深施肥机旋耕部件关键参数设计与试验

李　绪，吴雪梅，高　贵，周　兵，丁　飞，张富贵

(1.贵州大学 机械工程学院，贵阳　550025；2.贵州省烟草公司 黔西南州公司，贵州 兴义　562400；3.贵州省烟草公司遵义市公司，贵州 遵义　563000)

0　引言

烟草是贵州的特色作物之一，在种植过程中要经过旋耕整地、施肥、覆膜等环节[1-2]。作为烟草农用机械，深施肥机与轮式拖拉机配套使用，可一次完成旋耕碎土、地表平整等作业，操作方便、施用范围广、工作效率高，对烟草的种植发挥了重要作用[3-4]。旋耕整地作为首要环节，其作业质量要满足后续环节的需要。加大耕深可以增加施肥深度，提高肥效利用率、防止化肥挥发，有利于作物根系对养分的吸收。根据烟草农艺规范，化肥深施肥必须达到25cm。贵州地区土壤湿度较大，以红、黄黏土为主，旋耕整地之后土壤颗粒较大，成块状分布，严重影响后期覆膜效果和烟草苗期的长势[5-6]。针对以上问题，本文以刀辊直径、旋耕速比、旋耕刀类型为试验因素，使深施肥机达到目标耕深合格率和碎土率。通过正交试验设计法，对影响深施肥机耕深合格率和碎土率的3个因素显著程度和每个因素的最优水平进行分析和确定，对深施肥机进行参数优化，得出较优作业条件。本研究为贵州烟草农业机械的改进设计提供了参考依据。

1　试验平台结构

本试验深施肥机旋耕结构主要由机架、悬挂架、变速箱、覆土轮、刀辊等组成，如图1所示。本机传动系统由拖拉机动力输出轴输出动力经万向节传递给变速箱驱动刀辊回转。

1.机架　　2.外槽轮　3.直流电机　4.肥箱　5.悬挂架　6.取肥口 7.斜板　8.排肥轴片　9.覆土轮　10.排肥管　11.开沟器　 　12.变速箱　13.刀轴　14.刀片

深施肥机旋耕性能参数如表1所示。

表1　主要旋耕性能参数

2 　试验设计

2.1　试验方案的确定

2.1.1评价指标的确定

耕深合格率是指在试验条件下所测点数耕深在25～30cm之间占总测点数的百分比。碎土率是在检测样本区域内，以检测点为中心取面积0.5m×0.5m的全耕层内，边长最大值小于4cm的土块质量占总质量的百分比，取5点平均值[7-8]。本文研究以耕深合格率、碎土率作为深施肥机旋耕性能的评价指标，通过专家调查法确定耕深合格率、碎土率评价指标在数据处理中的权重各为0.5、0.5[9]。

耕深合格率Y的计算公式为

(1)

其中，Q为耕深测点合格数；S为耕深测点总数。

碎土率E的的计算公式为

(2)

其中，E为碎土率(%)；Ma最长边长小于4cm的土块(g)；Mb为0.5m×0.5m面积内的全耕层土块的质量(g)。

2.1.2影响因素的确定

根据有关学者的研究，影响旋耕装置耕深大小和碎土率的主要因素有旋耕刀类型、刀辊转向、旋耕速比、刀辊直径、切土节距、作业幅宽及土壤含水率等。刀辊直径越大，其耕深往往越大。土壤含水率过大会引起土壤黏结现象严重，使碎土率增加。机组前进速度影响切土节距的大小，间接影响碎土率[9-12]。本文是在旋耕装置无升力自然下放、土壤各向同性、相同配重、作业幅宽及刀辊正转条件下进行的深施肥机旋耕性能试验。选取选旋耕刀类型、旋耕速比、刀辊直径为性能主要影响因素。

2.1.3因素水平的确定

1)本研究选择卧式旋耕机常用的较多的弯刀、直角刀和凿型刀作为旋耕刀类型的3个因素水平，从上到下依次为直角刀、弯刀、凿型刀，如图2所示。

2)刀片运动轨迹形状受到旋耕速比的影响，如图3所示。

λ<1时，运动轨迹为短摆线；λ=1时，运动轨迹为滚摆线；λ>1时，运动轨迹为余摆线。通过图2得知刀片向后抛土的条件为：λ>1，其线型为余摆线。在余摆线和其余结构参数不变的情况下，速比不同其刀片运动形状也不同，轨迹最大弦长随着λ值的增加而增加；当λ趋于无穷大时，刀片端点的绝对运动轨迹为圆形，耕深可达最大值，此时机组前进速度几乎为零，并不符合实际。旋耕速比λ的常用值为4～10。机具正常前进速度一般为0.5～1.5m/s，旋耕机刀辊外缘线速度一般为5～7m/s，经计算和预试验确定因素水平λ分别为4.3、6.8、8.1。

3)正转旋耕时，加大刀辊直径可加大耕深，但刀辊直径不宜过大以免使其结构笨重。选取旋耕刀型号为195、225、245等3种旋耕刀，其刀辊直径分别为210、240、260cm。

图2　旋耕刀类型

图3　旋耕刀运动轨迹图

2.1.4正交试验设计

根据评价指标及影响，因素并考虑作业实际状况，选取旋耕刀类型、旋耕速比和刀辊直径3个优化因素为影响因素，以耕深合格率和碎土率为指标，形成三因素三水平试验方案。

以上3个因素之间交互作用较小，利用正交表L9(34)设计试验，并设置一列误差列。因素水平如表2所示。

表2　因素水平表

2.2　试验设备及条件

测试深施肥旋耕机悬挂在额定功率为58.8kW的耕王-RC804拖拉机上，3种旋耕刀片可以自由匹配安装到旋耕机刀轴，并采用螺旋线排列方式。通过对拖拉机档位和油门的调节，近似获取刀辊转速、机具前进速度的值，以便确定旋耕速比。试验在贵州大学试验农场进行，测区长度为30m，宽度为20m，两端各留取5m为准备区，中间20m为数据采集区[13]。土质为无茬地，土壤平均绝对含水率为17.86%。

3　结果与分析

3.1　旋耕刀运动参数与分析

卧式正转旋耕机工作时，旋耕刀上各点的运动轨迹均为余摆线。刀端点运动分析如图4所示[14-16]。

图4　旋耕刀运动分析图

旋耕机正常时，入土点M0运动方程为

(3)

式中Vm—机组前进速度(m/s)；

R—旋耕刀的回转半径(mm)；

ω—旋耕刀角速度(rad/s)；

ωt—旋耕刀的转角(rad)。

旋耕刀满足向后抛土的条件时，刀片绝对运动轨迹上任意一点的的绝对速度水平分速Vx<0。根据上述方程，令

(4)

(5)

令

(6)

代入式(4)，得

(7)

切土节距计算公式为

(8)

式中Vm—机组前进速度(m/s)；

R—旋耕刀的回转半径(mm)；

n—刀辊转速(r/min)。

由式(7)、式(8)可知：旋耕半径R和旋耕速比λ都会对耕深最大值产生影响，增大λ和R都可加大耕深。一般选用偏大λ值(机组前进速度降低)，满足耕深的条件下不仅可以保证有合理的动态隙角、旋耕刀正切面不挤推未耕土壤，而且减小切土节距，提高碎土质量。但机组前进速度不可过慢，以免产生刀辊转速过快、功率消耗增加等问题。所以，在确定其参数时要整体考虑，以实现不同整地要求的作业。

3.2　正交试验结果与分析

正交试验方案及正交试验结果如表3所示，试验现场图如图5所示。

表3　试验方案及正交试验结果

Y为耕深合格率(%)；E为碎土率(%)，下同。

由表3可知，3、5、7号试验耕深明显高于其他组。其中，3号试验的耕深合格率最高为98.3%，1、6；8号试验耕深合格率较低，分别为11.2%、43.4%、36.2%；3、6、9号试验碎土率较其他组高，最高的是3号试验，最低的是4号试验。上述结果表明：对耕深合格率影响较显著的因素为刀辊直径，对碎土率影响显著的因数为旋耕速比。刀辊直径越大，耕深合格率越高，旋耕速比越大，碎土率越大。

图5　试验现场图

3.3　试验结果极差分析

根据表3正交试验结果，运用极差分析法进行分析，结果如表4所示。

表4　正交试验极差分析

为了便于直观分析，作各因子效应曲线，结果如图6和图7所示。

图6　耕深合格率因子效应曲线图

图7　碎土率因子效应曲线图

运用综合平衡法对上述结果分析，由表4、图6、7可知：影响耕深合格率的主次因素依次为C>B>A,得到的优方案为C3B3A3。耕深合格率随着刀辊直径的增加而增加，刀辊直径分别为21cm和26cm时，耕深合格率分别为最小值30.3%、最大值93.7%。由此可知：刀辊直径对耕深大小影响至关重要。根据极差大小分析，旋耕速比也为影响耕深大小的重要因素，旋耕速比在8.1时较在6.8与4.3时分别高出1.8%、17.1%。旋耕刀类型对耕深合格率影响较小，极差仅为3.2%，在对耕深优化设计时可将其忽略。

对于碎土率，旋耕刀类型、旋耕速比、刀辊直径的较优水平依次为A1B3C3，影响碎土率的主次因素依次为B>A>C。对于因素A，对耕深合格率影响最小，A1水平上碎土率最大；对于因素B，B3水平相比B2、 B1水平，碎土率分别高出7.1%、20.9%，耕深合格率也较大；对于因素C，各水平下碎土率变化较小，但对耕深合格率影响非常大。为了进行后续的方差分析，在设计时留出误差列D。综合考虑各因素对耕深合格率和碎土率的影响程度，得出最优组合方案为A1B3C3。

3.4　试验结果方差分析

根据表3正交试验结果，运用方差分析法进行分析，分析结果如表5所示。由表5可以看出：对耕深合格率影响最显著的因素是刀辊直径C，其次是旋耕速比B，旋耕刀类型对耕深合格率没有显著影响，这与极差分析的主次因素C>B>A结论一致。对碎土率影响最显著的因素是旋耕速比B，旋耕刀类型A影响次之，刀辊直径对碎土率没有显著影响，这与极差分析的主次因素B>A>C结论一致。

表5　正交试验方差分析

续表5

*代表比较显著；**代表显著；***代表最为显著。

4　验证试验

对上文正交试验得出的组合方案A1B3C3，进行3次重复试验，结果如表6所示。

表6　验证试验结果

由表5结果可知：试验结果稳定性好，结果优于正交试验，说明A1B3C3是最优组合方案。但从作业效率来考虑，较大的旋耕速比影响机具前进速度，所以在此方案基础上适当增加机具前进速度也是一个不错的选择。

5　结论

1)对影响耕深和碎土率的因素旋耕速比进行了理论与参数分析，适当选用偏大的λ值可以增加耕深，减小切土节距，提高碎土质量。

2)影响根深合格率的主次因素为刀辊直径、旋耕速比、旋耕刀类型，影响碎土率的主次因素为旋耕速比、弯刀、刀辊直径。

3)通过三因素三水平正交试验，综合考虑各因素对耕深合格率和碎土率的影响程度，可得出最优组合方案为：旋耕刀类型选用旋耕弯刀，旋耕速比为8.1，刀辊直径为26cm。

4)本文可为深耕和碎土等农业机具的设计与优化提供参考依据。