免耕播種機(jī)鎮(zhèn)壓力精準(zhǔn)調(diào)控研究*

耿元樂，鐘曉康，王憲良，張祥彩，魏忠彩，吳棟

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000； 2. 山東勝利鋼管有限公司，山東淄博，255080)

0 引言

精準(zhǔn)鎮(zhèn)壓是實(shí)現(xiàn)種子—土壤良好接觸，保證作物出苗時間、出苗率及苗期關(guān)鍵生長參數(shù)的重要環(huán)節(jié)，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度過大或過小都會對作物的生長造成負(fù)面影響[1-2]。玉米免耕播種具有預(yù)防土壤板結(jié)、增強(qiáng)玉米根系與土壤的固結(jié)能力、提升玉米抗倒伏能力等優(yōu)點(diǎn)[3-6]，但同時由于常年不動土，存在土壤硬度大、地表不平整等問題，導(dǎo)致玉米免耕播種作業(yè)過程中開溝器破土產(chǎn)生的土塊較大，鎮(zhèn)壓效果差等問題。因此，深入分析播種機(jī)鎮(zhèn)壓裝置，提供精準(zhǔn)可調(diào)動的鎮(zhèn)壓強(qiáng)度，對提高播種性能，推廣免耕播種機(jī)具有重要意義。

目前國內(nèi)外關(guān)于播種機(jī)鎮(zhèn)壓方面的研究主要集中在鎮(zhèn)壓裝置的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計和防黏附方面[7]。在鎮(zhèn)壓輪的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計研究方面，佟金等[8]研制了一種凸齒鎮(zhèn)壓裝置，該裝置在作業(yè)時可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)地表形貌的加工，提高作業(yè)后地表的蓄水能力。張小麗[9]設(shè)計了一種籠型鎮(zhèn)壓輪，有效避免了作業(yè)過程中的打滑現(xiàn)象。郭慧等[10]設(shè)計了一種兼具覆土和鎮(zhèn)壓功能的覆土鎮(zhèn)壓器，解決了覆土及鎮(zhèn)壓作業(yè)穩(wěn)定性不佳的問題。趙淑紅等[11]設(shè)計了一種適應(yīng)于丘陵地區(qū)的雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置，解決了丘陵地區(qū)傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置橫向鎮(zhèn)壓不均勻的問題。賈洪雷等[12]研究了一種仿形彈性鎮(zhèn)壓輥，解決了鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中的縱向和橫向仿形問題。在鎮(zhèn)壓裝置防黏附的研究方面，劉宏俊等[13]設(shè)計了一種基于刮削與振動的機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置。Jia等[14-15]結(jié)合蚯蚓的體表幾何特征，設(shè)計了一種橡膠凸起式的鎮(zhèn)壓輥減粘防滑結(jié)構(gòu)。陳海濤等[16]以超高分子量聚乙烯防粘材料和仿生學(xué)理論為基礎(chǔ)，在鎮(zhèn)壓圓盤觸土表面設(shè)計了一種防粘結(jié)構(gòu)。以上對鎮(zhèn)壓裝置的研究主要集中在對鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)和功能上的改進(jìn)研究，對鎮(zhèn)壓裝置施加鎮(zhèn)壓力的精準(zhǔn)調(diào)控方面研究較少。

因此，為了實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)壓力的精準(zhǔn)調(diào)控從而提高播種性能，本文設(shè)計了一種基于橡膠撓曲變形傳力的鎮(zhèn)壓力控制裝置，既保證了足夠的鎮(zhèn)壓力，又能夠?qū)崿F(xiàn)鎮(zhèn)壓力的精準(zhǔn)施加。同時通過workbench仿真和土槽試驗(yàn)研究橡膠扭轉(zhuǎn)角度、作業(yè)速度和土壤含水率3個因素對鎮(zhèn)壓效果的影響，并尋找最優(yōu)參數(shù)組合。

1 鎮(zhèn)壓裝置組成和工作原理

該機(jī)構(gòu)主要由鎮(zhèn)壓輪、柔性傳力裝置、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和機(jī)架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。柔性傳力裝置由金屬外殼、空心內(nèi)方管和柔性橡膠桿組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。柔性傳力裝置通過夾具安裝于免耕播種機(jī)上。

圖1 精準(zhǔn)施力鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 柔性傳力裝置結(jié)構(gòu)示意圖

對傳統(tǒng)的拉簧式鎮(zhèn)壓力提供裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了一種柔性傳力裝置來代替拉簧傳力。進(jìn)行播種作業(yè)前，通過換擋桿調(diào)節(jié)支撐軸的初始扭轉(zhuǎn)角度，提供初始鎮(zhèn)壓力。鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置的擋位對應(yīng)支撐軸的不同扭轉(zhuǎn)角度，量化鎮(zhèn)壓強(qiáng)度。柔性傳力裝置的殼體固定在鎮(zhèn)壓輪臂上，支撐軸固定在機(jī)架上。支撐軸通過軸承與機(jī)架相連，實(shí)現(xiàn)支撐軸的扭轉(zhuǎn)和支撐功能。將鎮(zhèn)壓輪與播種單體之間的連接方式由鉸接設(shè)計為柔性材料填充的連接方式。由傳統(tǒng)的彈簧提供拉壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝圆牧咸峁┡まD(zhuǎn)力，通過擠壓柔性橡膠桿產(chǎn)生的彎矩能夠提供更大的鎮(zhèn)壓力，同時使鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定。

在作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓輪在縱向上可以隨著地形的變化做起伏運(yùn)動，帶動柔性傳力裝置殼體繞支撐軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，鎮(zhèn)壓過程如圖3所示。初始鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)至預(yù)定強(qiáng)度后，經(jīng)平整地表時為狀態(tài)2所示，當(dāng)鎮(zhèn)壓輪在狀態(tài)2經(jīng)凸起地表時，鎮(zhèn)壓輪繞中心O逆時針旋轉(zhuǎn)至狀態(tài)1，當(dāng)鎮(zhèn)壓輪在狀態(tài)2經(jīng)凹陷地表時，鎮(zhèn)壓輪繞中心O順時針旋轉(zhuǎn)至狀態(tài)3，其中θ′為柔性傳力裝置的扭轉(zhuǎn)角度。

圖3 鎮(zhèn)壓過程示意圖

2 鎮(zhèn)壓作業(yè)機(jī)理分析

2.1 柔性傳力裝置受力分析

播種作業(yè)時，提供初始鎮(zhèn)壓力后，鎮(zhèn)壓輪受到土壤的反作用力使柔性傳力裝置整體有逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢。當(dāng)土壤對鎮(zhèn)壓輪的反作用力產(chǎn)生的力矩大于空心內(nèi)方管與柔性橡膠桿之間的靜摩擦力產(chǎn)生的力矩時，根據(jù)彈性力學(xué)原理，內(nèi)方管將發(fā)生扭轉(zhuǎn)，柔性傳力裝置的扭轉(zhuǎn)角度在0°～30°范圍變化。柔性橡膠桿的形變量增大，其與空心內(nèi)方管之間的滑動摩擦力將逐漸增加。取鎮(zhèn)壓裝置將逆時針轉(zhuǎn)動瞬時進(jìn)行受力分析，空心內(nèi)方管的受力情況如圖4所示。

圖4 內(nèi)方管受力分析圖

根據(jù)圖4的受力分析,當(dāng)四根柔性橡膠桿均勻?qū)ΨQ分布時，柔性橡膠桿對內(nèi)方管的壓力、摩擦力和力臂均相等[17]。圖4中，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為柔性橡膠桿對內(nèi)方管四個面的壓力，f1、f2、f3、f4分別為柔性橡膠桿與內(nèi)方管之間的摩擦力。fy1為內(nèi)方管壁面到軸心O的力臂。建立4根柔性橡膠桿對內(nèi)方管4個壁面上的壓力和摩擦力的力學(xué)方程。

(1)

由圖4和式(1)可知，當(dāng)鎮(zhèn)壓輪有逆時針轉(zhuǎn)動趨勢時，內(nèi)方管受柔性橡膠桿的壓力、摩擦力大小均相同且壓力、摩擦力的合力均為0，內(nèi)方管所受的壓力合力矩為0。內(nèi)方管所受的滑動摩擦力產(chǎn)生的力矩是阻礙鎮(zhèn)壓輪逆時針轉(zhuǎn)動的主要因素，也是提供鎮(zhèn)壓力的直接方式。內(nèi)方管對軸心O的力矩Mh是4根柔性橡膠桿與內(nèi)方管壁面間力矩之和，即

Mh=4M=4(fy1f1+fy1f2+fy1f3+fy1f4)

(2)

由式(2)可知，摩擦力的大小是影響扭矩大小的關(guān)鍵因素，增大內(nèi)方管的扭轉(zhuǎn)角度，內(nèi)方管壁所受的壓力增加，內(nèi)方管壁與柔性橡膠桿之間的摩擦力也相應(yīng)增大。故增大內(nèi)方管扭轉(zhuǎn)角度，可降低鎮(zhèn)壓輪逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢，增加鎮(zhèn)壓力。

綜合考慮播種單體整機(jī)結(jié)構(gòu)、鎮(zhèn)壓輪布局及鎮(zhèn)壓強(qiáng)度要求，確定柔性傳力裝置金屬外殼的邊長為45 mm，長度為100 mm的結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)方管選用邊長為24 mm，長度為100 mm的結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)幾何關(guān)系，加裝在金屬外殼和內(nèi)方管之間的柔性橡膠桿直徑為22 mm，長度為100 mm。

2.2 鎮(zhèn)壓輪受力分析

播種作業(yè)時，鎮(zhèn)壓輪與土壤的相互作用關(guān)系如圖5所示，圖中dQ為ABC觸土面C點(diǎn)對應(yīng)的微小段對鎮(zhèn)壓輪的抗壓力，x為B點(diǎn)的x軸坐標(biāo)值，dx為B點(diǎn)對應(yīng)的微小段沿x軸方向的微位移，ABC為觸土面，θ為位移x對應(yīng)的圓心角，G為鎮(zhèn)壓輪的重力，M為柔性傳力裝置施加給鎮(zhèn)壓輪的力矩，L為鎮(zhèn)壓輪心與柔性傳力裝置支撐軸的橫向距離，v為作業(yè)速度，ω為角速度。

圖5 鎮(zhèn)壓輪受力分析圖

dQ=pBds

(3)

式中：B——剛性鎮(zhèn)壓輪寬度；

p——土壤抗壓強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度p受到土壤含水率、土壤容重、作業(yè)速度等因素的影響。

土壤的總抗壓力

(4)

又因?yàn)閐x=cosθds，x1為C點(diǎn)的x軸坐標(biāo)軸，所以土壤的總抗壓力

(5)

鎮(zhèn)壓輪受到的載荷

(6)

鎮(zhèn)壓輪受到的載荷與土壤的總抗壓力大小相等，由此可得式(7)、式(8)。

(7)

(8)

由式(8)建立柔性傳力裝置產(chǎn)生的扭矩與鎮(zhèn)壓力的關(guān)系，同時可得到柔性傳力裝置提供鎮(zhèn)壓力又受到土壤條件的影響，土壤相關(guān)參數(shù)對鎮(zhèn)壓效果的影響規(guī)律有必要通過試驗(yàn)進(jìn)一步確定。

1) 寬度。鎮(zhèn)壓輪寬度決定著鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量。在載荷一定的情況下，鎮(zhèn)壓輪寬度過小，容易造成局部鎮(zhèn)壓強(qiáng)度過大，鎮(zhèn)壓寬度過大，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度不夠，不能滿足作物生長要求。本研究主要針對玉米免耕播種作業(yè)，按照《農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊》相關(guān)要求，選擇鎮(zhèn)壓輪寬度B=180 mm。

2) 直徑。鎮(zhèn)壓輪直徑與作業(yè)性能有著很大的關(guān)系。當(dāng)前進(jìn)速度和載荷一定時，若鎮(zhèn)壓輪直徑過小，鎮(zhèn)壓時間短，對土壤的鎮(zhèn)壓不夠；若鎮(zhèn)壓輪直徑過大，影響機(jī)器工作的穩(wěn)定性，故在保證工作穩(wěn)定性和作業(yè)性能的前提下，結(jié)合農(nóng)藝要求，選擇鎮(zhèn)壓輪直徑D=400 mm。

3) 鎮(zhèn)壓輪類型。剛性鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)簡單，壓力分布均勻，能夠滿足農(nóng)藝要求。

2.3 作業(yè)阻力分析

鎮(zhèn)壓作業(yè)時，作業(yè)阻力由前進(jìn)阻力、推土阻力和粘附阻力三部分組成[18]。由于形成土壤粘附的因素較多且復(fù)雜，無法用合適的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，因此在研究過程中重點(diǎn)分析前進(jìn)阻力和推土阻力。查閱文獻(xiàn)[19]和圖5可確定前進(jìn)阻力F1和推土阻力F2。

(9)

(10)

其中

式中：Nc1、Nγ——太沙基承接能力系數(shù)；

Z1——土壤下陷量；

φ——土壤內(nèi)摩擦角；

c1——土壤內(nèi)聚力；

γ——土壤密度；

k——土壤模量；

n——土壤變形指數(shù)。

鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓過程中的作業(yè)阻力

F3=F1+F2

(11)

由圖5和式(9)可知，前進(jìn)阻力F1與結(jié)構(gòu)參數(shù)、土壤條件、前進(jìn)速度和載荷有關(guān)；由式(10)可知，推土阻力F2主要與土壤條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。故確定前進(jìn)阻力F1和推土阻力F2的合力(作業(yè)阻力F)與結(jié)構(gòu)參數(shù)、土壤條件、前進(jìn)速度和載荷等均有關(guān)系，而具體的影響規(guī)律需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

3 柔性傳力裝置扭曲角度與鎮(zhèn)壓力關(guān)系標(biāo)定

3.1 柔性傳力裝置有限元仿真模型建立

在ANSYS-workbench軟件中進(jìn)行三維有限元建模。橡膠材料本身的非線性彈性特性，仿真采用Mooney-Rivlin模型[20]，應(yīng)變能函數(shù)如式(12)所示。

U=C10(I1-3)+C01(I2-3)+1/D1(J-1)2

(12)

式中：U——應(yīng)變能密度；

I1、I2——1階和2階應(yīng)變不變量；

C10、C01——試驗(yàn)得到的材料常數(shù)；

D1——材料常數(shù)，與材料的壓縮性相關(guān)；

J——體積比。

橡膠桿材料參數(shù)：C10=0.921 96 MPa，C01=0.230 49 MPa。將金屬部件視為剛體。金屬零件的物理參數(shù)設(shè)置為E=2.06×1011Pa，泊松比u=0.33。建立45 mm×45 mm×100 mm的金屬外殼和27 mm×27 mm×105 mm的中心軸，金屬外殼和中心軸之間對稱填充4個柔性橡膠桿，網(wǎng)格單元類型采用Solid186，得到4 992 個單元(Elements)、23 272個節(jié)點(diǎn)(Nodes)，生成柔性傳力裝置三維有限元模型，如圖6所示。

圖6 柔性傳力裝置仿真分析模型

三維模型建立，對所建的三維模型添加接觸條件和約束條件。接觸類型選擇綁定(Bonded)，在接觸表面定義接觸單元TARGE170和CONTA174，忽略兩者之間的相互移動，定義接觸時的金屬面為目標(biāo)面，橡膠面為接觸面。將柔性鎮(zhèn)壓裝置的金屬外殼采用遠(yuǎn)程位移固定6個自由度，給柔性鎮(zhèn)壓裝置的中心軸采用遠(yuǎn)程位移施加20°的繞z軸旋轉(zhuǎn)。

3.2 有限元仿真結(jié)果分析

根據(jù)有限元仿真求解處理，得到柔性傳力裝置的扭矩變化曲線。為了驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)仿真結(jié)果的有效性，根據(jù)剛度特性試驗(yàn)的要求，搭建了試驗(yàn)平臺。測試設(shè)備包括CSC88020測試系統(tǒng)、柔性傳力裝置、位移傳感器、力傳感器等支撐設(shè)備。得到柔性傳力裝置扭轉(zhuǎn)角度和位移的關(guān)系曲線如圖7所示。兩組數(shù)據(jù)的誤差均小于10%，驗(yàn)證了仿真的可靠性。

根據(jù)試驗(yàn)得到的扭轉(zhuǎn)曲線，采用三次項(xiàng)擬合方程，得到橡膠扭轉(zhuǎn)角度與扭矩的關(guān)系，如式(13)所示。R2為0.997，表明其擬合程度較高。

M=0.328 3θ′3-1.1θ′2+13.222θ′-12.554

(13)

圖7 柔性傳力裝置扭轉(zhuǎn)角度與扭矩關(guān)系曲線

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證免耕播種機(jī)柔性鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)裝置的工作性能和設(shè)計參數(shù)的可靠性，2021年10月在山東理工大學(xué)基地進(jìn)行土槽試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器與設(shè)備包括播種單體、精準(zhǔn)施力鎮(zhèn)壓裝置、TZS-ⅡWX型土壤水分溫度測量儀、TYD-2土壤緊實(shí)度儀、土槽試驗(yàn)車等。試驗(yàn)所用土槽車為全液壓四輪驅(qū)動車，后懸掛具有液壓升降功能，最大速度可達(dá)10 km/h，所用測力裝置為六分力三向測力裝置。運(yùn)用Design-Expert軟件中Box-Behnken Design(BBD)響應(yīng)曲面設(shè)計法，找到精準(zhǔn)施力鎮(zhèn)壓裝置的作業(yè)最優(yōu)水平組合，同時驗(yàn)證精準(zhǔn)施力鎮(zhèn)壓裝置對土壤的壓實(shí)效果。

試驗(yàn)選擇了影響鎮(zhèn)壓效果的3個因素：土壤含水率σ，作業(yè)速度v和柔性傳力裝置的橡膠扭轉(zhuǎn)角度θ′?；贐BD方案的試驗(yàn)因素水平表如表1所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，在P=0.05水平進(jìn)行F檢驗(yàn)。

表1 因素編碼Tab. 1 Experimental factors and codes

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 回歸方程

按照試驗(yàn)方案安排試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中X1、X2、X3分別表示土壤含水率σ，作業(yè)速度v和橡膠彈簧的扭轉(zhuǎn)角度θ′的因素水平。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 2 Experiment scheme and results

采用Design-Expert 10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到優(yōu)化回歸方程。

Y1=47-0.88X1+1.36X2+15.09X3+1.20X1X2-

0.75X1X3-7.74X12-5.31X22+1.19X32

(14)

Y2=138.32-9.147X1+9.90X2+15.48X3-

10.95X1X3+22.40X2X3-17.66X12-

14.44X32

(15)

4.2.2 回歸方程方差分析

由表3、表4可知，兩指標(biāo)的回歸模型均極顯著(P<0.01)，說明所選的模型恰當(dāng)，試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素之間存在著模型確定關(guān)系。

表3 土壤緊實(shí)度回歸模型方差分析Tab. 3 Variance analysis of regression equation for soil compactness

表4 作業(yè)阻力回歸模型方差分析Tab. 4 Variance analysis of regression equation for working resistance

從表3、表4可以看出，失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05)，說明模型是合適的，沒有未加控制因素對指標(biāo)存在影響，同時模型的擬合效果好。由表3中的影響因素顯著系數(shù)可知，互項(xiàng)(X2X3)不顯著(P>0.1)，他各項(xiàng)均顯著或極顯著。由表4的影響因素顯著系數(shù)可知,交互項(xiàng)(X1X2)和二次項(xiàng)(X22)不顯著(P>0.1)，其他各項(xiàng)均顯著或極顯著。

4.2.3 各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響規(guī)律

各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律如圖8所示。

(a) X3=10°時，因素X1X2與土壤緊實(shí)度響應(yīng)曲面圖

(b) X2=5 km/h，因素X1X3與土壤緊實(shí)度響應(yīng)曲面圖

(c) X3=10°，因素X1X2與作業(yè)阻力響應(yīng)曲面圖

(d) X2=5 km/h，因素X1X3與作業(yè)阻力響應(yīng)曲面圖

由圖8(a)可知，在橡膠扭轉(zhuǎn)角度一定時，在土壤含水率和作業(yè)速度的較小或較大時，土壤緊實(shí)度較小，而當(dāng)土壤含水率和作業(yè)速度處于中間水平時，土壤緊實(shí)度較大；由圖8(b)可知，在作業(yè)速度一定時，橡膠扭轉(zhuǎn)角度和土壤緊實(shí)度趨于線性，橡膠扭轉(zhuǎn)角度對土壤緊實(shí)度影響明顯，土壤緊實(shí)度隨橡膠扭轉(zhuǎn)角度增大而增大；由圖8(c) 可知，在橡膠扭轉(zhuǎn)角度一定時，作業(yè)速度與作業(yè)阻力趨于線性，作業(yè)阻力隨作業(yè)速度增加而增加，但增加幅度較小。在土壤含水率較大或較小時，作業(yè)阻力較小，在作業(yè)含水率處于中間水平時作業(yè)阻力較大；由圖8(d)可知，在作業(yè)速度一定時，橡膠扭轉(zhuǎn)角度對作業(yè)阻力影響明顯，作業(yè)阻力隨橡膠扭轉(zhuǎn)角度增大而增大。

4.2.4 最優(yōu)組合確定與驗(yàn)證

根據(jù)鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能要求，各試驗(yàn)指標(biāo)分析所得最優(yōu)水平組合也各不相同。根據(jù)各指標(biāo)的重要性及專家經(jīng)驗(yàn)法[21]，考慮到3個因素對試驗(yàn)指標(biāo)的重要程度，確定土壤緊實(shí)度、作業(yè)阻力的權(quán)重比為3∶1，采用Design-Expert軟件BBD響應(yīng)曲面設(shè)計法中的數(shù)值優(yōu)化(numerical optimization)，以土壤緊實(shí)度盡可能大，工作阻力盡可能小為優(yōu)化目標(biāo)，得到最優(yōu)組合為土壤含水率17.093%、作業(yè)速度5.655 km/h、橡膠扭轉(zhuǎn)角度15°，此時的土壤緊實(shí)度為54.959 kPa，作業(yè)阻力為115.299 N。采用最優(yōu)組合，在土槽進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：土壤緊實(shí)度為56.8 kPa，作業(yè)阻力為109.6 N，另外驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與響應(yīng)曲面結(jié)果對比，鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能最優(yōu)，且滿足農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

1) 針對玉米免耕播種地地表復(fù)雜，玉米免耕播種機(jī)鎮(zhèn)壓效果差的問題，設(shè)計了精準(zhǔn)施力鎮(zhèn)壓裝置，確定了柔性傳力裝置的力學(xué)性能和鎮(zhèn)壓輪—土壤的作用機(jī)理，分析了不同參數(shù)對鎮(zhèn)壓效果的影響。其中，關(guān)鍵部件柔性傳力裝置金屬外殼為45 mm×100 mm的結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)方管為24 mm×100 mm的空心鋼，柔性橡膠桿直徑為22 mm，長度為100 mm。并根據(jù)玉米免耕播種作業(yè)要求，確定了鎮(zhèn)壓輪的寬度B=180 mm，直徑D=400 mm。

2) 用ANSYS-workbench軟件對柔性傳力裝置進(jìn)行有限元分析，確定了其扭轉(zhuǎn)角度與鎮(zhèn)壓力的關(guān)系，并根據(jù)剛度特性試驗(yàn)的要求，搭建了試驗(yàn)平臺。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比，測得擬合優(yōu)度R2=0.997驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性和可行性。

3) 選擇土壤含水率、橡膠扭轉(zhuǎn)角度、作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，土壤緊實(shí)度和作業(yè)阻力為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行土槽試驗(yàn)，采用BBD響應(yīng)曲面設(shè)計法獲得回歸模型，并獲取最優(yōu)組合：土壤含水率為17.093%、作業(yè)速度為5.655 km/h、橡膠扭轉(zhuǎn)角度為15°，此時的土壤緊實(shí)度為56.8 kPa，作業(yè)阻力為109.6 N。驗(yàn)證精準(zhǔn)施力鎮(zhèn)壓裝置能夠滿足農(nóng)藝要求。