1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机的设计与试验

王金武，唐 汉，王金峰，林南南，黄会男，赵 艺

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机的设计与试验

王金武，唐 汉，王金峰※，林南南，黄会男，赵 艺

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为提高水田筑埂作业质量与效率，减轻作业劳动强度，结合东北地区水稻种植农艺要求，研究设计了1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机。阐述分析了机具整体设计方案与工作原理，对其关键部件偏牵引悬挂仿形调节系统、旋耕筑埂深度可调式传动总成、旋耕集土刀辊总成和镇压筑埂圆盘总成进行了理论分析与结构设计。为获得修筑埂机最佳工作参数组合，以机具前进速度和旋耕工作转速为试验因素，田埂平均坚实度和高度变异系数为试验指标，进行了多因素二次通用旋转组合台架试验，运用Design-Expert 6.0.10软件建立因素与指标间数学模型，采用多目标参数优化确定机具最佳作业状态。试验结果表明，当机具前进速度为1.33 km/h，旋耕工作转速为525 r/min时，筑埂作业性能最优，满足旋耕集土及镇压筑埂要求，其所筑田埂平均坚实度为2 160 kPa，高度变异系数为4.01%。田间试验表明，该机具作业性能稳定，所筑田埂质量良好，各项指标均满足筑埂作业要求。该研究为水田机械化筑埂机具的创新研发与优化提供理论支撑和技术参考。

农业机械；设计；试验；水田；修筑埂机；旋耕；镇压

0 引 言

水稻是我国主要粮食作物之一，其种植生产规模对粮食生产安全发展具有重要意义[1]。坚实合理的田埂是实现水田淹灌和水稻生产的重要保证，可提高粮食作物产量，减少水资源浪费，有利于我国标准化农田建设[2-3]。水田田埂修筑属于水稻生产过程中耕整地作业环节，目前我国田埂修筑仍以人工劳力为主，其筑埂质量差，作业周期长，重复劳动强度大。随着水田机械化程度的发展，水田机械化筑埂已成为水稻种植生产的“瓶颈”问题之一[4]。

水田机械化筑埂是通过农业机械构筑出满足水稻灌溉及生产要求田埂的技术。从20世纪60年代，国内外学者开始对水田筑埂技术及相关机具进行研究[5-7]，其中日本对此项技术的研究较为成熟，将机电液多种技术相结合进行设计，可自动调整筑埂作业部件方向，提高所筑田埂坚实性与稳定性，但其价格昂贵，维修不便，且日本与中国水田土质差异性较大，并不适合于在中国各地区大面积推广使用[8-9]。中国最早出现的水田筑埂机是1975年东北农学院蒋亦元院士团队研制[10]，该机通过铧式犁取土，成型板镇压筑埂。此后国内部分科研院所及农机企业也相继对水田筑埂机进行研究设计，主要通过铧式犁或旋耕刀等部件进行双侧取土，双侧圆盘滚动镇压筑埂[11-13]，但此类机具质量较重，灵活性较差，功率消耗较大，且取土位置受限，适用范围局限，影响后续插秧及土壤平整作业，多数仍停留在试验研究阶段，无法完全满足实际生产需求。

针对上述问题，本文结合东北地区水稻种植农艺要求，设计了1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机，对其工作原理进行分析，优化各关键部件结构参数，通过台架试验获得修筑埂机最佳工作参数组合，并进行田间试验检测机具作业性能，以期为水田机械化筑埂机具及其关键部件的研制设计提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机主要由偏牵引悬挂机架、平行四臂仿形总成、旋耕集土刀辊总成、镇压筑埂圆盘总成、挡土罩壳、旋耕筑埂深度调节装置、行走尾轮和多级传动变速系统等组成，其整机结构如图1所示。其中旋耕集土刀辊总成和镇压筑埂圆盘总成是机具主要工作执行部件，其设计配置的合理性直接影响整机作业性能。通过3种类型刀具综合设计与排列（即旋耕集土刀辊总成），实现远处取土抛土、近处推土切型的功用。通过镇压筑埂圆盘总成将土壤集中聚拢压实并修筑田埂，满足水田田埂形态及坚实度要求。通过偏牵引悬挂机架和平行四臂仿形总成共同配合，实现驱动拖拉机行走轮与筑埂作业部件间相对位置的调整，避免车轮碾压对田埂修筑造成影响。通过定轴转动式旋耕筑埂深度调节装置，实现旋耕集土与镇压筑埂相对深度的调整，进而调节机具集土及镇压状态，满足不同区域环境旧埂修补及原地起埂作业要求。

图1 1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机Fig.1 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field

1.2 工作原理

机具修筑田埂作业过程主要分为取土切型和镇压筑埂2个阶段。正常作业时，修筑埂机通过偏牵引三点悬挂方式与拖拉机挂接，根据机具轮距尺寸调整平行仿形总成机架的位置，选择合适作业区域，避免车轮轮辙与修筑埂机取土镇压区域前后重合碾压。根据水田旧埂修补或原地起埂作业要求，调整修筑埂机行走尾轮及旋耕筑埂变速箱位置，调节合适的取土深度及镇压强度。拖拉机动力输出轴通过万向联轴器、齿轮传动及链传动将动力传至主副变速箱、旋耕变速箱和筑埂变速箱，分别驱动旋耕集土刀辊总成和镇压筑埂圆盘总成以一定比例转速进行旋转作业。各类刀具相互配合共同进行高速旋切，将土壤定向取抛于后方及侧后方，配合挡土罩壳进行粉碎切型，并将土壤聚拢至镇压总成作业区域，通过镇压筑埂圆盘自身重力及旋转动力将所聚拢土壤压实成型，完成单侧田埂修筑。通过拖拉机转向在另一侧沿所筑单侧田埂轨迹行驶，进行反向旋耕集土及镇压成型作业，完成另一侧田埂的修筑，同时对田埂顶部进行二次压实，完善田埂整体形态，提高两侧土壤坚实度，实现水田机械化田埂修筑作业。

1.3 整机主要技术参数

悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机主要通过旋耕集土和镇压筑埂等方式，完成水田旧埂修补及旱田改水田时大面积新埂起筑作业，其整机结构采用轻量化机架设计配置，箱体类部件通过组装方式连接，机具结构紧凑简单，质量轻，可通过调节取土深度及筑埂高度适应不同区域筑埂作业，改善机具作业通用性及灵活性，减轻水田作业劳动强度，提高作业效率与质量。修筑埂机主要技术参数如表1所示。

表1 修筑埂机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of ridger

2 关键部件结构设计

2.1 偏牵引悬挂仿形调节系统

偏牵引悬挂仿形调节系统是修筑埂机与驱动拖拉机主要连接装置，由偏牵引悬挂机架和平行四臂仿形总成2部分组成，如图2所示。其中平行四臂仿形总成铰接安装于偏牵引悬挂架后部，根据作业环境横向调节修筑埂机相对位置，适应各型号拖拉机配套，避免拖拉机车辙与修筑埂机旋耕镇压区域前后重合，保证车轮不碾压旧埂，镇压筑埂部件可对田埂有效修筑，减少对田埂修筑影响，拓宽驱动机具类型范围。

平行四臂仿形总成是调节筑埂部件横向作业位置的主要装置。在实际作业时，修筑埂机通过偏牵引悬挂架与拖拉机三点挂接，机架悬挂连杆与拖拉机保持固定不动，其两侧所配置的左右铰接连杆均为活动杆件，可调节其左右偏移角度，通过人为控制伸缩拉杆的有效长度，平行调整修筑埂机传动系统及作业部件方位，固定伸缩拉杆上圆孔销钉的位置进行整体锁定，实现筑埂部件的横向调节。

图2 偏牵引悬挂仿形调节系统Fig.2 Partial traction hanging adaptive mechanism

将平行四臂机构仿形运动进行简化分析，如图2c所示。在调节过程中，该系统中活动杆件数量为5个，各铰接点均为低副连接，共7个，分析计算机构整体自由度为1，可满足机械运动要求进行仿形调节。当销钉位置固定时，该系统活动杆件数量为4个，低副连接为6个，机构整体自由度为0，实现刚性连接进行筑埂作业。根据常规驱动拖拉机三点悬挂结构，设计偏牵引悬挂机架两下悬挂点间距离为526 mm，上下悬挂点间距离为540 mm。根据实际作业情况、修筑埂机整机结构尺寸配置要求及拖拉机轮距尺寸，设计铰接连杆长度为680 mm，悬挂连杆长度为662 mm，伸缩连杆最大伸缩量为213 mm，镇压筑埂部件最大横向调节距离为330 mm，最大横向角度为29º。

2.2 旋耕筑埂深度可调式传动总成

在水田筑埂作业过程中，应根据不同作业环境调节修筑埂机作业状态，保证合适的旋耕取土深度及镇压强度，提高田埂修筑质量。因此本文设计了旋耕筑埂深度可调式传动总成，将定轴转动式旋耕筑埂深度调节装置与机具总体传动系统组合2部分配置一体，可完成旋耕镇压多级传动，同时实现旋耕集土与镇压筑埂相对深度的调节，如图3所示。

在调节旋耕集土及镇压筑埂相对作业深度时，主传动机架与旋转轴支撑架整体固定不动，通过人为调节固装于机架与筑埂变速箱间的螺旋摇杆伸缩长度尺寸，控制筑埂变速箱体与旋耕变速箱体以中间公共旋转轴为轴线进行相对转动，带动旋耕镇压2部分关键部件整体以固定传动比进行作业。将深度调节机构运动进行简化分析，如图3b所示。在调节过程中，将主传动机架简化为固定件，螺旋伸缩摇杆长度的变化由其自身螺旋副实现，但其仅在同一平面内进行运动，因此可将其简化为移动副。该系统中活动杆件数量为3个，其余铰接点均为低副连接，共4个，分析计算机构整体自由度为1，可满足机械运动要求进行位置调节。根据实际作业区域环境、螺旋摇杆伸缩尺寸范围及功率要求，设计旋耕集土及镇压筑埂深度相对可调范围均为0～110 mm。

图3 旋耕筑埂深度可调式传动总成Fig.3 Rotary tillage ridging adjustable depth transmission assembly

修筑埂机总体传动路线如图4所示，旋耕筑埂动力源由驱动拖拉机后置动力输出端传出，经万向联轴器与整机主变速箱连接，通过锥齿轮变向传动至链轮副变速箱，通过公共传动轴分别以不同链传动比驱动旋耕集土刀辊和镇压筑埂圆盘进行作业。

动力输入端与旋耕集土刀辊传动比为

动力输入端与镇压筑埂圆盘传动比为

整理式（1）和式（2），可得旋耕集土刀辊与镇压筑埂圆盘作业转速比为

式中i1为动力输入端与旋耕集土刀辊传动比；i2为动力输入端与镇压筑埂圆盘传动比；N为旋耕集土刀辊与镇压筑埂圆盘转速比。

图4 总体传动系统示意图Fig.4 Schematic diagram of transmission mechanism

根据筑埂作业农艺要求，机具旋耕刀辊应进行高速旋转集土作业，镇压圆盘则相对缓慢稳定进行压实成型作业，结合拖拉机输出转速调控范围，配置主变速箱齿轮齿数分别为 Z1=20、Z2=31，各级变速箱链轮齿数分别为Z3=11、Z4=11、Z5=20、Z6=20、Z7=18、Z8=12，旋耕集土刀辊与镇压筑埂圆盘转速比为3∶2。

2.3 旋耕集土刀辊总成

旋耕集土刀辊总成是修筑埂机核心工作部件之一，其刀具设计及刀辊排列配置直接影响筑埂作业质量。因此本文根据其作业功用分别设计取土、抛土及切型3种类型刀具，并采用组合排列方式，保证其旋耕集土量，提高筑埂作业性能，为后续镇压筑埂奠定基础。

2.3.1 结构功能特点

如图5所示，旋耕集土刀辊总成主要由同向（右弯刀）的取土弯刀、抛土弯刀、切型弯刀及刀辊轴等部件组成，根据其旋耕作业范围分为取土区域、抛土区域及切型区域。取土区域对应镇压筑埂部件的外侧，主要通过取土弯刀将土壤杂草切断进行旋切取土作业，此部分刀具由4把取土弯刀通过刀座式双螺旋线排列配置（刀间相位角90º），保证刀辊受力均匀，同时增加单位耕幅内刀具幅宽，减少刀具切取过程中土壤间相互碰撞，避免粘土堵泥缠草现象，其作业回转半径为270 mm。抛土区域主要将所取土壤进行二次旋切碎土，并将土壤定向抛掷推聚于后方及侧后方，同时切取部分土壤以补充筑埂集土量，此部分刀具由 4把抛土弯刀通过刀盘式双螺旋线排列配置（刀间相位角90º），具有良好抛土性能，同时降低机具功率消耗，其作业回转半径为230 mm。切型区域主要将土壤旋切为呈阶梯断面的雏形田埂，此部分刀具由 2把切型弯刀通过轴端同面反向对称排列（刀间相位角180º），保证镇压筑埂土壤形态要求，其作业回转半径为145 mm。通过3种类型刀具协同配合，完成旋耕集土作业，同时将田埂初步切取为梯形形态，有利于下一阶段镇压筑埂部件完成镇压夯实筑埂作业。

图5 旋耕集土刀辊总成Fig.5 Rotary tillage collecting soil roller assembly

2.3.2 旋耕集土作业参数分析

为提高旋耕集土作业性能，保证足够集土用量，对刀辊总成运动状态进行分析。在作业过程中，刀辊总成绝对运动为随驱动机具前进运动和自身旋转运动的复合运动，其刀具各点运动轨迹皆为余摆线，3种类型刀具旋切点运动速度皆可表示为

式中vix为刀具旋切水平速度分量，m/s；viy为刀具旋切竖直速度分量，m/s；vm为驱动机具前进速度，m/s；xi为刀具旋切水平位移分量，mm；yi为刀具旋切竖直位移分量，mm；ω为刀具旋转角速度，rad/s；Ri为刀具回转半径，mm；t为刀具运动时间，s。其中i=1,2,3，分别表示取土弯刀、抛土弯刀及切型弯刀切土运动状态。

各类刀具旋切作业主要发生在土壤表面及内部，其作业角度范围为

式中h为刀具耕作深度，mm。

由于3种类型刀具回转半径及入土耕作深度不同，其作业旋切线速度、作业角度等参数皆有相应差异。

旋耕集土刀辊总成的切土节距是影响其旋耕碎土质量的重要因素。在机具设计及应用过程中，常通过增加单位区域内刀具数量、降低驱动机具前进速度及提高刀辊轴转速等方式，减小切土节距，提高整体旋耕碎土质量[14]。但实际作业时，机具前进速度过低，将导致其作业效率降低，刀辊转速过快，将导致其功率消耗增大，单位区域内刀具数量增加，易出现堵泥缠草现象。对于中等黏度的稻田土壤，当土壤含水率在20%～30%时，机具切土节距可大于100 mm，当土壤含水率大于35%时，机具切土节距60～90 mm较合适。由于修筑埂机对土壤破碎程度要求较高，因此设定其切土节距为30～50 mm，经过切削抛掷的土壤与挡土罩壳碰撞，进一步提高其碎土程度。根据各类型刀具在单位区域内安装数量及安装角度，其刀具切土节距可表示为

式中Si为各类刀具切土节距，mm；n为刀辊轴转速，r/min；zi为单位安装平面内各类刀具数量，把。其中i=1,2,3，分别表示取土弯刀、抛土弯刀及切型弯刀切土运动状态。

结合实际筑埂切土要求及机具功率影响，综合各类型刀具排列方式（角度、数量等），参考机具前进作业速度为vm=0.8～1.5 km/h，刀具理想切土节距为S=30～50 mm，将上述参数代入式（6）中计算，可得刀辊轴理想转速n=450～550 r/min。

对水田筑埂作业所需取土量进行分析，根据农艺田埂要求，所筑田埂高度及埂顶宽度应大于200～250 mm，埂底宽度（双侧）应大于300 mm，同时保证田埂具有良好坚实度。水田田埂旋耕集土截面如图6所示，原地起埂作业时，完整田埂所需土量较大，修筑埂机单次作业进行单侧取土筑埂，其两侧作业取土截面面积应等于所成型田埂总面积，完整田埂截面积为

式中A1为完整田埂截面积，mm2；q为田埂埂底宽度，mm；w为田埂埂顶宽度，mm；H为田埂高度，mm。此时修筑埂机单侧旋耕取土截面积为

式中A2为单侧筑埂取土截面积，mm2；B为旋耕取土作业宽度，mm；α为田埂坡度夹角，（°）；h为旋耕取土作业深度，mm。

图6 水田田埂截面图Fig.6 Sectional drawing of paddy ridge

当旋耕取土量满足筑埂要求时，旋耕取土量与筑埂需土量间关系为

式中k为土壤坚实度相关系数（常规水田田埂土壤取0.8～1）。

将式（7）～（9）合并整理可得，旋切取土宽度应满足

将上述农艺田埂相关参数代入式（10）中，可得旋耕取土作业宽度B=380～500 mm，即所设计旋耕刀辊轴长度尺寸应在此范围内，不同田埂修筑及原地起筑作业环境可根据取土量需求进行调整，以满足后续筑埂镇压作业。

2.3.3 旋耕集土刀具设计

旋耕集土刀辊总成通过3种类型刀具共同完成旋切取土、定向抛土及切型起埂作业，其刀型结构设计对筑埂集土作业及机具功率消耗具有重要影响。因此本文重点对取土刀具、抛土刀具及切型刀具结构参数及作业效果进行分析，各类刀具结构如图7所示。

图7 各类型旋耕集土刀具Fig.7 Various types of rotary blades for collecting soil

取土弯刀主要将土壤杂草切断并进行有效取土作业，本文采用传统阿基米德螺线[15-17]对其进行设计，使其具有锐利的侧切刃和正切刃。作业过程中刀具按距刀轴中心先近后远的顺序依次入土，转过单位角度其径向切土长度相同，刀具切土负荷变化均匀，有利于将刀身上杂草及茎秆切断甩出，减少作业过程中摩擦阻力。阿基米德螺线方程为

式中ρ为螺线任意点极径，mm；a＇为螺线极角增加单位弧度时极径的增量，mm；1ρ为螺线起点极径，mm；nρ为螺线终点极径，mm；θ为螺线任意点极角，rad；nθ为螺线终点极角，rad；nτ为螺线终点静态滑切角（常取50º～60º），（°）；。

为使刀具正切刃及侧切刃光滑过渡，刀具螺旋终点极径nρ应小于弯刀回转半径10～20 mm。侧切刃与前端侧切刃所呈角度应适当，角度过大将导致刀具缠草严重，角度过小将减小刀具作业幅宽，降低其取土作业性能。综合上述分析，并结合筑埂作业参数（取土弯刀作业耕深为200 mm，刀具作业回转半径为270 mm，切土节距为30～50 mm），将其代入式（11）～（13）中，计算可得取土刀具结构参数为ρ1=190 mm，ρn=245 mm，τn=60°,θn=0.38 rad。

抛土弯刀主要进行二次旋切碎土，将土壤定向抛掷推聚于后方及侧后方，其关键设计参数为刀具正切刃曲线及正切刃弯折角，本文采用正弦指数曲线进行设计[18]，增加刀体正切部宽度，提高刀具对土壤冲击破碎作用，降低机具功耗，避免刀柄部缠草现象，获得理想的土壤抛送及聚敛性能。正弦指数曲线方程为

式中ρz为指数曲线任意点极径，mm；ρ1z为指数曲线起点极径，mm；θz为指数曲线任意点极角，rad；τ0为指数曲线起点静态滑切角（°）；K为指数曲线静态滑切角递减量比值。

参照相关文献[19]，并根据抛土弯刀作业回转半径及抛土最低点位置，设计其结构参数为ρz1=165mm，τ0=50°。同时通过试验对比确定刀具较优正切刃弯折角为155°，提高刀具对土壤抛掷作用，满足筑埂成型土量需求。

切型弯刀主要将土壤旋切为阶梯断面土层，以便后续对田埂的镇压修筑，本文采用常规L型直角弯刀[20-21]，刀体宽度较大，刀具质心距刀刃曲线较近，增加弯刀与刀辊轴旋转中心间距离，其正切刃与侧切刃角度≥90°，刀刃为斜侧刃，以滑切形式入土作业，降低切型过程中阻力影响，具有较好切型碎土功能。

2.3.4 旋耕集土刀具排列方式

各类型系列刀具排列方式直接影响旋耕集土刀辊总成作业性能，正确合理的排列方式可提高筑埂作业质量，降低机具功率消耗，减少其作业故障率。旋耕集土刀具排列方式应满足：①在满足农艺要求前提下，增大刀具间轴向安装距离，增加径向相邻刀具间角度，避免刀具相互干扰，影响取土作业效果，同时缓解刀具磨损现象，节约成本；②同类型相邻刀具在刀辊轴径向安装角度相等，刀辊轴所受力矩均匀，降低机具振动；③各类刀具均采用右弯刀形式设计，所取土壤由旋耕集土刀具侧向抛出，应依靠修筑埂机行走尾轮抵消相应侧向力。结合不同排列方式优缺点及修筑埂机实际作业特点，设计其取土弯刀采用刀座式双螺旋线排列，抛土弯刀采用刀盘式双螺旋线排列，切型弯刀采用轴端同面反向对称排列，主要由1个矩形刀盘、2个异形刀盘、4个刀座配套组成。各类型刀具排列详细参数如图8所示，以旋耕刀辊轴螺线为起点，沿刀辊轴线所列各类型刀具排列，其中X轴为旋耕刀辊轴轴线方向，Y轴为机具前进方向。

2.4 镇压筑埂圆盘总成

镇压筑埂作业是田埂修筑的最终环节，将所集取土壤充分压实成型，有利于增加田埂坚实度及稳定性，提高田埂使用性能及寿命。因此本文对镇压筑埂原理进行分析，优化镇压筑埂部件结构，提高筑埂作业性能。

2.4.1 镇压筑埂圆盘总成结构与工作原理

镇压筑埂圆盘总成主要由镇压圆辊、镇压辊连接轴及弹性羽片等部件组成，其中弹性羽片与镇压圆辊结构尺寸直接影响所筑田埂成型形态，如图9所示。弹性羽片采用两段式弯折扇形结构设计，其有效半径为360 mm，折弯角度为150°。镇压圆盘侧斜面由10片独立弹性羽片在圆周上以阶梯形式均匀叠加组合而成，相邻羽片间采用折弯搭接焊合形式配置，羽片折弯处整体焊接有圆盘支架及支撑加强筋，提高整体作业稳定性及可靠性。镇压圆辊为直径180 mm，长度220 mm的空心圆筒，与镇压圆盘焊接组成总成装置，且圆辊及羽片整体设计与所筑梯形田埂顶面及侧面形状相吻合，使所筑田埂顶面与侧面呈倒角光滑过渡，提高圆盘附着性与耐磨性，避免田埂自然滑坡现象，所设计镇压筑埂圆盘总成最大回转直径为800 mm。

图9 镇压筑埂圆盘总成Fig.9 Compacting ridging circular assembly

在镇压筑埂作业过程中，镇压筑埂圆盘随机具前进运动，同时进行自身旋转运动。通过镇压圆辊及弹性羽片与黏性土壤相接触，对所筑田埂顶面及侧面进行滚动碾压，在接触过程中羽片将发生弹性变形，与土壤颗粒间产生相应振动，通过镇压圆辊静力压实及弹性羽片振动压实反复对土壤进行有规律拍打挤压，克服土壤颗粒间摩擦力及内聚力，压缩土壤层中空气、重力水分、附着水分及土壤颗粒间间隙，使土壤颗粒重新紧密排列，保证所筑成型田埂形态及坚实程度，土壤内部变化示意如图10所示。

图10 镇压筑埂作业示意图Fig.10 Schematic diagram of compacting ridging

2.4.2 镇压筑埂力学分析

为研究镇压筑埂作业规律，分析影响筑埂质量的主要因素，对镇压筑埂圆盘总成进行力学分析。以镇压圆辊中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，设定镇压圆盘稳定匀速进行筑埂作业，其模型简化如图11所示。镇压筑埂圆盘主要受到机具驱动作用力T、土壤顶面对镇压圆辊接触摩擦力Fs1、土壤侧面对弹性羽片接触摩擦力Fs2、行走尾轮侧向力FT、土壤顶面对镇压圆辊均布支持力及其自身组合重力（M1+M2）共同作用，并产生相应力矩。

将力学模型相应简化，其平衡关系应满足、土壤侧面对弹性羽片均布支持力

式中Fx为镇压筑埂圆盘沿x轴方向所受力，N；Fy为镇压筑埂圆盘沿y轴方向所受力，N；Mxoy为镇压筑埂圆盘在xoy平面所受力矩，N mm·；Wd为镇压筑埂圆盘主动力矩，N mm·；PN1为镇压圆辊对土壤顶面压强，kPa；PN2为弹性羽片对土壤侧面压强，kPa；s1为镇压圆辊对土壤顶面作用面积，mm2；s2为弹性羽片对土壤侧面作用面积，mm2；e为镇压圆辊支持力径向矢量，mm；l为弹性羽片摩擦力径向矢量，mm；δ为弹性羽片安装角度，（°）；μ为镇压筑埂圆盘与土壤间摩擦因数。

图11 镇压筑埂作业受力分析Fig.11 Force analysis of compacting ridging assembly

镇压筑埂圆盘总成进行纯滚动镇压的临界条件为

选取镇压筑埂圆盘总成极限摩擦力求解其系统驱动力矩，假设

式中c为镇压圆辊长度，mm；u为镇压圆辊摩擦力径向矢量，mm；lmax为弹性羽片摩擦力径向矢量最大值，mm；s为镇压圆辊厚度，mm；j为镇压羽片厚度，mm；R1为镇压圆辊半径，mm；R2为镇压筑埂圆盘回转半径，mm；L为弹性羽片作业长度，mm；g为重力加速度，m/s2。

将式（18）～（20）合并整理可得

将农艺田埂相关参数及镇压筑埂圆盘总成结构参数代入式（21）中，即可求解驱动力矩极限要求。其中镇压筑埂圆盘总成与土壤间压强及摩擦力等参数需要通过试验获得，同时合理坚实的镇压田埂与外界土壤温度、含水率等因素有关。在后续研究中，将研究相关土壤参数对镇压筑埂作业的影响机理，通过现代测试手段对相关力学参数进行测定，为镇压筑埂部件优化改进提供理论参考及数据支撑。

3 台架试验

3.1 试验条件

试验地点为黑龙江省农业机械研究院土槽试验室，试验装置为TCC-III型计算机监控辅助测试试验台车、土槽台架和悬挂式水田单侧修筑埂机，数据采集仪器为SL-TYA型土壤坚实度测试仪（杭州汇尔仪器设备有限公司生产）、TZS-5X型土壤水分测试仪（杭州汇尔仪器设备有限公司生产）、铁锹及钢板尺等，如图12所示。土槽内供试土壤为东北地区典型黑壤土，结合田间筑埂实际情况对土壤进行耕整处理，检测土壤绝对含水率20%～30%，土壤坚实度130～200 kPa，符合筑埂作业农艺环境要求。

3.2 试验因素与指标选取

田埂修筑作业质量与机具前进速度、旋耕工作转速、旋耕取土深度及外界土壤状态等因素有关，所设计的修筑埂机配置旋耕筑埂深度调节装置，可根据不同作业土壤状况调节机具集土镇压状态，提高机具作业适应范围。结合实际台架土壤状态，根据前期理论分析进行单因素预试验，同时为提高台架试验可操作性及准确性，通过深度调节装置调整确定合适的旋耕取土深度，保证机具取土用量与所筑田埂所需土量间平衡。其中各组台架试验皆属于原地起埂作业，调节旋耕集土刀辊总成作业深度均为200 mm，保证旋耕取土量充足。在此前提下，由预试验可知修筑埂机前进速度和旋耕工作转速是影响筑埂质量主要因素，因此选取修筑埂机前进速度和旋耕工作转速为试验因素（旋耕转速/筑埂转速为3/2）。试验过程中通过调节试验台车运行速度控制机具前进速度，通过调节动力输出频率控制旋耕工作转速。

图12 筑埂性能台架试验Fig.12 Bench experiment for ridging performances

由实际水稻生产农艺需求可知，水田田埂坚实度及形态特征是检测田埂质量的重要指标，由于目前国内尚无关于水田机械化田埂修筑评价标准，查阅相关资料结合水田筑埂实际作业，选取田埂平均坚实度、田埂高度变异系数为试验指标（在农艺田埂要求范围内，田埂平均坚实度越高，高度变异系数越低，其所筑田埂质量最佳）。其相关计算公式为

在试验过程中，对所筑田埂整体高度及坚实度进行测定，各组试验所筑田埂有效长度皆应大于20 m，每间隔0.8 m选取一测试点进行测定，各组试验累计测试25次，数据处理取平均值作为试验结果。在田埂尺寸形态及坚实程度皆满足农艺要求前提下，认定此组作业为有效试验，在此基础上进行相关参数优化组合，分析因素影响规律。

3.3 试验内容与方法

根据前期理论分析、单因素预试验及田间筑埂作业要求，配合各因素可控有效范围，设定试验因素水平如表2所示。在此基础上，采用2因素5水平通用旋转组合试验安排试验方案[22-23]，对影响试验指标的因素进行显著性分析，并根据实际需求获得机具最佳工作参数组合。

表2 试验因素水平编码Table 2 Coding of level of experimental factors

3.4 试验结果与分析

在台架土槽试验过程中，由于人为控制及台架振动等外界因素影响，试验操作实际值与理论参数设计值存在一定偏差，但其最大误差为3.3%，在可接受范围内，因此可对修筑埂机前进速度和旋耕工作转速两参数设计值进行结果分析，寻求机具最佳工作参数组合。具体试验设计方案与测定结果如表3所示。

表3 试验方案与结果Table 3 Design of tests and results

通过Design-Expert 6.0.10软件对试验数据回归分析，进行因素方差分析，筛选出较为显著影响因素，得到性能指标与因素编码值间回归方程。

式中x1为修筑埂机前进速度编码值；x2为旋耕工作转速编码值；y1为田埂平均坚实度，kPa；y2为田埂高度变异系数，kPa。

为直观地分析试验指标与因素间关系，运用Design-Expert 6.0.10软件得到响应曲面，如图13所示。

图13 各因素对试验性能参数的响应曲面Fig.13 Response surfaces of all factors on qualified indexes

在上述试验田埂坚实度及尺寸皆满足农艺田埂要求前提下，对各因素影响规律进行分析，根据相关回归方程和响应曲面图等高线分布密度可知，修筑埂机前进速度和旋耕工作转速间交互作用对田埂平均坚实度影响较显著，对田埂高度变异系数影响并不显著。由图13a可知，当前进速度一定时，田埂平均坚实度随工作转速增加先减小后增加；当工作转速一定时，田埂平均坚实度随前进速度增加也为先减小后增加，其变化区间较大。由图13b可知，当前进速度一定时，田埂高度变异系数随工作转速增加先减小后增加，其变化区间较小；当工作转速一定时，田埂高度变异系数随前进速度增加而增加。当前进速度变化时，田埂平均坚实度及高度变异系数两指标变化影响较大，前进速度是影响修筑埂机作业性能的主要因素。

在此基础上，对试验因素最佳水平组合进行优化设计，建立参数化数学模型，结合试验因素边界条件，对田埂平均坚实度、高度变异系数回归方程进行分析，得到其非线性规划的数学模型为

基于Design-Expert 6.0.10软件中Optimization多目标参数优化模块对数学模型进行分析求解，可得当修筑埂机前进速度为1.33 km/h，旋耕工作转速为525 r/min，旋耕取土深度为200 mm时，筑埂作业质量最优，其所筑田埂平均坚实度为2080 kPa，田埂高度变异系数为3.59%。根据优化结果进行台架土槽试验验证，实际作业所筑田埂的平均坚实度为2160 kPa，高度变异系数为4.01%，田埂平均高度为340 mm，与优化结果基本一致，误差在可接受范围内，可满足农艺田埂作业要求。

4 田间试验

为进一步检验修筑埂机田间作业性能，验证机具各项技术参数可靠性，分别于2015年10月及2016年4月春秋两季在黑龙江省绥化市庆安县稻田试验基地进行田间筑埂试验。试验区域为稻田种植地块，试验土壤黏性较大，其绝对含水率29.7%，土壤坚实度190 kPa，环境温度17℃，环境湿度68%，满足筑埂作业农艺要求。配套驱动机具为东方红704型拖拉机（功率51.5 kW），试验样机为1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机，机器运行状况良好。操作人员技术熟练，转向作业时可沿所筑单侧田埂轨迹精确控制拖拉机行驶，保证筑埂直线作业要求。

田间试验作业类型分别为旧埂修筑作业和原地起埂作业，将作业区域划分为启动调整区、有效试验区及停止区，测试总距离130 m，前后启动调整区和停止区分别为5 m，如图14所示。在启动调整区调节机具作业左右位置及旋耕深度，保证旋耕集土量充足平衡，确定机具在前进速度1.33 km/h，旋耕工作转速525 r/min工况条件下，单次进行单侧田埂修筑，转向进行另一侧田埂修筑，同时保证田埂直线度及两侧整体形态。在此条件下重复 3次试验，对所筑田埂质量进行人工检测取平均值，以评价机具作业性能，相关数据结果如表4所示。

图14 田间试验Fig.14 Field experiment

表4 田间筑埂作业检测结果Table 4 Performance testing results in field

田间试验证明，所设计机型各项指标皆优于相关技术标准。悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机可一次性完成集土、镇压和成型等多项作业，在工况条件下所筑田埂各处土壤坚实度均大于1500 kPa，田埂整体坚实光滑，外形平整一致，人在埂上行走无塌陷现象，经农田泡水无渗水漏水问题，满足水田生产农艺要求。

5 结 论

1）1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机可一次性完成水田集土、镇压和成型等多项作业，适用于旧埂修补及原地起埂作业，所筑田埂质量良好，坚实光滑，外形平整一致，满足水田生产农艺技术要求。

2）对修筑埂机关键部件进行了研制设计，偏牵引悬挂仿形调节系统实现了筑埂部件相对位置的调整，避免拖拉机车辙与修筑埂机旋耕镇压区域间重合碾压；旋耕筑埂深度可调式传动总成在进行多级传动的同时实现了旋耕集土深度与镇压筑埂强度的调整，提高机具对各区域环境作业的适应性；旋耕集土刀辊总成实现了远处取土抛土、近处聚拢切型的功用，保证作业集土量；镇压筑埂圆盘总成采用静力压实和振动压实两种方式将田埂压实成型，提高所筑田埂坚实度及稳定性。

3）采用多因素二次通用旋转组合台架试验研究机具前进速度和旋耕工作转速对筑埂性能的交互影响，运用Design-Expert 6.0.10软件对试验结果进行分析，对回归数学模型进行多因素优化。试验结果表明，当机具前进速度为1.33 km/h，旋耕工作转速为525 r/min时，筑埂作业质量最优，其所筑田埂平均坚实度为2160 kPa，田埂高度变异系数为4.01%，田埂平均高度为340 mm。田间试验表明，该机具作业性能稳定，设计简单合理，适用性强，其各项作业指标皆优于参照技术标准，可有效减轻水田生产劳动强度，提高作业效率与质量。

本机具的研究设计可提高水田筑埂作业的适应性与灵活性，减轻劳动作业强度，满足水稻种植农艺要求，为水田机械化筑埂机具的创新研发与优化提供技术参考，有利于我国标准化农田设施建设，促进水稻生产规模化、标准化发展。

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Design and experiment on 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field

Wang Jinwu,Tang Han,Wang Jinfeng※,Lin Nannan,Huang Huinan,Zhao Yi
(College of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Rice is the most important crop in China,which has the largest planting area,the highest per unit area yield and the most total output. The production scale of rice has important significance to the development of grain production safety. Solid ridge is important guarantee for irrigation and rice growth. It can improve the yield of grain crops and reduce the waste of water resources,which is conducive to the construction of standardized farmland in China. At present,the ridge are built still by manual labor in some regions. The ridge building by manual labor have some problems such as poor quality,long operation period,and repeated labor intensity. Ridging operation belongs to a part of tillage operation in the whole production process. With the development of paddy field mechanization,the paddy field machinery ridging technology has become the bottleneck problem for production. Paddy field mechanization ridging is constructed by agricultural machinery to meet the production requirements of rice irrigation and ridge technology. Some Chinese scientific research institutes and agricultural machinery enterprises have carried out researches and designed paddy field ridge machines. These machines take the soil on both sides through the plow or rotary blade and other parts,and compact soil to build ridge by double disc rolling,but they have shortcomings of heavy body,poor flexibility,high power consumption,and limits to the sampling position,which affect the follow-up planting and soil leveling operations. This kind of machine can not fully meet the actual production demands in China. In order to improve the quality and the efficiency of ridging operation in paddy field,and to reduce the labor intensity,the 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger was designed,in view of meeting the agronomic requirements of rice planting in the northeast region of China. The overall structure and working principle of the ridger were illustrated and analyzed. The structural design and the theoretical analysis were conducted for key components,such as partial traction hanging adaptive mechanism,rotary tillage ridging adjustable depth transmission assembly,rotary tillage soilcollecting roller assembly and compacting ridging circular assembly. To improve the working performance of ridger and to obtain the best operation parameters,the quadratic general rotary unitized design experiment was carried out with the forward speed and the rotational speed as the impact factors,and the average value of ridge density and the variation coefficient of ridge height as the response indices. Based on experimental data,a mathematical model was built by using the Design-expert 6.0.10 software,the experimental factors were optimized,and the best combination was achieved. Test results showed that the forward speed of the ridger was 1.33 km/h,the rotational speed was 525 r/min,and the average of ridge density was 2 160 kPa,the variation coefficient of ridge height was 4.01%. On the basis,the field test was carried out,and the test results showed that the ridger was characterized by its compact-sized reasonable structure and simple operation. And its ridge had good quality,which was solid and smooth and could meet the requirement of paddy field production. The research results in this paper can provide the theoretical basis and direction for the research of mechanical ridger and its key parts for paddy field.

agricultural machinery;design;experiment;paddy field;ridger;rotary tillage;compacting

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.004

S222.5+3

A

1002-6819(2017)-01-0025-13

王金武，唐 汉，王金峰，林南南，黄会男，赵 艺. 1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：25－37.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.004 http://www.tcsae.org

Wang Jinwu,Tang Han,Wang Jinfeng,Lin Nannan,Huang Huinan,Zhao Yi. Design and experiment on 1DSZ-350 type hanging unilateral rotary tillage compacting ridger for paddy field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):25－37.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.004 http://www.tcsae.org

2016-06-13

2016-12-14

“十二五”国家科技支撑计划课题(2014BAD06B04)

王金武，男，黑龙江庆安人，教授，博士生导师，主要从事田间机械和机械可靠性领域研究。哈尔滨 东北农业大学工程学院，150030。Email：jinwuw@163.com

※通信作者：王金峰，男，黑龙江同江人，副教授，硕士生导师，主要从事田间作业机械研究。哈尔滨 东北农业大学工程学院，150030。Email：Jinfeng_w@126.com