不同刀片形式對反轉(zhuǎn)旋耕機作業(yè)性能的影響

朱繼平　陳偉　袁棟　丁艷　夏敏　姚克恒

摘要：用Matlab仿真工具，通過仿真反轉(zhuǎn)旋耕刀片的運動軌跡，研究反轉(zhuǎn)旋耕刀的切削機制，分析反轉(zhuǎn)旋耕刀片影響整機驅(qū)動功耗和作業(yè)質(zhì)量的因素。田間試驗在高、低留茬麥茬地下，1GKF-200型反轉(zhuǎn)旋耕機安裝IT245、直角刀、焊接刀和圓弧直角刀4種刀片，測定它們的驅(qū)動功耗和作業(yè)質(zhì)量，通過對比評價刀片的技術(shù)性能。結(jié)果表明，安裝直角刀的機具在高留茬（留茬高度≥25 cm）和低留茬（留茬高度≤20 cm）條件下，均有良好的埋茬效果；低留茬條件下，機具驅(qū)動功耗差異不明顯，值得進一步研究。

關(guān)鍵詞：反轉(zhuǎn)旋耕機；直角刀；IT245；焊接刀；圓弧直角刀；驅(qū)動功耗；作業(yè)質(zhì)量

中圖分類號： S2223文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0235-06

HJ13mm]

收稿日期：2016-12-27

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201503119-02-01）；江蘇省科技計劃項目（編號：SBN2014010318）。

作者簡介：朱繼平（1963—），男，陜西寶雞人，研究員，主要從事耕整地機械研究。E-mail：zhujip@163com。

通信作者：陳偉，碩士，研究實習(xí)員，主要從事耕整地機械研究。E-mail：chenweiccbb@163com。

反轉(zhuǎn)旋耕機以其良好的埋茬覆蓋效果，成為稻麥兩熟地區(qū)秸稈機械化還田的主要機具，也用于綠肥翻埋、有機肥混施、中低產(chǎn)田土壤改良。

反轉(zhuǎn)旋耕機（又稱為反轉(zhuǎn)滅茬機、反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機等）是反轉(zhuǎn)旋耕技術(shù)應(yīng)用的基本機型，其結(jié)構(gòu)形式有圓梁式、框架式2種。2種形式機具主要區(qū)別在于側(cè)邊齒輪箱體的方向，圓梁式向后傾斜，框架式與水平面基本垂直。傳統(tǒng)的圓梁式由于加工工藝復(fù)雜，加工費用高，已逐漸被框架式所替代。

反轉(zhuǎn)旋耕技術(shù)不同于傳統(tǒng)的正轉(zhuǎn)旋耕技術(shù)，它的旋耕刀是由下向上切削土壤，作業(yè)時旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)方向與旋耕機組驅(qū)動輪的旋向相反，旋耕刀切削土壤的切削機制也不同于正轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)，刀片切削土壤方向是由有約束的溝底向無約束的田面作用，在作業(yè)速度相同的情況下，刀片的切削速度可以取較小的值，理論上可以減少整機的功率消耗1]。

雖然反轉(zhuǎn)旋耕機應(yīng)用較早，過去主要受大型拖拉機發(fā)展的影響，推廣應(yīng)用受到一定的限制。反轉(zhuǎn)旋耕機使用中存在的主要問題為整機功耗較大，生產(chǎn)率低。功耗大的主要原因是反轉(zhuǎn)旋耕機一般仍采用傳統(tǒng)的正轉(zhuǎn)旋耕機的旋耕刀，刀身長，刀片在土壤中的作用軌跡長，刀片向上的升土和向后的拋土能力差，造成刀軸前方大量積土，刀片會對切下的土壤過度切削粉碎，使得機具整機功耗增加。

針對反轉(zhuǎn)旋耕機沒有適用的旋耕刀片問題，通過Matlab仿真工具，精確描繪刀片不同工況下的運動軌跡圖，以分析反轉(zhuǎn)旋耕刀的切削機制，為刀片的設(shè)計提供理論依據(jù)。通過IT245、焊接刀、直角刀、圓弧直角刀田間對比試驗，評價其作業(yè)質(zhì)量、機具功耗，以篩選適用的刀片。

1研究現(xiàn)狀

反轉(zhuǎn)旋耕的研究已有40多年歷史。國外，前蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)旋耕能減少切削阻力，穩(wěn)定耕深；日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)旋耕能實現(xiàn)深耕，提高作業(yè)質(zhì)量。國內(nèi)，王長兵等提出了潛土逆旋理論，采用計算機仿真、數(shù)學(xué)建模、高速攝像等方式，進行刀片的切削機制、拋土性能、刀片運動和功耗等方面的研究2-4]；陳鈞等研究了下切式節(jié)能型旋耕刀的設(shè)計理論和設(shè)計方法，提出切削曲線成型法和正切面“凸胸扭翼”形狀能降低切土功耗5-6]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院丁為民等采用對比試驗、理論分析方法，研究了反轉(zhuǎn)旋耕刀性能、切土扭矩的影響因素及反轉(zhuǎn)旋耕刀滑切角的計算方法7-8]；浙江大學(xué)馬旭等采用模糊試驗分析方法，研制出了具有良好升拋能力的凹形鏟刀逆轉(zhuǎn)刀輥與開式土鏟組合的拋土部件9]。

過去對常規(guī)反轉(zhuǎn)淺旋耕技術(shù)和潛土逆旋的深旋耕技術(shù)進行了多方面的研究，從旋耕刀切削曲線成型、形狀等方面對節(jié)能型反轉(zhuǎn)旋耕刀提出了設(shè)計理論和設(shè)計方法，可以用于指導(dǎo)反轉(zhuǎn)旋耕技術(shù)的研究和應(yīng)用10]。但對提高反轉(zhuǎn)旋耕刀的升土和拋土能力的研究還不多，對影響反轉(zhuǎn)旋耕機功耗和作業(yè)質(zhì)量因素的系統(tǒng)研究還明顯不足，實際應(yīng)用還沒有專用旋耕刀產(chǎn)品?，F(xiàn)行的反轉(zhuǎn)旋耕機依舊采用傳統(tǒng)的正轉(zhuǎn)旋耕刀片，機具功耗大，秸稈覆蓋質(zhì)量無法完全滿足農(nóng)藝要求。因此，有必要對反轉(zhuǎn)旋耕機刀片切削機制、刀片的升土和拋土過程進行深入研究，以優(yōu)化反轉(zhuǎn)旋耕刀的設(shè)計，為反轉(zhuǎn)專用旋耕刀的設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

2反轉(zhuǎn)旋耕機的工作原理

反轉(zhuǎn)旋耕機利用機組前進速度和旋耕刀輥旋轉(zhuǎn)運動的復(fù)合運動，完成對土壤的切削碎土和植被的覆蓋作業(yè)。反轉(zhuǎn)旋耕機刀片切下土垡后，通過刀輥與機罩組成封閉的通道，向后拋出。刀具旋轉(zhuǎn)的同時也將根茬、地表的秸稈、雜草等植被帶起，向后拋出，長的秸稈、雜草和根茬等被擋草柵擋下，落到前方，短的拋出擋草柵，落到后方。向后拋出的土垡，在與機罩碰撞下，改變方向，進一步細(xì)碎化；由于土垡之間的質(zhì)量、體積差異，受到空氣阻力、土塊之間相互作用的影響，落到機組后方，完成植被的覆蓋作業(yè)（圖1）。

3反轉(zhuǎn)旋耕機刀具的切削機制

反轉(zhuǎn)旋耕機的刀具從下向上切削，刀刃切土的順序與正轉(zhuǎn)相反，刀具的正切刃先切土，然后側(cè)切刃逐步切土。刀具刃部軌跡為水平向前直線運動和反向旋轉(zhuǎn)運動的復(fù)合運動形成的倒置余擺線。刀具的側(cè)切刃切出溝壁，正切刃切出溝底，正切面將切出土垡?guī)С?，并向后拋出。如圖2建立直角坐標(biāo)系，O點為刀軸中心，A點為刀刃上點，R為該點的回轉(zhuǎn)半徑，當(dāng)機組以速度Vm前進，同時刀軸以角速度ω作業(yè)時，經(jīng)過時間t后，刀軸中心到達O1，刀刃部的點為A1（x，y），其運動分析圖及運動方程見圖2、公式（1）。

FK（W11]TPZJP2tif]

x=Vmt+Rsin（ωt）；y=-Rcos（ωt）。JZ）]JY]（1）

公式（1）仿真后的旋耕刀運動軌跡見圖3。

FK（W12]TPZJP3tif]

4刀具對反轉(zhuǎn)旋耕機作業(yè)功耗影響分析

影響旋耕機作業(yè)功耗的因素有很多，刀具結(jié)構(gòu)形式是重要的因素之一。對于反轉(zhuǎn)旋耕機來說，由于其作業(yè)工作原理和刀具的切土機制同正轉(zhuǎn)旋耕機不同，對刀具的結(jié)構(gòu)要求也有所不同。反轉(zhuǎn)旋耕機功耗主要為驅(qū)動功耗，公式（2）為驅(qū)動功耗的計算公式：

P=Mω=Mπn30。JZ）]JY]（2）

式中：P為驅(qū)動功耗，W；M為驅(qū)動扭矩，Nm；n為轉(zhuǎn)速，rmin。

驅(qū)動扭矩主要為克服刀具切削阻力、升土和拋土阻力等所需的作用力矩。影響刀具切削阻力的因素有刀具的切削角（或入土角）、刀刃的刃口鋒利程度、刀具正切面和側(cè)面寬度等。升土和拋土是反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)時重要的步驟，刀具需要把切下的土垡從下帶起，通過刀輥與機罩形成的通道，向后拋出。因此，提高刀具的升土和拋土能力，減少刀具對土垡的重復(fù)切削，可減少切削阻力，提高升土和拋土的效率，可以大大降低機具的功耗。影響刀具升土和拋土能力的因素主要有刀具安裝角、正切面的彎折位置和彎折角、結(jié)構(gòu)形狀、刀具正切面和側(cè)面寬度以及刀軸的轉(zhuǎn)速等。圖4為不同刀具入土角和出土角。

FK（W10]TPZJP4tif]

IT245型標(biāo)準(zhǔn)刀在耕深120 mm時，最低點的入土角為26°，耕深120 mm時的出土角（刀具正切面與地表的夾角）為33°；R245型直角刀入土角為36°，出土角為27°。一般情況下，入土角大，機具容易入土，但對土壤的擠壓嚴(yán)重，入土阻力增大；對反轉(zhuǎn)旋耕機來說，入土角大，刀具的升土和拋土能力增大。出土角大小主要影響刀具的升土能力，出土角小，刀具正切面的斜角小，土垡不容易滑落，升土能力強；反之，出土角大，土垡容易滑落，升土能力弱。

采用特殊刀具結(jié)構(gòu)，如給刀具側(cè)切面、正切面增加擋土面，改善土垡在刀刃面的運動狀態(tài)，可以增強土壤的升土和拋土能力。圖5為增加擋土面的刀具結(jié)構(gòu)示意圖。

FK（W9]TPZJP5tif]

適當(dāng)增加刀具正切面和側(cè)面寬度，可以增加刀具的載土量，從而提高刀具的升土和拋土能力。

不同作業(yè)工況影響刀具的運動軌跡形狀，刀具出土?xí)r的切削速度方向不同，同樣也影響刀具的升土和拋土能力。圖6為不同刀軸轉(zhuǎn)速對刀具切削速度方向的影響示意。

如圖6所示，刀軸轉(zhuǎn)速200、240、280 rmin變化時，刀具出土?xí)r的切削速度V與地表線夾角逐漸變大，刀具對土垡向上的作用速度增大，刀具的升土和拋土能力增大，當(dāng)然刀軸轉(zhuǎn)速增加，整機的功耗也會增加。因此，選擇合適的刀具，還要配合適宜的刀軸轉(zhuǎn)速，既可以增加刀具的升土和拋土能力，又能降低大機具的功耗。

增大刀具的安裝角，減少刀具在土壤中的作用軌跡長度，可以降低整機功耗。如IT245型旋耕刀，安裝角為22°，側(cè)切刃長，滑切能力強，適用于正轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)，防止地表的秸稈、雜草等纏繞，無法入土，但側(cè)切刃長后，刀具在土壤中的作用時間延長，整機功耗就大。直角刀一般安裝角為40°左右，側(cè)切刃縮短，滑切能力減弱，可以減少刀具在土壤中的作用長度。地表的秸稈、雜草等長度較短時，對其影響不大，只需帶向后方，當(dāng)?shù)叵赂巛^少時，可以降低整機的功耗。

5反轉(zhuǎn)旋耕機刀片對其作業(yè)質(zhì)量的影響分析

反轉(zhuǎn)旋耕機作業(yè)一般用于稻麥秸稈覆蓋還田和土壤耕整作業(yè)。農(nóng)藝對一般的旋耕作業(yè)質(zhì)量要求為耕深適宜、深度穩(wěn)定、土壤細(xì)碎、秸稈覆蓋嚴(yán)密、耕后地表平整等。對反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)，尤其提出要對秸稈適應(yīng)能力強，對低茬10 cm左右，還是高茬25 cm以上，要有良好的適應(yīng)性，對秸稈的種類和密度也要有好的適應(yīng)能力?？紤]到水稻旱直播和冬小麥種植的耕作要求，希望耕層上部0～5 cm范圍內(nèi)，秸稈量要少，以利于播種和后期作物的生長。反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)質(zhì)量評價需要引入耕層秸稈分布，通過測定耕層上層0～5 cm單位面積覆蓋的秸稈量占全耕層總秸稈量的百分比，評價秸稈覆蓋質(zhì)量。該指標(biāo)可以間接評價刀具及刀輥作業(yè)系統(tǒng)的升土和拋土能力，覆蓋在秸稈上的土層越厚，耕層上部的秸稈量越小，刀具及其刀輥系統(tǒng)升土和拋土能力就越強。刀具的切削能力強，有利于碎土；增加刀具的表面寬度，有利于提高升土和拋土能力，但是過大的表面寬度，尤其是正切面的寬度過大，刀具切下的土垡截面就大，影響機具的碎土效果，機具功耗也會增大。

64種刀片反轉(zhuǎn)旋耕機田間對比試驗

試驗通過對采用設(shè)計或選擇的4種刀片反轉(zhuǎn)旋耕機，在高留茬、低留茬條件下機具的作業(yè)質(zhì)量和整機功耗的考核，以評價刀片的適用性和功耗。

61試驗條件

611試驗機具

1GKF-200型反轉(zhuǎn)旋耕機：框架式結(jié)構(gòu)；刀片排列形式為人字形；刀軸裝刀數(shù)為48把（原50把排列，左右兩側(cè)也是一內(nèi)一外，試驗時拆除向外的刀具，以保證耕后溝壁的完整，減少土塊外拋）；刀軸設(shè)計轉(zhuǎn)速為200 rmin（n動=540 rmin）、279 rmin（n動=760 rmin），反轉(zhuǎn)旋耕機選擇刀片形式見表1。

612配套拖拉機

考慮大馬力拖拉機應(yīng)用現(xiàn)狀，選用 JS-1304A型拖拉機；拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速：540、760 rmin，試驗用760 rmin；試驗擋位：低Ⅱ擋。

試驗時控制拖拉機油門位置一致；機具耕深調(diào)整為10 cm。

613田間試驗條件

土壤質(zhì)地為壤土，麥茬地，留茬高度為27～40 cm（平均：32 cm），留茬高度在25 cm以上為高留薦，耕前植被4 950 kghm2，無雜草和綠肥；其余情況見表2、圖7、圖8。

FK（W12]HT6H]STHZ]表1刀片形式HTSS]STBZ]

HJ5]BG（！]BHDFG11，WK15。4W]TPZJP5-1tif]TPZJP5-2tif]TPZJP5-3tif]TPZJP5-4tif]

BHDG12]IT245焊接刀直角刀圓弧直角刀

BHDWG42，WK15。4ZQW]SQ2]標(biāo)準(zhǔn)刀，安裝角22°，回轉(zhuǎn)半徑245 mm，工作幅寬50 mmSQ2]在IT245型標(biāo)準(zhǔn)刀基礎(chǔ)上通過焊接改造，增加刀身寬度，增設(shè)刀身擋土面SQ2]安裝角40°左右，回轉(zhuǎn)半徑245 mm，工作幅寬80 mm，正切刃為外延負(fù)角度SQ2]在直角刀的基礎(chǔ)上，正切面的切削刃做成內(nèi)收的圓弧BG）F]

614試驗地點江蘇省淮安經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)廣州路辦事處小堆村；試驗時間：2016年6月16日。

按照GBT 5668—2008《旋耕機》，結(jié)合編制的試驗實施方案進行。

62試驗測試參數(shù)

測試參數(shù)包括驅(qū)動功耗、耕深及耕深穩(wěn)定性、碎土率、植被覆蓋率；還有耕后田面情況和耕層秸稈分布等。

耕后田面情況：要求田面平整，無壅土、壅草情況，無明顯的漏耕，通過目測考核。

耕層秸稈分布：測定耕后土壤耕層中05 m×05 m×05 m 范圍內(nèi)各層的秸稈質(zhì)量，以0～5 cm耕層中秸稈質(zhì)量百分比包括秸稈、根茬（不包括根系部分）占全耕層中總秸稈質(zhì)量的百分比]表示。

63測試結(jié)果

試驗一：高留茬條件測試結(jié)果見表3、表4。試驗二：低留茬條件測試結(jié)果見表5。

74種刀片反轉(zhuǎn)旋耕機田間試驗測試結(jié)果分析

71不同刀片機具的作業(yè)質(zhì)量及分析

從表3、圖9、圖10、圖11可得出，（1）耕深。試驗時通過液壓和鎮(zhèn)壓輥控制，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，測定的結(jié)果基本符合

要求。（2）耕深穩(wěn)定性。測試結(jié)果均大于國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 5668—2008《旋耕機》的規(guī)定（≥85%），符合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)藝要求，刀片之間差異不大，直角刀最好。（3）碎土率。測試結(jié)果均遠大于國際標(biāo)準(zhǔn)GBT 5668—2008《旋耕機》的規(guī)定（≥50%），刀片之間差異不大，IT245最好；由于本試驗考慮刀在現(xiàn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，機具配套拖拉機動力較大，機具刀軸轉(zhuǎn)速較高，機具作業(yè)后碎土效果非常好。（4）植被覆蓋率。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直角刀和焊接刀差異不大，IT245與焊接刀、直角刀相比差異較大，相差分別為134%、130%?？赡苁且驗槠胀ǖ腎T245刀片，側(cè)切面和正切面小，正切面彎折角大（120°），向后的輸土能力差；正切刃的滑切角大，向后的帶秸稈能力差，影響了秸稈的覆蓋效果。（5）耕層秸稈分布。它是用于評價反轉(zhuǎn)旋耕機作業(yè)質(zhì)量的新指標(biāo)，按農(nóng)藝需求秸稈應(yīng)盡量分布在土下5 cm以下，試驗結(jié)果表明焊接刀最好，IT245次之，直角刀最差；直角刀按照理論分析輸土能力應(yīng)該好于IT245和焊接刀，主要原因可能是本次試驗地留茬高度太高，達 27～40 cm（平均32 cm），土壤的水分較大（0～20 cm絕對含水率平均為2921%，容積含水率為3001%），造成試驗時的刀片纏草嚴(yán)重，影響了刀片的輸土能力，加上耕前秸稈分布嚴(yán)重不均，相差最大達590 gm2，也會影響測試結(jié)果（圖8）；耕層秸稈的分布指標(biāo)也差，從圖11可以看出類似的結(jié)果。試驗結(jié)果表明，該指標(biāo)可以作為評價秸稈還田質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。（6）耕后地表情況。它是直觀反映機具作業(yè)質(zhì)量的指標(biāo)。由圖10可知，4種刀片耕后地表平整，埋茬效果依次為直角刀、焊接刀、圓弧直角刀、IT245；IT245最差，地表遺留秸稈較多。測試結(jié)果表明，直角刀升土和輸土能力最好，焊接刀次之。說明減小刀片的彎折角、增大側(cè)切面和正切面可以提高埋茬能力。

72不同刀片機具的驅(qū)動功耗

不同刀片機具的驅(qū)動功耗能反映整機的使用經(jīng)濟性，也是評價刀片質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于影響機具功耗的因素很多，本試驗主要考核刀片對機具功耗的影響，不同刀片應(yīng)該在同一工況下評價，由于田間試驗的不確定性因素多，試驗區(qū)土壤堅實度不均勻，會影響機具功耗的測試結(jié)果。

從表4、圖12可知，試驗一機具的驅(qū)動功耗由大到小依次為圓弧直角刀、直角刀、焊接刀、IT245。直角刀作業(yè)時刀片纏草嚴(yán)重，刀片的切土阻力大，造成整機的功耗大；圓弧直角刀作業(yè)時有刀片基本無纏草，但由于可能是試驗時機手對拖拉機的油門控制過大，旋耕刀軸的實際轉(zhuǎn)速遠高于其他3種刀片，機組作業(yè)速度也高于其他刀片。

低留茬條件下的驅(qū)動功耗差距不明顯（圖13），IT245的功耗稍大于直角刀，IT245耕深大于直角刀，作業(yè)速度又小于直角刀，兩者的影響可以互相抵消。試驗時直角刀也無纏草，耕后地表直角刀優(yōu)于IT245。

8結(jié)論

反轉(zhuǎn)旋耕機采用直角刀，土壤質(zhì)地為壤土，留茬高度不大于20 cm，作業(yè)后地表平整，埋茬嚴(yán)密；旋耕刀軸作業(yè)時也基本無纏草，整機功耗與IT245差異不大。直角刀、圓弧直角刀、焊接刀均可以提高機具的埋茬質(zhì)量，耕后地表情況為直角刀最好。直角刀不適用于留茬高度大于25 cm的麥秸稈還田作業(yè)，機具的刀軸纏草嚴(yán)重，功耗遠大于其他刀片；圓弧直角刀可以減少刀軸纏草，值得深入研究。采用耕層秸稈分布指標(biāo)，可以反映農(nóng)藝對麥秸稈覆蓋還田旋耕作業(yè)的技術(shù)要求，能用于間接評價反轉(zhuǎn)旋耕刀具及機具的升拋土能力。要降低反轉(zhuǎn)旋耕機作業(yè)功耗，刀軸轉(zhuǎn)速需嚴(yán)格控制，盡可能不超過 280 rmin。

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