雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能影響研究

趙艷忠，王運(yùn)興，禹?xiàng)潡?/p>

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

0 引言

雙圓盤開(kāi)溝器是免耕播種機(jī)上的重要工作部件，其原理是利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的平面圓盤切開(kāi)土壤，并將土壤向兩側(cè)推擠而形成深淺一致、溝形平整的種溝[1-3]。由于免耕茬地地表堅(jiān)實(shí)且覆有大量秸稈，導(dǎo)致開(kāi)溝器入土困難、阻力大，因此需提高開(kāi)溝器破茬入土性能，以保證播種質(zhì)量，降低開(kāi)溝阻力[4-5]。

國(guó)外專家對(duì)免耕播種機(jī)的開(kāi)溝器進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。T．Vamerali[6]等人在不同試驗(yàn)地進(jìn)行開(kāi)溝器與種子的出苗情況及開(kāi)溝溝形的研究，結(jié)果表明：雙圓盤開(kāi)溝器性能良好。B．A．Collions[7]等人對(duì)于雙圓盤開(kāi)溝器的受力情況進(jìn)行分析，并對(duì)開(kāi)溝器的開(kāi)溝阻力與前進(jìn)速度、開(kāi)溝深度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明：開(kāi)溝阻力與前進(jìn)速度、開(kāi)溝深度之間呈現(xiàn)出線性相關(guān)。國(guó)內(nèi)對(duì)保護(hù)性耕作愈加重視，已對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行大量研究。于慧春[8]等人對(duì)圓盤開(kāi)溝器的運(yùn)動(dòng)及開(kāi)溝形狀進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和分析，通過(guò)分析開(kāi)溝器的受力及運(yùn)動(dòng)，得出改進(jìn)后圓盤直徑為300mm，圓盤夾角為12°～16°。趙麗琴[9]等人設(shè)計(jì)的小型小麥免耕播種機(jī)中應(yīng)用雙圓盤開(kāi)溝器，其參數(shù)為圓盤直徑350mm、聚點(diǎn)位置50°、圓盤夾角10°，試驗(yàn)表明：該播種機(jī)能夠滿足北方旱作地區(qū)小麥播種機(jī)的作業(yè)要求。王慶杰等[10]研制一種楔刀型免耕播種開(kāi)溝器，通過(guò)將該開(kāi)溝器和尖角式開(kāi)溝器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：該開(kāi)溝器在工作過(guò)程中對(duì)土壤擾動(dòng)小，且種溝內(nèi)的土壤容重較小，能夠有效地降低能量消耗。

本文通過(guò)對(duì)雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出影響開(kāi)溝器播種深度穩(wěn)定性和開(kāi)溝阻力的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以更好地滿足作業(yè)性能要求。

1 雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)及性能分析

1.1 雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)

雙圓盤開(kāi)溝器的兩個(gè)圓盤，以對(duì)稱方式安裝在立柱兩側(cè)，兩圓盤刃口相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為雙圓盤開(kāi)溝器的聚點(diǎn)，同時(shí)兩圓盤會(huì)形成一圓盤夾角，如圖1所示。

(a) 三維圖結(jié)構(gòu)圖

(b) 二維結(jié)構(gòu)圖 1.圓盤 2.軸承及軸承端蓋 3.立柱圖1 雙圓盤開(kāi)溝器示意圖Fig.1 Schematic diagram of double discs drill opener

雙圓盤開(kāi)溝器作業(yè)時(shí)，主要靠自重及播種機(jī)質(zhì)量進(jìn)行開(kāi)溝和破茬，開(kāi)溝器中部立柱采用頂絲與播種機(jī)連接，破土深度能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 雙圓盤開(kāi)溝器開(kāi)溝性能分析

開(kāi)溝器聚點(diǎn)m即為兩圓盤的交點(diǎn)，雙圓盤開(kāi)溝器聚點(diǎn)位置如圖2所示，聚點(diǎn)角度為β。開(kāi)溝器工作時(shí)，聚點(diǎn)位于地面稍上方，若聚點(diǎn)位置過(guò)低，則會(huì)造成開(kāi)溝器圓盤堵塞，增加軸承磨損程度；聚點(diǎn)過(guò)高則會(huì)造成開(kāi)出的種溝寬度過(guò)大[11]。因此，聚點(diǎn)的高度對(duì)于播種機(jī)整機(jī)的工作性能影響較大，β的取值為55°～75°。試驗(yàn)中，由于地表有著大量的秸稈和雜草，為防止雙圓盤開(kāi)溝器的堵塞，β取值為70°。

圖2 雙圓盤開(kāi)溝器聚點(diǎn)Fig.2 The point of double discs drill opener

開(kāi)溝的寬度b受圓盤直徑D和圓盤夾角φ的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，得出開(kāi)溝寬度b，即

(1)

式中b—開(kāi)溝寬度(mm)；

D—圓盤直徑(mm)；

β—聚點(diǎn)位置夾角(°)；

φ—圓盤夾角(°)。

由式(1)可得出：隨圓盤直徑及夾角的增大，開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝寬度越大，種溝中間凸起越大，播種效果越差。

1.3 雙圓盤開(kāi)溝器力學(xué)分析

雙圓盤開(kāi)溝器工作過(guò)程中，主要受牽引力及土壤對(duì)開(kāi)溝器的阻力，如圖3所示。而圓盤作業(yè)時(shí)，對(duì)土壤有兩方面作用：切割土壤和推壓土壤[12-13]。因此，對(duì)雙圓盤開(kāi)溝器進(jìn)行受力分析，需從3個(gè)方面分析：刃口處切削力Q、圓盤正壓力N和圓盤剪切力F。

圖3 圓盤與土壤作用力Fig.3 The force of discs and soil

1)刃口切削力Q，即

(2)

式中l(wèi)—圓弧刀刃與土壤接觸弧長(zhǎng)。

(3)

即

(4)

由式(4)可知：當(dāng)R>h時(shí)，通過(guò)求偏導(dǎo)可知，函數(shù)Q為增函數(shù)，故刃口切削力Q隨著圓盤直徑D的增大而增大。

2)圓盤正壓力N，即

(5)

式中s—圓盤側(cè)面與土壤接觸面積。

(6)

由式(5)、式(6)可知：正壓力N隨著圓盤直徑D的增大而增大。

3)圓盤剪切力F，即

(7)

由式(6)、式(7)可知：隨著圓盤直徑的增大，正壓力增加，圓盤所受土壤的作用力隨圓盤直徑的增大而增大。

2 雙圓盤開(kāi)溝器性能試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

雙圓盤開(kāi)溝器工作時(shí)，播種深度穩(wěn)定性及開(kāi)溝阻力是評(píng)價(jià)播種性能的重要指標(biāo)，因此試驗(yàn)中選取播種深度h及開(kāi)溝阻力F作為試驗(yàn)指標(biāo)。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及實(shí)際要求，開(kāi)溝器圓盤直徑過(guò)大，不僅造成安裝尺寸增大，還會(huì)導(dǎo)致種溝中間凸起較大，種溝溝底平整性差，開(kāi)溝器的直徑范圍定為260～340 mm；開(kāi)溝器圓盤夾角過(guò)小，種溝溝底平整，但易造成播種深度較淺；若圓盤夾角過(guò)大，種溝凸起較大，因此，開(kāi)溝器角度范圍為10°～18°。根據(jù)試驗(yàn)要求，共設(shè)計(jì)10種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的雙圓盤開(kāi)溝器進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。

(a) 不同夾角開(kāi)溝器

(b) 不同直徑開(kāi)溝器圖4 不同夾角及不同直徑開(kāi)溝器Fig.4 Different angle and Different diameter drill opener

2.2 雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開(kāi)溝阻力的影響

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

試驗(yàn)于2016年6月在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院土槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，如圖5所示，試驗(yàn)設(shè)備：TCC-3土槽試驗(yàn)車(0～8km/h)；土槽；BK-1A柱式傳感器；SC-900型土壤堅(jiān)實(shí)度儀；環(huán)刀組件(容積100cm3)；卷尺、直尺等。試驗(yàn)條件：土壤為典型東北黑土；土壤平均含水率為17.5%(0～20cm)；土壤平均堅(jiān)實(shí)度為0.78MPa。

1.土槽 2.滑軌 3.試驗(yàn)臺(tái)車 4.懸掛架 5.采集裝置 6.測(cè)力架 7.傳感器 8.開(kāi)溝器 9.限深輪圖5 開(kāi)溝器試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Opener test rig

2.2.2 試驗(yàn)裝置及預(yù)試驗(yàn)分析

將雙圓盤開(kāi)溝器安裝在三向測(cè)力裝置上，采用拉力傳感器，根據(jù)二力桿的原理，依據(jù)中心、對(duì)稱分布的原則，用鉸接方式連接。傳感器分別在前進(jìn)方向、側(cè)向及垂直方向上分布，通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)得出圓盤直徑及夾角對(duì)前進(jìn)阻力、側(cè)向力及垂直合力的影響，如圖6所示。

(a)

(b)圖6 圓盤直徑及夾角對(duì)三向力的影響Fig.6 Effect of disc diameter and angle on three direction force

由圖6可得出：圓盤直徑及夾角對(duì)前進(jìn)方向的牽引阻力影響明顯，對(duì)側(cè)向力及垂直合力影響較小。這是因?yàn)殚_(kāi)溝器兩個(gè)圓盤以對(duì)稱方式安裝在立柱兩側(cè)，切割土壤時(shí)，作用在圓盤上左右兩邊側(cè)向力相互抵消；垂直合力主要與入土深度及機(jī)具自重和播種機(jī)重量有關(guān)。因此，試驗(yàn)主要研究圓盤直徑及夾角對(duì)前進(jìn)方向的牽引阻力的影響。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)不同圓盤直徑下雙圓盤開(kāi)溝器的牽引阻力研究。采用單因素試驗(yàn)方法對(duì)不同圓盤直徑的牽引阻力進(jìn)行研究，試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)溝器圓盤直徑分別取260、280、300、320、340 mm，開(kāi)溝器雙圓盤夾角取14°，試驗(yàn)時(shí)土槽試驗(yàn)車前進(jìn)速度為0.8m/s，開(kāi)溝深度60 mm。試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同圓盤直徑的開(kāi)溝阻力Table 1 The resistance of different discs diameter

由表1可以看出：隨圓盤器直徑D的增大，開(kāi)溝阻力F呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，因?yàn)閳A盤直徑過(guò)大，土壤擾動(dòng)量會(huì)越大。擬合出圓盤直徑D與開(kāi)溝阻力F擬合方程為

y=0.004x2-1.672x+353.1

(8)

圖7為開(kāi)溝阻力與圓盤直徑的擬合關(guān)系曲線。其中，x為開(kāi)溝器圓盤直徑，回歸函數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.942，說(shuō)明回歸函數(shù)擬合可靠；開(kāi)溝阻力F隨著圓盤直徑D的變化呈現(xiàn)二次變化，且隨著圓盤直徑的增大，開(kāi)溝阻力不斷增大，與雙圓盤開(kāi)溝器受力分析結(jié)果一致。

圖7 擬合不同直徑開(kāi)溝阻力的變化Fig.7 The resistance of different diameter by fitting

2)不同圓盤夾角下雙圓盤開(kāi)溝器的牽引阻力研究。采用單因素試驗(yàn)方法對(duì)不同圓盤夾角的牽引阻力進(jìn)行研究，試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)溝器圓盤夾角分別取10°、12°、14°、16°、18°，開(kāi)溝器雙圓盤直徑取300mm，試驗(yàn)時(shí)土槽試驗(yàn)車前進(jìn)速度為0.8m/s，開(kāi)溝深度60mm。試驗(yàn)重復(fù)3次，如表2所示。

表2 不同圓盤夾角的開(kāi)溝阻力Table 2 The resistance of different discs angle

由表2可以看出：隨著圓盤夾角的增大，雙圓盤開(kāi)溝器的開(kāi)溝阻力不斷增大。因?yàn)閳A盤夾角越大，土壤擾動(dòng)越大，故開(kāi)溝阻力增大。擬合出圓盤夾角α與開(kāi)溝阻力F之間的擬合方程為

y=1.508x2-16.41x+161.2

(8)

圖8為開(kāi)溝阻力與圓盤夾角的擬合關(guān)系曲線。其中，x為開(kāi)溝器圓盤夾角，回歸函數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.99，說(shuō)明回歸函數(shù)擬合可靠；開(kāi)溝阻力F隨著圓盤夾角α的變化呈現(xiàn)二次變化，且隨著圓盤夾角的增大，開(kāi)溝阻力不斷增大，與雙圓盤開(kāi)溝器受力分析結(jié)果一致。

圖8 擬合不同夾角開(kāi)溝阻力的變化Fig.8 The resistance of different angle by fitting

2.3 開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)播種深度的影響

2.3.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置：拖拉機(jī)為寧波484拖拉機(jī)，功率為35.28kW；2BM-2型免耕播種機(jī)；輔助工具為卷尺、鋼板尺，電子秤等。試驗(yàn)條件：土壤平均含水率為25.83%；土壤容重為1.42g/cm3；地表秸稈量平均值為790.4g/m2，田間試驗(yàn)情況如圖9所示。

圖9 開(kāi)溝器田間試驗(yàn)Fig.9 Field experiment of opener

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)不同圓盤直徑下雙圓盤開(kāi)溝器的播種深度性能研究。研究雙圓盤開(kāi)溝器對(duì)播種深度的影響。試驗(yàn)中，采用單因素試驗(yàn)方法，探究不同圓盤直徑對(duì)播種深度的影響，開(kāi)溝器圓盤直徑分別取260、280、300、320、340mm，開(kāi)溝器雙圓盤夾角取14°，播種機(jī)田間試驗(yàn)時(shí)，采用慢四檔位，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果如表3所示。

表3 不同圓盤直徑下的播種深度Table 3 The result of seeding depth in different disc diameter

如表3所示，當(dāng)圓盤夾角α和前進(jìn)速度v一定時(shí)，隨圓盤直徑D增加，播種深度h加深，當(dāng)直徑達(dá)到300 mm時(shí)，播種深度趨于穩(wěn)定，因?yàn)閳A盤直徑D直接影響開(kāi)溝器回土量：當(dāng)圓盤直徑較小時(shí)，種溝的回土量較大，造成播種深度較淺，且開(kāi)溝器通過(guò)性不好，隨著圓盤直徑D的增大，回土量逐漸減小，播種深度逐漸增大，開(kāi)溝器通過(guò)性較好。擬合出圓盤直徑D與播種深度h之間的擬合方程為

y=-0.003x2+2.275x-313.4

(9)

圖10為播種深度與圓盤直徑的擬合關(guān)系曲線。其中，x為開(kāi)溝器圓盤直徑，回歸函數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.968，說(shuō)明回歸函數(shù)擬合可靠。對(duì)播種深度穩(wěn)定性分析如表4所示。

圖10 擬合開(kāi)溝器圓盤直徑對(duì)播種深度的影響Fig.10 The effect of opener diameter on seeding depth by fitting表4 播深穩(wěn)定性分析Table 4 Analysis of the sowing depth stability

圓盤直徑D/mm播深平均值/mm標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)/%26038.703.739.6428045.304.7810.5630051.905.5810.7532051.808.2115.8534050.509.5218.86

由表4可以看出：隨著開(kāi)溝器圓盤直徑D的增大，播種深度的變異系數(shù)逐漸增大，即播深穩(wěn)定性逐漸降低；當(dāng)開(kāi)溝器圓盤直徑D范圍在260～300mm時(shí)，播種深度穩(wěn)定性較好。

2)不同圓盤夾角下雙圓盤開(kāi)溝器的播種深度性能研究。試驗(yàn)中，采用單因素試驗(yàn)方法，探究不同圓盤夾角對(duì)播種深度的影響，開(kāi)溝器圓盤夾角分別取10°、12°、14°、16°、18°，開(kāi)溝器雙圓盤直徑取300mm，播種機(jī)田間試驗(yàn)時(shí)，采用慢四檔位，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。結(jié)果如表5所示。

表5 不同圓盤夾角下播種深度結(jié)果Table 5 The result of seeding depth in different disc angle

當(dāng)圓盤直徑D、前進(jìn)速度v一定時(shí)，隨著圓盤夾角增大，播種深度平均值不斷增加，當(dāng)夾角大于14°，播種深度則不斷減小。圓盤夾角越小，回土量越大，會(huì)導(dǎo)致播種深度較淺；圓盤夾角過(guò)大時(shí)，開(kāi)出的種溝中間會(huì)有一定的凸起，造成播種深度變淺。擬合出雙圓盤開(kāi)溝器夾角α與播種深度h的擬合方程為

y=-0.599x2+17.72x-80.05

(10)

圖11為播種深度與圓盤夾角的擬合關(guān)系曲線。其中，x為開(kāi)溝器圓盤夾角，回歸函數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.906，說(shuō)明回歸函數(shù)擬合可靠。對(duì)播種深度的穩(wěn)定性分析如表6所示。

圖11 擬合開(kāi)溝器圓盤夾角對(duì)播種深度的影響

Fig.11 The effect of angle on seeding depth by fitting表6 播深穩(wěn)定性分析Table 6 Analysis of the sowing depth stability

由表6可以得出：隨著開(kāi)溝器圓盤夾角α的增大，播深變異系數(shù)先減小后增大，即播深穩(wěn)定性先增加后降低；當(dāng)開(kāi)溝器圓盤夾角α的范圍在10°～14°時(shí)，播深穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

1)對(duì)影響播種性能的雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，主要分析雙圓盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開(kāi)溝阻力及播種深度的影響。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排，確定雙圓盤開(kāi)溝器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)并加工制造10種不同參數(shù)的開(kāi)溝器。

2)經(jīng)過(guò)土槽試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，雙圓盤開(kāi)溝器參數(shù)對(duì)開(kāi)溝阻力F有明顯影響，隨著圓盤直徑D增大，開(kāi)溝阻力F呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)；隨著圓盤夾角α的增大，開(kāi)溝阻力F呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。

3)針對(duì)2BM-2型免耕播種機(jī)播種性能進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)圓盤直徑D、圓盤夾角α進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出：隨著圓盤直徑D的增大，播種深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，播深穩(wěn)定性先增大后降低，當(dāng)圓盤直徑達(dá)到D=300mm時(shí)，播深穩(wěn)定性較好；隨著圓盤夾角α的增大，播種深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，播深穩(wěn)定性先增加后降低，當(dāng)圓盤夾角α=14°時(shí)，播深穩(wěn)定性較好。