王加一 趙淑紅 高連龍 袁溢文 楊悅乾

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

破茬刀是耕整地機械和免耕播種機核心部件之一[1-3]，位于機具的前端，切割根茬和土壤，為機具的通過性增加保障[4-5]，因此破茬作業(yè)在耕整和播種作業(yè)中強度最大，其產(chǎn)生的耕作阻力大，附帶的發(fā)動機功耗也較高。

21世紀(jì)初，保護性耕作下平面圓盤[6-7]、缺口圓盤[8-10]、波紋圓盤[11-12]等技術(shù)逐漸被提出。近年來，動態(tài)減阻[13-14]、仿生減阻[14-16]、結(jié)構(gòu)設(shè)計減阻[17-19]等方法得到研究，減阻方法應(yīng)用于破茬刀中能夠降低耕作阻力。但現(xiàn)有的圓盤式破茬刀結(jié)構(gòu)固定，降低耕作阻力的同時存在滑推現(xiàn)象，致使破茬比率較低。

本文針對耕整地機械和免耕播種機上應(yīng)用的被動圓盤式破茬刀存在的問題，設(shè)計一種隨動自調(diào)刃口角破茬刀(自調(diào)破茬刀)。其應(yīng)用環(huán)境為秸稈粉碎還田下的玉米壟作免耕地，在作業(yè)過程中根據(jù)刀片不同位置的受力差異性，觸動緩沖機構(gòu)，從而調(diào)整切割角度，降低耕作阻力，增強作業(yè)效果，從而保證機具的性能。通過仿真試驗與田間試驗對設(shè)計結(jié)果和作業(yè)性能進行測試驗證。

1 破茬刀結(jié)構(gòu)與作業(yè)原理

設(shè)計的自調(diào)破茬刀主要由刀盤、6片刀片和緩沖機構(gòu)組成，主要結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理如圖1所示。

所設(shè)計的自調(diào)破茬刀為被動式，其作業(yè)主要分為入土過程、切割過程、出土過程和復(fù)位過程。設(shè)v為機具前進速度，則破茬刀在牽引力F和摩擦阻力Ff作用下，形成一對力偶，使破茬刀被動旋轉(zhuǎn)，ω為其旋轉(zhuǎn)角速度，R為自調(diào)破茬刀半徑。則自調(diào)破茬刀在入土過程中(圖1b)，主要受到土壤或根茬的支持力FN作用，破茬刀片繞銷軸逆時針轉(zhuǎn)動，使彈簧1壓縮，彈簧2拉伸。刀片的滑切角由α變?yōu)棣痢?，前者相比后者滑切角增大，因此在入土過程中阻力降低。

切割過程中，自調(diào)破茬刀刃口法線順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)入土較淺時(圖1c)，與刀片速度之間的夾角逐漸縮小，即滑切角減小，滑移量減小，增加切割進給量[20]，增加切割效果。當(dāng)入土較深時，自調(diào)破茬刀刃口法線方向轉(zhuǎn)過刀片速度方向(圖1d)，且由于隨刀片入土深度增加，土壤貫入阻力增大，因此FN0明顯大于FN1，故彈簧1拉伸，彈簧2壓縮，刀片繞銷順時針旋轉(zhuǎn)，α′相比于α在逐漸增大，此時滑切角增大，降低切割阻力。

出土過程中(圖1e)，刀片的運動方向為前上方，不涉及切割土壤和根茬，刀片僅在摩擦阻力Ff作用下使彈簧1壓縮，彈簧2拉伸，刀片旋轉(zhuǎn)，降低力對機具的扭矩，從而保護機具，降低機具的變形量。

刀片出土后自動復(fù)位(圖1f)，保證旋轉(zhuǎn)中的弧度，準(zhǔn)備下一入土過程。

2 自調(diào)破茬刀設(shè)計

2.1 破茬刀切割根茬分析

在n軸和t軸方向上建立動力學(xué)方程

(1)

(2)

其中

Ft=Fntanφ

(3)

式中φ——根茬與破茬刀之間的滑動摩擦角，(°)

聯(lián)立公式(1)～(3)得到

(4)

傳統(tǒng)耕整地機械和免耕播種機上應(yīng)用的被動圓盤式破茬刀主要為平面圓盤刀和缺口破茬刀[19]，其刀片結(jié)構(gòu)為固定的圓形，以平面圓盤刀為例進行分析，如圖3所示。

當(dāng)圓盤刀半徑為230 mm，入土深度為80 mm時，選取任意兩位置對滑切角進行測量，分別為24°和17°，由此可得，隨入土深度的增加，圓盤刀滑切角由24°逐漸減小到0°，結(jié)合地表根茬的滑切角為16.7°～22.4°[21]。因此當(dāng)圓盤刀與根茬接觸時，會產(chǎn)生滑移作用，降低破茬比率；隨入土深度的增加，滑切角減小，耕作阻力增加，若能對此過程中的滑切角進行調(diào)節(jié)，將會改變耕作阻力。

2.2 緩沖機構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的自調(diào)破茬刀采用圓盤形式，刀片厚度設(shè)計為4 mm。為了降低自調(diào)破茬刀在作業(yè)過程中的耕作阻力，增強切割性能，同時降低自調(diào)破茬刀受扭矩時機具的變形量，在刀盤和刀片之間設(shè)計緩沖機構(gòu)。

2.2.1土壤貫入阻力的測量

在土壤耕作層內(nèi)，隨著自調(diào)破茬刀入土深度的增加，土壤貫入阻力在逐漸增大，且刀片偏離中心線的距離在逐漸減小，因此刀片受到力的作用在緩沖機構(gòu)上更為明顯。為設(shè)計與此作業(yè)過程相對應(yīng)的緩沖機構(gòu)，需對土壤貫入阻力進行測量。

試驗條件：測試試驗于2019年10月20日在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗地進行。試驗地為玉米壟作地，土壤平均含水率(19±1)%，根茬平均含水率為181.7%(干含水率)，試驗地面積為0.27 hm2，土壤為東北黑壤土。所用試驗儀器為SC-900型土壤硬度儀(北京沃特蘭德科技有限公司)。

測試方法：測試方法參照文獻[22]，本次試驗對壟臺進行測試，首先將平面鋁板隨機放置在壟臺上。然后將硬度計以均勻的速度通過鋁板上的圓孔插入土壤中，速度小于182 cm/min。在插入過程中，數(shù)據(jù)每25 mm由硬度儀自動存儲一次。對試驗田進行多點測試，測試點包含根茬與根茬間的土壤部分以及根茬周圍的根土結(jié)合體部分，共計測試120次，取0、25、50、75 mm處平均值作為測試結(jié)果。試驗場地和操作如圖4所示。

試驗結(jié)果：對數(shù)據(jù)進行剔除，土壤貫入阻力隨土壤深度變化如圖5所示。

由圖5可以得到，在0～75 mm內(nèi)，土壤貫入阻力隨土壤深度的增加顯著性增加，故在自調(diào)破茬刀入土深度變化時緩沖機構(gòu)受力狀態(tài)不同。

2.2.2緩沖機構(gòu)分析與設(shè)計

由于土壤貫入阻力隨土壤深度的變化差異明顯，因此自調(diào)破茬刀在作業(yè)過程中緩沖機構(gòu)受力變化較大。依據(jù)土壤貫入阻力的測試數(shù)據(jù)，結(jié)合破茬刀入土深度，本文主要對破茬刀入土深度為0以及彈簧中心線在刃口上的對應(yīng)點入土深度為25、50、75 mm時進行分析。

當(dāng)自調(diào)破茬刀入土深度為0時，受力狀態(tài)如圖6a所示，此時刀片為點接觸，不涉及刀片刃口曲線受力，添加緩沖機構(gòu)使刀片繞銷軸逆時針旋轉(zhuǎn)，圖2中的n軸逆時針旋轉(zhuǎn)，增大滑切角，降低耕作阻力，并帶動緩沖機構(gòu)拉伸與壓縮，此時平均土壤貫入阻力為78.24 kPa，因此此時彈簧的拉伸與壓縮未達到彈簧的極限，僅要求彈簧的強度滿足支撐條件，不對入土深度為0時的彈簧進行求解。

當(dāng)入土深度h為25 mm時，受力狀態(tài)如圖6b所示，q為自調(diào)破茬刀入土位置所對應(yīng)的載荷(大小等于土壤貫入阻力)，其所產(chǎn)生的力為支持力，彈簧變形后的形變量為Δx，滿足

N1=qA

(5)

N1=kΔx

(6)

式中N1——自調(diào)破茬刀所受的支持力，N

A——有效受力面積，mm2

k——彈簧勁度系數(shù)，N/mm

入土深度為25 mm時，結(jié)合2.1節(jié)對破茬刀切割根茬時的受力分析，為降低耕作阻力同時保證較強的切割能力(無滑移)，綜合考慮滑切角的設(shè)計范圍，將滑切角控制為小于此時的土壤和根茬摩擦角[21]，因此需要對土壤和根茬的摩擦角進行測定，由于整個入土過程都需要依據(jù)土壤和根茬摩擦角對彈簧的極限位置進行限定，故對25、50、75 mm處的土壤與根茬滑動摩擦角進行測定，測定方法同文獻[23-24]，以平均值作為最后的測定結(jié)果，測定過程如圖7所示，測定結(jié)果如表1所示。

表1 根茬與土壤滑動摩擦角測定結(jié)果Tab.1 Measurement result of sliding friction angle of stubble and soil

對入土深度為25 mm進行計算，將25 mm深度周圍的載荷平均值理想化為25 mm處土壤貫入阻力(下同)，有效受力面積的計算方法為

A=ld

(7)

其中

l=Rθ

(8)

式中l(wèi)——刃口弧長，mm

θ——入土部分刃口所對應(yīng)的圓心角，rad

d——刀片厚度，mm

結(jié)合計算機輔助設(shè)計軟件AuCAD 2007的標(biāo)注功能，得到刀片在支持力方向上的有效受力面積為227.69 mm2，結(jié)合圖5中土壤深度為25 mm時的土壤貫入阻力，由式(5)進行計算得到N1為49.7 N。若控制滑切角α為19°，結(jié)合AuCAD 2007軟件，得到Δx為1.16 mm，結(jié)合公式(6)得到，滑切角小于此時的土壤和根茬摩擦角時，需要保證k≤42.84 N/mm，此時能夠使圖2中的n軸順時針旋轉(zhuǎn)，但絕對速度方向改變，滑切角減小，實現(xiàn)無滑移切割。

當(dāng)入土深度為50 mm時，如圖6c所示，計算得到在支持力方向上的有效受力面積為397.31 mm2，結(jié)合圖5中土壤深度為50 mm時的土壤貫入阻力進行計算，得到N1為274.85 N。此時滑切角為16°，遠小于表1中的24.1°，能保證無滑移切割，但滑切角減小較多時會增加耕作阻力，故彈簧微壓縮即可，此時若滑切角減小2°，彈簧形變量Δx為0.72 mm，對于勁度系數(shù)k無上限要求，此時與25 mm深度切割原理相同。

當(dāng)入土深度為75 mm時，如圖6d所示，此時自調(diào)破茬刀刃口的載荷對彈簧1和彈簧2均有壓力，但彈簧2壓力更大，故彈簧2壓縮、彈簧1拉伸，設(shè)q1經(jīng)刀片對彈簧2作用，q2經(jīng)刀片對彈簧1作用，計算得到q1和q2在支持力方向上的有效受力面積分別為409.54、264.37 mm2，結(jié)合圖5中土壤深度為75 mm和25 mm時的土壤貫入阻力進行計算，得到N1為403.81 N(兩者做差)。若為了降低耕作阻力，需要增大此時的滑切角，結(jié)合AuCAD 2007軟件得到彈簧此時的最大形變量Δx為6.6 mm，因此要求k≤61.18 N/mm，此時能夠使圖2中的n軸順時針旋轉(zhuǎn)，絕對速度方向改變較小，滑切角增大，增強滑切效果，降低耕作阻力。

綜上，當(dāng)入土深度為25 mm時，計算值誤差較小；當(dāng)入土深度為50 mm時，計算得到的支持力偏大，但此時彈簧滿足支撐強度；當(dāng)入土深度為75 mm時，計算得到的支持力偏大，k值偏大。

結(jié)合文獻[25-26]中根茬的剪切試驗得到，當(dāng)?shù)镀?00 mm/min的速度切割根茬時，最大剪切力為242 N，刀片運動速度越快，最大剪切力越小，本文所設(shè)計破茬刀刃口線速度遠大于200 mm/min，故將k設(shè)計為42 N/mm，彈簧達到最大壓縮量6.6 mm時，所施加的力大于242 N，能夠切斷根茬。材料為65Mn鋼，淬火處理。

依據(jù)文獻[25]，根茬極限剪切力為195.78 N，本文設(shè)計彈簧k為42 N/mm，最大形變量Δx為6.6 mm，故自調(diào)破茬刀可以施加277.2 N的剪切力，能夠切斷根茬。

2.3 刀盤與刀片設(shè)計

為了安裝刀片且方便加工(刀盤與刀片鉸接)，將刀盤設(shè)計為3層，每層厚度為4 mm，刀盤與刀片連接處留有空間。所設(shè)計的刀盤材料為65Mn鋼，工程圖如圖8所示。

刀片設(shè)計為6片，每片刀片留有鉸接孔。基于2.1.2節(jié)中的分析，為了保證刀片繞鉸接孔的最大轉(zhuǎn)角(在彈簧壓縮過程中刀片不干涉)，同時在作業(yè)過程中不存在漏切(刀片在入土后彈簧壓縮使刀片間的間隙減小)，結(jié)合AuCAD 2007軟件，限制壓縮的極限位置，最終每片刀片所對應(yīng)的圓心角為53.8°，刀片與刀片間的間隙所對應(yīng)的圓心角為6.2°，間隙變換原理圖如圖9a所示，整個破茬刀實物圖如圖9b所示，材料為65Mn鋼。

3 驗證試驗

3.1 試驗條件與設(shè)備

本次試驗于2020年10月26日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗地進行，試驗地為玉米壟作地，壟間距為650 mm，試驗地面積為0.27 hm2，平均根茬分布為3～4個/m，試驗地80 mm以內(nèi)耕層的平均土壤含水率為(20±1)%，根茬平均含水率為184.3%(干含水率)，試驗所用設(shè)備為奔野454型拖拉機(寧波奔野拖拉機汽車制造有限公司)、機架、自調(diào)破茬刀、計算機、高速攝像機(美國阿美特克有限公司)、直流電源、逆變器等，如圖10所示。

3.2 試驗方法

對自調(diào)破茬刀切割根茬和土壤時進行分析，隨機選取試驗地內(nèi)5處根茬，擺設(shè)并調(diào)整高速攝像機位，拖拉機帶動機架和自調(diào)破茬刀正常作業(yè)時，對破茬過程中自調(diào)破茬刀的運動狀態(tài)進行拍攝，記錄并保存。

3.3 試驗結(jié)果

在Phantom 2.8軟件中對所拍攝的視頻進行分析，結(jié)果如圖11所示，并對攝像結(jié)果中的彈簧形變量進行提取，入土深度為25、50、75 mm時分別為1.08、3.89、6.12 mm。

與2.2.1節(jié)中設(shè)計的理論值相比，當(dāng)自調(diào)破茬刀深度為25 mm時，彈簧形變量相差6.9%，相差較小，且刀片與理論設(shè)計中的調(diào)整趨勢相同；當(dāng)自調(diào)破茬刀深度為50 mm時，彈簧形變量較大，不能實現(xiàn)微調(diào)，此時滑切角減小，增強切割能力；當(dāng)自調(diào)破茬刀深度為75 mm時，彈簧形變量相差7.3%，彈簧壓縮，滑切角增大，降低切割阻力。以上3種深度均無滑移，存在滑切，且刀片運動趨勢與理論設(shè)計一致，試驗結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)漏切現(xiàn)象，故本試驗結(jié)果驗證了設(shè)計思路的合理性、自調(diào)破茬刀切割土壤和根茬的優(yōu)良性以及緩沖機構(gòu)的可行性。

4 對比試驗

為對比所設(shè)計的自調(diào)破茬刀與傳統(tǒng)常用破茬刀的作業(yè)性能與作業(yè)效果，進行大田試驗。

4.1 試驗設(shè)備

試驗時間為2020年10月28日—11月2日，試驗條件與3.1節(jié)中相同。試驗設(shè)備為奔野454型拖拉機(寧波奔野拖拉機汽車制造有限公司)、約翰迪爾354型拖拉機、2BM-2型免耕播種機、自調(diào)破茬刀、圓盤刀、缺口圓盤刀、GPS-10A型機動車多功能檢測儀等，如圖12所示。

4.2 試驗方案

將所設(shè)計自調(diào)破茬刀與常用的圓盤刀、缺口圓盤刀進行對比，對比因素為作業(yè)速度(拖拉機作業(yè)中常用擋位：慢2擋、慢3擋、快1擋和快2擋，均為手動桿三分之一油量)，試驗指標(biāo)為耕作阻力、耗油量(采用前拖拉機牽引后拖拉機懸掛的方式測試)和破茬比率。由于播種機為雙行作業(yè)(被測部件安裝于左側(cè)單體，右側(cè)單體安裝圓盤刀來平衡耕作阻力)，試驗指標(biāo)耕作阻力和耗油量的測試方法為：測出兩部件不工作時的示數(shù)Y、被測部件與平衡部件均工作時的示數(shù)Y1以及兩平衡部件工作時的示數(shù)Y2。則被測部件的示數(shù)Y0為

(9)

將每個試驗區(qū)劃分為10 m的測試區(qū)和5 m的準(zhǔn)備區(qū)，機具在試驗準(zhǔn)備區(qū)達到速度平穩(wěn)后進入試驗區(qū)[19]，每次試驗重復(fù)3次，以平均值為每次試驗的評價標(biāo)準(zhǔn)，耗油量的結(jié)果為每作業(yè)10 m的耗油量，耕作阻力的結(jié)果為作業(yè)10 m過程的平均值。

破茬比率的測試方法同文獻[19]。

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如圖13所示。由圖13可以得到，所設(shè)計的自調(diào)破茬刀在各擋位下的平均耕作阻力和耗油量為391.86 N、8.03 mL，優(yōu)于圓盤刀的452.08 N、9.95 mL，圓盤刀優(yōu)于缺口圓盤刀的493.43 N、12.41 mL；在破茬比率方面，所設(shè)計的自調(diào)破茬刀在各擋位下的平均破茬比率為96.8%，優(yōu)于缺口圓盤刀的92.5%，缺口圓盤刀優(yōu)于圓盤刀的83.4%。所設(shè)計的自調(diào)破茬刀相對于圓盤刀和缺口圓盤刀，耕作阻力降低了13.3%和20.6%，耗油量降低了19.3%和35.3%，破茬比率提高了16.1%和4.6%。

隨作業(yè)速度的增加，各破茬刀的耕作阻力增加；各破茬刀的耗油量降低。耕作阻力增加而耗油量降低的原因是通過相同10 m路程時，速度大時時間縮短，發(fā)動機工作時間變短，故耗油量降低；各破茬刀的破茬比率降低，原因是速度增加，切割時間縮短，因此切割效果不佳，破茬比率降低。

5 結(jié)論

(1)提出一種隨耕深變化刃口自動調(diào)節(jié)式破茬刀，該破茬刀能夠?qū)崿F(xiàn)降低耕作阻力與耗油量、增強破茬效果。

(2)通過對根茬的受力分析與計算機輔助設(shè)計，并結(jié)合試驗地的土壤貫入阻力與土壤、根茬摩擦角測量，確定所設(shè)計的自調(diào)破茬刀緩沖機構(gòu)彈簧的勁度系數(shù)為42 N/mm，并設(shè)計了自調(diào)破茬刀。

(3)田間高速攝像試驗得到當(dāng)自調(diào)破茬刀深度為25 mm時，彈簧形變量與理論設(shè)計值相差6.9%，深度為75 mm時，彈簧形變量與理論設(shè)計值相差7.3%。且高速攝像拍到自調(diào)破茬刀切割土壤和根茬性能優(yōu)良以及緩沖機構(gòu)可行。

(4)通過田間對比試驗得到，所設(shè)計的自調(diào)破茬刀相對于圓盤刀和缺口圓盤刀，耕作阻力降低了13.3%和20.6%，耗油量降低了19.3%和35.3%，破茬比率提高了16.1%和4.6%。