山地果園開溝機(jī)傾斜螺旋式開溝部件設(shè)計與優(yōu)化

王少偉，李善軍，張衍林，張 池，陳 紅，孟 亮

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山地果園開溝機(jī)傾斜螺旋式開溝部件設(shè)計與優(yōu)化

王少偉，李善軍※，張衍林，張 池，陳 紅，孟 亮

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，武漢 430070 3. 農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

為緩解中國山地果園開溝施肥作業(yè)中，可用開溝機(jī)型短缺、已有開溝機(jī)型普遍存在開溝功耗高、開溝穩(wěn)定性差的問題，該文設(shè)計并優(yōu)化了山地果園開溝機(jī)傾斜螺旋式開溝部件，進(jìn)行了直刃刀、曲刃刀與齒形刀對比試驗和齒形刀開溝刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真試驗。為驗證優(yōu)化效果及分析作業(yè)參數(shù)對開溝功耗的影響，進(jìn)行了開溝作業(yè)參數(shù)對開溝功耗影響試驗。試驗結(jié)果表明：開溝功耗方面曲刃刀與齒形刀較優(yōu)且差異不大，直刃刀較差；開溝溝深穩(wěn)定性方面3者比較接近。利用響應(yīng)面分析方法和EDEM軟件建立了齒形刀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真模型，仿真結(jié)果表明：對開溝功耗影響顯著順序為折彎角>刃角>安裝角>齒形。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)為安裝角4.5°，折彎角49°，刃角21°，原齒倍數(shù)1.25，對應(yīng)開溝功耗為9.73kW。對開溝功耗影響顯著順序為溝深>前進(jìn)速度>開溝轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速為566r/min時，開溝功耗較低。優(yōu)化后開溝功耗降低12.80%，溝深穩(wěn)定性系數(shù)提高1.18%。對比現(xiàn)有開溝機(jī)，開溝功耗降低22.22%，溝深穩(wěn)定性系數(shù)提高7.2%～8.5%。研究結(jié)果可為山地果園開溝機(jī)開溝部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和開溝刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

機(jī)械化；優(yōu)化；山地果園；開溝機(jī)；螺旋開溝

0 引 言

中國目前是全球第一大水果生產(chǎn)國，果品產(chǎn)業(yè)已成為很多地區(qū)農(nóng)民增收和社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。在果園農(nóng)藝管理過程中開溝施肥是一項重要工作，開溝可以疏松土壤促進(jìn)根系發(fā)育，施肥能夠增強果樹抗逆能力提高果實產(chǎn)量。中國果園大多建在山地丘陵之上，果園地表不平，土質(zhì)堅硬，富含雜草石塊，土層根系盤雜[1]。果園開溝作業(yè)主要由人工完成，人工開溝勞動強大度，生產(chǎn)效率低，開溝質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動力成本高[2-4]。因此需要機(jī)械開溝代替人工開溝。

近年來國內(nèi)外學(xué)者圍繞果園開溝機(jī)做了大量研究[5-7]?？到鱗3]設(shè)計出“正弦指數(shù)曲線-圓弧”組合型開溝刀片，安裝在圓盤式果園開溝機(jī)上并在延慶縣農(nóng)機(jī)推廣站果園進(jìn)行了田間試驗，果園土壤為黃壤土作業(yè)效果較好。阿布里孜·巴斯提等[2]研制了1K-40型偏置式果園開溝機(jī)，可不受樹冠枝葉影響，在哈密市農(nóng)科院紅棗葡萄園進(jìn)行了開溝試驗。李杰銀[7]課題組研制出3GK-300型鏈?zhǔn)焦麍@開溝機(jī)，采用在刀刃表面噴焊Ni60A金屬陶瓷涂層方法使刀具使用壽命提高2.5倍。葉強[8]設(shè)計了適宜低矮狹小空間作業(yè)的雙旋耕輪果園開溝機(jī)，在湖南省寧鄉(xiāng)縣、長沙縣等地的葡萄園、煙苗地進(jìn)行了試驗，需要2次作業(yè)成型。還有部分學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法對果園開溝機(jī)的設(shè)計、優(yōu)化進(jìn)行仿真分析：周波等[4]利用有限元法、光滑粒子流體動力學(xué)法對反旋雙軸立式螺旋果園開溝機(jī)進(jìn)行模擬研究，減小了開溝機(jī)的功耗和振動；國外有報道使用ABAQUS軟件模擬分析基于鼴鼠前爪結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿生開溝器與傳統(tǒng)普通開溝器的差異，發(fā)現(xiàn)仿生開溝器在結(jié)構(gòu)強度和切割效率方面都表現(xiàn)更好[9]。

現(xiàn)有果園開溝機(jī)主要針對平地果園作業(yè)，在山地果園作業(yè)時由于開溝部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計等方面不匹配，往往出現(xiàn)開溝功耗高、開溝穩(wěn)定性差的問題。因此，需要設(shè)計一種適宜山地果園作業(yè)的開溝機(jī)。作者通過分析不同類型開溝部件的結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合山地果園土質(zhì)條件選取螺旋式開溝方式，但傳統(tǒng)的螺旋式開溝部件采用上部單點固定立式作業(yè)，開溝穩(wěn)定性差，作業(yè)效率低，開溝功耗高[3]。本文將螺旋式開溝部件的開溝軸系由立式作業(yè)方式改為可繞減速機(jī)支撐板鉸接孔自由轉(zhuǎn)動的傾斜式作業(yè)方式，上部和下部利用軸承分別支撐，增加了整體剛度；參考各式旋耕刀片和開溝刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計了專用開溝刀片。為適應(yīng)山地果園作業(yè)，提高開溝穩(wěn)定性和作業(yè)效率，動力底盤選用橡膠履帶式底盤。

1 開溝機(jī)結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

1.1 開溝機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的傾斜螺旋式開溝部件裝配在課題組研制的1KZ38型山地果園開溝機(jī)上[10-12]。開溝機(jī)結(jié)構(gòu)主要由開溝部件、溝深調(diào)節(jié)部件、動力傳動部件、履帶底盤、行走控制部件等組成，如圖1所示。動力由柴油機(jī)提供，離合器控制動力傳遞與切斷，螺桿升降機(jī)調(diào)節(jié)溝深，行走控制部件調(diào)節(jié)前進(jìn)速度、方向。

1. 弧形擋土板 2. 機(jī)架 3. 螺桿升降機(jī) 4. 錐齒輪減速機(jī) 5. 蓄電池 6. 開溝傳動皮帶輪 7. 軸承座 8. 開溝傳動軸 9. 開溝傳動離合器總成 10. 啟動馬達(dá) 11. 柴油機(jī) 12. 座椅 13. 左轉(zhuǎn)向離合器操縱桿 14. 右轉(zhuǎn)向離合器操縱桿 15. 換擋桿 16. 開溝傳動離合器操縱桿 17. 行走離合器操縱桿 18. 高低速桿 19. 行走變速箱20. 行走離合器總成21. 橡膠履帶底盤 22. 開溝主軸 23. 螺旋葉片 24. 開溝刀片 25. 入土刀片

1.2 開溝機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)山地果園農(nóng)藝要求[1]，開溝施肥作業(yè)時，先在相鄰2行植株中間開溝，然后施肥，施肥完成后再將溝土填埋。結(jié)合農(nóng)業(yè)開溝機(jī)械設(shè)計要求[12]，確定開溝機(jī)主要參數(shù)，如表1所示。

表1 開溝機(jī)主要參數(shù)

2 傾斜螺旋式開溝部件設(shè)計

2.1 傾斜螺旋式開溝部件整體結(jié)構(gòu)

開溝部件整體結(jié)構(gòu)主要由螺旋葉片、開溝刀片、入土刀片、入土輔助犁、開溝主軸、弧形擋土板及支架、上下軸承及支座、聯(lián)軸器、錐齒輪減速機(jī)、減速機(jī)支撐板、減速機(jī)底座等組成，如圖2所示。

開溝部件是山地果園開溝機(jī)的核心部件，與開溝質(zhì)量、開溝功耗、作業(yè)效率關(guān)系密切。作業(yè)時，入土刀片和輔助入土犁首先接觸土壤，挖去開溝部件正下方地面中心部分土壤；螺桿升降機(jī)下壓弧形擋土板支架，整個開溝部件繞減速機(jī)支撐板鉸接孔轉(zhuǎn)動實現(xiàn)傾斜，溝深增加，開溝刀片開始切削土壤，在螺旋葉片和弧形擋土板的作用下，土壤被輸送到溝面并拋出。螺桿升降機(jī)有自鎖功能，下端裝有安全彈簧，當(dāng)遇到較大石塊、樹根時彈簧壓縮，可減少開溝刀片的磨損。

由于開溝部件的組成零部件較多，本文選取其中的關(guān)鍵部件螺旋葉片、開溝刀片、入土刀片進(jìn)行理論分析和重點設(shè)計。

1. 減速機(jī)支撐板 2. 減速機(jī)輸入軸 3. 錐齒輪減速機(jī) 4. 減速機(jī)底座5. 減速機(jī)輸出軸聯(lián)軸器 6. 軸承座 7. 開溝主軸 8. 弧形擋土板及支架 9. 銷軸固定板 10. 螺旋葉片 11. 開溝刀片 12. 開溝刀片螺栓 13. 入土輔助犁 14. 入土刀片

2.2 螺旋葉片設(shè)計

螺旋葉片主要起裝配開溝刀片、傳遞開溝扭矩、配合開溝刀片輸送土壤的作用。開溝作業(yè)時，已切下土壤顆粒在螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)離心力作用下被拋向溝壁并與溝壁產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)角速度小于螺旋葉片旋轉(zhuǎn)角速度，進(jìn)而沿溝壁向上滑動，螺旋葉片由此實現(xiàn)土壤輸送。螺旋葉片與開溝刀片的裝配普遍采用在螺旋葉片邊緣安裝開溝刀片的形式[13-14]，本文也選用該形式。

2.2.1 螺旋葉片參數(shù)確定

極坐標(biāo)方程為

注：g為錐頂半角，（°）；D為螺旋葉片上直徑，mm；H為螺旋葉片長度，mm； d為螺旋葉片下直徑，mm。

2.2.2 螺旋角確定

式中。

2.2.3 開溝作業(yè)參數(shù)確定

根據(jù)果園開溝農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計要求[16,18-19]，開溝效率應(yīng)≥300m/h，切削進(jìn)給量應(yīng)≤3cm，開溝刀片切削線速度應(yīng)4～12 m/s，據(jù)此確定開溝機(jī)前進(jìn)速度為750 m/h，切削進(jìn)給量為2 cm。根據(jù)切削進(jìn)給量方程式（6），得到開溝轉(zhuǎn)速為625r/min，對應(yīng)開溝刀片切削線速度6.54～11.45m/s。

2.3 開溝刀片設(shè)計

開溝刀片是開溝部件最關(guān)鍵的零件，開溝作業(yè)時未耕土壤在開溝刀片剪切、擠壓、破碎等作用下變形失效，土壤切削功耗占開溝功耗的比重最大[22-23]。開溝刀片根據(jù)刃口分為直刃刀、曲刃刀、齒形刀。直刃刀為直線刃口，制造方便具有良好的砍切能力。曲刃刀為某種曲線刃口，滑切性能好，適應(yīng)性強。齒形刀為棱錐形刃口，入土能力強，具有良好的挖掘性能，開溝功耗低[3,24-25]。為考察不同類型開溝刀片的作業(yè)效果，結(jié)合設(shè)計的傾斜螺旋式開溝部件，本文設(shè)計了3種專用開溝刀片，分別命名為直刃刀、曲刃刀和齒形刀。刀片均采用平面型內(nèi)磨刃，材料為60Si3Mn，進(jìn)行激光相變和熔凝處理。本文設(shè)計的3種開溝刀片如圖5所示。裝配時開溝刀片按最小間隔依次分布在螺旋葉片上，使用螺栓固定，共安裝15把開溝刀片，間隔為80 mm。

圖5 開溝刀片

2.3.1 直刃刀

2.3.2 曲刃刀

注：為極徑，mm；為極角，rad；為滑切角，（°）。

Note:is polar diameter, mm;is polar angle, rad;is sliding cutting angle, (°).

圖7 刃口曲線示意圖

Fig.7 Edge curve schematic diagram

2.3.3 齒形刀

注：為齒形總長，mm；為齒形后端高度，mm；為齒形寬度，mm。

2.3.4 開溝刀片切土角

注：R為回轉(zhuǎn)半徑，mm；為靜態(tài)切土角，（°）；為動態(tài)切土角，（°）；為靜態(tài)隙角，（°）；為動態(tài)隙角，（°）；為變隙角，（°）。

2.4 入土刀片設(shè)計

1. 平面三角形 2. 扭翼三角形 3. 錐形小螺旋形 4. 叉形

1. Plane triangle 2. Torsional wing triangle 3. Conical small spiral 4. Forked

圖10 入土刀片

Fig.10 Inserting blade

3 樣機(jī)制備與試驗

3.1 樣機(jī)制備

傾斜螺旋式開溝部件在武漢市勵耕果園機(jī)械有限公司和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程中心試制完成，并裝配在課題組研制的1KZ38型山地果園開溝機(jī)上，如圖11所示。

3.2 試驗條件與方法

試驗使用設(shè)備包括傾斜螺旋式開溝部件、山地果園開溝機(jī)、扭矩轉(zhuǎn)速功率傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理終端、溝深測量儀、秒表、卷尺等。扭矩轉(zhuǎn)速功率傳感器為北京天宇恒創(chuàng)傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CYT-302型動態(tài)扭矩傳感器，量程為0～200 N·m，精度為0.25%；傳感器通過CYT-30B型扭矩轉(zhuǎn)速功率儀顯示，量程為0～99 999 N·m，精度為1/120 000，并與計算機(jī)相連，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。開溝機(jī)前進(jìn)速度范圍為0～2 km/h，開溝轉(zhuǎn)速范圍為0～1 250 r/min，溝深范圍為0～380 mm；開溝刀片可拆裝更換。

圖11 1KZ38型山地果園開溝機(jī)

試驗于2018年5月4-9日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘園種植基地進(jìn)行，相關(guān)數(shù)據(jù)測定方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)[12]。土壤類型為黃棕壤，0～400 mm土壤平均堅實度為0.94 MPa，平均含水率為18.57%，土壤表層覆蓋50～100 mm植被層。試驗地坡度為8°～12°，測區(qū)長度為60 m，兩端預(yù)備區(qū)長度為20 m，寬度為30 m。同一工況測試3個行程，每個行程測定10個數(shù)據(jù)點，相鄰數(shù)據(jù)點測定位置沿機(jī)組前進(jìn)方向間隔2 m。溝深穩(wěn)定性系數(shù)由式（10）～式（13）計算[12,30]，開溝功耗由扭矩轉(zhuǎn)速功率儀讀取。

其中

3.3 直刃刀、曲刃刀與齒形刀對比試驗

3.3.1 試驗設(shè)計

為對比3種不同類型開溝刀片對開溝功耗和溝深穩(wěn)定性的影響，在溝深為150～350 mm范圍內(nèi)進(jìn)行試驗。采用開溝機(jī)常用作業(yè)參數(shù)，開溝轉(zhuǎn)速為625 r/min，前進(jìn)速度為750 m/h。

3.3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表2所示，方差分析如表3所示，可見刀型對開溝功耗影響極顯著，對溝深穩(wěn)定性影響不顯著。開溝功耗方面曲刃刀與齒形刀差異不大，平均開溝功耗曲刃刀比齒形刀多0.89%。直刃刀與曲刃刀、齒形刀開溝功耗差異較大，溝深為150、200、250、300和350mm時直刃刀比曲刃刀和齒形刀分別多19.28%和19.62%，10.60%和12.24%，17.54%和18.26%，14.04%和16.13%，9.60%和9.88%。開溝溝深穩(wěn)定性系數(shù)方面直刃刀、曲刃刀和齒形刀平均值分別為89.40%、89.72%、90.06%，直刃刀與曲刃刀、齒形刀差異不大，齒形刀比曲刃刀高0.38%，齒形刀比直刃刀高0.74%。在開溝功耗和溝深穩(wěn)定性方面，齒形刀均表現(xiàn)最優(yōu)。為進(jìn)一步降低開溝功耗，本文對齒形刀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表2 直刃刀，曲刃刀與齒形刀對開溝功耗和溝深穩(wěn)定性的影響

表3 直刃刀，曲刃刀與齒形刀對開溝功耗和溝深穩(wěn)定性的方差分析

注：**極顯著（<0.01）*顯著（<0.05）。下同。

Note: **highly significant (<0.01)，*significant (<0.05). The same below.

3.4 齒形刀開溝刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真試驗

3.4.1 試驗設(shè)計

根據(jù)上述試驗結(jié)果對齒形刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。由于3種開溝刀片的開溝溝深穩(wěn)定性差異不大，因此只選取開溝功耗為試驗性能指標(biāo)。試驗因素為齒形刀安裝角、折彎角、刃角和原齒倍數(shù)（以原齒尺寸長度1和寬度3為基礎(chǔ)的放大倍數(shù)）分別對應(yīng)、、、。根據(jù)齒形刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計要求[19]，選取試驗因素0水平的安裝角為6°，折彎角為45°，刃角為24°，齒形為1.5倍，依據(jù)響應(yīng)面分析通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計理論[31]，確定試驗因素水平編碼如表4所示。

由于試驗有31組，數(shù)量較多，不適合分別加工開溝刀片進(jìn)行試驗，因此采用數(shù)值模擬仿真的方法代替實際開溝作業(yè)。土壤切削數(shù)值模擬方法主要有有限元法、離散元法等，其中離散元法對土壤顆粒的模擬適應(yīng)性較好，因此該文采用離散元法[22,32]。模擬仿真軟件是EDEM 2.7，采用Hertz-Mindlin黏結(jié)軟球模型[33]。根據(jù)開溝機(jī)常用作業(yè)參數(shù)，仿真設(shè)置開溝器轉(zhuǎn)速為625 r/min，前進(jìn)速度為750 m/h，開溝溝深為300 mm，其他主要仿真參數(shù)如表5所示[34-35]。仿真過程如圖12所示。

表4 試驗因素編碼及水平

注：為安裝角，（°）；為折彎角，（°）；為刃角，（°）；為原齒倍數(shù)。下同。

Note:is installation angle, (°);is bending angle, (°);is edge angle, (°);is multiple of original tooth . The same below.

表5 EDEM仿真主要參數(shù)

圖12 齒形刀開溝過程仿真

3.4.2 試驗結(jié)果與分析

仿真試驗結(jié)果如表6所示。使用State-East公司的Design-Expert V8.0.6.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析[36]，結(jié)果如表7所示，回歸模型為式（14）。

=–4.311 45+0.492 49+0.182 74+

0.717 19–0.011 848（14）

表6 仿真試驗方案與結(jié)果

注：原齒倍數(shù)是指以原齒尺寸長度1和寬度3為基礎(chǔ)的放大倍數(shù)。

Note: The multiple of original tooth refers to the magnification times based on the original tooth size length1and width3.

表7 通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析表

圖13 交互因素對開溝功耗的影響

式中1～6表示因素、、的水平范圍。

使用Matlab軟件的優(yōu)化工具箱進(jìn)行求解，當(dāng)齒形刀安裝角為3°，折彎角為53°，刃角為18°時，開溝功耗最小值為8.457 668 kW。在后續(xù)開溝試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開溝轉(zhuǎn)速較低，前進(jìn)速度較快，溝深較大時開溝刀片背部有推擠摩擦土壤現(xiàn)象，刀刃有變鈍、部分崩刃現(xiàn)象，這樣會增加開溝功耗，加快刀片磨損，甚至造成刀片損壞失效。因此適當(dāng)犧牲開溝功耗，選取安裝角為4.5°，折彎角為49°，刃角為21°，齒形為1.25倍為齒形刀優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對應(yīng)開溝功耗為9.73 kW。

3.5 開溝作業(yè)參數(shù)對開溝功耗的影響

3.5.1 試驗設(shè)計

為分析開溝作業(yè)參數(shù)對開溝功耗影響及驗證開溝刀片優(yōu)化后開溝效果，進(jìn)行對比驗證試驗。優(yōu)化后齒形刀安裝角為4.5°，折彎角為49°，刃角為21°，原齒倍數(shù)為1.25；選取開溝轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、溝深為試驗因素分別對應(yīng)，開溝功耗為試驗性能指標(biāo)，選取試驗因素0水平開溝轉(zhuǎn)速為625 r/min，前進(jìn)速度為750 m/h，溝深為250 mm，依據(jù)響應(yīng)面分析通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計理論，確定試驗因素水平編碼如表8所示。

表8 試驗因素編碼

注：為開溝轉(zhuǎn)速，r×min-1；為前進(jìn)速度，m×h-1；為溝深，mm。下同。

Note:is ditching speed, r×min-1;is forward speed, m×h-1;is ditch depth, mm. The same bellow.

3.5.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表9所示。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，結(jié)果如表10所示，回歸模型為式（16）。

=11.790 77–0.017 731–0.009 901 66–

試驗測試的平均溝寬一致性系數(shù)為97.37%，平均溝底浮土厚度為18 mm，平均開溝碎土率為80.13%，拋土半徑為891 mm。本文設(shè)計的傾斜螺旋式開溝部件達(dá)到了主要設(shè)計參數(shù)要求，滿足山地果園開溝作業(yè)的農(nóng)藝要求。開溝作業(yè)效果如圖15所示。

表9 開溝作業(yè)試驗方案與結(jié)果

表10 通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析表

圖14 交互因素對開溝功耗的影響

表11 開溝刀片優(yōu)化前后開溝功耗和溝深穩(wěn)定性對比

Table 11 Comparison of ditching power consumption and ditch depth stability before and after optimization

a. 開溝整體效果a. Holistic ditching effectb. 開溝局部效果b. Local ditching effect

圖15 開溝作業(yè)效果

Fig.15 Ditching work effect

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了山地果園開溝機(jī)傾斜螺旋式開溝部件，對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了重點設(shè)計。螺旋葉片為等傾角變螺距圓錐螺旋線型，螺旋角為30°，并得出了其參數(shù)方程。設(shè)計了3種開溝刀片分別為直刃刀、曲刃刀與齒形刀，主要參數(shù)刃角為30°，安裝角為10°，折彎角為45°，切土角為40°；曲刃刀刃線為正弦指數(shù)曲線，初始滑切角為65°，滑切角增量與極角的比例系數(shù)為–0.1；齒形刀鑿齒為棱錐形，后端寬度為8 mm，高度為6 mm，總長為10.4 mm，前端圓弧半徑為3 mm。入土刀片為平面三角形。

2）利用課題組研制的1KZ38型山地果園開溝機(jī)進(jìn)行開溝作業(yè)試驗，對比了3種開溝刀片對開溝功耗和開溝溝深穩(wěn)定性的影響。試驗結(jié)果表明，開溝功耗方面曲刃刀與齒形刀差異不大，平均開溝功耗曲刃刀比齒形刀多0.89%。直刃刀與曲刃刀、齒形刀開溝功耗差異較大，溝深為150、200、250、300和350 mm時直刃刀比曲刃刀和齒形刀分別多19.28%和19.62%，10.60%和12.24%，17.54%和18.26%，14.04%和16.13%，9.60%和9.88%。開溝溝深穩(wěn)定性系數(shù)方面，直刃刀、曲刃刀和齒形刀平均值分別為89.40%、89.72%、90.06%，直刃刀、曲刃刀、齒形刀差異不大，齒形刀比曲刃刀高0.38%，齒形刀比直刃刀高0.74%。溝深對開溝功耗影響較大，對開溝溝深穩(wěn)定性影響較小。在開溝功耗和溝深穩(wěn)定性方面，齒形刀均表現(xiàn)最優(yōu)。

3）為降低開溝功耗，對齒形刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真優(yōu)化試驗結(jié)果表明，對開溝功耗的影響顯著順序為折彎角>刃角>安裝角>原齒倍數(shù)。開溝功耗隨安裝角和刃角的增大而增大，隨折彎角的增大而減小。建立了參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果并結(jié)合后續(xù)開溝試驗，最終齒形刀優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)：安裝角為4.5°，折彎角為49°，刃角為21°，原齒倍數(shù)為1.25，對應(yīng)開溝功耗為9.73 kW。

4）為分析開溝作業(yè)參數(shù)對開溝功耗影響以及驗證開溝刀片優(yōu)化后開溝效果，進(jìn)行對比驗證試驗。試驗結(jié)果表明，對開溝功耗影響顯著順序為溝深>前進(jìn)速度>開溝轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為566 r/min時，開溝功耗較低。開溝轉(zhuǎn)速高于566 r/min、前進(jìn)速度和溝深增大，開溝功耗也增大，且3個因素增加越多，開溝功耗增長越快。開溝刀片優(yōu)化前后對比試驗結(jié)果表明，開溝功耗優(yōu)化后比優(yōu)化前降低12.80%，比仿真結(jié)果高9.87%，驗證仿真結(jié)果有效；平均溝深穩(wěn)定性系數(shù)為91.12%，比優(yōu)化前提高1.18%。與現(xiàn)有開溝機(jī)相比，本開溝機(jī)開溝功耗降低22.22%，溝深穩(wěn)定性提高7.2%～8.5%。所設(shè)計的傾斜螺旋式山地果園開溝機(jī)關(guān)鍵部件達(dá)到了主要設(shè)計參數(shù)要求，滿足山地果園開溝作業(yè)的農(nóng)藝要求。

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Design and optimization of inclined helical ditching component for mountain orchard ditcher

Wang Shaowei, Li Shanjun※, Zhang Yanlin, Zhang Chi, Chen Hong, Meng Liang

(1.430070,; 2.()430070,; 3.430070,)

There is very few efficient ditchers for ditching in mountain orchard, and the ditchers using now generally waste a lot of power and can't work steadily. To solve these problems, inclined helical ditching component was designed and optimized in this paper. As the key components, helical blade, ditching blades and inserting blade were designed innovatively. Curve of helical blade was conical spiral with equal inclination and variable pitch type, and helix angle of helical blade was 30°. The 3 kinds of ditching blades designed were straight blade, curved blade and toothed blade, the edge angle was 30°, the installation angle was 10°, the bending angle was 45°and the cutting angle was 40°. Edge curve of curved blade was sinusoidal exponent curve and its initial sliding cutting angle was 65°, and the ratio of slip angle increment to polar angle was-0.1. The edge of toothed blade consists of many continuous teeth, its width was 8 mm, back height was 6 mm. general length was 10.4 mm, front end circle radius was 3 mm. Inserting blade was the plane triangle type. Experiments to find 3 kinds of blades’ differences and to simulate trenching process were carried out, and influence of ditching parameters on the ditching power consumption was also inspected. Experimental results showed that the ditching power consumption of curved blade and toothed blade were lower and similar, but that of straight blade was higher, when the trench depth was 150, 200, 250, 300 and 350 mm, the ditching power consumption of straight blade was 19.28%, 10.60%, 17.54%, 14.04%, 9.60% higher than that of curved blade respectively, and 19.62%、12.24%、18.26%、16.13%、9.88% higher than that of toothed blade respectively. The ditch depth stability coefficient had little difference, the average ditch depth stability coefficients of straight blade, curved blade and toothed blade were 89.40%, 89.72% and 90.06% .respectivly, the ditch depth stability coefficient of the toothed blade was 0.38% higher than that of curved blade and 0.74% higher than that of straight blade. In terms of ditching power consumption and ditch depth stability coefficient, the number of tooth shaped knives was optimal. Simulation optimization model about toothed blade was established based on response surface analysis method and EDEM software. The optimization results showed that influence on ditching power consumption was in the order of bending angle > edge angle > installation angle > multiple of original tooth, the optimal parameters combination for toothed blade was that installation angle was 4.5°, bending angle was 49°, blade angle was 21°, multiple of original tooth was 1.25, and in this case ditching power consumption was 9.73 kW. The influence on ditching power consumption was in the order of ditch depth > forward speed > ditching speed. When ditching speed was 566 r/min, ditching power consumption power was minimum. and ditching power consumption decreased by 12.80%, groove deep stability coefficient increased by 1.18% compared with before optimiztion, . Compared with the existing ditching machine, the power consumption of this paper reduced by 22.22%, and the gully depth stability improved by 7.2%-8.5%. The research results can provide references for structural design and improvement of ditching component.

mechanization; optimization; mountain orchard; ditcher; helical ditching

王少偉，李善軍，張衍林，張 池，陳 紅，孟 亮. 山地果園開溝機(jī)傾斜螺旋式開溝部件設(shè)計與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(23)：11－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.002 http://www.tcsae.org

Wang Shaowei, Li Shanjun, Zhang Yanlin, Zhang Chi, Chen Hong, Meng Liang. Design and optimization of inclined helical ditching component for mountain orchard ditcher[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 11－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.002 http://www.tcsae.org

2018-07-30

2018-10-11

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金項目（CARS-26）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助（2662015PY144）；國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0202001、2017YFD0701400）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目（201403036）

王少偉，博士，主要從事水果生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究. Email：itismyway163@163.com

李善軍，副教授，博士，主要從事水果生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究. Email：shanjunlee@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.002

S229+.1

A

1002-6819(2018)-23-0011-12