立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

王英博，榮 高，李洪文，王慶杰，何 進(jìn)，盧彩云

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測試驗(yàn)站，北京 100083；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引 言

保護(hù)性耕作時(shí)由于常年采用免少耕，再加上機(jī)械的壓實(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤容重增加，機(jī)具作業(yè)阻力加大，不利于作物的生長，土壤含水量降低，且會(huì)增加機(jī)具的作業(yè)能耗[1-3]。因而，淺旋、淺耙是很重要的保護(hù)性耕作技術(shù)表土作業(yè)方式，可疏松土壤、保熵滅草、提高地溫，使土壤變細(xì)碎、優(yōu)化種床，提高播種質(zhì)量，以方便種子出苗、促進(jìn)作業(yè)根系生長[4-5]。

國外的地表整地機(jī)械多采用立軸式作業(yè)，如德國馬斯奇奧DM型動(dòng)力驅(qū)動(dòng)耙、庫恩HR系列驅(qū)動(dòng)耙，其作業(yè)效果良好，機(jī)具作業(yè)深度一般在150～360 mm。但由于大功率作業(yè)機(jī)具對(duì)土壤壓實(shí)較高，在表土作業(yè)時(shí)，刀具大部分區(qū)域位于地表上方，效率較低，且機(jī)具幅寬較大，容易造成漏耕的現(xiàn)象，土壤擾動(dòng)量較大，并不適用于中國南方小地塊保護(hù)性耕作表土作業(yè)模式[6-8]。國內(nèi)表土作業(yè)機(jī)具主要為淺旋機(jī)和淺松機(jī) 2種。淺松機(jī)為牽引式作業(yè)機(jī)具，其耕作部件，雖結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但不能達(dá)到較高的碎土質(zhì)量，機(jī)具防堵性能較差，無法適用于秸稈覆蓋量較大的田間作業(yè)[9-11]。淺旋機(jī)為驅(qū)動(dòng)式作業(yè)機(jī)具，其結(jié)構(gòu)與旋耕機(jī)相似，采用水平軸中間傳動(dòng)形式，漏耕現(xiàn)象較為明顯，在表土作業(yè)時(shí)，大部分作業(yè)區(qū)域均位于地表上方，作業(yè)功耗大，對(duì)土壤擾動(dòng)較大，從而導(dǎo)致作業(yè)后地表秸稈的覆蓋量較小，種床質(zhì)量較差[12-14]。

針對(duì)上述表土作業(yè)機(jī)械出現(xiàn)的問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種適用于中國黃淮海地區(qū)、表土作業(yè)的立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙。通過對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)其作業(yè)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用離散元仿真，分析影響碎土作業(yè)效果的因素，進(jìn)行田間試驗(yàn)，對(duì)立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙的作業(yè)性能進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙主要包括機(jī)架1、變速箱2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3和淺旋驅(qū)動(dòng)刀組4，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。變速箱安裝在機(jī)架上部，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于變速箱下部，淺旋驅(qū)動(dòng)刀位于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下部。動(dòng)力通過拖拉機(jī)傳遞至變速箱，變速箱通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳遞給淺旋驅(qū)動(dòng)刀，帶動(dòng)淺旋驅(qū)動(dòng)刀組進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)和破碎，進(jìn)行整地作業(yè)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)結(jié)構(gòu)需要符合黃淮海地區(qū)保護(hù)性耕作表土作業(yè)要求，作業(yè)深度最大不超過100 mm，一次作業(yè)完成松土、擾動(dòng)細(xì)碎土壤、無漏耕的整地作業(yè)，中間傳動(dòng)采用齒輪機(jī)構(gòu)，作業(yè)穩(wěn)定，整機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖1 立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical driving-type surface rotary tillage machine

表1 立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters for vertical driving-type surface rotary tillage machine

2 作業(yè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

立式淺旋耙其工作部件為刀組，與土壤直接接觸，機(jī)具整體作業(yè)的性能直接由刀組的性能決定，因此，本文需對(duì)其結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 刀組排列方式設(shè)計(jì)

刀組的排列方式與作業(yè)效果、作業(yè)功耗有著直接的聯(lián)系，為使機(jī)具易于加工、結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)機(jī)構(gòu)采用了一排刀軸作業(yè)的方式。根據(jù)驅(qū)動(dòng)型立式淺耙在作業(yè)時(shí)不漏耕、穩(wěn)定的要求，刀組的排列方式需要滿足下列原則[15]：1）相鄰2個(gè)刀組之間的工作區(qū)域需有部分重疊，以保證機(jī)具全面作業(yè)；2）相鄰刀組的轉(zhuǎn)向相反，且不發(fā)生干涉，使整機(jī)受力均勻；3）保證單個(gè)刀組上刀具對(duì)稱安裝，使刀具磨損均勻，減少作業(yè)振動(dòng)。

通過上述分析，為減小機(jī)具作業(yè)的振動(dòng)，刀組采用了規(guī)格相同的直齒輪嚙合的轉(zhuǎn)動(dòng)形式。相鄰兩個(gè)直齒輪旋向相反，可以在保證傳遞效率的同時(shí)減小機(jī)具的振動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。作業(yè)機(jī)構(gòu)的整體結(jié)如圖 2所示，以左側(cè) 4個(gè)刀組為例，每個(gè)直齒輪均通過軸承與刀組固定連接，刀組隨著齒輪進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜合考慮作業(yè)幅寬與機(jī)具傳動(dòng)效率，作業(yè)機(jī)構(gòu)選用了10個(gè)傳動(dòng)刀組，每個(gè)刀組的回轉(zhuǎn)直徑為260 mm，相鄰兩個(gè)刀組距離為250 mm。為使作業(yè)時(shí)相鄰2個(gè)刀軸不發(fā)生撞刀的情況，設(shè)計(jì)相鄰刀組的刀具安裝角為18°。左側(cè)第一個(gè)刀組與排列方向一致，其刀具安裝角為0。以機(jī)具的前進(jìn)方向?yàn)閄軸，刀軸橫向排列方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系，對(duì)整個(gè)幅寬內(nèi)的每個(gè)刀組運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，其運(yùn)動(dòng)表達(dá)式（1）為

式中v0表示機(jī)具的前進(jìn)速度，m/s；t表示刀具運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s；ω表示刀具的轉(zhuǎn)速，rad/s；r0表示刀具回轉(zhuǎn)半徑，mm；xi表示第 i個(gè)刀具在 X軸方向的位移；yi表示第 i個(gè)刀具在Y軸方向的位移。

圖2 刀組排列方式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of arrangement of knife group

以機(jī)具的前進(jìn)速度v0和刀軸轉(zhuǎn)速ω的比值λ定義刀具運(yùn)動(dòng)系數(shù)[16]。為了使機(jī)具作業(yè)時(shí)不產(chǎn)生漏耕現(xiàn)象，同時(shí)為保證耕后地表平整，刀軸轉(zhuǎn)速也不宜過快，λ取值范圍為1～4，從而計(jì)算出刀具轉(zhuǎn)速的范圍不超過500 r/min。

通過Matlab對(duì)式（1）進(jìn)行分析，如圖3所示，可得出相鄰 2個(gè)刀組的運(yùn)動(dòng)軌跡不相交，且重疊作業(yè)區(qū)域的寬度為10 mm，不發(fā)生漏耕的情況。

圖3 相鄰兩個(gè)刀組的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Motion trajectory of two adjacent cutters

2.2 刀組的安裝與設(shè)計(jì)分析

2.2.1 刀組的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

刀組的結(jié)構(gòu)如圖 4所示，由刀軸、刀盤、刀具固定銷、刀具組成。刀軸上部通過軸承與傳動(dòng)直齒輪連接，刀盤與2個(gè)刀具通過刀具固定銷固定連接，2個(gè)刀具間的相位角為 180°，由螺栓對(duì)刀具固定銷進(jìn)行鎖緊。由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，刀具工作時(shí)受到較大沖擊，如采用傳統(tǒng)的螺栓螺母固定方式，一旦螺母松動(dòng)，在加速刀具磨損的同時(shí)，作業(yè)效果也受到影響。而采用固定銷連接方式，螺栓不與刀具直接固定接觸，只受到拉伸力，不承擔(dān)剪切力作用，作業(yè)時(shí)定位銷不易松動(dòng)。此種方式可減小刀具振動(dòng)影響整地效果，以此減小作業(yè)時(shí)對(duì)刀具的磨損，增加刀具使用壽命。

圖4 驅(qū)動(dòng)刀組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of driving-type knife group

刀具作為與土壤直接接觸的工作部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于作業(yè)效果的好壞有著重大的影響。本研究基于傳統(tǒng)的立式旋刀，對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。刃口切削土壤，破碎土壤的效果與刃口形狀有關(guān)。傳統(tǒng)的旋刀采用了直刀刃的形式，其滑切效果、對(duì)土壤的擾動(dòng)均較小。本研究刃口形狀采用了最速曲線形式，最速曲線可增加在曲線上運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度[17]，從而可以提升切削土壤的滑切效果。由于土壤摩擦角一般在26°～38°之間，因此設(shè)計(jì)曲線最外緣的切線與刀刃平面夾角，即最小切線角為 40°。在作業(yè)時(shí)土壤顆粒能克服在刀刃表面運(yùn)動(dòng)的摩擦力，增加刀刃對(duì)土壤的擾動(dòng)作用，刃口曲線的參數(shù)方程為式（2）。

式中 γ表示刃口曲線的切線與刃口前端非刀刃夾角，γ=γ(t)；K 表示系數(shù)。

刀具尺寸如圖 5所示，為保證刀具強(qiáng)度，上部開設(shè)有弧形凹槽。刀刃入土角度設(shè)計(jì)為45°，以保證作業(yè)時(shí)刀具的入土效果和刀具的作業(yè)強(qiáng)度。在淺旋作業(yè)時(shí)，需要降低刀具對(duì)表層秸稈的擾動(dòng)砍切效果，保證更多的秸稈覆蓋在地表，因此設(shè)計(jì)刀具前端非刀刃的厚度為5 mm。并綜合考慮刀盤直徑、安裝方式，依據(jù)作業(yè)時(shí)刀具之間不碰撞的原則，設(shè)計(jì)刀具的厚度為15 mm，寬度為60 mm，刀具側(cè)面與安裝面折彎角為90°。淺旋整地作業(yè)對(duì)地表的耕作深度一般在0～10 mm[18]，因此設(shè)計(jì)刀具的整體高度為180 mm，滿足作業(yè)要求。式（2）中K為形成最速曲線的滾動(dòng)圓半徑，綜合考慮刀具厚度、刃口尺寸，最終選取K大小為20 mm。

2.2.2 刀具外傾角與寬度的參數(shù)確定

刀具的外傾角、寬度與切削土壤的效果有關(guān)。過大的外傾角不利于刀具切削土壤，一般選取刀具外傾角的范圍為5°～15°[18]。而刀具的寬度過小，對(duì)土壤的擾動(dòng)作用較小，不能達(dá)到相好的整地效果。傳統(tǒng)的立式旋刀由于刀具的寬度過大，作業(yè)時(shí)刀具的刀背部運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)先于刀刃接觸土壤，發(fā)生頂土現(xiàn)象。從而導(dǎo)致地表平整度降低，作業(yè)效果較差。因此，需要對(duì)刀具的外傾角和寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以相切為臨界條件進(jìn)行探討，以刀具的回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，其刀具外傾角、前角示意圖如圖6所示。

圖5 刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of knife

圖6 刀具外傾角、前角示意圖Fig.6 Camber angle, front angle diagram of knife

設(shè)刀刃外側(cè)切土點(diǎn)為A，刀背外側(cè)一點(diǎn)為B，AB長度即為刀具切割土壤部分寬度b，刀具外傾角為β0，刀具前角δ，刀刃回轉(zhuǎn)半徑為 r，刀具寬度所對(duì)應(yīng)圓心角為 α，則刀刃 A點(diǎn)、刀背B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程分別如式（3）、（4）所示。

以A點(diǎn)表示刀刃，B表示刀背，刀具從A0B0轉(zhuǎn)過一定角度到達(dá)位置A1B1，A點(diǎn)余擺線軌跡的切線A1T與A1B1間夾角為β，刀具A1B1與x軸負(fù)方向的夾角為ε，運(yùn)動(dòng)過程如圖7所示。

圖7 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Motion trajectory of knife

由幾何關(guān)系可得式（5）。

式中b表示刀具切割土壤部分寬度，mm。

初始條件為

代入整理可得刀背運(yùn)動(dòng)的微分表達(dá)式（7）。

計(jì)算可知，當(dāng)相切臨界點(diǎn)出現(xiàn)在 B1余擺線切線與 x軸方向上極值處時(shí)，刀具寬度b最大不超過43.5 mm，此時(shí) β即為刀具外傾角 β0，為獲得較大的土壤擾動(dòng)面積，最終選取刀具寬度為40 mm，刀具外傾角為10°。

2.3 刀具動(dòng)力學(xué)分析

刀具與土壤直接作用，對(duì)土壤有擾動(dòng)和破碎的作用，其破碎主要由刀刃產(chǎn)生[19-20]。對(duì)與刀刃相接處的土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)受力狀態(tài)分析。由于刀具在豎直方向受力相互平衡，在豎直方向?qū)ν寥李w粒的擾動(dòng)較小，因此以刀具橫切面建立xoy坐標(biāo)系。如圖8所示，土壤顆粒主要受到刀具的正壓力Fsn、摩擦力Fsτ、及其他土壤顆粒的作用力在法線和切線上的分力Fx1，F(xiàn)y1。土壤顆粒在隨著刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還隨著拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)具有前進(jìn)方向的速度。因此，在運(yùn)動(dòng)過程中土壤顆粒具有的科氏加速度，其方向與牽連加速度方向垂直，根據(jù)幾何關(guān)系，土壤顆粒質(zhì)點(diǎn)沿著方向τ（曲面切線方向）及n方向（曲面法線方向）的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)微分方程為

式中η表示刀具經(jīng)過時(shí)間t轉(zhuǎn)過的角度，(°)；ζ表示牽連加速度與前進(jìn)速度正向夾角，(°)；ac表示刀具的科氏加速度，m/s2；M為土壤顆粒受到的重力，N；ae表示牽連加速度，m/s2；ar表示相對(duì)加速度，m/s2。

根據(jù)圖8中幾何關(guān)系可得

圖8 刀具的受力分析Fig.8 Force analysis of knife

摩擦力Fsτ與正壓力 Fsn成正比，且與土壤和接觸面的摩擦角有關(guān)[21]。

通過分析式（8）可知，影響土壤受力的因素包括刃口曲線的切線與刃口前端非刀刃夾角γ、刀具經(jīng)過時(shí)間 t轉(zhuǎn)過的角度η、刀具的科氏加速度ac、牽連加速度ae、相對(duì)加速度ar和相對(duì)加速度ar與前進(jìn)速度正向夾角ζ。

根據(jù)幾何關(guān)系式（9）可知，影響η的因素為刀具轉(zhuǎn)速ω。影響科氏加速度ac、牽連加速度ae的因素為刀具轉(zhuǎn)速ω與機(jī)具前進(jìn)速度v0。影響相對(duì)加速度ar的因素為刀具轉(zhuǎn)速與刀具前角δ。在刀具前角δ、刃口曲線的切線與刃口前端非刀刃夾角γ等刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時(shí)，影響相對(duì)加速度 ar與前進(jìn)速度正向夾角ζ的因素為機(jī)具前進(jìn)速度v0與刀具轉(zhuǎn)速 ω。因此，在確定刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)后，除土壤因素外，刀具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（包括刀具轉(zhuǎn)速ω與機(jī)具的前進(jìn)速度 v0）是影響土壤顆粒受力的最主要的因素，從而影響土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)繼而影響淺旋作業(yè)效果。

3 淺旋作業(yè)離散元仿真

應(yīng)用離散元仿真軟件對(duì)淺旋刀組破碎土壤過程進(jìn)行仿真。采用顆粒團(tuán)對(duì)部分土壤模型進(jìn)行建模，進(jìn)行 API函數(shù)替換，即通過顆粒團(tuán)替換大尺寸的顆粒，在破碎過程中，顆粒團(tuán)中顆粒間的粘結(jié)鍵受力斷裂，模擬破碎過程[22]。最小單元的土壤顆粒半徑10 mm，根據(jù)實(shí)際測量及相關(guān)參考文獻(xiàn)確定顆粒團(tuán)的半徑為50 mm，顆粒團(tuán)替換如圖 9所示。顆粒團(tuán)數(shù)量與普通顆粒數(shù)量比為1:15，普通土壤顆粒尺寸分布0.9～1.1、土壤顆粒泊松比0.3、土壤顆粒密度2 500 kg/m3、土壤剪切模量1 MPa、土壤顆粒阻尼系數(shù)0.95[23]。設(shè)置刀組的材料泊松比0.3、密度7 865 kg/m3、剪切模量 7.8×1010Pa。

圖9 顆粒團(tuán)模型Fig.9 Particle cluster model

將建立好的刀具模型導(dǎo)入到仿真軟件中。為簡化計(jì)算過程，模型中選取相鄰 2個(gè)刀組。將動(dòng)力學(xué)分析確定影響淺旋作業(yè)效果的 2個(gè)因素，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速作為仿真試驗(yàn)的因素。分別選取刀具轉(zhuǎn)速為200、250、300、350、400 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s，作業(yè)深度恒定保持為60 mm進(jìn)行仿真分析。

土壤顆粒破碎仿真過程如圖10所示，顯示在前進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)刀具轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)的仿真過程。通過離散元后處理模塊可計(jì)算出一次作業(yè)后直徑（最長邊）小于50 mm土壤顆粒的占比，即為碎土率，并選取作業(yè)后，垂直于前進(jìn)方向上橫向位置的150、300、450 mm土壤的高度進(jìn)行測量，計(jì)算土壤的平整度，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 刀具碎土仿真過程Fig.10 Simulation process of soil broken by knife

通過對(duì)仿真結(jié)果的分析可得，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速對(duì)淺旋耙作業(yè)后的效果有影響。刀具轉(zhuǎn)速與碎土率呈正相關(guān)，機(jī)具前進(jìn)速度與碎土率呈負(fù)相關(guān)，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速均與土壤平整度呈正相關(guān)。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速對(duì)碎土率的顯著性影響P＜0.01，為極顯著影響。仿真分析進(jìn)一步確定機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速影響淺旋耙作業(yè)效果，后續(xù)將通過對(duì)樣機(jī)的田間試驗(yàn)，對(duì)刀具的較優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11 刀具碎土仿真結(jié)果Fig.11 Soil broken simulation result of knife

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2017年12 月，在江蘇省東?？h，進(jìn)行立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙田間性能試驗(yàn)。選用沐河SH1004輪式拖拉機(jī)，配套動(dòng)力為76 kW。測量田間土壤的平均含水率為17.22%，土壤容重1.33 g/cm3，地表有少量秸稈覆蓋。隨機(jī)選取試驗(yàn)地5個(gè)1 m×1 m的正方形地塊，將該區(qū)域內(nèi)的秸稈進(jìn)行收集并測量質(zhì)量，測得每平方米平均秸稈覆蓋量為88.6 g，田間試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照《GB/T 5668-2008 旋耕機(jī)》、《GB/T 25420-2010驅(qū)動(dòng)耙》規(guī)定的試驗(yàn)方法，考察所設(shè)計(jì)的立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙的作業(yè)性能，選取碎土率、土壤容重、土壤平整度為試驗(yàn)指標(biāo)[24-25]。試驗(yàn)前對(duì)土壤平整度基準(zhǔn)高度進(jìn)行測量，地表的平均高度為24 mm。

選取試驗(yàn)地長度為100 m，機(jī)具每作業(yè)20 m測量一組數(shù)據(jù)，選取作業(yè)長度內(nèi)5個(gè)測量點(diǎn)，并將作業(yè)幅寬內(nèi)分為 10等分，分別對(duì)作業(yè)前后地表高度進(jìn)行測量，土壤平整度的計(jì)算表達(dá)式

式中ρ為土壤平整度，mm；aj為第j個(gè)行程的地表高度，mm；aji為第j個(gè)行程種第i個(gè)點(diǎn)的地表高度，mm；ni為第i個(gè)測定點(diǎn)的數(shù)量；nj為第j個(gè)行程中的測定點(diǎn)數(shù)量。

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.3.1 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行（二因素）二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)刀具的動(dòng)力學(xué)分析及仿真試驗(yàn)試驗(yàn)的結(jié)果分析，確定了在作業(yè)時(shí)影響土壤受力的因素為機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速。因此，選取機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，對(duì)理論與仿真的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。一般淺旋機(jī)作業(yè)速度不超過3 m/s，與播種機(jī)速度一致，最終選取淺旋機(jī)前進(jìn)速度水平的范圍為1.2～2.6 m/s。通過前期預(yù)試驗(yàn)及仿真試驗(yàn)，為使機(jī)具作業(yè)時(shí)不發(fā)生漏耕現(xiàn)象，并參考實(shí)際作業(yè)情況，確定了刀具轉(zhuǎn)速范圍為200～400 r/min。通過田間試驗(yàn)，對(duì)指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性的分析，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)各參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化[26]。試驗(yàn)因素水平編碼表如表2所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Experimental factors and levels

表3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test plan and experimental result

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與回歸模型建立

利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到碎土率 Y1、土壤容重Y2和土壤平整度Y33個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程。田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)與離散元仿真分析基本一致。由于田間試驗(yàn)可控制條件較少，因此，田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)略大于仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其顯著性檢驗(yàn)。

1）碎土率Y1的顯著性分析

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，碎土率Y1方差表如表4所示。由表4可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著（P＜0.01）。主因素中刀具轉(zhuǎn)速對(duì)于指標(biāo)影響最為顯著，交互項(xiàng)中機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速對(duì)指標(biāo)為較顯著影響，且各因素對(duì)碎土率的影響主次順序?yàn)?x2＞x1。將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，得到各個(gè)因素與指標(biāo)間回歸方程。

式中x1表示機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；x2表示刀具轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表 4所示，其中P＞0.1，不顯著，證明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

2）土壤容重Y2的顯著性分析

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，土壤容重Y2方差表如表5所示。由表4可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著（P＜0.01）。主因素中刀具轉(zhuǎn)速對(duì)于指標(biāo)影響最為顯著，交互項(xiàng)中機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速對(duì)指標(biāo)為顯著影響，且各因素對(duì)土壤容重的影響主次順序?yàn)閤2＞x1。將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，得到各個(gè)因素與指標(biāo)間回歸方程。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表 4所示，其中P＞0.1，不顯著，證明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

3）土壤平整度Y3的顯著性分析

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，土壤平整度Y3方差表如表4所示，在土壤平整度的因素中均為顯著和較顯著因素，因此方差分析表中無需進(jìn)行提出不顯著因素進(jìn)行二次分析。由表 4可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著（P＜0.01）。主因素中刀具轉(zhuǎn)速對(duì)于指標(biāo)影響最為顯著，交互項(xiàng)中機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速對(duì)指標(biāo)為較顯著影響，各因素對(duì)土壤平整度的影響主次順序?yàn)閤2＞x1。將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，得到各個(gè)因素與指標(biāo)間回歸方程。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表 4所示，其中P＞0.1，不顯著，證明試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

表4 碎土率、土壤容重、土壤平整度的方差分析Table 4 Variance analysis for soil broken rate, density of soil bulk, soil flatness

4.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得出因素間的顯著和較顯著交互作用對(duì) 3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

圖13 雙因素響應(yīng)曲面Fig.13 Response surface of double parameters

對(duì)于碎土率，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速交互作用影響如圖13a所示。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定，碎土率隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加而增大，刀具轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍為 270～370 r/min；當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速固定時(shí)，碎土率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加而減小，機(jī)具前進(jìn)速度的較優(yōu)范圍為1.4～2.0 m/s。

對(duì)于土壤容重，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速交互作用影響如圖 13b所示。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定，土壤容重隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加而減小，刀具轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍為300～370 r/min；當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速固定時(shí)，土壤容重隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加而增大，機(jī)具前進(jìn)速度的較優(yōu)范圍為 1.4～2.2 m/s。

對(duì)于土壤平整度，機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速交互作用影響如圖13c所示，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度固定，土壤平整度隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加而增大，刀具轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍為250～350 r/min；當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速固定時(shí)，土壤平整度隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加而增大，機(jī)具前進(jìn)速度的較優(yōu)范圍為1.4～2.0 m/s。響應(yīng)曲面中試驗(yàn)指標(biāo)隨著單個(gè)因素變化趨勢(shì)與仿真試驗(yàn)所得結(jié)論一致，驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的合理性。

為獲得開溝器作業(yè)的最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Design Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)上述3個(gè)回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解，根據(jù)實(shí)際作業(yè)及相關(guān)理論選擇優(yōu)化約束條件[24]、目標(biāo)及約束函數(shù)。

對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到結(jié)果為：當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為1.4 m/s，刀具轉(zhuǎn)速為350 r/min時(shí)，碎土率為95.0%，土壤容重為0.80 g/cm3，土壤平整度為15.8 mm。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

2017年12 月，在江蘇省東?？h，進(jìn)行立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙田間性能試驗(yàn)，作業(yè)條件與前述相同，將優(yōu)化后的機(jī)具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，試驗(yàn)條件與方法與上述試驗(yàn)相同，機(jī)具前進(jìn)速度選取為1.4 m/s，刀具轉(zhuǎn)速選取350 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化后機(jī)具作業(yè)性能對(duì)比Table 5 Performance comparison of optimized equipment

試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的機(jī)具，其碎土率為95.4%，土壤容重為0.82 g/cm3，土壤平整度為16.3 mm，實(shí)際測量結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。并對(duì)耕深變異系數(shù)、秸稈覆蓋率進(jìn)行測量，耕深變異系數(shù)為12.5%，秸稈覆蓋率為78.6%，其結(jié)果均能滿足相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，且機(jī)具通過性、作業(yè)效果良好。這是由于本研究設(shè)計(jì)刀具，增加了橫向擾動(dòng)土壤的作用，提高碎土效果，并使土壤顆粒較多的在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，提高了作業(yè)后地表的平整度，保證耕深穩(wěn)定性，提高秸稈覆蓋的面積。試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化參數(shù)的合理性，按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行作業(yè)能夠滿足要求，作業(yè)無漏耕現(xiàn)象。

本文通過對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的分析，確定了影響土壤受力的因素為機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)在刀具設(shè)計(jì)部分已確定，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析是在刀具結(jié)構(gòu)固定條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。后續(xù)也將采用離散元與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的刀具進(jìn)行作業(yè)性能分析，以探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)效果的影響規(guī)律。

5 結(jié) 論

針對(duì)保護(hù)性耕作時(shí)地表平整度、表層碎土效果要求較高的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙，對(duì)作業(yè)機(jī)構(gòu)、刀組排列方式、刀組結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，刀具刃口曲線采用最速曲線，并對(duì)刀具關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)刀具外傾角為10°、寬度為40 mm。通過對(duì)刀具的動(dòng)力學(xué)分析，得出了影響土壤受力的因素為機(jī)具前進(jìn)速度與刀具轉(zhuǎn)速，并采用離散元仿真分析對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)立式淺旋耙進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)組合田間試驗(yàn)，建立了各個(gè)因素與指標(biāo)間的回歸模型，得出立式驅(qū)動(dòng)淺旋耙較優(yōu)的工作參數(shù)組合。試驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為刀具轉(zhuǎn)速為時(shí)，其碎土率為95.4%，土壤容重為0.82 g/cm3，土壤平整度為16.3 mm，耕深變異系數(shù)為12.5%，秸稈覆蓋率為78.6%，其結(jié)果均能滿足相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)效果良好。