深施肥機旋耕部件關鍵參數(shù)設計與試驗

李　緒，吳雪梅，高　貴，周　兵，丁　飛，張富貴

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽　550025；2.貴州省煙草公司 黔西南州公司，貴州 興義　562400；3.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義　563000)

0　引言

煙草是貴州的特色作物之一，在種植過程中要經(jīng)過旋耕整地、施肥、覆膜等環(huán)節(jié)[1-2]。作為煙草農(nóng)用機械，深施肥機與輪式拖拉機配套使用，可一次完成旋耕碎土、地表平整等作業(yè)，操作方便、施用范圍廣、工作效率高，對煙草的種植發(fā)揮了重要作用[3-4]。旋耕整地作為首要環(huán)節(jié)，其作業(yè)質(zhì)量要滿足后續(xù)環(huán)節(jié)的需要。加大耕深可以增加施肥深度，提高肥效利用率、防止化肥揮發(fā)，有利于作物根系對養(yǎng)分的吸收。根據(jù)煙草農(nóng)藝規(guī)范，化肥深施肥必須達到25cm。貴州地區(qū)土壤濕度較大，以紅、黃黏土為主，旋耕整地之后土壤顆粒較大，成塊狀分布，嚴重影響后期覆膜效果和煙草苗期的長勢[5-6]。針對以上問題，本文以刀輥直徑、旋耕速比、旋耕刀類型為試驗因素，使深施肥機達到目標耕深合格率和碎土率。通過正交試驗設計法，對影響深施肥機耕深合格率和碎土率的3個因素顯著程度和每個因素的最優(yōu)水平進行分析和確定，對深施肥機進行參數(shù)優(yōu)化，得出較優(yōu)作業(yè)條件。本研究為貴州煙草農(nóng)業(yè)機械的改進設計提供了參考依據(jù)。

1　試驗平臺結構

本試驗深施肥機旋耕結構主要由機架、懸掛架、變速箱、覆土輪、刀輥等組成，如圖1所示。本機傳動系統(tǒng)由拖拉機動力輸出軸輸出動力經(jīng)萬向節(jié)傳遞給變速箱驅(qū)動刀輥回轉(zhuǎn)。

1.機架　　2.外槽輪　3.直流電機　4.肥箱　5.懸掛架　6.取肥口 7.斜板　8.排肥軸片　9.覆土輪　10.排肥管　11.開溝器　 　12.變速箱　13.刀軸　14.刀片

深施肥機旋耕性能參數(shù)如表1所示。

表1　主要旋耕性能參數(shù)

2 　試驗設計

2.1　試驗方案的確定

2.1.1評價指標的確定

耕深合格率是指在試驗條件下所測點數(shù)耕深在25～30cm之間占總測點數(shù)的百分比。碎土率是在檢測樣本區(qū)域內(nèi)，以檢測點為中心取面積0.5m×0.5m的全耕層內(nèi)，邊長最大值小于4cm的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，取5點平均值[7-8]。本文研究以耕深合格率、碎土率作為深施肥機旋耕性能的評價指標，通過專家調(diào)查法確定耕深合格率、碎土率評價指標在數(shù)據(jù)處理中的權重各為0.5、0.5[9]。

耕深合格率Y的計算公式為

(1)

其中，Q為耕深測點合格數(shù)；S為耕深測點總數(shù)。

碎土率E的的計算公式為

(2)

其中，E為碎土率(%)；Ma最長邊長小于4cm的土塊(g)；Mb為0.5m×0.5m面積內(nèi)的全耕層土塊的質(zhì)量(g)。

2.1.2影響因素的確定

根據(jù)有關學者的研究，影響旋耕裝置耕深大小和碎土率的主要因素有旋耕刀類型、刀輥轉(zhuǎn)向、旋耕速比、刀輥直徑、切土節(jié)距、作業(yè)幅寬及土壤含水率等。刀輥直徑越大，其耕深往往越大。土壤含水率過大會引起土壤黏結現(xiàn)象嚴重，使碎土率增加。機組前進速度影響切土節(jié)距的大小，間接影響碎土率[9-12]。本文是在旋耕裝置無升力自然下放、土壤各向同性、相同配重、作業(yè)幅寬及刀輥正轉(zhuǎn)條件下進行的深施肥機旋耕性能試驗。選取選旋耕刀類型、旋耕速比、刀輥直徑為性能主要影響因素。

2.1.3因素水平的確定

1)本研究選擇臥式旋耕機常用的較多的彎刀、直角刀和鑿型刀作為旋耕刀類型的3個因素水平，從上到下依次為直角刀、彎刀、鑿型刀，如圖2所示。

2)刀片運動軌跡形狀受到旋耕速比的影響，如圖3所示。

λ<1時，運動軌跡為短擺線；λ=1時，運動軌跡為滾擺線；λ>1時，運動軌跡為余擺線。通過圖2得知刀片向后拋土的條件為：λ>1，其線型為余擺線。在余擺線和其余結構參數(shù)不變的情況下，速比不同其刀片運動形狀也不同，軌跡最大弦長隨著λ值的增加而增加；當λ趨于無窮大時，刀片端點的絕對運動軌跡為圓形，耕深可達最大值，此時機組前進速度幾乎為零，并不符合實際。旋耕速比λ的常用值為4～10。機具正常前進速度一般為0.5～1.5m/s，旋耕機刀輥外緣線速度一般為5～7m/s，經(jīng)計算和預試驗確定因素水平λ分別為4.3、6.8、8.1。

3)正轉(zhuǎn)旋耕時，加大刀輥直徑可加大耕深，但刀輥直徑不宜過大以免使其結構笨重。選取旋耕刀型號為195、225、245等3種旋耕刀，其刀輥直徑分別為210、240、260cm。

圖2　旋耕刀類型

圖3　旋耕刀運動軌跡圖

2.1.4正交試驗設計

根據(jù)評價指標及影響，因素并考慮作業(yè)實際狀況，選取旋耕刀類型、旋耕速比和刀輥直徑3個優(yōu)化因素為影響因素，以耕深合格率和碎土率為指標，形成三因素三水平試驗方案。

以上3個因素之間交互作用較小，利用正交表L9(34)設計試驗，并設置一列誤差列。因素水平如表2所示。

表2　因素水平表

2.2　試驗設備及條件

測試深施肥旋耕機懸掛在額定功率為58.8kW的耕王-RC804拖拉機上，3種旋耕刀片可以自由匹配安裝到旋耕機刀軸，并采用螺旋線排列方式。通過對拖拉機檔位和油門的調(diào)節(jié)，近似獲取刀輥轉(zhuǎn)速、機具前進速度的值，以便確定旋耕速比。試驗在貴州大學試驗農(nóng)場進行，測區(qū)長度為30m，寬度為20m，兩端各留取5m為準備區(qū)，中間20m為數(shù)據(jù)采集區(qū)[13]。土質(zhì)為無茬地，土壤平均絕對含水率為17.86%。

3　結果與分析

3.1　旋耕刀運動參數(shù)與分析

臥式正轉(zhuǎn)旋耕機工作時，旋耕刀上各點的運動軌跡均為余擺線。刀端點運動分析如圖4所示[14-16]。

圖4　旋耕刀運動分析圖

旋耕機正常時，入土點M0運動方程為

(3)

式中Vm—機組前進速度(m/s)；

R—旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

ω—旋耕刀角速度(rad/s)；

ωt—旋耕刀的轉(zhuǎn)角(rad)。

旋耕刀滿足向后拋土的條件時，刀片絕對運動軌跡上任意一點的的絕對速度水平分速Vx<0。根據(jù)上述方程，令

(4)

(5)

令

(6)

代入式(4)，得

(7)

切土節(jié)距計算公式為

(8)

式中Vm—機組前進速度(m/s)；

R—旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

n—刀輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

由式(7)、式(8)可知：旋耕半徑R和旋耕速比λ都會對耕深最大值產(chǎn)生影響，增大λ和R都可加大耕深。一般選用偏大λ值(機組前進速度降低)，滿足耕深的條件下不僅可以保證有合理的動態(tài)隙角、旋耕刀正切面不擠推未耕土壤，而且減小切土節(jié)距，提高碎土質(zhì)量。但機組前進速度不可過慢，以免產(chǎn)生刀輥轉(zhuǎn)速過快、功率消耗增加等問題。所以，在確定其參數(shù)時要整體考慮，以實現(xiàn)不同整地要求的作業(yè)。

3.2　正交試驗結果與分析

正交試驗方案及正交試驗結果如表3所示，試驗現(xiàn)場圖如圖5所示。

表3　試驗方案及正交試驗結果

Y為耕深合格率(%)；E為碎土率(%)，下同。

由表3可知，3、5、7號試驗耕深明顯高于其他組。其中，3號試驗的耕深合格率最高為98.3%，1、6；8號試驗耕深合格率較低，分別為11.2%、43.4%、36.2%；3、6、9號試驗碎土率較其他組高，最高的是3號試驗，最低的是4號試驗。上述結果表明：對耕深合格率影響較顯著的因素為刀輥直徑，對碎土率影響顯著的因數(shù)為旋耕速比。刀輥直徑越大，耕深合格率越高，旋耕速比越大，碎土率越大。

圖5　試驗現(xiàn)場圖

3.3　試驗結果極差分析

根據(jù)表3正交試驗結果，運用極差分析法進行分析，結果如表4所示。

表4　正交試驗極差分析

為了便于直觀分析，作各因子效應曲線，結果如圖6和圖7所示。

圖6　耕深合格率因子效應曲線圖

圖7　碎土率因子效應曲線圖

運用綜合平衡法對上述結果分析，由表4、圖6、7可知：影響耕深合格率的主次因素依次為C>B>A,得到的優(yōu)方案為C3B3A3。耕深合格率隨著刀輥直徑的增加而增加，刀輥直徑分別為21cm和26cm時，耕深合格率分別為最小值30.3%、最大值93.7%。由此可知：刀輥直徑對耕深大小影響至關重要。根據(jù)極差大小分析，旋耕速比也為影響耕深大小的重要因素，旋耕速比在8.1時較在6.8與4.3時分別高出1.8%、17.1%。旋耕刀類型對耕深合格率影響較小，極差僅為3.2%，在對耕深優(yōu)化設計時可將其忽略。

對于碎土率，旋耕刀類型、旋耕速比、刀輥直徑的較優(yōu)水平依次為A1B3C3，影響碎土率的主次因素依次為B>A>C。對于因素A，對耕深合格率影響最小，A1水平上碎土率最大；對于因素B，B3水平相比B2、 B1水平，碎土率分別高出7.1%、20.9%，耕深合格率也較大；對于因素C，各水平下碎土率變化較小，但對耕深合格率影響非常大。為了進行后續(xù)的方差分析，在設計時留出誤差列D。綜合考慮各因素對耕深合格率和碎土率的影響程度，得出最優(yōu)組合方案為A1B3C3。

3.4　試驗結果方差分析

根據(jù)表3正交試驗結果，運用方差分析法進行分析，分析結果如表5所示。由表5可以看出：對耕深合格率影響最顯著的因素是刀輥直徑C，其次是旋耕速比B，旋耕刀類型對耕深合格率沒有顯著影響，這與極差分析的主次因素C>B>A結論一致。對碎土率影響最顯著的因素是旋耕速比B，旋耕刀類型A影響次之，刀輥直徑對碎土率沒有顯著影響，這與極差分析的主次因素B>A>C結論一致。

表5　正交試驗方差分析

續(xù)表5

*代表比較顯著；**代表顯著；***代表最為顯著。

4　驗證試驗

對上文正交試驗得出的組合方案A1B3C3，進行3次重復試驗，結果如表6所示。

表6　驗證試驗結果

由表5結果可知：試驗結果穩(wěn)定性好，結果優(yōu)于正交試驗，說明A1B3C3是最優(yōu)組合方案。但從作業(yè)效率來考慮，較大的旋耕速比影響機具前進速度，所以在此方案基礎上適當增加機具前進速度也是一個不錯的選擇。

5　結論

1)對影響耕深和碎土率的因素旋耕速比進行了理論與參數(shù)分析，適當選用偏大的λ值可以增加耕深，減小切土節(jié)距，提高碎土質(zhì)量。

2)影響根深合格率的主次因素為刀輥直徑、旋耕速比、旋耕刀類型，影響碎土率的主次因素為旋耕速比、彎刀、刀輥直徑。

3)通過三因素三水平正交試驗，綜合考慮各因素對耕深合格率和碎土率的影響程度，可得出最優(yōu)組合方案為：旋耕刀類型選用旋耕彎刀，旋耕速比為8.1，刀輥直徑為26cm。

4)本文可為深耕和碎土等農(nóng)業(yè)機具的設計與優(yōu)化提供參考依據(jù)。