驅(qū)動式玉米中耕松土裝置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

摘要 設(shè)計(jì)一種可滿足黏重土壤作業(yè)環(huán)境的驅(qū)動式玉米中耕松土裝置，為優(yōu)化該機(jī)構(gòu)參數(shù)并確定最優(yōu)參數(shù)組合，搭建了室內(nèi)土槽測試試驗(yàn)臺，闡述了試驗(yàn)臺組成及主要參數(shù)。采用正交試驗(yàn)方法，以作業(yè)速度、刀齒轉(zhuǎn)速、耕作深度為試驗(yàn)因素，碎土率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行中耕機(jī)室內(nèi)碎土試驗(yàn)，利用design-export軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：各因素對碎土率影響程度大小依次為刀齒轉(zhuǎn)速、耕作深度、作業(yè)速度，最優(yōu)水平組合為刀齒轉(zhuǎn)速220 r/min，耕作深度為6 cm，作業(yè)速度為0.6 m/s。以最優(yōu)水平組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，碎土率為88.5%，滿足玉米中耕作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞 中耕機(jī)；旋轉(zhuǎn)式；玉米；驅(qū)動；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號 S 224.9" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2025）04-0184-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.04.039

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Parameter Optimization Experiment of Driving Corn Intertillage and Soil Loosening Device

WANG Wen ming，TAO Ye

（Taizhou Vocational College of Science and Technology， Taizhou，Zhejiang 318020）

Abstract A driving corn cultivator device that can meet the working environment of heavy soil was designed. In order to optimize the parameters of the mechanism and determine the optimal parameter combination， an indoor soil tank test bench was built， and the composition and main parameters of the test bench were described. Using the orthogonal experimental method， the working speed， blade speed， and tillage depth were used as the experimental factors， and the soil crushing rate was used as the experimental indicator. The indoor soil crushing test of the cultivator was conducted， and the experimental results were analyzed using the design-export software. The results showed that the factors affecting the soil crushing rate were in the order of blade speed， tillage depth， and working speed. The optimal level combination was blade speed of 220 r/min， tillage depth of 6 cm， and working speed of 0.6 m/s. The verification test was conducted with the optimal level combination， and the soil crushing rate was 88.5%， which met the requirements for corn cultivation operations.

Key words Plowing machine；Rotating type；Corn；Drive；Parameter optimization

基金項(xiàng)目 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（NYZS202306）；臺州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（23nya20）。

作者簡介 王文明（1991—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。

收稿日期 2024-10-07

玉米是我國第一大作物，種植面積和產(chǎn)量均居主要農(nóng)作物首位。中耕作業(yè)是玉米種植重要的管理環(huán)節(jié)，主要作用有疏松土壤，增強(qiáng)土壤的通氣性和透水性，為玉米根系的深入發(fā)展創(chuàng)造良好的環(huán)境；破除土壤板結(jié)，減少水分蒸發(fā)，提高土壤保墑能力；鏟除雜草，有效減少雜草與玉米爭搶養(yǎng)分，確保玉米獲得充足的營養(yǎng)供給，為玉米的健壯生長和高產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)^［1-3］。現(xiàn)有的玉米中耕機(jī)工作部件主要分為鋤鏟式和旋轉(zhuǎn)式^［4-5］，鋤鏟式中耕部件適合土壤環(huán)境和雜草情況較好的環(huán)境作業(yè)，而針對黏重土壤、草情嚴(yán)重的玉米地，旋轉(zhuǎn)式中耕部件效率更高且作業(yè)效果更好^［6-7］，近年來成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。呂金慶等^［8-9］針對黏重土壤情況，設(shè)計(jì)了驅(qū)動式中耕機(jī)，其配備了旋轉(zhuǎn)工作部件，通過對其關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了其碎土率，試驗(yàn)表明其碎土率超過90%。張偉欣等^［10-11］設(shè)計(jì)了錐形被動玉米淺松裝置，該裝置采用兩對稱錐形滾筒進(jìn)行松土作業(yè)，更貼合玉米壟臺，利用鋤齒圓周運(yùn)動過程中的滑移，增強(qiáng)土壤擾動，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置最優(yōu)參數(shù)組合下，土壤堅(jiān)實(shí)度差達(dá)到29.8 N/cm2，入土深度穩(wěn)定性93%，可滿足中耕作物苗期淺松作業(yè)的性能要求。

針對北方玉米黏重土壤作業(yè)環(huán)境，筆者設(shè)計(jì)一種驅(qū)動式玉米中耕松土裝置^［12-13］，通過室內(nèi)土槽臺架試驗(yàn)，明確影響其作業(yè)效果的主要因素及最優(yōu)參數(shù)組合，以期提高驅(qū)動式松土裝置的作業(yè)效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)

驅(qū)動式玉米中耕松土裝置測試試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、移動土槽、伺服電機(jī)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、鏈傳動、驅(qū)動式松土除草裝置等組成，驅(qū)動式松土除草裝置通過U型螺栓固裝在機(jī)架上，扭矩轉(zhuǎn)速傳感器與伺服電機(jī)同軸裝配，鏈傳動配裝在扭矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出軸與驅(qū)動式松土除草裝置之間。主要參數(shù)：移動土槽全長20.0 m，寬1.5 m，電機(jī)功率6.5 kW，通過變頻器可控制土槽的移動速度，調(diào)速范圍0～3 m/s，松土除草裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動，通過鏈傳動進(jìn)行一級減速，驅(qū)動電機(jī)功率3.5 kW、松土裝置轉(zhuǎn)速150～300 r/min。轉(zhuǎn)速和扭矩可由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器直接測量讀出。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

1.2 驅(qū)動式玉米中耕松土裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

驅(qū)動式玉米中耕松土裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由機(jī)架、壓簧桿、外滾筒、刀齒、墊片、彈簧、壓縮桿、凸輪軸等構(gòu)成，其中壓簧桿上面開有多個等距小孔，上端穿過機(jī)架，通過開口銷進(jìn)行固定，下端與機(jī)架鉸鏈，作業(yè)時可通過壓簧桿來調(diào)整松土裝置的作業(yè)深度；兩凸輪軸同軸裝配在機(jī)架上，兩外滾筒分別與兩凸輪軸同心裝配，壓縮桿裝配在凸輪軸與外滾筒之間，刀齒通過螺栓固裝在壓縮桿上，壓縮桿通過彈簧使其末端緊貼在凸輪軸上，作業(yè)時可以軸向伸縮，其通過固定片與外滾筒固裝。裝置作業(yè)時，由于土壤阻力和彈簧彈力的作用，使得刀齒沿凸輪的輪廓內(nèi)外擺動，從而形成對土壤的振動切削，減阻的同時增強(qiáng)了其松土作業(yè)效果。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要為玉米苗及土壤，試驗(yàn)土壤類型為典型東北黑壤土，為近似模擬田間作業(yè)條件，作業(yè)前對土壤進(jìn)行噴水、旋耕并適當(dāng)壓實(shí)，測得其含水率為11.7%，土壤堅(jiān)實(shí)度為83.3 kPa，玉米苗品種為龍玉99，播后30 d帶土移栽到土槽內(nèi)，玉米苗平均株高為218 mm。

1.4 試驗(yàn)方法

參照文獻(xiàn)［12-13］進(jìn)行土槽試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。試驗(yàn)過程中，土槽前后各設(shè)置1.5 m緩沖區(qū)，中間15 m為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)，玉米苗移栽參考小壟種植模式，其壟臺高度為180 mm，壟臺寬度為220 mm，移栽株距為250 mm。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)JB/T 7864—1999《旱田中耕追肥機(jī) 試驗(yàn)方法》，選擇作業(yè)速度、刀齒轉(zhuǎn)速與耕作深度為試驗(yàn)因素，碎土率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，作業(yè)速度范圍為0.6～1.0 m/s，刀齒轉(zhuǎn)速為180～220 r/min，耕作深度為4～6 cm，其因素水平編碼表如表1所示。根據(jù)上述試驗(yàn)因素與水平表，選用L 9（34）試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)。碎土率的測定方法為隨機(jī)選取作業(yè)行程中0.2 m×0.2 m區(qū)域內(nèi)，測定全松層內(nèi)土塊最小邊lt;2.5 cm的土塊質(zhì)量及土塊總質(zhì)量，計(jì)算公式為：

G S=G zG×100%（1）

式中：G S為全松層碎土率；G z為全松層lt;2.5 cm土塊質(zhì)量，kg；

G為全松層土塊總質(zhì)量，kg。

2 結(jié)果與分析

利用design-export軟件對數(shù)據(jù)處理，分別進(jìn)行單因素、極差、方差分析。

2.1 單因素分析

通過單因素分析，可知當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為200 r/min，耕作深度為5 cm時，隨著作業(yè)速度的增加，驅(qū)動式松土裝置的碎土率整體呈減小趨勢（圖4）；當(dāng)固定作業(yè)速度為0.8 m/s，耕作深度5 cm時，隨著刀齒轉(zhuǎn)速增加，碎土率呈增大趨勢（圖5）；當(dāng)固定作業(yè)速度為0.8 m/s，刀齒轉(zhuǎn)速200 r/min時，隨著耕作深度增加，碎土率呈先減小后增大趨勢（圖6）。

2.2 極差分析

通過極差分析，得到影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，并優(yōu)選最佳組合。由表2可知，各因素對碎土率的影響情況，通過對試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得到各因素對中耕機(jī)碎土效果影響程度大小依次為刀齒轉(zhuǎn)速、耕作深度、作業(yè)速度，各因素的最優(yōu)水平分別為A1、B3、C3，則最優(yōu)組合為A 1B 3C 3，即作業(yè)速度為0.6 m/s、刀齒轉(zhuǎn)速220 r/min、耕作深度6 cm。

2.3 方差分析

通過方差分析，對各因素影響碎土率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，如表3所示。由表3可知，整個模型P值為0.028 7，模型顯著。作業(yè)速度對碎土率影響較顯著（P=0.071 4）；刀齒轉(zhuǎn)速對碎土率影響顯著（P=0.013 0）；耕作深度對碎土率影響較顯著（P=0.067 7），與極差分析的主次因素結(jié)論一致。

以最優(yōu)組合（A 1B 3C 3）進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值，測得其平均碎土率為88.5%，滿足玉米苗期中耕碎土作業(yè)要求。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)洱X轉(zhuǎn)速、耕作深度固定時，隨著作業(yè)速度增大，松土裝置的碎土率整體呈減小趨勢；作業(yè)速度、耕作深度固定時，隨著刀齒轉(zhuǎn)速增加，碎土率呈增大趨勢；作業(yè)速度與刀齒轉(zhuǎn)速固定時，隨著耕作深度增加，碎土率呈先減小后增大趨勢。

（2）各因素對碎土率影響程度大小依次為刀齒轉(zhuǎn)速、耕作深度、作業(yè)速度，其中刀齒轉(zhuǎn)速對碎土率影響顯著，作業(yè)速度與耕作深度對碎土率影響較顯著，最優(yōu)水平組合為刀齒轉(zhuǎn)速220 r/min，耕作深度為6 cm，前進(jìn)速度為0.6 m/s。

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