茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

秦 寬，梁小龍，曹成茂，*，方梁菲，吳正敏，葛 俊

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036； 4.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶與食品科技學(xué)院，安徽 合肥 230036)

茶葉種植為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，急需配套專用機(jī)械化作業(yè)裝備[1]，其中茶園施基肥開(kāi)溝是茶樹(shù)種植的重要環(huán)節(jié)[2]，但目前仍以人工作業(yè)較多，機(jī)械化開(kāi)溝施肥僅在少數(shù)平地、等高茶園使用，此現(xiàn)象是由于茶樹(shù)種植多采用行栽密植，行距較小[3]，且部分茶園位于丘陵、山地等陡坡地區(qū)，茶樹(shù)的種植環(huán)境與栽植農(nóng)藝使得大型、大馬力開(kāi)溝機(jī)具無(wú)法進(jìn)地作業(yè)，且茶區(qū)多為硬地土，土壤中含有砂礫、石粒較多[4]，此土壤特性提高了茶園機(jī)械化開(kāi)溝的能耗需要[5]。目前茶園使用開(kāi)溝機(jī)械多為通用田園圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)，其刀具多為通用刀具，未有專門(mén)針對(duì)茶園環(huán)境設(shè)計(jì)的圓盤(pán)開(kāi)溝刀具，因此為滿足茶園開(kāi)溝減耗的需要，需對(duì)茶園專用開(kāi)溝刀進(jìn)行減耗設(shè)計(jì)。對(duì)于圓盤(pán)開(kāi)溝刀具的減阻減耗設(shè)計(jì)，學(xué)者們已有相關(guān)研究：劉大為等[6]對(duì)果園雙旋耕刀輥開(kāi)溝部件建立了功耗的切土、運(yùn)土、拋土力學(xué)模型并對(duì)開(kāi)溝刀具參數(shù)進(jìn)行了減耗研究；康建明等[7-9]為降低果園圓盤(pán)式開(kāi)溝刀功耗，進(jìn)行了構(gòu)型減阻研究，采用類旋耕刀正弦指數(shù)曲線設(shè)計(jì)側(cè)切刃、切土角、彎曲半徑等關(guān)鍵構(gòu)型參數(shù)，并利用多體動(dòng)力學(xué)虛擬技術(shù)探明刀具作業(yè)功耗；Tarverdyan、Kakahy等[10-11]確定果園圓盤(pán)式開(kāi)溝刀的滑切角為50°、摩擦角為24°時(shí)，可保證溝型尺寸與穩(wěn)定性，并能減小約8%的功耗。從已有研究可知，現(xiàn)有圓盤(pán)式開(kāi)溝刀具的研究多集中于果園環(huán)境[12]，對(duì)于茶園圓盤(pán)式刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與減耗研究雖有一定參考價(jià)值，但仍缺少針對(duì)性。因此，本文針對(duì)茶園機(jī)械化開(kāi)溝專用刀具設(shè)計(jì)與減耗的需要，采用理論與離散元數(shù)值模擬結(jié)合的方法設(shè)計(jì)茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證其開(kāi)溝功耗與作業(yè)質(zhì)量。

1 茶園節(jié)能型開(kāi)溝作業(yè)平臺(tái)與工作原理

茶園節(jié)能型開(kāi)溝作業(yè)平臺(tái)為手扶開(kāi)溝機(jī)，節(jié)能型開(kāi)溝刀安裝于開(kāi)溝機(jī)刀盤(pán)上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于成規(guī)模茶園多采用條栽密植，行距僅在1～1.5 m 左右[13]，且超過(guò)60%茶園位于丘陵、山地等具有斜坡特征的地區(qū)，因此茶樹(shù)種植環(huán)境及栽植特性使開(kāi)溝機(jī)的動(dòng)力源重量及功率均受到限制，則發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量應(yīng)小于36 kg，功率≤4.5 kW，開(kāi)溝機(jī)外型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1.3 m×0.5 m×0.83 m，整機(jī)質(zhì)量≤65 kg，軸距0.2 m，通過(guò)更換開(kāi)溝刀具可使開(kāi)溝深度范圍在0～0.3 m。

1，搖臂式導(dǎo)向與限深裝置；2，擋土導(dǎo)流裝置；3，開(kāi)溝刀；4，驅(qū)動(dòng)輪；5，齒輪變速箱；6，汽油機(jī)；7，手扶裝置；8，鏈箱；9，帶傳動(dòng)箱。

作業(yè)時(shí)，開(kāi)溝機(jī)的汽油機(jī)動(dòng)力通過(guò)皮帶輪(帶傳動(dòng)箱9內(nèi))經(jīng)離合器分兩個(gè)方向傳動(dòng)，一個(gè)方向通過(guò)齒輪變速箱帶動(dòng)開(kāi)溝刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)方向通過(guò)齒輪變速箱帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪使機(jī)器前進(jìn)。工作時(shí)，開(kāi)溝刀隨開(kāi)溝刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)完成切土、碎土、拋土的開(kāi)溝作業(yè)。

2 茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀的設(shè)計(jì)

為降低茶園開(kāi)溝刀作業(yè)功耗，對(duì)匹配于手扶開(kāi)溝機(jī)的茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀進(jìn)行設(shè)計(jì)。在通用開(kāi)溝刀基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，為滿足茶園開(kāi)基肥溝深度200 mm的農(nóng)藝要求，其回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為260 mm，轉(zhuǎn)速為550 r·min-1。

2.1 正切刃與側(cè)切刃關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

因節(jié)能型開(kāi)溝刀正切刃與側(cè)切刃是切土、碎土、拋土的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，且針對(duì)其作業(yè)土質(zhì)較硬，土壤多砂礫、石粒的特點(diǎn)，對(duì)其側(cè)切刃及正切刃參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其適用于茶園作業(yè)。

節(jié)能型開(kāi)溝刀側(cè)切刃為平面曲線，采用等進(jìn)螺旋線進(jìn)行設(shè)計(jì)[14]，其線型如圖2所示，坐標(biāo)系為oxyz，其曲線方程如式(1)所示。

ρ=ρ0+α1θ。

(1)

式(1)中：ρ0為螺旋線起點(diǎn)極徑，mm；α1為螺旋極角每增加1弧度極徑的增量，mm；θ為螺旋線上任意點(diǎn)的極角，rad。為避免開(kāi)溝刀無(wú)刃部分切土，ρ0應(yīng)滿足式(2)。

(2)

式(2)中：S為切土截距，mm；a為設(shè)計(jì)開(kāi)溝深度，mm；R為開(kāi)溝刀回轉(zhuǎn)半徑，mm。為保證溝深穩(wěn)定合理，開(kāi)溝后溝深滿足施肥要求且溝底平整，設(shè)計(jì)溝深為200 mm，彎刀回轉(zhuǎn)半徑為260 mm，切土截距為105 mm，則將已知參數(shù)代入式(2)可知，螺旋線起點(diǎn)極徑ρ0為168 mm。

為使側(cè)切刃曲線可以平滑過(guò)渡，使開(kāi)溝刀切土?xí)r所受切土阻力連續(xù)平穩(wěn)變化，螺旋極角每增加1弧度極徑的增量α1應(yīng)滿足如式(3)所示關(guān)系。

(3)

式(3)中：ρn為螺旋線終點(diǎn)極徑，mm；θn為螺旋線終點(diǎn)極角，°。為保證側(cè)切刃曲線平滑過(guò)渡，ρn設(shè)計(jì)為250 mm；螺旋線終點(diǎn)極角θn與滑切角有關(guān)，其表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

式(4)中：τn為螺旋線終點(diǎn)處滑切角[15]，滑切角與開(kāi)溝阻力有直接關(guān)系，過(guò)大則增加開(kāi)溝功耗，過(guò)小則無(wú)法開(kāi)出目標(biāo)溝深并獲得穩(wěn)定溝型，螺旋線終點(diǎn)處滑切角合理取值范圍為50°～60°。

相對(duì)于節(jié)能型開(kāi)溝刀側(cè)切刃，其正切刃為一條空間曲線。如圖2所示，正切刃所在坐標(biāo)系為obxbybzb，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)正切刃多按照它在側(cè)切刃平面內(nèi)的展開(kāi)曲線加工，其展開(kāi)線以偏心圓的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[16]，以保證刀型滿足作業(yè)需求，正切刃空間曲線方程如式(5)所示。

1，側(cè)切刃；2，正切刃。

(5)

式(5)中：rb為正切刃曲線的極徑，mm；r為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線極徑，mm；r1為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線于彎折線l處極徑，mm；β為彎折線l與x軸夾角，°；φ為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線極角，°；φ1為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線于彎折線l處極角，°；ψ為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線繞彎折線l彎折角度，°。其中正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線于彎折線l處極徑r1與側(cè)切刃曲線終點(diǎn)極徑相等，為250 mm；為保證節(jié)能型開(kāi)溝刀可適應(yīng)硬地的開(kāi)溝作業(yè)，能起到滑切土壤中砂礫的效果，彎折線l與x軸夾角β及正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線繞彎折線l彎折角度ψ不易過(guò)大，分別設(shè)計(jì)為58°、74°；為保證正切刃與側(cè)切刃長(zhǎng)度具有合適比例，正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線于彎折線l處極角φ1設(shè)計(jì)為35°。

因正切刃設(shè)計(jì)采用在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[16]，則正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)的偏心圓方程如式(6)所示。

(6)

式(6)中：e為偏心系數(shù)，e=R0/ρ；R0為偏心圓半徑，mm；ρ為偏心距，mm；τs為正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線終點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角，°。為保證正切刃曲線可由側(cè)切刃曲線平滑過(guò)渡，其中偏心圓半徑R0略小于側(cè)切刃曲線終點(diǎn)極徑，為240 mm，偏心系數(shù)e為1.1；為增大切土隙角[17]，減小正切刃切土阻力，設(shè)計(jì)正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線終點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角τs范圍為50°～65°。

2.2 基于離散元法側(cè)切刃與正切刃滑切角的確定

根據(jù)2.1節(jié)分析可知，茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀的側(cè)切刃曲線與正切刃曲線最終確定需知側(cè)切刃螺旋線終點(diǎn)處滑切角τn與正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線終點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角τs，現(xiàn)已知其范圍分別為50°～60°，50°～65°，因?qū)嶋H加工進(jìn)行田間試驗(yàn)確定最優(yōu)值較為困難，因此，采用離散元數(shù)值模擬方法確定二者的最優(yōu)參數(shù)值。

2.2.1 仿真試驗(yàn)設(shè)置

使用EDEM離散元軟件中的顆粒元素對(duì)土壤進(jìn)行建模，因典型茶園土壤為砂壤土，土壤深厚質(zhì)地疏松，砂粒、石礫含量較高，土壤顆粒直徑多分布在1～50 mm[18]，因此，土壤建模時(shí)土壤密度、泊松比和剪切模量按照典型砂壤土參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[19-20]，建模時(shí)設(shè)置土壤粒徑從1～50 mm不等，顆粒數(shù)量呈正態(tài)分布，以接近真實(shí)土壤分布狀態(tài)，因茶園土壤具有硬地土特性，土壤之間有較強(qiáng)的抵抗正向和切向運(yùn)動(dòng)的粘結(jié)力，因此，建模時(shí)土壤顆粒間采用Hertz-Mindlin粘結(jié)鍵的形式進(jìn)行粘結(jié)，當(dāng)正向和切向的應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，粘結(jié)破壞，此后土壤顆粒像硬球一樣運(yùn)動(dòng)，根據(jù)砂壤土的剪切力學(xué)特性[21]，設(shè)置粘結(jié)鍵中法向剛度為0～150 N·m-1，臨界法向剛度與其數(shù)值一致；剪切剛度為0～170 N·m-1，臨界剪切剛度與其數(shù)值一致。此外再隨機(jī)設(shè)置占顆?？偭?%的50～80 mm大直徑顆粒，以模擬茶園土壤中的砂粒、石礫，因砂粒、石礫以較為獨(dú)立狀態(tài)存在于茶園土壤中，因此，大直徑顆粒與土壤顆粒之間不設(shè)置粘結(jié)鍵。節(jié)能型開(kāi)溝刀參數(shù)，包括密度、泊松比和剪切模量，根據(jù)開(kāi)溝刀實(shí)際采用的65Mn參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真中的土壤與開(kāi)溝刀的接觸參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]中的參數(shù)及土壤與鐵質(zhì)材料實(shí)際接觸情況進(jìn)行設(shè)置，仿真的材料參數(shù)和接觸參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)能型開(kāi)溝刀仿真模型參數(shù)

2.2.2 仿真試驗(yàn)方法

仿真試驗(yàn)采用全因素試驗(yàn)，側(cè)切刃螺旋線終點(diǎn)處滑切角τn每1.5°設(shè)置1個(gè)試驗(yàn)水平，共11個(gè)水平，正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線終點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角τs每2°設(shè)置1個(gè)試驗(yàn)水平，共6個(gè)試驗(yàn)水平，進(jìn)行全因素試驗(yàn)，每次試驗(yàn)考察開(kāi)溝刀平均作業(yè)阻力，每組水平試驗(yàn)3次，結(jié)果取平均值。

2.2.3 仿真試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)開(kāi)始前，將Pro/E建模已安裝節(jié)能型開(kāi)溝刀的開(kāi)溝機(jī)導(dǎo)入EDEM。將開(kāi)溝機(jī)放置于土壤一端，設(shè)置開(kāi)溝刀入土深度為20 cm。對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保證仿真連續(xù)性的前提下，設(shè)定固定時(shí)間步長(zhǎng)為7.95×10-6，是Rayleigth時(shí)間步長(zhǎng)的25%，總時(shí)間為30 s，網(wǎng)格單元尺寸為5 mm。參數(shù)設(shè)置完畢后，驅(qū)動(dòng)開(kāi)溝機(jī)進(jìn)行仿真，仿真從開(kāi)溝刀入土開(kāi)始計(jì)算，出土為結(jié)束，仿真結(jié)束后從后處理模塊提取開(kāi)溝刀作業(yè)阻力數(shù)據(jù)并求平均值，仿真過(guò)程如圖3所示。

圖3 節(jié)能型開(kāi)溝刀仿真過(guò)程

2.2.4 仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，當(dāng)側(cè)切刃螺旋線終點(diǎn)處滑切角τn與正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線終點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角τs分別為62°、56°時(shí)節(jié)能型開(kāi)溝刀開(kāi)溝阻力最小，為152.3 N。因此，確定節(jié)能型開(kāi)溝刀側(cè)切刃螺旋線終點(diǎn)處滑切角τn與正切刃在側(cè)切刃平面內(nèi)展開(kāi)曲線終點(diǎn)處?kù)o態(tài)滑切角τs分別為62°、56°。

表2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

將確定的τn代入式(3)、式(4)，可得節(jié)能型開(kāi)溝刀側(cè)切刃曲線方程如式(7)所示，其中0°≤θ≤22.3°。

ρ=168+3.7θ。

(7)

將確定的τs代入式(5)、式(6)，可得節(jié)能型開(kāi)溝刀正切刃曲線方程如式(8)所示。

(8)

設(shè)計(jì)完成后，將茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀加工成型，加工標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T5699—2017進(jìn)行，采用65Mn進(jìn)行鍛壓成型，入土工作部分經(jīng)過(guò)淬火處理，HRC硬度(洛氏硬度)為48～54，金相組織為回火馬氏體，鍛壓前采用有限元軟件Deform-3D對(duì)胚料的鍛造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇最合理胚料，優(yōu)化鍛造過(guò)程中金屬的變流規(guī)律和鍛壓力，以提高節(jié)能型開(kāi)溝刀加工精度。

3 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀作業(yè)功耗和質(zhì)量，對(duì)節(jié)能型開(kāi)溝刀進(jìn)行田間試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

3.1.1 試驗(yàn)條件

節(jié)能型開(kāi)溝刀田間試驗(yàn)于2020年3月23日在安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園茶園試驗(yàn)田進(jìn)行，土壤為砂質(zhì)壤土，含有部分砂礫，整個(gè)試驗(yàn)田土質(zhì)均勻，可保證每次試驗(yàn)土壤條件一致。采用五點(diǎn)測(cè)試法測(cè)得土壤堅(jiān)實(shí)度在1～20 cm深度的平均值為215.6 N·m-2，土壤含水率在1～25 cm深度平均值為21.1%，土壤容重在1～25 cm深度平均值為1.53 g·cm-3，其中土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀器為T(mén)YD-2型數(shù)顯土壤硬度計(jì)(精度±1%)，土壤含水率測(cè)試儀器為GHHB-009-485-1型土壤濕度測(cè)量?jī)x(濕度精度±0.3%)，土壤容重采用環(huán)刀進(jìn)行取樣測(cè)試。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

節(jié)能型開(kāi)溝刀具的田間試驗(yàn)采用自主研制的開(kāi)溝刀具田間試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。田間試驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)架、48 V電源、前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)速度控制器、汽油機(jī)、變速箱、刀具鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、刀盤(pán)安裝軸、扭矩傳感器、上位機(jī)、開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置、行走輪、限深輪組成。田間試驗(yàn)時(shí)，電源給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪前進(jìn)，電機(jī)速度控制器可控制試驗(yàn)臺(tái)前進(jìn)速度，汽油機(jī)的作業(yè)動(dòng)力通過(guò)變速箱與鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給刀盤(pán)安裝軸，變速箱可輸出4個(gè)檔位轉(zhuǎn)速，裝有開(kāi)溝刀的刀盤(pán)安裝在刀盤(pán)安裝軸上，在刀具安裝軸的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)，扭矩傳感器安裝在汽油機(jī)與刀具安裝軸之間，可實(shí)時(shí)測(cè)定刀具轉(zhuǎn)速、作業(yè)功耗(扭矩與功率)，扭矩與功率采集頻率為1 s·次-1。測(cè)定數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射器傳遞給上位機(jī)，顯示在上位機(jī)(數(shù)顯儀或Pad)的顯示屏上，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件由Labview編寫(xiě)，除可按照頻次采集瞬時(shí)扭矩與功率外，可自行控制采集一段時(shí)間內(nèi)的總功率。刀具的入土深度由開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整機(jī)架與限深輪之間距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1，機(jī)架；2，電源；3，前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4，電機(jī)速度控制器；5，汽油機(jī)；6，變速箱；7，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)；8，刀盤(pán)安裝軸；9，扭矩傳感器；10，上位機(jī)；11，開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置；12，行走輪；13，限深輪。

田間試驗(yàn)的試驗(yàn)組刀具采用設(shè)計(jì)的茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀(圖5-a)，此外再設(shè)置一組對(duì)照組，對(duì)照組采用通用開(kāi)溝刀具，回轉(zhuǎn)半徑同為260 mm(圖5-b)。試驗(yàn)組與對(duì)照組刀具均安裝在試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)溝刀盤(pán)上，共安裝5把。

圖5 試驗(yàn)刀具

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 功耗試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別考察茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀與對(duì)照組通用開(kāi)溝刀在開(kāi)溝深度15、20、25 cm時(shí)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)溝功耗，開(kāi)溝功耗由田間試驗(yàn)平臺(tái)的扭矩傳感器測(cè)得，功耗具體采集方法：試驗(yàn)進(jìn)行中，扭矩傳感器每隔1 s實(shí)時(shí)采集一次瞬時(shí)扭矩，通過(guò)公式(9)可同時(shí)得到瞬時(shí)功率。試驗(yàn)完成后，上位機(jī)可讀出整個(gè)行程(5 m長(zhǎng)度)的平均功率。同一深度功耗試驗(yàn)共進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

(9)

式(9)中：P為功率，kW；T為扭矩，N·m；n為開(kāi)溝刀轉(zhuǎn)速，r·min-1。試驗(yàn)平臺(tái)前進(jìn)速度確定為0.9 m·s-1，開(kāi)溝刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為350 r·min-1，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

3.2.2 溝深穩(wěn)定性系數(shù)試驗(yàn)方法

考察茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀與對(duì)照組在開(kāi)溝深度15、20、25 cm時(shí)的溝深穩(wěn)定性系數(shù)，將節(jié)能型開(kāi)溝刀安裝于試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度為50 m，兩端預(yù)備區(qū)長(zhǎng)度為 20 m，寬度為 30 m。同一工況測(cè)試3個(gè)行程，每個(gè)行程測(cè)定10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)定位置沿機(jī)組前進(jìn)方向間隔 2 m。試驗(yàn)后在每個(gè)測(cè)定點(diǎn)測(cè)定土表至溝底距離作為溝深，溝深穩(wěn)定性系數(shù)由式(10)～式(13)計(jì)算[24]。同一深度溝深穩(wěn)定性系數(shù)試驗(yàn)共進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

Us=1-Vs。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：Us為開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，%；Vs為開(kāi)溝深度變異系數(shù)，%；Sb為開(kāi)溝深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm；hp為開(kāi)溝平均深度，cm；hi為開(kāi)溝深度測(cè)量值，cm；Ns為開(kāi)溝區(qū)域溝深測(cè)量點(diǎn)數(shù)量，個(gè)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，在開(kāi)溝深度為15、20、25 cm時(shí)，均是茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀試驗(yàn)組開(kāi)溝功耗小于通用開(kāi)溝刀對(duì)照組，說(shuō)明設(shè)計(jì)的節(jié)能型開(kāi)溝刀在各個(gè)開(kāi)溝深度均能夠達(dá)到降低開(kāi)溝功耗的目的。隨著開(kāi)溝深度的增加，節(jié)能型開(kāi)溝刀開(kāi)溝功耗依次增大，15、20、25 cm開(kāi)溝深度對(duì)應(yīng)開(kāi)溝功耗分別為0.093、0.107、0.128 kW。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，節(jié)能型開(kāi)溝刀在開(kāi)溝深度為15、20、25 cm時(shí)，溝深穩(wěn)定性系數(shù)均大于90%，分別為91.2%、92.8%、91.7%，均高于通用開(kāi)溝刀對(duì)照組，且高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11908—2014《農(nóng)用圓盤(pán)開(kāi)溝機(jī)》溝深穩(wěn)定性系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值[25]，滿足開(kāi)溝機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)的節(jié)能型開(kāi)溝刀在降低開(kāi)溝功耗的同時(shí)，可保證開(kāi)溝質(zhì)量。

4 結(jié)論

1)針對(duì)茶園機(jī)械化開(kāi)溝減阻減耗需要，設(shè)計(jì)專用于茶園圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)的節(jié)能型開(kāi)溝刀，用于減小茶園機(jī)械化開(kāi)溝時(shí)的開(kāi)溝功耗，通過(guò)理論與離散元數(shù)值模擬方法確定節(jié)能型開(kāi)溝刀側(cè)切刃與正切刃的關(guān)鍵參數(shù)。

2)設(shè)計(jì)的茶園節(jié)能型開(kāi)溝刀在不同開(kāi)溝深度時(shí)開(kāi)溝功耗均小于通用開(kāi)溝刀，說(shuō)明設(shè)計(jì)的節(jié)能型開(kāi)溝刀在各個(gè)開(kāi)溝深度均能夠達(dá)到降低開(kāi)溝功耗的目的。

3)節(jié)能型開(kāi)溝刀在不同開(kāi)溝深度，其溝深穩(wěn)定性系數(shù)均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及通用開(kāi)溝刀，滿足開(kāi)溝機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)的節(jié)能型開(kāi)溝刀在降低作業(yè)功耗的同時(shí)，可保證開(kāi)溝質(zhì)量。