锥型被动旋转式浅松装置设计与试验

0 引言

中耕作业是我国农业细作精耕的重要环节之一[1-2]，合理的中耕作业可以疏松表土、消除土壤板结、改善土壤的物理性状及增加土壤的孔隙，从而增加土壤的透气性，消灭杂草，促使有机肥料分解且提高地温，还可以减少水分蒸发，起到了蓄水保墒的作用，为作物发育生长创造出良好的生长条件，保证作物稳产、高产[3-6]。

传统旋转锄在垄作作物中耕作业时，锄齿沿着垄向在倾斜的垄侧上作业，能使不同锄齿盘上的锄齿入土深度不同，若要使靠近垄沟处的锄齿保持一定的入土深度，则贴近垄台处的锄齿入土深度会相应增加，从而增大锄齿盘的入土阻力，锄齿所受应力变大，影响锄齿强度、使用寿命和作业效果的稳定性。而对单个锄齿盘设计独立的仿形机构，会增加机器质量和加工成本。若通过改变锄齿的长度来贴合垄侧，保证入土深度和作业效果的稳定性，但由于锄齿长短不一，影响锄齿强度和使用寿命。

为此，针对东北垄作作物中耕时期浅松的作业需求，提出了锥形锄齿式浅松单体，贴合垄侧作业，使每个锄齿的工作长度相同，从而保证单个锄齿入土深度和作业效果的稳定性；并利用锥形滚筒转动时，轴向上各点所对应的圆周线速度不同的结构特性，增强锄齿在土壤作业过程中的滑移作用。本文对关键工作部件—外嵌锄齿的锥形滚筒进行研究，对锥形滚筒、锄齿的结构尺寸和锄齿在滚筒上的排布进行设计，并通过土槽试验得到其最优参数，以提高浅松作业效果。

1 装置组成及工作原理

1.1 装置组成

锥形被动旋转锄齿式浅松机主要由三点悬挂装置、限深轮、锥形滚筒架、浅松培土铲仿形架、浅松培土铲、压力弹簧、调压杆、主机架、清草架及锥形滚筒组成，如图1和图2所示。限深轮架与培土器机架通过螺栓固装于主机架上，可同步横向调节，以适应50～70cm垄距小垄种植模式作业；压簧架通过U型螺栓安装在主机架上，锥形滚筒架的前端与主机架铰接，后部与清草架固装，在锥形滚筒架与清草架中间部位处通过锥形滚筒支撑轴安装锥形滚筒，套装压力弹簧的调压杆可上下移动地插装在压簧架后侧上部，调压杆下端与锥形滚筒架铰连接，实现锥形滚筒的浮动仿形[7-8]。

1.2 工作原理

作业时，在牵引动力机械带动下，浅松机整体前行；自转的锥形滚筒在调压杆、压力弹簧、锥形滚筒架作用下，在随垄侧表面上下仿形的同时，沿垄向在垄的两侧滚动，锥形滚筒圆周上的锄齿间断地完成入土出土，疏松苗带两侧的土壤[9]；在清草架的配合下，将缠绕在锄齿上的杂草清下还回田间，最后由培土器完成培土作业。

(a) 浅松机左视图

(b) 机构三维模型

1.三点悬挂装置 2.限深轮 3.锥形滚筒架 4.培土铲仿形架 5.清草架 6.浅松培土铲 7.锥形滚筒 8.压力弹簧 9.调压杆 10.主机架 11.压簧架

图1 锥型被动旋转式浅松装置示意图

Fig.1 Sketch map of a tapered passive rotary machanism

图2 锥形被动旋转式浅松装置实物图

Fig.2 Photo of a tapered passive rotary machanism

2 关键部件设计及参数确定

外嵌锄齿的锥形滚筒是中耕锥型被动旋转锄齿式浅松机的关键部件，锄齿及其在滚筒上的排布方式对浅松机的作业效果有着决定性的作用，合理的结构设计是本文的重要研究内容。

2.1 锥形滚筒参数设计

根据东北垄作作物中耕时期的需求，提出了一种外嵌锄齿的锥形滚筒，其上的锄齿进行松土作业的同时，锥形滚筒贴合垄邦，对垄邦土壤起到一定的镇压作用，并将垄邦上的杂草压倒，由锄齿切压入土。如图3所示：对垄距为65cm的小垄单行种植模式的垄型尺寸进行实地测量，绘出其垄型尺寸示意图，结合垄型尺寸对锥形滚筒进行参数设计。

图3 锥形滚筒贴合垄形尺寸示意图

Fig.3 Ridge form size schematic diagram

图3中，小垄单行种植模式垄距Ls为650mm，垄高Hr，本设计选用的浅松培土铲铲尖作业宽度M取174mm，根据实地测量并参考相关文献，确定不同含水率及不同类型的垄侧土壤倾角范围为40°～46°，考虑到松土滚筒对垄侧土壤的压实作用，这里设定松土锥筒的倾斜角δ=40°。由图3可知

Lp=Ls/2-M/2

(1)

Da=2Lptanδ

(2)

经计算得出锥筒大盘直径Da≈399.36mm，取整Da=400mm。

在东北农业大学香坊农场实验基地，随机抽取中耕期的玉米苗30株，对玉米茎叶、根茬的幅宽进行参数测定(见图4)，计算玉米底端茎叶和根茬的平均宽幅Wb、Wd分别为214mm和127mm，为锥形滚筒的设计提供依据。

为提高作业部件锥形滚筒的田间通过性，减少作业部件对苗期玉米的损伤，设定锥形滚筒的横向宽度为

L≤Lp-Wb/2

(3)

经计算，L≤131mm，取整L=130mm。

锥形滚筒小盘直径Da根据相似三角形计算公式

Db/Da=(Lp-L)/Lp

(4)

经计算，Db≈181.5mm，取整Db =180mm。

图4 苗期玉米

Fig.4 Maize stubble in seedling period

2.2 锄齿齿刃滑切曲线设计

锥形滚筒为从动工作部件，为减小锄齿入土阻力，并降低土壤扰动性，设计松土锄齿为平面刀齿，通过齿刃切开土壤、斩断草根。齿刃在整个切土过程中应保持适度的滑切作用，使草根在被切时能沿刃口滑动以便于切断或从齿尖滑脱。适度的滑切角还可以使锄齿由近及远地切土，即开始时离锥形滚筒较近处先接触土壤，然后逐渐向前和向深处切入。

锄齿齿刃滑切曲线部分采用圆弧便可满足农艺要求，且易于制造。刃口曲线的曲率中心位于以滚筒中心为圆心，Q为半径的圆周上，曲率半径为R，刃口曲线上任一点的滑切角τ与Q、R及θ角之间的关系为

(5)

当Q/R为定值，最小滑切角是在θ=0°的情况下，为保持土壤和杂草在齿刃上的滑切，应使刃口全长的τ角都大于金属与土壤间的摩擦角[10](旱地作业中摩擦角取24°)，即τmin≥24°，使Q/R≤0.91。本设计选取Q/R=0.74，如图5所示。

以锥形滚筒中圈的锄齿为例，经计算中圈锄齿基圆半径Q为145mm，齿刃滑切曲线半径R=196mm。

设计锄齿内弧半径R1为260mm，为便于制造，采用双面磨刃，刃口厚b2为1mm，刃角α=36°，锄齿宽度b1由近锥形滚筒处的12mm至刀端逐渐减薄。考虑到滚筒在作业过程中滑移时会导致锄齿推土现象发生，所以对称设计锄齿内弧上的刃口和刃角。

图5 锄齿滑切曲线

Fig.5 Maize stubble in seedling period

2.3 锄齿在锥形滚筒上的排列

锄齿在作业过程中，不仅对垄向上的土壤有作业效果，由于锄齿切入土壤时对土壤的挤压作用，使锄齿对滚筒轴向上也有一定的作用范围。考虑到过密的锄齿排列会增加锄齿的入土阻力和宽度为130mm的锥形滚筒紧凑的空间结构，每排锄齿间距可设计在40～55mm，所以在锥形滚筒上等间距设置3排锄齿。单排锄齿的设计原则是使滚筒在垄上作业时保证锄齿不漏耕。

本文设计的中耕锥型被动旋转锄齿式浅松机针对浅松深度在2～8cm的作业需求，所设计的锄齿在锥形滚筒外的工作长度均为8cm，每个锄齿实现相同的功能。因此，如图6所示：以锥形滚筒轴向中心处的锄齿为例，对锄齿滚动半径r端点A及其外缘点B进行运动学分析。已知，锥形锄齿盘绕其回转中心作匀速圆周运动，其定值角速度为ω(rad/s)，锥形锄齿环以滚动半径r接触地表，无滑移，做纯滚动，则回转中心的前进速度为ω·r，锄齿环的最大回转半径为R。锄齿竖直向上为描述其运动的起始位置，经过时间t后，滚动半径基点A及外缘点B的运动轨迹方程分别为

(6)

(7)

锄齿理论滚动半径r为锄齿所在锥形滚筒位置处的滚筒半径，则当yB=-r时，求得单个锄齿的作业宽幅MN≈92.5mm。假设锄齿环上的锄齿对垄向上的土壤满幅作业(即锄齿环上的锄齿入土点与下一个锄齿的出土点重合)，锄齿环处于位置1时，相邻锄齿1、锄齿2如图7所示。其中， O点为锄齿1入土位置，此时锄齿1齿尖位于出土点K；当锄齿环运动到位置2时，锄齿2运动到锄齿2ˊ所在位置，此时锄齿2ˊ的齿尖出土点与锄齿1的入土位置O点重合，实现锄齿作业不漏耕。

图6 锄齿运动学分析

Fig.6 The kinematic analysis of pin teeth

图7 锄齿作业原理图

Fig.7 The kinematic analysis of teeth

相邻两锄齿间的夹角为

(8)

经计算，θ1=36.5°。由此得出中间位置锄齿环上的锄齿数为

N≤360°/θ1≈10个

(9)

所以，设计3排锄齿环每圈均为10个锄齿。

3 试验材料与方法

3.1 试验设备及条件

2016年12月，在黑龙江省农业机械工程科学研究院进行室内土槽试验。试验仪器设备主要有土槽(长30m、宽3m、土壤厚度1m)、TCC-3土槽试验车、美国RGB Spectrum公司生产的DR300土壤水分测定仪和SC-900型土壤紧实度仪。试验车为全液压四轮驱动，可在0～8km/h范围内调速，其液压系统控制调节工作部件的入土深度。土壤类型为典型东北黑壤土，土壤含水率12.8%～18.5%、0～8cm平均土壤硬度0.56MPa。

3.2 试验因素与指标选取

锄齿在作业过程中，不仅对垄向上的土壤有作业效果，由于锄齿切入土壤时对土壤的挤压作用，使锄齿对滚筒轴向上也有一定的作用范围。锄齿环间距排列过密会增加作业部件的入土阻力，锄齿环间距过远会影响松土质量。因此，选取浅松机作业速度、弹簧镇压力和锄齿环间距为试验因素。

为检验浅松机松土效果，参考GB/T 24675.1-2009《保护性耕作机械 浅松机》[11]，选取土壤坚实度差和入土深度稳定性作为试验评价指标。

3.3 试验方法

通过三点悬挂装置将浅松机与土槽试验车连接，分别对作业速度和弹簧镇压力进行单因素预试验，以合理控制因素变化范围。采用三因素三水平正交试验，以确定浅松机最优参数。试验因素水平编码如表1所示，因素编码值符号为A、B、C。试验台结构如图8所示，试验现场如图9所示。

表1 因素水平编码表

Table 1 Actual value and code of variable

1.TCC-3土槽试验车 2.土槽车测控显示屏 3. 观测座椅 4.调频控制台 5.液压升降调控杆 6.土槽车牵引装置 7.试验样机 8.土槽

图8 试验台结构简图

Fig.8 Structure of test-bed

图9 试验现场图

Fig.9 Photo of experiment

3.4 试验指标的测定

3.4.1 土壤坚实度差值

对垄体进行修整后，在测试段随机选取10点，测定入土深度0～8cm的土壤坚实度值，并求均值B1；按照对照试验处理进行试验，以同样方法测定作业后土壤的坚实度的均值B2，则土壤坚实度差值为

B=B1-B2

(10)

式中 B—土壤坚实度差(N/cm2)；

B1—作业前土壤坚实度均值(N/cm2)；

B2—作业后土壤坚实度均值(N/cm2)。

3.4.2 入土深度稳定性

按试验方案的每个试验处理，测定一种水平组合情况下的锄齿入土深度hi(i=1～10)，计算这一组数据的均值h及其标准差T，利用这两个数据计算其变异系数V=T/h×100%，则锄齿入土深度稳定性为

U=1-V=1- T/h×100%

(11)

式中 U—锄齿入土深度稳定性(%)；

h—锄齿入土深度的均值(cm)；

T—锄齿入土深度的标准差(cm)；

V—锄齿入土深度的变异系数(%)。

3.4.3 数据处理

对试验数据极差分析，寻找影响各指标的主次因素，并优选最佳组合。采用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行方差分析，检验各因素影响土壤坚实度差和入土深度稳定性的显著性。

4 试验结果与分析

试验方案与结果如表2所示。

由表2可知，各因素对土壤坚实度差和入土深度稳定性的影响情况。通过对试验结果的极差分析，得到影响土壤坚实度差的主次顺序为B、C、A，各因素的最优水平分别为A2、B3、C2，则最优组合为B3C1A2。同理，影响入土深度稳定性因素的主次顺序为B、A、C，各因素的最优水平分别为A1、B3、C1，则最优组合为B3A1C3。

表2 试验方案结果与极差分析

Table 2 Results of experiment and range analysis

通过方差分析[12]，对各因素影响土壤坚实度差和入土深度稳定性进行显著性检验，如表3和表4所示。

由表3、表4可知：作业速度对土壤坚实度差和入土深度稳定性影响均显著；弹簧镇压力对土壤坚实度差和入土深度稳定性影响均极显著；锄齿环间距对土壤坚实度和入土深度稳定性影响均显著，这与极差分析的主次因素结论一致。

表3 坚实度差方差分析表

Table 3 Variance analysis of draft force

* 表示显著(p<0. 05)，**代表极显著(p<0. 01)。

表4 入土深度稳定性方差分析表

Table 4 Variance analysis of root cap ratio

* 表示显著(p<0. 05)，**代表极显著( p<0. 01)。

根据浅松机作业性能要求，各试验指标分析所得优水平组合不尽相同，为了达到兼顾平衡各项指标的目的，采用综合加权评分法进行分析，以选出令各项指标都尽可能最优的组合[13-14]。考虑到3个因素对衡量指标的重要程度，以100分作为总“权”，土壤坚实度差和入土深度稳定性各为50分，试验的综合加权结果如表5所示。

表5 综合加权结果

Table 5 Result of integrated weighted

续表5

通过表5分析得出各试验因素对试验指标(土壤坚实度差、入土深度稳定性)影响的最优组合，影响各因素大小排列顺序为B、A、C，各因素最佳水平组合为B3A1C1，即作业速度为1.0m/s，弹簧镇压力920N，锄齿环间距42mm。

为了检验模型预测的准确性，在最佳参数范围内进行试验验证。在土槽试验车前进速度为1.0m/s，弹簧镇压力920N，锄齿环间距42mm的情况下进行浅松试验，测得：土壤坚实度差达到29.8N/cm2，入土深度稳定性93%，结果表明：在优化参数指标区间内，优化结果是可信的，满足中耕作物苗期浅松作业的性能要求。

5 结论

1)设计一种锥型被动旋转锄齿式浅松机，浅松深度2～8cm。对装置关键参数进行设计，并进行正交试验，通过极差分析、方差分析和综合加权法得到影响浅松机作业性能因素的主次顺序为作业速度、弹簧镇压力、锄齿环间距；最优组合为作业速度为1.0m/s，弹簧镇压力920N，锄齿环间距42mm。

2)在土槽试验车前进速度为1.0m/s，弹簧镇压力920N，锄齿环间距42mm的情况下进行浅松试验，结果表明：土壤坚实度差达到29.8N/cm2，入土深度稳定性93%，满足中耕作物苗期浅松作业的性能要求。