雙軸旋耕碎土試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與分層耕作試驗(yàn)

管春松，崔志超，高慶生，王樹林，陳永生，楊雅婷

雙軸旋耕碎土試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與分層耕作試驗(yàn)

管春松1,2，崔志超1，高慶生1，王樹林2，陳永生1※，楊雅婷1

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2. 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

針對現(xiàn)有耕作試驗(yàn)臺難以滿足雙軸耕作部件測試的需求、室內(nèi)測試重塑土難以反映作業(yè)現(xiàn)場真實(shí)環(huán)境的問題，設(shè)計(jì)了一種集前軸正轉(zhuǎn)拋土、后軸反轉(zhuǎn)碎土功能于一體的雙軸旋耕碎土田間移動(dòng)式試驗(yàn)臺，可實(shí)現(xiàn)前后刀軸相對位置及轉(zhuǎn)速比的實(shí)時(shí)調(diào)整。闡述了整機(jī)工作原理，分析了前后刀軸相對位置的調(diào)節(jié)范圍、碎土刀軸位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、旋耕刀軸調(diào)速裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算并選型了碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)、功耗測試系統(tǒng)中液壓及電氣元件。為提高分層耕作質(zhì)量同時(shí)降低作業(yè)能耗，以前期研究的雙軸起壟機(jī)的雙軸旋耕碎土關(guān)鍵部件為研究對象，開展了分層旋碎的田間試驗(yàn)，并采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以兩軸水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速為影響因素，以雙刀輥?zhàn)鳂I(yè)平均功耗、表層5 cm土層的碎土率為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。利用Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立各因素和平均功耗、碎土率之間的回歸模型，分析各因素對平均功耗、碎土率的顯著性，同時(shí)對影響因素進(jìn)行了綜合優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：各因素對平均功耗影響由大到小依次為水平間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速、垂直間距；各因素對碎土率影響由大到小依次為水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速；最優(yōu)工作參數(shù)組合為水平間距為570 mm、垂直間距為96 mm、碎土刀軸轉(zhuǎn)速為340 r/min，對應(yīng)的平均功耗為17.92 kW、碎土率為91.65%，且各評價(jià)指標(biāo)與其理論優(yōu)化值的相對誤差均小于5%。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的雙軸旋轉(zhuǎn)耕作部件性能測試試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)合理，能夠滿足多因素多水平的測試需求，為雙軸旋轉(zhuǎn)型耕作部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的測試手段。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；耕作；試驗(yàn)臺；雙軸；功耗試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

土壤耕作是農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中最為基礎(chǔ)和重要的環(huán)節(jié)，耕整地作業(yè)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)農(nóng)作物種植、收獲的質(zhì)量及產(chǎn)量。隨著農(nóng)民對于生產(chǎn)效率要求的提高，國內(nèi)土壤耕作機(jī)械逐漸趨于復(fù)式聯(lián)合作業(yè)，以雙軸旋轉(zhuǎn)耕作部件為載體的雙軸旋耕機(jī)[1-2]、雙軸滅茬機(jī)[3-5]及雙軸起壟（作畦）機(jī)[6-8]等耕作機(jī)械正逐步得到推廣應(yīng)用，不但可減少同一地塊反復(fù)多次作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)工問題，同時(shí)具有減少土壤壓實(shí)、降低作業(yè)能耗等優(yōu)勢[9]，需求量在逐年上升。

耕作機(jī)械作業(yè)性能通常受土壤條件、自身的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)等因素綜合影響，為尋求最佳的作業(yè)質(zhì)量，一般需先進(jìn)行多因素多水平的土壤—機(jī)械系統(tǒng)交互試驗(yàn)研究?？紤]到天氣、土壤環(huán)境、降低設(shè)計(jì)周期及成本、減少設(shè)計(jì)返工次數(shù)等因素，交互試驗(yàn)手段/工具主要有土槽和田間試驗(yàn)臺架。其中土槽試驗(yàn)臺架占多數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同主要分為直線型[10-11]和旋轉(zhuǎn)型[12-13]兩大類，國內(nèi)外一些科研院所已研發(fā)出不同功能及規(guī)模的土槽試驗(yàn)臺，此類臺架多為室內(nèi)固定，可重復(fù)性強(qiáng)，但因土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)等與田間土壤有差異性，土槽試驗(yàn)結(jié)果并不能完全反映田間測試的結(jié)果，且可移動(dòng)性差、運(yùn)行維護(hù)成本高；田間試驗(yàn)臺架占少數(shù)，真實(shí)度高、開放性好，但功能專用性較強(qiáng)。國內(nèi)外學(xué)者借助上述兩類平臺，已開展了旋耕、犁耕等性能測試研究，并取得了大量研究成果[14-19]，如Gebregziabher等[14]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式田間原位土槽試驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)犁翻耕作阻力、速度及深度的實(shí)時(shí)在線測量；高建民等[18]利用室內(nèi)土壤試驗(yàn)臺架開展了斜置潛土逆轉(zhuǎn)旋耕拋土性能試驗(yàn)等，但目前都僅適用于單軸旋耕或犁耕機(jī)械測試，對于雙軸旋轉(zhuǎn)型耕作機(jī)械適用度較差。

雙軸旋轉(zhuǎn)耕作機(jī)械測試平臺研究方面，目前國內(nèi)外僅有少數(shù)學(xué)者開展了研究，李永磊等[4]基于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)了雙軸旋耕部件試驗(yàn)裝置，研究了秸稈前旋耕、后粉碎雙刀輥以及兩個(gè)刀輥單獨(dú)作業(yè)的三種工作模式功耗特性。胡建平等[1]在雙軸旋耕滅茬機(jī)上安裝無線扭矩測試分析系統(tǒng)，測定了旋耕滅茬雙刀輥工作過程中的作業(yè)能耗特性。由此可見，現(xiàn)有雙軸旋轉(zhuǎn)耕作測試平臺中兩刀軸相對間距及轉(zhuǎn)速比都無法根據(jù)不同耕作功能需求的不同進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，兩刀輥單獨(dú)作業(yè)功耗測定較難，且目前針對雙軸旋耕碎土特性測試平臺研究方面未見報(bào)道。

因此，本文通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)一臺集前軸正轉(zhuǎn)拋土、后軸反轉(zhuǎn)碎土功能于一體的雙軸旋耕碎土試驗(yàn)臺架，在此基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)蔬菜地精細(xì)分層壟作的雙軸型起壟機(jī)[20]用關(guān)鍵耕作部件—雙軸旋耕碎土部件為測試對象，開展雙軸分層旋耕碎土試驗(yàn)研究，分析各參數(shù)對雙軸分層耕作作業(yè)性能的影響主次關(guān)系，并以提高分層耕作質(zhì)量和降低作業(yè)能耗為雙目標(biāo)，尋求旋耕碎土部件的最優(yōu)參數(shù)組合，以期為雙軸起壟機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

傳統(tǒng)的土槽試驗(yàn)臺車僅可實(shí)現(xiàn)對單個(gè)刀軸的運(yùn)動(dòng)控制，無法實(shí)現(xiàn)雙軸運(yùn)動(dòng)的單獨(dú)控制；而且雙軸間的空間位置關(guān)系無法實(shí)現(xiàn)在線無級變換，對雙軸旋轉(zhuǎn)組合耕作部件性能測試針對性和實(shí)用性不強(qiáng)。為此，本試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)簡單、移動(dòng)方便、參數(shù)調(diào)整快速等要求為目標(biāo)，對雙軸間空間位置、轉(zhuǎn)速比等參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對整機(jī)及旋耕、碎土刀輥的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率等多項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

雙軸旋耕碎土試驗(yàn)臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由機(jī)架、旋耕刀軸調(diào)速裝置、旋耕刀輥、碎土刀軸位置調(diào)節(jié)裝置、碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)、碎土刀輥及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。整個(gè)試驗(yàn)臺采用牽引式結(jié)構(gòu)形式，可自由更換動(dòng)力，通過三點(diǎn)懸掛支架掛接于拖拉機(jī)后方，隨著拖拉機(jī)的行走完成雙軸分層旋耕碎土作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行田間功耗測試。旋耕刀輥位于機(jī)架的前方，為低速正轉(zhuǎn)刀軸；碎土刀輥位于機(jī)架的后方，為高速反轉(zhuǎn)刀軸，如圖1b所示，兩者上下錯(cuò)位布置、聯(lián)合作業(yè)完成土壤的分層耕作。前置旋耕刀軸相對機(jī)架位置固定，后置碎土刀軸相對機(jī)架位置浮動(dòng)，即相對前置旋耕刀軸可實(shí)現(xiàn)前后、上下相對空間位置的調(diào)節(jié)，以此達(dá)到雙軸相對空間位置關(guān)系可變的目的。試驗(yàn)臺整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺主要參數(shù)

整機(jī)通過帶扭矩傳感器萬向節(jié)與拖拉機(jī)PTO輸出軸進(jìn)行連接，將動(dòng)力接入至主傳動(dòng)軸；然后動(dòng)力一方面經(jīng)旋耕刀軸調(diào)速裝置（含雙檔變速箱和側(cè)邊齒輪箱等）驅(qū)動(dòng)前置旋耕刀輥對深層土壤進(jìn)行初次旋拋?zhàn)鳂I(yè)；另一方面動(dòng)力通過碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)（含增速齒輪箱、液壓泵、手動(dòng)換向閥等）驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)進(jìn)行工作，繼而帶動(dòng)碎土刀輥進(jìn)行前置拋起土垡的二次旋轉(zhuǎn)破碎作業(yè)。上述傳動(dòng)方式中帶扭矩傳感器萬向節(jié)不但為力矩傳動(dòng)裝置，而且為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，在線監(jiān)測整個(gè)試驗(yàn)臺扭矩及功耗參數(shù)；旋耕刀軸調(diào)速裝置通過雙檔變速箱可實(shí)現(xiàn)兩級調(diào)速，碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)通過節(jié)流液壓閥可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)；同時(shí)液壓馬達(dá)與碎土刀軸之間也安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，可隨時(shí)在線監(jiān)測碎土刀輥的扭矩及功耗參數(shù)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 碎土刀軸位置調(diào)節(jié)裝置

2.1.1 兩刀軸間相對空間位置工作范圍

為實(shí)現(xiàn)兩刀軸的前后、上下相對空間位置可調(diào)，首先需確定出兩刀軸間相對空間位置工作范圍，如圖2所示，前置旋耕刀輥選用IS225型旋耕刀片，刀片排布方式為雙螺旋線排列，其中軸向相鄰?fù)虻兜穆菪菫?2°；軸向同一截面上安裝二刀的夾角為180°，總數(shù)量30片，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向；碎土刀輥為中空滾筒外均勻密布碎土刀齒的結(jié)構(gòu)，為提高刀齒的布置密度和受力均勻性，刀齒采用對稱的多行平行排列方式安裝，排布行數(shù)為5、相鄰兩刀齒的齒間距為90 mm，碎土刀輥回轉(zhuǎn)半徑2取為205 mm，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。

注：r1為旋耕刀片回轉(zhuǎn)半徑，mm；r2為碎土刀輥回轉(zhuǎn)半徑，mm；rc為碎土刀輥刀齒的徑向工作長度，mm；h1為旋耕作業(yè)深度，mm；h2為碎土作業(yè)深度，mm；ΔL為兩刀軸水平間距，mm；ΔH為兩刀軸垂直間距，mm。

由圖2可知，假設(shè)在旋耕刀軸的中心處建立笛卡爾坐標(biāo)系，碎土刀軸相對旋耕刀軸可左右或上下移動(dòng)，在水平方向上當(dāng)碎土刀軸向左運(yùn)動(dòng)至無限接近旋耕刀軸，兩者間應(yīng)留有一定距離的安全間隙，同時(shí)當(dāng)碎土刀軸向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)在旋耕拋土最遠(yuǎn)行程范圍內(nèi)，即水平方向上需滿足

在垂直方向上，當(dāng)碎土刀軸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)在旋耕拋土最高行程范圍內(nèi)，同時(shí)當(dāng)碎土刀軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其碎土刀齒的徑向工作長度應(yīng)不低于前置旋耕作業(yè)后理論碎土深度值，即垂直方向上需滿足

式中l和h分別為旋耕刀片后拋土最高點(diǎn)的水平距離值和垂直距離值，根據(jù)已有旋耕單刀拋土模型的研究結(jié)果，此處分別取190 mm和180 mm[21-22]；r為旋耕刀片和碎土刀齒間的安全工作距離，考慮到旋耕作業(yè)后土垡塊徑通常為20～40 mm，為避免旋耕刀片與碎土刀齒間壅土，且對土垡塊有一定的破碎作用，此處取30 mm；r為碎土刀齒徑向工作長度，取80 mm；1為旋耕作業(yè)深度，取120 mm。通過公式（1）和（2）計(jì)算可得出兩軸水平間距Δ范圍為460～620 mm，垂直間距Δ范圍為20～180 mm。

2.1.2 碎土刀軸位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

基于兩刀軸間相對空間位置工作范圍的計(jì)算，設(shè)計(jì)了碎土刀軸位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖3a所示，包含上絲杠、搖桿、下絲杠及活動(dòng)方板等部件，其中搖桿、下調(diào)節(jié)手柄、下絲杠及活動(dòng)方板為一組合機(jī)構(gòu)，共設(shè)置兩套，沿著碎土刀軸向中心左右對稱分布；上絲杠外套管與機(jī)架鉸接，螺桿的下端部與搖桿上端鉸接；下絲杠上安裝有兩個(gè)外套管，左側(cè)和右側(cè)外套管分別與搖桿、活動(dòng)方板焊接于一體，其中左側(cè)外套管與搖桿的焊接點(diǎn)與搖桿下端鉸接點(diǎn)位于同一豎直線上，該豎直線與下絲杠垂直設(shè)置；碎土刀輥兩端分別與活動(dòng)方板固定連接。

工作時(shí)，搖動(dòng)上調(diào)節(jié)手柄帶動(dòng)上絲杠的伸長與收縮動(dòng)作，從而帶動(dòng)搖桿的左右擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)焊接于搖桿上的下絲杠及活動(dòng)方板的上下運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)碎土刀軸上下位置的調(diào)節(jié)；在此基礎(chǔ)上，搖動(dòng)下調(diào)節(jié)手柄可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)方板左右位置的調(diào)節(jié)，結(jié)合碎土刀輥兩側(cè)中空的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩活動(dòng)方板中的碎土刀軸可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)位置的任意調(diào)節(jié)。

式中l為鉸接點(diǎn)與下絲杠上間的距離，mm。

則扇形中弧長S為

通過解析法和作圖法相結(jié)合，對位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，確定出各桿件長度1= 135 mm，2= 310 mm，3= 130 mm，6= 200 mm，1= 45°。由公式（3）計(jì)算可知l= 308.45 mm，又因公式（4）中S要滿足上述兩刀軸間空間工作位置范圍，即S≥160 mm，求解出2≥29.72°，Δ1≥183.7 mm。因碎土刀軸左右位置調(diào)節(jié)靠下絲杠調(diào)節(jié)，Δ2≥160 mm，故而上、下絲杠皆選定為M20×2.5型、有效行程200 mm的滾珠絲杠。

同理可求解得出弧長S為

式中l為鉸接點(diǎn)與下絲杠上間的距離，mm。

在上絲杠行程Δ1=200 mm的情況下，可以反求解出2=32.49°，結(jié)合Δ2=200 mm，可計(jì)算出弧長S= 263.02 mm，遠(yuǎn)大于160 mm，滿足上下行程的設(shè)計(jì)需要。

2.2 旋耕刀軸調(diào)速裝置

旋耕刀軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸（PTO）通過扭矩傳感器的萬向節(jié)將動(dòng)力傳輸至雙檔變速箱，雙檔變速箱的輸出軸經(jīng)側(cè)傳動(dòng)齒輪副將動(dòng)力傳遞至旋耕刀軸上，以驅(qū)動(dòng)其作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具體的動(dòng)力傳動(dòng)路線如圖5所示，則總傳動(dòng)比為

式中0為拖拉機(jī)PTO后輸出轉(zhuǎn)速，一般“大棚王”拖拉機(jī)通常PTO轉(zhuǎn)速為540 r/min；1為旋耕刀軸轉(zhuǎn)速，通常旋耕轉(zhuǎn)速范圍為250～300 r/min；1為雙檔變速箱的傳動(dòng)比；2為側(cè)傳動(dòng)齒輪箱的傳動(dòng)比，此處取16/23。

通過公式（6）可知，若旋耕刀軸轉(zhuǎn)速取低速250 r/min，則1為2/3；若旋耕刀軸轉(zhuǎn)速取高速300 r/min，則1為0.798，取4/5。

1.帶扭矩傳感器萬向節(jié) 2.雙檔變速箱 3.旋耕刀輥 4.側(cè)邊傳動(dòng)齒輪副

圖5 旋耕刀軸動(dòng)力傳遞路線圖

2.3 碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)

碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)包括增速齒輪箱、液壓泵、節(jié)流閥、液壓馬達(dá)等，如圖6所示，通過拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出經(jīng)增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)液壓泵、控制閥組工作，連續(xù)供油，液壓油經(jīng)節(jié)流閥控制液壓馬達(dá)的輸入流體流量，從而控制液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度，即碎土刀軸的轉(zhuǎn)速。

為保證碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，首先需對液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥等關(guān)鍵零部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊和液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論[23-24]，經(jīng)計(jì)算可得液壓泵的流量1為79.5 L/min。根據(jù)液壓泵的容積效率曲線分析可知，其轉(zhuǎn)速3在1 800～2 000 r/min時(shí)，容積效率穩(wěn)定性最佳，故增速齒輪箱傳動(dòng)比為

由公式（7）計(jì)算可得增速箱傳動(dòng)比3為3.3～3.7，此處取中間值3.5，則液壓泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速3=1 890 r/min。

液壓泵排量公式[23]

式中1為液壓泵的容積效率，一般為0.85～0.95[23]，考慮到齒輪泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及新結(jié)構(gòu)通常效率較高，此處取0.9，由公式（8）計(jì)算可得液壓泵理論排量為46.74 mL/r，考慮到工作環(huán)境要求，液壓泵選擇2系列（高壓系列），即選型青州市榮利萊液壓配件有限公司的CBG2050型齒輪液壓泵。

在此基礎(chǔ)上，確定出液壓馬達(dá)排量為195 mL/r、扭矩理論值為434.5 N·m，同時(shí)結(jié)合性能參數(shù)選型表，選擇濟(jì)寧金佳液壓有限公司HMS-195型液壓馬達(dá)。

因碎土刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)為連續(xù)性轉(zhuǎn)動(dòng)，所以流入液壓馬達(dá)的液壓油需持續(xù)供給，根據(jù)齒輪液壓泵流量的計(jì)算可知，需要控制閥組的流量要求達(dá)79.5 L/min，故選用無錫市長力液壓成套設(shè)備有限公司的L20E-W型三位四通換向閥作為本設(shè)計(jì)的控制閥組。為滿足碎土刀軸轉(zhuǎn)速的可調(diào)節(jié)性，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置節(jié)流調(diào)速閥，以改變液壓馬達(dá)液壓油源的供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)碎土刀軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。節(jié)流閥的選型流量不得低于系統(tǒng)最大流量，即可選型調(diào)節(jié)范圍為0～125 L/min的節(jié)流閥，選用山西斯普瑞機(jī)械制造股份有限公司的FG-03-125型單向調(diào)速閥。

3 功耗測試系統(tǒng)

功耗測試系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺功能的關(guān)鍵組成部分，主要用來監(jiān)測各子系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理并記錄試驗(yàn)結(jié)果，以便后續(xù)研究分析。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)主要由控制柜、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，帶扭矩傳感器萬向節(jié)、PLC通訊模塊、采集軟件主機(jī)等組成，如圖7所示。其中轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采用南京冉控科技有限公司生產(chǎn)的BYN600型扭矩傳感器，量程0～500 N·m，精度為滿量程的±1%；帶扭矩傳感器萬向節(jié)為扭矩轉(zhuǎn)速傳感器及動(dòng)力輸出軸一體化連接方式，其中扭矩轉(zhuǎn)速傳感器采用北京中航科儀測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CKY-811型扭矩傳感器，量程0～1 000 N·m，精度為滿量程的±0.5%；PLC通訊模塊采用南大傲拓科技江蘇股份有限公司生產(chǎn)的NA2000系列PLC，控制器為CPU2001-2401標(biāo)準(zhǔn)型主站；采集軟件采用FScada V4.18.7組態(tài)軟件。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在液壓馬達(dá)與碎土刀軸之間，兩端分別采用尼龍聯(lián)軸器連接，實(shí)時(shí)測試碎土刀軸轉(zhuǎn)速及扭矩信號；帶扭矩傳感器萬向節(jié)安裝在動(dòng)力輸出軸（PTO）和增速齒輪箱動(dòng)力輸入軸之間，以測量整個(gè)臺架的轉(zhuǎn)速及扭矩信號。

3.2 測試原理

如圖8所示，測試系統(tǒng)采用工業(yè)PLC+上位機(jī)的架構(gòu)，通過上位機(jī)的編程軟件NAPro完成ZigBee參數(shù)配置，PLC擴(kuò)展有AIM2001-0802型8通道模擬量輸入模塊，用于接收整個(gè)臺架、碎土刀軸的扭矩、轉(zhuǎn)速的DC 0～20 mA電流信號；然后電流信號經(jīng)電流—電壓變換、濾波、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過光電隔離后，由模塊的微處理器讀??；其后通過高速內(nèi)部總線上傳控制器CPU2001-2401主站，進(jìn)而通過自帶的以太網(wǎng)接口，將測試數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。測試時(shí)，上位機(jī)與控制器主站連接正常后，調(diào)整碎土刀軸位置及轉(zhuǎn)速參數(shù)，而后開始旋耕碎土聯(lián)合作業(yè)，同時(shí)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器采集信號，并將信號傳輸至上位機(jī)電腦里的FScada組態(tài)軟件，進(jìn)行每秒一次的扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、存儲及匯總分析。

3.3 功耗測試系統(tǒng)標(biāo)定

為準(zhǔn)確獲知旋耕碎土作業(yè)過程中的總功耗，作業(yè)前需對帶扭矩傳感器萬向節(jié)中扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

3.3.1 扭矩標(biāo)定

因拖拉機(jī)PTO通常轉(zhuǎn)速為540 r/min，屬于低頻載荷工況，故行業(yè)通行做法是利用靜態(tài)標(biāo)定替代動(dòng)態(tài)標(biāo)定[25]。CKY-811型扭矩傳感器由北京中航科儀測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)，該產(chǎn)品出廠時(shí)已進(jìn)行了0～1 000 N·m范圍內(nèi)的靜態(tài)標(biāo)定，通過順時(shí)針加載測試3次，取平均值，具體標(biāo)定結(jié)果如表2所示，在0～1 000 N·m范圍內(nèi)，系統(tǒng)測試值與設(shè)定扭矩值間的最大誤差為0.38%，即可精準(zhǔn)測定PTO軸工作扭矩。

表2 扭矩標(biāo)定結(jié)果

3.3.2 轉(zhuǎn)速標(biāo)定

因“大棚王”拖拉機(jī)PTO檔位設(shè)定有三檔，通常工作轉(zhuǎn)速為低速擋（540 r/min），故而轉(zhuǎn)速標(biāo)定試驗(yàn)也采用該檔位。標(biāo)定時(shí)將低速檔位固定，通過調(diào)節(jié)油門來使得PTO變速，一方面通過光學(xué)轉(zhuǎn)速測量儀（德圖testo 460型）測定PTO實(shí)際轉(zhuǎn)速值，另一方面通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)測定。具體的標(biāo)定結(jié)果如表3所示，可以看出兩種測試方法所得轉(zhuǎn)速值的最大誤差為0.081 3%，表明可精準(zhǔn)測量PTO工作轉(zhuǎn)速。

因此，功耗測試系統(tǒng)測量精度高，測試結(jié)果合理，能夠準(zhǔn)確測量PTO輸出軸扭矩及轉(zhuǎn)速信號，從而證明試驗(yàn)臺性能測試所得結(jié)果是科學(xué)可行的。

表3 轉(zhuǎn)速標(biāo)定結(jié)果

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

2020年11月在南京市江寧區(qū)谷里現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園對試驗(yàn)臺進(jìn)行了田間耕作試驗(yàn)（圖9），其一為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺作業(yè)可靠性，其二是利用該平臺優(yōu)化獲取雙刀輥?zhàn)罴严鄬ξ恢眉斑\(yùn)動(dòng)參數(shù)組合。試驗(yàn)器材主要有魯中654型“大棚王”拖拉機(jī)、秒表、卷尺、電子秤、土壤篩、土壤水份測量儀、土壤堅(jiān)實(shí)度儀等。試驗(yàn)場所為單體塑料大棚內(nèi)，大棚尺寸為長120 m×寬8 m；試驗(yàn)土壤類型為黏土，土壤平均含水率為13.7%，容重為1 030 kg/m3，堅(jiān)實(shí)度平均值179.6 kPa。

試驗(yàn)前先進(jìn)行土壤準(zhǔn)備工作，提前3 d把試驗(yàn)田塊上的殘留尾菜及秸稈清理出大棚，并人工將地面進(jìn)行整平。作業(yè)時(shí)試驗(yàn)臺由“大棚王”拖拉機(jī)通過動(dòng)力輸出軸以540 r/min的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，旋耕刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)為低速（250 r/min）檔位，機(jī)組以3 km/h速度勻速前進(jìn)，盡量保持直線行駛，前置旋耕刀輥耕作深度設(shè)定為150 mm，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)表順序依次進(jìn)行各組試驗(yàn)，每次作業(yè)長度為25 m。試驗(yàn)過程中，上位機(jī)按時(shí)間順序依次記錄下每組試驗(yàn)的扭矩值，而后計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)的平均扭矩值。

4.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

4.2.1 試驗(yàn)因素選擇

通過前期單因素試驗(yàn)觀察和理論分析，影響機(jī)組作業(yè)功耗及作業(yè)質(zhì)量的主要因素有兩軸水平間距Δ、垂直間距Δ、碎土刀軸轉(zhuǎn)速2，其中兩軸水平間距Δ和垂直間距Δ會對旋耕拋土的土粒流拋撒位置及碰撞點(diǎn)產(chǎn)生影響，碎土刀軸轉(zhuǎn)速2會對土粒流碰撞速度產(chǎn)生影響。

4.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

動(dòng)力輸出軸功率一般為拖拉機(jī)功率的0.9，分層耕作質(zhì)量用雙刀輥?zhàn)鳂I(yè)平均功耗（以下簡稱平均功耗）和表層5 cm土層的碎土率（以下簡稱碎土率）兩個(gè)指標(biāo)來衡量。平均功耗1計(jì)算方法如下[26]

根據(jù)DB32/T 3350—2018《蔬菜機(jī)械化耕整地作業(yè)技術(shù)規(guī)范》要求[27]，作業(yè)后測定0.5 m×0.5 m面積內(nèi)的土表層以下50 mm耕層內(nèi)土塊，以小于等于20 mm的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比定義為表層5 cm土層的碎土率，每一組試驗(yàn)測定3點(diǎn)，計(jì)算3點(diǎn)的總平均值。

4.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用Design-Expert軟件，采用響應(yīng)曲面法中中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素五水平回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[28-30]，試驗(yàn)因素編碼水平如表4所示，其中零水平試驗(yàn)設(shè)定為5次，共進(jìn)行19組試驗(yàn)。

表4 試驗(yàn)因素水平

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所示。

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果

4.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert.V8.0.6.1軟件分析，平均功耗和碎土率的方差分析如表6所示。結(jié)果表明，各因素對平均功耗的影響由大到小依次為：水平間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速、垂直間距；對碎土率的影響由大到小依次為：水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速。

表6 回歸模型方差分析

注：*表示影響顯著，<0.05；**表示影響極顯著，<0.01。

Note: * indicates significant impact,<0.05; ** indicates highly significant impact,<0.01.

為尋求最優(yōu)工作參數(shù)，開展多元回歸擬合分析，建立平均功耗1、碎土率2對水平間距1、垂直間距2、碎土刀軸轉(zhuǎn)速33個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如式（10）～式（11）所示。

由表6分析可知，平均功耗1、碎土率2模型的<0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項(xiàng)分別為0.276 9、0.415 5，均大于0.05，表明回歸方程擬合度高；模型決定系數(shù)2值分別為0.900 9、0.968 6，表明該模型可以擬合90%以上的試驗(yàn)結(jié)果，可以用來進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測。

各參數(shù)對回歸方程的影響作用可以通過值大小反應(yīng)，平均功耗1模型中1、3、123個(gè)回歸項(xiàng)影響都極顯著（<0.01），2、122個(gè)回歸項(xiàng)影響顯著（<0.05），13、23、22、324個(gè)回歸項(xiàng)影響不顯著（>0.05）；同理可知，碎土率2模型中1、2、12、224個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著，3、322個(gè)回歸項(xiàng)影響顯著，12、13、233個(gè)回歸項(xiàng)影響不顯著。

故而對模型1、2進(jìn)行優(yōu)化，剔除不顯著的回歸項(xiàng)，優(yōu)化得到式（12）和式（13）所示的回歸方程，通過對優(yōu)化后模型分析可知，模型1、2的值皆小于0.000 1，失擬項(xiàng)值分別為0.354 5和0.521 6，表明優(yōu)化模型可靠。

4.3.3 交互因素影響效應(yīng)分析

1）各因素對平均功耗影響分析

由圖10a可知，在碎土刀軸轉(zhuǎn)速確定的情況下，垂直間距保持一定時(shí)，平均功耗隨著水平間距的增加總體呈先降后升的趨勢，出現(xiàn)升高的原因在于前置旋耕拋土撞擊蓋板回落至碎土刀輥上二次切削引起功耗的增加；水平間距在460～540 mm區(qū)間內(nèi)隨著垂直間距增加，功耗呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)水平間距大于540 mm時(shí)，隨著垂直間距增加，功耗呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于當(dāng)兩軸水平間距小于中心水平（540 mm）時(shí)，垂直間距增加，被切削的前置旋拋土粒流減少導(dǎo)致；在水平間距為620 mm、垂直間距為20 mm時(shí)出現(xiàn)最小功耗，其原因在于兩者垂直間距較小，大部分前置旋耕土粒流在碎土刀輥上方拋出，相應(yīng)被碎土刀輥切削的土塊就變少引起的。

由圖10b可知，在垂直間距確定的情況下，碎土刀軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，平均功耗隨著水平間距的增加呈下降趨勢；水平間距一定時(shí)，平均功耗隨著碎土刀軸轉(zhuǎn)速增加呈增加趨勢，原因在于碎土刀軸轉(zhuǎn)速的增加引起土垡切削碰撞頻次的增加，導(dǎo)致功耗增大。由圖10c可知，在水平間距確定的情況下，隨著垂直間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速的增加，平均功耗總體呈上升趨勢，這是由于前置旋拋土粒流運(yùn)動(dòng)多數(shù)為上拋運(yùn)動(dòng)分布，故而垂直間距的增加有利于碎土刀輥與土粒流碰撞，從而出現(xiàn)功耗增大的現(xiàn)象。

2）各因素對碎土率影響分析

由圖11a可知，在碎土刀軸轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著水平間距和垂直間距的增加，碎土率呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)水平間距在540 mm、垂直間距在100 mm時(shí)，碎土率達(dá)最佳，這是由于過小的相對間距會導(dǎo)致前拋土粒流旋拋運(yùn)動(dòng)難以形成，造成壅土，土量增多引起碎土刀輥二次破碎不徹底導(dǎo)致；過大的相對間距會導(dǎo)致前拋土粒流與后置碎土刀輥刀齒接觸碰撞數(shù)量減少，從而導(dǎo)致碎土率降低。

由圖11b可知，在垂直間距確定的情況下，碎土刀軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著水平間距的增加碎土率呈先升后降的趨勢，水平間距過小易形成雍土，間距過大因旋拋土粒流射程有限，易導(dǎo)致土粒流與刀齒碰撞數(shù)降低，從而碎土效果下降；水平間距一定時(shí)，隨著碎土刀軸轉(zhuǎn)速的增加，碎土率呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。

由圖11c可知，在水平間距確定的情況下，碎土刀軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著垂直間距的增加，碎土率呈先升后降趨勢，這是由于垂直間距過小，碎土刀輥位于旋拋土粒流的下方，接觸碰撞少，垂直間距過大，已基本達(dá)到或超過旋拋土粒的拋物最高點(diǎn)，土粒流數(shù)量明顯減少，也會導(dǎo)致碎土率下降；垂直間距一定時(shí)，隨著碎土刀軸轉(zhuǎn)速的增加，因單位時(shí)間內(nèi)碎土頻次的增加，使得碎土率呈現(xiàn)緩慢增大的變化趨勢。

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為了使分層耕作性能達(dá)到最佳，以降低平均功耗和提升碎土率為優(yōu)化目標(biāo)，對試驗(yàn)中的影響因素進(jìn)行優(yōu)化。其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

Min1且85≤2≤100

利用Design-Expert軟件優(yōu)化模塊[27]對參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化求解，優(yōu)化后得到影響分層耕作性能各因素的最佳參數(shù)組合為：水平間距為571.3 mm、垂直間距為96.06 mm、碎土刀軸轉(zhuǎn)速為336.23 r/min，對應(yīng)平均功耗為17.34 kW，碎土率為90.83%。

4.3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化后參數(shù)模型的準(zhǔn)確性，采用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，考慮試驗(yàn)的可行性，設(shè)置水平間距為570 mm、垂直間距為96 mm、碎土刀軸轉(zhuǎn)速為340 r/min，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，對所得數(shù)值求平均值。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，平均功耗為17.92 kW，碎土率為91.65%，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與理論優(yōu)化值較接近，兩者相對誤差均小于5%，優(yōu)化結(jié)果可以作為雙軸旋耕部件設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種集前軸正轉(zhuǎn)拋土、后軸反轉(zhuǎn)碎土功能于一體的雙軸旋耕碎土田間移動(dòng)式試驗(yàn)臺，在線實(shí)現(xiàn)雙軸的相對空間位置及前后刀軸轉(zhuǎn)速比的實(shí)時(shí)調(diào)整。確定了碎土刀軸位置調(diào)節(jié)裝置和旋耕刀軸調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了液控碎土刀軸調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)臺架的轉(zhuǎn)速及扭矩信號采集、存儲及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析等多項(xiàng)功能，解決了現(xiàn)有雙軸耕作田間原位試驗(yàn)裝置缺失的難題。

2）以兩軸水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以雙刀輥?zhàn)鳂I(yè)平均功耗、表層5 cm土層的碎土率為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，使用Design-Expert 軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，結(jié)果顯示，各因素對平均功耗影響由大到小依次為水平間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速、垂直間距；各因素對碎土率影響由大到小依次為水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉(zhuǎn)速。

3）雙軸旋耕碎土部件最優(yōu)工作參數(shù)組合為水平間距為570 mm、垂直間距為96 mm、碎土刀軸轉(zhuǎn)速為340 r/min，對應(yīng)的平均功耗為17.92 kW、碎土率為91.65%，為后續(xù)雙軸起壟機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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Design of biaxial rotary tillage soil test bench and layered tillage test

Guan Chunsong1,2, Cui Zhichao1, Gao Qingsheng1, Wang Shulin2, Chen Yongsheng1※, Yang Yating1

(1.,,210014,; 2.,,212013,)

A biaxial rotary tillage machine is widely used in intelligent agriculture with ever-increasing demands in recent years in China, such as biaxial rotary tiller, biaxial stubble cutter, and biaxial ridging machine, because of its high operation efficiency, less soil compaction, and low energy consumption. A test bench is mostly utilized to simulate the field condition for the rotary tillage machinery, in order to reduce the rework times for higher design efficiency. Much effort has been made to explore the technology and theory of rotary tillage machines, especially commonly-used linear- and rotary-type indoor test benches. But there are still some limitations in these kinds of test bench at present, such as low universality, only suitable for a single axis rotary tillage test. Meanwhile, most test benches are fixed indoor installation covering a large area with low mobility and reliability. As such, the indoor test using remolded soil is difficult to reflect the real environment of operation sites. Therefore, it is highly demanding for a new test device to improve the performance of biaxial rotary tillage machines, according to the fundamental theory of single axis rotary tillage. In this study, a field mobile test bench was proposed to perform the throwing soil with the forward rotary blade roller, with the crushing soil with the backward crushing roller. These operations aimed to meet the high agronomic requirements of vegetable layered tillage, where the topsoil was fine soil, while the subsoil contained some large soil particles. A prototype of a biaxial ridge machine was then designed, together with the key components, to realize the real-time adjustment of relative space distance of two shafts, as well as the rotation speed ratio of front-rear roller shafts. A theoretical analysis was made on the working range of relative spatial position between two roller shafts, the structural parameters for the position adjustment device in the crushing roller shaft, and the motion parameters for the rotary speed adjustment device in the rotary blade shaft. A selection was completed on the hydraulic pump, motor, and valve, as well as on the torque sensor, PLC communication module, and data acquisition software. A detailed description was given on the working principle, test and data acquisition process of the whole machine. A central composite experimental design was adopted to improve the working quality of layered tillage, while reducing the energy consumption. A three-factor and five-level response surface experiment was conducted, where three influencing factors were taken as the horizontal and vertical distance between two shafts, as well as the shaft rotation speed of soil crushing roller, whereas, two indicators were set as the average power consumption, and the breakage ratio of soil at the top soil layer of 5 cm. Design-Expert software was then selected to analyze the test data. A regression model was established to clarify the significant correlation between each factor and indicator, aiming to comprehensively optimize the influencing factors. The results showed that three determinants were ranked in the order of horizontal distance between two shafts, vertical distance between two shafts, rotating speed of crushing roller shaft, in terms of impact on average power consumption, whereas, the determinants were ranked in the order of horizontal distance between two shafts, rotating speed of crushing roller shaft, vertical distance between two shafts, in terms of impact on the ratio of soil breakage. An optimal combination of work parameters was achieved as bellow: the average power consumption was 17.92 kW, and the ratio of soil breakage was 91.65%, particularly when the horizontal and vertical distances between two shafts were 570, and 96 mm, respectively, and the rotating speed of crushing roller shaft was 340 r/min. Specifically, the relative error between property indices was less than 5%, compared with the theoretical optimization and the valid test, indicating that the established model was expected to serve as the subsequent prediction and optimization. Meanwhile, the test data demonstrated that the developed test bench of biaxial rotary tillage was reasonable, while meeting the needs of multi factor and multi-level tests. The finding can provide a new potential test for the optimization design of similar components in the biaxial rotary tillage.

agricultural machinery; tillage; test bench; biaxial; power consumption test; parameters optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004

S222

A

1002-6819(2021)-10-0028-10

管春松，崔志超，高慶生，等. 雙軸旋耕碎土試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與分層耕作試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(10)：28-37.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004 http://www.tcsae.org

Guan Chunsong, Cui Zhichao, Gao Qingsheng, et al. Design of biaxial rotary tillage soil test bench and layered tillage test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 28-37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004 http://www.tcsae.org

2021-02-01

2021-04-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1000300）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目（4091600020）；江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（蔬菜）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（JATS（2020）457）

管春松，助理研究員，博士，研究方向?yàn)槭卟松a(chǎn)機(jī)械。Email：cs.guan@163.com

陳永生，研究員，研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)廢棄物處理裝備。Email：cys003@sina.com