甘蔗地凿式深松犁角度参数的优化研究

李柏林，李 明，廖宇兰，韦丽娇，董学虎

(1．海南大学 机电工程学院，海口 570228； 2．中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)



甘蔗地凿式深松犁角度参数的优化研究

李柏林1,2，李 明2，廖宇兰1，韦丽娇2，董学虎2

(1．海南大学 机电工程学院，海口 570228； 2．中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)

针对现有甘蔗地深松犁牵引阻力大的问题，通过试验分析优化对深松犁综合性能影响较大的角度因素—犁柄倾角、入土角、入土隙角。采用二次通用旋转组合试验，建立了关键角度参数与牵引阻力之间的数学模型，对试验数据进行通径分析和响应面分析。在保证深松犁作业性能的前提下，确定了犁柄倾角为33°、入土角为25°、入土隙角为6°时为最优的参数组合。田间检验试验结果表明：优化后的深松犁深松性能良好，牵引阻力较低，满足甘蔗地深松技术要求。研究结果可为进一步优化甘蔗地深松机整体性能提供理论依据和数据参考。

甘蔗地；深松犁；牵引阻力；参数优化

0 引言

甘蔗是我国热带地区重要的经济作物，主产区在广西大部、广东、海南及云南的小部分地区，这些地区土壤多为风化充分的红壤、砖红壤，土壤比阻和粘性大。近年来，随着经济的发展，市场对甘蔗的数量、产量等需求不断地攀升，因受农业用地资源的限制，扩大作物种植面积可能性很小。因此，为了获得甘蔗产量的最大化，只能依赖大量施用化肥，结果导致热区一大部分土地表现出以下特点：①氮肥利用率低、损失严重；②作物养分供应不平衡；③土壤酸化、板结，使得土壤养分转化慢；④土壤微生物区系失衡、土传病虫害严重；⑤耕地土层浅薄，有机质含量低。从我国热区气候和灌溉条件看，季节性干旱是相关作物生产的主要制约因素，除了选育合这些地区抗旱的优良品种之外，耕地机械深耕深松技术也显得尤为重要[1-2]。

土壤深松是保护性耕作中一项关键技术，其通过拖拉机带动深松机具作业，并通过深松铲对土壤进行切削与疏松作业。由于深松机不翻土而只对土壤切削和松土，因此不会破坏耕层植被和土壤的团粒结构，从而保持耕层土壤的层次和土壤的自我修复能力。热带地区深松作业深度要求35～45cm，打破了由于常年机具作业产生的犁底层，形成上虚下实的耕层结构，从而促进植物根系的发育，提高作物的产量[3-4]；同时，耕层结构的改善和耕层的增加还可以形成土壤小水库，雨季的时候可以起到蓄水的作用，旱季的时候可以为作物提供生长所需水分，从而实现了土壤水分的自我调节，增强了田间土壤抗旱、排涝的能力。研究表明[5]：深松技术能够使甘蔗产量提高16.08%。在北方广泛应用的深松犁在南方热区使用存在结构单薄的问题[6-7]，用于甘蔗地的深松犁为满足强度和深松技术要求，尺寸设计得更大，如犁体厚度可达40mm，犁头一般为凿式。凿式犁具有工作性能好、工作阻力低及强度大的优点[8]，犁柄则选用直列前倾式，相比圆弧式犁柄不易沾土。

1 牵引阻力检测原理与影响因素分析

1.1 牵引阻力检测原理

深松机的牵引阻力是指土壤作用在机具上的总阻力在沿前进方向的水平分力，这部分阻力直接关系到整个机组的动力性和经济性，是机具的主要经济指标之一。深松机牵引阻力的测量计算是强度校核和合理配置机组动力的依据。在实际作业中，拖拉机通过三点悬挂承受来自机具的牵引阻力，机具所受牵引阻力等于为拖拉机上下拉杆对作业机具的水平合力的代数和[9](如图1所示)，则

P=F2X-F1sinω

其中，P为拖拉机牵引力；F2X为两下拉杆对机具作用力的水平分力；F1sinω为上拉杆对机具的水平分力；ω为上拉杆与拖拉机的夹角。

1.上拉杆 2.拖拉机 3.下拉杆 4.深松犁 5.机架图1 机具平面受力简图Fig.1 Sketch of forces on implement plane

1.2 主要角度因素对牵引阻力影响分析

深松机所受牵引阻力由3部分组成：机具使土壤破碎、扭转等形变所需的力；机具在前进时土壤对机具的摩擦力；机具使土壤运动所需的力[10-13]。影响深松机牵引阻力的主要因素有机具工作参数、土壤物理参数及深松机结构参数[14]。机具工作参数(如深松深度、前进速度)一般都有相应的要求，调整范围有限；而土壤物理参数是客观条件，所以降低机具牵引阻力主要通过优化深松机结构参数实现。深松犁作为深松机的作业部件，其结构(见图2)参数对深松机减阻性能起决定性作用。土壤被深松犁朝前上方挤压、推动、抬升，同时被挤压到两侧，土壤在与金属接触面开始产生裂纹，一直延伸至地表，靠着不断使土壤产生剪切失效达到疏松的效果[15-16]。与直深松犁柄相比，有一定倾角的犁柄能增加对土壤的扰动量。犁柄倾角、入土角、入土隙角是深松犁的主要角度参数，三者对深松犁工作阻力有影响。如图3所示：土壤作用在深松犁的力有垂直于金属表面的法向力N，沿着金属表面的摩擦力f，两者的合力为阻力R，可以将阻力R分解为水平分力RX和垂直分力RY。其中，RY即为抬升扰动土壤产生的有效工作阻力，RX是组成牵引阻力的重要部分。RX与各角度参数的关系为

RX=Rcosδ

δ+φ-β=90°

联立得

RX=Rcos(90°-φ+β)

其中，φ为土壤与金属的摩擦角，砖红壤φ取值范围为30°～36°[17]；δ为合力作用角。由上式可以看出：在工作阻力R一定的条件下，水平分力随犁柄倾角β的增大而减小。同理可知：RX随着入土角的增大而增大；入土隙角θ对牵引阻力的影响主要体现在沟底土壤对深松犁的支撑力的水平分力，入土隙角越大水平分力越大。

α.入土角 β.犁柄倾角 θ.入土隙角图2 深松犁结构示意图Fig.2 Sketch of Sub-soiling plough

图3 犁柄受力简图Fig.3 Sketch of forces on column

这3个角度因素还会影响深松犁的入土性能，三者的取值应在合理范围。减小入土角能降低牵引阻力并且提高入土性能，但入土角的减小又降低了对土壤的扰动量。适当增加犁柄倾角能降低牵引力，但犁柄倾角大于65°时，会降低深松铲的入土能力，甚至达不到所要求的深度。入土隙角越大，入土行程越大；入土隙角过小，则使深松深度稳定性变差[18-19]。通过分析可知：上述3个角度因素都会影响深松犁的综合性能，为得到较优的角度参数，在保证深松质量的前提下进行试验，研究这3个角度因素之间的交互作用和对牵引阻力的影响。

2 试验材料与方法

2.1 试验设备

试验测力设备由3根LLZX轴销测力传感器(上海隆旅电子科技有限公司提供)、TST3822静态应变仪及其配套软件(江苏泰斯特电子设备制造有限公司提供)组成。轴销测力传感器受力后产生的应变量以电信号的形式传递给静态应变仪，电信号在其中被高倍放大后转换成数字量，通过TSTDAS3822静态信号测试分析系统软件在DELL计算机中进行数据处理。试验用犁由中国热带农业科学院农业机械研究所最新引进的数控机床(见图4)(广州奥凌数控科技公司制造)加工，利用乙炔气割而成，大大提高了加工效率，如图5所示。

图4 数控机床Fig.4 Computer numerical control machine tools

图5 试验用犁Fig.5 Sub-soiling plough for experiment

2.2 试验方案

采用二次通用旋转正交设计方法，传统的正交试验法只用于分析离散型变量，不能在给出的整个区域上找到因素的最佳组合和响应值的最优值；而响应面分析法能以较少的试验次数，求得较精确的回归方程，且能研究因素间的交互作用，更适用于分析角度这样的连续变量[20]。根据实际应用情况，设定犁柄倾角水平范围为120°～170°，入土角为22°～38°，入土隙角为1°～11°，γ=1.682。试验因素水平编码表如表1所示。

表1 试验因素水平

2.3 试验地点与过程

1)试验地点：广东省雷州市龙门镇金星农场，土壤类型为砖红壤，土壤含水率22.3%。

试验时间：2016年5月9日，天气多云，气温26～30℃。

2)试验机具：按《甘蔗地深耕、深松机械作业技术规范》(GB/T 29007-2012)中的要求进行深松作业，配套拖拉机为东方红-LX804拖拉机，拖拉机行进速度0.6m/s，深松深度保证40cm左右。

3)试验方法：按3种因素的不同水平组合一共准备了20个试验用犁，共进行20组试验，每组试验重复3次，数据取其平均值[21-22]。每组试验选取长100m、宽60m的地块，前后20m为过渡区，取机组行进平稳的中间60m测量牵引阻力大小[23]。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果与方差分析

试验安排及结果如表2所示。

表2 试验组合与结果

续表2

对以上试验数据进行方差分析，如表3所示。

表3 试验数据方差分析

输出结果显示，入土角对牵引阻力的影响最大，犁柄倾角次之，入土隙角的影响最小。方差分析显示，回归方程达到极显著，即建立响应变量Y关于因素A、B、C的回归方程是有意义的。 剔除不显著项目，得各因素与响应变量之间的回归方程为

Y=4982.92-232.88A+427.74B+177.61C

-149.32AB+128.68BC+191.61A2

+239.71B2+194.83C2

3.2 各因素通径分析

将试验数据输入Spss软件进行分析，求得深松犁各自变量与响应变量牵引阻力之间的相关系数与直接通径系数，相关系数如表4所示。

表4 试验因素相关系数

分析变量间的相关系数，可知犁柄倾角与入土角之间不相关，入土隙角与前面两者相关。当两个变量X1、X2彼此相关时，则

其中，ry1、ry2分别为原因X1、X2对结果Y的相关系数，r12为X1、X2之间的相关系数，Py1、Py2分别为X1、X2到Y的直接通径系数，而Py2r12、Py1r12为间接通径的系数。此公式反映了某项自变量对因变量之间的综合作用，可分解为直接作用与间接作用。

根据表4中的数据和上述方程，得到各角度因素对于牵引阻力作用的通径分析表，如表5所示。

表5 试验因素通径分析

通径分析表明：犁柄倾角增大，直接使牵引阻力减小(-0.348)，但犁柄倾角的增大影响入土隙角，间接使牵引阻力小幅增加(0.020 2)，但总体还是使牵引阻力降低(-0.328)；入土角增大，直接使牵引阻力增大(0.672)，同时通过影响入土隙角间接使牵引阻力小幅增加(0.020 2)，从而进一步加大了对牵引阻力的影响；入土隙角增大，直接使牵引阻力增大(0.266)，同时影响犁柄倾角间接使牵引阻力小幅降低(-0.026 4)，通过影响入土角则使牵引阻力小幅增加(0.051 1)，综合作用增加了牵引阻力(0.291)。

3.3 各因素交互作用分析

在Design Expert 8.0.6软件中可得到各因素交互作用的响应面分析图，能直观地描述出各个因素之间的交互作用和各因素对响应变量的影响。当分析其中的两个因素时，第3个因素控制在0水平上，如图6所示。

图6 响应面分析图Fig.6 Response surface analysis diagyam

由图 6(a)和图 6(b)可知：入土角取值越大，因犁柄倾角增大而带来的降阻效果越明显。在入土角一定时，在20°～35°范围内增大犁柄倾角能有效降低牵引阻力；但随着犁柄倾角的进一步增大，减阻效果并无明显加强，甚至有使牵引阻力小幅度增加的趋势。这是因为随着犁柄倾角的增加，要达到相应的深松深度，就必须增加犁柄的长度，从而增加了犁体质量和摩擦阻力，故犁柄倾角应选择在20°～35°范围内，过大的犁柄倾角使深松犁显得太长而不适用。当犁柄倾角在此区域内取值，入土角从28°增加到33°时，牵引阻力的增加幅度并不大，保持在5 500N以内，故入土角在此范围内取值，能在避免牵引阻力过大的同时取得较大的入土角，从而保证了深松犁的扰动性能。

由图 6(c)和图6(d)可知：当犁柄倾角一定时，牵引阻力随入土隙角的增大呈先减小后增大的趋势。在二维等值线图中，在入土隙角大于7°、犁柄倾角小于35°的区域内，等值线密度大。这说明，当犁柄倾角取值较小时，若入土隙角超过7°，牵引阻力将随着入土隙角的增加而急剧增加；当犁柄倾角取值较大时，牵引阻力随入土隙角的增长缓慢增加。

由图 6(e)和图6(f)可知：当入土角取值在中间水平时，牵引阻力在入土隙角3°～5°范围内与入土隙角成负相关；超过5°时，则与入土隙角成正相关。这是因为当入土角的取值一定时，犁头夹角随入土隙角的增加而减少犁头变尖锐，牵引阻力减小；但随着入土隙角进一步增加，沟底对犁头反作用力的增阻作用将大于因犁头夹角减小而带来的减阻效果，同时犁头变薄将使强度降低，所以应避免入土角与入土隙角的差值过小；当入土角的取值过小或过大时，入土隙角对牵引阻力的影响减弱。

4 深松犁参数优化及检验

借助于响应面优化模型，以牵引阻力最小化为目标，对各角度因素进行优化。根据响应面分析结果，为保证深松犁作业性能，对各角度因素水平值取值范围做了如下限定，即

在Design Expert 8.0.6软件中计算出深松犁各角度最终优化因素的最优取值：犁柄倾角为33°、入土角为25°、入土隙角为6°时，牵引阻力最低可降至4 867.88N。

为检验实际的优化效果，2016年5月20日在原试验农场进行田间试验。当日天气晴朗，气温在27～33℃，试验田土地平坦，土壤含水率17.62%。检测项目为深松犁牵引阻力和深松深度稳定性。牵引阻力检测方法与之前的试验一致；深松深度稳定性检测试验方法为每隔2m测定一点，共3个行程，每行程测定10点，测定每点深度，按相关国家标准计算深松深度平均值及其稳定性系数。试验数据如表6所示。

试验数据测得：平均深松深度为40.6cm,深松稳定性系数达到91.8%，能满足甘蔗地深松作业要求。平均牵引阻力为4 952.29N，考虑到经过连日暴晒试验场地土壤含水量下降导致土质变硬的情况，检验结果基本与理论预测值基本相近。通过响应面分析选取最佳角度参数后，优化后的深松犁在实地应用中具有一定的实用价值。

表6 深松深度田间试验数据

5 结论

1)试验分析表明：对牵引阻力影响程度由大到小依次为入土角、犁柄倾角、入土隙角。经通径分析发现，上述因素对牵引阻力的影响可分为直接作用和间接作用。

2)经分析因素间的交互作用，限定因素取值范围，得出深松犁最优结构参数为：犁柄倾角为33°，入土角为25°，入土隙角为6°。田间检验结果表明：参数优化后的深松犁牵引阻力较低，工作性能稳定，可满足南方蔗区的土壤深松技术要求。

3)经过优化后的深松犁正在推广应用，用户反映良好。

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Optimization Study on the Angle Parameter of Chisel Shaped Sub-soiling Plough used in Sugarcane Land

Li Bolin1,2， Li Ming2， Liao Yulan1， Wei Lijiao2， Dong Xuehu2

(1.School of Mechanics and Electrics Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China;2.Agricultural Machinery Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

Aim at the existing problems that the traction resistance of Sub-soiling plough used in sugarcane is large, optimize the angle parameter which have great impact on the Sub-soiling plough’s comprehensive performance through experiment analysis: inclination angle, penetration angle, penetration clearance angle. The mathematical model between the key angle parameters and the traction resistance was established by the quadratic universal rotary assembly experiment., and the path and response surface analysis were carried out. Under the premise of ensuring the working performance of the deep loose plough, choose the :inclination angle is 33°,penetration angle is 25°,penetration clearance angle is 6°as the optimal parameter combination .Field experiment showed that the optimized sub-soiling plough has good performance and low traction resistance, which can meet the technical requirements of the sugarcane field. The research results can provide theoretical basis and data reference for further optimization of the overall performance of sugarcane subsoiler.

sugarcane field； sub-soiling plough； traction resistance； parameter optimization

2016-06-29

农业科技成果转化项目(2014GB2E000040)；海南省自然科学基金项目(20155208)；国家公益性行业(农业)科研专项(201503136)；广东省部产学研合作重大专项子项目(2012A090300015)；广东省协同创新与平台环境建设专项子项目(2014B090907006)

李柏林(1990-)，男，广东紫金人，硕士研究生，(E-mail)987073334@qq.com。

李 明(1964-) ，男，广东化州人，研究员，(E-mail)liming282@21cn.com。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)06-0170-07