù)結(jié)構(gòu)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)單體、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、調(diào)節(jié)裝置組成，整個(gè)裝置高度為2 170 mm，為了配合土槽寬度，機(jī)架寬度為1 530 mm，試驗(yàn)臺(tái)架安裝有1個(gè)旋轉(zhuǎn)單體進(jìn)行碎土率的試驗(yàn)研究，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of test bench of driving-type cultivator1.機(jī)架 2.傳動(dòng)裝置 3.調(diào)節(jié)裝置 4.旋轉(zhuǎn)單體 5.電動(dòng)機(jī) 6.土槽

1.2 工作原理

試驗(yàn)臺(tái)架主要由機(jī)架和1個(gè)旋轉(zhuǎn)單體所組成，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)安裝在試驗(yàn)土槽的一端，旋轉(zhuǎn)單體前后壁上的支撐管通過(guò)U型卡子與試驗(yàn)臺(tái)上部的橫梁固定，能夠?qū)?cè)向位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，上部橫梁上安裝有電動(dòng)機(jī)，為旋轉(zhuǎn)單體提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)通過(guò)螺栓與電動(dòng)機(jī)安裝板連接，安裝板上的縱向長(zhǎng)孔，可對(duì)電動(dòng)機(jī)的縱向位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便傳動(dòng)鏈條的安裝，前后橫梁兩端下部均焊有調(diào)節(jié)板，可通過(guò)位于機(jī)架立柱側(cè)壁的調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行支撐，調(diào)節(jié)螺栓的位置，便可以調(diào)節(jié)整個(gè)旋轉(zhuǎn)單體的高度，從而改變耕作深度；在工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)單體上部的主動(dòng)刀軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞給下部的從動(dòng)刀軸，從而帶動(dòng)安裝在從動(dòng)刀軸上的旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行碎土作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 旋轉(zhuǎn)單體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)單體主要由碎土刀、箱體架、主從動(dòng)軸、左右刀盤(pán)、中間鏈輪傳動(dòng)、旋刀護(hù)罩、松土鏟等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主動(dòng)刀軸對(duì)稱安裝在箱體上部，其上安裝有主動(dòng)鏈輪；主動(dòng)鏈輪通過(guò)傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)位于箱體下部的從動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在所述的從動(dòng)刀軸的兩端分別安裝左刀盤(pán)、右刀盤(pán)與內(nèi)刀盤(pán)，在箱體架前壁安裝有松土鏟，側(cè)壁上安裝旋刀護(hù)罩。

圖2 旋轉(zhuǎn)單體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagrams of rotating monomer1.箱體架 2.傳動(dòng)鏈條 3.旋刀護(hù)罩 4.松土鏟 5.主動(dòng)軸 6.右刀盤(pán) 7.內(nèi)刀盤(pán) 8.從動(dòng)軸 9.左刀盤(pán)

2.1.1旋轉(zhuǎn)部件

旋轉(zhuǎn)部件主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳動(dòng)鏈輪固定安裝在傳動(dòng)軸中間位置，由傳動(dòng)鏈條對(duì)其進(jìn)行帶動(dòng)；2個(gè)內(nèi)刀盤(pán)對(duì)稱安裝在傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè)，左刀盤(pán)與右刀盤(pán)對(duì)稱安裝在傳動(dòng)軸外側(cè)；根據(jù)文獻(xiàn)[13]，驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)，其旋轉(zhuǎn)部件作業(yè)位置在2個(gè)壟的壟間，且馬鈴薯的中耕深度較深，不小于0.15 m，為適應(yīng)其耕作深度，本設(shè)計(jì)采用的所有刀盤(pán)回轉(zhuǎn)半徑均為227 mm；刀輥直徑為70 mm；為適應(yīng)馬鈴薯種植的壟距，左右2個(gè)刀架最外側(cè)的距離為445 mm；便于刀盤(pán)的安裝與固定，刀盤(pán)與從動(dòng)軸通過(guò)花鍵連接，最外端用螺栓緊固；旋轉(zhuǎn)部件通過(guò)軸承安裝在箱體架上，為配合箱體架前端安裝的松土鏟，2個(gè)內(nèi)刀盤(pán)之間的距離設(shè)置為110 mm；碎土刀通過(guò)螺栓連接固定在刀架上；在耕作過(guò)程中，碎土刀片與土壤接觸使其破碎，碎土刀對(duì)軸向周圍土壤也有切削影響，考慮到工作時(shí)旋轉(zhuǎn)部件的起伏，需讓2個(gè)碎土刀之間的影響范圍有一定的重疊量，并考慮到防止碎土過(guò)程中壅土現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此，同一刀盤(pán)上相鄰2個(gè)碎土刀的橫向距離為12 mm，裝配后其回轉(zhuǎn)半徑偏差小于3 mm，工作幅寬偏差小于2 mm。

圖3 旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成Fig.3 Structure diagrams of rotating monomer1.碎土刀 2.左刀盤(pán) 3.傳動(dòng)齒輪 4.內(nèi)刀盤(pán) 5.右刀盤(pán) 6.傳動(dòng)軸

2.1.2碎土刀設(shè)計(jì)

碎土程度是中耕機(jī)械最主要的工作指標(biāo)之一，其主要由刀片參數(shù)所決定。碎土刀通過(guò)螺栓連接固定在刀盤(pán)上，隨著刀軸一起作高速轉(zhuǎn)動(dòng)，其刀刃直接與土壤接觸，因此碎土刀設(shè)計(jì)尤為重要；旋轉(zhuǎn)中耕機(jī)大多采用旋耕機(jī)刀片，其中使用最廣泛的旋耕刀是彎刀，但彎刀容易纏草，磨損嚴(yán)重、切削阻力較大，增加了功耗。

本文所設(shè)計(jì)的碎土刀采用的是鑿形直刀，與傳統(tǒng)的彎刀和L型刀相比，能夠減小切削阻力，可使切削應(yīng)力更加集中，入土性能良好[12]。刀刃需經(jīng)過(guò)淬火處理，使其硬度達(dá)到HRC50，能減少在切削土壤過(guò)程中對(duì)碎土刀刃的磨損。碎土刀結(jié)構(gòu)如圖4所示，刀片的設(shè)計(jì)參考了旋耕彎刀，標(biāo)準(zhǔn)的彎刀刀片厚度在9～11 mm，因此碎土刀刀片厚度為10 mm，具有較好的強(qiáng)度，在作業(yè)過(guò)程中不會(huì)因?yàn)檩^大的阻力產(chǎn)生大的變形，根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述，當(dāng)碎土刀與土壤接觸時(shí)，土壤產(chǎn)生裂紋，其方向與水平接近45°時(shí)，土壤更容易破碎，因此，設(shè)計(jì)兩端側(cè)刃夾角為45°，確定了刃口寬度為1.5 mm，側(cè)刃長(zhǎng)度11 mm。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比不同折彎角與刃口長(zhǎng)度組合的刀片耕作后碎土率，最終確定了碎土刀折彎角為150°，刃口長(zhǎng)度為70 mm。在碎土刀的刀柄上有2個(gè)安裝孔，以便通過(guò)螺栓與刀盤(pán)進(jìn)行固定。

圖4 碎土刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of soil-broken knife

2.1.3碎土刀排列

碎土刀在傳動(dòng)軸上的排列方式也直接影響碎土效果和功率消耗，良好的安裝方式可增加機(jī)具的穩(wěn)定性，減小機(jī)具所受載荷[15-17]。為使旋轉(zhuǎn)中耕機(jī)在作業(yè)時(shí)不產(chǎn)生堵塞和漏耕的現(xiàn)象，刀軸兩側(cè)受力均勻，耕后地表平整，碎土刀在刀軸上的排列應(yīng)當(dāng)滿足[18-19]：

(1)碎土刀應(yīng)按照刀軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相同的角度順序相繼入土，以保證工作平穩(wěn)，刀軸負(fù)荷均勻。

(2)左右兩側(cè)的碎土刀交替入土，使得刀軸所受的側(cè)向力較為平衡。

(3)相鄰2個(gè)碎土刀的橫向距離盡量相同，以保證土塊大小與刀片的磨損程度一致。

(4)相鄰刀片的角度差及相繼入土刀片的軸向距離應(yīng)盡量大，以防止夾土和堵塞。

通過(guò)上述分析，確定了本設(shè)計(jì)所選擇的是兩側(cè)刀盤(pán)對(duì)稱布置的方式，在旋轉(zhuǎn)單體工作幅寬確定后，便可確定傳動(dòng)軸安轉(zhuǎn)有4組刀盤(pán)；每個(gè)刀盤(pán)上橫向等距交錯(cuò)均勻排列有4個(gè)碎土刀，采用每2個(gè)碎土刀相位差為90°的安裝方式，以減小耕作過(guò)程中旋轉(zhuǎn)單體的振動(dòng)，一個(gè)圓周內(nèi)安裝有4個(gè)刀盤(pán)，還可有效減小漏耕，減小耕作過(guò)后溝底的凸起高度，保證耕后溝底平整度；4組刀盤(pán)分別位于傳動(dòng)軸兩側(cè)左右對(duì)稱位置，其相位相同，使關(guān)于傳動(dòng)軸對(duì)稱位置的碎土刀可同時(shí)切削土壤，傳動(dòng)軸兩側(cè)的受力均勻，避免在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的附加載荷和作業(yè)時(shí)機(jī)具產(chǎn)生的振動(dòng)。碎土刀片切削土壤的排列展開(kāi)圖如圖5所示。

圖5 碎土刀片排列展開(kāi)圖Fig.5 Spread arrangement diagram of soil-broken blade

3 旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)動(dòng)及碎土刀切削應(yīng)力分析

3.1 旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)分析

固定在刀盤(pán)的碎土刀隨著從動(dòng)軸一起進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，由于碎土刀的剛性較強(qiáng)，在碎土刀與土壤切削接觸的過(guò)程中可忽略不計(jì)碎土刀微小的形變量。以作業(yè)起始轉(zhuǎn)軸中心為原點(diǎn)O建立Oxy直角坐標(biāo)系，其中碎土刀刀尖c的軌跡如圖6所示，其軌跡方程為

(1)

其中

α=ωt

式中t——工作部件轉(zhuǎn)過(guò)α所需的時(shí)間，s

vm——機(jī)器前進(jìn)速度，m/s

R——回轉(zhuǎn)半徑，m

α——刀軸回轉(zhuǎn)角，(°)

ω——刀軸回轉(zhuǎn)角速度，rad/s

圖6 刀尖軌跡圖Fig.6 Trajectory diagram of soil-broken knife tine

用機(jī)具前進(jìn)速度與刀軸轉(zhuǎn)速的比值λ表示轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。當(dāng)λ<1時(shí)，碎土刀的運(yùn)動(dòng)軌跡是條無(wú)扣的短幅擺線；當(dāng)λ>1時(shí)，通過(guò)式(1)可知，碎土刀運(yùn)動(dòng)軌跡是一條長(zhǎng)幅余擺線，驅(qū)動(dòng)式中耕機(jī)的λ>1，在作業(yè)時(shí)每個(gè)刀片在前進(jìn)方向上的工作區(qū)域有重復(fù)，便可有效地減小漏耕現(xiàn)象[20]。

將式(1)對(duì)時(shí)間進(jìn)一步求導(dǎo)，即可求得碎土刀刀尖點(diǎn)的速度

(2)

刀片端點(diǎn)的絕對(duì)速度為

(3)

式中va——刀尖的絕對(duì)速度，m/s

式(3)表明，碎土刀端點(diǎn)的切削速度與碎土刀的位置和旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)均有關(guān)。在正轉(zhuǎn)時(shí)，其端點(diǎn)速度隨著碎土刀入土到切削過(guò)程結(jié)束而連續(xù)減?。浑S著機(jī)具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的增大而增加。

溝底不平度是轉(zhuǎn)動(dòng)式耕作機(jī)械重要農(nóng)藝指標(biāo)之一。根據(jù)農(nóng)藝對(duì)耕深穩(wěn)定性的要求，耕后土壤凸起高度應(yīng)小于0.2倍的耕深[19,21]。通過(guò)分析幾何關(guān)系得出運(yùn)動(dòng)參數(shù)與耕深、刀片數(shù)量的關(guān)系式

(4)

式中hr——耕作后凸起高度，m

z——一個(gè)刀盤(pán)上刀片的數(shù)量，個(gè)

由式(4)可知，在刀片的數(shù)量確定為4個(gè)后，耕作后凸起高度與運(yùn)動(dòng)參數(shù)呈正比，為了減小溝底的凸起高度，在滿足耕深大于0.15 m的前提下，可以確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)λ范圍為3～9，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的中耕機(jī)前進(jìn)速度范圍為0.5～1.5 m/s，確定從動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)速為175～325 r/min。

3.2 碎土刀切削應(yīng)力分析

碎土刀切削土壤時(shí)的受力如圖7所示，由于土壤切削過(guò)程復(fù)雜，因此對(duì)其受力進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；刀片的受力主要可分為刀刃口的切土阻力Fc、刀片擠壓土壤的壓土阻力Fr、刀片與土壤的摩擦阻力Ff和刀片拋土阻力Fp[22-23]。其方向如圖7所示。

圖7 碎土刀受力簡(jiǎn)圖Fig.7 Stress diagram of soil-broken knife

其中，在刀片切削土壤時(shí)，對(duì)土壤的剪切力Fs主要分為刀片擠壓土壤的壓土阻力Fr和刀片的拋土阻力Fp，切削力Fs為

Fs=Fr+Fp

(5)

其中

(6)

式中kr——土壤阻力特性，kg/(m3·s)

δ——切削土壤厚度，m

v——刀尖線速度，m/s

單位時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積S為

S=krδvlb

(7)

式中b——切削土垡厚度，m

l——碎土刀刃口長(zhǎng)度，m

由式(6)、(7)得

(8)

式中θ1——碎土刀刃口的折彎角，(°)

拋土阻力Fp與拋土的質(zhì)量和拋土的速度有關(guān)。且拋土阻力Fp與拋土質(zhì)量和拋土速度呈正相關(guān)，根據(jù)動(dòng)能定理，單個(gè)碎土刀片切削土壤過(guò)程中Fp為

(9)

式中a——耕深，ms——進(jìn)距，m

ρ——土壤平均密度，kg/m3

碎土刀隨傳動(dòng)軸進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的剪切力作用于耕作的土壤；本文假設(shè)切削過(guò)程中不同耕深的土壤密度保持不變，忽略各個(gè)耕層的土壤微粒之間相互作用力。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，使土壤破碎的條件是刀片刃口的剪切應(yīng)力大于土壤本身的剪切強(qiáng)度。即

(10)

式中s1——刀刃刃口面積，m2

σ——土壤剪切強(qiáng)度，kPa

由式(8)～(10)，可得土壤被破壞的條件關(guān)系為

(11)

通過(guò)分析式(11)可知，影響土壤破壞的因素主要有耕深a、運(yùn)動(dòng)參數(shù)λ等；耕深選取驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)最大的中耕深度0.23 m、回轉(zhuǎn)半徑固定為227 mm、選取機(jī)具運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)最大的前進(jìn)速度和最小的刀軸轉(zhuǎn)速；通過(guò)Matlab軟件對(duì)式(11)進(jìn)行處理，選取粘重土壤的土壤強(qiáng)度為166 kPa[14]，分析時(shí)間、碎土刀折彎角和刃口長(zhǎng)度對(duì)碎土刀切削土壤剪切力的影響，探究在不易破碎的極限條件下，碎土刀的結(jié)構(gòu)對(duì)切削應(yīng)力的影響，從而來(lái)選取適當(dāng)?shù)牡镀瑓?shù)范圍[24]。

圖8為其他參數(shù)固定時(shí)，時(shí)間、碎土刀折彎角、刃口長(zhǎng)度與切削應(yīng)力的關(guān)系。

圖8 參數(shù)與切削應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves of parameters and stress

通過(guò)對(duì)碎土刀參數(shù)范圍的選取可以增加機(jī)具設(shè)計(jì)的可靠性。由圖8a得出，切削應(yīng)力隨著入土?xí)r間的增加而增大；由圖8b得出，碎土刀折彎角為150°時(shí)，碎土片切削土壤應(yīng)力最大，刀刃刃口的長(zhǎng)度在0.05～0.11 m時(shí)，其切削應(yīng)力均大于土壤的剪切強(qiáng)度，能夠使土壤切削破碎。通過(guò)圖8得出在不易破碎的條件下，碎土刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍選取，均能使土壤破碎。

4 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

于2016年11月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地(室內(nèi))進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。土槽規(guī)格為長(zhǎng)15 m、寬1 m，土槽中土層厚度為0.3 m[25]，試驗(yàn)前需要對(duì)土槽中的土壤進(jìn)行噴水和壓實(shí)，后經(jīng)干燥，使其土壤含水率達(dá)到12.4%，土壤堅(jiān)實(shí)度為91.2 kPa，達(dá)到粘重土壤的堅(jiān)實(shí)度范圍，近似模擬粘重土壤在田間的堅(jiān)實(shí)度和含水率特性。試驗(yàn)中碎土單體旋轉(zhuǎn)速度與土槽的運(yùn)動(dòng)速度均可以通過(guò)控制臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，安裝在機(jī)架上的旋轉(zhuǎn)單體，其動(dòng)力由機(jī)架上部的電動(dòng)機(jī)提供，試驗(yàn)后，在土槽內(nèi)取0.2 m×0.2 m面積內(nèi)的全部耕層的土塊，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量、分層稱量，臺(tái)架試驗(yàn)作業(yè)如圖9所示，不同參數(shù)的碎土刀如圖10所示，每個(gè)圖中從左至右折彎角依次為135°、142.5°、150°、157.5°、165°。

圖9 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.9 Experiment of testing block

圖10 不同參數(shù)的碎土刀實(shí)物圖Fig.10 Pictures of soil broken blade with different parameters

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照文獻(xiàn)[26]進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)考察驅(qū)動(dòng)式中耕機(jī)關(guān)鍵部件的碎土效果，以刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、耕作深度、碎土刀折彎角和刃口長(zhǎng)度為因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，測(cè)定碎土率為試驗(yàn)指標(biāo)[26]。

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.3.1試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)方案，以碎土率為試驗(yàn)指標(biāo)。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性分析，根據(jù)實(shí)際需求及前文中的參數(shù)范圍，對(duì)各參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得較合適的各因素組合。試驗(yàn)因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。X1、X2、X3、X4為因素編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors and levels

注：選取中心點(diǎn)的試驗(yàn)次數(shù)為10次，根據(jù)二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)常用γ表，取得γ=2。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test plan and experimental results

注：碎土率為小于25 mm土塊的質(zhì)量占測(cè)量區(qū)域內(nèi)總碎土質(zhì)量的百分比，%。

4.3.2結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)比不同因素水平下碎土率?？梢缘贸?，試驗(yàn)中所有的參數(shù)組合情況下，碎土率最小值為88.9%，均能滿足馬鈴薯中耕作業(yè)對(duì)于碎土率的要求。分析單個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加，前進(jìn)速度的減小，其碎土率也隨之增加，這是由于轉(zhuǎn)速增加，前進(jìn)速度減小，在單位時(shí)間內(nèi)，切削相同體積土壤的刀片數(shù)量增加，便增加了碎土刀與土壤的接觸，破碎效果增加；隨著耕深的增加，其碎土率逐漸減小，在結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)不變時(shí)，耕作深度的增加，會(huì)增大碎土刀切削土壤的體積，增加了切削時(shí)對(duì)土壤的壓縮量，切削效果降低；而隨著碎土刀折彎角的增加，碎土率呈先增加后減小的趨勢(shì)，是由于隨著折彎角度的增加，碎土刀對(duì)于土壤的切削力在垂直于刀刃方向上的分量增加，但是隨著碎土刀折彎角增加，其滑切作用效果下降，因此，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在碎土刀折彎角為150°時(shí)，其碎土率高于其他折彎角的情況；碎土刀刃口長(zhǎng)度與碎土率呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，隨著刃口長(zhǎng)度的增加，碎土刀切削土壤時(shí)，需要壓縮的土壤體積也隨之增加，壓土阻力便會(huì)隨之增加，導(dǎo)致了碎土率的降低。上述試驗(yàn)結(jié)果與Matlab輸出的方程圖像趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了理論公式的合理性。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到以碎土率Y1為試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

(12)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中P=0.5239，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素存在，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。

4.3.3響應(yīng)曲面分析

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得出刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、折彎角之間的顯著和較顯著交互作用對(duì)碎土率試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

表3 碎土率Y1方差分析Tab.3 Variance analysis for soil-broken rate

注：“/”后數(shù)字為剔除不顯著因素后碎土率Y1方差分析結(jié)果，*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

圖11 碎土率的雙因素響應(yīng)曲面Fig.11 Response surfaces of double parameters about soil-broken rate

對(duì)于碎土率Y1，當(dāng)耕深為0.19 m、碎土刀折彎角為150°、刃口長(zhǎng)度為0.07 m時(shí)，中耕機(jī)前進(jìn)速度和刀軸旋轉(zhuǎn)速度的交互作用影響如圖11a所示。當(dāng)中耕機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速與碎土率呈正相關(guān)，其最優(yōu)的刀軸轉(zhuǎn)速為235.0～275.0 r/min；當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速保持一定狀態(tài)時(shí)，中耕機(jī)的前進(jìn)速度與碎土率呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的前進(jìn)速度為0.75～0.95 m/s。在中耕作業(yè)中，刀軸轉(zhuǎn)速是對(duì)碎土率的主要影響因素，中耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速和耕作深度的交互作用影響如圖11b所示。對(duì)于中耕機(jī)耕深保持一定時(shí)，刀軸轉(zhuǎn)速與碎土率呈正相關(guān)，其最優(yōu)的刀軸轉(zhuǎn)速為255.0～275.0 r/min；當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速保持一定時(shí)，中耕機(jī)的碎土率隨著耕深的增加而減小，其最優(yōu)的耕作深度為0.17～0.18 m。其中刀軸轉(zhuǎn)速是碎土率的主要影響因素。中耕機(jī)前進(jìn)速度和碎土刀折彎角的交互作用影響如圖11c所示。當(dāng)前進(jìn)速度保持一定時(shí)，隨著碎土刀折彎角的增加，碎土率先增加后減小，其最優(yōu)的折彎角為144°～153°；當(dāng)碎土刀折彎角固定時(shí)，碎土率與前進(jìn)速度呈負(fù)相關(guān)，其最優(yōu)的前進(jìn)速度為0.75～0.89 m/s。其中前進(jìn)速度是碎土率的主要影響因素。

通過(guò)對(duì)響應(yīng)曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)碎土率的回歸方程進(jìn)行求解，根據(jù)驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)的實(shí)際工作條件、作業(yè)要求以及相關(guān)理論的分析結(jié)果選擇優(yōu)化的約束條件[27]。

目標(biāo)函數(shù)

(13)

對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，可以得到多種參數(shù)優(yōu)化組合?？紤]到實(shí)際的作業(yè)要求，在多組優(yōu)化參數(shù)中選取最優(yōu)參數(shù)組合[27]：刀軸轉(zhuǎn)速266～275 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度0.76～0.92 m/s、耕深0.17～0.18 m、碎土刀折彎角146°～152°、刃口長(zhǎng)度0.06～0.08 m，其相對(duì)應(yīng)的碎土率為93.1%～93.7%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.4.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院試驗(yàn)基地，進(jìn)行土槽驗(yàn)證試驗(yàn)。土壤含水率為11.6%，土壤堅(jiān)實(shí)度為94.3 kPa。以《旱田中耕追肥機(jī)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法，對(duì)驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)的碎土效果進(jìn)行驗(yàn)證，并與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

4.4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中耕機(jī)性能指標(biāo)與相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果對(duì)比[28]，中耕機(jī)的作業(yè)參數(shù)選擇為：刀軸轉(zhuǎn)速為275 r/min、前進(jìn)速度為0.75 m/s、耕深0.18 m、碎土刀折彎角150°、刃口長(zhǎng)度0.07 m。其所得的優(yōu)化的碎土率為93.2%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)式中耕機(jī)其碎土率為93.8%，與優(yōu)化所得結(jié)果基本一致，且明顯優(yōu)于相關(guān)指標(biāo)，也優(yōu)于傳統(tǒng)的鋤鏟式中耕機(jī)碎土率。其碎土率較高，是由于碎土刀折彎角度和刃口長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合理，使碎土刀對(duì)土壤剪切力的垂直分量增加，從而增加了切削應(yīng)力，減小了切削時(shí)需要壓縮土壤的體積，使土壤破碎效果更好；驗(yàn)證試驗(yàn)表明相關(guān)優(yōu)化組合合理，按優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)后的驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)的碎土效果滿足作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)關(guān)鍵部件，安裝在旋轉(zhuǎn)刀軸兩側(cè)的碎土刀，其排列方式為對(duì)稱等相位差均布排列；旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)符合馬鈴薯的壟距，滿足馬鈴薯中耕作業(yè)所需耕作深度；其碎土刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠增加切削土壤時(shí)的切削應(yīng)力，達(dá)到更好的碎土效果，滿足馬鈴薯中耕作業(yè)碎土率的要求。

(2)利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊，根據(jù)中耕機(jī)的實(shí)際工作條件和作業(yè)要求對(duì)因素范圍進(jìn)行選取，以碎土率為指標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化求解，驗(yàn)證了Matlab求解碎土?xí)r切削應(yīng)力公式的正確性。試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)確定了最佳的碎土刀結(jié)構(gòu)參數(shù)，在土壤含水率為11.6%、堅(jiān)實(shí)度為94.3 kPa的條件下，刀軸轉(zhuǎn)速為275 r/min、前進(jìn)速度為0.75 m/s、耕深0.18 m、碎土刀折彎角150°、刃口長(zhǎng)度0.07 m時(shí)，耕作后土壤碎土率為93.8%，滿足《旱田中耕追肥機(jī)試驗(yàn)方法》所規(guī)定的碎土率要求。

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DesignofKeyComponentsofDriving-typePotatoCultivatorandItsSoil-brokenEffectExperiment

Lü Jinqing WANG Yingbo DUI Han LI Zihui LI Jicheng LIU Zhongyuan

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

The traditional plough share-type cultivator shows characteristics that the soil particle size is larger after broken, the working parts can easily wrapped and has lower soil-broken rate during operation in heavy soil.And ridge distance of cultivator is not applicable for potato.The key component of driving-type potato cultivator was designed, and the structural parameters that affected the effect of soil-broken were concluded.The structure and working principle of the cultivator were illustrated, and the rotating monomer that made of soil-broken knife was theoretically analyzed.The factors that affected soil-broken rate were got.Regarding the folding corner and blade length of the soil-broken knife, knife-cylinder, forward speed and tillage depth as the experimental factors, regarding soil-broken rate as the experiment indicators.The test was taken in the College of Engineering, Northeast Agricultural University at the beginning of November, 2016, which was carried out in the room.The power was provided by generator and the tillage depth can be adjusted by actuating device.Experimental results showed that the machine had the soil-broken rate of 93.8%, when the knife-cylinder was 275 r/min, the speed was 0.75 m/s, blade folding corner was 150°, the length of the blade was 0.07 m, and tillage depth was 0.18 m.The optimal structural parameters of soil-broken knife were determined by experiment.And the experiment also verified the accuracy of theoretical formula.It was well conformed to the agronomic requirements of cultivator.The structure of soil-broken knife assembled on driving-type cultivator can enhance the cutting force to achieve better soil crushing effect.The machine basically solved the serious problems such as the lower efficiency of soil broken.It was more suitable for the tillage operation of potato when compared with the traditional cultivator.The study provided important theoretical and technical reference for the improvement and optimization of the driving-type potato cultivator.

cultivator; potato; driving-type; soil-broken; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.006

S224.1

A

1000-1298(2017)10-0049-10

2017-01-06

2017-02-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701600)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CARS-10-P22)、黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(GA15B401)和北方馬鈴薯全程機(jī)械化科研基金項(xiàng)目

呂金慶(1970—)，男，研究員，主要從事馬鈴薯技術(shù)及裝備研究，E-mail：ljq8888866666@163.com