砂壤土條件下馬鈴薯中耕機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶 劉齊卉 楊德秋 李季成 劉中原 于 晶

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

馬鈴薯中耕作業(yè)主要包括培土筑壟、松土碎土、破除板結(jié)、除草追肥等，是馬鈴薯生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)提高馬鈴薯結(jié)薯率及單位面積產(chǎn)量具有重要影響，因此設(shè)計(jì)高效、可靠的馬鈴薯中耕機(jī)至關(guān)重要[1-2]。

國(guó)外對(duì)馬鈴薯中耕機(jī)研究較早，且機(jī)械化程度較高。具有代表性的德國(guó)格立莫公司生產(chǎn)的GF400-75型馬鈴薯中耕機(jī)采用驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)工作部件，液壓控制耕深，適用于黏重土壤下的中耕作業(yè)，當(dāng)耕作區(qū)域石塊較多時(shí)，機(jī)器損傷較為嚴(yán)重[3]；意大利MECANICA CEAHLAU公司生產(chǎn)的馬鈴薯中耕機(jī)的行間主要工作部件鋤鏟兩側(cè)裝有護(hù)苗器[4]，但在砂壤土環(huán)境下土壤流向不易控制。我國(guó)在引進(jìn)吸收國(guó)外機(jī)具成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，已研制了多種型號(hào)的馬鈴薯中耕機(jī)。呂金慶等[5]研制的驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)采用旋耕刀組為主要工作部件，在東北地區(qū)黏重土壤條件下仍能保持較好的碎土性能；衣淑娟等[6]研制的馬鈴薯中耕機(jī)采用圓盤式碎土部件，碎土性能較好，培土阻力小?，F(xiàn)有馬鈴薯中耕機(jī)均能滿足中耕作業(yè)需求[7-8]，可靠性較高，但大多數(shù)適應(yīng)性較差，在砂壤土條件下進(jìn)行中耕作業(yè)時(shí)存在土壤流向不易控制、土壤回流嚴(yán)重、壟型一致性差、作業(yè)效果不佳等問(wèn)題。

本文針對(duì)砂壤土條件下種植模式為單壟單行的馬鈴薯中耕作業(yè)，設(shè)計(jì)一種犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)，并對(duì)其塑型部件培土器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)土壤顆粒培土過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析，明確影響馬鈴薯中耕作業(yè)效果的主要因素，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以期獲得犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)組合，并通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)主要由懸掛架、機(jī)架、側(cè)板、彈齒、培土犁、塑型裝置等組成，如圖1所示。機(jī)架前端橫梁裝有5組彈齒，每組彈齒由3個(gè)S形彈齒組成，中間橫梁上安有5組培土犁，與彈齒縱向安裝位置相對(duì)應(yīng)，可同時(shí)進(jìn)行4行中耕作業(yè)，塑型裝置掛接于機(jī)架末端。

1.2 工作原理

懸掛架與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接，由拖拉機(jī)液壓控制升降，提供動(dòng)力。作業(yè)時(shí)，彈齒組首先入土，破壞壟間土壤板結(jié)，清除壟溝內(nèi)石塊，后培土犁入土并將溝底土壤翻至兩側(cè)馬鈴薯壟上，同時(shí)完成松土碎土、去除雜草等作業(yè)，處理后的土壤由塑型裝置塑型，以形成滿足馬鈴薯中耕作業(yè)要求的合適壟型[9-10]。

1.3 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)馬鈴薯中耕的主導(dǎo)種植模式及農(nóng)藝要求[11]，設(shè)計(jì)的犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 彈齒

馬鈴薯中耕機(jī)彈齒部分位于中耕機(jī)最前端橫梁，結(jié)構(gòu)如圖2所示，固定支座通過(guò)U形卡與機(jī)架橫梁連接，并可調(diào)節(jié)機(jī)架上相對(duì)位置；彈齒單體呈三角形安裝于高度調(diào)節(jié)架上，高度調(diào)節(jié)架與固定支座螺栓連接，且上下位置可調(diào)。工作時(shí)，彈齒對(duì)壟溝土壤進(jìn)行深松作業(yè)，彈齒齒身呈S形，可有效緩沖石塊對(duì)工作部件造成的撞擊，通過(guò)調(diào)節(jié)彈齒相對(duì)機(jī)架上下安裝位置，及后端兩彈齒單體間距，改變耕深及耕寬，以適應(yīng)不同耕作需求。

彈齒單體參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)土壤的深松擾動(dòng)有重大影響。齒身主要尺寸參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19988—2005[12]的1型S形彈齒確定，如圖3所示。S形彈齒齒尖長(zhǎng)度為140 mm，寬度為40 mm，采用鑄鋼材料，增強(qiáng)其耐磨性，并由沉頭螺栓安裝在彈齒前端，便于磨損變形后更換。

松土彈齒土壤變形區(qū)的界限為：前面為與工作部件尖端法線呈σ的平面，兩側(cè)是與工作部件的工作幅寬所限定的垂直面呈ξ/2的平面，如圖4所示。

土壤變形區(qū)域?qū)挾葹?/p>

(1)

式中b——土壤變形區(qū)寬度，mm

d——工作部件寬度，mm

c——彈齒入土深度，mm

σ——土壤對(duì)金屬的摩擦角，取25°

ξ——土壤剪切角，取50°

ι——彈齒入土角，(°)

由式(1)可知，變形區(qū)域?qū)挾扰c土壤類型、中耕深度及彈齒入土角有關(guān)。為避免彈齒間距太小造成堵塞，或間距太大造成漏耕，彈齒間間距與土壤變形區(qū)的關(guān)系為

2b>B>b

(2)

式中B——后方兩彈齒中心線的距離，mm

彈齒前后距離M應(yīng)滿足

M≥ctan(σ+ι)+L0

(3)

式中L0——彈齒伸出量，mm

根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，彈齒入土深度為130 mm，工作部件寬度為30 mm，彈齒入土角為45°。代入式(1)求得土壤變形區(qū)的寬度為224 mm，后方兩彈齒間距離為224～448 mm，此處取270 mm，前后彈齒間距離為457.5～530 mm，此處取470 mm。

2.2 培土犁

培土犁為犁鏵式中耕機(jī)主要碎土部件，5組培土犁等間距安裝在彈齒后方機(jī)架橫梁上，培土犁單體主要由鏵尖、主犁體、引導(dǎo)板、犁柱、固定調(diào)節(jié)座等組成，其各部分結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系如圖5所示。固定調(diào)節(jié)座位于犁柱上端用于將培土犁安裝于機(jī)架橫梁上，且在橫梁上相對(duì)位置可調(diào)，調(diào)節(jié)座上開(kāi)有縱向排列的螺栓孔，犁柱與不同螺栓孔連接可改變犁體相對(duì)機(jī)架入土深度；鏵尖由沉頭螺栓安裝于主犁體尖端，能有效保護(hù)主犁體且便于更換；引導(dǎo)板由沉頭螺栓對(duì)稱安裝于主犁體左右兩端，增加犁體作業(yè)面積的同時(shí)，引導(dǎo)壟溝內(nèi)土壤順利培于馬鈴薯壟上。

工作時(shí)，可先根據(jù)需求調(diào)節(jié)犁體入土深度，調(diào)節(jié)范圍為100～150 mm；培土犁切削入土將彈齒預(yù)處理后的土壤向兩側(cè)疏導(dǎo)，并使土壤隨犁體和引導(dǎo)板曲面輸送至馬鈴薯土壟頂端，最終由于重力因素掉落至所培壟上[13-14]。

培土犁在進(jìn)行中耕作業(yè)時(shí)，需要滿足將壟溝內(nèi)土壤提升至壟上，同時(shí)對(duì)土壤還有一定的碎土作用，使根莖不會(huì)暴露在外，且適當(dāng)?shù)乃橥谅誓鼙ＷC根莖呼吸作用，利于馬鈴薯生長(zhǎng)[15-16]。犁體曲面參數(shù)可由水平直元線法得出，將犁體曲面看作水平元線沿導(dǎo)曲線運(yùn)動(dòng)形成，且導(dǎo)曲線夾角與長(zhǎng)度會(huì)隨位置改變呈一定規(guī)律變化。

2.3 塑型裝置

塑型裝置安裝于中耕機(jī)末端，主要由鏵尖、培土器、培土面板、培土架、緩沖裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)進(jìn)行出苗前的中耕作業(yè)，培土器兩對(duì)稱曲面以及培土面板為作業(yè)面，分別對(duì)土壟的兩側(cè)面及上表面進(jìn)行塑型[17]；出苗后，拆除培土面板，防止壓苗。

2.3.1培土器工作面參數(shù)確定

培土器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定主要參考馬鈴薯單壟單行種植模式下壟型斷面尺寸[18-19]，如圖7所示。再根據(jù)壟型尺寸采用制圖法繪制培土器正投影圖與水平投影圖，得到培土器結(jié)構(gòu)主要參數(shù)。

培后馬鈴薯壟上土壤體積為

V0=(a0+h0cotφ)h0

(4)

式中V0——所培土壟體積，mm3

a0——壟頂寬，mm

h0——壟與原土壤表面高，mm

φ——土壤自然休止角，(°)

壟溝內(nèi)翻出土壤體積為

V1=[a1+(h-h0)cotφ](h-h0)

(5)

式中V1——壟溝內(nèi)土壟體積，mm3

a1——壟底寬，mm

h——壟總高度，mm

由于土壤經(jīng)由培土犁松碎處理，體積變大，因此培土前壟溝內(nèi)土壤體積與培土后馬鈴薯壟上土壤體積有倍數(shù)關(guān)系，蓬松系數(shù)為λ，根據(jù)文獻(xiàn)[20]確定蓬松系數(shù)為1.2，則前后體積關(guān)系為

V1=λV0
λ(a0+h0cotφ)h0=[a1+(h-h0)cotφ](h-h0)

(6)

即可求得

(7)

由圖7幾何關(guān)系可得

(8)

式中L——壟距，mm

根據(jù)馬鈴薯中耕農(nóng)藝要求[21-22]，行距L為700～900 mm，土壤自然休止角φ為40°～50°，壟寬a0為310～400 mm，壟底寬a1為84～90 mm?？紤]機(jī)具的通用性及實(shí)際馬鈴薯壟型斷面，取L=900 mm，φ=45°,a0=350 mm，a1=87 mm，即可得壟總高h(yuǎn)=230 mm，壟與原土壤表面高h(yuǎn)0=130 mm，挖出土壤深度h1=100 mm。

根據(jù)求得的a0、h0、a1、h和φ即可做出培土器工作面投影圖，再由繪圖法對(duì)培土器工作面進(jìn)行設(shè)計(jì)[23]。作培土器正視投影，即作上述所求得的高為h，底邊與頂邊分別為a1與L-a0的等腰梯形，端點(diǎn)為A、B、C、D，做其軸線。此梯形為培土器工作后所形成的凹槽。培土器工作時(shí)帶動(dòng)土壤隨之運(yùn)動(dòng)使其獲得一定動(dòng)能，并膨脹，所以實(shí)際培土高度大于所設(shè)計(jì)的培土高度h，且當(dāng)培土器上端不高于實(shí)際壟高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)土壤越過(guò)培土器的現(xiàn)象，因此培土器高度h2=(1.1～1.2)h。通過(guò)計(jì)算可知h=230 mm，h2取值范圍為253～276 mm，為避免壟溝底浮土過(guò)厚而壟臺(tái)培土量不夠，本設(shè)計(jì)取h2=270 mm。過(guò)點(diǎn)C、D向上引一段長(zhǎng)度為0.1h的線段，其端點(diǎn)為E、F。點(diǎn)A、B、C、D、E、F所圍成圖形即為培土器工作面正投影圖，如圖8所示。

在OO軸線上取一點(diǎn)O1，由點(diǎn)O1作直線O1M與軸線夾角為γ0，此直線限定了培土器鏵尖刃口的大小。培土器角γ0在26°～35°范圍內(nèi)變化，為保證培土器具有良好的開(kāi)溝性能，取γ0=26°。在距離點(diǎn)O1的L/3行距處作垂線kk，此線為垂直截面的跡。作其導(dǎo)向曲線，半徑為R，其表達(dá)式為

(9)

式中ε——導(dǎo)向曲線切線k′k′與垂直截面的跡nn間的夾角，培土器ε=30°

在正視圖上以相等間距引平行線1-1、2-2等，這些線即為構(gòu)成線的投影。自點(diǎn)a在直線O1M作與正視圖間距相同的點(diǎn)1、2、3…，與導(dǎo)曲線相交于1′、2′、3′ …，過(guò)交點(diǎn)作平行OM的線交kk于點(diǎn)1′1、2′1、3′1…，過(guò)這些點(diǎn)引成γn的構(gòu)成線，γn的計(jì)算式為

γn=γ0+iy

(10)

(11)

式中x——角γn的橫坐標(biāo)，mm

y——角γn的縱坐標(biāo)，mm

γn——高度y時(shí)構(gòu)成線夾角，(°)

i——角γn的縱坐標(biāo)系數(shù)，(°)/mm

由式(10)、(11)可得

(12)

(13)

式中 Δγ——角γ最大與最小差值，為5°

ymax——角γn的最大縱坐標(biāo)，mm

構(gòu)成曲線繪制完成后，將正投影圖上點(diǎn)1、2、3、…向水平投影圖作垂線，用平滑曲線將交點(diǎn)連接，即為水平投影圖上培土器外形，對(duì)稱后即可得到培土器完整外形曲線，并對(duì)三維培土器進(jìn)行建模，如圖9所示。

2.3.2土壤運(yùn)動(dòng)分析

(1)犁面軌跡終端運(yùn)動(dòng)分析

由于砂壤土粘聚性較小，在犁面的作用下，土垡到達(dá)其軌跡終端時(shí)，土垡相互之間已基本失去制約，可以看成單個(gè)土粒自由拋出，以土粒M離開(kāi)犁面時(shí)的坐標(biāo)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖10所示。

土粒M在犁面軌跡終端的瞬時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為

(14)

式中vr——土粒M軌跡終端瞬時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s

vrx——土粒M軌跡終端瞬時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在x軸分量，m/s

vry——土粒M軌跡終端瞬時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在y軸分量，m/s

vrz——土粒M軌跡終端瞬時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在z軸分量，m/s

此時(shí)犁面軌跡終端運(yùn)動(dòng)絕對(duì)速度為

(15)

式中ve——犁耕速度，即牽連速度，m/s

v——土粒M軌跡終端時(shí)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s

vx1——土粒M軌跡終端時(shí)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在x軸分量，m/s

vy1——土粒M軌跡終端時(shí)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在y軸分量，m/s

vz1——土粒M軌跡終端時(shí)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在z軸分量，m/s

用犁耕速度表示相對(duì)速度，表達(dá)式為

(16)

(17)

式中δ——土粒M運(yùn)動(dòng)軌跡切線與x軸夾角，(°)

β——土粒M運(yùn)動(dòng)軌跡的切線在yOz面的投影與y軸夾角，(°)

絕對(duì)速度可表示為

(18)

(2)離開(kāi)犁面后運(yùn)動(dòng)分析

土粒離開(kāi)犁面后的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(19)

式中m——土粒質(zhì)量，g

ax2——土粒合加速度在x軸方向分量，m/s2

ay2——土粒合加速度在y軸方向分量，m/s2

az2——土粒合加速度在z軸方向分量，m/s2

Fx2——土粒所受合力在x軸方向分量，N

Fy2——土粒所受合力在y軸方向分量，N

Fz2——土粒所受合力在z軸方向分量，N

由式(19)得土粒離開(kāi)犁面后的加速度為

(20)

(21)

式中t——土粒M離開(kāi)犁面后的時(shí)間，s

vx2——土粒M離開(kāi)犁面后絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在x軸分量，m/s

vy2——土粒M離開(kāi)犁面后絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在y軸分量，m/s

vz2——土粒M離開(kāi)犁面后絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在z軸分量，m/s

將式(21)對(duì)t再積分，利用初始條件t=0時(shí)，x2=y2=z2=0，得土粒M離開(kāi)犁面后的運(yùn)動(dòng)方程為

(22)

式中x2——土粒M離開(kāi)犁面x軸方向位移，mm

y2——土粒M離開(kāi)犁面y軸方向位移，mm

z2——土粒M離開(kāi)犁面z軸方向位移，mm

由式(22)可得土粒M離開(kāi)犁面后的軌跡方程為

(23)

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可得土粒在x軸方向運(yùn)動(dòng)方程式為

(24)

分離變量求解微分方程可得

(25)

將式(21)求得的vx2及式(22)求得的t代入式(25)得

(26)

(27)

代入式(26)可得

x2=4mve(1-ρcosδ)

(28)

將計(jì)算結(jié)果代入式(23)得

(29)

土粒從培土犁運(yùn)動(dòng)到馬鈴薯壟的落點(diǎn)位置只與土粒的牽連速度即犁耕作業(yè)速度有關(guān)，因此作業(yè)速度與壟型密切相關(guān)。根據(jù)中耕培土農(nóng)藝要求，結(jié)合土壤顆粒拋出運(yùn)動(dòng)表達(dá)式及中耕機(jī)實(shí)際工況，確定犁耕作業(yè)速度為0.8～2 m/s。

(3)壟上土粒運(yùn)動(dòng)分析

砂壤土土質(zhì)較為疏松，犁體工作時(shí)對(duì)各土層土壤進(jìn)行破碎，此時(shí)土壤狀態(tài)細(xì)碎，可視為散粒體[24-25]。將單個(gè)土粒M作為研究對(duì)象，忽略土壤間相互作用力，其受力如圖11所示，在合力的作用下土粒產(chǎn)生回流，并沿溝壁下滑。

以土壤顆粒為研究對(duì)象，可得

(30)

式中FS——斜面摩擦力，N

α——斜面與豎直方向夾角，(°)

ax——土壤顆粒沿x軸方向加速度，m/s2

FN——斜面支持力，N

μ——滑動(dòng)摩擦因數(shù)

根據(jù)土壤顆粒在x軸方向的運(yùn)動(dòng)方程，可求得土壤顆粒沿x軸方向的位移ST，即土壤回流位移為

(31)

其中

ax=μgsinα-gcosα

(32)

(33)

式中ST——土壤顆粒沿x軸方向位移，mm

tT——土?；赝吝\(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

l——培土犁與培土器間距，mm

因豎直面與斜面夾角α、摩擦因數(shù)μ、重力加速度g均為定值，故土壤顆?；亓魑灰浦慌c時(shí)間tT有關(guān)。

將式(32)、(33)代入式(31)可得培土器間距表達(dá)式

(34)

考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，裝置間的干涉問(wèn)題，結(jié)合式(34)中各參數(shù)選取范圍，培土犁培土器間距選取400～800 mm。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真建模及參數(shù)設(shè)定

3.1.1邊界模型

離散元土壤耕作模型中，邊界模型主要是指機(jī)械結(jié)構(gòu)模型[26]，應(yīng)用SolidWorks三維制圖軟件對(duì)犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)進(jìn)行建模，考慮計(jì)算量，因此將模型簡(jiǎn)化為兩組單行起壟，如圖12所示。

由于彈齒具有一定彈性，可將其視為柔性體，在作業(yè)過(guò)程中與土壤接觸產(chǎn)生一定變形，而直接導(dǎo)入到EDEM軟件中模型呈剛性，無(wú)法產(chǎn)生變形，與實(shí)際不符。Recurdyn多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件中具有求解柔性體變形的柔性體動(dòng)力學(xué)分析模塊，將簡(jiǎn)化后的整機(jī)模型導(dǎo)入到Recurdyn軟件軟件，在Recurdyn軟件中將彈齒部分進(jìn)行Flexible柔性化，設(shè)置中耕機(jī)各部件間連接方式均為固定連接，并沿x軸方向平動(dòng)，后對(duì)彈齒部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Recurdyn中External SPI耦合模塊將處理后的模型以.wall文件格式導(dǎo)入到EDEM軟件中，耦合建立離散元仿真模型。

3.1.2土壤模型

本仿真建立的土槽尺寸為1 000 mm×1 000 mm×500 mm，在土槽上表面設(shè)置顆粒工廠，考慮到計(jì)算機(jī)性能及仿真時(shí)間，將仿真土壤顆粒設(shè)置為單顆球狀顆粒，半徑為5 mm，設(shè)置顆?？偭繛?.7×106個(gè)，生成速度為1×105個(gè)/s。

3.1.3接觸參數(shù)設(shè)置

由于砂壤土顆粒表面具有一定粘附力，選定土壤間接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding[27]，粘結(jié)鍵參數(shù)設(shè)定如表2所示。土壤顆粒與機(jī)械模型間采用無(wú)滑動(dòng)Hertz-Mindlin (no slip)模型[28]。

表2 顆粒間接觸模型參數(shù)

根據(jù)砂壤土特性，對(duì)接觸參數(shù)土壤-土壤、土壤-模型間參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，仿真參數(shù)如表3所示。

表3 離散元模型基本參數(shù)

3.2 離散元仿真過(guò)程與評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2.1仿真過(guò)程

將簡(jiǎn)化后的中耕機(jī)模型導(dǎo)入，使其沿x軸方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)置時(shí)間為4 s，每隔0.02 s記錄一次數(shù)據(jù)，仿真過(guò)程如圖13所示。

由S形彈齒作業(yè)過(guò)程的變形可知，松土鏟最大變形發(fā)生在下半端拐彎處，在進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)，S形彈齒硬度較小，且在底層土壤支持力的作用下，拐彎處夾角增大并有所上升，彎曲處以下部分有被拉直的趨勢(shì)，彈齒各階段變形如圖14所示。

3.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照文獻(xiàn)[29]對(duì)仿真后馬鈴薯土壟的作業(yè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取回土量、壟型擬合度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在仿真平穩(wěn)段隨機(jī)取5個(gè)橫截面，橫截面示意圖如圖15所示，采用回土體積與理論溝型體積比作為回土量的計(jì)算方法[30]，采用端面法進(jìn)行回土量計(jì)算，測(cè)量開(kāi)溝的實(shí)際深度及去除回土后的理論開(kāi)溝深度，回土量計(jì)算式為

(35)

式中ζ——仿真回土量，%

Vs——仿真實(shí)際回土體積，mm3

Vl——仿真理論開(kāi)溝體積，mm3

I——仿真實(shí)際壟溝深度，mm

I′——仿真理論開(kāi)溝深度，mm

壟型擬合度能反映培后壟型一致度，是中耕作業(yè)效果的重要指標(biāo)之一[31]，在仿真作業(yè)穩(wěn)定區(qū)隨機(jī)選取兩處截面作為觀測(cè)區(qū)，利用edge函數(shù)繪制出對(duì)象的便捷和提取邊界坐標(biāo)信息，后用Frechet Distance比較兩處曲線的相似度，數(shù)值越小相似度越高。

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

選取培土犁培土器間距、作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，回土量Y1、壟型擬合度Y2作為試驗(yàn)指標(biāo)，利用Design-Expert軟件進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)參數(shù)組合完成優(yōu)化，根據(jù)編碼后的試驗(yàn)方案及設(shè)計(jì)的理論參數(shù)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)因素編碼如表4所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示，X1、X2為因素編碼值。

表4 試驗(yàn)因素編碼

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

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[32-33]，得到回土量和壟型擬合度兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

表6 回土量方差分析

(36)

對(duì)回歸方程(36)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表6所示，失擬項(xiàng)P=0.433 4，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。

表7 壟型擬合度方差分析

Y2=0.022-0.003 7X1+0.005 714X2+

(37)

對(duì)回歸方程(37)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表7所示，其中P=0.983 7，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。

3.3.3響應(yīng)曲面分析

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得出間距x1、作業(yè)速度x2對(duì)回土量、壟型擬合度影響的響應(yīng)曲面，如圖16所示。

由圖16a可知，回土量隨間距增加呈逐漸增大趨勢(shì)，最優(yōu)間距為458.58～670.71 mm；隨速度增加逐漸減小，最優(yōu)速度為1.19～1.82 m/s，其中間距是影響回土量的主要因素。

由圖16b可知，壟型擬合度隨間距增加呈減小趨勢(shì)，最優(yōu)間距為529.29～741.42 mm；隨速度增加逐漸增大，最優(yōu)速度為0.98～1.61 m/s，其中速度是影響壟型擬合度的主要因素。

3.3.4參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)圖16中2個(gè)響應(yīng)曲面的分析，為得到最佳的試驗(yàn)因素水平組合，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)兩個(gè)回歸模型進(jìn)行求解，根據(jù)犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)的實(shí)際工作條件、作業(yè)性能要求及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件為

(38)

由式(38)可得，當(dāng)間距為600 mm、速度為1.3 m/s時(shí)，機(jī)具綜合作業(yè)性能較理想，預(yù)測(cè)回土量為12.8%，壟型擬合度為0.02，對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

為保證后續(xù)培土效果，根據(jù)深松作業(yè)質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，彈齒深松作業(yè)后土壤擾動(dòng)系數(shù)應(yīng)不小于50%。

仿真結(jié)果表明，彈齒土壤擾動(dòng)系數(shù)為67.2%，中耕機(jī)回土量為12.3%，壟型擬合度為0.024，滿足深松及馬鈴薯中耕作業(yè)要求，對(duì)仿真優(yōu)化所得參數(shù)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2020年5月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)示范基地，進(jìn)行犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)的培土性能試驗(yàn)和對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域尚未長(zhǎng)出馬鈴薯幼苗，試驗(yàn)土地平整，土壤堅(jiān)實(shí)度為412 kPa，土壤含水率為8.3%。試驗(yàn)過(guò)程如圖17所示，犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)以作業(yè)速度1.3 m/s對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行作業(yè)，配套動(dòng)力為99.2 kW約翰迪爾1345型拖拉機(jī)。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7864—2013《旱田中耕追肥機(jī)試驗(yàn)辦法》規(guī)定的試驗(yàn)方法與指標(biāo)，選取回土量、土壟壟型一致性等為試驗(yàn)指標(biāo)。

4.2.1回土量

實(shí)際回土量使用回土體積與理論溝型體積比作為回土量的計(jì)算方法，在作業(yè)穩(wěn)定區(qū)域中取15 m的范圍，隨機(jī)取5個(gè)橫斷面，測(cè)量壟溝實(shí)際深度及去除回土后的理論深度，其計(jì)算公式為

(39)

式中ψ——現(xiàn)實(shí)回土量，%

V′——現(xiàn)實(shí)實(shí)際回土體積，mm3

V——現(xiàn)實(shí)理論開(kāi)溝體積，mm3

H——現(xiàn)實(shí)實(shí)際壟溝深度，mm

H′——現(xiàn)實(shí)理論開(kāi)溝深度，mm

4.2.2壟型一致性

馬鈴薯土壟壟型一致性是反映中耕機(jī)培土起壟效果的重要指標(biāo)之一[34]，提取仿真壟型截面曲線，計(jì)算兩曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)間距離，數(shù)值越小表示壟型一致性越好。在中耕區(qū)域內(nèi)往返行程中各選取3個(gè)行程穩(wěn)定區(qū)為觀測(cè)區(qū)，各觀測(cè)區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)不少于30 m。在觀測(cè)區(qū)內(nèi)每單程選擇兩處為觀測(cè)點(diǎn)，在觀測(cè)處切開(kāi)壟的斷面，用直尺測(cè)出壟底寬、壟頂寬、起壟高度、壟距等。具體計(jì)算公式為

(40)

其中

(41)

(42)

式中a0i——測(cè)試點(diǎn)壟頂寬，mm

a1i——測(cè)試點(diǎn)壟底寬，mm

hi——測(cè)試點(diǎn)壟高，mm

Si——測(cè)試點(diǎn)土壟橫截面積，mm2

SS——土壟橫截面積標(biāo)準(zhǔn)差，mm2

ω——土壟壟型一致性，%

4.2.3土壤擾動(dòng)系數(shù)

土壤擾動(dòng)情況是衡量松土裝置彈齒的一個(gè)重要指標(biāo)，與仿真測(cè)定方法相同，可用耕前地表至實(shí)際深松溝底的橫斷面積與耕前地表至理論深松溝底的橫斷面積百分比來(lái)表示。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)起壟效果好、培土均勻，能夠滿足馬鈴薯中耕作業(yè)要求，結(jié)果如表8所示，所測(cè)得的試驗(yàn)值均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表8 犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)照結(jié)果表明，犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)的回土量、壟型一致性、碎土率、培土高度及油耗均優(yōu)于對(duì)照組鋤鏟式馬鈴薯中耕機(jī)。使用彈齒、培土犁、培土器為主要工作部件，對(duì)土壤進(jìn)行松土、培土、塑型等作業(yè)，相較于傳統(tǒng)的鋤鏟式馬鈴薯中耕機(jī)在提高碎土率的同時(shí)，能較好地?cái)_動(dòng)壟溝內(nèi)土壤，并將其沿犁體表面培于馬鈴薯壟上更能滿足作業(yè)要求；而相較于驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，可靠性高，能避免部件被雜草纏住等現(xiàn)象，且培土過(guò)程簡(jiǎn)單，能更好地避免砂壤土條件下土壤流向難以控制等現(xiàn)象產(chǎn)生。犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)提高了作業(yè)功效和馬鈴薯中耕作業(yè)質(zhì)量，達(dá)到了馬鈴薯中耕作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)砂壤土物理特性對(duì)犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)塑型部件培土器進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)馬鈴薯壟型尺寸農(nóng)藝要求，利用投影法對(duì)培土器導(dǎo)曲線及外形曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)土壤到達(dá)培土犁臨界位置、土壤離開(kāi)犁面后及土壤到達(dá)壟上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出馬鈴薯壟壟型、回土量和培土犁與培土器間距、中耕機(jī)作業(yè)速度有關(guān)。

(2)運(yùn)用EDEM軟件對(duì)簡(jiǎn)化后犁鏵式中耕機(jī)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，以培土犁與培土器間距以及中耕機(jī)作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，以回土量及壟型擬合度為試驗(yàn)指標(biāo)，建立了試驗(yàn)因素與指標(biāo)間的回歸數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了正交仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)培土犁與培土器間距為600 mm、作業(yè)速度為1.3 m/s時(shí)，機(jī)具綜合作業(yè)性能較理想，仿真回土量為12.3%，壟型擬合度為0.024，并計(jì)算得彈齒土壤擾動(dòng)系數(shù)為67.2%。

(3)田間試驗(yàn)表明：犁鏵式馬鈴薯中耕機(jī)作業(yè)后，回土量為12.5%，土壟壟型一致性為98.3%，土壤擾動(dòng)系數(shù)為67.0%，碎土率為94.7%，培土高度為8.4 cm，油耗為14.6 kg/hm2，能較好地滿足馬鈴薯中耕培土作業(yè)要求。