深松滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

林 靜 張桐嘉 陳 彬 韓 巍 呂秋立 王佳琦

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110866； 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院, 沈陽(yáng) 110866)

0 引言

遼寧省西部地區(qū)(遼西褐土區(qū))常年降水量較低，蒸發(fā)量較大，土壤干旱程度嚴(yán)重，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)性差；耕地土壤長(zhǎng)期以旋耕為主，普遍存在著土壤耕層變淺、犁底層加厚、土壤板結(jié)、蓄水保墑能力降低等問(wèn)題,嚴(yán)重制約該地區(qū)的糧食生產(chǎn)[1-14]。為了改善該地區(qū)褐土耕層結(jié)構(gòu)，提高土壤的蓄水保墑能力，為玉米播種創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，研究適用于該地區(qū)的聯(lián)合整地機(jī)尤為重要[15-21]。

為了解決耕層惡化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都進(jìn)行了聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研究。趙大勇等[22]為了解決聯(lián)合整地機(jī)不能深松的問(wèn)題，研制了1ZML-210深松型聯(lián)合整地機(jī)，該機(jī)能夠一次性完成滅茬、深松、旋耕、起壟和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，田間試驗(yàn)表明可以使田間狀況達(dá)到播種要求。孫偉等[23]針對(duì)北方干旱半干旱地區(qū)設(shè)計(jì)了1ZSZL-3000型深松滅茬整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)，可以一次完成深松、滅茬、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，滅茬裝置和深松裝置可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于保護(hù)性耕作的推廣和利用。潘世強(qiáng)等[24]針對(duì)吉林省半干旱地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)了SZL-2型深松施肥起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)，對(duì)機(jī)具進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)作業(yè)效果較好，可以完成碎茬、深松、施肥、起壟等作業(yè)，為以后進(jìn)行深入研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。毛俐[25]在原有滅茬旋耕機(jī)基礎(chǔ)上增加了深松功能，設(shè)計(jì)了一種新型的滅茬深松旋耕起壟機(jī)，能夠一次性完成滅茬、深松、旋耕和起壟等作業(yè)。文獻(xiàn)[22-25]分別根據(jù)其地區(qū)的需求研究了滅茬、深松、起壟等聯(lián)合整地機(jī)，對(duì)整地機(jī)械的發(fā)展起到了應(yīng)有的作用。傳統(tǒng)耕整機(jī)械作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)需要分別掛接鏵式犁、滅茬機(jī)、深松鏟、旋耕機(jī)、耙、起壟機(jī)等不同機(jī)具，多次進(jìn)地才能完成播種前的整地作業(yè)。拖拉機(jī)多次進(jìn)地，嚴(yán)重破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，犁底層加厚，土壤板結(jié)，長(zhǎng)期以往會(huì)導(dǎo)致土壤退化和沙化，農(nóng)作物產(chǎn)量逐年降低，且機(jī)具作業(yè)效率低，不利于搶農(nóng)時(shí)。聯(lián)合整地作業(yè)機(jī)是整地機(jī)械發(fā)展的重要方向，機(jī)具只需一次進(jìn)地作業(yè)即可達(dá)到種子待播要求。遼寧省西部地區(qū)原壟臺(tái)經(jīng)過(guò)冬天的風(fēng)吹日曬，再加上春季干旱，含水量低于壟溝，為了春季播種保苗，需將種子播在原壟溝中。針對(duì)遼西地區(qū)的墑情、耕種模式以及當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，結(jié)合合理耕層構(gòu)建褐土區(qū)技術(shù)指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)一種適合遼寧省西部褐土區(qū)聯(lián)合整地機(jī)，一次作業(yè)可同時(shí)完成滅茬、旋耕、深松、起壟、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)壟溝與壟臺(tái)互換功能，為遼寧省西部褐土區(qū)耕層合理構(gòu)建提供配套機(jī)具[26-31]。

1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

1.1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

圖1 滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of structure of stubble rotary tillage and ridge1.側(cè)擋板 2.機(jī)架 3.懸掛機(jī)構(gòu) 4.深松裝置 5.滅茬旋耕裝置 6.起壟裝置 7.鎮(zhèn)壓裝置 8.鏈傳動(dòng)裝置 9.中央變速箱

1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)具從前至后由機(jī)架、上下懸掛裝置、深松裝置、滅茬旋耕裝置、起壟裝置、鎮(zhèn)壓裝置、變速箱及傳動(dòng)裝置等組成。機(jī)架由前架和后架組成，深松裝置通過(guò)U型螺栓固定在前架前端，左右可調(diào)；將左右對(duì)稱的兩上擋板焊接在前架兩端上，下?lián)醢逋ㄟ^(guò)螺栓固定于上擋板上；將滅茬旋耕裝置通過(guò)左右對(duì)稱的下?lián)醢逯虚g的定位圓孔固定在前架下；懸掛裝置和變速箱固定在前架上；傳動(dòng)裝置連接變速箱與滅茬旋耕裝置；起壟裝置與鎮(zhèn)壓裝置依次通過(guò)U型螺栓固定在后架上。深松裝置由U型螺栓、固定夾、深松鏟柄及深松鏟尖等構(gòu)成。滅茬旋耕裝置由長(zhǎng)短套管、滅茬裝置、旋耕裝置及滅茬旋耕軸構(gòu)成，起壟裝置由U型螺栓、固定夾、培土面、焊板、起壟鏟柄及起壟鏟尖組成。鎮(zhèn)壓裝置由鎮(zhèn)壓滾筒、鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)裝置、U型螺栓和鎮(zhèn)壓座等組成。

1.2 工作機(jī)理

1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)的滅茬旋耕裝置通過(guò)變速箱與傳動(dòng)裝置的配合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高了機(jī)具的適用性，主要性能參數(shù)如表1所示。機(jī)具通過(guò)懸掛裝置與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳至中央變速箱，中央變速箱帶動(dòng)滅茬旋耕裝置完成滅茬旋耕作業(yè)。機(jī)具工作時(shí)，在拖拉機(jī)前進(jìn)速度帶動(dòng)下深松裝置在壟溝進(jìn)行深松作業(yè)，中央變速箱帶動(dòng)滅茬旋耕裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，滅茬旋耕軸上滅茬部分在壟臺(tái)滅茬，將地表覆蓋的秸稈粉碎和土壤進(jìn)行混拌填埋。旋耕部分在壟溝進(jìn)行旋耕作業(yè)，起壟裝置作業(yè)于壟臺(tái)，通過(guò)起壟曲面的設(shè)計(jì)，在原壟形的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)壟溝、壟臺(tái)互換，最后鎮(zhèn)壓裝置實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)壓作業(yè)，改善土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)，為玉米播種提供良好的土壤環(huán)境。

表1 1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of 1MXQ-4 type stubble rotary tillage and ridge cooperating machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 深松裝置

為了提高土壤的通透性，降低旋耕作業(yè)時(shí)旋耕部分所受阻力，減少機(jī)具能耗，在滅茬旋耕裝置的旋耕部分前安裝深松裝置，對(duì)壟溝底部進(jìn)行先深松后旋耕作業(yè)。提高機(jī)具適用性和使用壽命。深松裝置主要由固定夾、深松鏟柄和鏟尖構(gòu)成，如圖2所示。深松裝置通過(guò)U型螺栓和固定夾掛接于機(jī)架上，深松鏟柄通過(guò)六角螺栓和六角螺母固定于固定夾上，鏟尖通過(guò)六角螺栓和六角螺母固定于深松鏟柄上，深松鏟的入土深度可通過(guò)深松鏟柄上等距定位孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，深松深度調(diào)節(jié)范圍為25～30 cm，深松鏟入土角設(shè)計(jì)為18°。其中固定夾由厚度10 mm的鋼板焊合而成，該結(jié)構(gòu)可以有效防止相連螺栓發(fā)生斷裂。深松鏟柄為厚度20 mm的鑄鋼，經(jīng)過(guò)熱處理后強(qiáng)度合理。鏟尖材料采用65Mn，鏟尖寬度為50 mm，鏟尖切刀鍥角為10°，由螺栓固定，可更換，損耗時(shí)拆卸方便。通過(guò)對(duì)深松鏟參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高深松鏟的深松效果。

圖2 深松裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of structure of loosening device1.固定夾 2.深松鏟柄 3.鏟尖

2.2 滅茬旋耕裝置

2.2.1滅茬旋耕裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 滅茬旋耕裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic of structure of stubble rotary tillage1.滅茬裝置 2.旋耕裝置 3.滅茬旋耕軸 4.長(zhǎng)套管 5.短套管 6.小鏈輪 7.大鏈輪 8.滅茬旋耕軸承套筒 9.滅茬旋耕軸承外端蓋

滅茬旋耕裝置主要由滅茬裝置、旋耕裝置、滅茬旋耕軸、長(zhǎng)套管、短套管、鏈輪、滅茬旋耕軸承套筒和滅茬旋耕軸承外端蓋組成，如圖3所示。滅茬旋耕裝置是針對(duì)遼西地區(qū)耕作情況設(shè)計(jì)的，滅茬裝置在壟臺(tái)上工作，將根茬和土壤進(jìn)行混埋作業(yè)，旋耕裝置在壟溝中工作，對(duì)土壤進(jìn)行旋耕作業(yè)，該裝置可在一次作業(yè)中實(shí)現(xiàn)滅茬和旋耕兩項(xiàng)作業(yè)。滅茬裝置和旋耕裝置可以通過(guò)實(shí)際田間壟距情況調(diào)節(jié)相鄰兩組滅茬裝置和旋耕裝置的中心距，使中心距等于壟距，該機(jī)具的適用壟距為45～60 cm。每組滅茬裝置由焊接在長(zhǎng)套管上的兩組相對(duì)的滅茬刀盤組成，兩組滅茬刀盤間距為140 mm，每組滅茬刀盤由通過(guò)螺栓固定于滅茬盤的6把方向相同的滅茬刀組成。整機(jī)包括4組滅茬裝置，工作于壟臺(tái)上。每組旋耕裝置由焊接在短套管上的旋耕刀盤組成，旋耕刀盤由通過(guò)螺栓固定于旋耕盤的3把向左的旋耕刀和3把向右的旋耕刀組成，旋耕刀采用多區(qū)段螺旋線對(duì)稱排列，整機(jī)包括3組旋耕裝置，工作于壟溝上。滅茬刀盤和旋耕刀盤通過(guò)螺栓固定于滅茬旋耕軸的通孔上。滅茬旋耕軸兩端與軸承、軸承套筒和軸承外端蓋配合，并固定于機(jī)架兩側(cè)擋板上，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)工作。滅茬旋耕軸上設(shè)置多個(gè)等距定位孔，間距為5 cm，其中滅茬旋耕軸材料采用直徑為78 mm的45號(hào)鋼，套管的外徑為83 mm，刀盤厚度為10 mm，滅茬刀型號(hào)為MⅠ245型，旋耕刀型號(hào)為PⅡ225型，滅茬入土深度為8～10 cm，旋耕碎土深度為10～15 cm。

2.2.2滅茬裝置運(yùn)動(dòng)分析

滅茬裝置在工作時(shí)正旋運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向與配套動(dòng)力前進(jìn)方向一致。滅茬刀在運(yùn)動(dòng)時(shí)作直線運(yùn)動(dòng)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若以時(shí)間t=0時(shí)的刀軸軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x正向?yàn)閯?dòng)力前進(jìn)方向，垂直向下為y軸正向，以xOy為投影面，設(shè)滅茬刀刃上點(diǎn)N坐標(biāo)為N(x，y)，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(1)

式中t——時(shí)間，s

R——滅茬刀回轉(zhuǎn)半徑，mm

ω——滅茬裝置刀輥角速度，rad/s

vm——配套動(dòng)力前進(jìn)速度，mm/s

則滅茬刀刃上點(diǎn)N的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 滅茬刀刃上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Stubble trajectory points on blade

公式(1)對(duì)t求導(dǎo)可得

(2)

則滅茬刀刃上點(diǎn)的切削速度

(3)

由公式(3)可知，滅茬刀刃上點(diǎn)的速度變化和三角函數(shù)曲線相似，滅茬刀工作時(shí)，當(dāng)0<ωt<π/2時(shí)，滅茬刀上點(diǎn)的速度v隨ωt的增大而減??；當(dāng)ωt=π/2時(shí)，滅茬刀上點(diǎn)的速度v達(dá)到最小值；當(dāng)π/2<ωt<π時(shí)，滅茬刀上點(diǎn)的速度v隨ωt的增大而增大。配套動(dòng)力前進(jìn)速度vm的絕對(duì)值不小于滅茬刀滅茬速度v0(|vm|≥|v0|)，在滅茬刀工作時(shí)，設(shè)滅茬深度為H1，滅茬刀前端接觸地面時(shí)的時(shí)間為t，滅茬刀入土角如圖5所示。

圖5 滅茬刀入土角示意圖Fig.5 Sketch of penetrating angle of stubble blade

滅茬刀入土角為

(4)

將公式(4)代入公式(2)中，可得

vx=vm-σ(R-H1)

(5)

為了計(jì)算簡(jiǎn)便，將vx的絕對(duì)值代入可得

(6)

(7)

式中n——轉(zhuǎn)速，r/min

由公式(7)可得出滅茬刀輥的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為滅茬深度H1、滅茬速度v0(vx)、機(jī)具前進(jìn)速度vm和刀輥的轉(zhuǎn)速n。同時(shí)，在滿足滅茬作業(yè)要求的情況下，滅茬刀軸轉(zhuǎn)速n與半徑R成反比。設(shè)計(jì)時(shí)選擇的刀輥應(yīng)盡量轉(zhuǎn)速小、直徑大。滅茬裝置所需滅茬刀最小滅茬速度v0為5 m/s，滅茬裝置回轉(zhuǎn)半徑R為300 mm，滅茬入土深度H1為8 cm，根據(jù)公式(7)計(jì)算得滅茬裝置轉(zhuǎn)速n最小為210 r/min。

2.3 起壟裝置

2.3.1起壟裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起壟裝置用于將原壟臺(tái)的土分向壟溝，將土壤從壟臺(tái)中間切開，使土壤沿起壟裝置分土板的兩側(cè)向后傾斜運(yùn)動(dòng)上升，達(dá)到預(yù)定溝邊時(shí)，推向壟中心，使土壤按自然休止角形成要求的壟形。起壟裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由起壟鏟尖、鏟柄、培土板、焊板和固定夾構(gòu)成。起壟裝置通過(guò)固定夾和U型螺栓與機(jī)架連接，固定夾與鏟柄通過(guò)螺栓固定，工作深度可通過(guò)螺栓連接鏟柄和固定夾的定位孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為200～350 mm，培土板與鏟柄、焊板焊接固定，起壟鏟尖通過(guò)螺栓固定在培土板上。起壟裝置工作壟距可調(diào)，工作范圍為450～600 mm。該起壟裝置適用于壟間作業(yè)，工作于壟臺(tái)上，工作后可按農(nóng)藝要求一次性實(shí)現(xiàn)壟溝、壟臺(tái)互換功能，實(shí)現(xiàn)將種子播在上一年種植的壟溝中，以利于種子的發(fā)芽保苗。

圖6 起壟裝置Fig.6 Ridge device1.鏟柄 2.培土板 3.起壟鏟尖 4.固定夾

2.3.2起壟鏟工作曲面的形成原理

起壟鏟培土板的工作性能主要由導(dǎo)曲線參數(shù)與元線角的變化規(guī)律決定。因此，首先建立導(dǎo)曲線的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)曲線的形狀與參數(shù)如圖7所示。

圖7 導(dǎo)曲線的形狀與參數(shù)Fig.7 Curve shape and parameters

導(dǎo)曲線的高度h與耕深、耕寬的關(guān)系可表示為

(8)

式中a——耕深，mm

b——耕寬，mm

Δh——導(dǎo)曲線高度增量，mm

首先建立數(shù)學(xué)模型的直角坐標(biāo)系，設(shè)導(dǎo)曲線的高度方向?yàn)閆軸，開度方向?yàn)镸軸，則直線Ⅰ的數(shù)學(xué)方程式為

Z=Mtanε

(9)

式中ε——安裝角，(°)

M——導(dǎo)曲線對(duì)應(yīng)M軸坐標(biāo)值

直線Ⅱ的方程式為

Z=h-(M-L)tan(90°-Δε)

(10)

式中 Δε——拋物線上端點(diǎn)切線與鉛垂線夾角，(°)

L——導(dǎo)曲線開度，mm

直線Ⅰ和直線Ⅱ交點(diǎn)q的坐標(biāo)

(11)

將線段Oq和線段pq等分為m等份(p為導(dǎo)曲線最大開度的點(diǎn))，m越大，計(jì)算越精確。如圖7所示標(biāo)序，直線Ⅰ上第i點(diǎn)坐標(biāo)為

(12)

直線Ⅱ上的第i點(diǎn)的坐標(biāo)為

(13)

連接直線Ⅰ與直線Ⅱ上第i點(diǎn)所得斜線的方程為

(14)

圖8 元線角變化曲線Fig.8 Linear angular variation curve

設(shè)各水平元線間的間隔高度為ΔH，曲面上第n根水平元線的高度即為Z(n)，則Z(n)=nΔH。在坐標(biāo)系MOZ中，在Z(n)高度作一水平直線與上述斜線相交于一點(diǎn)，則該交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為

(15)

然后按式(15)逐個(gè)求出各交點(diǎn)坐標(biāo)，求出最小值，即為導(dǎo)曲線上元線號(hào)為n的開度，坐標(biāo)為

(16)

導(dǎo)曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)均可由公式(16)計(jì)算得出，并可繪出導(dǎo)曲線的圖形。

按犁體曲面設(shè)計(jì)方法，由圖8可知，θ0～θmin段，取水平坐標(biāo)軸z代表元線高度，取垂直坐標(biāo)軸y代表(θ-θmin)的值。坐標(biāo)原點(diǎn)(z=0，y=0)相當(dāng)于元線高度為零、θ角為θmin時(shí)的數(shù)值，這一段元線角按直線關(guān)系變化，即

y1=y0-M1z

(17)

式中y1——θ-θmin的值，(°)

y0——θ0-θmin的值，(°)

M1——y0/zmin直線的斜率

z——任一元線的高度，cm

θmin～θmax段，將坐標(biāo)軸y1移至z=zmin處，這一段元線角按拋物線關(guān)系變化，即

(18)

式中y——按一定比例的元線角(θ-θmin)的變化值，(°)

p——拋物線焦點(diǎn)至準(zhǔn)線的距離，cm

zmin——最小元線高度坐標(biāo)，cm

解得

(19)

式中ymax——元線角最大變化值，cm

θmin——最小元線角，(°)

θmax——最大元線角，(°)

m——比例尺，(°)/cm

根據(jù)公式(18)和公式(19)可求出

(20)

式中zmax——最大元線高度坐標(biāo)，cm

由此可得元線角的方程為

θ=θmin+ym

(21)

并繪制出元線角變化曲線，根據(jù)導(dǎo)曲線和元線角的變化規(guī)律設(shè)計(jì)起壟裝置的工作曲面。

2.3.3起壟鏟的曲面設(shè)計(jì)

根據(jù)行業(yè)項(xiàng)目要求和實(shí)地測(cè)量遼西褐土區(qū)壟作情況數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)起壟壟形斷面圖，如圖9所示。其中壟距T=550 mm，壟底寬度a1=120 mm，壟頂寬度a0=180 mm，溝底到壟頂高度h=125 mm，壟高h(yuǎn)0=55 mm，開溝深度h1=70 mm，起壟鏟工作深度為200 mm，土壤休止角φ為53.1°(大于自然休止角)，可實(shí)現(xiàn)壟溝壟臺(tái)互換的起壟壟形斷面。

圖9 壟形斷面圖Fig.9 Profile of ridge

起壟鏟工作曲面設(shè)計(jì)原理如圖10所示。作起壟鏟的對(duì)稱軸線OO′，于軸線上繪一等于h的線段，并過(guò)其兩端點(diǎn)與軸線垂直方向引直線Ⅰ-Ⅰ和直線Ⅱ-Ⅱ，然后在直線Ⅰ-Ⅰ上向軸線OO′的兩側(cè)引等于a1/2的線段，該值為50 mm，分別得到點(diǎn)A和B。同理在直線Ⅱ-Ⅱ上引等于(L-a0)/2的兩線段，該值為200 mm，得到點(diǎn)C和D，連接點(diǎn)A、B、C和D得到等邊梯形，即起壟鏟工作時(shí)所應(yīng)形成的溝槽。由于起壟鏟工作時(shí)土壤會(huì)產(chǎn)生一定程度的膨松，其上升的高度應(yīng)大于原定的起壟高度h，所以起壟鏟工作面的高度h2應(yīng)大于壟高h(yuǎn)。當(dāng)h2=h或h>h2時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)部分土壤越過(guò)起壟鏟的現(xiàn)象，使溝底的浮土過(guò)多，培土量達(dá)不到要求。故設(shè)計(jì)起壟鏟工作面的高度h2時(shí)，應(yīng)考慮到增高率?，F(xiàn)有的起壟鏟一般為：h2=(1.1～1.2)h，H=1.1h2。過(guò)點(diǎn)C和D分別引與OO′軸線平行的等于(0.1～0.2)h的線段，得點(diǎn)E和F，連接點(diǎn)A、B、C、D、E和F，即得起壟鏟工作面的正投影圖，其中h取210 mm(適當(dāng)加大，防止漏土)，h2=252 mm，H=277 mm。起壟鏟工作面的水平投影圖在OO′軸線上任意一點(diǎn)O1作γ0角引直線O1M，該直線將限定起壟鏟鏟尖的刃口，角γ0取值范圍為26°～35°，該設(shè)計(jì)取γ0=35°。在距離O1點(diǎn)約等于L/3處與直線O1M垂直方向作直線KK′，此直線為垂直截面的跡。

為繪制導(dǎo)向曲線，起壟鏟高度h取曲面最大高度H=277 mm，當(dāng)H一定時(shí)，L值越小，曲面越陡峭，碎土能力越好，但相應(yīng)阻力較大；L值越大，曲面越平坦，碎土能力越弱，土壤易通過(guò)，相應(yīng)阻力較小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般曲面設(shè)計(jì)時(shí)h/L為1.5～1.6，該設(shè)計(jì)取1.5；一般起土角為20°～30°，該設(shè)計(jì)取30°，導(dǎo)曲線上部?jī)A角取Δε=5°，鏟刃下部直線段長(zhǎng)度S=50 mm，兩端點(diǎn)切線夾角α計(jì)算公式為

(22)

由公式(22)計(jì)算得出α=115°。在曲面的水平投影圖上做輔助投影面，并在輔助投影面上確定原點(diǎn)O1，根據(jù)h/L的值確定p點(diǎn)位置。按ε角從O點(diǎn)做下切線，按Δε從p點(diǎn)做上切線，上、下切線交于點(diǎn)q。在下切線取直線段O1O′長(zhǎng)度S=50 mm，以線段pq和線段O′q為上、下切線做包絡(luò)拋物線段，在下切線上從O′點(diǎn)開始以25 mm等距精分標(biāo)注各點(diǎn)，連接相同的同名點(diǎn)，即為所求導(dǎo)曲線。該導(dǎo)曲線使起壟鏟工作曲面具有以下特性：曲面的下部曲率的變化較小，有利于土垡的上升；胸部下凹，上部外扣，可以提高起壟鏟工作面碎土和翻土覆蓋等性能，然后在正投影圖上以25 mm相等間距引平行線1-1，2-2，3-3,…，這些即為構(gòu)成線的投影。在直線O1M上自點(diǎn)O1作與正垂直投影相同間距的點(diǎn)1，2，3,…，過(guò)這些等距的點(diǎn)與O1M垂直引互相平行的直線并與導(dǎo)曲線相交于點(diǎn)1，2，3，…，再移至水平投影的垂直斷面的軌跡KK′上，得到點(diǎn)1，1，2，1，3，1，…。過(guò)這些點(diǎn)引γ角的構(gòu)成線，γ角按照一定的規(guī)律變化。與犁體曲面的設(shè)計(jì)相同，可按下列類型曲線公式求得構(gòu)成線γ角變化的規(guī)律，即元線角變化規(guī)律為

(23)

γ=γ0+βy

(24)

式中γ——高度y上構(gòu)成線角

x——確定角γ的不同高度(即橫坐標(biāo)值)，cm

y——對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)，cm

β——角γ的坐標(biāo)比例p、q——常數(shù)

γ0——角γ的初值，取35°

根據(jù)公式(24)和公式(23)得出

(25)

與鏵式起壟鏟工作面相似，可取p為6.2 cm，q為100。角γ的比例為

θ=Δγ/ymax

(26)

其中

Δγ=γmax-γ0

式中 Δγ——角γ的最大增量，取2°～7°

根據(jù)上述公式可求出元線角γ的變化規(guī)律，如表2所示。

表2 元線角的變化規(guī)律Tab.2 Variation law of element line angle (°)

將構(gòu)成線畫在起壟鏟工作面的水平投影圖上后，將在正視投影圖外形上的點(diǎn)1、2、3…繪于此投影圖上，并將所有已標(biāo)出的點(diǎn)向起壟鏟工作面的水平投影圖上作垂線。將這些垂線與相應(yīng)的構(gòu)成線的交點(diǎn)用曲線連接起來(lái)，即可得水平投影圖上起壟鏟工作面的外形曲線。

用樣板檢驗(yàn)起壟鏟工作面制造的準(zhǔn)確性。樣板曲線的做法如下：在水平投影圖上作與刃口延長(zhǎng)線O1M垂直的平行線U1，U2，U3，…。然后，在輔助投影圖上作平行線0-0，1-1，2-2，…，平行線間的距離與正投影導(dǎo)向位置的間距相等。對(duì)直線0-0作垂線U′1Z1，U′2Z2，U′3Z3，…，并使其間距相等。以斷面U′3為例，將線段U3E1，U3E2，U3E3…移于輔助投影圖上，并將其置于U′3Z3的相應(yīng)構(gòu)成線上。得點(diǎn)U′3，E′1，E′2，…，以平滑的曲線連接，即為該斷面的樣板曲線。

3 起壟裝置性能試驗(yàn)

3.1 土槽室內(nèi)試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

起壟裝置是機(jī)具的關(guān)鍵部件，為了驗(yàn)證起壟裝置在遼西褐土區(qū)壟作環(huán)境下的工作性能和適應(yīng)性，性能試驗(yàn)于2017年9月20—26日在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。本次土槽試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藴y(cè)試曲面型起壟裝置和平面楔子型起壟裝置工作時(shí)土粒沿培土鏟的分土板運(yùn)動(dòng)軌跡，用以衡量起壟裝置的工作性能技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)前準(zhǔn)備可以模擬土粒的材料，要求材料質(zhì)量輕、體積小且在土壤里辨識(shí)度要高。為了提高本次試驗(yàn)的精度和模擬不同地區(qū)土壤土粒的性質(zhì)，選用體積為1 cm3的小木塊為試驗(yàn)材料。并且按照排列順序編上編號(hào)，如圖11所示。土槽試驗(yàn)動(dòng)力由12 kW的試驗(yàn)電動(dòng)車提供，該電動(dòng)車可以根據(jù)需求調(diào)整功率，工作性能穩(wěn)定。

圖11 土槽試驗(yàn)Fig.11 Soil bin test

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12 起壟裝置工作時(shí)土粒運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Comparison test result of soil particle trajectory during ridge device operation

在試驗(yàn)后將埋在地表下的試驗(yàn)材料挖出，并記錄其所在的位置，試驗(yàn)中以標(biāo)志點(diǎn)為原點(diǎn)，電動(dòng)車前進(jìn)方向作為Y軸的正方向；試驗(yàn)材料擺放所在的直線作為X軸的方向；垂直于地面的方向作為Z軸的方向。根據(jù)兩種起壟培土器裝置試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，作出其在XOY平面和XOZ平面的位移，如圖12b所示。對(duì)于曲面型起壟裝置其分土板由曲面楔子型構(gòu)成。其在XOZ與XOY平面的位移如圖12a所示?？梢娫赬OZ平面內(nèi)，木塊左右翻轉(zhuǎn)較大，且在X軸的位移也比較明顯，土壤發(fā)生明顯的橫向運(yùn)動(dòng)，且位移點(diǎn)聚集，位移后的木塊位置分布緊密。從Z軸方向來(lái)看，多數(shù)被埋入土內(nèi)，在新壟高度的中間位置。因?yàn)槠饓叛b置為曲面楔子型構(gòu)成，其鏟尖與起壟裝置壁之間由曲線過(guò)渡，所以其運(yùn)動(dòng)軌跡在XOY平面內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)的曲線，工作時(shí)，土壤干濕分離，起壟工作僅僅將干土推向兩側(cè)形成新壟，潮濕的土壤仍然在底部，沒(méi)有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。同時(shí)，在其工作時(shí)，土粒運(yùn)動(dòng)呈聚集趨勢(shì)，工作后起壟效果明顯，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。而平面楔子型起壟裝置，由于其起壟裝置由平面構(gòu)成，導(dǎo)致其工作面不連續(xù)，有斷裂現(xiàn)象。因而造成干濕土相混合，濕土被翻在土壤表面，影響土壤的蓄水保墑能力。同時(shí)，在其工作時(shí)，土壤橫向位移較小，且土粒位移較為分散，導(dǎo)致作業(yè)起壟的壟型高度不夠。無(wú)論是從作業(yè)效果還是利于土壤的蓄水保墑能力來(lái)看，在起壟作業(yè)中，由曲面楔子型構(gòu)成的起壟裝置要優(yōu)于由平面楔子型構(gòu)成的起壟裝置。壟距為550 mm，壟底平均寬度為12 cm，壟頂平均寬度為18 cm，平均壟高為20 cm，壟壁土壤自然休止角為45°，實(shí)現(xiàn)了壟溝與壟臺(tái)的互換。

3.2 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)具能夠在遼西褐土區(qū)不同工況下滿足作業(yè)要求，進(jìn)行最佳工作參數(shù)試驗(yàn)。田間試驗(yàn)主要是為了測(cè)試機(jī)具的工作效果和能耗，機(jī)具的工作效果主要是土壤在機(jī)具行進(jìn)過(guò)程中拋飛的距離應(yīng)盡量小，機(jī)具的工作能耗指標(biāo)為機(jī)具工作阻力，也應(yīng)盡量小，影響這兩個(gè)指標(biāo)的因素主要有機(jī)具前進(jìn)速度、工作深度和秸稈覆蓋量，其他的因素對(duì)機(jī)具的工作效果和工作阻力影響較小。在控制其他因素不變的條件下，以機(jī)具前進(jìn)速度、工作深度和地表玉米秸稈覆蓋量為試驗(yàn)因素，以起壟最大高度和工作阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素五水平二次回歸正交組合試驗(yàn)。機(jī)具田間試驗(yàn)如圖13所示。試驗(yàn)因素編碼如表3所示。

圖13 機(jī)具田間試驗(yàn)Fig.13 Machine field test

編碼因素機(jī)具前進(jìn)速度x1/(km·h-1)起壟裝置工作深度x2/cm秸稈覆蓋量x3/(kg·m-2)-1.3536.0013.230.73-16.2615.000.8007.0020.001.0017.7425.001.201.3538.0026.771.27

試驗(yàn)以機(jī)具所受工作阻力和起壟最大高度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。起壟最大高度即由卷尺測(cè)定土壤工作后形成的壟高Y1。使用QLLY型傳感器進(jìn)行工作阻力的測(cè)定。在機(jī)具工作時(shí)拉力傳感器將收集到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，便攜式計(jì)算機(jī)接收到這些電信號(hào)，并將這些電信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算轉(zhuǎn)化為一段時(shí)間內(nèi)機(jī)具前進(jìn)時(shí)牽引阻力的平均值Y2。根據(jù)以上對(duì)三因素五水平二次回歸正交組合試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，進(jìn)行17次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Experimental scheme and results

運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，剔除不顯著項(xiàng)，可得起壟最大高度的回歸方程為

(27)

對(duì)起壟最大高度回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 起壟最大高度方差分析Tab.5 Variance analysis of maximum distance of cast soil

根據(jù)分析可知，模型P<0.01，表明此模型極為顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，表明失擬項(xiàng)F的檢驗(yàn)結(jié)果為不顯著，該分析結(jié)果表明回歸方程的擬合程度良好。

同理可得工作阻力的回歸方程

(28)

對(duì)工作阻力回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6 工作阻力方差分析Tab.6 Variance analysis of working resistance

根據(jù)分析可知，模型P<0.01，表明此模型極為顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，表明失擬項(xiàng)F的檢驗(yàn)結(jié)果為不顯著，該分析結(jié)果表明回歸方程的擬合程度良好。

根據(jù)回歸方程得到響應(yīng)曲面，可得到各因素與指標(biāo)的關(guān)系。固定一個(gè)因素于零水平，可看出其他兩因素對(duì)指標(biāo)的影響，試驗(yàn)因素對(duì)起壟最大高度的影響如圖14所示，試驗(yàn)因素對(duì)工作阻力的影響如圖15所示。

根據(jù)圖14可得出，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)起壟最大高度影響最為顯著，工作深度和秸稈覆蓋量影響程度依次遞減，起壟最大高度隨機(jī)具前進(jìn)速度的增大而減小。當(dāng)秸稈覆蓋量和工作深度接近零水平，機(jī)具前進(jìn)速度較小時(shí)，起壟最大高度較大。

圖14 試驗(yàn)因素對(duì)起壟最大高度影響的響應(yīng)面Fig.14 Response surfaces of impact of factors on maximum distance of cast soil

圖15 試驗(yàn)因素對(duì)工作阻力影響的響應(yīng)面Fig.15 Response surfaces of impact of factors on working resistance

根據(jù)圖15可看出，秸稈覆蓋量對(duì)工作阻力影響最為顯著，工作深度和機(jī)具前進(jìn)速度影響程度依次遞減，工作阻力隨秸稈覆蓋量增大而增大。當(dāng)工作深度和機(jī)具前進(jìn)速度接近零水平，秸稈覆蓋量較低時(shí)，工作阻力較小。

根據(jù)上述所建立的數(shù)學(xué)模型，利用Design-Expert軟件優(yōu)化求解，得出各因素最優(yōu)參數(shù)組合。以起壟最大高度和最小工作阻力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型

(29)

根據(jù)公式(29)求得最優(yōu)解，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為：機(jī)具前進(jìn)速度為6.01 km/h，工作深度為22.15 cm，秸稈覆蓋量為0.77 kg/m2，起壟最大高度為24.08 cm，工作阻力為12.04 kN。考慮到試驗(yàn)的可操作性，將優(yōu)化的試驗(yàn)條件調(diào)整為：機(jī)具前進(jìn)速度為6 km/h，工作深度為22.2 cm。試驗(yàn)重復(fù)3次，起壟最大高度為24.15、24.07、23.93 cm，取平均值為24.05 cm，與預(yù)測(cè)結(jié)果24.08 cm相近，壟距為550 mm，壟底平均寬度為12 cm，壟頂平均寬度為18 cm；工作阻力為12.08、12.06、12.10 kN，取平均值為12.08 kN，與預(yù)測(cè)值12.04 kN相近，試驗(yàn)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求與褐土區(qū)合理耕層構(gòu)建要求。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)遼西褐土區(qū)合理耕層構(gòu)建技術(shù)要求，研制了1MXQ-4型滅茬旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)，在一次作業(yè)中可完成深松、滅茬旋耕、起壟、覆土鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)功能。實(shí)現(xiàn)壟溝壟臺(tái)互換功能，改善土壤的蓄水保墑能力，為玉米播種創(chuàng)造良好的土壤工況條件。

(2)通過(guò)對(duì)深松滅茬旋耕裝置的動(dòng)力學(xué)分析確定了滅茬旋耕裝置的最小轉(zhuǎn)速為210 r/min，滅茬入土深度為8 cm，旋耕碎土深度為10 cm。通過(guò)對(duì)起壟鏟培土板工作曲面形成原理的研究，確定了起壟裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)通過(guò)土槽試驗(yàn)對(duì)比曲面楔子型培土器和平面楔子型培土器工作時(shí)土粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析, 得出曲面楔子型培土器工作性能優(yōu)于平面楔子型培土器工作性能，實(shí)現(xiàn)了壟溝壟臺(tái)互換功能。

(4)通過(guò)田間試驗(yàn)研究，利用Design-Expert軟件對(duì)機(jī)具工作參數(shù)求解和實(shí)際工作情況驗(yàn)證試驗(yàn)得到最佳作業(yè)參數(shù)：機(jī)具前進(jìn)速度為6 km/h，起壟裝置工作深度為22.2 cm，秸稈覆蓋量為0.77 kg/m2時(shí)，機(jī)具起壟最大高度為24.05 cm，壟距為550 mm，壟底平均寬度為12 cm，壟頂平均寬度為18 cm，工作阻力為12.08 kN?？蓾M足遼寧省西部褐土區(qū)壟臺(tái)壟溝互換土壤耕作合理耕層構(gòu)建技術(shù)指標(biāo)要求。