孫文峰 付天鵬 何 躍 盧佳琪 常晉愷 王吉權(quán)

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

0 引言

水稻耕整地機(jī)械化是水稻生產(chǎn)機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)，其可為水稻生長提供良好的土地基礎(chǔ)[1-2]。在保護(hù)性耕作的大背景下，水稻寬窄行栽培模式得到廣泛應(yīng)用[3-6]，它解決了水稻生產(chǎn)中個(gè)體與群體、密度與通風(fēng)透光的矛盾問題，體現(xiàn)出較高的增產(chǎn)優(yōu)勢。為適應(yīng)少免耕帶狀苗床整地作業(yè)需要，水田的帶狀整地模式被提出[7-9]，該模式對(duì)秧苗生長區(qū)域進(jìn)行整地作業(yè)，而其余區(qū)域?yàn)槊飧麉^(qū)，使水稻的耕作環(huán)節(jié)得到簡化，大幅度減小作業(yè)量，降低整地作業(yè)動(dòng)力消耗，節(jié)省泡田用水量，減少生產(chǎn)投入。近年來，為提高機(jī)具作業(yè)效率，最大限度地減少機(jī)械進(jìn)地的次數(shù)，復(fù)式作業(yè)已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作發(fā)展方向[10-13]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶狀復(fù)式整地裝備展開了研究。美國Northwest Tillers公司生產(chǎn)的條帶耕整機(jī)[14]，采用條帶旋耕后碎土鎮(zhèn)壓的作業(yè)方式，通過調(diào)整旋耕刀排布適應(yīng)洋蔥、豆類、玉米、棉花、胡蘿卜等作物的耕作要求。美國Yetter 2984 Maverick HR Plus型條帶耕整機(jī)[15]，可完成切茬、清秸、松土、碎土等作業(yè)，由于各工作部件均安裝有安全回位彈簧，能夠根據(jù)各自所需的預(yù)緊壓力和作業(yè)要求進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，提高單體的仿形能力和可靠性。賈洪雷等[16]設(shè)計(jì)的lGH-3型行間耕整機(jī)，能夠使機(jī)具根據(jù)耕作要求實(shí)現(xiàn)行間淺旋、壟臺(tái)碎茬及全幅旋耕3種作業(yè)模式的轉(zhuǎn)換。李向軍等[17]設(shè)計(jì)的組合式滅茬、苗帶旋耕整地機(jī)，針對(duì)高寒壟作地區(qū)保護(hù)性耕作殘茬難處理問題，能一次完成壟上滅茬、壟中帶狀旋耕、耕后回土鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)秸稈全量還田，并將傳統(tǒng)耕作和少耕相結(jié)合，既可進(jìn)行復(fù)式作業(yè)，也可完成單項(xiàng)作業(yè)。許春林等[18]設(shè)計(jì)的斜置式螺旋帶狀整地試驗(yàn)裝置，具有作業(yè)效率高、作業(yè)功耗低、碎土率高等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)帶狀復(fù)式整地機(jī)械的研究大多集中在旱田方面[19-21]，針對(duì)于水田帶狀復(fù)式整地機(jī)具研究較少。

本文針對(duì)水稻插秧苗床整地技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種帶狀少耕整地復(fù)式作業(yè)機(jī)具，并對(duì)其整地關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，機(jī)器作業(yè)后一次泡田即可進(jìn)行秧苗插秧作業(yè)。重點(diǎn)進(jìn)行帶狀旋耕結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及多區(qū)段旋耕刀片的排列方式優(yōu)化，確保耕作帶寬的穩(wěn)定性及作業(yè)效果良好，以期為水田少免耕裝備研發(fā)與優(yōu)化提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

水田帶狀復(fù)式整地機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)完成水稻苗床的淺松、帶狀旋耕及側(cè)深施肥等功能，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。整機(jī)由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接，主要由淺松部件、機(jī)架總成、多區(qū)段旋耕部件、限深機(jī)構(gòu)、劃印器、施肥系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成。其中淺松鏟、多區(qū)段旋耕部件及開溝施肥鏟從前至后以縱向中心線相重合的方案配裝，通過設(shè)計(jì)作業(yè)寬度匹配水稻寬窄行插秧苗床寬度尺寸，從而實(shí)現(xiàn)水田少耕復(fù)式作業(yè)；肥箱總成配裝在機(jī)架總成后側(cè)上部與開溝施肥鏟總成連通；兩側(cè)的限深拖板既可調(diào)節(jié)整機(jī)作業(yè)深度，也可與地面接觸呈支撐配合，完成機(jī)具的停放保管。

圖1 水田帶狀復(fù)式整地機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of strip spacing multifunctional combined ground preparation machine in paddy field1.淺松部件 2.機(jī)架總成 3.多區(qū)段旋耕部件 4.限深托板 5.橫置隔擋板 6.開溝施肥鏟 7.傳動(dòng)箱 8.防纏繞旋耕刀軸 9.劃印器 10.肥箱總成 11.傳動(dòng)系統(tǒng) 12.三點(diǎn)懸掛總成

表1 水田帶狀復(fù)式整地機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Parameters of strip spacing multifunctional combined ground preparation machine in paddy field

1.2 工作原理

目前水田耕作多選用功率為66.18～73.53 kW的拖拉機(jī)配合相應(yīng)機(jī)具完成作業(yè)，依據(jù)功耗要求并結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，將水田帶狀復(fù)式整地機(jī)工作帶設(shè)置為4條。如圖2所示，工作時(shí)，等距固定在機(jī)架總成上的淺松鏟首先對(duì)土壤進(jìn)行淺松作業(yè)，以達(dá)到加深耕作層、改善土壤的透水透氣性能和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、降低旋耕阻力的目的；采用側(cè)傳動(dòng)的方式，通過中間萬向節(jié)、減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳輸至旋耕刀軸，由旋耕刀軸驅(qū)動(dòng)多區(qū)段旋耕刀組完成土壤的苗床整地作業(yè)；施肥鏟水平放置在淺松鏟及旋耕刀組正后方，降低了其壅土和堵塞的可能性，施肥機(jī)構(gòu)由調(diào)速電機(jī)變量驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)機(jī)具行進(jìn)速度精準(zhǔn)變量調(diào)節(jié)施肥量。整機(jī)作業(yè)后形成有利于水稻寬窄行栽植的下粗上細(xì)、上虛下實(shí)、透氣性良好的土壤耕作條帶，一次泡田后即可進(jìn)行秧苗插秧作業(yè)。

圖2 水田帶狀復(fù)式整地機(jī)工作示意圖Fig.2 Working schematic of strip spacing multifunctional combined ground preparation machine in paddy field

1.3 耕作帶寬設(shè)定

水稻寬窄行栽植模式，即窄行距與寬行距間隔插秧的水稻高產(chǎn)栽培模式，其利用水稻邊際效應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)，增強(qiáng)水稻整體光能利用率，密疏有度，改變田間小氣候，充分發(fā)揮了水稻個(gè)體與群體的增產(chǎn)潛力。經(jīng)實(shí)際調(diào)查和查閱文獻(xiàn)[22-23]可知，目前現(xiàn)有的水稻寬窄行栽植模式配置有3種株距要求，如表2所示。因此，將耕作帶寬設(shè)定為300 mm，在300 mm的條帶上完成兩行水稻插秧，將相鄰的區(qū)域作為免耕帶，整機(jī)帶狀整地作業(yè)后秧苗栽植效果示意圖如圖3所示。

表2 水稻寬窄行株距配置Tab.2 Rice wide and narrow row spacing configuration

圖3 帶狀整地作業(yè)后插秧示意圖Fig.3 Schematic of planting with tilling strips and wide and narrow rows of rice

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 帶狀旋耕機(jī)構(gòu)

帶狀旋耕機(jī)構(gòu)由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕刀軸、多區(qū)段旋耕刀組等組成。帶狀旋耕機(jī)構(gòu)采用橫軸側(cè)傳動(dòng)形式，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出的動(dòng)力，通過萬向節(jié)總成傳給減速器，再經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給旋耕刀軸，旋耕刀軸上刀座設(shè)置采取間隔式排列，以配合多區(qū)段旋耕刀組完成帶狀旋耕作業(yè)。

2.1.1旋耕機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與功耗

旋耕作業(yè)時(shí)，旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡表現(xiàn)為旋耕刀的角速度和機(jī)組前進(jìn)速度的合速度，如圖4所示，x正向?yàn)閯?dòng)力前進(jìn)方向，垂直向下為y軸正向，以O(shè)xy為投影面，旋耕機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)，刀具端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

圖4 旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Rotary tiller structure movement track

(1)

式中vm——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s

R——刀具回轉(zhuǎn)半徑，mm

ω——刀軸角速度，rad/s

t——時(shí)間，s

h——耕深，mm

為了使旋耕刀能夠有效地切削土壤，旋耕刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，即旋耕速比λ滿足

(2)

式(1)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得

(3)

為滿足向后拋土的條件，刀片絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡上任意一點(diǎn)絕對(duì)速度的水平分速vx<0，得

vm<(R-h)ω

(4)

旋耕刀入土角為

(5)

式(5)代入式(3)可得

vx=vm-ψω(R-h)

(6)

(7)

安裝在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的旋耕刀切削土壤時(shí)入土點(diǎn)的距離為旋耕機(jī)切土節(jié)距，已知切土節(jié)距S計(jì)算式為

S=vmt

(8)

(9)

式中Z——同一安裝平面內(nèi)安裝的刀片數(shù)

將式(9)代入式(8)可得

(10)

由式(10)可知，Z越大，旋耕機(jī)切土節(jié)距越小，但Z越大，旋耕機(jī)纏草堵土的情況越明顯，根據(jù)本機(jī)的實(shí)際作業(yè)情況，設(shè)單個(gè)耕作條帶同一安裝平面內(nèi)安裝刀片數(shù)Z為2，聯(lián)立式(10)、(6)可得旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為

(11)

由式(11)可得除切土節(jié)距S和旋耕深度h外，帶狀旋耕機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為行進(jìn)速度vm與刀軸轉(zhuǎn)速nm。設(shè)計(jì)耕深h為12～16 cm，旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R為250 mm，機(jī)具行進(jìn)速度vm取0.5～1.5 m/s(3.6～5.4 km/h)代入式(11)計(jì)算得旋耕刀轉(zhuǎn)速nm為220～260 r/min，此時(shí)旋耕速比λ最小值為5.75，滿足作業(yè)條件。

旋耕機(jī)構(gòu)的功耗主要由旋耕機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分、克服作用于土壤水平反力、切削土壤和拋擲土垡所耗功率組成，旋耕裝置消耗總功率為

N=Nq+Np+Nn+Nf

(12)

式中Nq——切削土壤消耗的功率，kW

Np——拋擲土垡消耗的功率，kW

Nn——克服土壤水平反力消耗的功率，kW

Nf——傳動(dòng)裝置消耗的功率，kW

其中，Nn是土壤沿機(jī)組前進(jìn)方向作用于刀軸上的反力所消耗的功率。本機(jī)為正轉(zhuǎn)旋耕，故功率Nn有助于幫助推動(dòng)機(jī)組前進(jìn)，可取代部分機(jī)具前進(jìn)所需功率，因此取負(fù)號(hào)。

旋耕刀隨機(jī)組前進(jìn)的同時(shí)繞刀軸做圓周運(yùn)動(dòng)耕耘土壤，切土和拋土發(fā)生在同一過程中，旋耕機(jī)切土功率為

(13)

式中Aq——切削土壤比功，N/cm2

B——旋耕幅寬，mm

土粒在旋耕刀作用下的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，旋耕刀的形狀和尺寸、在刀軸上的排列方式、土壤條件以及垡塊尺寸和形狀都對(duì)土粒的運(yùn)動(dòng)方向和速度有影響，旋耕機(jī)拋土功率計(jì)算式為

(14)

式中Ap——拋擲土壤比功，N/cm2

旋耕刀軸受力如圖5所示，克服土壤水平反力消耗功率Nn為旋耕機(jī)克服土壤沿水平方向作用于刀軸上的反力所消耗的功率。

圖5 刀軸受力分析Fig.5 Stress analysis of cutter shaft

設(shè)土壤作用于刀軸上的平均阻力Q，在刀軸上均勻分布，m為刀軸阻扭矩，它由相繼入土的各單刀阻扭矩合成。旋耕刀端點(diǎn)以回轉(zhuǎn)半徑r切土?xí)r，其阻力合力的作用半徑r′=0.9r，則Q=m/r′，以刀軸中心O為圓心、旋耕刀最大回轉(zhuǎn)半徑為半徑作圓，未耕地表水平線與圓周交于點(diǎn)A，此時(shí)旋耕刀入土角為ψ。相對(duì)于半徑線OA，作交角為切削角β(β<0)的半徑線OB，在OB上0.9r處確定點(diǎn)P′，設(shè)力Q作用點(diǎn)位于點(diǎn)P′，由圖5分析可得

(15)

則旋耕機(jī)構(gòu)克服土壤水平反力消耗功率Nn計(jì)算式為

Nn=Qxvm

(16)

此部分功耗和旋耕刀排列方式密不可分，若旋耕刀采用單一螺旋線排列，一定程度增大其水平側(cè)向力，增大Nn。本機(jī)旋耕機(jī)構(gòu)由于旋耕刀采用了多區(qū)段排列，降低了旋耕機(jī)構(gòu)的側(cè)向輸土，故也將單向螺旋排列納入考慮范疇。

旋耕機(jī)傳動(dòng)部分損耗功率Nf為

Nf=(1-η)(Nq+Np+Nn)

(17)

式中η——傳動(dòng)效率

綜上所述，旋耕機(jī)機(jī)構(gòu)功率消耗N為

(18)

由式(18)可知，機(jī)具行進(jìn)速度、旋耕刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀片的設(shè)計(jì)及旋耕刀片在刀軸上排列方式都會(huì)對(duì)旋耕機(jī)構(gòu)的功耗產(chǎn)生重要影響。

2.1.2旋耕刀設(shè)計(jì)

旋耕刀采用專利技術(shù)(CN202023237966.7)的打漿、旋耕通用刀片，刀片既可與本文機(jī)具結(jié)合完成對(duì)土壤及前茬秸稈的切削旋耕作業(yè)，同時(shí)也可配合相應(yīng)機(jī)具完成水田苗床的耙漿平地作業(yè)。因此旋耕刀刃口不僅要有適當(dāng)滑切角，以實(shí)現(xiàn)適度滑切功能；同時(shí)需有相應(yīng)的正切面[24]，方便打漿作業(yè)時(shí)，獲得更好的泥土碎化攪漿效果。

當(dāng)旋耕機(jī)轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度一定時(shí)，旋耕刀側(cè)切刃上各點(diǎn)在地表時(shí)的動(dòng)態(tài)滑切角是整個(gè)切削過程中該點(diǎn)處的最小值[25]，故計(jì)算出旋耕刀側(cè)切刃口線上各點(diǎn)的靜態(tài)滑切角和該點(diǎn)在地面位置處的動(dòng)態(tài)滑切角，便可知側(cè)切刃口上該點(diǎn)在整個(gè)切削過程中的動(dòng)態(tài)滑切角波動(dòng)區(qū)間。如圖6所示，旋耕刀刃口曲線包含兩部分：直線刃口MN和圓弧刃口NPQ，耕作過程中圓弧刃口先與地面接觸，旋耕刀圓弧刃口上各點(diǎn)在固定坐標(biāo)系Oxy中的運(yùn)動(dòng)方程為

圖6 旋耕刀結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure drawing of rotary tiller

(19)

式中δ——圓弧刀刃NPQ對(duì)應(yīng)角

L——刀軸軸線與旋耕刀刃口圓弧線圓心間距，mm

靜態(tài)滑切角φs計(jì)算式為

(20)

依據(jù)實(shí)際旋耕刀作業(yè)情況，將式(20)中δ取值為-108.53°～-50.67°。式(19)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得任意時(shí)刻旋耕刀刃口上各點(diǎn)的速度為

(21)

聯(lián)立式(20)與式(19)，可以求出任意時(shí)刻旋耕刀圓弧上各點(diǎn)的動(dòng)態(tài)滑切角φd為

(22)

聯(lián)立式(22)與式(21)，求出刃口圓弧上不同點(diǎn)接觸地面的時(shí)間為

(23)

由式(22)、(23)求出角δ在[-108.53°，-50.67°]時(shí)刃口曲線上各點(diǎn)處接觸地面時(shí)刻的動(dòng)態(tài)滑切角φd，利用Matlab計(jì)算出圓弧刃口上各監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到豎直位置的動(dòng)態(tài)滑切角與靜態(tài)滑切角相同，分別為30.357°(最高位置)和62.329°(最低位置)，證明了所設(shè)計(jì)旋耕刀片的圓弧刃口滑切角正確，其動(dòng)態(tài)滑切角為[30.357°，62.329°]，此時(shí)刀片圓弧刃口的滑切效果良好，同時(shí)滿足水田打漿刀的滑切角條件[26]。

旋耕刀作業(yè)耗能主要受側(cè)切刃與正切刃刃口曲線影響。為使旋耕刀作業(yè)功耗更低[27]，側(cè)切刃設(shè)計(jì)為平面曲線，采用等進(jìn)螺旋線，在坐標(biāo)系Oxy中，曲線參數(shù)方程為

(24)

式中r0——螺旋線起點(diǎn)極徑，mm

θ0——螺線起點(diǎn)極角，(°)

r1——螺旋極角每增加1 rad極徑增量，mm

θ——螺線上任意點(diǎn)與起點(diǎn)夾角，(°)

在確保旋耕作業(yè)質(zhì)量的前提下，保證旋耕刀在打漿作業(yè)過程中具有可觀的翻土和攪漿的效果，相對(duì)于側(cè)切刃，旋耕刀正切刃設(shè)計(jì)為空間曲線，坐標(biāo)系為Obxbybzb，采用偏心圓曲線設(shè)計(jì)[28]，其曲線方程為

(25)

式中e——偏心距，mm

R0——偏心圓半徑，mm

φ——刃口曲線極角，(°)

τs——正切刃靜態(tài)滑切角，(°)

ν——正切面與側(cè)切面彎折角，(°)

其線型如圖6所示，由式(25)可以看出，刃口曲線坐標(biāo)與彎折角ν有關(guān)，彎折角不同，刃口曲線形狀也不同，從而旋耕刀輪廓、質(zhì)量也不同。根據(jù)刀具加工工藝要求，將彎折角定為90°～150°，將旋耕刀應(yīng)力作為約束條件，旋耕刀采用硼鋼制成，考慮到刀具形狀對(duì)材料強(qiáng)度的影響，硼鋼屬塑性材料，選取強(qiáng)度安全系數(shù)n0=1.5，經(jīng)計(jì)算旋耕刀許用應(yīng)力極限為

(26)

式中σb——強(qiáng)度極限，N·m

計(jì)算得許用應(yīng)力極限為2.81×108Pa，根據(jù)本機(jī)旋耕刀已有研究結(jié)果，運(yùn)用Matlab軟件編制基于蜂群算法優(yōu)化計(jì)算程序，解出式(24)～(26)未知參數(shù)最優(yōu)值，通過計(jì)算得側(cè)切刃起點(diǎn)極徑r0為171 mm、起點(diǎn)極角θ為23.5°、極角每增加1 rad極徑增量r1為25 mm、側(cè)切刃偏心距e為26.3 mm、偏心圓半徑R0為280 mm、彎折角ν為103°，結(jié)合本機(jī)旋耕刀實(shí)際作業(yè)情況，進(jìn)一步確定其參數(shù)，其中單刀作業(yè)幅寬L0為50 mm、正切面刃角γ為12°。此時(shí)旋耕刀旋耕作業(yè)功耗低，碎土效果好；打漿作業(yè)時(shí)，攪漿作業(yè)質(zhì)量高。

2.1.3旋耕刀軸參數(shù)設(shè)計(jì)

帶狀旋耕機(jī)構(gòu)工作時(shí)每把刀片相間入土，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用。就受彎而言，刀軸的力學(xué)模型可簡化為一受若干集中載荷作用的簡支梁，如圖7所示。由于本機(jī)帶狀旋耕機(jī)構(gòu)共有4條耕作帶，為簡化運(yùn)算，將每條帶寬上的旋耕刀組視為整體，故本文n最大為4，集中載荷的位置和角度由刀片的排列方式確定，刀軸任意截面處彎矩為

圖7 刀軸的力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model of tool shaft

(27)

根據(jù)此彎矩方程再結(jié)合刀片排列方式便可推出刀軸部危險(xiǎn)截面。由第四強(qiáng)度理論可得刀軸的最大工作應(yīng)力為

(28)

式中W——刀軸抗彎截面系數(shù)

M——刀軸危險(xiǎn)截面處彎矩，N·m

Mn——刀軸危險(xiǎn)截面處扭矩，N·m

刀軸一般為空心軸，當(dāng)長度一定時(shí)，設(shè)計(jì)刀軸就是確定刀軸的斷面尺寸，為使旋耕刀軸結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，以質(zhì)量最輕(用料最少)作為刀軸的優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)

(29)

式中D——刀軸外徑，mm

d——刀軸內(nèi)徑，mm

旋耕刀軸強(qiáng)度條件為

(30)

式中 [σ0]——刀軸的許用應(yīng)力，MPa

根據(jù)彈性約束理論，對(duì)長度相同的薄壁圓桿，半徑越大，壁厚越小，扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性則越差，為此旋耕刀軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)約束為

(31)

式中Mnm——最大工作扭矩，N·m

E——刀軸材料的彈性模量，MPa

基于上文優(yōu)化算法程序?qū)Φ遁S的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，刀軸長度為2 345 mm，最大工作扭矩為300 N·m，最大危險(xiǎn)截面彎矩126 N·m(旋耕刀不同排列方式中最大值)，[σ0]取值為100 MPa，此時(shí)刀軸的外徑為80 mm，壁厚為10 mm。

為保證耕作帶寬為300 mm，且不漏耕，單條旋耕帶刀座間距G應(yīng)滿足

G=2b

(32)

式中b——單刀作業(yè)幅寬，mm

每條旋耕帶有3列刀組，依據(jù)前文設(shè)計(jì)旋耕刀作業(yè)幅寬并綜合考慮后期旋耕刀排列方式，將刀座間距G確定為100 mm。如圖8所示，將刀座設(shè)計(jì)為多區(qū)段形式，配合旋耕刀完成帶狀旋耕作業(yè)，也可將其視作等距為300 mm的4組全幅旋耕作業(yè)，作用為將上層土壤進(jìn)行土層交換、碎土和混合作業(yè)，將秸稈、雜草切斷混合，為栽植苗床作準(zhǔn)備。依據(jù)文獻(xiàn)[29]理論分析中選定耕深h為120～160 mm。

圖8 間隔式排列刀座Fig.8 Spaced knife holder

2.2 淺松機(jī)構(gòu)與施肥機(jī)構(gòu)作業(yè)深度

淺松機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、淺松鏟及緊固件組成，這部分設(shè)計(jì)目的是加深耕作層、改善土壤的透水透氣性能，為后續(xù)旋耕作業(yè)減少阻力。淺松作業(yè)[30]與深松作業(yè)相似，但淺松作業(yè)阻力較小、土壤擾動(dòng)量較少，參考國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10295—2001，深松作業(yè)的深度需大于25 cm，而水稻在分蘗期和成熟期， 約90%的根系分布在20 cm深度[31-32]，意味著在25 cm以下的營養(yǎng)元素很難被水稻吸收，由此可見淺松作業(yè)更適合水稻。

而在水田條件的淺松作業(yè)下，耕作阻力與淺松深度二階函數(shù)關(guān)系[33]為

(33)

式中F——耕作阻力，N

H1——淺松深度，mm

由式(33)可得，淺松鏟對(duì)土壤的擾動(dòng)程度隨著耕作深度的變化而變化，整體呈先增大后減小的趨勢。在土層深度20 cm內(nèi)，隨著耕作深度的增加，土壤擾動(dòng)量逐漸增加，破碎體尺度增大，當(dāng)耕深超過20 cm后，土壤擾動(dòng)量變少，綜合考慮淺松鏟擾動(dòng)深度以及機(jī)具輸出的動(dòng)力分配，將淺松作業(yè)深度定為20～25 cm。

整機(jī)作業(yè)在水稻移栽前，故施入土壤的肥料為基肥?；室话闶穷w粒狀復(fù)合肥，球形率較高，流動(dòng)性好。因此選擇電動(dòng)外槽輪式排肥器作為主要排肥裝置，與肥箱、排肥器、肥鏟、肥管等共同組成帶狀施肥機(jī)構(gòu)。電動(dòng)外槽輪式排肥器由車載12 V蓄電池提供驅(qū)動(dòng)力，經(jīng)肥管和肥鏟將肥料輸送至土層內(nèi)。水泡田后基肥溶解，有利于插秧后秧苗發(fā)根好、返青快、早分蘗。相比于水泡田后的全面撒施，帶狀施肥更集中，肥料利用率也更高，達(dá)到既滿足有效分蘗期內(nèi)有較高的速效養(yǎng)分供應(yīng)，又保證肥效穩(wěn)長的效果。參考已有研究成果[34-35]，水稻基肥一般施肥深度應(yīng)在12 cm之下，使銨在少氧的環(huán)境中保持穩(wěn)定、防止流失；同時(shí)水稻分蘗期和成熟期，60%～70%根系分布在10 cm的橫向范圍內(nèi)。綜合考量肥料的利用率，設(shè)計(jì)施肥水平位置在窄行水稻之間，肥鏟間距為60 cm，與淺松鏟前后保持一致，深度為10～13 cm。

3 帶狀旋耕機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化分析

水田土壤是一種具有特殊內(nèi)部黏結(jié)特性，且具有離散特點(diǎn)的特殊物質(zhì)。由于土壤具有離散屬性，故采用離散元分析方法作為分析手段，以此模擬土壤和機(jī)械相互作用[36-37]。采用EDEM離散元分析軟件，通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的帶狀聯(lián)合整地機(jī)在田間工作情況進(jìn)行模擬，分析帶狀旋耕機(jī)構(gòu)作業(yè)前進(jìn)速度、旋耕刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀排列方式3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)耕后碎土率、地表平整度2個(gè)仿真指標(biāo)的影響，從而考察機(jī)器設(shè)計(jì)的合理性。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)帶狀旋耕機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，為后續(xù)田間試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

3.1 土壤模型創(chuàng)建

土壤顆粒形狀多樣，土粒間力學(xué)關(guān)系復(fù)雜，為了更加真實(shí)地還原真實(shí)土壤特性，在創(chuàng)建土壤顆粒模型時(shí)考慮同一田塊土壤特性一致。根據(jù)試驗(yàn)基地土壤實(shí)際情況，設(shè)置土壤粒徑小于40 mm，土壤容重1.54 g/cm3、含水率13.17%、緊實(shí)度3 664.13 kPa，并且在田間符合正態(tài)分布，為了模擬土壤顆粒的不規(guī)則性，土壤顆粒設(shè)計(jì)為不規(guī)則團(tuán)球狀；土壤基本參數(shù)為：密度1 400～1 600 kg/m3、剪切模量2.0×107～2.5×107Pa、泊松比0.35，土壤顆粒間內(nèi)力以鍵的形式表示，即在軟件中設(shè)置顆粒之間以Hertz-Mindlin with bonding方式黏結(jié)，臨界法向剛度0～200 N/m，臨界切向應(yīng)力0～150 Pa[38-39]。

3.2 試驗(yàn)方法

在保證仿真連續(xù)性的前提下，設(shè)定固定時(shí)間步長8.58×10-6s，為Rayleigh時(shí)間步長的20%，機(jī)器田間作業(yè)時(shí)間為12 s，網(wǎng)格單元尺寸為6 mm，為最小顆粒半徑的3倍，同時(shí)設(shè)計(jì)耕深為150 mm。結(jié)合Design-Expert 8.0.6，進(jìn)行帶狀旋耕機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)。參照NY/T 499—2002《旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，選取耕后碎土率、地表平整度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2.1碎土率

碎土率可由顆粒接觸模型中粘結(jié)鍵斷裂系數(shù)表示。運(yùn)用EDEM后處理收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出離散元土壤顆粒間粘結(jié)鍵斷裂數(shù)量。碎土率計(jì)算公式為

(34)

式中d′——碎土率，%

N1——作業(yè)區(qū)域斷裂粘結(jié)鍵土壤顆粒數(shù)

N2——作業(yè)區(qū)域土壤顆?？倲?shù)

3.2.2地表平整度

地表平整度越高，一定程度上可以節(jié)約大量泡田用水，所以地表平整度作參考指標(biāo)有重要意義。根據(jù)地表平整度考察標(biāo)準(zhǔn)，利用EDEM軟件截?cái)喙δ?Clipping模塊)沿垂直于帶狀旋耕機(jī)構(gòu)前進(jìn)方向，對(duì)仿真土槽進(jìn)行區(qū)域劃分，提取該區(qū)域帶狀旋耕機(jī)構(gòu)作業(yè)前、后地表顆粒穩(wěn)定后的坐標(biāo)值，將坐標(biāo)值導(dǎo)入CAD中，繪制出旋耕前地表線和作業(yè)后地表線。在整個(gè)帶狀機(jī)構(gòu)旋耕寬度范圍做等分標(biāo)記測點(diǎn)，地表平整度計(jì)算式為

(35)

式中ak——第k次測量的淺松前、后地表至水平基準(zhǔn)線的垂直距離，mm

akj——第k次測量中第j個(gè)等分點(diǎn)的淺松前、后地表至水平基準(zhǔn)線的垂直距離，mm

nk——第k次測量中的測試點(diǎn)數(shù)

Sk——第k次測量的地表平整度，mm

3.3 正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用三因素三水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法[40]，參考上文及旋耕機(jī)構(gòu)已有的研究成果[41]，機(jī)具行進(jìn)速度及旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為影響旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量與功耗的重要因素，同時(shí)由于多區(qū)段旋耕刀組同時(shí)作業(yè)，每組的旋耕刀在刀軸上的排列方式是影響旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量、機(jī)具振動(dòng)及功耗的重要因素。故以機(jī)具行進(jìn)速度、旋耕刀軸轉(zhuǎn)速、帶狀旋耕刀片排列方式為試驗(yàn)因素，以碎土率、地表平整度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用L(34)正交表，共實(shí)施17組試驗(yàn)，仿真模擬過程如圖9所示。

圖9 水田帶狀旋耕機(jī)構(gòu)EDEM仿真過程Fig.9 EDEM simulation process of strip multifunctional combined ground preparation machine in paddy field

試驗(yàn)因素編碼如表3所示。旋耕刀排列方式因素水平為-1(多區(qū)段對(duì)稱單螺旋排列)、0(多區(qū)段對(duì)稱雙螺旋排列)、1(多區(qū)段單向螺旋排列)，如圖10所示。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Test factors and codes

圖10 多區(qū)段旋耕刀排列方式Fig.10 Rotation knife arrangement

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，A、B、C為因素編碼值，方差分析如表5、6所示。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Experiment layout and results

3.4.1碎土率回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合，碎土率Y1方差分析如表5所示。由表5可知，對(duì)于碎土率Y1，各因素及因素之間的交互作用影響的主次順序是C2、B2、A、A2、C、AC、BC、B、AB，其中C2、B2、A2、C和A對(duì)碎土率Y1的影響極顯著(P<0.01)；B、AC、BC碎土率Y1的影響顯著(0.01

表5 碎土率Y1方差分析Tab.5 Variance analysis of broken soil rate Y1

Y1=95.44-1.37A-0.11B+0.6C+
2.5×10-3AC-0.18BC-0.86A2-
2.36B2-3.92C2

(36)

3.4.2地表平整度回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和多元回歸擬合，地表平整度Y2方差分析如表6所示。由表6可知，對(duì)于地表平整度Y2，各因素及因素之間的交互作用影響的主次順序是C2、B2、C、BC、A、B、AB、AC、A2，其中C2和B2對(duì)地表平整度Y2的影響極顯著(P<0.01)；A、B、C、AB和BC對(duì)地表平整度Y2的影響顯著(0.01

表6 地表平整度Y2方差分析Tab.6 Variance analysis of surface flatness coefficient Y2

Y2=17.33+1.49A+0.55B-1.86C+1.17AB-
0.17BC+3.38B2+5.46C2

(37)

3.4.3響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出機(jī)具行進(jìn)速度A、旋耕刀軸轉(zhuǎn)速B、旋耕刀排列方式C之間顯著和較顯著交互作用對(duì)碎土率Y1及地表平整度Y22個(gè)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

圖11 帶狀旋耕機(jī)構(gòu)試驗(yàn)響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of prototype test

如圖11a所示，當(dāng)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，碎土率Y1隨著機(jī)具行進(jìn)速度增加呈減小趨勢，最優(yōu)機(jī)具行進(jìn)速度為1.8～4.2 km/h，原因是當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度較低時(shí)，旋耕刀軸能充分切削土壤，而機(jī)具行進(jìn)速度較高時(shí)，部分土壤未能充分破碎就被拋出，導(dǎo)致碎土率降低；如圖11b所示，當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度為3.6 km/h時(shí)，碎土率Y1隨著旋耕刀排列方式的改變呈先增加后減小的趨勢，最優(yōu)的旋耕刀排列方式為多區(qū)段對(duì)稱雙螺旋排列，原因是這種旋耕刀排列方式，使旋耕刀對(duì)土壤切削最均勻徹底，穩(wěn)定性好，最佳刀軸轉(zhuǎn)速為230～250 r/min，此時(shí)碎土率Y1隨著旋耕刀軸轉(zhuǎn)速的增加呈先增加后減小的趨勢，原因是當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速較高時(shí)，旋耕刀對(duì)根茬呈滑移切削狀態(tài)，土壤切割不完全，導(dǎo)致碎土率降低；在機(jī)具行進(jìn)速度與旋耕刀排列方式的交互作用中，主要影響碎土率Y1的因素是帶狀旋耕機(jī)構(gòu)行進(jìn)速度。

如圖11c所示，當(dāng)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，地表平整度系數(shù)Y2隨著機(jī)具行進(jìn)速度的增加呈增加的趨勢，最優(yōu)的機(jī)具行進(jìn)速度為3.6～5.4 km/h，主要原因是行進(jìn)速度高的時(shí)候，更不易出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，土壤分布均勻；當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度為3.6 km/h時(shí)，地表平整度系數(shù)Y2隨著旋耕刀軸轉(zhuǎn)速增加呈先減小后增加的趨勢，如圖11d所示，最優(yōu)的旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為220～240 r/min，原因是旋耕刀軸轉(zhuǎn)速較小時(shí)，土壤不能完全破碎，導(dǎo)致地表大土塊較多，平整度較低；當(dāng)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速過大時(shí)，土壤易被翻起，導(dǎo)致土壤分布不均，地表平整度同樣不高，在機(jī)具前進(jìn)速度與旋耕刀軸轉(zhuǎn)速的交互作用中，主要影響地表平整度Y2的因素是旋耕刀軸轉(zhuǎn)速。

對(duì)帶狀旋耕機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以獲取最優(yōu)的參數(shù)組合，最大程度提高帶狀旋耕機(jī)構(gòu)地表平整度及碎土率的穩(wěn)定性。通過對(duì)圖11中4個(gè)響應(yīng)曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)回歸模型進(jìn)行求解，根據(jù)實(shí)際工作條件及上述相關(guān)模型分析，結(jié)果為：機(jī)具行進(jìn)速度為3.6 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為240 r/min、旋耕刀排列方式為多區(qū)段對(duì)稱雙螺旋排列，此時(shí)理論機(jī)具碎土率為93.26%，地表平整度為17.3 mm。

4 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真得到的較優(yōu)組合的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了水田帶狀復(fù)式整地機(jī)整機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)以碎土率、地表平整度、旋耕帶寬穩(wěn)定性系數(shù)作為主要指標(biāo)，耕深、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、淺松深度、淺松深度穩(wěn)定性系數(shù)為參考，綜合評(píng)價(jià)水田帶狀復(fù)式整地機(jī)工作性能及耕作效果。

4.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)于2020年5月21日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城試驗(yàn)基地(126°59′E、49°32′N)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備主要包括約翰迪爾904型拖拉機(jī)、水田帶狀復(fù)式整地機(jī)、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0～300 mm土壤容重為1.54 g/cm3、含水率13.17%、緊實(shí)度3 664.13 kPa，試驗(yàn)區(qū)前茬作物為水稻。

4.2 試驗(yàn)方法

選取地勢平坦、長度為200 m、寬度為50 m的試驗(yàn)地塊，設(shè)定中間100 m為工作平穩(wěn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)寬度作為測量區(qū)域。測量采用5點(diǎn)取樣法，測量點(diǎn)選取平行四邊形對(duì)角線均分點(diǎn)。機(jī)具平均行進(jìn)速度為3.6 km/h、旋耕轉(zhuǎn)速為240 r/min、旋耕深度為150 mm、淺松深度為230 mm。機(jī)具性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法依據(jù)文獻(xiàn)[42]及GB/T 24675.1—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 淺松機(jī)》，試驗(yàn)主要指標(biāo)有：碎土率、地表平整度；參考指標(biāo)：旋耕深度、旋耕深度穩(wěn)定性系數(shù)、淺松深度、淺松深度穩(wěn)定性系數(shù)。而實(shí)際作業(yè)中，耕寬穩(wěn)定性系數(shù)同樣是影響作業(yè)質(zhì)量的重要因素，本文機(jī)具為帶狀旋耕，故將耕作帶寬穩(wěn)定性系數(shù)也作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

碎土率與地表平整度測定方式參考上文，耕作帶寬穩(wěn)定性系數(shù)測定方法：沿垂直機(jī)組運(yùn)動(dòng)方向每隔2 m左、右測定2個(gè)相鄰行程耕作帶溝墻之間的水平距離即為耕作帶寬，每個(gè)行程測量5組數(shù)，共測3個(gè)行程。耕作帶寬穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算式為

U=1-V

(38)

(39)

(40)

(41)

式中aj——第j個(gè)行程的旋耕帶寬平均值，mm

U——耕作帶寬穩(wěn)定性系數(shù)，%

a——耕作帶寬平均值，mm

N——行程數(shù)

Sd——耕作帶寬標(biāo)準(zhǔn)差，mm

V——耕作帶寬變異系數(shù)，%

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

水田帶狀復(fù)式整地機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖12所示。各性能指標(biāo)均為行程結(jié)果的平均值，水田帶狀復(fù)式整地機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表7、8所示。田間耕深和淺松深度測定如圖13所示，碎土率和耕作帶寬測定如圖14所示。

圖12 水田帶狀復(fù)式整地機(jī)田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment of strip spacing multifunctional combined ground preparation machine in paddy field

圖13 田間試驗(yàn)耕深及淺松深度測定Fig.13 Field experiment for further determination

圖14 田間試驗(yàn)碎土率和耕作帶寬測定Fig.14 Determination of soil fragmentation rate in field experiment

表7 性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of performance experiment mm

由表8可知，水田帶狀復(fù)式整地機(jī)作業(yè)后，旋耕深度、淺松深度、地表平整度、單條耕作帶寬、耕作帶寬穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、淺松深度穩(wěn)定性系數(shù)分別為151.3、221.4、18.4、300.9 mm、95.3%、92.97%、93.5%、92.3%，滿足農(nóng)藝要求，即機(jī)器一次作業(yè)后形成有利于水稻寬窄行栽植的下粗上細(xì)、上虛下實(shí)、透氣性良好的土壤耕作條帶，一次泡田后即可進(jìn)行秧苗插秧作業(yè)。

表8 性能參數(shù)結(jié)果Tab.8 Calculation results of performance test

水田帶狀復(fù)式整地機(jī)試驗(yàn)結(jié)果中，碎土率與地表平整度試驗(yàn)結(jié)果與EDEM仿真結(jié)果基本一致，說明機(jī)器虛擬仿真的正確性與可行性。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)水稻寬窄行栽培模式的整地及施肥需要，設(shè)計(jì)一種水田帶狀復(fù)式整地機(jī)，一次作業(yè)可完成淺松、帶狀旋耕整地、精準(zhǔn)施肥、苗床平整作業(yè)。單條耕作帶寬為300 mm，間隔300 mm為免耕帶，可滿足15～45 cm、20～40 cm、25～35 cm行距的水稻寬窄行插秧技術(shù)要求。

(2)根據(jù)田間作業(yè)的實(shí)際情況，利用EDEM軟件對(duì)水田帶狀復(fù)式整地機(jī)的帶狀旋耕機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間作業(yè)虛擬仿真分析，通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化，確定最佳工作速度為3.6 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為240 r/min、旋耕刀排列方式為多區(qū)段對(duì)稱雙螺旋排列，此時(shí)碎土率為93.26%，地表平整度為17.3 mm。

(3)田間試驗(yàn)表明：水田帶狀復(fù)式整地機(jī)旋耕深度、淺松深度、地表平整度、單條耕作帶寬、耕作帶寬穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、淺松深度穩(wěn)定性系數(shù)分別為151.3、221.4、18.4、300.9 mm、95.3%、92.97%、93.5%、92.3%，滿足水稻苗床整地需求，并且有較高的作業(yè)質(zhì)量，對(duì)比全幅整地機(jī)具，水田帶狀復(fù)式整地機(jī)更符合少、免耕保護(hù)性耕作的需要。