圆盘式开沟机抛土性能的研究

2019-05-24何彬涛蒙贺伟王忠军戚江涛孙兴祚秦鑫照

农机化研究 2019年9期

何彬涛，蒙贺伟，王忠军，戚江涛，孙兴祚，秦鑫照

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆石河子 832000；3.第八师 121团畜牧中心奶牛三场，新疆石河子 832000)

0 引言

我国幅员辽阔，物种多样，仅在水果种植业方面，2008 年全国水果种植面积达到了1 073.43万 hm2。自1993年以来，中国果品生产位居世界第一，连续17年成为世界第一大水果生产国。据有关人员调查[1]，目前我国大部分果园处于非管理状态，造成了我国果实产量低、果品质量差等诸多问题。为确保我国果业快速健康的发展，必须加大对果园建设和经营的投入。果园施肥是重要的园艺作业，目前我国大多数都依靠人力施肥，劳动强度大，效率低下。随着劳动力成本的不断增加，农民对果园机械化装备的需求越来越迫切，果园施肥机械化在很大程度上取决于开沟机的发展。因此，开沟机的研究具有重要的意义。

1 研究现状

开沟机主要有圆盘式、螺旋式、开沟犁式、链齿式等类型，目前使用最广泛的是盘式开沟机，主要配套大中型拖拉机。近年来，我国对小型盘式开沟机的研究较多，目前的研究主要集中在结构参数设计上及抛土性能方面。抛土性能包括抛撒距离、土壤粉碎系数、覆盖土层厚度和土壤覆盖均匀系数。国外开沟机的发展已有70年多的历史，美国、苏联、英国、法国、意大利和日本等国家发展很快，并形成了一系列产品[2]，如意大利Malletti和Dondi开沟机系列，荷兰Ridder开沟机系列和日本的“Lida”开沟机系列[3]，可根据用户需求的多样化，在开沟机上安装各种工作装置，如推土机、穿孔机、挖土机及电缆扩孔机等。在更先进的开沟机中，装备了静液压传动、平板式及自动功率控制和其他高科技。目前，全球主要的开沟机制造商都在美国，如GASE，Charles Machine Works、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWF Industries及Maxon等公司在业界有很高的声誉。国外开沟机正向专业化、规模化、节能化及智能化等方向发展[4-5]。早在20世纪50年代，犁沟已被应用于中国的农田水利建设，然而其他形式的开沟机的研制晚于传统犁沟开沟机和盘沟开沟机。目前，国内主要是犁式开沟机和旋转式开沟机两大类。

2 抛土模型

圆盘开沟装置主要由刀盘支架、刀盘体、开沟刀、削壁刀、传动轴及分土导流装置等组成，如图1所示。

圆盘式开沟机抛撒阻力增大的主要原因之一是土壤的回流，就是已耕土的重耕；而土壤回流正是由于切削土不能很好地向后方抛掷所造成的，也增加了开沟机对沟渠的阻力，同时影响了覆土的质量。目前，对圆盘式开沟机抛土的研究较少，由于开沟机与旋耕机的机理相同，因此可以参考旋耕机进行了研究。

1.机架 2.分土导流装置 3.开沟刀 4.传动轴 5.削壁刀 6.刀盘体图1 圆盘开沟装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of a disc ditching device

旋耕机开始于19世纪中叶，但直到20世纪20年代在欧洲成功开发直角刀之后，旋耕机才在欧洲旱地广泛使用。日本约在1920年引进了一种在欧洲和美国的稻田试验改良的旋耕机，使用中发现直角刀不适合水田耕作。大量日本学者(如吉田富穗[6]、松尾昌树[7]及坂井纯[8]等)开始致力于旋耕机的研究。日本研制的铊刀很好地解决了刀片上缠草的问题。除了日本，美国的詹姆斯·G·亨德里克、威廉·吉尔[9-12]和苏联的西诺科夫[13]也研究了旋转刀。中国在20世纪50年代进行研制，满足了南方稻田精耕的要求，现已形成T.S系列14个品种。自20世纪70年代以来，我国的旋耕刀有了新的发展，如圆切线与平面切平面的设计理论、带曲线的切线实验研究，旋转齿CAD系统研制切割式节能刀开发，以及旋耕刀三维特性的研究[14]。近年来，桑正中提出了潜土逆转耕作理论，指出潜在的土壤耕作反转旋耕的工作部分在地表下方，旋转方向与拖拉机驱动轮的旋转方向相反；土壤从底部向上切割破裂，不仅具有深耕犁的耕作特点，且还具有旋耕土壤的作用，具有良好的留茬覆盖率，是一种新的耕种方式。目前，国内对反转旋耕进行研究，所用的旋耕刀仍是国家标准系列旋耕机，主要缺点是切割土壤的前部将土壤抛向刀轴前面，导致大量重耕及旋转功率消耗增加。因此，研究旋转刀具改善土壤抛掷性能的潜力已成为我们面临的一项紧迫任务[15]。

目前，广泛使用的旋转方法是正转旋耕，主要优点是耕后土壤松散及表面平整，耕作后可在土壤中均匀搅拌基肥，达到农艺学上分层施肥的要求。正转旋耕法的主要缺陷如下：①耕作深度一般在10～14cm，不利于作物生长；②功耗多，如果增加耕深，负载，功耗会急剧增加；③覆盖质量差。近年来，潜土逆转旋耕得到了广泛关注，其主要优点如下：①耕作深度相对较大，因切割边缘可能位于地表以下，耕深增加。②旋耕机切割力小。国内外学者发现潜土逆转旋耕工作时，其切割力比旋耕机普遍降低1/3，耕作稳定性好，减少了旋耕机的工作在有石块土壤中破坏。③消耗少。研究发现：潜土逆转旋耕比正转旋耕功耗少20%～30%[16]。

2.1 正转旋耕抛土模型

正转旋转是需要旋转刀具正面切割时阻力小，土壤抛撒充足。日本学者坂井纯[17]认为旋转切割土壤时，随着剪切面的增大，上部土块运动受到底层块体的约束，只能保持大致水平或略倾斜的抛土。因此，提出了保持良好的土壤条件及理想的土抛抛撒方向：顶部土体质量在水平方向上向后，底部土体质量向上抛出，如图2所示。为了分析这种理想的抛撒方向是否可以实现，陈钧[18-19]分析了两种日本旋耕机(FT803和Y151)在日本使用高速摄影的三维投掷特性：①部分表面土块落在斜的方向上，与顶部抛出的原始底土发生碰撞，但原始表土仍在原始底土之上；②刀片再次被相邻刀片拾起后，土块侧面的一部分原始表面抛入邻近空间，仍抛撒到表层；③靠近土壤底部的自由侧不能与原来的表土块向上交换位置。因此，这种理想的抛物线方向不太可能实现。

尽管如此，坂井纯[20]提出了圆弧形正截面的概念，使切块滑动，并加速了对旋转切向抛掷性能的理解。目前，使用的旋转刀都是平切面，耕作了一段时间，可以观察到切面上的油漆还没有剥落，说明切面只有尖端部分的加速土块，正切表面本身不能加速土壤。

图2 理想抛土方向Fig.2 Ideal direction of throwing earth

综上，正转旋耕抛土通过上层土块沿水平方向向后，下层土块向后上方抛掷的理想抛土模型难以实现。刀具为平面型正切面仅是刀尖部分对土块有加速作用，正切面本身不能使土块加速，只有使用表面切面才能有效控制抛撒速度的大小和方向。

2.2 反转旋耕抛土模型

涉泽荣[21-23]比较分析了正反转4种旋耕方式的耕作特性，包括刀轴位于地面以上及刀轴位于地面以下；之后，切割土壤向后抛出良好的耕作模型是刀轴位于地面以上的正向旋转旋转刀具和刀轴位于地面下的倒置旋转旋转刀具。前者在传统的旋转耕作时是有利的，而后者在深耕时是有利的。涉泽荣使用一段圆弧作为正常截面的截面形状。在主轴转速为160 r / min的条件下，建立了一个带有位于地面以下的刀轴的反转旋耕机。如图3所示：在该模型中，涉泽荣[24]假定剪切破坏并积累在正切削刃上的土体质量很小，可近似为刚体，因此认为切割平面中的切割长度PoQ(弧)和土壤的滑移长度PQ(弧)大致相等，其正切面参数可以根据抛撒方向和抛撒距离来确定。该模型分为未耕土和已耕土两种模型：在未耕土模型中，由刀刃切割和沿切向平面损坏的土体从切向平面的尖端移动到末端加速抛撒；在已耕土模型中，由于堆放在地表的土壤较软，在正切面近表面切割的土块在切割方向上没有足够的支撑力，已耕土在沿着切向尖端加速的作用下抛动。

李绍珍认为：弧形切线可以连续切割使土块加速，从而达到理想的抛土效果。但是，刀尖端的磨损较快，直接影响旋转刀片的使用寿命; 而平面的正切面只会使土壤在其上滑动，可以减少刀尖端的磨损，但由于不能加速土壤，旋转土壤不能完全抛出仍存在二次切割。李绍珍结合圆弧和正切平面的优缺点，提出了一种结合平面和圆弧两部分的新型正切平面母线，如图4所示。其中，部分平面切割土壤，弧形部分抛出，不仅克服了土壤不能加速的缺点，且解决了弧形切割边缘的磨损问题。

PQ.旋耕刀正切面母线图3 正切面抛土模型Fig.3 Positive shear surface model

L.平面形正切刃长度图4 平面和圆弧结合的正切面Fig.4 Apositive section of a plane and a circular arc

综上，反转抛土模型主要适用于深耕，且在已耕土和未耕土中作业状况不同，当刀具为平面型正切面时可以减轻刀尖磨损，但不能使土块加速；圆弧型正切面能使被切削土块连续加速，但刀尖磨损严重，则由平面和圆弧两部分结合的新型正切面兼顾了抛土和刀尖磨损问题。

3 开沟刀具与土块的运动分析

3.1 开沟刀具的运动分析

盘式开沟机采用更多的反向切割(从下向上切割)，开沟工具运动是单位前进速度vm和旋转刀盘角速度ω合成运动，开沟工具和更多使用标准旋耕刀。图5为IT245型旋耕刀结构。其中，R为刀具的旋转半径；B为工作幅宽。图6显示了开沟机的工作原理。反切割刀是从沟内进入土壤，向上切割，刀具侧切出沟壑，正切出沟底，正切刃切割土壤并抛出。

图5 IT245 型旋耕刀的结构简图Fig.5 Structure diagram of IT245 rotary tillage knife

图 6 开沟刀具的工作原理示意图Fig.6 Schematic diagram of the working principle of a trenching tool

朱继平等[25]使用MatLab绘图功能，通过简单的编程，刀具运动模拟仿真。反向旋转切割时开沟刀相邻两个相同半径点的堆叠运动轨迹如图7所示。其中，反向旋转切割，正向切割刀刃与正常切割点的轨迹(从顶部到底部切削)不同，轨迹图刚好上下对称；刀具路径不同时，通过选择不同的参数，可以直观地分析沟后凸起的高度变化和相邻两刀每转1圈切割宽度。

为了改变切削速度和切削方向，朱继平使用Simulink模拟切削过程中的变化，了解切削刃的切削速度范围和方向的变化范围，从最大轨迹最低点开始切割速度逐渐变小，到轨迹最底点的最高。

综上，开沟刀具工作时刀盘逆旋切削从沟底入土，向上切削，刀具的侧切刃切出槽壁，正切刃切出槽底，正切面切出土带并抛出；开沟刀逆向旋转切割时，正向切削刃上的轨迹与正常的前进切削(自上而下切削)不同。

R= 0.8m，ω= 4π，Vm= 0.5m / s图7 开沟刀具的运动仿真图Fig.7 Motion simulation diagram of trench cutters

3.2 土块运动分析

在切削土壤过程中，在开沟刀具的正压力下，土壤被挤压和压实。当土层上的力足以破坏土壤中的摩擦力和内聚力时，刀具土体将土壤分离并投掷出去。刀具切削过程中，不同阶段出土的不同位置，土块单元上的受力不同。刀具正切面的变化如图8所示。其中，图8(a)正切平面垂直于地面(正切平面向下)，图8(b)正切平面垂直于地面(正切平面向下)，图8(c)切平面与地面之间的角度(切刀向后)，图8(d)切平面平行于地平面(正切刃向上)。

(a) (b) (c) (d)图 8 开沟刀具正切面切削过程中的位置Fig.8 The position of the cutting tool in the normal cutting process

刘保玲等[26]以高速数字图像采集技术和图像处理技术为研究手段，获得了多种条件下旋耕土壤的实验图像，并对图像进行了处理和分析。在单目视觉系统中，追踪抛土粒流序列图像中的目标，并获得抛出土的二维轨迹。在此基础上，构建了双目立体视觉系统，并利用BP神经网络对抛撒土壤的三维轨迹进行了恢复，为进一步研究抛撒土壤的运动规律和抛土模型验证提供了依据。

刘保玲等[27]用两台高速摄像机组成双目立体视觉系统同时记录旋耕机的抛土过程，并跟踪图像序列中相同土壤颗粒的轨迹,提出了一种利用BP神经网络的双目立体视觉方法。利用此方法解决了提取土粒三维运动轨迹的问题，更好地分析旋耕机的抛土性能。

刘孝民等[28-30]研究了潜土逆转旋耕过程中的抛土问题，确定被抛土壤质点抛出后的运动轨迹，得到了只有正切刃到达或接近地表之后，正切面上被切土才有沿着刀片转动方向从刀片的前部向后抛出的可能性。

朱继平等在刀具在切削时对土块单元进行了受力分析，开沟作业时，由于沟槽的宽度有限，沟槽内的土块只有少量的横向移动，大部分主要作用于刀具，刀具是从沟渠进行的，还有一些越过正切面，进入沟里。

任述光等[31]建立了油菜开沟机旋耕旋耕刀的运动模型,研究了土壤颗粒在开沟刀上的动力学特性,并利用MatLab软件进行了旋耕开沟机的优化模拟试验和田地试验。结果表明：弯曲半径为0.21～0.23m、刀盘转速为245r/min，在0.04s时，相对速度为4.5～6m/s土壤粒子离开正切面，在这个范围内具有最佳的抛撒性能，最大抛撒距离为0.968～1.024m。

综上，当土壤的单元受到的力足以破坏土壤内部凝聚力时，土块抛出时最大抛土距离为0.968～1.024m，有少量的土壤在沟中横向运动，其余的土壤被刀具从沟中带出，有部分回流到沟里。

4 影响抛撒因素

通过对开沟机刀具的运动及土块运动的分析，得出影响开沟机抛撒的因素主要包括牵引速度、旋耕刀盘转速、刀片的安装方式、开沟铲与旋耕刀盘间隙，以及分土导流装置等影响开沟抛土效果的5个因素。其中，刀片的安装方式和分土导流装置为主要影响因素。

4.1 刀片的安装方式

罗海峰等通过对刀片安装方法的调整，将刀片安装在刀盘上变为向外抛撒模式，标记为M型安装，如图9所示。切刀刀片对称交错安装，记录为N型安装，如图10所示。不同的安装方式也会使抛土距离发生变化，M型安装好于N型安装，速度越快，效果越明显。

图9 M 型安装方式Fig.9 Type M installation method

图10 N型安装方式Fig.10 Type N installation method

朱继平等通过对开沟刀具布置和选择的类型：刀具的布置主要影响间距切割间距，机器运行的稳定性和机器的功耗。开沟工具的开沟机安排要求：机械力均匀，碎土适当; 开沟工具的工作，同时更少地涉及到切割工具，机器上的负载就越小。

陈玉仑等[32]针对刀片排列对开沟机开沟的影响进行研究得知：为了确保开沟作业能够达到一定的宽度，并避免在开沟横断面发生泄漏切割，草地和沟渠分为左、中、右3个切割面。为了尽可能均匀地将土体抛撒到切割面的两侧并保持切割机的轴向稳定性，在左外切割表面和右切割外表面交替地设置在外抛土切刀的圆周上，切割表面圆周的中间分别交替布置在抛撒土壤刀片2把。所以，10把刀片左右交错排列，在切割面的圆周上对称排列。为了完成沟渠成形，使沟渠光滑，坡度不塌陷(梯形沟槽)，左右刀面对称安装2把平面切壁刀，如图11所示。

图11 刀片在刀盘圆周上的展开图Fig.11 The unfolding of the blade on the circumference of the knife plate

综上，开沟工具的布置主要影响切割间距的大小，机器运行的稳定性和整机的功耗。在开沟刀布置的设计中，使用交错的左右弯刀的布置交替地工作，邻近的沟渠开沟刀受力平衡。开沟刀具M型安装的安排要好于N型安装，速度越大，效果越明显。

4.2 分土导流装置

罗海峰等[33]在对潜土逆转旋耕的工作过程的研究中发现：当没有挡土板或栅栏时，该空间中抛撒土壤的颗粒流的轨迹是没有任何空气阻力的抛物线。在机械的实际工作过程中，为了使地电位反转，被抛土块将与旋耕机的工作部分(如栅栏和挡板)发生碰撞，其轨迹将因碰撞而改变。

叶强等[34]认为开沟施肥是葡萄园生产过程中的重要环节。传统葡萄园开沟通常采用人工挖埋法，劳动强度大，效率低。为了提高葡萄园的生产效率，通过对葡萄园环境和沟道农艺要求的分析，设计并研制了一种小型葡萄园开沟机。用于旋耕刀抛撒土壤的工作方式，沿沟两侧的挡板引导抛土。

李伯全等[35]通过建立碰撞数学模型，利用计算机对潜土逆转旋耕被抛土粒与挡土板的碰撞的过程进行仿真分析，分析不同结构和位置参数的挡土板对抛撒性能的不同作用，为优化挡土板的结构和形状提供了理论依据。当挡板采用平面挡板时，整体碰撞情况如图12所示。图13显示了土壤颗粒碰撞的一个特定点，Q是碰撞点。从图13中可以看出：碰撞使一些土壤颗粒改变了运动的轨迹，从而改变了投掷的落点。可见，不同形状、不同位置的挡土板影响着抛土效果。

朱继平等人对挡土板的形状和安装位置进行选择。挡土板的作用主要是改变被抛土壤的方向，将土壤颗粒抛到沟外，挡土板的形状和安装位置直接影响开沟机的抛土性能，影响土壤颗粒的抛撒方向、回流土壤的量及机器的功耗。

图12 碰撞整体仿真Fig.12 Collision holistic simulation

1.未碰撞轨迹曲线 2.碰撞轨迹曲线 3.挡土板图13 任一被抛土粒碰撞仿真Fig.13 Collision simulation of any thrown soil particle

陈玉仑等在研究开沟机抛土方面时，为了使邻近土块的抛掷工具得以有效、有限的重叠，避免过度抛撒对收获作业产生不利影响，对土壤导流装置设计。为了确保导土装置能够将在刀头向前投掷的土块向凹槽边缘两侧的特定区域反射，以防止其飞出伤人并均匀分布，结合刀盘结构尺寸，将分土导流板设计成宽度为50cm，曲面半径约为1.5m的弧形。土壤分流装置由两个弧形铁板组成，如图14所示。结果表明：支撑3号导地装置开沟的装置配备有圆形开沟装置，单面抛撒宽度1.1～1.2m，抛土集中面积平均厚度约2.3cm；破土率和抛土均匀性大于90%和85%，沟内回流土壤较少，与以前相比有明显的改善。

李伯全等[36-38]结合JHF130型秸秆还田机的研究项目，利用计算机动态模拟技术，对各种形式土壤挡土板的冲击进行了模拟，优化了JHF130秸秆还田机挡土板的结构参数，即初始高度、工作间隙和围栏的起始角度，并采用弧形挡板。试验表明：优化后的挡土板参数更合理，不产生前方壅土现象，测得的秸秆覆盖率为97.9%。