重心平衡履帶式山地煙田深耕機設計與試驗

李鈉鉀 徐光澤 冉茂 江厚龍 張小亮 劉凡一 謝守勇

摘 要： 丘陵山區(qū)煙田普遍使用微耕機進行耕地作業(yè)，長期淺耕作業(yè)使煙田土壤耕層變淺、土壤板結(jié)、犁底層變厚，嚴重影響煙葉生產(chǎn)質(zhì)量。針對壟作模式下丘陵山區(qū)煙田的特點，設計了一種重心平衡履帶式山地煙田深耕機，主要由行走裝置、動力系統(tǒng)、旋耕裝置及重心平衡機構(gòu)等組成，設計了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對旋耕裝置旋耕過程進行了運動學分析，確定了整機行走速度和旋耕刀轉(zhuǎn)速。采用“回”字型耕地法，設計一種壟上作業(yè)重心平衡機構(gòu)，運用離散元的方法對深耕機壟上作業(yè)進行了分析。壟作煙田耕地試驗結(jié)果表明，深耕機作業(yè)性能較好，耕后土地較平整，整機平均耕深合格率95.4%、平均碎土率91.9%，滿足煙草種植的整地要求，驗證了履帶式煙田深耕機理論分析與設計的準確性及合理性。研究結(jié)果可為丘陵山區(qū)煙田深耕機的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：丘陵山區(qū)；深耕機；離散元；煙草種植機械；重心平衡；履帶式

中圖分類號：S222.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0083-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.015

0 引言

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物之一，在種植過程中要經(jīng)過旋耕整地、施肥、起壟和覆膜等環(huán)節(jié)[1-2]。西南地區(qū)是我國主要產(chǎn)煙區(qū)之一，2021 年該地區(qū)烤煙產(chǎn)量129.3 萬t、占全國烤煙總產(chǎn)量的60.8%，為國家和地方財政增收、經(jīng)濟發(fā)展作出了積極的貢獻[3-4]。西南地區(qū)地形地貌多以丘陵山區(qū)為主，道路崎嶇不整、機耕道狹窄、作業(yè)地塊小且形狀不規(guī)則、坡度大，大型機械較難適應，耕地機械多以微耕機為主，長期的淺耕作業(yè)使煙田土壤耕層變淺、土壤板結(jié)和犁底層變厚等一系列問題日益凸顯[5-8]。

國內(nèi)外研究人員針對不同耕作方式對土壤理化性狀及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響進行了廣泛研究，其耕作方式主要包括煙?稻輪作、開溝起壟、土壤深耕等[9-10]。煙田深耕是近年來研究的熱點，研究表明，深耕可有效打破土壤犁底層降低土壤容重、改良土體結(jié)構(gòu)、促進土壤蓄水、優(yōu)化烤煙根系構(gòu)型和增加煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值[11]。因此，對山地煙田進行深耕作業(yè)十分必要，作為土壤深耕的主要機具，深耕機的相關(guān)研究顯得尤為重要。

李云伍等[12] 針對丘陵山區(qū)地形特點，提出了一種小型立式深耕機，并對立式螺旋旋耕刀具進行了設計與優(yōu)化，其耕深可達30 cm，具有較好的碎土和拋土能力，功率消耗較低。楊夫君[13] 設計了一種組合式強力深松碎土機，采用螺旋鉆削方式向前切土，同時立式刀軸高速橫向旋轉(zhuǎn)碎土，其碎土能力強，但整機成本較高，轉(zhuǎn)運困難。王耀文等[14] 設計了一款正旋淺耕和逆旋深耕兩組刀輥于一體的煙田小型深耕機，耕作深度30 cm 以上，但需人工手扶操作，勞動強度大，效率較低。在旋耕拋土方面，鄭侃等[15] 設計一種漸變螺旋升角軸向勻土刀輥，有效提高了地表平整度和土壤軸向分布均勻度。方會敏等[16] 基于離散元法對旋耕過程土壤運動行為進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，隨著旋耕轉(zhuǎn)速增加，土壤水平運動位移和側(cè)向運動位移也隨之增加。

目前大部分耕深作業(yè)的研究主要集中在刀具設計與刀輥布置方面，針對山地煙田壟作土壤深耕機具的研究較少。

本研究參照DB41/T 1559—2018《煙田土壤保育與烤煙施肥技術(shù)規(guī)程》，針對丘陵山區(qū)煙田特點，設計一種履帶式山地煙田深耕機，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行設計，提出一種壟上作業(yè)重心平衡機構(gòu)，運用離散元的方法對深耕機壟上作業(yè)進行分析，并對樣機進行煙田深耕性能試驗，以期為后續(xù)丘陵山區(qū)煙田深耕機的研制和優(yōu)化提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.1 煙草農(nóng)藝要求

煙田是深耕機的主要作業(yè)對象，其田間環(huán)境對耕作質(zhì)量有較大的影響。目前，起壟開溝是許多地區(qū)常用的耕作措施，對改善土壤理化性質(zhì)有一定的作用，合理的起壟措施可提升土壤溫度，提高土壤速效養(yǎng)分含量。根據(jù)煙葉生產(chǎn)起壟環(huán)節(jié)作業(yè)標準，煙田壟型如圖1a 所示，具體參數(shù)：壟基寬w2=760 mm、壟面寬w1=350 mm、壟溝寬w0=390 mm、壟高H=280 mm、壟距W=1 150 mm。為了提高耕地效率、避免作業(yè)機具在轉(zhuǎn)向調(diào)頭時對耕地的破壞，采用“回”字型耕地的方法，如圖1b 所示。

深耕機在AB、CD 方向作業(yè)時，前進方向與壟型方向垂直，此時深耕機需要翻過壟面、跨越壟溝，在翻越壟面時，深耕機后部位于壟溝，切土量減少，在跨過壟溝時，深耕機后部位于壟面，切土量增大，耕作阻力增大，耕作后，耕地凹凸不平，平整度較差。為降低深耕機在跨越壟面、壟溝時對旋耕刀具的影響，提出了一種可平衡重心的履帶式深耕機。

1.2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

履帶式山地煙田深耕機主要由發(fā)動機、變速器、重心平衡機構(gòu)、行走裝置、減速器及旋耕裝置組成。行走裝置采用三角形布局，由驅(qū)動輪、支重輪、導向輪、張緊機構(gòu)和履帶等組成，通過左右兩驅(qū)動輪的不同轉(zhuǎn)速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，具有較好的越障、爬坡及行駛性能。變速器采用滾珠絲桿帶動同步器換擋的方式，通過步進電機實現(xiàn)4 個擋位的切換，能較好地匹配不同的作業(yè)工況，有效提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。液壓升降裝置與齒輪箱配合，實現(xiàn)旋耕裝置的升與降，以滿足深耕機的作業(yè)要求。施肥機構(gòu)由肥箱、外槽輪式撥肥器和一分三式導肥管組成，由直流減速電機帶動撥肥器運行，施肥均勻不聚集。重心平衡機構(gòu)通過螺栓與機架前部連接，可有效解決深耕機在爬壟越溝時的傾斜問題，保證了旋耕裝置的作業(yè)穩(wěn)定性。旋耕裝置是整個深耕機的核心部件，由刀輥和刀具組成，主要通過刀具的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)切土、拋土動作。深耕機整機結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

作業(yè)時，發(fā)動機的動力經(jīng)變速器傳遞至驅(qū)動輪和刀輥上，使整機前進和耕刀旋轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)液壓升降裝置使旋耕裝置下降至一定深度，實現(xiàn)機具的旋耕深耕作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 旋耕裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)設計

旋耕裝置是深耕機的核心，可實現(xiàn)向后和側(cè)向拋土，使地表的肥料被旋入土壤得到有效地混合，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。旋耕刀作為旋耕過程中的觸土部件，主要實現(xiàn)切土、拋土動作，其形狀結(jié)構(gòu)直接影響旋耕作業(yè)的質(zhì)量與功耗，選用國標II T245 旋耕刀，具有較好的減阻降耗性能。旋耕刀的合理布置對提高整機作業(yè)性能和減少作業(yè)阻力具有重要意義，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》，設計的旋耕刀排列方式為雙頭螺旋線排列，左右刀輥對稱安裝在減速器上，相鄰同向旋耕刀的周向夾角60°，相鄰回轉(zhuǎn)面距離48 mm。

2.1.2 運動學分析

旋耕裝置在作業(yè)過程中，旋耕刀的運動參數(shù)對作業(yè)效果有較大的影響，為此，對旋耕刀進行了運動學分析，如圖4 所示。以刀軸回轉(zhuǎn)中心為原點，整機前進方向為x 軸，豎直方向為y 軸，建立坐標系oxy，在作業(yè)過程中，為保證刀片，需使旋耕速比λ>1。其計算如式（1）所示。

由式（5）可知，深耕機的最大耕作深度與旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R 和旋耕速比λ 有關(guān)，其值越大，耕作深度最大值就越高。由式（7）可知，切土節(jié)距與旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R 成正比，與旋耕刀數(shù)量z 和旋耕速比λ 成反比，由于本研究設計的旋耕刀為雙螺旋排列，z=2，故當旋耕速比λ 越大，其切土節(jié)距越小，進而碎土能力越好。丘陵山區(qū)煙田土壤以黏性土壤為主，為保證碎土質(zhì)量，旋耕切土節(jié)距S 取值范圍60～90 mm，由上述分析及相關(guān)研究人員對煙田深耕的研究，本研究設計耕深h=220 mm、旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R=250 mm，將數(shù)據(jù)帶入式（7）可得旋耕速比λ 最小值8.89。深耕機耕作時，機組前進速度Vm 取0.5～1.5 m/s，帶入式（1）可得旋耕刀轉(zhuǎn)速n 的最小值170 r/min。

2.2 重心平衡機構(gòu)

深耕機在壟上作業(yè)時，其整機穩(wěn)定性對旋耕裝置的作業(yè)質(zhì)量有較大的影響，整機前傾或后傾都會影響耕作深度，從而導致作業(yè)后耕地不平整，故對整機穩(wěn)定性的研究具有重要的意義。圖5a 為深耕機在沒有重心平衡機構(gòu)下進行耕作的示意圖，作業(yè)時，深耕機重心位置在壟頂面所在的區(qū)域內(nèi)時，整機處于水平狀態(tài)，旋耕刀與左側(cè)壟上土壤相互作用。當重心位置進入壟溝所在的位置時，由于履帶前端無支撐點，后部土壤對旋耕裝置有個向上的作用力，導致深耕機向前傾斜，直到履帶與右側(cè)壟接觸，此時旋耕刀脫離土壤，隨著整機繼續(xù)前進，履帶第一個支重輪與壟面接觸，整機恢復至水平狀態(tài)，旋耕刀再次與土壤接觸。

為了解決深耕機在作業(yè)過程中前傾的問題，在不改變履帶尺寸的前提下，設計了一種重心平衡機構(gòu)，如圖5b 所示。作業(yè)時，隨著整機的前進，重心平衡機構(gòu)也隨之前進，并于履帶配合，實現(xiàn)整機的平衡，為了降低重心平衡機構(gòu)中底板與土壤的摩擦，底板采用雪橇式設計。

3 離散元仿真分析

3.1 仿真模型建立

為對旋耕裝置壟上作業(yè)過程進行分析，本研究采用離散元仿真軟件模擬旋耕裝置壟上作業(yè)過程，以分析旋耕裝置的作業(yè)情況。采用LPX-600 型三維激光掃描儀對所選用的II T245 旋耕刀進行外形構(gòu)造，使用Geomagic Studio 軟件對殘缺部位進行修復， 并導入Creo 中與其他部件進行組裝，完成旋耕裝置三維模型的建立。將旋耕裝置三維模型導入EDEM2020 軟件，構(gòu)建長×寬×高為2 000 mm×1 100 mm×600 mm 的土壤?旋耕裝置相互作用模型，如圖6a 所示。丘陵山區(qū)煙田土壤的物理參數(shù)是旋耕裝置離散元仿真的基礎(chǔ)，仿真軟件中顆粒尺寸的大小會影響仿真效果與計算時間，結(jié)合前期標定與相關(guān)研究，土壤顆粒半徑取值2.5 mm，設置邊界條件，生成壟型土壤模型，其壟型尺寸與實際煙田壟型相同， 選擇Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts（ JKR） 接觸模型， 相關(guān)仿真參數(shù)如表2 所示。以旋耕刀轉(zhuǎn)速190 r/min、前進速度0.6 m/s、耕深220 mm 進行仿真試驗，旋耕過程如圖6 所示。

3.2 仿真分析

當整機前進開始接觸左側(cè)壟體時（圖6b），旋耕刀切削打碎表層土壤，并向后拋灑，隨著機器的前進，耕刀旋進壟體，土壤被耕刀拋起，并在擋土板的作用下回落至壟溝，此時旋耕刀受力最大，耗油最多。隨著旋耕裝置移動至壟溝（圖6c），耕刀與土壤接觸面相對減少，此時耕刀的拋灑效果相對減弱，耕刀所受阻力也相對較小。當旋耕裝置接觸右壟主體時（圖6 d），耕刀與壟體大部接觸，耕刀向后拋散量增大，土壤在擋板的作用下回填至壟溝，其耕刀受力情況與左壟相似。圖6e 為旋耕裝置壟上作業(yè)旋耕效果圖，耕后土壤相對平整。

4 耕地試驗

4.1 試驗條件

為驗證重心平衡履帶式山地煙田深耕機的工作性能與作業(yè)效果，對深耕機分別進行三維建模、樣機研制和裝置調(diào)試工作，并于2022 年6 月5 日前往重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)進行耕地試驗。試驗設備主要包括自制履帶式深耕機、卷尺、鋼尺和電子秤等，旋耕裝置左右刀輥共安裝20 把IIT245 旋耕刀，耕作幅寬1 120 mm。在作業(yè)前對煙田壟作土壤進行測量，經(jīng)測量壟面寬361 mm、壟溝寬367 mm、壟高269 mm、壟距1 210 mm，其尺寸滿足DB41/T 1559—2018《煙田土壤保育與烤煙施肥技術(shù)規(guī)程》，履帶式深耕機物理樣機及耕地試驗如圖7 所示。

4.2 試驗方法

為分析深耕機的耕作效果，試驗采用“回”字型耕地的方法，試驗過程中，通過遙控器控制深耕機的方向及耕作深度，設定機組作業(yè)速度2.2 km/h、旋耕刀旋轉(zhuǎn)速度190 r/min 和耕作深度220 mm。耕作后選取4個長度10 m、寬度1.2 m 的測試區(qū)域（測試區(qū)域為試驗田中部2.4 m 區(qū)域兩側(cè)），對相關(guān)參數(shù)進行測量與記錄。

參照GB/T 5668—2017《旋耕機》，選取耕后碎土率、耕深合格率為評價指標。碎土率是指在檢測樣本區(qū)域內(nèi)，土壤被切削后土塊最長邊<40 mm 的質(zhì)量與總質(zhì)量的比值，每個測試區(qū)域內(nèi)進行3 次測量，然后對其質(zhì)量求平均值；耕深合格率是指測試區(qū)域內(nèi)，每隔0.3 m 對耕作深度進行測量， 其所測耕深在210～230 mm 之間的點數(shù)占總被測點數(shù)的比例，各評價指標按式（8）和式（9）計算。

4.3 試驗結(jié)果與分析

按照試驗方案進行深耕試驗，試驗過程中記錄被測耕深、土塊質(zhì)量，并計算對應評價指標。旋耕試驗結(jié)果如表3 所示。

試驗發(fā)現(xiàn)，重心平衡履帶式山地煙田深耕機作業(yè)性能較好，整機在翻越壟體和跨越壟溝時無傾斜，重心平衡機構(gòu)中的雪橇式底板能較好地通過壟頂面，旋耕裝置耕作穩(wěn)定，旋耕后土地相對平整。由表3 可知，整機平均耕深合格率95.4%、平均碎土率91.9%，滿足煙草種植農(nóng)藝要求。

5 結(jié)束語

（1）針對丘陵山區(qū)煙田特點，設計了一種重心平衡履帶式山地煙田深耕機，設計了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對旋耕裝置旋耕過程進行了運動學分析，確定了整機行走速度和旋耕刀轉(zhuǎn)速，提出了一種壟上作業(yè)重心平衡機構(gòu)，運用離散元的方法對深耕機壟上作業(yè)進行了分析。

（2）對履帶式深耕機進行三維建模、樣機研制及裝置調(diào)試，并在煙田內(nèi)進行耕地試驗。試驗結(jié)果表明，深耕機作業(yè)性能較好，耕后土地較平整，整機平均耕深合格率95.4%、平均碎土率91.9%，滿足煙草種植的整地要求，可為后續(xù)山地煙田深耕機研發(fā)提供參考。

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