圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置設(shè)計與試驗

林 靜，馬 鐵，陸澤城，李寶筏，宋建鵬，呂秋立

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110161）

圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置設(shè)計與試驗

林 靜，馬 鐵，陸澤城，李寶筏，宋建鵬，呂秋立

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110161）

免耕播種機是保護性耕作的關(guān)鍵機具之一，其播種質(zhì)量的好壞在很大程度上影響著保護性耕作的效果。為了優(yōu)化免耕播種機的關(guān)鍵部件破茬刀，研制了一種圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)實時地測繪出圓盤破茬刀待測點的運動軌跡。通過對三種圓盤破茬刀的運動軌跡的測繪與試驗，得出光面圓盤破茬刀上待測點的運動軌跡為光滑的擺線，半圓型缺口盤和阿基米德螺線盤上待測點的運動軌跡為由不同長度的圓弧組成的云曲線。在此基礎(chǔ)上對三種圓盤破茬刀沖擊情況、入土滑切角和滑切速度變化進行了分析比較，建立了阿基米德螺線型圓盤破茬刀切割根茬運動的運動學(xué)模型。描繪出阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動軌跡是由不同長度的圓弧組成的云曲線，建立了阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動方程。發(fā)現(xiàn)阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的軌跡具備了光面圓盤破茬刀的擺線規(guī)律，也具備了半圓型缺口圓盤破茬刀的沖擊性，并且滑切角較大，滑切性能更好。通過圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置的兩因素三水平正交試驗分析，得出阿基米德螺線型圓盤破茬刀、機具配重為100 kg時破茬效果達90%以上，破茬率較高。

免耕播種機；圓盤破茬刀；云曲線；測繪裝置；運動軌跡

免耕播種機是保護性耕作機具研發(fā)的重點和難點。當作業(yè)環(huán)境差，土壤堅硬且壟形不整時，易造成免耕播種機壅堵、播種深度不易把握，機器走不直、易跑偏、壟埂土易向壟溝滑落等問題［1－2］。因此，免耕播種機應(yīng)具有良好的破茬防堵能力，避免秸稈和作物殘茬對播種機造成堵塞，保證開溝器的入土能力，能在未耕地上開出有利于種子發(fā)芽生長的種溝，并且減少動土量和耕作阻力，以滿足播深均勻度的要求，提高種子的出苗率［3－15］。

常用的免耕播種機的破茬裝置有圓盤刀式、旋耕刀式、尖角式等。短翼尖角破茬鏟結(jié)構(gòu)簡單，破茬效果好，阻力小，對土壤的攪動相對較小。帶狀旋耕刀由直刀和彎刀組合，直刀用于切斷開溝器前方的橫茬，彎刀用于切斷立茬。帶狀旋耕刀的破茬性能最好，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，動力消耗大。圓盤刀破茬是國際應(yīng)用較多的破茬技術(shù)，其原理是圓盤刀隨播種機行進在地面滾動，利用刃口將秸稈、根茬和土壤切開，形成種溝，但需要較大的正壓力才能保證一定的入土深度和較好的破茬效果。為了減小東北玉米免耕播種機的破茬阻力，提高破茬質(zhì)量，課題組研制了新型阿基米德螺線型缺口圓盤破茬刀。同時，為了研究其運動特性，研制了一種圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置，通過該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)實時精確地測繪出圓盤破茬刀工作時待測點的運動軌跡，為阿基米德螺線型缺口圓盤破茬刀優(yōu)化結(jié)果的驗證提供技術(shù)支撐［16－27］。

1 測繪裝置的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 測繪裝置的總體結(jié)構(gòu)

圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該裝置由小車機架、測繪機構(gòu)和傳動系統(tǒng)三大部分組成。傳動系統(tǒng)安裝于小車機架上為整個裝置提供動力，測繪機構(gòu)與機架通過三根連桿形成的簡易平行四連桿仿形機構(gòu)連接。整個測試機構(gòu)由電動機提供動力，通過傳動系統(tǒng)使小車前進，帶動待測破茬盤運作，測繪探針即時在圖紙上測繪出待測點的運動軌跡［28－30］。

1.2 測繪裝置的工作原理

圖1 圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Device for themovement characteristics of corn stubble cutting with disc cutting knife

圖2 測繪裝置Fig.2 Surveying andmapping device

測繪裝置是圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置最關(guān)鍵的部件，是整個測繪裝置的核心。測繪裝置主要由測繪探針、測繪支桿、破茬盤接盤、待測破茬盤、測繪和配重支架、限深板、測繪傳動軸等組成，如圖2所示。測繪時，待測破茬盤與測繪傳動軸通過破茬盤接盤連接固定，破茬盤與接盤用螺栓連接，接盤與傳動軸鍵連接，從而使破茬盤與傳動軸實現(xiàn)剛性連接。測繪軸套、測繪支桿和測繪探針組成一個測繪單體，用于測繪對應(yīng)待測點的運動軌跡。它們分別通過M10的螺紋連接，測繪探針半徑由此可調(diào)至與對應(yīng)待測點半徑一致，測繪探針與支桿由螺絲頂針固定。如圖3（a）所示，測繪單體由測繪軸套套住傳動軸后轉(zhuǎn)動若干角度直至與待測點對應(yīng)，并將測繪支桿一端頂在傳動軸對應(yīng)溝槽內(nèi)，使測繪單體與傳動軸連接。以此使測繪單體與破茬盤上對應(yīng)待測點同步運動，完成整個測繪系統(tǒng)。此測繪裝置上有 3個測繪單體，以 ɑ（紅）、b（藍）、c（黑）3個為待測點關(guān)鍵點。ɑ點是刃口的底端，極徑等于破茬刀的最小半徑 Rmin；b點是極角δ等于該刃口的包角Φ的一半時，極徑 R與刃口曲線的交點；c點是刃口的頂端，極徑等于破茬刀的最大半徑Rmax。測繪裝置工作時可同時測出3個待測點的運動軌跡。且3個測繪的頂端同時頂住左邊土槽壁上的圖紙上，便描繪出3個關(guān)鍵點的運動軌跡。

圖3 阿基米德螺線型圓盤破茬刀待測點的確定Fig.3 To determine archimedes spiral disc stubble breaking cutter point to be tested

測繪裝置工作時，傳動軸帶動破茬盤轉(zhuǎn)動和向前移動，同時帶動測繪探針與破茬盤同步運動，將待測點的對應(yīng)運動軌跡測繪出來。破茬盤切割玉米根茬時，測繪裝置就會將其上三個待測點的運動軌跡描繪在土槽壁上的測繪圖紙上，完成運動軌跡的測繪。

圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測繪裝置為室內(nèi)試驗裝置，小車由電動機驅(qū)動，待測破茬盤切割玉米根茬的同時將破茬盤上若干待測點的運動軌跡繪制出來，完成測繪。將測繪裝置小車置于試驗土槽上，由電動機提供動力，通過減速器和傳動系統(tǒng)帶動小車沿土槽壁以一定速度前進。通過連桿連接測繪裝置和待測破茬盤，使破茬盤在土槽內(nèi)運動，切割玉米根茬。同時測繪裝置將破茬盤上的若干待測點的運動軌跡繪制出來。

2 圓盤破茬刀切割根茬的運動學(xué)分析

2.1 圓盤破茬刀切割根茬的原理

破茬刀是免耕播種機破茬防堵裝置的重要工作部件之一，其性能的好壞直接影響了破茬效果。圓盤破茬刀刃口曲線形狀應(yīng)滿足：①具有一定的沖擊性能，滑切角能隨著切茬的過程逐漸變化；② 破茬刀在切斷根茬時應(yīng)具備良好的滑切性。所謂滑切，是指被切根茬沿破茬刀刃口曲線的切向有滑移運動的切削過程；產(chǎn)生滑移效果的條件是滑切角大于刃口曲線與被切根茬之間的摩擦角。工作中，圓盤破茬刀受摩擦力被迫隨機具滾動前進，并借助免耕播種機的自重及配重切開玉米根茬。在此過程中，不同的破茬刀刃口曲線形狀將直接影響破茬效果。

2.2 三種圓盤破茬刀破茬運動軌跡的測繪試驗

對三種圓盤破茬刀，即光面圓盤破茬刀、8齒缺口半圓型缺口圓盤破茬刀、11齒缺口阿基米德螺線型圓盤破茬刀（圖4）進行運動特性測繪，得出三種圓盤破茬刀刃口關(guān)鍵點運動軌跡曲線形狀［31－38］，如圖5所示。

圖4 三種類型的圓盤破茬刀Fig.4 Three types of disc cutting knife

經(jīng)過測繪裝置的測繪，得出三種圓盤破茬刀特測點的運動軌跡曲線（圖5）。光面圓盤破茬刀刃口待測點的運動軌跡形成的曲線是擺線，單個周期內(nèi)不會產(chǎn)生沖擊。半圓型缺口圓盤破茬刀和阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口待測點的運動軌跡是由不同長度圓弧組成的云曲線，當待測點結(jié)束一段圓弧進入下一段圓弧時，都會產(chǎn)生1次沖擊。一個周期內(nèi)產(chǎn)生的沖擊次數(shù)與破茬刀的缺口數(shù)或刃口數(shù)相等。

從圖5三種圓盤破茬刀旋轉(zhuǎn)一周時的運動軌跡曲線得出，光面圓盤破茬刀切割平穩(wěn)；而半圓缺口圓盤破茬刀在旋轉(zhuǎn)一周時，對地面產(chǎn)生了8次振動；阿基米德螺線型圓盤破茬刀對地面產(chǎn)生了11次振動。當遇到根茬時，每振動1次即振動的刀具切割根茬1次。當運動朝向為機具前進方向的圓弧位置時，進入下一段圓弧的運動軌跡。這一過程產(chǎn)生的慣性沖擊使破茬刀獲得更大的沖擊力，提升了切斷根茬的效果并且減少了破茬阻力。

圖5 三種圓盤破茬刀刃口關(guān)鍵點運動軌跡曲線Fig.5 Themovement trajectory curve shape of the key points of the cutting edge of three kinds of disc stubble knife

2.3 破茬刀滑切角分析

玉米根茬由表皮、皮層和中柱三個部分構(gòu)成［39－40］。表皮的最外層是根毛區(qū)，由表皮的根毛和數(shù)層皮下薄壁細胞組成；表皮下為皮層；中柱層包括韌皮部、木質(zhì)部和髓，與中柱鞘相連的原生韌皮細胞是篩管，隨后分化出后生韌皮部，是由若干個篩管和伴壁細胞組成。根的中心是髓，大部分由薄壁細胞組成。圓盤破茬刀刃口作用于玉米根茬的切斷方式有兩種，砍切和滑切?？城袝r，刃口施向秸稈的力，首先要克服刀刃接觸的表皮組織的剪切應(yīng)力，同時還必須克服秸稈表皮下的內(nèi)部組織的剪切應(yīng)力，方能切開從而切斷玉米根茬和秸稈。同時，砍切時刀片產(chǎn)生的沖擊力大，由此引起的機具振動較大；滑切中所需要的力小于砍切中所需要的力。在滑切中，只需要克服表皮接觸部位的剪應(yīng)力，就可切開表皮部分，從而一層層地將秸稈切開直至切斷。如圖6所示，根茬對刃口的阻力 F，可分解為平行和垂直刃口的兩個分力 F1和 F2。F1使根茬沿刃口滑動，F(xiàn)2使刃口切入根茬中。此外，刃口處還有阻止茬子滑動的摩擦力 f。

式中，μ為根茬對刃口的摩擦系數(shù)；θ為滑切角（°）；φ為摩擦角（°）。

當圓盤破茬刀切割玉米根茬時，靠玉米根須與土壤盤結(jié)形成一點支承的切割條件。要破切地面以上玉米根茬根上節(jié)和地面以下根下節(jié)，要依靠圓盤破茬刀本身的慣性、根茬的硬度及土壤強度來維持其切割性能。因此刀片在工作時不僅要有較高的水平線速度，同時其正切面的滑切角必須符合穩(wěn)定切割的條件。

根據(jù)破茬刀切割根茬原理，破茬刀應(yīng)具備良好的滑切性且滑切角能隨著切茬的過程逐漸變化。滑切角分靜態(tài)滑切角和動態(tài)滑切角，本文研究動態(tài)滑切角θ，即破茬刀刃口上任一點的絕對速度方向與該點的法線所夾的角。θ角大于摩擦角φ時，刃口即有滑切作用。θ角越大，滑切越明顯。

圖6 破茬刀滑切角分析Fig.6 Analysis of sliding cutting angle of stubble cutting knife

破茬刀切割根茬時，以水平速度 vm向前滾動，中心從 O點運動到O′點，刃口 A點運動到A′點，曲線AA′即為刃口A點的運動軌跡?；薪鞘茿點的絕對運動方向與其所在刃口法線的夾角（圖6）。為了研究破茬刀切割玉米根茬的運動特性，分別制作了三種圓盤破茬刀的模型，比例1∶1，如圖7所示。

三種圓盤破茬刀關(guān)鍵點切割玉米根茬時的運動軌跡為云曲線，如圖8所示。圖8中紅、藍、黑線分別對應(yīng)圓盤破茬刀模型上的關(guān)鍵點 ɑ（紅）、b（藍）、c（黑），圖中虛線為相鄰刃口上三點的軌跡曲線。圓盤破茬刀作業(yè)時的入土深度為7 cm，在深度0.5～6.5 cm之間按入土深度每隔1 cm分別測量各盤上 ɑ（紅）、b（藍）、c（黑）待測點的滑切角θ，測繪結(jié)果如表1所示，得出玉米根茬的內(nèi)表面摩擦角為31.96°。

圖7 圓盤破茬刀模型Fig.7 Disc cutting knifemodels

圖8 圓盤破茬刀刃口曲線圖形分析Fig.8 Analysis of the curve and figure of cutting edge of disc stubble knife

表1 圓盤破茬刀滑切角Table 1 Disc cutting blade sliding cutting angle

根據(jù)表1分析得各圓盤破茬刀刃口滑切角變化關(guān)系曲線（圖9）。光面圓盤破茬刀刃口上a（紅）、b（藍）、c（黑）三點的滑切角均小于摩擦角φ，其滑切作用是滑移導(dǎo)致的，滑切效果不好，破茬阻力大。半圓型缺口和阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上a（紅）、b（藍）、c（黑）三點的滑切角均有一部分大于摩擦角φ，產(chǎn)生滑切。入土部分是刃口切割根茬的部分，是重點研究的部分，且主要切割根茬的深度在1.5～6.5 cm之間（圖 9）。半圓型缺口圓盤破茬刀刃口上b點的滑切角逐漸增大，但a、c兩點的滑切角逐漸減小，滑切性降低；阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上a、b、c三點的滑切角均迅速增大，滑切性快速提升。綜合分析得出阿基米德螺線型圓盤破茬刀的滑切性能最佳。

2.4 滑切速度變化分析

測繪裝置以一定速度vm水平向左行駛，分別測量各盤上a、b、c相鄰待測點的距離，通過距離變化可算出各待測點的速度變化。經(jīng)分析換算后，得出以1.38m·s－1的速度沿水平方向前進時的各待測點的速度變化。試驗結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2分析得各圓盤破茬刀刃口滑切速度變化關(guān)系（圖10）。各圓盤破茬刀刃口所在位置越高，其速度越大；隨著刃口降低，速度也隨之降低，此時vc＞vb＞vɑ。當刃口降至最低點后逐漸升高，速度也隨之增大，但此時 vɑ＞vb＞vc。8～15 cm位置是切割根茬的關(guān)鍵位置，對比發(fā)現(xiàn)阿基米德螺線型圓盤破茬刀在8～15 cm位置的速度比另兩種圓盤破茬刀的速度大，提高了切茬效率。

2.5 切割加速度變化分析

玉米根茬，一般距地面高10～25 cm，靠作物根須與土壤盤結(jié)形成一點支撐的切割條件。粉碎地面以上茬子和地面以下根須，需依靠茬子本身的慣性、茬子的剛度及土壤強度來維持其切割性能。因此刀片在工作時不僅要有較高的水平線速度，同時其正切面的切削角必須符合穩(wěn)定切割的條件。刀片正切面加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值，即切割加速度 ɑ（Δv／Δt），由此可得：

式中，ɑ為加速度（m·s－2）；Δv為速度變化量（m·s－1）；Δt為發(fā)生Δv所需要的時間（s）；vi為第i個位置的速度（m·s－1）；vi＋1為第 i＋1個位置的速度（m·s－1）。

將表2中的數(shù)據(jù)代入式（2）中，可得表3圓盤破茬刀刃口切割加速度變化。

圖9 各圓盤破茬刀刃口滑切角變化關(guān)系Fig.9 The change of the sliding angle of the cutting edge of each disc stubble knife

表2 圓盤破茬刀刃口滑切速度變化Table 2 Sliding speed changing of cutting edgeof disc stubble knife

表3 圓盤破茬刀刃口切割加速度變化Table 3 Accelerated speed variation of cutting edge of each disc stubble knife

根據(jù)表3分析得出各圓盤破茬刀刃口切割加速度變化關(guān)系（圖11）。

圖10 各圓盤破茬刀刃口滑切速度變化關(guān)系Fig.10 The change of sliding cutting speed of cutting edge of each disc stubble knife

圖11 各圓盤破茬刀刃口切割加速度變化關(guān)系Fig.11 The acceleration variation of cutting edge of each disc Stubble Knife

3 阿基米德螺線型圓盤破茬刀切割根茬運動的運動學(xué)模型

3.1 圓盤破茬刀刃口上關(guān)鍵點的運動軌跡

阿基米德螺線型圓盤破茬刀的工作性能優(yōu)于光面圓盤破茬刀和半圓型缺口圓盤破茬刀。根據(jù)試驗結(jié)果得出阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動軌跡，并建立其運動方程，并進行仿真模擬對比。如圖12所示，阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動軌跡是由不同長度的圓弧組成的曲線，每個關(guān)鍵點在結(jié)束一段圓弧的運動進入下一段圓弧時，方向都會發(fā)生改變，就會產(chǎn)生沖擊。當點運動到最高點前上升時，每次沖擊都會有一次上升的過程，所產(chǎn)生的慣性可以甩出破茬刀帶出的土壤和殘茬，減少帶土和纏繞，防止堵塞。當點運動越過最高點開始下降時，每次沖擊又都會對破茬刀產(chǎn)生一定的推進，產(chǎn)生更大的沖擊力，減少破茬阻力，順利破茬，完成入土→滑切→切斷根茬→出土的工藝過程。此外，每個關(guān)鍵運動點每一個工作周期內(nèi)運動曲線是擺線，而不是余擺線。因此，阿基米德螺線型圓盤破茬刀在入土、切茬、出土的過程中能夠減少扣土、帶土現(xiàn)象的發(fā)生，減少對土壤的擾動。

圖12 阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動軌跡Fig.12 The trajectory of the points on the archimedes spiral disc’s cutting blade

3.2 阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動方程

根據(jù)已知的阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動軌跡（圖13），在絕對坐標系 xOy下，得出刃口曲線上任意一點的運動方程為［41－43］：

圖13 阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的初始角Fig.13 Archimedean spiral disc cutting blade points on the initial angle

已知阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口數(shù) Z＝11，Rmax＝215mm，代入式（3），得：

綜上，式（4）即為該阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上任意一點的運動方程。

3.3 阿基米德螺線型圓盤破茬刀同一刃口上不同點的運動情況

分析同一刃口上不同點的運動情況。如圖14所示，任意選擇一個刃口，關(guān)鍵位置點 a、b、c。c點是刃口的頂端，極徑等于破茬刀的最大半徑 Rmax；b點是極角δ等于該刃口的包角Φ的一半時，極徑 R與刃口曲線的交點；a點是刃口的底端，極徑等于破茬刀的最小半徑 Rmin。

從圖14可以得出，阿基米德螺線型圓盤破茬刀逆時針轉(zhuǎn)動，隨機具從右向左前進，待測刃口轉(zhuǎn)動到切茬位置時，a、b、c三點依次切茬，刃口曲線上的點按極徑大小，從小到大順次切茬，避免了漏切的問題。

圖14 阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的定位Fig.14 Archimedes spiral disc stubble on the blade point positioned

綜上所述，阿基米德螺線型圓盤破茬刀作業(yè)時，具備以下優(yōu)勢：刃口的運動軌跡有與光面圓盤破茬刀類似的擺線，減少了對土壤的擾動；具備了半圓型缺口圓盤破茬刀的沖擊性能，提高了破茬效果；具有良好的滑切性能且避免了破茬刀漏切的問題。

4 試驗驗證

4.1 試驗條件與試驗設(shè)備

試驗土槽中土壤各項指標接近田間土壤各項指標。玉米根茬于試驗開始前2個月從沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米試驗田中移栽過來。移栽后對土槽中土壤進行平整，澆水等處理，盡可能模擬田間工況。對移栽后的根茬進行測量得出，根茬平均高度為174 mm，根茬平均直徑為34 mm，根茬間距為30 cm。試驗設(shè)備包括如圖4所示的三種圓盤破茬刀，分別是光面圓盤破茬刀、半圓型缺口圓盤破茬刀和阿基米德螺線型圓盤破茬刀。它們的最大直徑D為430mm，厚度h為4 mm。

4.2 試驗方法

試驗時分別改變一種因素，其它因素不變，來找出該因素對圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性的影響。第一組試驗固定機具配重40 kg不變，分別使用光面圓盤破茬刀、半圓型缺口圓盤破茬刀和阿基米德螺線型圓盤破茬刀。第二組試驗固定圓盤破茬刀（阿基米德螺線型圓盤破茬刀），采用不同機具配重，分別為40 kg、70 kg和100 kg。試驗在準備好的土槽內(nèi)進行切茬試驗，打開電動機，使試驗裝置通電開始工作，待測破茬盤在運動的同時由測繪探針測繪出運動軌跡，記錄試驗數(shù)據(jù)。通過兩組試驗，得出圓盤破茬刀類型和配重對破茬盤運動軌跡的影響。圓盤破茬刀類型決定了運動軌跡的形狀和類型，即光面圓盤破茬刀上待測點的運動軌跡為光滑的擺線，半圓型缺口盤和阿基米德螺線盤上待測點的運動軌跡為不同長度的圓弧組成的云曲線，每個周期的圓弧個數(shù)由破茬盤上的缺口數(shù)決定。配重保證了破茬效果，對破茬率影響較大；并且能夠影響運動軌跡的垂直位置，即切茬深度。配重過輕無法順利破茬，整條軌跡線上移，切茬深度無法保持；配重過大雖然可以順利破茬但是增加了功耗，影響了工作效率。采用兩因素三水平的正交試驗，試驗因素與水平如表4所示，試驗指標為破茬率。

表4 正交試驗的因素與水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

4.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗L9（34）正交表來安排試驗。如表5所示，將圓盤破茬刀類型記為A，機具的配重記為B，并把它們安排在正交表的前兩列，第三、四列作為兩個因素的交互作用和誤差，需進行9次試驗。

從表5數(shù)值分析得出，因素A的極差為6.40，大于因素B的極差1.54，說明圓盤破茬刀類型對破茬率的影響比配重大。以此驗證，圓盤破茬刀類型對試驗指標影響更顯著。根據(jù)試驗指標的均值 ki，可以繪制出試驗指標隨圓盤破茬刀類型和配重在不同水平的趨勢圖（圖15）。圖15中可以看出，隨著圓盤破茬刀類型的改變和配重的增加，破茬率均上升，但圓盤破茬刀類型改變時，破茬率上升趨勢要比增大配重變化更明顯，這說明選擇合適的圓盤破茬刀能更有效地將根茬破開，提高破茬率。

5 結(jié) 論

1）利用計算機軟件對圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性的測試裝置優(yōu)化設(shè)計和建模，研制了圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測試裝置。在此基礎(chǔ)上，通過對圓盤破茬刀切割玉米根茬運動特性測試裝置運動分析得出，光面圓盤破茬刀上待測點的運動軌跡為光滑的擺線，半圓型缺口盤和阿基米德螺線盤上待測點的運動軌跡為由不同長度的圓弧組成的云曲線，每個周期的圓弧個數(shù)由破茬盤上的缺口數(shù)決定。

表5 試驗結(jié)果分析Table 5 Analysis of test results

圖15 試驗因素與指標的變化規(guī)律Fig.15 Variation of experimental factors and indicators

通過對圓盤破茬刀切割玉米根茬的運動軌跡分析可知，機器配重影響運動軌跡的垂直位置及破茬率。

2）通過對三種圓盤破茬刀進行運動學(xué)分析，分別對沖擊情況、入土滑切角、切割速度和切割加速度變化進行了分析比較。建立阿基米德螺線型圓盤破茬刀切割根茬運動的運動學(xué)模型，得出了阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動軌跡是由不同長度的圓弧組成的云曲線，建立了阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的運動方程。發(fā)現(xiàn)阿基米德螺線型圓盤破茬刀刃口上點的軌跡具備了光面圓盤破茬刀的擺線，以及半圓型缺口圓盤破茬刀的沖擊性能，并且滑切角變化大，滑切性能更好。

3）通過驗證試驗得出光面圓盤破茬刀上待測點的運動軌跡為光滑的擺線，半圓型缺口盤和阿基米德螺線盤上待測點的運動軌跡為由不同長度的圓弧組成的云曲線，每個周期的圓弧個數(shù)由破茬盤上的缺口數(shù)決定。通過二因素三水平正交試驗，計算得出各因素的極差值，確定因素的主次順序，找出各因素優(yōu)水平和優(yōu)組合：選用阿基米德螺線型圓盤破茬刀、機具配重為100 kg時破茬效果最好，破茬率最高。

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Design and experiment of the surveying and mapping device for themovement characteristics of corn stubble cutting w ith disc cutting knife

LIN Jing，MA Tie，LU Ze-cheng，LIBao-fa，SONG Jian-peng，LV Qiu-li
（College of Engineering，Shenyɑng Agriculturɑl University，Shenyɑng，Liɑoning 110161，Chinɑ）

No-till planter is one of the key equipment of conservation tillage，the seeding quality greatly affect the development of conservation tillage.In order to optimize key components of no-till planter，we developed a disc stubble knife cutting corn rootstalkmotion characteristics testing device.The device can realize real-timemapping of disc coulter work whenmeasured point trajectories.Through themapping and teston the three kinds of disc stubble knife trajectory，inferred that themovement track of smooth disc broken stubble knife’s stay measuring points was smooth cycloid，the movement track of semicircular type gap disc and Archimedes spiral disc’s staymeasuring pointswas cloud curvesby different length of arc.Based on the abovemention，make the kinematic analysis on three disc cutting knives，impact situation，buried slip angle and cutting speed changeswere respectively analyzed and compared.To establish a stubble breaking cutter cutting stubblemovementkinematicsmodelwith Archimedes spiral disc type.Depict the Archimedes spiral disc broken stubble blademouth point trajectorywas composed of different length of the are cloud curve and to establish a broken stubble blademouth point equations ofmotion with Archimedes spiral disc type.Found the track of the knife-edge points on linear Archimedes screw disc stubble has the cycloidal law on the smooth disc stubble knife，but also has the impact on the semi-circular notch disc stubble knife，and the sliding cutting angle bigger，sliding cutperformance better.Through the disc break stubble cutter cutting corn root stubblemotion characteristics testing device of 2 factors 3 levels orthogonal test analysis，that Archimedes spiral disc type stubble breaking cutter，machine counterweight to 100 kg breaking stubble is best，stubble breaking rate is high.

no-till Planter；disc cutting knife；cloud curve；test device；motion track

S223.2

A

1000-7601（2017）05-0271-11

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.40

2016-06-02

2016-09-21

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“旱地合理耕層構(gòu)建技術(shù)指標研究”（201503116）；國家自然科學(xué)基金資助項目“機械免耕播種切撥防堵裝置的工作機理與參數(shù)優(yōu)化研究”（51275318）

林 靜（1967—），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。E-mail：synydxlj69＠163.com。