仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片设计与试验

随着保护性耕作的不断发展,实际作业中对旋耕刀性能要求愈发严格,该文在国标旋耕刀基础上,将正、侧切削刃上设计成锯齿状,然后考察实际作业过程中功耗、受力以及作业质量,检测仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片的田间作业功耗和作业质量。针对该锯齿刀片和国标旋耕刀片在有秸秆颗粒和无秸秆颗粒下进行仿真分析,对比可知:在有秸秆颗粒下,由于刀具要与秸秆接触并发生挤压和剪切作用,从而导致受力以及扭矩值较大。结合理论分析,利用扭矩传感器对仿生锯齿刀和国标旋耕刀进行田间试验。根据0.5 m×0.5 m地表设置不同质量秸秆,分别为0、0.375和0.75 kg(0%、50%、100%),测定拖拉机输出扭矩以及功耗,并依照国标测试方法测定作业质量。田间试验得到扭矩与仿真变化趋势一致。当地表无秸秆和地表含50%秸秆时,锯齿刀片扭矩分别为404.05和438.33 N·m;国标旋耕刀片上扭矩分别为389.27和443.79 N·m。当地表秸秆质量分数为100%时,锯齿刀和国标旋耕刀片上扭矩分别为557.92和507.34 N·m。耕作后地表秸秆和土壤评价结果显示:不同质量含量秸秆覆盖下,仿生锯齿刀耕作后的秸秆掩埋率、土壤破碎率、长度≤15 cm秸秆比例等方面都优于国标旋耕刀。田间试验和仿真结果都显示当地表覆盖秸秆量为0%和100%时,仿生锯齿刀的扭矩高于国标旋耕刀。虽然仿生锯齿刀只在秸秆覆盖量为50%时扭矩与功耗优于国标旋耕刀,但在3种秸秆覆盖量下仿生锯齿刀的耕后地表质量都明显优于国标旋耕刀。综上考虑,在实际作业中,可适当收集田间秸秆。该研究为实现只应用一种刀片来完成旋耕和秸秆粉碎2种不同作业目标提供了参考。     

旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析

为了研究水田高茬秸秆旋耕翻埋机理,该文对1GMC-70型船式旋耕埋草机刀辊的主要耕作部件—螺旋横刀建立了数学模型,推导了横刀棱边轮廓曲线的静态方程和动态方程,绘制了动态滑切角、动态切土角等主要耕作参数随刀辊位置角的变化规律曲线,对影响高茬秸秆旋耕翻埋效果的主要因素,例如压草角与抛土角等,进行了计算分析。结果发现,该机的良好作业效果,例如耕深稳定性达90.7%、秸秆埋覆率达94.6%、碎土率达90%、耕后地表平整度在20mm以内等,都与横刀设计理念有很大关系,横刀的主要功能不是土壤切削,而是秸秆翻埋。     

水旱两用秸秆还田组合刀辊作业性能试验

为了检测水旱两用秸秆还田组合刀辊的田间作业质量和功率,采用无线遥测技术,利用动力输出轴一体化扭矩传感器,对安装组合刀辊的耕整机进行了田间作业质量和作业功耗优化参数性能测试试验,并与传统旋耕刀辊、螺旋刀辊进行田间作业质量及功耗对比试验。田间试验结果表明:组合刀辊性能检测试验中,水田和旱地植被埋覆率分别为94.3%和96.5%,耕深分别为20.8和20.3 cm,耕深稳定性分别为92.3%和90.6%,耕后地表平整度分别为0.9和1.2 cm,功率消耗分别为27.6和31.2 k W,均达到了设计目标;与其他刀辊对比试验中,组合刀辊作业质量优于螺旋刀辊和传统旋耕刀,作业功耗稍高。该研究可为实现水田和旱地高茬秸秆埋覆还田和土壤耕整提供参考。     

基于离散元法的旋耕刀受力分析

为分析旋耕刀在有秸秆覆盖和无秸秆覆盖土壤中工作时的受力情况,该文采用离散元法构建土壤-旋耕刀相互作用和秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型。在土槽试验中采用扭矩传感器测量旋耕刀所受扭矩,在仿真中导出每个时刻旋耕刀受到的扭矩和力数据,试验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕作深度100 mm及4种转速77、100、123、146 r/min下进行。结果显示旋耕刀最大扭矩值随着转速增加呈现增加的趋势;在无秸秆覆盖土壤中,试验值与仿真值的相对误差为16.3%;在有秸秆覆盖土壤中二者相对误差为19.1%。耕作过程中旋耕刀所受合力、水平力及侧向力都呈现先升后降的趋势;合力、水平力和垂直力的最大值,都随着转速的增加而增加。旋耕刀刚开始切土时,在有秸秆覆盖的土壤中受到的阻力总比无秸秆覆盖的土壤中所受阻力要大;之后旋耕刀在有秸秆覆盖的土壤中受到的最大力要大于在无秸秆覆盖的土壤中受到的最大力。仿真的水平力和垂直力与旋耕刀理论模型计算得到的旋耕刀水平力和垂直力变化一致。利用离散元法研究旋耕刀切土过程,对探讨刀具与土壤的相互作用机理及设计和优化高秸秆含量土壤中工作的耕作机械具有重要意义。     

1K-50型果园开沟机开沟部件功耗影响因素分析与试验

为探明1K-50型果园开沟机工作参数和双旋耕刀辊结构参数对作业功耗的影响规律,该文建立了分析开沟部件功耗的切土,运、抛土力学模型,得到了开沟部件功耗与整机工作参数、刀辊结构参数以及土壤力学性能之间的函数关系。搭建了基于土槽试验台的开沟部件功耗测试装置,模拟坚实度为950k Pa的葡萄园土壤环境,以刀辊转速、前进速度、开沟深度和刀辊型式为试验因素,进行单因素试验和多因素正交试验,测得旋耕刀辊在不同结构和工作参数下的功率消耗,得到影响开沟部件功率消耗的因素主次顺序为刀辊型式前进速度刀辊转速开沟深度,其功耗较优参数组合为采用D3型刀辊,刀辊转速为150 r/min,前进速度为0.06 m/s,开沟深度为0.15 m,测得此时开沟部件平均功耗值约为1.22 kW。将装置正交试验表中各因素值代入功耗解析式,利用MATLAB软件进行数值计算与分析,得到影响功率消耗因素的主次顺序与台架试验结果相同,求得功耗理论值与试验值的相对误差百分比最大为12.86%,最小为2.00%,验证了功耗理论模型具有较高的准确性。该研究可为机具改进和小型林果园开沟机的设计提供参考。     

高茬秸秆还田耕整机功耗检测系统设计与试验

为检测高茬秸秆还田耕整机田间作业功耗,根据功耗检测原理,采用LabVIEW软件,并结合NI数据采集卡、动态扭矩传感器和电感式接近开关等组成的硬件平台,设计了功耗检测系统。标定试验表明,该系统所检测的0~2 000 N·m范围内扭矩:最大绝对误差为5.367 N·m,此时相对误差为0.27%;所检测的转速:最大绝对误差为0.261 r/min,此时相对误差为0.073%。以耕深、刀辊转速、机组前进速度为影响因子设计了田间正交试验,结果表明:影响高茬秸秆还田耕整机作业功率消耗的首要因素为耕深,其次为机组前进速度,刀辊转速对功率消耗的影响较小;在满足耕整质量的前提下,同时考虑耕整机作业效率,其较优作业参数为:刀辊转速330 r/min,耕深185 mm,机组前进速度3.36 km/h,其平均作业功耗为52.52 kW,秸秆埋覆率达到96.2%。研究结果为高茬秸秆还田耕整机的节能降耗、动力合理匹配和结构优化设计等工作提供参考依据。     

基于离散元法的旋耕刀三向工作阻力仿真分析与试验

为分析旋耕刀所受三向工作阻力及其变化规律,该文通过实测南方果园土壤颗粒参数,逆向重构旋耕刀三维实体,基于离散元颗粒接触理论,构建了适应南方土质环境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型。土槽扭矩对比试验表明,仿真值与试验值的变化趋势相同,扭矩均随转速增加而变大,最大相对误差10%;扭矩先从0增加到某个最大值,接着逐步减小到一个低值,随后又快速增加到一个高值,最后回落,该变化过程同旋耕刀与土壤之间的接触状态相关。单刀受力仿真分析表明,水平阻力方向与前进方向相同,侧向阻力方向为由刀具弯折区内侧面指向刀体,垂直阻力方向为先垂直土面向上后转为向下;水平阻力和侧向阻力在最大耕深处出现最大值,而垂直阻力在入土后转动约30°时出现最大值;水平阻力和垂直阻力的仿真波形与理论计算、土槽试验结果比照表明,对应曲线的变化趋势基本一致,且仿真结果与土槽试验结果更为接近,水平阻力相对误差为11.3%,垂直阻力相对误差为16.8%;水平阻力最大值大于侧向和垂直方向阻力最大值,水平阻力是功率消耗的主要因素;随着转速的增加,3个方向阻力最大值均增大,当转速高于250 r/min时,增速加快;侧向阻力和垂直阻力随前进速度增加而平稳增大,水平阻力却出现下滑趋势;耕深对三向阻力的影响比较显著,增加耕深会急剧增大三向阻力值。相关试验数据可为旋耕机能耗分析、机体作业振动及刀片磨损等研究提供参考。     

作业次序对深松旋耕联合作业机作业质量及功耗的影响

该文选用华北平原壤土区常用的深松旋耕联合作业机作为试验设备,分析深松、旋耕作业次序对其作业质量及功耗的影响。运用离散元仿真分析结果表明,旋耕深松作业次序比深松旋耕作业次序的工作紧凑、刀辊受力均匀。随着作业深度的增加,深松旋耕作业次序作用的深层土壤较多。建立以旋耕深度、深松深度为因素,以2种作业次序功耗为指标的回归方程综合分析得出,作业深度较浅时,深松旋耕作业次序功耗、地表平整度、植被覆盖率优于旋耕深松作业次序;作业深度较大时,旋耕深松作业次序功耗明显小于深松旋耕作业次序,且两者作业质量差异不显著。田间试验表明,离散元仿真建立的2种作业次序作业深度与作业功耗的回归方程及测量的地表平整度、土壤膨松度及植被埋覆率基本能真实反映田间作业情况。     

旋耕-碎茬仿生刀片田间作业性能的试验研究

为检测旋耕-碎茬仿生刀片的田间作业功耗和作业质量,利用应变片型扭矩传感器对安装仿生刀片的两行耕整机进行田间作业功耗电测试验,依照国标测试方法测定作业质量,并与国标旋耕刀和常用碎茬刀进行了对比。田间试验结果表明:旋耕试验中,旋耕-碎茬仿生刀片的单位切土面积功耗小于国标旋耕刀,且作业质量优于国标旋耕刀;碎茬试验中,仿生刀片单位切土面积功耗小于常用碎茬刀,作业质量较碎茬刀稍差,但依旧满足国标要求。该研究工作为实现只应用一种刀片来完成旋耕和碎茬2种不同作业的目标提供了参考。     

联合整地机匀土旋平刀辊设计与试验

为解决联合整地机破茬翻埋作业后地表平整度低、土壤分布不均匀的问题，该研究设计了分段反螺旋式匀土旋平刀辊，提出田口法结合离散元仿真的刀辊参数设计思路。首先定性分析并确定了影响刀辊轴向运土和抛土的关键因素及水平；然后以作业后地表平整度为优化目标，以沙壤土和黏壤土为噪声因子，利用田口法设计试验并进行离散元仿真，得出适应不同土壤类型的最优参数组合为：刀轴转速300 r/min、螺旋升角70°、旋耕刀型号IT245、刀轴直径80 mm、刀座间距62 mm、旋耕刀双螺旋排布，此时地表平整度仿真值为14.2 mm。以最优参数组合制造样机并进行田间验证试验，作业后地表平整度为11.6 mm、土壤分布均匀度为92.6%、耕深稳定性系数为93.2%、破土率为86.4%，优于小麦种植对耕整地的要求，所设计的刀辊有效。研究结果可为联合整地机刀辊设计提供参考。     

水旱两用秸秆还田耕整机关键部件设计与试验

为增加土壤的有机质含量,改善土壤的团粒结构,同时有效缓解秸秆焚烧难题,针对长江中下游地区麦-稻、油-稻等水旱作物交替种植的特点,设计了一种水旱两用型秸秆还田耕整刀辊。阐述了新刀辊的结构和工作原理,分析并确定了关键部件的结构参数,重点对传统旋耕刀的布置及其破茬理论进行了详细的分析。田间试验结果表明:水旱两用型秸秆还田耕整刀辊旋耕一遍即可实现水田和旱地秸秆埋覆、旋耕碎土、平整地表等多项功能,水田和旱地耕深分别为181.6~200.4和151.2~173.8 mm,耕深稳定性分别为92.4%~94.8%和92.4%~93.4%,耕后地表平整度均小于12 mm,植被埋覆率分别为96.3%~96.4%和90.6%~97%,碎土率为87.3%~89.6%和64.5%~90.2%,作业效果满足水稻播栽对耕整地的农艺要求。     

复式耕整机耕深与耕宽稳定性分析与试验

针对设计的复式耕整机出现的耕作稳定性问题,结合复式耕整机整体结构及工作原理,从牵引、水平面内受力、机器振动3个角度分析影响耕作稳定性因素,确定影响耕作稳定性关键因素为牵引角、犁体配置斜角、旋耕刀升角。以牵引角、犁体配置斜角、旋耕刀升角为试验因素,以工况耕深稳定系数和工况耕宽稳定系数为性能评价指标进行二次正交旋转组合试验。正交试验结果表明:试验因素对评价指标影响程度从高到低皆为:犁体配置斜角、牵引角、旋耕升角,当各影响因素分别取值为17.3°、27.8°、72.6°时,工况耕深稳定系数和工况耕宽稳定系数分别为91.8%、93.4%。以影响因素最优参数组合为基础进行的验证试验结果表明:试验后工况耕深稳定系数和工况耕宽稳定系数为91.5%、93.1%,与软件分析结果基本一致,且其他耕作指标均达到农艺要求。该研究可为复式整地机械的耕作稳定性研究提供技术参考。     

免耕播种机旋耕刀耕作性能分析与结构优化

为预测和评估免耕播种机触土部件的作业性能,有必要建立机具-土壤耦合系统的互作模型。传统模型将散落土表的秸秆视为刚体,无法模拟真实条件下秸秆的破裂与变形,导致模型的预测精度下降。为克服上述模型不足,该研究建立一种柔性秸秆模型,构建刀具-秸秆-土壤耦合系统的离散元模型,并通过土槽试验进行模型验证。同时,为解决标准旋耕刀片的缠绕和壅堵问题,提出一种梯形直刀结构,对比分析了旋耕作业工况下标准刀和梯形直刀作用后秸秆位移、刀轴扭矩、刀具碎茬与埋茬性能。仿真结果表明,梯形直刀的碎茬和秸秆掩埋性能均优于标准刀,标准刀和梯形直刀作业后开沟截面形状分别为梯形和三角形,刀轴扭矩呈现三角形冲击峰的形式,梯形直刀的刀轴扭矩大于标准刀情形,而标准刀的碎土性能优于梯形直刀。在此基础上,以弯折角、侧面角以及刀片高度为设计变量,采用响应面法构建旋耕扭矩和碎土率的回归方程。基于NSGA-II算法对梯形直刀结构进行优化,最佳的结构参数为：弯折角150°、侧面角60°、刀片高度88 mm。田间试验结果表明,优化后刀轴的平均扭矩较优化前减少11.70%,峰值扭矩减少6.28%,碎土率从82.53%提高至89.22%。     

楔形减阻旋耕刀设计与试验

为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。     

Development of vineyard ditcher with reversal twin rotary tillage wheels

开沟施肥是葡萄园生产过程中的重要环节。传统的葡萄园开沟施肥通常是人工挖掘填埋,劳动强度大,工作效率低。为了提高开沟效率,通过对葡萄园环境及其开沟农艺要求的分析,设计制造了一种驱动型葡萄园小型开沟机,该机为旋耕刀以反转方式进行开沟工作,抛出的土由挡土导流板引导落在沟的两旁。对开沟机进行的性能试验结果表明：该开沟机2次作业开出的沟深可达500 mm左右,沟宽超过200 mm,且沟壁光滑、沟型整齐平直、沟中残留碎土少,满足葡萄园农艺要求;该机开沟部件碎土、抛土性能好,整机操作灵活,能适应葡萄园管理要求,也可用于其他果园、茶园、农田等开沟作业;该开沟机成本低,经济效益较好。     

耕作措施对农田黑土入渗速率的影响

应用田间长期定位试验，研究了5种耕作措施对东北农田黑土入渗速率的影响。结果表明，传统耕作为代表的平翻和旋松耕作的垄台容重最小，表层土壤稳定入渗速率高于其它3种耕作措施，分别为9．20mm／min和7．31mm／min。免耕垄台和垄沟的容重虽较高，但均具有较高的稳定入渗速率。在夏季进行垄沟深松少耕，可显著提高垄沟的稳定入渗速率。免耕和少耕是高效的水土保持耕作措施。