馬鈴薯中耕施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

夏敏，孫鵬，孔皓，寧旺云

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201)

馬鈴薯是我國繼小麥、水稻、玉米之后的第四大作物[1]，在新形勢下，馬鈴薯在促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加農(nóng)民收入等方面持續(xù)發(fā)揮著重要作用[2].云南省作為馬鈴薯生產(chǎn)大省，高原獨(dú)有的氣候條件非常適合其生長，該地區(qū)是我國馬鈴薯種植主要產(chǎn)區(qū)之一[3].云南省馬鈴薯的干物質(zhì)含量和淀粉含量高、還原糖含量低以及綠色無污染等特點(diǎn)逐漸使云南成為了世界公認(rèn)的馬鈴薯種植適宜區(qū)和加工型馬鈴薯生產(chǎn)區(qū)[4].中耕是馬鈴薯生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[5]，主要作用是疏松土壤，提高土壤蓄水率和土壤溫度，擴(kuò)大匍匐莖活動空間，減少匍匐莖生長阻力，從而促進(jìn)馬鈴薯生長.近年來國內(nèi)外針對農(nóng)業(yè)機(jī)械方面做了大量研究，如馬彩龍等[6]設(shè)計(jì)了1種針對我國北方旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播種植模式下的新型玉米秸稈揉絲機(jī),該機(jī)工作性能可靠，能夠有效提高玉米秸稈的揉絲質(zhì)量，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合玉米秸稈揉絲機(jī)的設(shè)計(jì)要求.張學(xué)軍等[7]設(shè)計(jì)了1種氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)，結(jié)果表明該機(jī)的傷棗率為0.93%，含雜率為3.56%.彭曼曼等[8]針對我國傳統(tǒng)中耕機(jī)械存在的碎土效果不理想、易纏繞堵塞的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了1種驅(qū)動式馬鈴薯中耕機(jī).我國的研究較為典型的大型中耕機(jī)械有山東五征研制的3ZM-4馬鈴薯中耕機(jī)[9]、黑龍江德沃科技公司研制的3ZF-5型馬鈴薯中耕施肥機(jī)、中機(jī)美諾研制的1304馬鈴薯中耕機(jī)[10]，主要以大型機(jī)械為主，不能適應(yīng)丘陵山地中耕作業(yè)實(shí)際需求.在國外意大利伐爾帕達(dá)那等公司設(shè)計(jì)了1種旋轉(zhuǎn)單體式的寬幅中耕機(jī)，試驗(yàn)表明，該機(jī)滿足作物培土的農(nóng)藝要求[11].Richard將一種增強(qiáng)型玻璃纖維塑料應(yīng)用在農(nóng)用機(jī)械上，可以一定程度上增長刀具使用年限[12].Adarsh優(yōu)化了機(jī)具的設(shè)計(jì)，應(yīng)用于小型農(nóng)業(yè)耕耘機(jī)械[12].Vincent改進(jìn)了雙輪拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)并研發(fā)配套的機(jī)具使得該機(jī)械更好地適應(yīng)小地塊中的機(jī)械作業(yè)[14].Senanarong等通過改裝1臺手扶拖拉機(jī)，適用于小地塊微耕機(jī)的作業(yè)[15].

云南省因地形因素制約，大部分馬鈴薯都種植在淺山、半淺山地區(qū)，絕大多數(shù)馬鈴薯種植仍然采用傳統(tǒng)的鐵鏟挖，人工點(diǎn)種，鎬頭刨薯的人工種植方式[16].隨著農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)型和勞動生產(chǎn)成本逐步提高，提高馬鈴薯全程機(jī)械化的生產(chǎn)水平對促進(jìn)馬鈴薯生產(chǎn)具有重大意義[17].因此，本文針對云南特殊地理環(huán)境特點(diǎn)，在滿足馬鈴薯中耕、施肥農(nóng)藝要求的前提下，設(shè)計(jì)了1種中耕施肥機(jī)，該機(jī)具與傳統(tǒng)中耕機(jī)械相比體積小、重量輕、排肥位置可調(diào)，能一次完成中耕過程中所需松土、施肥、培土及筑壟功能，且施肥作業(yè)效果穩(wěn)定可靠，為馬鈴薯生產(chǎn)的長期發(fā)展提供農(nóng)機(jī)具保障.

1 總體機(jī)構(gòu)和工作原理

1.1 總體機(jī)構(gòu)

整機(jī)的設(shè)計(jì)主要針對云南省單壟雙行種植模式下的秋季馬鈴薯，該模式的壟間距90 cm，壟高25 cm.中耕時要做到不得損傷作物主根，干濕土基本不混合；中耕施肥時，肥料分布均勻，覆蓋嚴(yán)密；中耕后溝壟整齊，壟形飽滿，除草干凈，培土嚴(yán)密.

中耕施肥機(jī)的設(shè)計(jì)要求動力足、結(jié)構(gòu)緊湊，能一次性完成中耕施肥作業(yè)；除了具有施肥、除草、松土、培土等必要功能，還要將中耕和施肥結(jié)合.總體機(jī)構(gòu)主要包括發(fā)動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、碎土機(jī)構(gòu)、排肥機(jī)構(gòu)、培土機(jī)構(gòu)、機(jī)架和操縱機(jī)構(gòu)等.排肥機(jī)構(gòu)包括肥料箱、外槽輪式排肥器、肥料箱支撐架、地輪、鏈傳動；碎土機(jī)構(gòu)包括碎土刀具總成、中間變速箱總成、碎土刀具支撐架，其總體結(jié)構(gòu)如圖1-A主視圖，圖1-B軸測圖所示.

1：操縱機(jī)構(gòu)總成；2：施肥機(jī)構(gòu)總成；3：培土機(jī)構(gòu)總成；4：碎土機(jī)構(gòu)總成；5：傳動總成；6：變速總成；7：發(fā)動機(jī)；8：機(jī)架.1：Operating mechanism assembly；2：Assembly of fertilizer applicator； 3： Earthwork assembly；4：Earth breaker assembly； 5：Transmission assembly；6：Gear change assembly；7：Engine； 8：Machine frame圖1 整機(jī)設(shè)計(jì)Figure 1 Operator design

1.2 工作原理

機(jī)具以汽油機(jī)為動力源，經(jīng)過一級變速箱和二級可調(diào)速變速箱調(diào)速后，將動力傳遞給旋耕刀軸，利用旋耕刀軸所做的回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動，打碎耕作層土壤，并將切下的土壤拋向后方，撞擊擋泥板，進(jìn)一步破碎再落到地面.該設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)中耕機(jī)的基礎(chǔ)上加裝施肥裝置和培土器裝置.施肥裝置以地輪轉(zhuǎn)動為動力源，靠鏈條傳動帶動排肥器旋轉(zhuǎn)，將肥料施灑到指定位置，然后通過培土器的作業(yè)一次性完成培土及筑壟.

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 中耕機(jī)動力裝置的選型

中耕機(jī)動力裝置，選型的依據(jù)是整機(jī)功率消耗，計(jì)算中耕機(jī)的總功率消耗公式為：

N=Nq+Np+Nt+Nf+Nn

式中，Nq為碎土消耗的功率；Np為拋土消耗的功率；Nt為前進(jìn)消耗的功率；Nf為傳動與摩擦消耗的功率；Nn為克服土壤水平反力消耗的功率.其中碎土比阻的大小是由土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤含水率、切土節(jié)距、耕深等共同決定.查找相關(guān)文獻(xiàn)并實(shí)地測量云南省馬鈴薯中耕的實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)中耕施肥作業(yè)時最大坡度為30°，碎土深度取15 cm，中耕施肥機(jī)在工作過程中，主要包括以下幾種路況：上坡、下坡、平地、轉(zhuǎn)向.其中上坡時消耗功率最大，本設(shè)計(jì)取碎土比阻為4.3 N/cm2，計(jì)算整機(jī)功率消耗為：

N=krBHvm=0.1krBHvmsin30°

中耕施肥機(jī)在實(shí)際工作過程中，重心越高，平穩(wěn)性越差，為了保證整機(jī)平衡性最大程度適應(yīng)丘陵山地作業(yè)，需要控制重心的高度，提高設(shè)備運(yùn)行過程的穩(wěn)定性；在中耕機(jī)消耗的總功率中，切土、拋土以及機(jī)械傳動上消耗和覆土所占比重較大，前者約占總功率的35%～55%，后者約占25%～30%.為了降低重心高度，保證輸出功率本文選定224 cc垂直軸汽油發(fā)動機(jī)，功率為10.0 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min.

2.2 培土器設(shè)計(jì)

培土器[18]主要作用是進(jìn)行培土鎮(zhèn)壓.馬鈴薯種植過程中對培土作業(yè)要求為培土嚴(yán)密，培土深度穩(wěn)定，盡量保證壟型，干濕土基本不混合，培土量可調(diào)，培土?xí)r不拖堆、不纏草，所以設(shè)計(jì)為鏵式培土器，如圖2所示.該設(shè)計(jì)采用單桿單點(diǎn)鉸連式仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而滿足馬鈴薯中耕的農(nóng)藝要求.分土板采用曲面設(shè)計(jì)，成壟效果好，不容易黏土，工作阻力小.地輪深度調(diào)節(jié)桿可根據(jù)機(jī)器作業(yè)實(shí)際情況調(diào)節(jié)地輪深度；培土器切入角設(shè)計(jì)為可調(diào)，主要是為了降低起伏的山地丘陵對培土作業(yè)的影響，保證耕深穩(wěn)定性，在原來角度的基礎(chǔ)上增加后側(cè)翼板的調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為(0±15)°.

1：深度調(diào)節(jié)桿；2：分土板；3：三角鏵；4：限深輪培土寬度調(diào)節(jié)桿；5：后側(cè)翼板；6：限深輪調(diào)節(jié)桿；7：培土寬度調(diào)節(jié)桿.1：Depth Adjustment Rod；2：Parts Earth Plate；3：triangle share；4:limit deep wheel earth-up Width Adjustment Rod；5：Rear Wing Plate；6:Limit Deep Wheel Adjustment Rod；7:Earth-up Width Adjustment Rod.圖2 新型培土器Figure 2 New type of earthenware

2.3 施肥裝置設(shè)計(jì)

施肥裝置以地輪為動力源，通過鏈條傳動帶動排肥器旋轉(zhuǎn)，肥料經(jīng)排肥管道撒施到壟面上，排料管道位置可根據(jù)作業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，施肥最小寬度為55 cm，雙側(cè)最大調(diào)節(jié)范圍為20 cm，可以最大程度上適應(yīng)不同栽培行距，施肥示意圖如圖3所示.

排肥器是決定馬鈴薯施肥質(zhì)量的關(guān)鍵部件，排肥器的選擇主要考慮肥料的特性，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查研究，肥料多為復(fù)合肥，為暗白色橢圓形固體顆粒、無毒、微溶于水、微刺鼻性，密度1 g/cm3，顆粒直徑范圍為1～5 mm.其自然休止角經(jīng)試驗(yàn)測量，結(jié)果如表1所示，均值為28.86°.

1：肥料箱；2：肥料隔板；3：外槽輪排肥器；4：肥料箱支撐架；5：軟管；6：軟管卡口；7：地輪；8：連接銷孔；9：鏈條；10：機(jī)架.1:Fertilizer box；2:Fertilizer clapboard；3:Outer grooved wheel fertilizer discharger；4：Fertilizer box support frame；5：Hose；6：Hose bayonet；7:Ground wheel；8:Connecting pin hole；9：Chain；10：Rack.圖3 施肥裝置示意圖Figure 3 Diagram of fertilizer device

表1 休止角測量

考慮到肥料特性和排肥器性能，本設(shè)計(jì)選擇外槽輪式排肥器，排肥輪為6槽，排肥槽工作長度為20 mm，排肥舌采用常用的平端排肥舌，為了提高排肥穩(wěn)定性，工作過程中排肥軸轉(zhuǎn)速盡量控制在25～70 r/min.該排肥器的選擇調(diào)節(jié)性能好、工作阻力低、具有一定的防腐耐磨性和適應(yīng)性，不易出現(xiàn)架空和堵塞現(xiàn)象.

2.4 碎土刀具的選型

中耕機(jī)碎土刀作業(yè)時，碎土刀的絕對運(yùn)動由刀片旋轉(zhuǎn)和機(jī)器前進(jìn)兩種運(yùn)動矢量合成，運(yùn)動軌跡是一條擺線.刀輥的旋轉(zhuǎn)中心作為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，碎土刀端點(diǎn)部分的運(yùn)動如圖4所示.

碎土刀具的選型主要考慮刀具的耕作環(huán)境和土壤特性.云南省的耕地土壤多為紅壤和黃壤土，黏重土壤有245 hm2，土壤比阻較大，耕作性能差.在選用刀具時應(yīng)選用堅(jiān)固的彎型刀具，彎型刀具有滑切作用，碎土效果較好，不易出現(xiàn)漏耕現(xiàn)象，還能對土壤進(jìn)行切削又有較強(qiáng)的翻土覆蓋性能，一定程度上也能對雜草進(jìn)行切碎.刀具的彎曲角度為100°，刀片長度為28.5 cm，在切削土壤過程中，側(cè)切刃先沿縱向切入土壤，再由正切刃橫向切開土壤，可切斷草莖，不易纏草，能最大程度上疏松土壤，提高蓄水率和溫度，減少匍匐莖生長阻力，從而促進(jìn)馬鈴薯生長.

圖4 碎土刀端點(diǎn)運(yùn)動曲線圖Figure 4 Movement curve of the end point of the cutter Device

在刀具安裝過程中，為了保持機(jī)組前進(jìn)方向，減小刀輥軸承的軸向沖擊載荷，延長使用壽命，刀具排列方式采用左、右刀輥螺旋線對稱排列，刀具交替入土從而減小機(jī)組在水平面內(nèi)的偏轉(zhuǎn)力矩.這種排列方式保證了各刀切土節(jié)距力接近和碎土的均勻性，切土過程中阻力的平衡性.

3 碎土刀具工作過程的分析

3.1 碎土刀具工作過程仿真分析

碎土刀具與土壤接觸會造成腐蝕和磨損，容易發(fā)生斷裂失效.因此需要對碎土刀具做出安全性評價(jià)試驗(yàn)，但傳統(tǒng)方式試驗(yàn)周期長、成本高，危險(xiǎn)性大，可操作性差、試驗(yàn)信息采集困難等，本文采用動力學(xué)仿真方法對其進(jìn)行安全性評價(jià).由于碎土刀模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接在ANSYS中建模比較困難，所以本文先根據(jù)現(xiàn)有碎土刀三維實(shí)體模型和碎土刀的參數(shù)包括側(cè)切刃、過渡刃、回轉(zhuǎn)半徑、工作幅寬、正切面彎折角、側(cè)切刃終點(diǎn)半徑，采用Solid Works建立三維模型再通過修改文件格式導(dǎo)入ANSYS中.由于土壤模型比較簡單，所以直接在導(dǎo)入刀具模型中建立土壤模型，如圖5所示.

刀具的材料設(shè)置為65Mn，材料參數(shù)和運(yùn)動設(shè)置如表2所示.結(jié)合云南丘陵氣候、地質(zhì)條件以及土壤特性，本文土壤采取 LS-DYNA 中的MAT147，基本物理參數(shù)如表3所示.

根據(jù)碎土刀具實(shí)際作業(yè)情況，設(shè)置相關(guān)約束條件和運(yùn)動參數(shù)后生成K文件，檢查后提交計(jì)算求解.模型的求解時間比較長，按照本次仿真內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，單組求解時間約為50 h.

圖5 導(dǎo)入刀具模型Figure 5 Import Tool Model

表2 碎土刀具參數(shù)

表3 土壤基本物理特性參數(shù)

3.2 分析結(jié)果

刀具在工作過程中，側(cè)切刃先與土壤接觸，碎土刀側(cè)切刃帶動接觸處土壤運(yùn)動，隨著時間增加，刀輥旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，碎土刀具與土壤接觸面積越來越大，接觸點(diǎn)增多，刀片周圍的土壤粒子受到碎土刀的剪切和擠壓作用而沿著碎土刀表面散開，產(chǎn)生運(yùn)動和變形，土壤被破壞.

在LS-DYNA971求解結(jié)束后，用前后處理軟件LS-PREPOST查看碎土刀具切削土壤的動畫顯示效果，研究碎土刀具與土壤SPH粒子的運(yùn)動情況，提取仿真結(jié)果如圖6所示.

碎土刀棍在切削土壤過程中的切削受力如圖7所示，切削力矩如圖8所示.從圖中可以看出在碎土刀具開始切入土壤時，切削力和切削力矩曲線呈周期性變化，切削能量波動逐漸趨近與穩(wěn)定.碎土刀具工作過程中隨著時間的增加，碎土刀具與土壤接觸面積逐漸變大，耕深不斷上升，被切削土壤不斷增多，土壤SPH粒子被碎土刀具切削.在這個過程中切土能量一直持續(xù)增加，刀具碎土效果良好，符合刀輥實(shí)際工作情況.

圖6 仿真結(jié)果圖Figure 6 Simulation results

圖7 切削力曲線Figure 7 Cutting force curve

圖8 切削力矩曲線Figure 8 Cutting moment curve

4 中耕施肥機(jī)試驗(yàn)

4.1 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)主要測試中耕施肥機(jī)工作性能，評估中耕機(jī)松土、培土、除草、施肥效果是否符合馬鈴薯中耕作業(yè)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝要求.由于該機(jī)具主要針對丘陵山地小型地塊作業(yè)，因此試驗(yàn)地選擇不易過大，選擇的試驗(yàn)地長約150 m，寬約60 m；選擇遠(yuǎn)離房屋、道路、水塘的開闊農(nóng)田，土壤類型為紅壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度為101.2 kPa，含水率約11.2%，地表溫度17 ℃左右；盡量保證肥力均勻一致，作物生長勢基本一致.

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中耕試驗(yàn)的作業(yè)效果主要取決于機(jī)器前進(jìn)速度、中耕深度、培土器切入角，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度增加時，其碎土率下降，除草率變化較??；中耕深度增加，其碎土率和除草率都下降；培土器切入角上升其除草率增加，因此選擇機(jī)器前進(jìn)速度、中耕深度、培土器切入角作為3個影響因素.

通過試驗(yàn)測試機(jī)器前進(jìn)速度、中耕深度、培土器切入角3個因素變換時，碎土率和除草率變化情況.其中碎土率主要是計(jì)算中耕后單位樣方點(diǎn)內(nèi)直徑小于25 mm土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的比率；除草率的計(jì)算主要參考《旱田中耕追肥機(jī)試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，求測量樣方點(diǎn)內(nèi)試驗(yàn)前和試驗(yàn)后雜草數(shù)目，通過計(jì)算試驗(yàn)前后雜草數(shù)目的變化量占試驗(yàn)前雜草總數(shù)目的百分比，并采取正交方法[19]對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，3個因素設(shè)置見表4.

表4 因素及水平

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 中耕結(jié)果與分析 整機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果見表5，對表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差[20]和方差[20]分析，結(jié)果見表6～7.

表5 試驗(yàn)測試結(jié)果

由于FB>F0.01，因此因子B是極顯著的；由于F0.01>FC>F0.05，因此C是顯著的；由于FA>A0.05，因此A是顯著的.即機(jī)器前進(jìn)速度、中耕深度和切入角對碎土率影響都顯著，得出影響因素的主次順序?yàn)锽>C>A.

表6 正交試驗(yàn)極差分析

表7 正交試驗(yàn)方差分析

由于FC>F0.01，因此因子C是極顯著的；由于FC>F0.10，因子A是不顯著的；由于F0.95>FB>F0.1，因子B有一定影響.即切入角對除草率影響顯著，機(jī)器前進(jìn)速度對除草率不影響，而中耕深度對除草率有一定影響，所以得出影響除草率因素的主次順序?yàn)镃>B>A.

綜合分析，中耕施肥機(jī)在工作過程中，中耕深度對碎土率影響最大，其次是切入角、中耕速度；切入角對除草率影響最大，其次是中耕深度、中耕速度，在保證中耕作業(yè)效率的前提下，由綜合平衡法得到的最優(yōu)組合為C3B2A3.但考慮實(shí)際工作效率，以機(jī)器前進(jìn)速度0.23 m/s工作時，中耕作業(yè)效果最好但中耕作業(yè)效率較低，若以0.30 m/s工作時，對碎土率和除草率影響不大，且較為明顯的提高了工作效率，基本符合實(shí)際工作需要.因此，最終優(yōu)選組合為C3B2A2，即中耕深度為12 cm，切入角為15°，機(jī)器前進(jìn)速度為0.30 m/s.

4.3 施肥結(jié)果與分析

施肥性能測定結(jié)果如表8所示，從表中可以看出，中耕施肥機(jī)在工作過程中施肥量穩(wěn)定可靠，施肥深度受到工作條件影響，有一定波動，但施肥量均穩(wěn)定在80%以上，符合中耕施肥作業(yè)需求.

5 結(jié)論

1) 本文針對云南省特殊地理環(huán)境研究的馬鈴薯中耕施肥機(jī)作業(yè)后壟性參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，肥料能撒施在指定位置，適用于云南黏重土壤特性，能一次完成中耕過程中所需松土、施肥、培土及筑壟功能.

表8 施肥結(jié)果參數(shù)表

2) 采用綜合平衡法得到最優(yōu)組合的中耕深度為12 cm，切入角為15°，機(jī)器前進(jìn)速度為0.30 m/s，采用該方案多次試驗(yàn)，結(jié)果證明碎土率和除草率高，施肥效果好.

3) 田間試驗(yàn)結(jié)果表明，中耕施肥機(jī)在工作過程中施肥量穩(wěn)定可靠，施肥深度受到工作條件影響，有一定波動，但施肥量均穩(wěn)定在80%以上，符合中耕施肥作業(yè)需求.