小區(qū)自走式旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)研究

王英雪，趙立軍，劉環(huán)宇，李　強(qiáng)，周福君，何　堤

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

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小區(qū)自走式旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)研究

王英雪，趙立軍，劉環(huán)宇，李強(qiáng)，周福君，何堤

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

摘要：以小區(qū)自走式旋耕機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行了分析，并針對(duì)玉米根茬地旋耕作業(yè)的要求，采用Box—Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)玉米根茬地進(jìn)行了較為詳盡的田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)旋耕機(jī)前進(jìn)速度為0.6m/s、刀軸轉(zhuǎn)速為224r/min、刀齒齒數(shù)為11片時(shí)，旋耕深度達(dá)到13cm，玉米根茬破碎率達(dá)到95%以上，基本滿足了小區(qū)作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：小區(qū)旋耕機(jī)；自走式；參數(shù)優(yōu)化

0引言

旋耕機(jī)是一種以拖拉機(jī)為行走和作業(yè)動(dòng)力，靠一組安裝于水平軸上的彎刀回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤耕耘作業(yè)的農(nóng)機(jī)具，在我國(guó)農(nóng)村普遍使用[1]。旋耕機(jī)械具有實(shí)用性強(qiáng)、操作方便、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，與人工相比達(dá)到了省時(shí)、省力的功效，與其它機(jī)械相比旋耕機(jī)具有良好的切土性能和碎土能力[2]。日本早在1975年就已經(jīng)大面積推廣使用旋耕機(jī)作為主要耕地機(jī)械，而相比之下我國(guó)旋耕機(jī)發(fā)展速度相對(duì)較慢[3-4]。我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中引進(jìn)旋耕機(jī)大多用于蔬菜種植、大田作業(yè)、水稻整地及旱田滅茬等[5]。

旋耕機(jī)的有效使用能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，從而能達(dá)改善土壤的作用[6]。相關(guān)研究表明：每公頃還田根茬干物質(zhì)達(dá)到1 200kg時(shí)，相當(dāng)于施加了大量的農(nóng)家肥，給農(nóng)戶帶來(lái)了一定經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能夠很好地改善土壤環(huán)境，增加耕層的透氣性、透水性，為土壤微生物生存創(chuàng)造了良好的條件[7-8]。

國(guó)內(nèi)在旋耕機(jī)方向早已進(jìn)行了大量的工作研究，主要針對(duì)大田作業(yè)旋耕機(jī)械，對(duì)小區(qū)自走式旋耕機(jī)還少有研究[9]。為此，以自走式旋耕機(jī)的關(guān)鍵部件旋耕刀為研究對(duì)象，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)土壤耕深及根茬破碎率的影響規(guī)律。

1主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

旋耕機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)架、旋耕工作部件、限深機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)鏈及行走輪等組成，如圖1所示。其工作原理是：將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)鏈傳動(dòng)直接傳遞給刀輥軸，驅(qū)動(dòng)軸上旋耕刀片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成耕地、松土、滅茬等作業(yè)環(huán)節(jié)[10-11]。小區(qū)自走式旋耕機(jī)工作的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

小區(qū)自走式旋耕機(jī)配套動(dòng)力輸出由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)完成，前進(jìn)速度在0.3～0.7m/s范圍內(nèi)可調(diào)，最大更耕幅100cm;耕深范圍主要靠阻力鏟柄上孔眼的位置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，范圍設(shè)定值為10～15cm;旋耕刀刀片以彎刀為主，設(shè)置每組刀片數(shù)量為8～12片。

2旋耕機(jī)原理及關(guān)鍵部件分析

2.1旋耕機(jī)工作過(guò)程

工作時(shí)，通過(guò)汽油機(jī)輸出動(dòng)力，帶動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行旋耕作業(yè)，通過(guò)調(diào)節(jié)旋耕機(jī)后端支撐桿產(chǎn)生阻力，隨著支撐桿深淺的調(diào)節(jié)使彎刀有不同的轉(zhuǎn)速，從而得到不同的耕深、生產(chǎn)率和碎土質(zhì)量[12]。旋耕機(jī)耕作原理示意圖如圖2所示。

1.汽油機(jī)　2.機(jī)體　3.操縱手柄　4.離合器

圖2　旋耕機(jī)耕作原理示意圖

2.2耕幅確定

自走式小區(qū)作業(yè)旋耕機(jī)耕幅取決于汽油機(jī)動(dòng)力輸出功率和旋耕作業(yè)時(shí)單位幅寬功耗。如果選擇幅寬過(guò)大，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)載，影響工作效率且增加人工的勞動(dòng)強(qiáng)度；選擇幅寬過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致工作效率過(guò)低[13]。因此，應(yīng)在一定程度上選擇合適的幅寬，進(jìn)而保證主機(jī)功率的充分利用。實(shí)際中幅寬計(jì)算公式為

B=(0.260.29 )N

(1)

其中，N=3.5kW，即發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率。

通過(guò)計(jì)算可知：取值范圍為0.91～1.02m。為計(jì)算方便，本設(shè)計(jì)選取B=1m。

2.3刀軸轉(zhuǎn)速選定

自走式小區(qū)作業(yè)旋耕機(jī)的旋耕刀設(shè)計(jì)主要采取螺旋線布置方式，既可以保證良好的碎土效果，又能在一定程度上減少由作業(yè)帶來(lái)的振動(dòng)，增加了農(nóng)民作業(yè)時(shí)的方便性。刀軸轉(zhuǎn)速一般設(shè)定在200～250r/min范圍內(nèi)，隨著土壤性質(zhì)、土壤含水量、土壤根茬而變化：對(duì)于性質(zhì)較粘著土壤，刀軸轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)偏低；而針對(duì)性質(zhì)稀松土壤，刀軸轉(zhuǎn)速可偏高[14]。

3田間性能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)地點(diǎn)及儀器

試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)小區(qū)玉米試驗(yàn)田；試驗(yàn)材料為秋收后殘留玉米根茬(取自小區(qū)玉米試驗(yàn)田)，平均茬高4.3cm，根茬殘存莖稈直徑為2.43cm，平均株38.2cm，莖稈含水率30%；試驗(yàn)儀器：耕深測(cè)量尺、5m皮尺、鋼尺、游標(biāo)卡尺、烘箱及電子秤等。

3.2技術(shù)要求

由于東北地區(qū)情況較為特殊，玉米根茬較南方地區(qū)粗大，利用人工清理不僅不宜刨除、切碎而且浪費(fèi)大量人力及時(shí)間。本文在對(duì)旋耕機(jī)小區(qū)作業(yè)情況進(jìn)行大量研究的前提下，針對(duì)小區(qū)玉米根茬粉碎旋耕機(jī)械提出了以下技術(shù)要求：①旋耕后耕深值應(yīng)達(dá)到10cm以上；②粉碎后的根茬要直接覆蓋在土壤表層或與土壤直接混合，根茬破碎率要達(dá)到90%以上[15]。

3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

耕深值具體測(cè)試方法為：在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)小區(qū)玉米試驗(yàn)田隨機(jī)選取6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，各耕深點(diǎn)間距大于1m；旋耕后用耕深尺測(cè)量各耕深點(diǎn)深度。耕深值計(jì)算公式為

(2)

其中，n為測(cè)試點(diǎn)。

在測(cè)試旋耕深度的同時(shí)，在旋耕區(qū)域隨機(jī)選取0.5m×0.5m的耕地，旋耕機(jī)耕作后的根茬按長(zhǎng)邊小于5cm、大于等于5cm、完整(60%未被粉碎)根茬劃分，并測(cè)出其總質(zhì)量。其計(jì)算公式為

(3)

式中ki—測(cè)試點(diǎn)內(nèi)5cm以下根茬的質(zhì)量；

k—測(cè)試點(diǎn)內(nèi)根茬的總質(zhì)量。

3.4試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)根據(jù)旋耕機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)給定各因素取值范圍，確定影響耕深及根茬破碎率的主要因素為旋耕機(jī)前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀齒齒數(shù)，取值范圍為前進(jìn)速度0.3～0.7m/s、刀軸轉(zhuǎn)速為200～250r/min、刀齒齒數(shù)8～12片。采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表如表2所示。

3.5田間試驗(yàn)

試驗(yàn)以自走式小區(qū)旋耕機(jī)前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀齒齒數(shù)為主要因素，采用Box—Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表3所示。

3.6試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可以看出：各因素對(duì)耕深影響均達(dá)到了10cm以上，滿足了旋耕作業(yè)要求。利用Design Expert7.0軟件對(duì)表3中根茬破碎率試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到根茬破碎率的回歸方程為

Y=94.74+0.62x1-0.28x2+1.82x3-

4.96x12-4.66x22-2.86x32-

2.87x1x2+4.48x1x3+1.38x2x3

回歸決定系數(shù)R2=0.944 2，修正決定系數(shù)為0.872 4。這說(shuō)明，試驗(yàn)誤差相對(duì)較小，回歸模型顯著，能夠很好地描述試驗(yàn)結(jié)果，使用該方程代替真實(shí)的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析是可行的。根茬破碎率回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表4所示。

表2　響應(yīng)面因素水平編碼表

表3　Box—Behnken設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表4　根茬破碎率回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

續(xù)表4

3.7根茬破碎率響應(yīng)曲面分析

根據(jù)響應(yīng)曲面圖，可分析各因素對(duì)響應(yīng)值的影響和各個(gè)因素間的交互作用。由表3中各項(xiàng)系數(shù)的P值可知：前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀齒齒數(shù)對(duì)旋耕機(jī)根茬破碎合格率有極顯著影響，影響程度由高到低依次為刀齒齒數(shù)、前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速。

圖3～圖5分別為旋耕機(jī)前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀齒齒數(shù)對(duì)根茬破碎合格率交互作用的響應(yīng)曲面分析圖，且考察兩個(gè)因素變化對(duì)指標(biāo)影響時(shí)，第3個(gè)因素固定在零水平上。

由圖3可知：在旋耕機(jī)刀齒齒數(shù)一定的情況下，前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速增大時(shí)，根茬破碎率逐漸增加，直到根茬破碎率達(dá)到最大值；之后，根茬破碎率隨著前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加逐漸減小。

由圖4可知：在旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，前進(jìn)速度、刀齒齒數(shù)增大時(shí)，覆土合格率逐漸增加；直到根茬破碎率達(dá)到最大值之后,根茬破碎率隨著前進(jìn)速度、刀齒齒數(shù)的進(jìn)一步增加逐漸減小。

由圖5可知：在旋耕機(jī)前進(jìn)速度一定的情況下，刀軸轉(zhuǎn)速、刀齒齒數(shù)增大時(shí)，根茬破碎率逐漸增加；直到根茬破碎率達(dá)到最大值之后,根茬破碎率隨著刀軸轉(zhuǎn)速、刀齒齒數(shù)的進(jìn)一步增加而逐漸減小。

3.8田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為檢驗(yàn)其可靠性，以旋耕機(jī)前進(jìn)速度0.6m/s、刀軸轉(zhuǎn)速224r/min、刀齒齒數(shù)11片為參數(shù)進(jìn)行了玉米根茬地驗(yàn)證試驗(yàn)。在此條件下，旋耕深度可達(dá)到13cm，玉米根茬破碎率達(dá)到95%以上。旋耕后土壤表面結(jié)構(gòu)如表5所示。

圖3　前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速對(duì)根茬破碎率響應(yīng)曲面圖

圖4　前進(jìn)速度和刀齒齒數(shù)對(duì)根茬破碎率響應(yīng)曲面圖

圖5　刀軸轉(zhuǎn)速和刀齒齒數(shù)對(duì)根茬破碎率響應(yīng)曲面圖

旋耕深度/cm根茬破碎率/%1395

旋耕后根茬均勻分布在土壤表面，滿足旋耕后耕深值應(yīng)達(dá)到10cm以上、粉碎后的根茬要直接覆蓋在土壤表層或與土壤直接混合、根茬破碎率達(dá)到90%以上等作業(yè)要求。土壤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種適合小區(qū)作業(yè)的自走式旋耕機(jī)，對(duì)其工作原理及關(guān)鍵部件進(jìn)行了有效的分析，對(duì)旋耕機(jī)耕幅、刀軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算選擇。

2)采用Box—Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)小區(qū)自走式旋耕機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：旋耕機(jī)前進(jìn)速度0.6m/s、刀軸轉(zhuǎn)速224r/min、刀齒齒數(shù)11片時(shí)，旋耕深度平均值最大可達(dá)13cm，根茬破碎率達(dá)到95%以上，滿足了小區(qū)作業(yè)基本要求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0165-EA

Study on a Self-propelled Rotary Cultivator Used in Village

Wang Yingxue, Zhao Lijun, Liu Huanyu, Li Qiang, Zhou Fujun, He Di

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：The the structure composition and working principle of a self-propelled rotary cultivator used in village. Box-Behnken central composite design method was employed to analyze the maize root crop field experiments of rotary tillage operation. Optimal parameters were obtained as the forward speed is 0.6m/s，rotary speed is 224r/min，blade teeth is 11 evaluation index to achieve the optimal rotary cultivator.Rotary tillage depth may reached 13cm,corn stubble root breakage rate of 95% which meets the basic requirement for residential area operation.

Key words：rotary cultivator; self-propelled; parameters optimization

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0165-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王英雪(1988-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，(E-mail) 15774509739@163.com。通訊作者：何堤(1951-)，男，吉林德惠人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)hedi04511558@sohu.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04-04)

收稿日期：2015-05-11