鄭 侃 何 進 李洪文 趙宏波 胡宏男 劉文政

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機設(shè)計與試驗

鄭 侃 何 進 李洪文 趙宏波 胡宏男 劉文政

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

針對現(xiàn)有深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機多為深松部件在前、旋耕部件在后的組合結(jié)構(gòu)，較少考慮各工作部件作業(yè)時之間的相互影響，本文基于深松部件、旋耕部件作業(yè)之間的交互作用，設(shè)計一種用于深耕的反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機，通過旋耕、深松、鎮(zhèn)壓多工序?qū)崿F(xiàn)表層土壤細碎、秸稈埋覆，深層土壤疏松目的。整機以提高作業(yè)質(zhì)量、減少作業(yè)阻力為設(shè)計目標(biāo)，運用離散元仿真與正交試驗、有限元仿真結(jié)合進行整機參數(shù)優(yōu)化。離散元仿真結(jié)果表明：機具作業(yè)速度vm為1.8 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速n為350 r/min、旋耕刀類型X為IIT195彎刀時，機具作業(yè)壅土量為5 283個土壤顆粒，植被覆蓋率為98.37%，此時綜合作業(yè)質(zhì)量較優(yōu)；有限元仿真結(jié)果驗證了深松鏟設(shè)計強度滿足作業(yè)要求。以較優(yōu)參數(shù)組合為基礎(chǔ)的田間試驗結(jié)果表明：反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分別為182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%；旋耕深度穩(wěn)定性、深松深度穩(wěn)定性、植被覆蓋率均在90%以上，完全滿足深層土壤整地需求；與深松旋耕聯(lián)合整地機相比，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機在不影響作業(yè)效果前提下，提高了耕深穩(wěn)定性、植被覆蓋率，同時使?fàn)恳枇档土?6.21%，作業(yè)穩(wěn)定性、可靠性較好。

深松； 旋耕； 聯(lián)合作業(yè)； 離散元法

引言

土地耕整作業(yè)為創(chuàng)造良好的播種和栽植苗床做準(zhǔn)備，是整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個重要環(huán)節(jié)[1]。聯(lián)合耕整作業(yè)機械在適宜條件下一次作業(yè)即可完成耕地、整地等多項工序，達到播種前的苗床要求，且具有減少農(nóng)機具對土壤團粒結(jié)構(gòu)的破壞，提高機具作業(yè)效率，節(jié)省燃料降低作業(yè)成本等優(yōu)點[2]。近年來，隨著我國大功率動力機械的發(fā)展，聯(lián)合耕整作業(yè)機械已成為農(nóng)業(yè)耕作機械發(fā)展方向。

深松旋耕聯(lián)合整地機采用深松、旋耕兩項核心技術(shù)，工作部件主要有深松鏟、旋耕刀輥等部件。深松部件可打破堅硬的犁底層、減少水土流失、改善作物根系生長環(huán)境，有利于深根系作物產(chǎn)量的提高[3-5]，常見深松鏟的結(jié)構(gòu)有鑿式深松鏟、V型全方位深松鏟、側(cè)彎深松鏟；旋耕部件碎土能力強，作業(yè)后表土細碎、地表平整[6-7]，常見的旋耕部件有臥式旋耕部件與立式旋耕部件。在深松、旋耕部件基礎(chǔ)上增加滅茬、粉碎、起壟、鎮(zhèn)壓等部件，可將已有的深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機分為：深松旋耕聯(lián)合整地作業(yè)機[8]、深松旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機[9]、滅茬深松旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機[10]。但深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機研究報道中，多為深松部件在前、旋耕部件在后的組合，較少考慮各工作部件作業(yè)之間的相互影響。

本文基于深松部件、旋耕部件作業(yè)過程中的交互作用[11]，以提高作業(yè)質(zhì)量、減少作業(yè)阻力為設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計一種適用于華北平原壤土區(qū)秸稈還田的反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機，為我國深層耕作、低阻力聯(lián)合耕作機械的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機由拖拉機三點懸掛架連接，主要由旋耕部件、深松部件、擋草柵條、鎮(zhèn)壓輥、限深輪、擋土輥及變速箱等部件組成，如圖1所示。整機可通過限深輪和懸掛架上拉桿共同調(diào)節(jié)作業(yè)深度，一次作業(yè)可完成旋耕、深松、鎮(zhèn)壓等多項工序。其主要參數(shù)如表1所示。

圖1 反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Sketch map of combined tillage machine of submerged reverse-rotary and subsoiling1.旋耕部件 2.深松部件 3.擋草柵條 4.鎮(zhèn)壓輥 5.擋土輥 6.機架 7.變速箱 8.懸掛架 9.限深輪

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)1715×2868×1285深松深度/mm≤450整機質(zhì)量/kg811旋耕深度/mm≤250作業(yè)幅寬/mm2500擋土輥直徑/mm120深松鏟數(shù)4鎮(zhèn)壓輥類型幅條型深松鏟尖類型鑿形鏟限深方式限深輪深松翼鏟類型雙翼鏟配套動力/kW≥66.2深松鏟間距/mm625作業(yè)速度/(km·h-1)1.80～3.96

1.2 工作原理

整機采用中間齒輪傳動，拖拉機動力輸出軸輸送動力經(jīng)萬向聯(lián)軸器至變速箱，再經(jīng)變速箱中間齒輪變速后驅(qū)動旋耕刀軸轉(zhuǎn)動。工作時，深松部件疏松旋耕部件前方的深層土壤，以達到打破犁底層、降低旋耕阻力的目的；旋耕刀軸反旋作業(yè)(與拖拉機驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)方向相反)，破碎深松后的土壤，并利用擋草柵條篩選大土塊及秸稈，細碎的土壤通過擋草柵條覆蓋表層，實現(xiàn)埋覆秸稈殘茬功能。機具前端的擋土輥可減少旋耕部件前方的壅土量，降低能耗；鎮(zhèn)壓輥則對深松、旋耕作業(yè)后的地表進行鎮(zhèn)壓。整機作業(yè)后形成有利于作物生長的下粗上細、上虛下實、透氣性良好的土壤耕作層。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 基于交互作用的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

深松部件與旋耕部件的相對位置、機具重心的水平位置影響整機工作的牽引阻力、作業(yè)質(zhì)量。因此，需分析深松與旋耕作業(yè)過程的交互作用及機具重心的水平位置，以確定整機結(jié)構(gòu)。

2.1.1 深松部件與旋耕部件的相對位置確定

圖2 兩種深松旋耕組合結(jié)構(gòu)作業(yè)過程示意圖Fig.2 Operation processes of two kinds of subsoiling rotary tillage combined structure

秸稈還田條件下華北平原壤土區(qū)特點為：壤土黏粒、粉粒、砂粒含量適中，通氣透水、保水保溫性良好，水、氣、光、熱與作物生長需求基本同步，是深根系作物栽培的理想土壤[12]；壤土與旋耕刀、深松鏟摩擦因數(shù)較小，土壤含水率適中，有利于土壤破碎，為深層耕作提供良好的基礎(chǔ)條件；華北平原種植模式多為玉米小麥一年兩熟，耕作周期較短，秸稈量大、雜草多，機具耕作易堵塞纏繞，增加了耕整機具研究難度。深松與旋耕配合作業(yè)，能較好地混埋秸稈殘茬以有利于秸稈腐爛與下茬作物播種，同時提高機具作業(yè)效率、降低作業(yè)成本。圖2所示為常見先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)及深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)作業(yè)過程分析圖。整機沿x軸正方向運動，假設(shè)旋耕作業(yè)為正轉(zhuǎn)旋耕(圖2中旋耕刀順時針旋轉(zhuǎn))。先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)、深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)中深松部件所受土壤阻力在x軸上分力分別為F、F′。由于旋耕刀左、右對稱排列，因此沿軸向阻力相互抵消，兩者中的旋耕部件所受水平土壤阻力在x軸方向上分力分別為P、P′。根據(jù)平面力系平衡條件，在x軸上可得兩種機具的牽引阻力為

(1)

式中T——先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)水平方向牽引阻力

T′——深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)水平方向牽引阻力

由圖2a可知，常見先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)的深松部件在旋耕部件正前方。機具工作時，深松部件在未耕作區(qū)進行土壤深松作業(yè)，后續(xù)旋耕裝置將一定深度的深松區(qū)土壤進行松碎。該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點為深松鏟打破犁底層，降低了未耕作區(qū)的土壤容重和緊實度，減少了后續(xù)旋耕作業(yè)的阻力。但深松鏟作業(yè)阻力較大，且易纏繞秸稈、雜草，增加工作阻力，易在作業(yè)地表拖出溝壑，耕后地表不平整，降低整機作業(yè)質(zhì)量，不利于在秸稈量大的條件下作業(yè)。圖2b為深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為旋耕部件位于深松鏟柄彎弧斜上方，深松鏟尖及翼鏟置于旋耕部件前方。作業(yè)時，深松鏟尖與翼鏟對旋耕部件前部未耕作區(qū)進行土壤疏松，隨后旋耕部件進行土壤破碎平整，并將根茬粉碎與秸稈、土壤均勻混埋。深松鏟柄通過旋耕作業(yè)區(qū)，降低了深松阻力，減少了深松鏟秸稈纏繞，提高了整機作業(yè)的穩(wěn)定性。由圖2結(jié)合式(1)可知，兩種組合結(jié)構(gòu)中的旋耕部件均在已深松區(qū)域作業(yè)。若秸稈覆蓋量、雜草相對較少，且覆蓋均勻時，兩種組合結(jié)構(gòu)可以順利通過秸稈、雜草覆蓋地表。如果秸稈覆蓋量大、雜草較多，先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)堵塞，影響機具正常工作，而深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)旋耕部件將根茬、雜草粉碎并與土壤混埋，減少了堵塞。由以上分析可得，兩種組合結(jié)構(gòu)正常工作時，秸稈、雜草流動性較強對旋耕部件水平阻力影響較小，P、P′近似相同；機具發(fā)生堵塞，使機具無法工作情況，本設(shè)計暫不考慮。深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)中，部分深松鏟柄位于旋耕部件的后方，作業(yè)時通過已旋耕后的松碎土壤，同時可有效減少秸稈纏繞，使得深松部件的阻力降低，由此可得深松阻力F′小于F。因此，深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)水平方向牽引阻力T′小于先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)水平方向牽引阻力T。綜合以上分析，深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)除具有先深松后旋耕組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點外，還減少了秸稈、雜草堵塞，降低了作業(yè)阻力，在作業(yè)參數(shù)相同時，隨著旋耕部件作業(yè)深度的增加，深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)減阻效果明顯，更有利于華北平原壤土區(qū)秸稈還田地深層耕作。本文反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機選用深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)。

2.1.2 機具重心的水平位置確定

機具重心的水平位置影響其作業(yè)的穩(wěn)定性。常見的深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機，深松部件置于旋耕部件前部，由于旋耕部件比深松部件質(zhì)量大，且兩者重心水平距離較遠，整機的重心位置更靠近旋耕部件，易使深松框架被輕微抬起，深松部件工作的耕深穩(wěn)定性變差[13]。反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機以變速箱為中心左右對稱，各個部件重心位于整機對稱面上。其中旋耕部件(包括變速箱、機架、懸掛架、擋草柵條、旋耕部件)水平方向上的重心位置，可近似認為在旋耕刀軸中心豎直線上。圖3為整機重心位置示意圖，建立以機具前方的下懸掛點為中心，水平方向為x軸、垂直方向為y軸的xOy坐標(biāo)系。根據(jù)各個部件重心位置及大小不同將整機分為限深輪、擋草輥、旋耕部件、深松部件、鎮(zhèn)壓輥等5部分，利用合力矩定理，計算出整機重心的水平距離為

(2)

式中L——整機重心的水平距離G——整機重量Gi——部件i的重量Li——部件i重心的水平距離

圖4 旋耕刀作業(yè)過程示意圖Fig.4 Sketches of operation process of rotary blade

圖3 機具重心位置示意圖Fig.3 Sketch of barycenter position of machine

經(jīng)測定整機重量G為7 940 N，限深輪、擋草輥、旋耕部件、深松部件、鎮(zhèn)壓輥對應(yīng)的G1、G2、G3、G4、G5分別為200、280、5 770、880、810 N，L1、L2、L3、L4、L5分別為68、133、560、689、1 432 mm。將上述參數(shù)代入式(2)，可求得整機重心水平距離為635.8 mm。如圖3所示，整機重心、旋耕部件重心、深松部件重心三者的水平距離較近，且整機重心介于另外兩者之間，其優(yōu)點是深松、旋耕部件工作時，不會出現(xiàn)深松鏟抬起現(xiàn)象，耕深穩(wěn)定性增強、作業(yè)更為緊湊；旋耕部件增加了深松部件的配重，提高了深松鏟的入土性能。

2.2 基于交互作用的旋耕、深松部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 基于聯(lián)合作業(yè)的旋耕部件設(shè)計

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機中旋耕部件的旋轉(zhuǎn)方向，影響機具碎土質(zhì)量、耕深穩(wěn)定性、機具振動等作業(yè)性能。旋耕部件的旋耕刀除了以刀軸軸心旋轉(zhuǎn)，同時要隨著機具前進作水平勻速運動。為了使旋耕刀能夠有效地切削土壤，旋耕刀端點運動軌跡為余擺線，即旋耕速度比λ=Rω/vm>1，其中R為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，ω為刀軸旋轉(zhuǎn)角速度，vm為前進速度。正、反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)過程如圖4所示，以旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)中心為原點O，建立xOy坐標(biāo)系，正轉(zhuǎn)旋耕刀旋向為順時針；反轉(zhuǎn)旋耕刀旋向為逆時針。設(shè)正轉(zhuǎn)旋耕與反轉(zhuǎn)旋耕部件中旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R、刀軸旋轉(zhuǎn)角速度ω、前進速度vm相同。參考正轉(zhuǎn)旋耕刀運動分析[14]，并結(jié)合圖4b反轉(zhuǎn)旋耕刀運動軌跡，得出正、反轉(zhuǎn)旋耕刀端點絕對速度v1、v2為

(3)

正轉(zhuǎn)旋耕刀由近及遠切開土垡，與反轉(zhuǎn)旋耕刀相反，正、反轉(zhuǎn)旋耕刀切土?xí)r土垡厚度變化規(guī)律不同。取旋耕刀端點相鄰軌跡線之間的單片土垡進行分析。根據(jù)圖4幾何關(guān)系可得旋耕刀切土過程中，正、反轉(zhuǎn)旋耕垡片厚度d1、d2分別約為Ssinδ1、Ssinδ2，其中切土節(jié)距S與同一平面內(nèi)旋耕刀的安裝數(shù)z、前進速度vm、刀軸旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān)；δ1、δ2分別為正、反轉(zhuǎn)旋耕刀端點軌跡線切線與x軸夾角，可由旋耕刀端點絕對速度沿x、y軸的分速度三角函數(shù)關(guān)系得出。因此，可得正、反轉(zhuǎn)旋耕時垡片厚度d1、d2為

(4)

正、反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)時刀端點的運動軌跡不同，耕作層底部形成的土壤凸起高度也不同，導(dǎo)致正、反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)后耕深穩(wěn)定性有差別。如圖4所示，凸起高度等于相鄰兩余擺線的交點A到溝底的距離。鑒于旋耕刀轉(zhuǎn)速較快，正、反轉(zhuǎn)旋耕刀過交點A時的轉(zhuǎn)角φ1、φ2較小，可近似認為sinφ1=φ1、sinφ2=φ2，結(jié)合圖4中的幾何關(guān)系，正、反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)后溝底土壤凸起高度h1、h2計算式為

(5)

圖5 反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機中深松、旋耕相對位置示意圖Fig.5 Schematic diagrams of relative position of subsoiling and rotary tillage parts of subsoiling-reverse rotation combined tillage machine1.翼鏟 2.鏟尖 3.連接螺栓 4.固定座 5.鏟柄

如圖4所示，單個余擺線內(nèi)，旋耕刀有效切削土壤的轉(zhuǎn)角ωt取值范圍為0°～180°。由式(3)～(5)可知，正、反轉(zhuǎn)旋耕刀端點絕對速度v1、v2，正、反轉(zhuǎn)旋耕時垡片厚度d1、d2，以及正、反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)后溝底土壤凸起高度h1、h2，主要與前進速度vm、刀軸旋轉(zhuǎn)角速度ω、旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R及同一平面內(nèi)旋耕刀的安裝數(shù)z等參數(shù)相關(guān)。結(jié)合現(xiàn)有旋耕聯(lián)合作業(yè)機[14]與GB/T 5668—2008《旋耕機》中幅寬為2 500 mm旋耕部件作業(yè)要求，設(shè)定作業(yè)速度vm為1.8～3.96 km/h；刀軸旋轉(zhuǎn)角速度ω為26.17～36.63 rad/s(轉(zhuǎn)速n為250～350 r/min)；旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R參照GB/T 5669—2008《旋耕機械-刀和刀座》取值195 mm；試驗地土壤類型為壤土，黏度中等、秸稈覆蓋量大，為了減少旋耕部件作業(yè)過程中夾土、堵塞，同一平面內(nèi)旋耕刀的安裝數(shù)z取值為2。若正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)旋耕刀vm、ω相同，且分別取3.96 km/h、36.63 rad/s，計算得出λ為6.49，代入式(3)～(5)，可得出以下結(jié)論：①由式(3)可得，反轉(zhuǎn)旋耕刀端點的絕對速度v1大于反轉(zhuǎn)旋耕刀端點絕對速度v2。與正轉(zhuǎn)旋耕比，反轉(zhuǎn)旋耕增加了切土速度，可提高旋耕碎土質(zhì)量、減少旋耕刀切土阻力[15]。②由式(4)可知，反轉(zhuǎn)旋耕刀切土的垡片厚度比正轉(zhuǎn)旋耕刀入土?xí)r垡片厚度小，并隨著轉(zhuǎn)角ωt增加，反轉(zhuǎn)旋耕刀切土的垡片厚度d2逐漸增加，旋耕刀受力逐漸增加，因此減少對刀軸的沖擊，使土壤因受到拉、剪方式而破壞，提高聯(lián)合整地機作業(yè)穩(wěn)定性且延長機具的使用壽命。③由式(5)可得，正、反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)后溝底土壤凸起高度h1、h2分別為2.43 mm、1.3 mm，反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)后耕層底部較平整，耕深穩(wěn)定性較好，作業(yè)后地表平整度較優(yōu)。另外與正轉(zhuǎn)旋耕相比，反轉(zhuǎn)旋耕覆土性能優(yōu)良，有利于提高秸稈殘茬覆蓋率，并隨著旋耕深度的增加，需要的功耗較正旋低，有利于加深旋耕作業(yè)深度[16-17]，更適用于華北平原壤土區(qū)玉米秸稈還田地深層耕作。綜上所述，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機旋耕部件設(shè)計為反旋。結(jié)合現(xiàn)有的旋耕聯(lián)合作業(yè)機，本設(shè)計旋耕部件采用左、右刀軸上的旋耕刀按雙頭螺旋線對稱排列，以抵消刀軸橫向水平力，減小對刀軸端的軸承影響；同一平面方向相反的旋耕刀相位角為180°，同一螺旋線上的同向相鄰旋耕刀升角為72°。旋耕刀共64把，左、右刀軸各32把；旋耕刀材料采用65Mn鋼。

2.2.2 基于潛土反轉(zhuǎn)旋耕的深松部件設(shè)計

深松、旋耕部件位置參數(shù)影響整機的工作性能。本設(shè)計中旋耕部件采用反旋，其問題是旋耕刀向前方拋土形成壅土現(xiàn)象，大量壅土導(dǎo)致旋耕刀重耕，增加旋耕機作業(yè)功耗。相關(guān)研究表明[18-19]，當(dāng)旋耕部件潛土(旋耕作業(yè)深度大于旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑)反旋時，有利于降低機具壅土量，且比同樣條件下的正旋有效減少了作業(yè)功耗。本文為使旋耕作業(yè)深度小于旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑時，也能實現(xiàn)旋耕部件潛土作業(yè)，需對深松部件進行設(shè)計。如圖5所示，深松部件主要由翼鏟、鏟尖、連接螺栓、固定座和鏟柄構(gòu)成。鏟尖選用鑿形鏟，鏟尖與翼鏟置于旋耕刀軌跡線前方配合打破犁底層，并將旋耕刀輥前方土壤向上抬起，使得旋耕較淺時能夠?qū)崿F(xiàn)潛土作業(yè)。由圖5a幾何關(guān)系可得

(6)

其中[20]

(7)

式中H3——鏟尖和翼鏟抬起土壤實際高度H1——旋耕部件作業(yè)深度H4——鏟尖和翼鏟抬起土壤理論高度h——土壤壓縮高度α——翼鏟傾角S1——翼鏟在水平面投影長度B——翼鏟長度φ——翼鏟與土壤的摩擦角

聯(lián)立式(6)、(7)可得

(8)

為了保證深松鏟的疏松范圍，使后續(xù)旋耕部件較大范圍內(nèi)實現(xiàn)潛土作業(yè)，由圖5可知，兩翼鏟間作業(yè)寬度S2需滿足

S2≥S0-2(H2-H4)tanβ

(9)

式中S0——兩深松鏟安裝距離H2——深松作業(yè)深度β——松土扇形角

由式(8)可知，當(dāng)旋耕部件作業(yè)深度H1小于旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R時，若翼鏟長度B滿足式(9)要求，旋耕部件依然能夠潛土作業(yè)。長期以來，在我國華北平原壤土區(qū)旋耕機作業(yè)深度為130～150 mm，達不到作物生長需要的農(nóng)藝要求，且使土地耕層逐年上移[21-22]，因此，本設(shè)計旋耕深度H1定為180～250 mm，以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。如前所述，旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R取195 mm。參照文獻[23]，文中翼鏟傾角α取值23°。利用MXD-01型摩擦因數(shù)測量儀測定試驗地壤土與翼鏟的摩擦角φ均值為23.12°。當(dāng)旋耕深度H1取最小值180 mm時，將上述參數(shù)代入式(8)，求得B≥125.407 mm，綜合分析翼鏟阻力等問題，文中翼鏟長度B取值125 mm。

式(9)表明兩翼鏟間作業(yè)寬度S2與S0、H2、H4、β有關(guān)。隨著我國長期機械耕整地作業(yè)，土壤耕層變淺、犁底層加厚，現(xiàn)普遍達到120 mm以上[24]，嚴重影響土壤的透氣性、透水性，本文結(jié)合試驗地不同深度容重、緊實度測量結(jié)果，將深松作業(yè)深度H2設(shè)為380～450 mm；根據(jù)深松鏟等間距分布，兩深松鏟安裝距離S0取為625 mm；松土扇形角β近似取22.5°[25-26]。因此，當(dāng)深松作業(yè)深度H2為最小380 mm時，由式(6)、(9)可得所需兩翼鏟間作業(yè)寬度S2為350.79 mm，為了利于加工，S2取整350 mm。深松鏟其他結(jié)構(gòu)參照JB/T 9788—1999《深松鏟和深松鏟柄》，并結(jié)合壤土減阻破碎特性[27]，鏟柄厚度設(shè)計為25 mm、切削刃角為45°；鏟尖入土角為23°、長度為180 mm。

3 仿真分析

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機采用反轉(zhuǎn)旋耕，旋耕刀易將切削后的土壤拋向機具前方，形成壅土。減少機具作業(yè)時壅土量，有利于整機減少阻力、降低功耗。本文采用離散元分析軟件EDEM(英國DEM-Solutions公司)建立仿真土壤模型，并與正交試驗設(shè)計結(jié)合進行仿真，分析反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機作業(yè)速度、旋耕轉(zhuǎn)速、旋耕刀類型3個試驗因素對壅土量、植被覆蓋率2個試驗指標(biāo)的影響，從而優(yōu)化整機作業(yè)性能。在此基礎(chǔ)上，運用SolidWorks Simulation軟件對深松鏟進行靜力學(xué)有限元分析，為后續(xù)樣機試制和田間試驗做準(zhǔn)備。

3.1 離散元土壤模型建立

為了真實反映田間實際土壤，采用離散元法建立耕作層、犁底層、心土層3層土壤模型，并在地表均勻覆蓋秸稈殘茬。文中通過干篩法測量試驗區(qū)土壤質(zhì)地為壤土(粘粒質(zhì)量分數(shù)2.78%)，土壤顆粒表面粘附力較小，具有散粒體物料特性和壓縮性，同時忽略土壤模型中秸稈間的粘聚力。因此確定Hertz-Mindlin (no slip)為土壤與深松鏟、旋耕刀，秸稈與深松鏟、旋耕刀，以及秸稈間的接觸模型；選用Hysteretic Spring接觸模型和Linear Cohesion接觸模型為土壤顆粒間接觸模型。離散元仿真參數(shù)包括顆粒參數(shù)的本征參數(shù)和土壤顆粒接觸參數(shù)。本研究采用實驗測定、文獻參考和顆粒參數(shù)標(biāo)定等方法確定離散元仿真參數(shù)，其中秸稈相關(guān)仿真參數(shù)選取文獻[28-29]，3層土壤模型創(chuàng)建過程與參數(shù)詳見前期的研究[30]。通過確定仿真接觸模型及參數(shù)，并在不影響機具仿真結(jié)果條件下，同時考慮鎮(zhèn)壓輥、擋土輥、限深輪等部件對仿真結(jié)果影響較小，為了減少軟件運行時間和存儲空間，建立適用于反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機作業(yè)的離散元輕壤土虛擬土槽(3 000 mm(長)×2 600 mm(寬)×600 mm(高))。應(yīng)用SolidWorks軟件創(chuàng)建反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機幾何仿真模型，并將幾何仿真模型導(dǎo)入EDEM中。仿真土槽和幾何模型如圖6所示。

圖6 仿真土槽和幾何模型Fig.6 Simulation soil bin and geometric model1.秸稈殘茬 2.耕作層 3.犁底層 4.心土層

3.2 基于離散元仿真旋耕部件參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 試驗方法

在保證機具作業(yè)過程中土壤顆粒運動連續(xù)的前提下，設(shè)定仿真固定時間步長為2×10-5s，總仿真時間為5 s、網(wǎng)格單元尺寸為3倍最小顆粒半徑。同時設(shè)置機具旋耕作業(yè)深度為180 mm，深松作業(yè)深度為380 mm。結(jié)合每組因素組合方案進行3次重復(fù)試驗，分別測試每次作業(yè)的壅土量、植被覆蓋率，取平均值。

3.2.1.1 壅土量

堆積在機具前方土壤量的多少即為壅土量，機具作業(yè)的壅土量越少，表明作業(yè)拋土率效果好、功耗少。如圖7所示，在EDEM軟件中選取與旋耕刀軌跡線前端相切，且在地表上方的長方體區(qū)域，測量該區(qū)域土壤顆粒數(shù)量為壅土量Y1。一次試驗取機具作業(yè)平穩(wěn)段，測量3次求平均值。

圖7 壅土量測定Fig.7 Determining of heap soil quantity

3.2.1.2 植被覆蓋率

為了測定機具作業(yè)前后地表植被覆蓋量的變化，利用EDEM軟件網(wǎng)格劃分功能(Grid bin group模塊)沿垂直于機具前進方向取作業(yè)平穩(wěn)段，對仿真土槽進行區(qū)域劃分，隨機選取厚度為40 mm、長度為500 mm、寬度與機具幅寬相同的測量網(wǎng)格；提取該區(qū)域機具作業(yè)前、后植被顆粒質(zhì)量分別為Wq、Wh，如圖8所示。植被覆蓋率計算式為

(10)

圖8 植被覆蓋率測定Fig.8 Determining of straw coverage

3.2.2 試驗設(shè)計

在作業(yè)深度相同條件下，參考反旋旋耕機已有的研究成果[31-33]，機具作業(yè)壅土量與秸稈覆蓋率主要與機具前進速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀類型有關(guān)。因此，采用三因素三水平的正交試驗方法，以反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀類型為影響因素，以壅土量、秸稈覆蓋率為評價指標(biāo)，選用L9(34)正交表，進行反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機仿真。依據(jù)2.2.1節(jié)設(shè)定作業(yè)速度vm因素水平為1.80、2.88、3.96 km/h；刀軸轉(zhuǎn)速n因素水平為250、300、350 r/min。結(jié)合GB/T 5669—2008《旋耕機械 刀和刀座》選用旋耕刀類型X為深耕用的IIT195彎刀、IIS195鑿形刀、PIIT195直角刀。

3.2.3 試驗結(jié)果與分析

應(yīng)用IBM SPSS Statistics 21軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。正交試驗結(jié)果見表2，由表中極差分析表明：各因素影響壅土量Y1由大到小依次為：旋耕刀類型、刀軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度，較優(yōu)參數(shù)組合方案為X2n3vm1；各因素影響植被覆蓋率Y2由大到小依次為：旋耕刀類型、刀軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度，較優(yōu)參數(shù)組合方案為X1n3vm1。

由于正交試驗方案未包含優(yōu)化后的較優(yōu)參數(shù)組合方案，為了確保優(yōu)化結(jié)果可靠性，選取上述較優(yōu)參數(shù)組合進行試驗驗證，同時，為消除隨機誤差，采用上述試驗方法重復(fù)試驗3次，取平均值為試驗驗證值。測得參數(shù)組合方案為X2n3vm1時，試驗結(jié)果分別為壅土量4 683.33個土壤顆粒，植被覆蓋率74.56%；測得參數(shù)組合方案為X1n3vm1時試驗結(jié)果分別為壅土量5 283個土壤顆粒，植被覆蓋率98.37%。通過對IIS195鑿形刀作業(yè)過程分析可知，造成其作業(yè)壅土量較少、植被覆蓋率較低的主要原因為IIS195鑿形刀作業(yè)出現(xiàn)一定的漏耕現(xiàn)象，無法滿足耕整機作業(yè)要求。而參數(shù)組合方案為X1n3vm1的綜合作業(yè)質(zhì)量優(yōu)于其他參數(shù)組合下的作業(yè)性能。因此，整機采用較優(yōu)組合為：作業(yè)速度vm取1.8 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速n取350 r/min、旋耕刀類型X為IIT195彎刀。

3.3 基于離散元仿真深松鏟有限元靜力學(xué)分析

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機中深松部件深松鏟柄與翼鏟尺寸較大，有必要進行有限元強度校核。選擇深松鏟單體，在機具采用較優(yōu)參數(shù)組合下運用EDEM測量，深松鏟單體作業(yè)過程中工作阻力的變化(圖9a、9b)。由圖9b可知，旋耕部件未對前方土壤作用時，隨著深松鏟逐漸接觸土壤，深松鏟阻力逐步增加，并達到峰值，最大值為1.704 kN。當(dāng)旋耕部件入土作業(yè)時，前方土壤被疏松，深松鏟阻力迅速下降，并趨于穩(wěn)定。因此確定作業(yè)過程中深松鏟最大受力為1.704 kN。

表2 試驗方案及結(jié)果Tab.2 Experiment scheme and results

圖9 深松鏟有限元靜力學(xué)分析Fig.9 Finite element statics analysis of subsoiler

利用SolidWorks Simulation軟件對深松鏟進行靜力學(xué)有限元分析。本設(shè)計中鏟尖和翼鏟采用65Mn鋼加工，鏟尖進行熱處理，硬度為HRC52；鏟柄材料選用有一定彈性的Q275鋼，經(jīng)過熱軋冷拔和熱處理，硬度小于302 HB；對深松鏟進行網(wǎng)格劃分，共劃分18 973，得到31 831個節(jié)點，其中對主要受力部件深松鏟尖的網(wǎng)格劃分較密；由于深松鏟單體固定在機架上，所以對深松鏟柄端部添加約束固定，同時對深松鏟加載1.704 kN作業(yè)阻力，方向垂直深松鏟尖、翼鏟、鏟柄上表面(圖9c)。深松鏟有限元分析結(jié)果如圖9d、9e所示。由分析結(jié)果可知，最大合位移位于翼鏟鏟尖處，位移量為0.95 mm，處于Q275鋼的彈性變形范圍內(nèi)(圖9d)。翼鏟最大應(yīng)力位于與鏟尖的焊接處，為1.08×108Pa；鏟柄最大應(yīng)力出現(xiàn)在與鏟座連接處，為2.91×107Pa(圖9e)。分別低于65Mn鋼的許用應(yīng)力(150～286 MPa)和Q275鋼的許用應(yīng)力(110～175 MPa)，因此深松鏟強度滿足作業(yè)要求。

4 田間試驗

為了驗證上述設(shè)計及離散元仿真得到的較優(yōu)組合的準(zhǔn)確性，進行反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機田間試驗。試驗以耕深、耕深穩(wěn)定性、植被覆蓋率、土壤膨松度、地表平整度以及牽引阻力為指標(biāo)，綜合評價反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機與深松旋耕聯(lián)合整地機工作性能及耕作效果。

4.1 試驗條件

田間試驗于2015年10月15日在河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)(115°56′E、39°28′N)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)河北北部耕地保育科學(xué)觀測實驗站進行。試驗設(shè)備主要包括雷沃M1104型拖拉機、反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機樣機、深松旋耕聯(lián)合整地機(工作幅寬2 500 mm、深松鏟在旋耕部件前方、旋耕為正轉(zhuǎn)、旋耕刀IIT195彎刀、深松鏟為雙翼鏟)、田間綜合測試車、緊實度測量儀、環(huán)刀、土壤盒、電熱恒溫干燥箱、卷尺、鋼尺、電子秤等。測量測試區(qū)深度0～500 mm土壤的容重1.54 g/cm3、含水率13.17%、緊實度3 664.13 kPa。試驗區(qū)前茬作物為玉米，秸稈經(jīng)過還田機粉碎、覆蓋均勻，覆蓋量為1.82 kg/m2。

4.2 試驗方法

選取地勢平坦、長度為200 m、寬度為30 m的試驗地塊，設(shè)定中間100 m為工作平穩(wěn)區(qū)，試驗區(qū)寬度20 m作為測量區(qū)域。測量采用5點取樣法，測量點選取平行四邊形對角線均分點。兩種機具平均作業(yè)速度為1.8 km/h、旋耕轉(zhuǎn)速為350 r/min、旋耕深度為180 mm、深松深度為380 mm。利用田間綜合測試車取作業(yè)穩(wěn)定區(qū)連續(xù)的100次計數(shù)點，測量機具牽引阻力[34]。兩種機具性能指標(biāo)和試驗方法依據(jù)JB/T 10295—2014《深松整地聯(lián)合作業(yè)機》，試驗指標(biāo)有：旋耕深度、旋耕深度穩(wěn)定性、深松深度、深松深度穩(wěn)定性、植被覆蓋率、土壤膨松度、地表平整度。

4.3 試驗結(jié)果與分析

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機試驗現(xiàn)場如圖10所示。各性能指標(biāo)均為行程結(jié)果的平均值，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機與深松旋耕聯(lián)合整地機作業(yè)性能試驗結(jié)果如表3所示。兩種機具牽引阻力如圖11所示。

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機試驗結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比表明：反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分別為182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%；旋耕深度穩(wěn)定性、深松深度穩(wěn)定性、植被覆蓋率均在90%以上。均滿足JB/T 10295—2014《深松整地聯(lián)合作業(yè)機》評定指標(biāo)。說明反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機一次作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)深層土壤疏松、表層土壤破碎平整、混合秸稈的目的，使土壤達到待播狀態(tài)。

圖10 田間試驗Fig.10 Photo of field test

性能參數(shù)反旋深松機試驗結(jié)果深松旋耕機試驗結(jié)果行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)旋耕深度/mm182.8188.0≥80旋耕深度穩(wěn)定性/%92.1186.72≥85深松深度/mm388.4325.4≥250深松深度穩(wěn)定性/%96.0987.11≥80植被覆蓋率/%97.2584.48≥60土壤膨松度/%17.2216.5610～40地表平整度/mm18.317.7≤40

圖11 牽引阻力測量對比Fig.11 Comparison of drag force measurement

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機試驗結(jié)果與深松旋耕聯(lián)合整地機對比表明：與深松旋耕聯(lián)合整地機相比，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機作業(yè)提高了6.22%的旋耕深度穩(wěn)定性與10.3%的深松深度穩(wěn)定性，表明基于交互作業(yè)的深松部件與旋耕部件設(shè)計提高了聯(lián)合作業(yè)耕整機耕深穩(wěn)定性；反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機植被覆蓋率97.25%，比深松旋耕聯(lián)合整地機提高了15.12%，與離散元仿真較優(yōu)組合的植被覆蓋率98.37%基本一致，因此得出：反轉(zhuǎn)旋耕比正轉(zhuǎn)旋耕提高了植被覆蓋率；離散元仿真的準(zhǔn)確性和可行性；反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機土壤膨松度、地表平整度與深松旋耕聯(lián)合整地機基本相同。綜合分析可知，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機比深松旋耕聯(lián)合整地機提高了耕作穩(wěn)定性和植被覆蓋率，且不會影響其他作業(yè)指標(biāo)。

由圖11兩種機具牽引阻力田間測量結(jié)果可得：旋耕深度為180 mm、深松深度為380 mm時，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機牽引阻力10.32 kN比深松旋耕聯(lián)合整地機牽引阻力12.31 kN平均降低了16.21%。在深松旋耕聯(lián)合整地機作業(yè)過程中前部的深松鏟纏繞大量秸稈根茬，且出現(xiàn)拖拉機打滑現(xiàn)象，造成多次停機，嚴重影響其作業(yè)質(zhì)量；而反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機作業(yè)過程較為穩(wěn)定，并未出現(xiàn)秸稈纏繞和打滑現(xiàn)象。由此表明：深層耕作時，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機有較好的減阻、防纏效果；離散元優(yōu)化參數(shù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1)以加深耕作深度、提高作業(yè)質(zhì)量、減少作業(yè)功耗為目標(biāo)，設(shè)計一種反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機。一次作業(yè)完成深松、旋耕、鎮(zhèn)壓等工序，從而實現(xiàn)深層土壤疏松、表層土壤破碎平整、秸稈混埋的目的。其中基于部件作業(yè)過程中的交互作用，設(shè)計旋耕部件置于深松鏟柄彎弧斜上方，以降低阻力和減少秸稈纏繞；確定整機重心為位于旋耕與深松間，以增加耕深穩(wěn)定性；確定旋耕部件為反轉(zhuǎn)旋耕，提高整機作業(yè)質(zhì)量；設(shè)計翼鏟長度為125 mm、兩翼鏟間作業(yè)寬度為350 mm，以使旋耕深度較淺時能夠?qū)崿F(xiàn)潛土作業(yè)。

(2)利用EDEM軟件對反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機進行虛擬仿真分析，通過三因素三水平正交試驗，優(yōu)化仿真分析得出：作業(yè)速度vm為1.8 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速n為350 r/min、旋耕刀類型X為IIT195彎刀為較優(yōu)參數(shù)組合，此時，機具作業(yè)壅土量為5 283個土壤顆粒，植被覆蓋率為98.37%。并基于離散元仿真過程中深松鏟單體牽引阻力變化，對深松鏟進行靜力學(xué)有限元分析，得出深松鏟強度滿足作業(yè)要求。

(3)田間試驗結(jié)果表明，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分別為182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%；旋耕深度穩(wěn)定性、深松深度穩(wěn)定性、植被覆蓋率均在90%以上，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)性能評定指標(biāo)。與深松旋耕聯(lián)合整地機相比，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機不影響作業(yè)效果前提下，提高了耕深穩(wěn)定性、植被覆蓋率，同時使?fàn)恳枇档土?6.21%。

1 李寶筏．農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005．

2 鄭侃，何進，王慶杰，等. 聯(lián)合整地作業(yè)機具的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機化研究，2016，38(1): 257-263. ZHENG Kan, HE Jin, WANG Qingjie, et al. The current research status of combined tillage machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(1): 257-263. (in Chinese)

3 TAO Zhiqiang, SUI Peng, CHEN Yuanquan, et al. Subsoiling and ridge tillage alleviate the high temperature stress in spring maize in the North China Plain[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2013, 12(12): 2179-2188.

4 HU Hengyu, NING Tangyuan, LI Zengjia, et al. Coupling effects of urea types and subsoiling on nitrogen water use and yield of different varieties of maize in Northern China[J]. Field Crops Research, 2013, 142(3): 85-94.

5 RAPER R L, REEVES D W, SHAW J N, et al. Benefits of site specific subsoiling for cotton production in coastal plain soils[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 96(1): 174-181.

6 AMARDEEP S K, GURMEET S C, SHISLI S. Wear behavior of hardfacings on rotary tiller blader[J]. Procedia Engineering, 2014, 97: 1442-1451.

7 夏俊芳，許綺川，周勇. 旋耕技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，24(增刊1): 83-85. XIA Junfang, XU Qichuan, ZHOU Yong. Status and research prospects for the technology of rotary tillage[J].Journal of Huazhong Agricultural University, 2005,24(Supp.1): 83-85. (in Chinese)

8 趙偉，周志立，牛毅，等. 深松與旋耕組合作業(yè)機具的開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38(2): 79-82. ZHAO Wei, ZHOU Zhili, NIU Yi, et al. Development of subsoiling and rotary tilling unit[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(2): 79-82. (in Chinese)

9 趙大勇，李連豪，許春林，等. 1ZQHF-350/5型前后分置懸掛式聯(lián)合整地機[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(10): 92-96. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20141015&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2014.10.015. ZHAO Dayong, LI Lianhao, XU Chunlin, et al. 1ZQHF-350/5 hang combined cultivating machine with front-stubble-breaking post-subsoil and rotary-tilling equipment[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 92-96. (in Chinese)

10 張欣悅，李連豪，汪春，等. 1GSZ-350型滅茬旋耕聯(lián)合整地機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(5): 73-77. ZHANG Xinyue, LI Lianhao, WANG Chun, et al. Design and test of 1GSZ-350 stubble-breaking and rotary tilling combined cultivating machine [J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(5): 73-77. (in Chinese)

11 秦寬，丁為民，方志超，等. 犁翻旋耕復(fù)試作業(yè)耕整機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(16): 7-16. QIN Kuan, DING Weimin, FANG Zhichao, et al. Design and experiment of plowing and rotary tillage combined machine [J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(16): 7-16. (in Chinese)

12 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機械化管理司．中國保護性耕作[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008．

13 銀廣，牛吉朋，巴青城，等. 深松、旋耕單獨作業(yè)與深松旋耕聯(lián)合整地機作業(yè)對比分析[J]. 南方農(nóng)業(yè)，2015，9(18): 169-170.

14 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007．

15 丁為民，王耀華，彭嵩植. 正、反轉(zhuǎn)旋耕刀性能分析及切土扭矩比較試驗[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，24(1): 113-117. DING Weimin, WANG Yaohua, PENG Songzhi. Comparison experiment and property analysis of up cut and down cut rotary baldes[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2001, 24(1): 113-117. (in Chinese)

16 陳青春，石勇，丁啟朔，等. 正反轉(zhuǎn)旋耕作業(yè)的秸稈混埋效果比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(9): 13-18. CHEN Qingchun, SHI Yong, DING Qishuo, et al. Comparison of straw incorporation effect with down-cut and up-cut rotary tillage[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(9): 13-18. (in Chinese)

17 桑正中，王長兵. 潛土逆轉(zhuǎn)耕耘研究展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1994，10(3): 88-92.

18 丁為民，王耀華，彭嵩植. 正、反轉(zhuǎn)旋耕不同耕作性能的比較[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，26(3): 106-109. DING Weimin, WANG Yaohua, PENG Songzhi. Comparison on performances of up cut and down cut rotary tillage[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2003, 26(3): 106-109. (in Chinese)

19 SHIBUSAWA S. Reverse rotational rotary tiller for reduced power requirement in deep tillage[J]. Journal of Terramechancis, 1993, 30(3): 205-217.

20 鄭厚貴，張周強，徐武彬，等. 基于土壤壓縮破壞理論的挖掘鏟的設(shè)計與分析[J]. 農(nóng)機化研究，2011，33(11): 122-126. ZHENG Hougui, ZHANG Zhouqiang, XU Wubin, et al. Based on soil compression and failure theory of digging shovel design and analysis[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(11): 122-126. (in Chinese)

21 石彥琴，高旺盛，陳源泉，等. 耕層厚度對華北高產(chǎn)灌溉農(nóng)田土壤有機碳儲量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(11)：85-90.

22 李軼冰，逄煥成，楊雪，等. 粉壟耕作對黃淮海北部土壤水分及其利用效率的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2013，33(23)：7478-7486. LI Yibing, PANG Huancheng, YANG Xue, et al. Effects of deep vertically rotary tillage on soil water and water use efficiency in northern China’s Huang-Huai-Hai Region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(23): 7478-7486. (in Chinese)

23 李洪文，高煥文，王興文. 可調(diào)翼鏟式深松機的試驗研究[J]. 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報，1995，15(2): 33-39. LI Hongwen, GAO Huanwen, WANG Xingwen. Experimental study on subsoiler with adjustable wine[J]. Journal of Beijing Agricultural Engineering University, 1995, 15(2): 33-39. (in Chinese)

24 李霞. 振動深松減阻機理及試驗研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013. LI Xia. Study on mechanism of traction reduction and experiment vibrating subsoiling[D]. Beijing：China Agricultural University, 2013. (in Chinese)

25 李洪文，陳君達，李問盈. 保護性耕作條件下深松技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2000，31(6): 42-45. LI Hongwen, CHEN Junda, LI Wenying. Study on subsoiling technique for conservation tillage field[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2000, 31(6): 42-45. (in Chinese)

26 周玉乾. 深松鏟受力數(shù)學(xué)模型與計算機模擬[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006. ZHOU Yuqian. Force mathematical model and computer simulation of the subsoiler[D]. Zhengzhou：Henan Agricultural University, 2006. (in Chinese)

27 曾德超．機械土壤動力學(xué)[M]．北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1990．

28 馮俊小，林佳，李十中，等. 秸稈固態(tài)發(fā)酵回轉(zhuǎn)筒內(nèi)顆?；旌蠣顟B(tài)離散元參數(shù)標(biāo)定[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(3): 208-213. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150330&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.030. FENG Junxiao, LIN Jia, LI Shizhong, et al. Calibration of discrete element parameters of particle in rotary solid state fermenters[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 208-213. (in Chinese)

29 方會敏，姬長英，AHMED Ali Tagar，等. 秸稈土壤旋耕刀系統(tǒng)中秸稈位移仿真分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(1): 60-67. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160109&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.009. FANG Huimin, JI Changying, AHMED Ali Tagar, et al. Simulation analysis of straw movement in straw soil rotary blade system[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 60-67. (in Chinese)

30 鄭侃，何進，李洪文，等. 基于離散元深松土壤模型的折線破土刃深松鏟研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(9): 62-72. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160910&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.010. ZHENG Kan, HE Jin, LI Hongwen, et al. Research on polyline soil breaking blade subsoiler based on subsoiling soil model using discrete element method[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 62-72. (in Chinese)

31 李伯全，陳翠英，梁君秋. 潛土逆轉(zhuǎn)旋耕理論模型驗證及工作參數(shù)選擇[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報，2005，26(3): 203-205. LI Boquan, CHEN Cuiying, LIANG Junqiu. Proof of theoretic model for latent soil of up cut rotary cultivation and optimization of working parameters[J]. Journal of Jiangsu University, 2005, 26(3): 203-205. (in Chinese)

32 郭俊，姬長英，方會敏，等. 正反轉(zhuǎn)旋耕后土壤和秸稈位移試驗分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(5): 21-26. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160504&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.004. GUO Jun, JI Changying, FANG Huimin, et al. Experimental analysis of soil and straw displacement after up cut and down cut rotary tillage[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 21-26. (in Chinese)

33 王金武，王奇，唐漢，等. 水稻秸稈深埋整稈還田裝置設(shè)計與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(9): 112-117. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150916&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2015.09.016. WANG, Jinwu, WANG Qi, TANG Han, et al. Design and experiment of rice straw deep buried and whole straw returning device[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 112-117. (in Chinese)

34 喬曉東，王曉燕，顏華，等. 后懸掛農(nóng)具田間試驗平臺[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(8): 63-68. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20130811&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2013.08.011. QIAO Xiaodong, WANG Xiaoyan, YAN Hua, et al. Field experiment platform for rear suspension[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(8): 63-68. (in Chinese)

Design and Experiment of Combined Tillage Implement of Reverse-rotary and Subsoiling

ZHENG Kan HE Jin LI Hongwen ZHAO Hongbo HU Hongnan LIU Wenzheng

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Considering most of the present combined machines of rotary and subsoiling usually place subsoiling components in front of rotary components, without the research of interaction between these two working components, based on the interaction between subsoiling and rotary tillage components, a combined tillage implement of reverse-rotary and subsoiling for deep ploughing was designed and developed. The overall implement aimed at deepening the working depth, improving the working quality and reducing tillage resistance, with focus on the interaction research of the process of rotary tillage and subsoiling components. Whole implement parameter was optimized by discrete element method (DEM), orthogonal experiment and finite element analysis (FEM) simulation. As indicated in the results of simulated orthogonal experiment, working quality was the best when operation speed was 1.8 km/h, rotary speed was 350 r/min, rotary blade typeXwas IIT195, in which case particle amount of heap soil quantity was 5 283, straw coverage was 98.37%; the results of DEM demonstrated that the strength met the working requirements. Field test based on optimal parameters showed that rotary tillage depth was 182.8 mm, subsoiling depth was 388.4 mm, surface flatness was 18.3 mm and soil bulkiness was 17.22% for the combined tillage implement of reverse-rotary and subsoiling; rotary tillage depth stability, subsoiling depth stability and straw coverage were all beyond 90%, which completely met the soil preparation requirement in deep layer. Compared with combined subsoiling and rotary cultivator, this combined tillage implement of reverse-rotary and subsoiling had better consistence of working depths, higher vegetation coverage and the tillage resistance was reduced by 16.21% under qualified working quality, and it had high working stability and reliability. The development of this implement can provide reference for deep layer cultivation and tillage resistance combined cultivator in arid areas of North China.

subsoiling; rotary tillage; combined working; discrete element method

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.006

2016-11-24

2016-12-16

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503136)和教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT13039)

鄭侃(1987—)，男，博士生，主要從事保護性耕作深松作業(yè)機具研究，E-mail: zhengkan0219@163.com

何進(1979—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護性耕作研究，E-mail: hejin@cau.edu.cn

S222.4

A

1000-1298(2017)08-0061-11