保護(hù)性耕作破茬碎土刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙淑紅 王加一 楊 超 陳佳奇 楊悅乾

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

0 引言

深松是保護(hù)性耕作的核心技術(shù)之一，能打破犁底層，提高水分利用率。但傳統(tǒng)的深松作業(yè)，殘留根土結(jié)合體較大，整地效果不佳；深松鏟打破犁底層，要求機(jī)組載重過大，存在耕作阻力較大、土壤擾動(dòng)量較大等問題。鑒于此，學(xué)者對(duì)破茬、碎土作業(yè)進(jìn)行了深入研究[1-4]。

近年來(lái)，深松、破茬、碎土等耕整地的研究取得較大進(jìn)展。在深松鏟研究方面，主要以振動(dòng)減阻和仿生減阻的方法來(lái)降低耕作阻力；在破茬研究中，以圓盤刀、缺口破茬刀的研究最為廣泛；碎土方法的研究主要以鎮(zhèn)壓碎土法來(lái)壓碎土塊。多部件聯(lián)合作業(yè)耕整地機(jī)械廣泛應(yīng)用，其中深松鏟前安裝被動(dòng)破茬刀較多，其能增強(qiáng)整地效果，降低阻力及功耗，但深松、破茬部件獨(dú)立工作，未考慮部件間的互作效應(yīng)，對(duì)機(jī)組的載重需求有所增加[5-13]。

本文基于擬合曲線型深松鏟[14]、破茬部件的交互作用，以及擬合曲線型深松鏟作業(yè)后根土結(jié)合體較大和破茬、碎土作業(yè)中過大的載重問題，以提高作業(yè)質(zhì)量、降低機(jī)組功耗為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種配合擬合曲線型深松鏟作業(yè)的破茬碎土刀，為我國(guó)耕整地作業(yè)、低能耗農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供新思路。

1 破茬碎土刀總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

破茬碎土刀裝置主要由破茬碎土刀刀片、破茬碎土刀刃口(刃口包括刃形線和刃口曲線，刃口為作業(yè)時(shí)破茬刀刀片的尖端位置)、破茬碎土刀碎土桿等組成，如圖1所示，與擬合曲線型深松鏟[14](土壤的回流軌跡與鏟柄的形狀相同，具有土壤擾動(dòng)量少、耕作阻力小的特點(diǎn))配合使用，其能一次性完成深松、破茬、碎土耕整地作業(yè)。

圖1 破茬碎土刀示意圖Fig.1 Sketches of stubble cutter1.破茬碎土刀刀片 2.破茬碎土刀刃口 3.碎土桿 4.擬合曲線型深松鏟 5.鏟柄 6.刃形線 7.刃口曲線

1.2 工作原理

破茬碎土刀配合擬合曲線型深松鏟作業(yè)時(shí)，選擇破茬碎土刀與地面鉛垂安置，即破茬碎土刀傾角為0°，偏角為0°。對(duì)根土結(jié)合體作用時(shí)，深松鏟和破茬碎土刀對(duì)其產(chǎn)生互作效應(yīng)，深松鏟對(duì)根土結(jié)合體產(chǎn)生向前上方作用力，而破茬碎土刀對(duì)根土結(jié)合體產(chǎn)生法向砍切力和切向滑切力，滑切力的方向?yàn)楹笙路?，與深松鏟對(duì)根土結(jié)合體力的方向相反，可增加滑切效果，降低切割阻力。在對(duì)土塊作用時(shí)，土塊在深松鏟和碎土桿的互作效應(yīng)下被壓碎，達(dá)到碎土的效果。

2 破茬碎土刀設(shè)計(jì)

2.1 田間試驗(yàn)

為了對(duì)與深松鏟配合使用的破茬碎土刀設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)，通過深松試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。在深松作業(yè)中，深松鏟對(duì)根茬的挑動(dòng)主要源自于鏟尖自犁底層以下的作用，并且此時(shí)鏟柄與根茬存在一定距離[15]。本研究擬在此間距內(nèi)，鏟尖對(duì)根茬挑動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)破茬部件，與鏟尖的挑動(dòng)形成互作效應(yīng)，增加對(duì)根茬的切向力作用，從而降低阻力。在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間深松試驗(yàn)，探究前期所設(shè)計(jì)擬合曲線型深松鏟[14](擬合曲線型深松鏟為前期研究成果，不具備深松鏟的通用性)對(duì)根茬挑動(dòng)趨勢(shì)最大時(shí)，根茬的加速度方向及深松鏟與根茬的距離。

圖2 田間試驗(yàn)Fig.2 Field test1.車載直流電源(12 V，300 W) 2.逆變器(12～220 V) 3.計(jì)算機(jī) 4.深松施肥機(jī) 5.約翰迪爾484型拖拉機(jī) 6.高速攝像儀(美國(guó)Vision Research公司，Nikon鏡頭，圖像處理程序?yàn)镻hantom控制軟件)

2.1.1試驗(yàn)條件與設(shè)備

田間深松試驗(yàn)于2017年10月進(jìn)行。試驗(yàn)地為玉米免耕地，耕作模式為壟作。試驗(yàn)前測(cè)得：試驗(yàn)地平均土壤容重為1.21 g/cm3；土壤平均含水率為(14±1)%。土壤硬度平均為：1 021 kPa(0～125 mm)、2 835.8 kPa(125～250 mm)、2 760 kPa(250～300 mm)，試驗(yàn)地面積為4 000 m2。土壤測(cè)量工具有SC-900型土壤硬度儀、環(huán)刀組件(容積98.125 cm3)等，其它試驗(yàn)器材如圖2所示。

2.1.2試驗(yàn)方案

2.1.2.1裝置連接

電氣連接：在田間僅能提供車載直流電源條件下，為保證高速攝像儀正常完成定點(diǎn)拍攝工作，以及計(jì)算機(jī)工作電壓的穩(wěn)定性，選用12～220 V直流變交流逆變器，電氣連接流程如圖3所示。

圖3 電氣設(shè)備連接流程圖Fig.3 Flow chart of electrical equipment connection

機(jī)械連接：采用兩行深松施肥機(jī)，與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛式連接，深松鏟入土深度250～300 mm，深松鏟與機(jī)架通過頂絲固定。

2.1.2.2方案設(shè)計(jì)

圖5 深松鏟正向作用根茬高速攝像圖Fig.5 High-speed camera graphs of forward effect of subsoiler on root stubble1.擬合曲線型深松鏟 2.側(cè)垂面坐標(biāo)紙 3.平面鏡中鉛垂面坐標(biāo)紙 4.平面鏡 5.根茬

為探究深松作業(yè)時(shí)根茬的動(dòng)態(tài)變化，并從中確定根茬在未偏移狀態(tài)下，根茬加速度最大時(shí)，加速度的方向范圍和深松鏟與根茬的距離范圍，進(jìn)而為破茬碎土刀的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隨機(jī)選取單個(gè)根茬為研究對(duì)象，在側(cè)旁安置高速攝像儀，在側(cè)垂面安置坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并用竹竿固定于地面，在鉛垂面安置坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，隨同機(jī)組前進(jìn)(有微小晃動(dòng)，但對(duì)標(biāo)記根茬的偏移沒有影響)，高速攝像儀側(cè)向拍攝根茬及側(cè)垂坐標(biāo)紙，側(cè)垂坐標(biāo)紙左側(cè)安置與其夾角為45°的平面鏡，以體現(xiàn)相對(duì)于鉛垂坐標(biāo)紙根茬的偏移時(shí)刻，如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)配置圖Fig.4 Coordinate configuration diagram1.擬合曲線型深松鏟 2.側(cè)垂面坐標(biāo)紙 3.鉛垂面坐標(biāo)紙4.平面鏡 5.根茬

機(jī)組以正常深松作業(yè)速度2～3 km/h通過，利用高速攝像儀拍攝深松鏟對(duì)根茬的作用過程，同時(shí)將攝像結(jié)果導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，利用Phantom控制軟件對(duì)攝像結(jié)果進(jìn)行修剪，并對(duì)根茬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加以分析，輸出整個(gè)深松過程中，根茬位置、速度、加速度變化圖，進(jìn)而確定鏟尖對(duì)根茬挑動(dòng)較大時(shí)，根茬的加速度方向及深松鏟與根茬的距離。因根茬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與自身的形貌有關(guān)，田間根茬差異性較大，所以依次重復(fù)，選取各形貌根茬進(jìn)行15組試驗(yàn)。

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果

深松鏟作用于根茬可以歸納為兩種情況：從根茬正向通過和從根茬側(cè)向通過。

2.1.3.1深松鏟從根茬正向通過

在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行的15組試驗(yàn)中，取機(jī)組前進(jìn)方向?yàn)閤軸負(fù)向，豎直向上方向?yàn)閥軸正向，順時(shí)針為正，在Phantom軟件中對(duì)深松鏟從根茬正向通過根茬的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行提取，其作業(yè)效果在xoy面內(nèi)的投影圖如圖5所示。對(duì)每一組深松鏟正向作用于根茬的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，根茬在xoy面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)投影如圖6所示。

圖6 深松鏟正向作用于根茬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化趨勢(shì)分析Fig.6 Trend analyses of motion state of root stubble forward affected by subsoiler

圖6中，從根茬速度發(fā)生變化到平面鏡內(nèi)根茬發(fā)生側(cè)向偏移的過程中(圖中為0～0.16 s)，記錄加速度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(圖6d為0.1 s)，并在軟件中測(cè)量深松鏟與根茬的距離，在圖6e中記錄此時(shí)刻加速度與x軸負(fù)向的夾角。對(duì)每一組深松鏟從正向通過根茬的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)：深松鏟在距離根茬320 mm以上時(shí)，根茬未發(fā)生運(yùn)動(dòng)，根茬未發(fā)生偏移的狀態(tài)下，深松鏟與根茬距離在260～290 mm范圍內(nèi)時(shí)，根茬加速度最大，根茬受到深松鏟對(duì)其力的作用最大，加速度方向與x軸負(fù)向夾角為24°～29°。

2.1.3.2深松鏟從根茬側(cè)向通過

采用上述方法，對(duì)深松鏟從根茬側(cè)向通過根茬的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行提取，對(duì)每一組根茬被側(cè)向挑起的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到：深松鏟在距離根茬350 mm以上時(shí)，根茬未發(fā)生運(yùn)動(dòng)，深松鏟距離根茬240～270 mm時(shí)，根茬未發(fā)生偏移的狀態(tài)下，根茬加速度最大；根茬受到深松鏟對(duì)其力的作用最大，加速度方向與x軸負(fù)向夾角為10°～72°。

2.2 碎土刀關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1破茬刀設(shè)計(jì)

對(duì)于深松作業(yè)存在的根土結(jié)合體較大問題，采用破茬刀對(duì)其切割。周桂霞等[16]的研究表明，滾動(dòng)圓盤式破茬刀切割根土復(fù)合體效果最佳。因此本設(shè)計(jì)中，針對(duì)田間深松作業(yè)存在的根土結(jié)合體較大的問題，結(jié)合以上所分析數(shù)據(jù)(由于根茬有較大挑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，力源自于犁底層以下鏟尖對(duì)根茬的前上方作用，且鏟柄與根茬距離較遠(yuǎn)，所設(shè)計(jì)的破茬部件僅對(duì)耕作層作業(yè)，設(shè)計(jì)原理采用加速度的矢量疊加，因此增加破茬部件對(duì)深松作業(yè)時(shí)鏟尖對(duì)根茬作用的效果影響較小，以上深松試驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為設(shè)計(jì)依據(jù))，設(shè)計(jì)滾動(dòng)圓盤式破茬刀對(duì)根土結(jié)合體進(jìn)行切割。

2.2.1.1破茬刀半徑的初步確定

由于破茬刀與地面偏角為0°、傾角為0°時(shí)切割效果最佳[17]，因此破茬刀偏角設(shè)計(jì)為0°，傾角設(shè)計(jì)為0°，與地面垂直進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割作業(yè)。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析，根茬沿y軸方向向上運(yùn)動(dòng)5～23 mm，并由文獻(xiàn)[18]得玉米須根上的側(cè)根主要分布在15～86 mm，土層下主要有兩層主根，節(jié)高分布在9～33 mm范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)破茬刀入土深度為80 mm，破茬刀與深松鏟位置配合如圖7所示，h為破茬刀入土深度，d為破茬刀與深松鏟的最小間隙，R為破茬刀的半徑，b為破茬刀入土部位弦長(zhǎng)的一半。

圖7 破茬刀與深松鏟位置關(guān)系示意圖Fig.7 Position diagram of driving coulter and subsoiler

圖7中，滿足幾何關(guān)系

R2=b2+(R-h)2

(1)

對(duì)多組試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析，根茬未發(fā)生偏移狀態(tài)下，深松鏟距離根茬240～290 mm范圍時(shí)，根茬加速度最大，根茬受到深松鏟對(duì)其力的作用最大。因此利用此時(shí)間段對(duì)根茬開始進(jìn)行切割，根茬所受作用力較大時(shí)，對(duì)其施加反向作用力可以增加切割效率，減小配重，從而減小拖拉機(jī)功耗[19]。為保證深松鏟與破茬刀不干涉，防止作業(yè)過程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象，確定破茬刀與深松鏟的最小間隙為20 mm(d=20 mm)。因此在根茬未偏移且加速度最大時(shí)進(jìn)行切割，需滿足條件

R-b+20+2b≥290

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)得到142.15 mm≤R≤557.85 mm。

由此初步確定破茬刀半徑在142.15～557.85 mm之間。

2.2.1.2破茬刀刃口設(shè)計(jì)

刃口包含刃形線、切削刃角、刃口曲線。為滿足破茬刀切割根土復(fù)合體及土壤要求，破茬刀厚度設(shè)計(jì)為4 mm。觸土部件切削刃角一般取值為30°～60°，其中壤土的最小切削刃角范圍為40°～45°[20-21]，破茬刀刃部多為楔形刃，楔形刃錐角設(shè)計(jì)較小時(shí)能夠有效降低切削阻力，但穩(wěn)定性較差，容易折刃[22]，由文獻(xiàn)[14]得，外凸形刃形線穩(wěn)定性較強(qiáng)，取刃口切削角為45°，刃高度為4 mm，如圖8所示。在計(jì)算機(jī)輔助軟件CAD中運(yùn)用樣條曲線通過高度及角度條件確定出外凸曲線形狀，并將計(jì)算機(jī)識(shí)別點(diǎn)輸入Matlab軟件中進(jìn)行編程擬合，得到擬合曲線和擬合方程，擬合方程擬合度為0.999 9，擬合曲線如圖9所示。

圖8 破茬刀刃口剖視圖Fig.8 Schematic diagram of cutting edge of broken stubble

圖9 破茬刀刃形線擬合曲線Fig.9 Fitting curve of cutting edge curve

擬合曲線方程為

y=0.385 4x2-2.775x+0.013 14

(3)

為了降低作業(yè)時(shí)的切割阻力，對(duì)深松鏟、破茬刀共同作業(yè)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，依據(jù)文獻(xiàn)[23]，將根茬視為質(zhì)點(diǎn)，受力如圖10所示。FT為深松鏟通過土壤對(duì)根茬的作用力，F(xiàn)f為根茬沿x軸正向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)所受摩擦力，F(xiàn)τ為根茬受破茬碎土刀刃口切向的摩擦力，F(xiàn)為作物生長(zhǎng)作用力(即根茬和土壤之間的作用力)，mg為根茬受到的重力，F(xiàn)n為根茬受破茬碎土刀刃口法向的壓力，fn為根茬受刀片刀刃法向上的摩擦力，F(xiàn)N為根茬受破茬碎土刀刃的支持力，arn為根茬相對(duì)破茬碎土刀刃口的法向加速度，arτ為根茬相對(duì)破茬碎土刀刃口的切向加速度，aeτ為根茬的切向牽連加速度，aen為根茬的法向牽連加速度，ac為根茬的科氏加速度。

圖10 根茬質(zhì)點(diǎn)滑切原理圖Fig.10 Illustrative diagram of sliding cutting of particles

得到質(zhì)點(diǎn)在τ方向和n方向的運(yùn)動(dòng)方程為

FT-Fτ-Ffsinθ-mgcosθ-Fcosθ=
m(arτ-aeτcosγ+aensinγ)

(4)

(5)

式中θ——破茬碎土刀刃口滑切角，(°)

m——根茬質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kg

φ——刃口切削刃角在水平方向的投影，(°)

γ——刃口曲線切向與破茬碎土刀半徑切向的夾角，(°)

根茬在被深松鏟和破茬碎土刀共同作用時(shí)，根茬質(zhì)點(diǎn)受到的切向摩擦力Fτ為

Fτ=Fntanφ

(6)

式中φ——根茬的摩擦角，(°)

將式(6)代入式(4)、(5)中得到

(7)

其中，根茬受刃口法向的壓力Fn由機(jī)具施加在破茬碎土刀的載荷Mg決定，為

Fn=Mgsinθ

(8)

式中M——機(jī)具施加在破茬碎土刀上的質(zhì)量，kg

將曲線刃口理想化為直線，則

(9)

式中α——刃口切削刃角，(°)

β——刃口切削刃角平面與切削刃角在水平面間的夾角，(°)

結(jié)合文獻(xiàn)[23]，若降低切割阻力，應(yīng)增加滑切作用，即產(chǎn)生arτ。由式(7)得，多個(gè)物理量對(duì)相對(duì)加速度arτ產(chǎn)生影響，其中φ(破茬碎土刀在切割根茬時(shí)，主要對(duì)粗根茬作用，根茬的摩擦角取粗根茬區(qū)的摩擦角，為17.3°[23])、α為常數(shù)；mg、F受自然狀態(tài)影響；ac、aeτ、aen、arn、Mg、FT受工作參數(shù)影響；fn與接觸面的粗糙程度和切開的根茬對(duì)刀片刀刃的壓力有關(guān)，F(xiàn)N與切開的根茬對(duì)刀片刀刃的壓力有關(guān)。

θ、β、φ、γ由破茬刀刃口曲線決定，因此刃口曲線形狀直接影響滑切作用，由滑切的探究過程及滑切原理[23-24]得，刃口曲線實(shí)質(zhì)上通過增加切向力而增強(qiáng)滑切作用，降低耕作阻力。因此對(duì)于刃口曲線設(shè)計(jì)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性[19]，令深松鏟作用時(shí)根茬的分加速度方向與破茬刀對(duì)根茬滑切作用產(chǎn)生的加速度方向相反，增加破茬刀切向力效果。加速度矢量如圖11所示，將根茬視為質(zhì)點(diǎn)，破茬刀沿x軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，且逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，a為深松鏟作用時(shí)根茬的分加速度，aτ為破茬刀對(duì)根茬切向力作用的加速度，an為破茬刀對(duì)根茬砍切力作用下的加速度。深松作業(yè)效果體現(xiàn)在根茬的分加速度矢量a上，設(shè)計(jì)中添加破茬刀的作業(yè)效果aτ、an，為矢量疊加，對(duì)a不產(chǎn)生影響。

圖11 根茬加速度分析圖Fig.11 Acceleration analysis of root stubble

由前期田間試驗(yàn)結(jié)果得，根茬未發(fā)生偏移狀態(tài)下，根茬加速度最大時(shí)，加速度方向與x軸負(fù)向夾角范圍為10°～72°(本設(shè)計(jì)中考慮為10°～70°)。

為了適用于大多數(shù)聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，對(duì)圓盤刀所配用軸承進(jìn)行測(cè)繪，得到2BM-2、2BM-4型免耕播種機(jī)與圓盤刀配套的標(biāo)準(zhǔn)軸承套[25]半徑為55 mm，圓盤刀半徑為215 mm(這與龐秀巖等[26]設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)最大直徑相同，此半徑圓盤刀作業(yè)效果較優(yōu))，且考慮到破茬刀預(yù)留碎土桿位置。所以起始半徑Rmin設(shè)計(jì)為180 mm；中間半徑設(shè)計(jì)為與傳統(tǒng)圓盤刀相同的215 mm；在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD中選擇樣條曲線繪制刃口曲線，在滿足與x軸負(fù)向夾角范圍為10°～70°變化時(shí)，要求最大半徑Rmax為235 mm，整周可以均勻分布5片，連接處倒圓過渡，線形如圖12所示。以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)其中任意一段曲線(5段曲線線型相同)中的所有計(jì)算機(jī)識(shí)別點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)提取，并將坐標(biāo)點(diǎn)輸入Matlab軟件中進(jìn)行編程，得到刃口曲線的擬合曲線和擬合方程，擬合曲線如圖13所示，擬合方程為

y=1.445x5+1.752x4-7.353x3+
25.19x2+15.2x-230.2

(10)

擬合度為0.999 7。

圖12 破茬刀刃口曲線示意圖Fig.12 Curve diagrams of edge of driving coulter

圖13 破茬刀刃口曲線擬合結(jié)果Fig.13 Fitting curves of edge of driving coulter

2.2.2碎土桿設(shè)計(jì)

為避免深松與破茬形成的根土結(jié)合體與土塊較大，在破茬刀上設(shè)計(jì)碎土桿。依據(jù)播種幅寬為60 mm左右，設(shè)置碎土桿長(zhǎng)為64 mm，半徑8 mm，均勻排布18根。為不對(duì)破茬刀切割根茬時(shí)入土深度造成影響，碎土桿分布在距離刃口曲線80 mm位置上。作業(yè)過程中碎土桿鎮(zhèn)壓地表土塊，土塊在深松鏟的挑動(dòng)力和碎土桿的鎮(zhèn)壓力共同作用下起到一定的破碎作用。

在破茬刀上鉆孔處理，碎土桿與破茬刀穿插焊接連接，破茬刀材料選為65Mn鋼，刃部進(jìn)行熱處理，淬火區(qū)為整個(gè)刃口部位，硬度為HRC48～56，碎土桿材料為45鋼，硬度為HRC55，如圖14所示。

圖14 破茬碎土刀Fig.14 Stubble chopper

2.3 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證添加破茬碎土刀后與深松鏟形成互作效應(yīng)時(shí)，根茬所受深松鏟的分加速度與深松作業(yè)時(shí)根茬的加速度方向差異較小，并證明設(shè)計(jì)思路的合理性及設(shè)計(jì)的可行性，選擇在EDEM軟件中對(duì)深松鏟作用下破茬碎土刀正常作業(yè)時(shí)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證根茬在深松鏟與破茬碎土刀互作效應(yīng)下受力情況。

2.3.1仿真模型的建立

選取擬合曲線型深松鏟和所設(shè)計(jì)破茬碎土刀進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為保證工作部件的作業(yè)范圍，設(shè)置長(zhǎng)1 000 mm、寬400 mm、高500 mm的土壤仿真模型。并依據(jù)文獻(xiàn)[17]中根茬各部位平均尺寸，用524個(gè)半徑0.5～15 mm的球組合成條狀，構(gòu)成根茬主根和側(cè)根的基本形態(tài)，球與球之間的鑲嵌長(zhǎng)度為直徑的1/4，材料依據(jù)纖維素?cái)?shù)據(jù)，密度為438 kg/m3，得到根茬的質(zhì)量為329.58 g，因此在質(zhì)量上，所建立根茬模型與實(shí)際中根茬的質(zhì)量相差較小(試驗(yàn)區(qū)10月秋收季節(jié)根茬質(zhì)量為300 g左右)，且根茬模型與實(shí)際中的根茬在形態(tài)上基本一致，模型設(shè)計(jì)較為合理。整個(gè)根茬視為單一顆粒(多個(gè)顆粒依據(jù)接觸模型團(tuán)聚為根茬模型，在仿真過程中可以破碎，但在接觸模型的微觀參數(shù)范圍內(nèi)與實(shí)際中的根茬整體性質(zhì)相差較大，無(wú)法得到較為合理的試驗(yàn)結(jié)果。根茬單一顆粒仿真時(shí)雖然無(wú)法模擬出實(shí)際根茬的破碎，但添加根茬與土壤的接觸模型可以體現(xiàn)出根土結(jié)合體的性質(zhì)，仿真試驗(yàn)指標(biāo)在趨勢(shì)上與實(shí)際一致)，剪切模量為4.14×109Pa，泊松比為0.33。

依據(jù)文獻(xiàn)[14]中擬合曲線型深松鏟和所設(shè)計(jì)破茬碎土刀的基本尺寸，建立深松鏟破茬碎土刀互作效應(yīng)模型，如圖15。保存為.stp格式導(dǎo)入EDEM軟件中。材料為65Mn鋼，密度為7 865 kg/m3，剪切模量為7.9×1010Pa，泊松比為0.3。

圖15 仿真模型Fig.15 Simulation models

由文獻(xiàn)[27]得，若深松鏟及破茬碎土刀速度較大，易增加滑移率，對(duì)切割根茬產(chǎn)生不利影響，因此深松鏟和破茬碎土刀都設(shè)置為0.56 m/s的平動(dòng)速度。依據(jù)文獻(xiàn)[28-29]，鎮(zhèn)壓輪、圓盤刀等被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件速度較小時(shí)，滑移率較低，可以忽略不計(jì)，在計(jì)算機(jī)仿真模擬中可以設(shè)置轉(zhuǎn)速，利用主動(dòng)旋轉(zhuǎn)來(lái)代替被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，反映試驗(yàn)現(xiàn)象趨勢(shì)。設(shè)置破茬碎土刀的起始轉(zhuǎn)速為3.09 rad/s，加速度為-3.73 rad/s2時(shí)，運(yùn)動(dòng)0.2 s，加速度為0.76 rad/s2時(shí)，運(yùn)動(dòng)0.29 s(破茬碎土刀刃口曲線長(zhǎng)度之和為1 369.65 mm，忽略滑移率)，周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)反映被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

2.3.2土壤接觸模型的建立

接觸模型是離散元法的重要基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)是準(zhǔn)靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[14]。接觸模型的分析計(jì)算直接決定了顆粒所受的力和力矩的大小，進(jìn)而決定了試驗(yàn)時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡，對(duì)不同的仿真對(duì)象，需建立不同的接觸類型，以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)地區(qū)為東北壤土，具有粒度均勻、透氣性好、透水性好、強(qiáng)烈脹縮和擾動(dòng)特性的特點(diǎn)，土壤有一定粘附力和彈塑性[30]。因此土壤顆粒與深松鏟，土壤與破茬碎土刀之間設(shè)定為Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型，土壤顆粒與土壤顆粒之間除設(shè)置Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型外，考慮到壤土之間內(nèi)聚特性較強(qiáng)，土壤間相互粘結(jié)，因此添加Hertz-Mindlin with bonding接觸模型，微觀參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[14]。土壤與根茬屬于因水分發(fā)生明顯黏結(jié)和團(tuán)聚的物料，EDEM軟件中建立根茬單一顆粒與土壤顆粒的堆聚黏結(jié)模型能體現(xiàn)出根土結(jié)合體的性質(zhì)，因此在土壤與根茬之間添加Hertz-Mindlin with JKR接觸模型，表面能設(shè)置為10 J/m2[31]。參數(shù)如表1所示，土壤顆粒半徑設(shè)置為4 mm。

表1 離散元法仿真微觀參數(shù)Tab.1 Microscopic parameters of DEM simulation

2.3.3仿真

在所設(shè)定的土壤仿真模型中生成土壤顆粒，固定時(shí)間步長(zhǎng)為8.2×10-5s，Rayleigth時(shí)間步長(zhǎng)為5.47×10-4s。總土壤顆粒生成時(shí)間為8 s，根茬生成時(shí)間為5～8 s，根茬生成總數(shù)為3個(gè)，土壤顆粒自然沉降1 s，深松鏟入土深度為300 mm，破茬碎土刀入土深度為80 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2 s。

2.3.4結(jié)果與分析

因離散元軟件中無(wú)法真實(shí)模擬出單一顆粒根茬在被切割過程中的開裂、破碎，所以仿真過程中僅對(duì)根茬整體、根茬與土壤、根茬與破茬碎土刀受力分析，仿真過程如圖16所示。

圖16 破茬碎土刀切割根茬仿真圖Fig.16 Simulation diagram of cutting stubble with stubble chopper

隨機(jī)選取一根茬進(jìn)行分析，根茬在被切割過程中深松鏟作用力、土壤粘結(jié)力等主要通過土壤與根茬接觸作用對(duì)根茬施加力，因此土壤與根茬之間的接觸力就體現(xiàn)出切割過程中除破茬碎土刀外其它所有物體對(duì)根茬的作用力，計(jì)算出接觸力與x軸正向(水平面)夾角變化，同時(shí)得到破茬碎土刀對(duì)根茬的切向力與x軸正向夾角，如圖17所示。

圖17 根茬受力方向變化曲線Fig.17 Changing curves of force direction of root stubble

如圖17所示，根茬在被切割過程中，所受破茬碎土刀的切向力與x軸夾角主要集中在-170°～-110°，根茬受土壤作用力與x軸夾角主要集中在10°～70°。因此仿真驗(yàn)證試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)破茬碎土刀與深松鏟互作效應(yīng)下根茬所受深松鏟作用力與破茬碎土刀切向作用力方向相反，可以增加切向力作用效果，降低破茬碎土刀所受阻力。同時(shí)也驗(yàn)證了深松鏟作業(yè)與深松鏟、破茬碎土刀互作效應(yīng)相比，破茬碎土刀對(duì)根茬所受鏟尖作用的加速度影響較小，安裝破茬碎土刀后，深松鏟對(duì)根茬的加速度變化依然在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，深松作業(yè)可以為破茬碎土刀的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在深松鏟通過土壤顆粒對(duì)根茬產(chǎn)生作用力的同時(shí)，破茬刀對(duì)根茬產(chǎn)生切向力作用，因此破茬刀所設(shè)計(jì)半徑范圍以及破茬刀與深松鏟最小間隙的選取合理，能使兩者產(chǎn)生互作效應(yīng)。

2.4 單因素試驗(yàn)

為了深入研究深松鏟、破茬碎土刀產(chǎn)生交互作用的間距，同時(shí)為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，選擇深松鏟與破茬碎土刀最小間隙為因素，根茬壓縮力變化率(減小量與原值的比值)為指標(biāo)，進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)。在滿足深松鏟與破茬碎土刀不發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)，最小間隙水平設(shè)置為20 mm，并由前期高速攝像結(jié)果得到深松鏟距離根茬350 mm以上時(shí)，深松鏟未對(duì)根茬作用，因此最大間隙水平確定為350 mm。依據(jù)文獻(xiàn)[32]，土壤、根土結(jié)合體固結(jié)越嚴(yán)重，壓縮量越大，壓縮力越大，因此根茬壓縮力可以在一定程度上間接反映土壤固結(jié)情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

圖18 壓縮力變化率變化曲線Fig.18 Changing curve of compressive force

由圖18得，深松鏟與破茬碎土刀最小間隙為20～290 mm，壓縮力變化率較大，此間隙內(nèi)產(chǎn)生互作效應(yīng)較強(qiáng)，最小間隙為290～320 mm時(shí)，互作效應(yīng)變?nèi)酰钚￠g隙為320～350 mm時(shí)互作效應(yīng)最弱，最小間隙為350 mm時(shí)，幾乎無(wú)互作效應(yīng)；且互作效應(yīng)最明顯時(shí)，最小間隙為20 mm。此試驗(yàn)中根茬未發(fā)生偏移，深松鏟通過土壤對(duì)根茬的作用力最大時(shí)，測(cè)得深松鏟與根茬的距離為285 mm，在田間試驗(yàn)總結(jié)的240～290 mm范圍內(nèi)。因此破茬碎土刀的設(shè)計(jì)及與深松鏟的配合較為合理。

3 田間試驗(yàn)

3.1 性能試驗(yàn)

田間性能試驗(yàn)是在春季播種前對(duì)免耕播種地區(qū)進(jìn)行深松、破茬、碎土作業(yè)。

3.1.1試驗(yàn)條件與目的

2018年4月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)地為玉米壟作免耕地，試驗(yàn)地面積為4 000 m2，田間土壤平均含水率為(20±1)%，土壤容重為1.21 g/cm3。由于根土結(jié)合體是根茬和土壤結(jié)合在一起的大土塊，直接測(cè)量根茬和土壤的破碎即可體現(xiàn)裝置對(duì)根土結(jié)合體的作業(yè)效果，因此選擇破茬比率(破茬碎土刀切斷根茬數(shù)量占破茬碎土刀通過根茬數(shù)量的比率，田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)時(shí)實(shí)質(zhì)上是對(duì)根土結(jié)合體的切割)、碎土率(沿耕作方向在已耕地上測(cè)定0.25 m2面積內(nèi)，全耕層上最長(zhǎng)邊小于40 mm的土塊質(zhì)量與總質(zhì)量的百分比為碎土率[33])為作業(yè)效果指標(biāo)、耗油量為作業(yè)性能指標(biāo)，對(duì)所設(shè)計(jì)破茬碎土刀配合深松鏟進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，如圖19所示。

圖19 田間性能試驗(yàn)Fig.19 Performance test in field1.破茬碎土刀 2.擬合曲線型深松鏟 3.折線式深松鏟 4.載重箱 5.約翰迪爾354型拖拉機(jī) 6.GPS-10A型機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)儀 7.油耗儀 8.約翰迪爾484型拖拉機(jī)

樣地土壤硬度平均為1 426 kPa(0～125 mm)、3 347 kPa(125～250 mm)、2 536 kPa(250～300 mm)。試驗(yàn)所用設(shè)備有約翰迪爾354型及484型拖拉機(jī)、深松施肥機(jī)(僅深松部件工作)、擬合曲線型深松鏟、折線式深松鏟、破茬碎土刀、GPS-10A型機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)儀、油耗儀等。

3.1.2試驗(yàn)方案

安裝時(shí)，保證深松鏟(S)與破茬碎土刀(SC)在互作效應(yīng)距離內(nèi)，調(diào)節(jié)S與限深輪高度差為300 mm，SC與限深輪高度差為80 mm，拖拉機(jī)以正常田間作業(yè)2 km/h的速度進(jìn)行深松、破茬、碎土作業(yè)，機(jī)組配重為80 kg。對(duì)所作業(yè)范圍隨機(jī)選取5樣點(diǎn)區(qū)域，每樣點(diǎn)區(qū)域長(zhǎng)20 m，采用前拖拉機(jī)牽引、后拖拉機(jī)懸掛的方式進(jìn)行耗油量的測(cè)量，由于機(jī)組為兩行壟臺(tái)作業(yè)，因此選取折線式深松鏟作為平衡深松部件，油耗儀安裝在油箱與噴油泵之間，并與GPS-10A型機(jī)動(dòng)車多功能檢測(cè)儀連接，記錄此狀態(tài)下機(jī)組的耗油量。對(duì)區(qū)域內(nèi)裝置通過根茬總數(shù)及所切根茬數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算破茬數(shù)占總數(shù)比率，并測(cè)量計(jì)算作業(yè)區(qū)域碎土率(測(cè)量碎土率時(shí)采用土壤取樣器取樣并運(yùn)用篩選法測(cè)定)[32]。

3.1.3試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)效果如圖20所示，依據(jù)文獻(xiàn)[33-35]測(cè)量方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8401.2—2007作為評(píng)定指標(biāo)[36]，所設(shè)計(jì)的破茬碎土刀及配套深松鏟作業(yè)質(zhì)量如表2所示。

圖20 作業(yè)效果Fig.20 Operation effect

性能參數(shù)S-SC互作效應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)破茬比率/%86.52≥78(平面圓盤刀)碎土率/%74.23≥70耗油量/(mL·(100m)-1)120174.9(現(xiàn)有深松鏟)

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表明：S-SC互作效應(yīng)滿足評(píng)定指標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的深松破茬碎土整地作業(yè)。

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)傳統(tǒng)深松破茬部件田間作業(yè)時(shí)載重及作業(yè)速度變化范圍，選取S與SC互作效應(yīng)狀態(tài)以及S與SC、圓盤刀(CD)、缺口破茬刀(SCB)分別分離作用狀態(tài)在載質(zhì)量為80、100、120 kg，速度為1、2、3 km/h條件進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，每組試驗(yàn)壟長(zhǎng)為100 m，試驗(yàn)指標(biāo)為油箱耗油量及破茬比率，試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。

圖21 耗油量與破茬比率對(duì)比Fig.21 Comparison diagrams of fuel consumption and stubble rate

由圖21得，所有工況下，S-SC互作效應(yīng)、S-SC、CD、SCB分離作用平均破茬比率為92.63%、89.47%、77.59%、85.09%，每作業(yè)100 m平均耗油量為140.89、143.44、129.44、137.45 mL，S-SC互作效應(yīng)比S-SC、CD、SCB分離作用平均破茬比率增加了3.53%、19.38%、8.86%；S-SC互作效應(yīng)比S-SC分離作用平均耗油量減小了1.78%，S-SC互作效應(yīng)比S-CD、SCB分離作用平均耗油量增加了8.85%、2.5%。不同工況條件下，S-SC互作效應(yīng)比S-CD分離作用平均載質(zhì)量降低20 kg時(shí)，破茬比率提高13.8%，耗油量減小7%，平均載質(zhì)量降低40 kg時(shí)，破茬比率提高5.82%，耗油量減小21.82%；比S-SCB分離裝置平均載質(zhì)量降低20 kg時(shí)，破茬比率提高4.5%，耗油量減小了12.79%。因此S-SC互作效應(yīng)裝置破茬比率最大，降低裝置載質(zhì)量的同時(shí)能夠提高破茬比率。

4 結(jié)論

(1)對(duì)深松鏟田間深松作業(yè)高速攝像分析得到，深松鏟在距離根茬240～290 mm時(shí)，根茬未偏移情況下加速度最大，此時(shí)加速度與水平面夾角為10°～72°。

(2)建立深松鏟與破茬刀幾何模型，確定破茬碎土刀的半徑范圍為180～235 mm；通過對(duì)作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到刃口曲線形狀決定滑切效果，并結(jié)合破茬刀切割根茬模型的加速度分析，得到破茬碎土刀刃口曲線切割根茬時(shí)與水平方向夾角為10°～70°。

(3)對(duì)S-SC互作效應(yīng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，得到根茬所受破茬碎土刀的切向力與水平方向夾角為-170°～-110°，根茬受土壤作用力與水平方向夾角為10°～70°，且在深松鏟通過土壤對(duì)根茬產(chǎn)生力的作用時(shí)，破茬碎土刀能對(duì)根茬產(chǎn)生切向力；并進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明互作效應(yīng)最強(qiáng)時(shí)，深松鏟與根茬距離為285 mm，在設(shè)計(jì)的參數(shù)范圍內(nèi)，為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

(4)對(duì)所設(shè)計(jì)S-SC互作效應(yīng)進(jìn)行田間試驗(yàn)。性能試驗(yàn)表明，S-SC互作效應(yīng)破茬比率、碎土率與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比分別增加了10.92%、6.04%，耗油量降低了31.39%；對(duì)比試驗(yàn)表明，S-SC互作效應(yīng)比S-SC、CD、SCB分離作用平均破茬比率分別增加了3.53%、19.38%、8.86%。S-SC互作效應(yīng)比S-CD分離作用平均載質(zhì)量降低20 kg時(shí)，破茬比率提高13.8%，耗油量減小7%，平均載質(zhì)量降低40 kg時(shí)，破茬比率提高5.82%，耗油量減小21.82%；比S-SCB分離作用平均載質(zhì)量降低20 kg時(shí)，破茬比率提高4.5%，耗油量減小12.79%。破茬碎土刀與深松鏟互作效應(yīng)工作時(shí)，增加碎土效果的前提下作業(yè)效果較優(yōu)，降低裝置載質(zhì)量的同時(shí)能夠提高破茬比率。