稻油轮作区驱动圆盘犁对置组合式耕整机设计与试验

刘晓鹏 张青松 肖文立 马 磊 刘立超 廖庆喜

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

引言

长江中下游地区是我国主要的稻油(水稻-油菜)轮作区[1]，稻油轮作可改善土壤理化性状，有利于均衡利用土壤养分[2-4]。但该区域土壤黏重板结、秸秆量大、雨水充沛，油菜播种作业时要求种床厢面两侧开出用于排水的畦沟[5]，油菜播种种床整备作业难度大。

国外联合耕整机具以宽幅、被动式的大型联合耕整机为主[6-9]，可适用于我国北方地区的土壤耕整作业。我国南方地区的土壤耕整作业主要以犁耕和旋耕为主，传统旋耕作业碎土和耕后地表平整质量好，但功耗大、耕层较浅、秸秆埋覆能力差[10]。传统犁耕主要采用被动式铧式犁和圆盘犁作业，对土壤和秸秆的翻垡、覆盖能力强，耕深大，耕后土壤通透性好，但在黏重板结、秸秆量大的工况下作业适应性差，碎土和平整质量不及旋耕[11]。基于传统耕整作业存在的不足，国内外学者进行了大量的研究[12-14]，但多基于对传统旋耕的改进[15-20]，对传统犁耕作业的改进研究不多。针对长江中下游稻油轮作区土壤黏重板结、秸秆量大的工况和播种作业时需同步开畦沟的农艺要求，结合传统耕整作业存在的不足，本文设计一种稻油轮作区驱动圆盘犁对置组合式耕整机，实现一次性完成翻耕、碎土、平整、开畦沟功能。

1 总体结构与工作原理

驱动圆盘犁对置组合式耕整机主要由主机架、中央齿轮箱、侧边齿轮箱、驱动圆盘犁组、开畦沟前犁、组合式船型开沟器、限深轮、碎土辊等组成。其中，组合式船型开沟器包括船式开沟犁和整形拖板，如图1所示。

图1 驱动圆盘犁对置组合式耕整机结构示意图Fig.1 Structure diagram of symmetrical type driven discs plow combined tillage machine for rice-rapeseed rotation area1.主机架 2.侧边齿轮箱 3.限深轮 4.驱动圆盘犁组 5.中央齿轮箱 6.碎土辊 7.刮土板 8.开畦沟前犁 9.船式开沟犁 10.调节装置 11.整形拖板

机组作业时，对称排布的驱动圆盘犁组向机组外侧切削、翻耕土壤，中间布置的开畦沟前犁破土、翻垡形成初步畦沟沟型，组合式船型开沟器依次切削、挤压土壤，同步作业完整畦沟。后置安装的两碎土辊对驱动圆盘犁组耕后地表进行平整、碎土作业，形成适宜油菜播种的种床厢面。

2 总体结构参数

两驱动圆盘犁组呈“八”字型对称排布，左右驱动圆盘犁组所受侧向力相互抵消，整机具有良好的作业稳定性。圆盘犁组的耕深过大或过小，会导致丧失切削、翻耕土壤功能。整机通过安装于主机架两侧的限深轮和后置安装的两碎土辊共同作用，实现对作业深度的限制。设计整机耕深a为130～180 mm。为保证开出畦沟具有良好的排水能力，开畦沟系统拟开畦沟深度Wd为250～300 mm。开畦沟前犁与组合式船型开沟器上下可调，二者与驱动圆盘犁组安装位置高度差ΔH保持在70～120 mm范围内。整机主要结构参数如表1所示。

表1 驱动圆盘犁对置组合式耕整机主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of symmetrical typedriven disc plows combined tillage machine forrice-rapeseed rotation area

3 主要工作部件设计与分析

3.1 驱动圆盘犁组设计与分析

3.1.1驱动圆盘犁运动学分析

以驱动圆盘犁切削刃口上一点H为研究对象，从H点运动至刚好切削秸秆的过程中，运动轨迹如图2所示，H点沿z方向的位移、绝对加速度和沿x方向的绝对速度、绝对加速度为

(1)

式中R——圆盘犁半径，mm

a——驱动圆盘犁耕深，mm

ω——驱动圆盘犁转动角速度，rad/s

n——驱动圆盘犁工作转速，r/min

t——运动时间，s

v——机组前进速度，m/s

vx——H点沿x方向的绝对速度，m/s

az——H点沿z方向的绝对加速度，m/s2

ax——H点沿x方向的绝对加速度，m/s2

θ——圆盘犁的工作偏角，(°)

驱动圆盘犁的作业性能与速比系数相关，速比系数λ为

(2)

当H点刚切削秸秆和土壤时，为使得驱动圆盘犁能对秸秆进行有效切削，绝对速度应满足vx≥0。由式(1)、(2)计算可得

(3)

根据运动分析可知，随着驱动圆盘犁工作转速的提高，加速度ax、az加大，增强圆盘犁的切茬能力，使地表残茬更易于被土壤翻埋。

图2 驱动圆盘犁运动学分析Fig.2 Kinematic analysis of driven type disc plow

3.1.2驱动圆盘犁动力学分析

驱动圆盘犁组上各圆盘犁安装倾角一致，圆盘回转平面与机组前进方向的夹角为工作偏角，现以单个圆盘犁为研究对象。圆盘犁作业过程中受到土壤的挤压力F、轴向力F′和切削反力Ft作用。假设土壤挤压力和切削反力的作用点为BC弧段上一点E，根据理论力学平面力系简化原理[21]，将各力作用点简化至圆盘犁回转中心O，驱动圆盘犁受力如图3所示。

(4)

式中FX——土壤对圆盘犁沿x方向作用力，N

FY——土壤对圆盘犁沿y方向作用力，N

γ——土壤对圆盘犁的挤压力与水平面夹角，(°)

Mn——圆盘犁的驱动力矩，N·m

Mt——切削反力产生的力矩，N·m

图3 土壤对驱动圆盘犁作用力分析Fig.3 Mechanical of driven type disc plow

根据上述受力分析，当圆盘犁工作偏角一定时，随着圆盘犁作业耕深增加，EC段弧长变长，力F与水平面的夹角γ增大，挤压力F增大，沿x方向作用力FX增大，增大了前进阻力。圆盘犁工作面轮廓AB与机组前进方向相切时的工作偏角为临界偏角，当圆盘犁耕深一定时，若工作偏角大于临界偏角，随着工作偏角的减小，圆盘犁耕幅变小，沿x方向前进阻力减小。若工作偏角小于临界偏角，圆盘犁背部受到未耕土壤刮擦和挤压作用，随着工作偏角的减小，反而会增大前进阻力和磨损。随着圆盘犁工作转速的增大，圆盘犁的驱动力矩Mn增大，增大了驱动功耗，但切削反力产生的力矩Mt和切削反力Ft随之增大，土壤对圆盘犁沿x方向作用力FX减小，前进阻力减小。

3.1.3驱动圆盘犁组参数分析

根据驱动圆盘犁的动力学和运动学分析，耕深、工作偏角和工作转速是影响其工作性能的重要因素。耕深过大或过小，会导致丧失切削、翻耕土壤功能。设计整机耕深为130～180 mm，选取驱动圆盘犁直径D为550 mm[22]，曲率半径ρ为600 mm。驱动圆盘犁组上各圆盘犁安装角度一致，故单个圆盘犁工作偏角即为驱动圆盘犁组工作偏角。根据图3、图4中几何关系可知

(5)

式中amax——圆盘犁最大耕深，取180 mm

θ0——临界工作偏角，(°)

由式(5)可得，临界工作偏角θ0为25.8°。根据驱动圆盘犁的动力学分析，选取驱动圆盘犁工作偏角θ为27°，此时单个圆盘犁的耕宽b为212～235 mm。为保证整机耕幅，同时防止出现漏耕现象，驱动圆盘犁组上圆盘犁数量为4，犁体轴向间距为240 mm，单个驱动圆盘犁组的最大耕幅为940 mm。由式(3)可得，速比系数为1.12≤λ≤3.24。驱动圆盘犁机组前进速度一般可达3～6 km/h[22]，按式(2)计算可得，驱动圆盘犁组的工作转速n为65～188 r/min。

图4 驱动圆盘犁临界工作偏角Fig.4 Critical working angle of driven type disc plow

3.2 开畦沟系统设计与分析

开畦沟系统由开畦沟前犁和组合式船型开沟器组成，如图5所示。组合式船型开沟器具体结构及工作原理见文献[23]，其主要触土曲面为犁壁的破土曲面和整形曲面。根据拟开畦沟的要求，设计犁体高度Hq为380 mm，最大刃口角α为64.4°。整形曲面最大元线角Φmax为67°，最小元线角Φmin为65°，犁体下底宽为120 mm。

图5 开畦沟系统工作部件Fig.5 Working parts of ditching system

3.2.1开畦沟前犁犁体曲面设计

开畦沟前犁犁体曲面采用水平直元线法形成，导曲线位于对称中线处，即导曲线同时也为切削刃口曲线。导曲线由始端直线IJ和曲线JK组成(图6b)，当导曲线形状更均匀变化时，犁体在保证开沟质量的同时具有良好的切削性能，JK段设计为圆弧曲线。

图6 开畦沟前犁犁体曲面Fig.6 Surface of front ditch plow

建立如图6所示坐标系，由图中几何关系可知

(6)

式中r——圆弧曲线JK半径，mm

ε——导曲线两端切线夹角，(°)

δ——起土角，(°)

h——犁体高度，mm

根据式(6)可得，圆弧曲线JK的半径为

(7)

开畦沟系统拟开沟深度为250～300 mm，故取犁体高度h为350 mm。为保证犁体入土能力，始端直线长度lIJ为100 mm，起土角δ为60°。为使得导曲线平滑从而降低前进阻力，取导曲线两端切线夹角ε为140°。由式(7)可得，圆弧曲线JK半径r为391 mm。犁体曲面元线角在始端直线IJ段不变，此时为最小元线角Ωmin，取为40°。元线角沿导曲线均匀增大，曲线末端为最大元线角Ωmax，取为45°。为减小犁体阻力，同时保证翻垡功能，设计犁体宽度w为120 mm。

3.2.2开畦沟工作区域分析

两驱动圆盘犁组均向整机外侧翻耕土壤，作业后中间开畦沟区域形成“凸埂”(图7a)。组合式船型开沟器将开畦沟区域的土壤切削并向两侧挤压，填埋内侧圆盘犁耕后形成的犁沟，从而将中间的“凸埂”形成为梯形畦沟。若开畦沟区域过宽，则侧向填埋的土量过多，作业后在靠近畦沟的厢面处会造成积土。若侧向挤压的土量过少，则不足以填埋圆盘犁耕后形成的沟。两种情况均会影响靠近畦沟两侧厢面的平整度及开沟质量。

图7 开畦沟系统工作原理图Fig.7 Working principle of ditching system

组合式船型开沟器对土壤两侧的挤压主要依靠犁壁的整形曲面作用，其对土壤的挤压模型如图8所示，PP′Q′Q为船式开沟犁后部轮廓右半部分。作业时，开畦沟前犁先开出初步畦沟沟型，假设开沟成型过程中满足土壤体积守恒，即截面PQTS′和截面面积M′N′S′S相等，可得

(8)

图8 整形曲面挤压模型Fig.8 Extrusion model of plastic surface

土壤MM′N′N向侧下方挤压使其翻转，其重心点G落在支撑点M的右方时，才能使土壤稳定翻垡不产生回流，填埋圆盘犁形成的犁沟。故由图8可知

(9)

式中θS——土垡中心对角线夹角，(°)

L——开畦沟区域宽度，mm

由式(8)、(9)可得，开畦沟区域宽度取值范围为

(10)

挤压后的土壤对犁耕后形成的犁沟的填埋程度采用填埋率来衡量，理论填埋率为翻转土壤总截面积与犁耕形成沟的面积之比，即

(11)

式中ξ——理论土壤填埋率，%

组合式船型开沟器犁体下底宽为120 mm，即lPQ=60 mm。开畦沟系统拟开沟深为250～300 mm，则

250 mm≤a+ΔH≤300 mm

(12)

由式(10)、(12)计算可得，当驱动圆盘犁组耕深为130～180 mm时，开畦沟区域宽度应满足L≤360 mm。故设计开畦沟区域宽度L为350 mm。按式(11)计算受挤压土壤对耕后形成的犁沟的理论填埋率为91.5%≤ξ≤108%，填埋率大于100%即表示对犁沟完全填埋。此时经挤压后的土壤可将耕后形成的犁沟填埋，保证种床厢面质量。

3.3 碎土辊设计

驱动圆盘犁组作业时具备一定的碎土能力，但其主要对土壤进行翻耕，耕后地表需经碎土辊进一步碎土、平整，形成完整种床厢面。碎土辊依靠焊接于辊筒上的交错均匀排布的钉齿碾碎大块土垡。为保证碎土辊对耕后地表完全作用，设计碎土辊的辊筒横向长度与单个圆盘犁组的最大耕幅均为940 mm。选取辊筒上相邻两回转平面上的钉齿为研究对象(图9a)，若相邻回转平面钉齿的轴向间距Dd过大，碎土辊作用后土垡的横向尺寸仍较大。若Dd过小，易使相邻钉齿间发生粘土现象，设计时选取相邻钉齿的轴向间距Dd为50 mm，钉齿厚度Da为10 mm。辊筒上同一回转平面的钉齿在作业时必然存在漏切区域，当相邻两回转平面的钉齿呈偏角为β2的错位排布时，两回转面的钉齿能同步交错进行碎土作业，降低漏切区域对碎土质量的影响。故设计辊筒上相邻回转平面的钉齿呈错位排布形式。

图9 碎土辊与大块土垡的相互作用示意图Fig.9 Interaction diagrams of soil crushing roll with clods

碎土辊作业时，同一回转平面内相邻钉齿间的切土节距da越小，碎土质量越好。相邻两回转平面的钉齿在交错对土垡作用时，交错钉齿间的切土节距d′a越小，更有利于降低漏切区域对碎土质量的影响。由图9b可知

(13)

式中β1——同一回转平面内相邻钉齿排布偏角，(°)

β3——钉齿刃口角，(°)

wd——钉齿宽度，mm

hd——钉齿高度，mm

d1——交错钉齿的前段切土节距，mm

d2——交错钉齿的后段切土节距，mm

根据式(13)可知，辊筒半径Rd越小、钉齿排布偏角β1越小、高度hd越小、钉齿宽度wd越大、钉齿刃口角β3越大，则同一回转平面钉齿的切土节距da越小。但辊筒半径Ra和钉齿排布偏角β1过小，宽度wd过大，导致回转平面内钉齿排布过于紧密，土壤易粘附于钉齿间。钉齿高度hd过小，则无法纵向切碎土垡，丧失碎土功能。钉齿刃口角β3过大，钉齿切削刃口与土垡的接触面积小，对土垡切削不充分。相邻回转平面钉齿的错位偏角β2过大或过小均会增大交错钉齿间的切土节距d′a。根据上述分析，设计辊筒直径为380 mm，钉齿高度hd为70 mm。钉齿宽度wd为65 mm，钉齿刃口角β3为70°，同一回转平面内相邻钉齿排布偏角β1为30°，相邻回转平面钉齿的错位偏角β2为15°。碎土辊钉齿排列图如图10所示。

图10 碎土辊钉齿排列示意图Fig.10 Arrangement of nail teeth of soil crushing roll

4 试验

4.1 试验设备与条件

试验在华中农业大学现代农业科技试验基地进行，试验田块常年稻油轮作，土壤类型为黄棕壤，平均土壤坚实度为848.44 kPa，土壤干基含水率平均值为24.67%，土壤容重为1.28 g/cm3，地表平均秸秆覆盖量为1.06 kg/m2，平均留茬高度为14.7 cm。试验配套动力为东方红LX804型拖拉机。试验器材：直尺(500 mm)、卷尺(5 m)、磁性水平尺(三箭工具有限公司，精度0.002 9°)、土壤坚实度仪(浙江托普仪器有限公司，TJSD-750Ⅱ型，±0.5%FS)、土壤水分测试仪(浙江托普仪器有限公司，TZS-2X型，±0.01%)、CKY-810型扭矩传感器(北京中航科仪测控技术有限公司，转速测量范围0～4 000 r/min，精度±1%，扭矩测量范围0～1 000 N·m，±1%)、BK-5型拉压力传感器(北京中航科仪测控技术有限公司，测量范围0～30 kN，±1%)、动态数据采集器、PC主机。功耗测试系统如图11所示。

图11 功耗测试系统Fig.11 Power consumption test system1.动态数据采集器 2.BK-5型上拉杆拉压力传感器 3.CKY-810型扭矩传感器 4.BK-5型下拉杆拉压力传感器

4.2 试验方法

4.2.1耕深稳定性及厢面质量试验设计

整机通过同时调节限深轮、碎土辊与圆盘犁组的相对高度进行限深，二者与驱动圆盘犁组的安装高度差Δh即为限深深度。开畦沟系统和碎土辊对犁耕后地表进行开沟、碎土、平整作业，形成适宜播种的种床厢面。为探究整机耕深稳定性及开畦沟系统、碎土辊作业后形成厢面的质量，试验选取限深深度Δh为试验因素，因素水平为130、180 mm。整机实际耕深、耕深稳定性系数为耕深稳定性的评价指标，畦沟沟型参数、土壤对犁沟填埋率、碎土率、厢面平整度为厢面质量的评价指标。试验前调节限深轮与碎土辊高度一致，通过试验确定限深装置恰好与地面接触时拖拉机液压手柄的位置，通过调节拖拉机挡位和手油门保证机组前进速度为4.3 km/h，圆盘犁转速为130 r/min，试验机组沿直线方向作业距离为40 m，取中间行程30 m为测量区域，每组试验重复3次。在测量区域等距取10个测量点，测绘每个测量点处的厢面断面形状，并测量该处的耕深、耕宽、碎土率、平整度。相关参数的测量方法参照文献[14,24]，根据测绘所得厢面断面形状，计算土壤对耕后形成犁沟的实际填埋率为

(14)

式中ξa——实际填埋率，%

ST——犁沟区域处的厢面断面面积，mm2

SL——犁沟区域面积，mm2

4.2.2正交试验设计

为获得整机较优的工作参数，开展机组前进速度、圆盘犁组工作转速、限深深度对整机作业功耗和埋茬质量影响的试验。采用拟水平法进行试验设计，试验前已测得拖拉机挡位、手油门与机组前进速度、后输出轴转速的对应关系，试验因素水平见表2。试验指标为整机功耗、秸秆埋覆率，相应的测量方法参照文献[14-15]。

表2 试验因素水平Tab.2 Test factors and levels

4.3 试验结果与分析

4.3.1耕深稳定性和厢面质量

整机在不同限深深度时的作业效果如图12所示，试验结果见表3。由试验结果可知，通过限深轮和碎土辊共同作用可较好地达到控制整机耕深的效果，整机实际耕深与限深深度基本一致，且耕深稳定性均在90%以上。在耕深为130、180 mm时，开畦沟系统在中间开畦沟区域能开出明显的梯形沟，沟宽为328.6～374.8 mm，沟深为241.6～293.5 mm。中间开畦沟区域土壤经组合式船型开沟器挤压后，能有效填埋耕后形成的犁沟，实际填埋率高于87.67%。碎土辊作业后厢面平整度为22.45～26.70 mm，碎土率为60.14%～68.37%，厢面质量达到油菜播种要求[25]。

图12 田间试验效果与断面分析Fig.12 Effects and section analysis of field experiment

表3 耕深稳定性与开沟质量试验结果Tab.3 Experiment results of tillage stability and ditching quality

4.3.2正交试验结果分析

正交试验结果如表4所示，A、B、C为因素水平值。由耕深稳定性试验结果可知，整机限深深度与耕深基本一致，即限深深度可视为耕深。方差分析表明，耕深对整机功耗和秸秆埋覆率均有极显著影响；机组前进速度对整机功耗影响显著；驱动圆盘犁组工作转速对秸秆埋覆率影响显著。正交试验结果表明，整机功耗随着耕深的减小而降低，秸秆埋覆率显著降低。圆盘犁组耕深越大，与土壤接触更充分，对秸秆翻埋效果更好，但会增大前进阻力，增加整机驱动功耗和牵引功耗。为增加耕层深度，提高对秸秆埋覆能力，选择耕深较大的180 mm为最优水平；机组前进速度增大使整机功耗显著上升，且对秸秆埋覆率无显著影响，选择3.5 km/h为较优水平；整机的驱动功耗随着驱动圆盘犁组工作转速的增大而增大，但驱动圆盘犁组切削反力增大，降低了机组的前进阻力，整机牵引功耗减小，故工作转速的增大没有显著提高整机功耗。且工作转速的增大，提高了秸秆埋覆率，故选择160 r/min为最优水平。综上分析，整机较优工作方案：限深深度180 mm，机组前进速度3.5 km/h，圆盘犁组工作转速160 r/min。此时整机功耗为24.37 kW，秸秆埋覆率为92.78%，碎土率为66.74%，厢面平整度为24.18 mm，土壤对犁沟平均填埋率为92.3%。相比传统旋耕方式的油菜种床整备机具[15]，整机作业耕深更大，功耗降低了37.67%，作业质量达到油菜播种要求。

表4 试验设计与结果Tab.4 Experimental design and results

注：**和*分别表示方差分析在0.01和0.05水平上显著。

5 结论

(1)设计了适应于稻油轮作区油菜种植的驱动圆盘犁对置组合式耕整机，主要包括呈八字型对称布置的驱动圆盘犁组、被动式的开畦沟系统和碎土辊，能一次完成翻耕、开沟、平整、碎土作业。

(2)开展了对称布置的圆盘犁组的动力学和运动学特性分析，确定了圆盘犁组工作偏角为27°，工作转速为65～188 r/min。分析组合式船型开沟器与土壤挤压作用的互作机制，确定了中间开畦沟区域宽度为350 mm。

(3)耕深稳定性试验表明，整机实际耕深与限深深度基本一致，且耕深稳定性均在90%以上。厢面质量试验表明，开畦沟系统在中间开畦沟区域能开出沟深241.6～293.5 mm，沟宽328.6～374.8 mm的梯形沟。经组合式船型开沟器挤压后的土壤能有效填埋犁沟。碎土辊作业后厢面平整度为22.45～26.70 mm，碎土率为60.14%～68.37%，厢面质量达到油菜播种要求。

(4)正交试验表明：耕深对整机功耗和秸秆埋覆率均有极显著影响；机组前进速度对整机功耗影响显著；驱动圆盘犁组工作转速对秸秆埋覆盖率影响显著。整机较优工作参数为：限深深度为180 mm，机组前进速度为3.5 km/h，驱动圆盘犁工作转速为160 r/min时，整机功耗为24.37 kW，秸秆埋覆率为92.78%，碎土率为66.74%，厢面平整度为24.18 mm，土壤对犁沟平均填埋率为92.3%。

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