复合式羊草切根机的设计研究

焦　巍，布　库，万其号，陈启渊，顾丽霞

(1.中国农业科学院 草原研究所/农业部草原畜牧业装备科学观测实验站，呼和浩特　010010；2．内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特　010070；3．内蒙古经贸学校，呼和浩特　010010)



复合式羊草切根机的设计研究

焦巍1，布库1，万其号1，陈启渊2，顾丽霞3

(1.中国农业科学院 草原研究所/农业部草原畜牧业装备科学观测实验站，呼和浩特010010；2．内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特010070；3．内蒙古经贸学校，呼和浩特010010)

摘要：针对退化羊草草原土壤板结严重且横走根茎错节致使自繁促生能力下降等问题，研制了复合式羊草切根机。同时，介绍了该机的整体结构、工作原理及主要部件的设计原理和设计方法。复合式羊草切根机切根性能稳定、效率高、能耗低，有较强的实用价值，对退化羊草地机械化改良机具的研发及相关技术的推广具有指导作用。

关键词：羊草草原；切根机；切根松土；复壮促生

0引言

天然羊草草原长期无养息、超载放牧和家畜踩踏啃食，加之气候因素的影响，导致草地土壤板结严重，板结层深达25～35cm，土壤坚实度高达40～45kg/cm2。同时，羊草等多年生根茎型禾木放牧草的根茎分布于50～200mm的土层或更深的地方，其他地下横走茎每年延伸可达1～1.5m；盘根错节的根系致使土壤透气性减弱，含水量和孔隙度下降，容量增大，造成这类草原呈现板结性退化。这种退化现象在人工建植年限5年以上的羊草地上也很常见[1-2]。

从土壤物理性状看，羊草草原退化的原因主要是土壤质地紧密、孔隙度小、有效水贮存能力差及空气含量低。研究显示：采用机械化方法对羊草草原进行切根松土可以消除土壤板结，增加土壤的透气性，修复退化羊草草原；但传统翻耕、松土会带来地表的风蚀、水蚀、跑墒、加速沙化，破坏其他牧草根茎，同时切根效果差且能耗巨大。因此，合理、有效的破土切根方法以及机具对退化羊草草原复壮促生具有重要的意义[3]。

本文提出的羊草复合式切根松土机利用盘式犁刀入土阻力小、剪切能力强的特点开出细沟、切断上土层(0～20cm)粗壮根茎，利用臂式犁刀破根能力强的特点破坏下土层(20～30cm)横走细根网来实现机械化复壮促生。同时，采用的复合式结构将羊草地破土切根工艺难点进行分解，逐一解决。

1整体结构和工作原理

1.1整体结构

复合式羊草切根机首先利用PRO/E三维建模软件进行三维模型的建立，确定总体方案；再进行部件的分析、优化、样机的试制及试验。图1为复合式羊草切根机三维模型。复合式羊草切根机主要由机架、缓冲刀架、漩涡犁刀、臂式犁刀、镇压轮及排种系统等组成[4-5]。

1.机架　2.缓冲刀架　3.漩涡犁刀

1.2工作原理

复合式羊草切根机通过三点悬挂与拖拉机液压控制杆相连接，利用拖拉机液压系统提供的作用力将犁刀压入土层，再牵引向前进行切根松土补播作业。漩涡犁刀与臂式犁刀分别在上土层(0～20cm)、下土层(20～30cm)进行切根作业，行走轮进行覆土镇压，行走轮轮毂上设有与排钟系统相关联的链轮，通过链条传动带动排种系统进行排种补播作业。图2为该机工作原理示意图。

图2　工作原理示意图

2主要部件的研制

2．1漩涡犁刀的研制

图3　漩涡犁刀工作示意图及土壤质子受力分析图

假设运动过程中受到的转矩为Tn，则在距离为d处土壤所受到的合力Fn,是由3个立体的分力合成的。其中，合力主要是土壤与圆盘的摩擦和圆盘对土壤的支撑力。将3个力进行分解,具体为

圆周力

Fτ=Fncosαncosβ

径向力

侧向力

式中αn—两个Fn分力的夹角；

β—圆周力与Fn分力的夹角；

βn—Fn分力与Fn的夹角。

盘式犁刀不仅要开沟松土，还要完成羊草地上土层(0～20cm)的切根工作，因而漩涡曲线选择了阿基米德螺旋线。当一点沿着动射线以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕轴旋转，则该点的轨迹称为“阿基米德螺线”。该曲线的特点是漩涡犁刀在土壤中工作时，犁刀刃口始终垂直切入，剪切效果最佳[9]。设计的漩涡犁刀三维模型如图4所示。

图4　漩涡犁刀三维模型

2.2臂式犁刀的研制

复合式犁刀结构解决羊草切根问题是将切根松土所遇到的问题细化，盘式滚动前犁刀剪切能力强，对上土层粗壮根茎的处理效果好；而配合完成作业的后犁刀需要对下土层细密的横走根茎网进行破坏，同时疏松土壤。传统的中耕犁刀虽然松土能力强，但对土壤的扰动过大，尤其容易破坏草场的表层；同时能耗很大，难以在较深土层范围内工作。天然羊草地复壮促生的前提是不能够破坏草场表层，因此在吸取传统中耕犁刀优点、结合切根工艺要求的基础上研制了臂式犁刀[10]；再依据仿生学及材料强度、刚度，设计的犁刀工作处横截面由半径为278、R80、215、76mm这4段圆弧构成。过渡弧面可以减少土壤的附着。犁刀采用双面固定结构确保入土切根的强度要求。同时，设计的臂式犁刀宽度与漩涡犁刀漩涡宽度一致[11]，保证臂式犁刀可以在漩涡犁刀开出的细沟继续作业。图5为臂式犁刀三维模型。

图5　臂式犁刀的三维模型

利用有限元分析模块对臂式犁刀入土切根过程中的所受应力进行分析，根据TYD-2土壤硬度计测试所得数据，土壤的平均应力为2.39N/mm2,可将应力的线性变化利用方程的形式进行分析。在直角坐标系中，由于Y轴的方向为水平向上，压应力随着Y的变化而变化，可列方程为F=-0.0206(y+130)。施加作用力后的分析结果如图6所示[12-13]。

由图6可以看出：臂式犁刀在与土层表面接触位置受力最大。由有限元的分析结果及臂式犁刀在下土层工作的特点可知：臂式犁刀材质的选择与处理非常重要。通过大量的实验分析，最终确定犁刀材质为65Mn，并对该材质进行二次退化、淬火、回火工艺热处理，处理后的材质硬度可到达HRC55以上。图7为处理后材质的晶格结构。

图6　臂式犁刀有限元分析

图7　晶格结构图

由图7可以看出：处理后的材质晶格细致、紧凑，晶格颗粒之间的间隙小，有较好的强度与刚度，能够满足臂式犁刀的工作要求。

2.3复合刀架的研制

根据漩涡犁刀及臂式犁刀的性能特点及工作要求,设计研制了复合刀架，三维模型如图8所示。

图8　复合刀架三维模型

复合刀架采用了三点悬挂方式与拖拉机相连接，并分别通过横梁和纵梁来安装漩涡犁刀及臂式犁刀。横梁处装有深度控制轴套，深度控制轴下方与缓冲刀架相连接，上方与横梁处的深度控制轴套相连接。通过轴套与深度轴的限位螺栓可以调整漩涡犁刀相对于架体的入土深度。纵梁与臂式犁刀相连接，同样通过限位螺栓控制臂式犁刀相对于架体的入土深度。这样的设计可以使复合犁刀入土深度自由调整，针对不同特质的羊草地进行切根松土作业，且使用、维护方便，犁刀可随时更换。

2.4缓冲刀架的研制

漩涡犁刀是复合式羊草切根机中最为精密的部件，也是影响切根效果的主要因素，因此保护好漩涡犁刀不受损伤非常重要。漩涡犁刀工作的天然草场地况复杂，在土层内有大量的碎石块，且分布不均匀。犁刀与石块正面相撞会损坏犁刀，正常的土壤工作部件难以在天然草场上作业。

缓冲刀架可以使漩涡犁刀在行走方向及垂直行走方向缓冲躲避障碍。当在行走方向上遇到难以通过的障碍时，刀盘正面受力使得弹簧缓冲器压缩，漩涡犁刀延支撑点翘起，从上方躲避障碍；当越过障碍后弹簧缓冲器伸展释放压力，使得漩涡犁刀回到工作位置继续前进。在垂直行走方向上，刀架可以延深度控制轴自由旋转，在缓冲刀架与深度控制轴连接处设有定位块，限制刀架旋转角度；刀架可以延行走方向两侧各偏移7°来躲避障碍，如图9所示。其中，直箭头是冲击力方向，弯曲箭头是犁刀躲避冲击方向。缓冲刀架的设计可有效减少漩涡犁刀的损伤，使漩涡犁刀应用于复杂的土壤环境中。

图9　缓冲刀架工作示意图

3试验

3.1试验条件

完成复合式羊草切根机的研制工作后，将样机在内蒙古呼和浩特市中国农业科学院草原研究所试验样地上进行了试验。土壤类型为壤土，紧实度为1.76×104Pa，土壤含水率为24.3%(0～15cm)和34.1%(15～25cm)。

3.2试验结果与分析

分别采用单漩涡犁刀、单臂式犁刀及复合犁刀进行切根松土试验。试验采用纽荷兰704拖拉机，在拖拉机与羊草切根机之间连接牵引力测试仪，测试要求在相同时间内前进1m的能耗[14]。试验结果如图9所示。

图10　入土能耗对比数据图

试验结果表明：在5～30cm的入土深度范围内，复合犁刀、漩涡单犁刀、臂式单犁刀需要的牵引功率呈线性增加；在入土30cm时，复合犁刀需要的最大功率约为33.6kW，漩涡单犁刀需要的功率为31.3kW；在25～30cm区间，漩涡单犁刀所需功率显著增加，原因是由于入土深度增加，犁刀法兰处壅土及缠草所致。而臂式单犁刀入土阻力大，试验所用的纽荷兰704拖拉机无法提供入土30cm所需动力。因此，臂式单犁刀入土能耗只取到入土深度25cm的数据。

采用对角线试验方法，选取矩形试验场地的4个边角及对角线中心区域作为试验数据采集区，采集区面积设定为1m2，对0～25cm范围内切根数据进行检测[15]。设定切根成功率为切断的草根数与所开沟内长度超过30cm草根数的百分比。测定结果：复合犁刀切根成功率为85.4%，单漩涡犁刀切根成功率为51.1%，单臂式犁刀切根成功率为78.3%。复合犁刀切根效果如图11所示。

图11　切根效果示意图

通过试验可以看出：复合犁刀比传统犁刀入土切根能耗低，又比盘式犁刀的切根效果好；且未对羊草地表层造成过大的扰动，能够高效完成羊草地机械化复壮促生工作。

4结论

复合式羊草切根机提出了复合式的切根松土作业结构，将漩涡犁刀和臂式犁刀有机地结合起来，利用各犁刀的功能特点解决退化羊草地改良作业中的工艺难点。复合式羊草切根机工作性能稳定，有较好的实用价值。该机的研发过程中运用了三维建模、有限元分析及仿生学分析等手段，为相关机具的研发及技术的推广提出了新思路、新方法。

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Research on Compound L. Chinensis Root Cutting Machine

Jiao Wei1, Bu Ku1, Wan Qihao1, Chen Qiyuan2, Gu Lixia3

(1.Grassland Research Institute Chinese Academy of Agriculture Science/Scientific Observing and Experimental Station of Grassland Animal Husbandry Equipment, Hohhot 010010,China; 2.Inner Mongolia Mechanical and Electrical Vocational and Technical College, Hohhot 010070, China; 3 Inner Mongolia Economic and Trade School, Hohhot 010010, China)

Abstract：This paper introduces the design of the compound l. chinensis root cutting machine based on the degradation of l. chinensis grassland soil harden and horizontal rhizome serious fault section which causes the ability to reproduce dropping. This paper also introduces the overall structure of the machine, the working principle and design principle, design method of main parts. The compound l. chinensis root cutting machine has stable performance, high efficiency, low energy consumption on cutting root The compound l. chinensis root cutting machine has a guiding role in the promotion of development and related technology.

Key words：L. chinensis grassland; root cutting machine; root scarification; resurrect

文章编号：1003-188X(2016)06-0132-05

中图分类号：S817.1

文献标识码：A

作者简介：焦巍(1986-),男, 内蒙古包头人，实习研究员，(E-mail)jiaowei9@126.com。通讯作者：布库(1961-),男,呼和浩特人,副研究员，(E-mail)buku0471@yahoo.cn。

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610332014008)；国家牧草产业技术体系岗位科学家项目(CARS-35-18)

收稿日期：2015-05-27