双圆盘开沟器结构参数对作业性能影响研究

赵艳忠，王运兴，禹栋栋

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

0 引言

双圆盘开沟器是免耕播种机上的重要工作部件，其原理是利用两个旋转的平面圆盘切开土壤，并将土壤向两侧推挤而形成深浅一致、沟形平整的种沟[1-3]。由于免耕茬地地表坚实且覆有大量秸秆，导致开沟器入土困难、阻力大，因此需提高开沟器破茬入土性能，以保证播种质量，降低开沟阻力[4-5]。

国外专家对免耕播种机的开沟器进行了大量的试验研究。T．Vamerali[6]等人在不同试验地进行开沟器与种子的出苗情况及开沟沟形的研究，结果表明：双圆盘开沟器性能良好。B．A．Collions[7]等人对于双圆盘开沟器的受力情况进行分析，并对开沟器的开沟阻力与前进速度、开沟深度之间的关系进行研究，结果表明：开沟阻力与前进速度、开沟深度之间呈现出线性相关。国内对保护性耕作愈加重视，已对开沟器进行大量研究。于慧春[8]等人对圆盘开沟器的运动及开沟形状进行计算机模拟和分析，通过分析开沟器的受力及运动，得出改进后圆盘直径为300mm，圆盘夹角为12°～16°。赵丽琴[9]等人设计的小型小麦免耕播种机中应用双圆盘开沟器，其参数为圆盘直径350mm、聚点位置50°、圆盘夹角10°，试验表明：该播种机能够满足北方旱作地区小麦播种机的作业要求。王庆杰等[10]研制一种楔刀型免耕播种开沟器，通过将该开沟器和尖角式开沟器进行对比试验，结果表明：该开沟器在工作过程中对土壤扰动小，且种沟内的土壤容重较小，能够有效地降低能量消耗。

本文通过对双圆盘开沟器结构特点及力学性能进行分析，得出影响开沟器播种深度稳定性和开沟阻力的结构参数，并进行试验，优化出最佳的结构参数，以更好地满足作业性能要求。

1 双圆盘开沟器结构及性能分析

1.1 双圆盘开沟器结构

双圆盘开沟器的两个圆盘，以对称方式安装在立柱两侧，两圆盘刃口相交于一点，该点为双圆盘开沟器的聚点，同时两圆盘会形成一圆盘夹角，如图1所示。

(a) 三维图结构图

(b) 二维结构图 1.圆盘 2.轴承及轴承端盖 3.立柱图1 双圆盘开沟器示意图Fig.1 Schematic diagram of double discs drill opener

双圆盘开沟器作业时，主要靠自重及播种机质量进行开沟和破茬，开沟器中部立柱采用顶丝与播种机连接，破土深度能够根据实际需求进行调节。

1.2 双圆盘开沟器开沟性能分析

开沟器聚点m即为两圆盘的交点，双圆盘开沟器聚点位置如图2所示，聚点角度为β。开沟器工作时，聚点位于地面稍上方，若聚点位置过低，则会造成开沟器圆盘堵塞，增加轴承磨损程度；聚点过高则会造成开出的种沟宽度过大[11]。因此，聚点的高度对于播种机整机的工作性能影响较大，β的取值为55°～75°。试验中，由于地表有着大量的秸秆和杂草，为防止双圆盘开沟器的堵塞，β取值为70°。

图2 双圆盘开沟器聚点Fig.2 The point of double discs drill opener

开沟的宽度b受圆盘直径D和圆盘夹角φ的影响，根据文献[11]，得出开沟宽度b，即

(1)

式中b—开沟宽度(mm)；

D—圆盘直径(mm)；

β—聚点位置夹角(°)；

φ—圆盘夹角(°)。

由式(1)可得出：随圆盘直径及夹角的增大，开沟器开出的种沟宽度越大，种沟中间凸起越大，播种效果越差。

1.3 双圆盘开沟器力学分析

双圆盘开沟器工作过程中，主要受牵引力及土壤对开沟器的阻力，如图3所示。而圆盘作业时，对土壤有两方面作用：切割土壤和推压土壤[12-13]。因此，对双圆盘开沟器进行受力分析，需从3个方面分析：刃口处切削力Q、圆盘正压力N和圆盘剪切力F。

图3 圆盘与土壤作用力Fig.3 The force of discs and soil

1)刃口切削力Q，即

(2)

式中l—圆弧刀刃与土壤接触弧长。

(3)

即

(4)

由式(4)可知：当R>h时，通过求偏导可知，函数Q为增函数，故刃口切削力Q随着圆盘直径D的增大而增大。

2)圆盘正压力N，即

(5)

式中s—圆盘侧面与土壤接触面积。

(6)

由式(5)、式(6)可知：正压力N随着圆盘直径D的增大而增大。

3)圆盘剪切力F，即

(7)

由式(6)、式(7)可知：随着圆盘直径的增大，正压力增加，圆盘所受土壤的作用力随圆盘直径的增大而增大。

2 双圆盘开沟器性能试验与分析

2.1 试验因素与指标

双圆盘开沟器工作时，播种深度稳定性及开沟阻力是评价播种性能的重要指标，因此试验中选取播种深度h及开沟阻力F作为试验指标。

根据农业机械设计手册及实际要求，开沟器圆盘直径过大，不仅造成安装尺寸增大，还会导致种沟中间凸起较大，种沟沟底平整性差，开沟器的直径范围定为260～340 mm；开沟器圆盘夹角过小，种沟沟底平整，但易造成播种深度较浅；若圆盘夹角过大，种沟凸起较大，因此，开沟器角度范围为10°～18°。根据试验要求，共设计10种不同结构参数的双圆盘开沟器进行试验，如图4所示。

(a) 不同夹角开沟器

(b) 不同直径开沟器图4 不同夹角及不同直径开沟器Fig.4 Different angle and Different diameter drill opener

2.2 双圆盘开沟器结构参数对开沟阻力的影响

2.2.1 试验设备与条件

试验于2016年6月在黑龙江省农业机械研究院土槽实验室内进行，如图5所示，试验设备：TCC-3土槽试验车(0～8km/h)；土槽；BK-1A柱式传感器；SC-900型土壤坚实度仪；环刀组件(容积100cm3)；卷尺、直尺等。试验条件：土壤为典型东北黑土；土壤平均含水率为17.5%(0～20cm)；土壤平均坚实度为0.78MPa。

1.土槽 2.滑轨 3.试验台车 4.悬挂架 5.采集装置 6.测力架 7.传感器 8.开沟器 9.限深轮图5 开沟器试验台Fig.5 Opener test rig

2.2.2 试验装置及预试验分析

将双圆盘开沟器安装在三向测力装置上，采用拉力传感器，根据二力杆的原理，依据中心、对称分布的原则，用铰接方式连接。传感器分别在前进方向、侧向及垂直方向上分布，通过前期预试验得出圆盘直径及夹角对前进阻力、侧向力及垂直合力的影响，如图6所示。

(a)

(b)图6 圆盘直径及夹角对三向力的影响Fig.6 Effect of disc diameter and angle on three direction force

由图6可得出：圆盘直径及夹角对前进方向的牵引阻力影响明显，对侧向力及垂直合力影响较小。这是因为开沟器两个圆盘以对称方式安装在立柱两侧，切割土壤时，作用在圆盘上左右两边侧向力相互抵消；垂直合力主要与入土深度及机具自重和播种机重量有关。因此，试验主要研究圆盘直径及夹角对前进方向的牵引阻力的影响。

2.2.3 试验结果与分析

1)不同圆盘直径下双圆盘开沟器的牵引阻力研究。采用单因素试验方法对不同圆盘直径的牵引阻力进行研究，试验时，开沟器圆盘直径分别取260、280、300、320、340 mm，开沟器双圆盘夹角取14°，试验时土槽试验车前进速度为0.8m/s，开沟深度60 mm。试验重复3次，试验结果如表1所示。

表1 不同圆盘直径的开沟阻力Table 1 The resistance of different discs diameter

由表1可以看出：随圆盘器直径D的增大，开沟阻力F呈现出增大趋势，因为圆盘直径过大，土壤扰动量会越大。拟合出圆盘直径D与开沟阻力F拟合方程为

y=0.004x2-1.672x+353.1

(8)

图7为开沟阻力与圆盘直径的拟合关系曲线。其中，x为开沟器圆盘直径，回归函数与试验数据拟合的相关系数R2=0.942，说明回归函数拟合可靠；开沟阻力F随着圆盘直径D的变化呈现二次变化，且随着圆盘直径的增大，开沟阻力不断增大，与双圆盘开沟器受力分析结果一致。

图7 拟合不同直径开沟阻力的变化Fig.7 The resistance of different diameter by fitting

2)不同圆盘夹角下双圆盘开沟器的牵引阻力研究。采用单因素试验方法对不同圆盘夹角的牵引阻力进行研究，试验时，开沟器圆盘夹角分别取10°、12°、14°、16°、18°，开沟器双圆盘直径取300mm，试验时土槽试验车前进速度为0.8m/s，开沟深度60mm。试验重复3次，如表2所示。

表2 不同圆盘夹角的开沟阻力Table 2 The resistance of different discs angle

由表2可以看出：随着圆盘夹角的增大，双圆盘开沟器的开沟阻力不断增大。因为圆盘夹角越大，土壤扰动越大，故开沟阻力增大。拟合出圆盘夹角α与开沟阻力F之间的拟合方程为

y=1.508x2-16.41x+161.2

(8)

图8为开沟阻力与圆盘夹角的拟合关系曲线。其中，x为开沟器圆盘夹角，回归函数与试验数据拟合的相关系数R2=0.99，说明回归函数拟合可靠；开沟阻力F随着圆盘夹角α的变化呈现二次变化，且随着圆盘夹角的增大，开沟阻力不断增大，与双圆盘开沟器受力分析结果一致。

图8 拟合不同夹角开沟阻力的变化Fig.8 The resistance of different angle by fitting

2.3 开沟器结构参数对播种深度的影响

2.3.1 试验装置与试验条件

试验装置：拖拉机为宁波484拖拉机，功率为35.28kW；2BM-2型免耕播种机；辅助工具为卷尺、钢板尺，电子秤等。试验条件：土壤平均含水率为25.83%；土壤容重为1.42g/cm3；地表秸秆量平均值为790.4g/m2，田间试验情况如图9所示。

图9 开沟器田间试验Fig.9 Field experiment of opener

2.3.2 试验结果与分析

1)不同圆盘直径下双圆盘开沟器的播种深度性能研究。研究双圆盘开沟器对播种深度的影响。试验中，采用单因素试验方法，探究不同圆盘直径对播种深度的影响，开沟器圆盘直径分别取260、280、300、320、340mm，开沟器双圆盘夹角取14°，播种机田间试验时，采用慢四档位，每组试验重复3次，结果如表3所示。

表3 不同圆盘直径下的播种深度Table 3 The result of seeding depth in different disc diameter

如表3所示，当圆盘夹角α和前进速度v一定时，随圆盘直径D增加，播种深度h加深，当直径达到300 mm时，播种深度趋于稳定，因为圆盘直径D直接影响开沟器回土量：当圆盘直径较小时，种沟的回土量较大，造成播种深度较浅，且开沟器通过性不好，随着圆盘直径D的增大，回土量逐渐减小，播种深度逐渐增大，开沟器通过性较好。拟合出圆盘直径D与播种深度h之间的拟合方程为

y=-0.003x2+2.275x-313.4

(9)

图10为播种深度与圆盘直径的拟合关系曲线。其中，x为开沟器圆盘直径，回归函数与试验数据拟合的相关系数R2=0.968，说明回归函数拟合可靠。对播种深度稳定性分析如表4所示。

图10 拟合开沟器圆盘直径对播种深度的影响Fig.10 The effect of opener diameter on seeding depth by fitting表4 播深稳定性分析Table 4 Analysis of the sowing depth stability

圆盘直径D/mm播深平均值/mm标准差变异系数/%26038.703.739.6428045.304.7810.5630051.905.5810.7532051.808.2115.8534050.509.5218.86

由表4可以看出：随着开沟器圆盘直径D的增大，播种深度的变异系数逐渐增大，即播深稳定性逐渐降低；当开沟器圆盘直径D范围在260～300mm时，播种深度稳定性较好。

2)不同圆盘夹角下双圆盘开沟器的播种深度性能研究。试验中，采用单因素试验方法，探究不同圆盘夹角对播种深度的影响，开沟器圆盘夹角分别取10°、12°、14°、16°、18°，开沟器双圆盘直径取300mm，播种机田间试验时，采用慢四档位，每组试验重复3次。结果如表5所示。

表5 不同圆盘夹角下播种深度结果Table 5 The result of seeding depth in different disc angle

当圆盘直径D、前进速度v一定时，随着圆盘夹角增大，播种深度平均值不断增加，当夹角大于14°，播种深度则不断减小。圆盘夹角越小，回土量越大，会导致播种深度较浅；圆盘夹角过大时，开出的种沟中间会有一定的凸起，造成播种深度变浅。拟合出双圆盘开沟器夹角α与播种深度h的拟合方程为

y=-0.599x2+17.72x-80.05

(10)

图11为播种深度与圆盘夹角的拟合关系曲线。其中，x为开沟器圆盘夹角，回归函数与试验数据拟合的相关系数R2=0.906，说明回归函数拟合可靠。对播种深度的稳定性分析如表6所示。

图11 拟合开沟器圆盘夹角对播种深度的影响

Fig.11 The effect of angle on seeding depth by fitting表6 播深稳定性分析Table 6 Analysis of the sowing depth stability

由表6可以得出：随着开沟器圆盘夹角α的增大，播深变异系数先减小后增大，即播深稳定性先增加后降低；当开沟器圆盘夹角α的范围在10°～14°时，播深稳定性较好。

3 结论

1)对影响播种性能的双圆盘开沟器结构参数进行分析，主要分析双圆盘开沟器结构参数对开沟阻力及播种深度的影响。根据试验设计和安排，确定双圆盘开沟器的主要结构参数并加工制造10种不同参数的开沟器。

2)经过土槽试验和数据分析，双圆盘开沟器参数对开沟阻力F有明显影响，随着圆盘直径D增大，开沟阻力F呈现递增的趋势；随着圆盘夹角α的增大，开沟阻力F呈现出递增的趋势。

3)针对2BM-2型免耕播种机播种性能进行田间试验，通过对圆盘直径D、圆盘夹角α进行单因素试验，并对试验数据分析得出：随着圆盘直径D的增大，播种深度呈现先增大后减小的趋势，播深稳定性先增大后降低，当圆盘直径达到D=300mm时，播深稳定性较好；随着圆盘夹角α的增大，播种深度呈现先增大后减小的趋势，播深稳定性先增加后降低，当圆盘夹角α=14°时，播深稳定性较好。