反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄭 侃 何 進(jìn) 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(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄭 侃 何 進(jìn) 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(duì)現(xiàn)有深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)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(shí)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(jì)一種用于深耕的反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)，通過旋耕、深松、鎮(zhèn)壓多工序?qū)崿F(xiàn)表層土壤細(xì)碎、秸稈埋覆，深層土壤疏松目的。整機(jī)以提高作業(yè)質(zhì)量、減少作業(yè)阻力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用離散元仿真與正交試驗(yàn)、有限元仿真結(jié)合進(jìn)行整機(jī)參數(shù)優(yōu)化。離散元仿真結(jié)果表明：機(jī)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(shí)，機(jī)具作業(yè)壅土量為5 283個(gè)土壤顆粒，植被覆蓋率為98.37%，此時(shí)綜合作業(yè)質(zhì)量較優(yōu)；有限元仿真結(jié)果驗(yàn)證了深松鏟設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明：反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(jī)相比，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(shí)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(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。聯(lián)合耕整作業(yè)機(jī)械在適宜條件下一次作業(yè)即可完成耕地、整地等多項(xiàng)工序，達(dá)到播種前的苗床要求，且具有減少農(nóng)機(jī)具對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞，提高機(jī)具作業(yè)效率，節(jié)省燃料降低作業(yè)成本等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來，隨著我國大功率動(dòng)力機(jī)械的發(fā)展，聯(lián)合耕整作業(yè)機(jī)械已成為農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械發(fā)展方向。

深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)采用深松、旋耕兩項(xiàng)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(jiān)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(qiáng)，作業(yè)后表土細(xì)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(jī)分為：深松旋耕聯(lián)合整地作業(yè)機(jī)[8]、深松旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)[9]、滅茬深松旋耕起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)[10]。但深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)研究報(bào)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(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)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(jī)，為我國深層耕作、低阻力聯(lián)合耕作機(jī)械的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)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(jī)由拖拉機(jī)三點(diǎn)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(jī)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(xiàng)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(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)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(jī)采用中間齒輪傳動(dòng)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸送動(dòng)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(dòng)旋耕刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，深松部件疏松旋耕部件前方的深層土壤，以達(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(xì)碎的土壤通過擋草柵條覆蓋表層，實(shí)現(xiàn)埋覆秸稈殘茬功能。機(jī)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(duì)深松、旋耕作業(yè)后的地表進(jìn)行鎮(zhèn)壓。整機(jī)作業(yè)后形成有利于作物生長的下粗上細(xì)、上虛下實(shí)、透氣性良好的土壤耕作層。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 基于交互作用的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深松部件與旋耕部件的相對(duì)位置、機(jī)具重心的水平位置影響整機(jī)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(jī)具重心的水平位置，以確定整機(jī)結(jié)構(gòu)。

2.1.1 深松部件與旋耕部件的相對(duì)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(diǎn)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(jī)具耕作易堵塞纏繞，增加了耕整機(jī)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(shí)提高機(jī)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(jī)沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，假設(shè)旋耕作業(yè)為正轉(zhuǎn)旋耕(圖2中旋耕刀順時(shí)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(duì)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(jī)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(jī)具工作時(shí)，深松部件在未耕作區(qū)進(jìn)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(jìn)行松碎。該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(jī)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(shí)，深松鏟尖與翼鏟對(duì)旋耕部件前部未耕作區(qū)進(jìn)行土壤疏松，隨后旋耕部件進(jìn)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(jī)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(duì)較少，且覆蓋均勻時(shí)，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(jī)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(shí)，秸稈、雜草流動(dòng)性較強(qiáng)對(duì)旋耕部件水平阻力影響較小，P、P′近似相同；機(jī)具發(fā)生堵塞，使機(jī)具無法工作情況，本設(shè)計(jì)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(shí)通過已旋耕后的松碎土壤，同時(shí)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(diǎn)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(shí)，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(jī)選用深松旋耕交互組合結(jié)構(gòu)。

2.1.2 機(jī)具重心的水平位置確定

機(jī)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(jī)，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(yuǎn)，整機(jī)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(jī)以變速箱為中心左右對(duì)稱，各個(gè)部件重心位于整機(jī)對(duì)稱面上。其中旋耕部件(包括變速箱、機(jī)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(rèn)為在旋耕刀軸中心豎直線上。圖3為整機(jī)重心位置示意圖，建立以機(jī)具前方的下懸掛點(diǎn)為中心，水平方向?yàn)閤軸、垂直方向?yàn)閥軸的xOy坐標(biāo)系。根據(jù)各個(gè)部件重心位置及大小不同將整機(jī)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(jì)算出整機(jī)重心的水平距離為

(2)

式中L——整機(jī)重心的水平距離G——整機(jī)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(jī)具重心位置示意圖Fig.3 Sketch of barycenter position of machine

經(jīng)測定整機(jī)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(duì)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(jī)重心水平距離為635.8 mm。如圖3所示，整機(jī)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(jī)重心介于另外兩者之間，其優(yōu)點(diǎn)是深松、旋耕部件工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)深松鏟抬起現(xiàn)象，耕深穩(wěn)定性增強(qiáng)、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(jì)

2.2.1 基于聯(lián)合作業(yè)的旋耕部件設(shè)計(jì)

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)中旋耕部件的旋轉(zhuǎn)方向，影響機(jī)具碎土質(zhì)量、耕深穩(wěn)定性、機(jī)具振動(dòng)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(shí)要隨著機(jī)具前進(jìn)作水平勻速運(yùn)動(dòng)。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(jìn)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(diǎn)O，建立xOy坐標(biāo)系，正轉(zhuǎn)旋耕刀旋向?yàn)轫槙r(shí)針；反轉(zhuǎn)旋耕刀旋向?yàn)槟鏁r(shí)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(jìn)速度vm相同。參考正轉(zhuǎn)旋耕刀運(yùn)動(dòng)分析[14]，并結(jié)合圖4b反轉(zhuǎn)旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡，得出正、反轉(zhuǎn)旋耕刀端點(diǎn)絕對(duì)速度v1、v2為

(3)

正轉(zhuǎn)旋耕刀由近及遠(yuǎn)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(diǎn)相鄰軌跡線之間的單片土垡進(jìn)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(jìn)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(diǎn)軌跡線切線與x軸夾角，可由旋耕刀端點(diǎn)絕對(duì)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(shí)垡片厚度d1、d2為

(4)

正、反轉(zhuǎn)旋耕刀作業(yè)時(shí)刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)A時(shí)的轉(zhuǎn)角φ1、φ2較小，可近似認(rèn)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(jì)算式為

(5)

圖5 反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)中深松、旋耕相對(duì)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(gè)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(diǎn)絕對(duì)速度v1、v2，正、反轉(zhuǎn)旋耕時(shí)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(jìn)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(jī)[14]與GB/T 5668—2008《旋耕機(jī)》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(jī)械-刀和刀座》取值195 mm；試驗(yàn)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(jì)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(diǎn)的絕對(duì)速度v1大于反轉(zhuǎn)旋耕刀端點(diǎn)絕對(duì)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(duì)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(jī)作業(yè)穩(wěn)定性且延長機(jī)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(jī)旋耕部件設(shè)計(jì)為反旋。結(jié)合現(xiàn)有的旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)，本設(shè)計(jì)旋耕部件采用左、右刀軸上的旋耕刀按雙頭螺旋線對(duì)稱排列，以抵消刀軸橫向水平力，減小對(duì)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(jì)

深松、旋耕部件位置參數(shù)影響整機(jī)的工作性能。本設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)，有利于降低機(jī)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(shí)，也能實(shí)現(xiàn)旋耕部件潛土作業(yè)，需對(duì)深松部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(jī)作業(yè)深度為130～150 mm，達(dá)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(jì)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(xiàn)[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(yàn)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(shí)，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(jī)械耕整地作業(yè)，土壤耕層變淺、犁底層加厚，現(xiàn)普遍達(dá)到120 mm以上[24]，嚴(yán)重影響土壤的透氣性、透水性，本文結(jié)合試驗(yàn)地不同深度容重、緊實(shí)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(shí)，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J(rèn)B/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(jì)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(jī)采用反轉(zhuǎn)旋耕，旋耕刀易將切削后的土壤拋向機(jī)具前方，形成壅土。減少機(jī)具作業(yè)時(shí)壅土量，有利于整機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)行仿真，分析反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)作業(yè)速度、旋耕轉(zhuǎn)速、旋耕刀類型3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)壅土量、植被覆蓋率2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，從而優(yōu)化整機(jī)作業(yè)性能。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用SolidWorks Simulation軟件對(duì)深松鏟進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，為后續(xù)樣機(jī)試制和田間試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

3.1 離散元土壤模型建立

為了真實(shí)反映田間實(shí)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(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為壤土(粘粒質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)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(shí)驗(yàn)測定、文獻(xiàn)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(xiàn)[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(jī)具仿真結(jié)果條件下，同時(shí)考慮鎮(zhèn)壓輥、擋土輥、限深輪等部件對(duì)仿真結(jié)果影響較小，為了減少軟件運(yùn)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間，建立適用于反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(jī)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(yàn)方法

在保證機(jī)具作業(yè)過程中土壤顆粒運(yùn)動(dòng)連續(xù)的前提下，設(shè)定仿真固定時(shí)間步長為2×10-5s，總仿真時(shí)間為5 s、網(wǎng)格單元尺寸為3倍最小顆粒半徑。同時(shí)設(shè)置機(jī)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(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，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(jī)具前方土壤量的多少即為壅土量，機(jī)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(yàn)取機(jī)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(jī)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(jī)具前進(jìn)方向取作業(yè)平穩(wěn)段，對(duì)仿真土槽進(jìn)行區(qū)域劃分，隨機(jī)選取厚度為40 mm、長度為500 mm、寬度與機(jī)具幅寬相同的測量網(wǎng)格；提取該區(qū)域機(jī)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(jì)算式為

(10)

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

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在作業(yè)深度相同條件下，參考反旋旋耕機(jī)已有的研究成果[31-33]，機(jī)具作業(yè)壅土量與秸稈覆蓋率主要與機(jī)具前進(jìn)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(yàn)方法，以反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(píng)價(jià)指標(biāo)，選用L9(34)正交表，進(jìn)行反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(jī)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(yàn)結(jié)果與分析

應(yīng)用IBM SPSS Statistics 21軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。正交試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)，為消除隨機(jī)誤差，采用上述試驗(yàn)方法重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值為試驗(yàn)驗(yàn)證值。測得參數(shù)組合方案為X2n3vm1時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果分別為壅土量4 683.33個(gè)土壤顆粒，植被覆蓋率74.56%；測得參數(shù)組合方案為X1n3vm1時(shí)試驗(yàn)結(jié)果分別為壅土量5 283個(gè)土壤顆粒，植被覆蓋率98.37%。通過對(duì)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?yàn)镮IS195鑿形刀作業(yè)出現(xiàn)一定的漏耕現(xiàn)象，無法滿足耕整機(jī)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(jī)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(jī)中深松部件深松鏟柄與翼鏟尺寸較大，有必要進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核。選擇深松鏟單體，在機(jī)具采用較優(yōu)參數(shù)組合下運(yùn)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(duì)前方土壤作用時(shí)，隨著深松鏟逐漸接觸土壤，深松鏟阻力逐步增加，并達(dá)到峰值，最大值為1.704 kN。當(dāng)旋耕部件入土作業(yè)時(shí)，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(yàn)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(duì)深松鏟進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。本設(shè)計(jì)中鏟尖和翼鏟采用65Mn鋼加工，鏟尖進(jìn)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(duì)深松鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分18 973，得到31 831個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中對(duì)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(jī)架上，所以對(duì)深松鏟柄端部添加約束固定，同時(shí)對(duì)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(qiáng)度滿足作業(yè)要求。

4 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)及離散元仿真得到的較優(yōu)組合的準(zhǔn)確性，進(jìn)行反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)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(píng)價(jià)反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)與深松旋耕聯(lián)合整地機(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(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備主要包括雷沃M1104型拖拉機(jī)、反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)樣機(jī)、深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)(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(shí)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(shí)度3 664.13 kPa。試驗(yàn)區(qū)前茬作物為玉米，秸稈經(jīng)過還田機(jī)粉碎、覆蓋均勻，覆蓋量為1.82 kg/m2。

4.2 試驗(yàn)方法

選取地勢平坦、長度為200 m、寬度為30 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20 m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)。兩種機(jī)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(jì)數(shù)點(diǎn)，測量機(jī)具牽引阻力[34]。兩種機(jī)具性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法依據(jù)JB/T 10295—2014《深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)》，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)試驗(yàn)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(jī)與深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。兩種機(jī)具牽引阻力如圖11所示。

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表明：反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(jī)》評(píng)定指標(biāo)。說明反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(dá)到待播狀態(tài)。

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Photo of field test

性能參數(shù)反旋深松機(jī)試驗(yàn)結(jié)果深松旋耕機(jī)試驗(yàn)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(duì)比Fig.11 Comparison of drag force measurement

反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)對(duì)比表明：與深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)相比，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(jì)提高了聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)耕深穩(wěn)定性；反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)植被覆蓋率97.25%，比深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)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(jī)土壤膨松度、地表平整度與深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)基本相同。綜合分析可知，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)比深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)提高了耕作穩(wěn)定性和植被覆蓋率，且不會(huì)影響其他作業(yè)指標(biāo)。

由圖11兩種機(jī)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(shí)，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)牽引阻力10.32 kN比深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)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(jī)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(jī)打滑現(xiàn)象，造成多次停機(jī)，嚴(yán)重影響其作業(yè)質(zhì)量；而反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(shí)，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(jì)一種反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)。一次作業(yè)完成深松、旋耕、鎮(zhèn)壓等工序，從而實(shí)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(jì)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(jī)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(jī)作業(yè)質(zhì)量；設(shè)計(jì)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)潛土作業(yè)。

(2)利用EDEM軟件對(duì)反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)進(jìn)行虛擬仿真分析，通過三因素三水平正交試驗(yàn)，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(shí)，機(jī)具作業(yè)壅土量為5 283個(gè)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(duì)深松鏟進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，得出深松鏟強(qiáng)度滿足作業(yè)要求。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(píng)定指標(biāo)。與深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)相比，反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機(jī)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(shí)使?fàn)恳枇档土?6.21%。

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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(xiàng)(201503136)和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT13039)

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

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

S222.4

A

1000-1298(2017)08-0061-11