郭 俊，張慶怡，Muhammad Sohail Memon,2，姬長英，趙 正

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仿鼴鼠足趾排列的旋耕-秸稈粉碎鋸齒刀片設(shè)計與試驗

郭 俊1，張慶怡1，Muhammad Sohail Memon1,2，姬長英1※，趙 正1

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031； 2. 信德農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，登多賈姆，巴基斯坦 70060）

隨著保護性耕作的不斷發(fā)展，實際作業(yè)中對旋耕刀性能要求愈發(fā)嚴(yán)格，該文在國標(biāo)旋耕刀基礎(chǔ)上，將正、側(cè)切削刃上設(shè)計成鋸齒狀，然后考察實際作業(yè)過程中功耗、受力以及作業(yè)質(zhì)量，檢測仿鼴鼠足趾排列的旋耕-秸稈粉碎鋸齒刀片的田間作業(yè)功耗和作業(yè)質(zhì)量。針對該鋸齒刀片和國標(biāo)旋耕刀片在有秸稈顆粒和無秸稈顆粒下進(jìn)行仿真分析，對比可知：在有秸稈顆粒下，由于刀具要與秸稈接觸并發(fā)生擠壓和剪切作用，從而導(dǎo)致受力以及扭矩值較大。結(jié)合理論分析，利用扭矩傳感器對仿生鋸齒刀和國標(biāo)旋耕刀進(jìn)行田間試驗。根據(jù)0.5 m×0.5 m地表設(shè)置不同質(zhì)量秸稈，分別為0、0.375和0.75 kg（0%、50%、100%），測定拖拉機輸出扭矩以及功耗，并依照國標(biāo)測試方法測定作業(yè)質(zhì)量。田間試驗得到扭矩與仿真變化趨勢一致。當(dāng)?shù)乇頍o秸稈和地表含50%秸稈時，鋸齒刀片扭矩分別為404.05和438.33 N?m；國標(biāo)旋耕刀片上扭矩分別為389.27和443.79 N?m。當(dāng)?shù)乇斫斩捹|(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時，鋸齒刀和國標(biāo)旋耕刀片上扭矩分別為557.92和507.34 N?m。耕作后地表秸稈和土壤評價結(jié)果顯示：不同質(zhì)量含量秸稈覆蓋下，仿生鋸齒刀耕作后的秸稈掩埋率、土壤破碎率、長度≤15 cm秸稈比例等方面都優(yōu)于國標(biāo)旋耕刀。田間試驗和仿真結(jié)果都顯示當(dāng)?shù)乇砀采w秸稈量為0%和100%時，仿生鋸齒刀的扭矩高于國標(biāo)旋耕刀。雖然仿生鋸齒刀只在秸稈覆蓋量為50%時扭矩與功耗優(yōu)于國標(biāo)旋耕刀，但在3種秸稈覆蓋量下仿生鋸齒刀的耕后地表質(zhì)量都明顯優(yōu)于國標(biāo)旋耕刀。綜上考慮，在實際作業(yè)中，可適當(dāng)收集田間秸稈。該研究為實現(xiàn)只應(yīng)用一種刀片來完成旋耕和秸稈粉碎2種不同作業(yè)目標(biāo)提供了參考。

農(nóng)業(yè)機械；仿生；扭矩；鋸齒刀；旋耕刀；離散元仿真；作業(yè)質(zhì)量

0 引 言

旋耕刀是旋耕機的主要工作部件，刀片的形狀和參數(shù)對旋耕機的作業(yè)質(zhì)量及功率消耗影響很大。為適應(yīng)不同土壤旋耕作業(yè)的需要，國內(nèi)外學(xué)者對旋耕刀的形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。國外旋耕機發(fā)展有較長的歷史，已有成熟的設(shè)計方法，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度很高[1-4]。

目前，臥式旋耕機上使用的旋耕刀主要有3大類：彎形刀、直角刀、鑿形刀。3種刀片在作業(yè)過程中作業(yè)機理和效果不同。彎型刀工作時先由側(cè)切刃沿縱向切開土壤，并由刀片根部向外滑切，然后再由正切刃從橫向切開土垡。切削阻力小，不易纏草，但生產(chǎn)成本高。直角刀工作時先由正切刃從橫向切開土壤，再由側(cè)切刃由外向里逐漸切出土垡的側(cè)面。刀身寬、剛性好，有一定的工作寬度，容易加工制造，但易纏草。鑿型刀工作時鑿尖首先從外部刺入土壤，然后在刀身的作用下使土壤破碎。鑿形刀入土能力強、松碎效果好，但容易纏草?；谝陨?種因素考慮：直型刀成本高，直角刀和鑿型刀在工作過程中都會面臨纏草問題。

本文在現(xiàn)有旋耕刀和粉碎刀基礎(chǔ)上設(shè)計鋸齒刀，進(jìn)而對國標(biāo)旋耕刀的225型刀片和仿生鋸齒刀進(jìn)行三向力、扭矩、作業(yè)質(zhì)量的對比分析。因高秸稈含量地表的秸稈長度影響秸稈掩埋效果，秸稈入土前需將其粉碎到最佳長度，以提高其掩埋效果[5-7]。國內(nèi)外研究學(xué)者對旋耕刀進(jìn)行了各方面的優(yōu)化改進(jìn)，比如彎折半徑、彎折角以及刀片形狀等，在一定程度上增加了刀片的碎土功能。但對于高秸稈含量的土壤而言，不僅要求旋耕刀作業(yè)過程中功耗小，并且對旋耕刀作業(yè)質(zhì)量要求也高，諸如秸稈的掩埋率、耕后地表均勻性等。本文在汲文峰[8]設(shè)計的旋耕-碎茬仿生刀基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，其設(shè)計的旋耕-碎茬仿生刀片的鋸齒分布在主切削刃上，本文提出將鋸齒設(shè)計在旋耕刀的主、側(cè)切削刃上，且鋸齒參數(shù)相異，借助仿真軟件Discrete Element Method對鋸齒刀片進(jìn)行模擬分析，然后進(jìn)行田間試驗驗證。

1 仿生鋸齒刀片設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

鼴鼠為典型的土壤洞穴動物，如圖1a所示，在切挖土壤過程中能夠獲得最低的切削阻力，且具有優(yōu)良的防粘減阻功能，其挖掘器官的幾何結(jié)構(gòu)為農(nóng)業(yè)機械土壤切削部件和挖掘部件的節(jié)能高效仿生設(shè)計提供參考[9-10]。鼴鼠能在一夜挖出長達(dá)91 m的洞道，而其身長只有100～180 mm，足見其掘土效率之高[11]。鼴鼠主要挖掘工具是其前足，多數(shù)哺乳動物的前足向內(nèi)生長，而鼴鼠的前足朝外生長以及5個足趾的排列方式（圖1b）成一角度的弧線，這樣的結(jié)構(gòu)更適合向前挖掘洞穴。為土壤切削工具和挖掘工具的仿生設(shè)計提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)對象。

a.鼴鼠a.Moleb. 足趾排列曲面輪廓b.Surface contour of toe arrangement c. 擬合曲面輪廓線c.Fitting surface contour line

1.2 鋸齒刀片設(shè)計

利用逆向工程技術(shù)及軟件對鼴鼠足趾結(jié)構(gòu)進(jìn)行采樣和處理[8]，得到其外型（足趾的曲面形狀）的CAD重構(gòu)模型。在二維坐標(biāo)系中測量出鼴鼠5足趾前端的坐標(biāo)，根據(jù)各點坐標(biāo)擬合出一條光滑的曲線，即為足趾排列曲線，如圖1c所示。該足趾排列曲線的特殊性為掘土效率提供了依據(jù)，于是將其運用到普通國標(biāo)旋耕刀主切削刃和過渡刀刃之間連接線上。足趾排列曲線的彎折角與國標(biāo)刀切削刃的連接線的彎折角接近，測量得到擬合曲線彎折角（圖1c中）近似為50°。該角度較國標(biāo)旋耕刀彎折角（60°）小，結(jié)合國標(biāo)旋耕刀優(yōu)越性，其他參數(shù)設(shè)置參照國標(biāo)旋耕刀[12]的參數(shù)來設(shè)置：主切削刃和側(cè)切削刃之間采用足趾擬合曲線（仿生曲線）長為5 cm。

國標(biāo)旋耕刀主、側(cè)切削刃為光滑曲線，作業(yè)過程中，僅僅依靠擠壓作用撕裂秸稈。而對于田間無規(guī)則排列的秸稈，更依賴于作業(yè)過程中的滑切作用達(dá)到剪斷秸稈的目的。本文中設(shè)計的仿生鋸齒刀，由于鋸齒存在，使田間橫、縱秸稈不易從鋸齒刀片主側(cè)切削刃滑落，同時增加了刀片與秸稈之間的滑切作用。

根據(jù)鼴鼠5足趾長度不一的特殊性，以及傳統(tǒng)木工所用鋸齒鋸木的思想，將其主、側(cè)和過渡切削刃均設(shè)計成鋸齒狀提高秸稈切碎效率。鼴鼠前爪的5個趾跨列成鏟狀，各爪趾形狀近似。中間3趾前端稍圓，外側(cè)2趾前端稍尖，且爪趾曲面平順。因此選取兩側(cè)稍尖爪趾作為鋸齒模型，測量得到兩側(cè)稍尖每個足趾長度約為4.3 mm，足趾厚度約為1.6 mm，足趾寬度約為3.7 mm，鋸齒的形狀如圖2a所示。

鋸齒刀加工工藝和國標(biāo)旋耕刀的加工工藝相同，其主切削面、主切削刃、側(cè)切削面、側(cè)切削刃部分不僅要切碎秸稈，而且要與土壤中砂石發(fā)生強烈摩擦，承受較大的抗擊載荷，其硬度控制為55～60 HRC；刀柄部分要求有足夠的韌性，否則易發(fā)生折斷，其硬度控制在40～48 HRC；65Mn鋼制刀片在鍛壓和鹽浴處理后，還需要進(jìn)行2次回火。第一次回火是控制刀片主體部分的硬度在55～60 HRC，消除內(nèi)應(yīng)力；第二次回火是將刀柄重新加熱到400 ℃回火后水冷，控制硬度在40～48 HRC。最后將得到的刀片主體部分切削刃通過角磨機磨成鋸齒狀，實物如圖2b所示。鋸齒參數(shù)的確定：鋸齒齒深太大，容易纏草；鋸齒齒寬1過大，秸稈破碎效果差；1過小，刀片易磨損，降低刀片壽命。通過重復(fù)試驗得到鋸齒最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 2種刀片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿生鋸齒刀和國標(biāo)旋耕刀離散元仿真分析

土壤顆粒之間的破壞模式，目前運用最多的有軟顆粒線性彈簧模型[13-16]和土壤離散顆粒連接損傷本構(gòu)模型[17-20]，本文主要采用軟顆粒線性彈簧的土壤破壞模型。由于秸稈的高長徑比及性質(zhì)的各向異性，所以秸稈的模擬研究有一定難度[21]，至今未見有運用離散元軟件建立可彎折斷秸稈模型的相關(guān)研究。由于土壤顆粒之間非彈性連接組成的秸稈模型，所以破壞方式與上述土壤模型破壞方式基本相同，而對秸稈相關(guān)的參數(shù)設(shè)置不同。

2.1 仿真分析設(shè)計

采用EDEM 2.3軟件進(jìn)行仿生鋸齒刀、國標(biāo)旋耕刀作用下秸稈運動的建模仿真。EDEM中的基本元素—球用來仿真土壤顆粒和秸稈顆粒，多數(shù)研究者使用大小為8 mm的球體作為土壤模型[22-24]。為了協(xié)調(diào)計算機的計算能力和仿真時間，本研究采用的土壤顆粒直徑大小為8 mm，使用10個直徑為10 mm、球心間隔為8 mm組成的長為72 mm的長線性模型作為秸稈。在UG8.5中建立仿生鋸齒刀、國標(biāo)旋耕刀和土槽模型后導(dǎo)入到EDEM，如圖3所示。然后在土槽內(nèi)部生成20 000個土壤顆粒和1 000個秸稈顆粒，在仿真開始前，國標(biāo)旋耕刀和仿生鋸齒刀位于土槽的一端。在EDEM軟件中對2種刀片的旋轉(zhuǎn)速度和水平前進(jìn)速度分別定義。本文主要采用軟顆粒線性彈簧的土壤破壞模型。仿真試驗中采用反轉(zhuǎn)耕作，旋耕機刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為120 r/min，模擬臺架的前進(jìn)速度設(shè)置為0.4 m/s,耕深為10 cm。

研究中涉及到的離散元參數(shù)主要分為材料參數(shù)和接觸參數(shù)2類，材料參數(shù)包括秸稈、土壤、刀的密度、泊松比和剪切模量等，此參數(shù)主要通過采用文獻(xiàn)[21,23,25]中的參數(shù)及實地測量獲得（表2）；接觸參數(shù)包括土壤－土壤、土壤—刀、秸稈－刀間的靜、滾動摩擦因數(shù)和恢復(fù)系數(shù)等，此數(shù)據(jù)通過引用文獻(xiàn)中參數(shù)和試驗測量及仿真標(biāo)定方法獲得。其中，土壤－土壤和土壤－刀的恢復(fù)系數(shù)引自文獻(xiàn)[26]，秸稈－刀的恢復(fù)系數(shù)和靜摩擦因數(shù)引用文獻(xiàn)[21]的數(shù)據(jù)；土壤—刀的靜摩擦因數(shù)采用類似直剪試驗的方法測得[27]；土壤—刀、秸稈—刀的滾動摩擦因數(shù)采用斜板試驗測得[27]；土壤—土壤的靜、動摩擦因數(shù)則通過標(biāo)定得到: 用離散元方法仿真貫入試驗和休止角試驗，當(dāng)調(diào)整參數(shù)得到與試驗一致的結(jié)果時，則使用此參數(shù)。仿真時選取的材料參數(shù)和接觸參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)和接觸參數(shù)

2.2 秸稈和土壤運動仿真分析

為了能更加清晰地描述秸稈和土壤在仿生鋸齒刀片作業(yè)過程中的運動情況，按4種顏色對秸稈和淺、中、深層進(jìn)行標(biāo)注，如圖4所示。深層土壤基本不受擾動，秸稈、淺層、中層土壤顆粒受刀片擾動較大。刀具與秸稈剛接觸時，所有土壤顆?；颈３朱o止；隨著刀片入土，側(cè)切削刃與土壤之間由點接觸到面接觸，刀刃周圍的土壤顆粒在刀刃剪切和擠壓的作用下開始運動。隨著作業(yè)深度增加，土壤受擾動面積逐漸增加，土壤和秸稈被拋起高度和數(shù)量增加，部分秸稈顆粒隨之被帶到土壤顆粒以下。由于刀具向前運動，部分秸稈和土壤被帶到刀輥的前方。國標(biāo)旋耕刀側(cè)切削刃下方秸稈和土壤顆粒運動過程與之相似。

秸稈和土壤顆粒在側(cè)切削刃的動態(tài)滑切作用下，有向后的運動行為。2種刀片下運動過程相異，結(jié)合圖4可知：對于仿生鋸齒刀，秸稈和土壤隨刀片入土向下運動，首先要被剪切和撕裂，然后隨刀刃被拋起；對于國標(biāo)旋耕刀，秸稈的破碎主要依賴擠壓和撕裂作用，部分特殊排列以及長秸稈并未被剪斷。由于邊緣效應(yīng)，靠近2刀片主切削刃下方的秸稈和淺層土壤顆粒，并未受到刀片較大的擾動；深層土壤顆粒僅僅依靠重力作用和周圍土壤的影響?？拷?種刀片側(cè)切削刃下方的秸稈和土壤顆粒，粉碎和破碎碎和效果明顯。

a. 5.225 sb. 5.23 s c. 5.235 sd. 5.24 s e. 5.245 sf. 5.25 s

2.3 刀片上受力及扭矩分析

反旋作業(yè)過程中，機具的前進(jìn)方向與仿生鋸齒刀轉(zhuǎn)速方向相反，定義仿生鋸齒刀水平力發(fā)生在向，垂直作用力發(fā)生在向，側(cè)向力發(fā)生在向。仿生鋸齒刀在切碎秸稈、土壤過程中受到的三向力如圖5所示，國標(biāo)刀與秸稈之間相互作用力與仿生鋸齒刀相同。實際作業(yè)中，秸稈與刀具主要發(fā)生2種作用，一種是秸稈方向與刀片切削刃方向平行，此時刀片撕裂秸稈，見圖5a；另一種是秸稈方向與刀片切削刃方向垂直，此時刀片剪切秸稈，見圖5b。

通過仿真得到仿生鋸齒刀和國標(biāo)旋耕刀所受總力、三向力如圖6所示，刀旋轉(zhuǎn)一圈（刀片工作一個周期）時得到刀片受力較為復(fù)雜。合力主要由3部分合成，即垂直力、水平阻力和側(cè)向力。有秸稈時，國標(biāo)旋耕刀和仿生鋸齒刀的刀片上所受合力最大值分別為207.15和233.56N；無秸稈時，所受總力最大值分別為196.85和211.77N。由于秸稈的存在，刀片上合力最大值時間點相異，分別在5.24和5.30 s，如圖6b所示。刀片隨刀輥旋轉(zhuǎn)作業(yè)時，垂直力發(fā)揮重要作用。無秸稈時，刀具與土壤直接作用；在含秸稈條件下，刀片不僅要撕裂或切碎秸稈，還要切開和擠壓土壤，側(cè)切削刃底部是主要受力點。國標(biāo)旋耕刀和仿生鋸齒刀受秸稈影響較大，如圖6c、6d。秸稈越多，秸稈對刀的反作用力越大。

國標(biāo)旋耕刀主、側(cè)切削刃是光滑的曲面，與秸稈作用時主要依靠擠壓、撕裂而使秸稈破碎。秸稈在田間排列方式（橫向和縱向秸稈）不同，使刀片與秸稈之間的作用力更為復(fù)雜。由于秸稈具有特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)纖維組織，刀片更容易從秸稈表面劃過；刀片的轉(zhuǎn)速越快，秸稈破壞效果越差。而對于鋸齒刀，由于鋸齒存在，無論是縱向秸稈還是橫向秸稈，鋸齒刀主、側(cè)切削刃接觸的秸稈數(shù)量是定量。刀片不易從秸稈表面劃過，秸稈入土前均要撕裂或剪斷秸稈；并且轉(zhuǎn)速越快，秸稈剪切和撕裂效果越明顯。不含秸稈情況下，國標(biāo)旋耕刀和仿生鋸齒刀上最大垂直力分別為146和152 N；含秸稈情況下，國標(biāo)旋耕刀和仿生鋸齒刀上最大垂直力分別為168和180N。刀片在一個作業(yè)周期內(nèi)垂直力先從0 N增加到最大值后降至0 N；當(dāng)?shù)镀\動到最大耕深時，刀片有向上運動趨勢，且要離開土壤，垂直力方向改變。由于仿生鋸齒刀片和國標(biāo)旋耕刀的最大力時間點不同，分別為5.25、和5.32 s，如圖6c、6d所示。

仿真試驗得到的阻力見圖6e、6f，2種秸稈含量下，仿生鋸齒刀的水平阻力大于國標(biāo)旋耕刀，方向均與機具前進(jìn)方向相反。刀片上所受向力，主要克服土壤和秸稈阻力，土壤的阻力與土壤的屬性、秸稈數(shù)量、耕深和轉(zhuǎn)速等有關(guān)：黏性土壤產(chǎn)生阻力大于砂性土壤；秸稈越多，阻力越大[28]。秸稈含量增加，側(cè)向力無明顯變化，其值在1～1.5 N波動，方向與主切削刃方向相反。相關(guān)文獻(xiàn)研究[28]可知，作業(yè)中產(chǎn)生的側(cè)向力，主要輔助垂直力向兩側(cè)撥開土壤，有利于土塊達(dá)到更好地破碎效果。

在旋耕刀系統(tǒng)中，各刀片均繞刀輥中心旋轉(zhuǎn)。根據(jù)傳統(tǒng)扭矩計算公式=可知：刀片主切削刃前端到刀輥回轉(zhuǎn)中心值垂直距離為定值（cm），所以扭矩與刀片所受合力成正比。結(jié)合前面力分析可知，一個周期內(nèi)扭矩呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)?shù)乇頍o秸稈時，國標(biāo)旋耕刀和鋸齒刀所受扭矩最大值接近，二者扭矩分別為42.5和44N·m，如圖7所示。當(dāng)?shù)乇砗?00%秸稈時，國標(biāo)旋耕刀所受扭矩小于仿生鋸齒刀，分別為45.52和60 N·m。刀片達(dá)到最大深度之后，因刀片已對周圍土壤造成松動，隨刀輥轉(zhuǎn)角增加，其扭矩逐漸遞減，如圖7所示。從一定程度來說，機具作業(yè)中功耗與刀片上所受扭矩成正比；秸稈的增加，2種刀片上產(chǎn)生扭矩均增加；且地表含秸稈情況下，仿生鋸齒刀片上扭矩大于國標(biāo)旋耕刀。但從秸稈含量、2刀片作業(yè)機理以及耕作后地表狀況綜合考慮哪種刀片更具優(yōu)勢，還需田間試驗來作進(jìn)一步驗證。

3 田間試驗

3.1 試驗設(shè)計

田間試驗于2016年12月中旬在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江浦試驗農(nóng)場進(jìn)行，土壤類型為黏性水稻土，前作為小麥。0～5、>5～10、>10～15 cm土層的含水率分別為30.64%、32.33%和36.35%，圓錐指數(shù)分別為82.61 、157.94和266.25 kPa。試驗材料為秋季水稻秸稈，秸稈經(jīng)過切碎處理。經(jīng)前期調(diào)查顯示，水稻經(jīng)過收割機收獲后灑落在地表的秸稈長度約為0～25 cm，其中長度在0～20 cm的秸稈占到92.64%。本文以長度為15 cm秸稈[29]作為鋸齒刀秸稈粉碎性能的評價指標(biāo)，并測試2種刀片在作業(yè)中的扭矩與功率變化情況。

試驗設(shè)備采用江蘇淮安有限公司生產(chǎn)的反轉(zhuǎn)秸稈還田一體機，在拖拉機Power Take Off輸出軸與反轉(zhuǎn)秸稈還田機萬向節(jié)之間，通過蚌埠市禹劍機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TJN-4型扭矩傳感器（測量精度為0.5% FS）測試作業(yè)過程中扭矩變化，如圖8所示。根據(jù)旋耕前后地表秸稈質(zhì)量的變化測定秸稈掩埋率[30]，地表秸稈長度作為秸稈粉碎效果評價指標(biāo)，選取0.5 m×0.5 m框內(nèi)秸稈質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)[30]。收割機收獲小麥后平鋪在地表，直接對其進(jìn)行作業(yè)。試驗田面積為60 m× 200 m，旋耕機幅寬為2 m。由于田間土壤主要為黏性土壤，土壤對機具的阻力和相關(guān)摩擦力較大，前期扭矩傳感器安轉(zhuǎn)調(diào)試并結(jié)合實際作業(yè)可知：轉(zhuǎn)速過低，難以完成作業(yè)；且在作業(yè)過程中刀片轉(zhuǎn)速難以控制在一穩(wěn)定值。本試驗刀片轉(zhuǎn)速控制在300～350 r/min之間，機具前進(jìn)速度為0.5 m/s。旋耕機上分別安裝2種刀片進(jìn)行試驗，分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗并取平均值。試驗中秸稈處理方法如下：前期調(diào)查得到0.5 m×0.5 m框內(nèi)秸稈質(zhì)量約為0.75 kg，收集起田間所有秸稈時的地表秸稈覆蓋量為0%；收集起質(zhì)量約為0.375 kg的秸稈，則秸稈覆蓋量為50%；不做任何處理，則秸稈覆蓋量為100%。耕作過程中測試刀片上扭矩變化；耕作完成后測試水稻秸稈的掩埋、土壤破碎[30]以及地表秸稈粉碎情況。

a. 測試系統(tǒng)原理圖

a. Principle diagram of test system

1.直流24 V供電電源 2.數(shù)據(jù)采集盒 3.筆記本電腦 4.扭矩傳感器 5.延伸懸掛支架

1. 24V direct current power supply 2. Box of data collection 3. Laptop 4. Torque sensor 5. Extended suspension bracket

b. 傳感器安裝示意圖

b. Installation schematic diagram of sensors

圖8 扭矩傳感器測試及安裝

Fig.8 Test and install of torque sensor

3.2 機具所受扭矩與功耗

田間試驗主要測試機具作業(yè)過程中拖拉機輸出扭矩和功率消耗。理想條件下，拖拉機輸出扭矩為每個刀片上扭矩總和；實際作業(yè)環(huán)境下，輸出扭矩包含了各連接件間摩擦力及附加件產(chǎn)生的扭矩等。本次試驗設(shè)計中，將每次重復(fù)試驗額外產(chǎn)生扭矩均視為近似相等，故拖拉機輸出扭矩等于各刀片上扭矩之和。田間試驗得到扭矩和功耗如表3所示，扭矩與仿真分析變化趨勢一致；隨秸稈含量增加，2刀片作業(yè)輸出扭矩均增加。鋸齒刀和國標(biāo)刀無秸稈工況下作業(yè)時，拖拉機輸出扭矩分別為404.05和389.27 N·m，當(dāng)?shù)乇砗?0%秸稈時，仿生鋸齒刀作業(yè)下拖拉機輸出扭矩與國標(biāo)旋耕刀作業(yè)下輸出扭矩近似相等，且后者功耗大于前者；當(dāng)秸稈含量增加時，仿生鋸齒刀作業(yè)工況下拖拉機輸出扭矩和功耗均大于國標(biāo)旋耕刀作業(yè)工況下輸出扭矩和功耗。根據(jù)測試得到的拖拉機輸出扭矩和功耗可知，秸稈存在對2刀片作業(yè)性能均有影響。且隨秸稈增加，2種刀片作業(yè)工況下扭矩和功耗均增加；但比較國標(biāo)旋耕刀和仿生鋸齒刀，在50%秸稈覆蓋地表時，仿生鋸齒刀作業(yè)下拖拉機輸出扭矩和功耗均小于國標(biāo)旋耕刀。

表3 不同秸稈含量下2種刀片作業(yè)后拖拉機輸出扭矩和功率消耗

3.3 耕作后地表狀況分析

地表狀況評價參數(shù)主要為：土壤破碎率、地表殘留秸稈長度以及秸稈掩埋率。地表土壤破碎標(biāo)準(zhǔn)以土塊邊界小于40 mm為標(biāo)準(zhǔn)[30]；地表殘留秸稈，以15 cm長度為指標(biāo)；秸稈掩埋率以0.5 m×0.5 m小區(qū)內(nèi)秸稈質(zhì)量變化作為標(biāo)準(zhǔn)，計算如式（1）。

式中為秸稈掩埋率，%；1為耕作前地表秸稈質(zhì)量，g；2為耕作后地表秸稈質(zhì)量，g。

仿生鋸齒刀3種秸稈含量條件下作業(yè)前后地表如圖9所示。無秸稈和50%秸稈覆蓋的地表，土壤破碎和土壤的膨松程度要比100%秸稈覆蓋地表好。比較圖9b、9c可知：50%秸稈覆蓋地表的秸稈殘留長度較100%秸稈含量地表好；隨秸稈含量增加，地表殘留秸稈增加，且長度≤15 cm秸稈含量顯著增加。

無秸稈 No straw50%秸稈 50% straw100%秸稈100% straw a. 耕作前地表a. Field before tillage 無秸稈 No straw50%秸稈 50% straw100%秸稈100% straw b. 耕作后地表b. Field after tillage

有研究分析[28]，被掩埋到地表以下秸稈，其長度基本小于15 cm，考慮地表以下的秸稈質(zhì)量得到：試驗的2種刀片在3種條件下秸稈粉碎率、土壤破碎率以及秸稈掩埋率如表4所示。隨秸稈含量增加，秸稈掩埋率和土塊破碎率降低，地表殘留秸稈數(shù)量增加。秸稈的存在，影響著地表土壤破碎，地表殘留秸稈質(zhì)量所占比重以及秸稈長度直接影響秸稈掩埋效果。作業(yè)過程中刀片與秸稈相互作用間接影響作業(yè)效果。由表4可知，仿生鋸齒刀秸稈掩埋率和土壤破碎率均高于國標(biāo)旋耕刀，且在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的地表，仿生鋸齒刀的掩埋率最高；仿生鋸齒刀作業(yè)后，地表秸稈長度≤15 cm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于國標(biāo)旋耕刀。

表4 不同秸稈含量下2種刀片耕作后秸稈掩埋率、土壤破碎率以及秸稈粉碎率

4 討 論

基于以上理論分析并結(jié)合實際田間試驗可知，兩者扭矩變化趨勢一致，所以理論分析得到結(jié)果可以作為實際試驗的參考。雖然地表秸稈含量增加，機具整體扭矩和功耗增加明顯。但結(jié)合耕作后土壤破碎、地表殘留秸稈長度以及秸稈掩埋情況來看，能有效提高土壤破碎和秸稈粉碎效果。實際作業(yè)過程中，功耗相同情況下，可以適當(dāng)收集地表秸稈（以50%作為參考）來提高仿生鋸齒刀作業(yè)性能。針對目前高秸稈含量（100%）的地表，結(jié)合仿真中土壤和秸稈運動過程、刀片作業(yè)機理、刀片三向力以及扭矩分析，可以對仿生鋸齒刀的幾個參數(shù)作進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，如過渡刃連接弧線的彎折角、彎折半徑、鋸齒的形狀、齒寬、齒根寬以及主、側(cè)切削刃的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，來提高土壤旋耕和秸稈還田效果。本文設(shè)計的鋸齒刀可以為旋耕作業(yè)中土壤破碎、秸稈粉碎埋覆參考。

5 結(jié) 論

本文使用離散元法進(jìn)行了仿生鋸齒刀和國標(biāo)旋耕刀在有、無秸稈覆蓋耕作過程的模擬與分析，得出結(jié)論如下：

1）有秸稈覆蓋時2種刀片上合力、垂直力、水平阻力大于無秸稈覆蓋，兩者側(cè)向力波動小，且接近相等。比較國標(biāo)旋耕刀和鋸齒仿生刀片的三向力，后者均大于前者。一個作業(yè)周期內(nèi)刀片上垂直力和水平阻力先從0增加到最大值后降至0；當(dāng)?shù)镀\動到最大耕深時，垂直力方向改變；水平阻力始終與機具前進(jìn)方向相反，側(cè)向力在整個過程中影響較小，其方向與主切削刃方向相反。

2）扭矩田間試驗結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢一致；隨秸稈含量增加，2刀片作業(yè)輸出扭矩均增加。當(dāng)?shù)乇砗?0%秸稈時，仿生鋸齒刀作業(yè)下拖拉機輸出扭矩與國標(biāo)旋耕刀作業(yè)下輸出扭矩近似相等，當(dāng)秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時，仿生鋸齒刀作業(yè)條件下拖拉機輸出扭矩和功耗均大于國標(biāo)旋耕刀作業(yè)條件下輸出扭矩和功耗。說明離散元仿真結(jié)果可以為仿生鋸齒刀優(yōu)化提供參考。

3）從耕作后地表土壤破碎、殘余秸稈長度和秸稈掩埋情況可知：有秸稈時，仿生鋸齒刀的掩埋率大于國標(biāo)旋耕刀，且在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的地表，仿生鋸齒刀的掩埋率最高；鋸齒刀作業(yè)后，地表秸稈長度小于等于 15 cm質(zhì)量所占比例高于國標(biāo)旋耕刀。

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Design and experiment of bionic mole’s toe arrangement serrated blade for soil-rototilling and straw-shattering

Guo Jun1, Zhang Qingyi1, Muhammad Sohail Memon1,2, Ji Changying1※, Zhao Zheng1

(1.,,210031,;2.,,, 70060,)

Tillage practice is one of the energy-consumed links in agricultural production, while the energy can be saved through proper management of blade geometry. In case of rotary tillage, the geometry of sidelong edge, lengthwise edge and transition edge plays a pivotal role in the energy consumption and working performance in the field. The continuous development of the conservation tillage puts forward higher requirements for the performance of rotary blade. In order to manage the rotary tillage process reasonably, the power consumption and working performance of blade should be better understood. In this paper, the sidelong edge and lengthwise edge of the national standard blade were designed as serrated ones and the bionic-shape transition edge was devised according to the arrangement of mole’s toes, and later the power consumption and working performances of the bionic serrated blade and the national standard blade were investigated in the field. Meanwhile, the performances of both blades were also studied in soil with and without straw covered via discrete element method (DEM) simulation. A torque sensor was installed between the PTO (power take-off) shaft of tractor and the cardan of straw returning machine to measure the power consumption, while the straw burying rate, the soil crashing rate and the proportion with straw length ≤15 cm were used to evaluate the working performance of blade. Both simulation and experiment were performed with the rotational speed of 300-350 r/min and a constant forward speed of 0.5 m/s. The simulation was performed under 2 conditions with 0% and 100% straw covered, and the results showed that the horizontal and vertical force both increased from 0 to the maximum value and then decreased to 0, while the side force nearly remained constant in one tillage cycle. The directions of horizontal force and side force were the opposites of the working direction of blade and the blade edge, respectively, and the vertical force would change its direction when the maximum tilling depth was reached. It was also observed that the forces and torques of blade in soil with 100% straw covered were larger than those in soil without straw covered because of the extrusion and shear effects between the blade and straw. The field experiments were conducted under 3 soil conditions with kilogram of 0, 0.375 and 0.75 kg (0%, 50% and 100%) on field surface with 0.5 m×0.5 m. The torque and power consumption of the bionic serrated blade and the national standard blade were 404.05 and 389.27 N·m, 20.08 and 18.52 kW with 0% straw covered, 438.33 and 443.79 N·m with 50% straw covered, and 557.92 and 507.34 N·m with 100% straw covered, respectively. The working performances of both blades showed that the performances of bionic serrated blade were better than those of national standard blade in the straw burying rate, the soil crashing rate and the proportion with straw length ≤15 cm under all straw covered conditions. Both simulation results and experimental results revealed that the torques of bionic serrated blade were larger than those of national standard blade with 0% and 100% straw covered. Although the torque and power consumption of the bionic serrated blade appeared better than those of national standard blade only with 50% straw covered, the working qualities after the bionic serrated tillage were always better under all 3 soil conditions. It can be inferred that the bionic serrated blade will perform well with some straw removed from field to compensate for the disadvantages of higher torque and power consumption. The study provides a reference to achieve soil-rototilling and stubble-shattering by using one kind of blade.

agricultural machinery; bionic; torque; serrated rotary blade; rotary blade; discrete element simulation; working quality

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.006

S222.3

A

1002-6819(2017)-06-0043-08

2016-09-18

2017-02-13

國家自然科學(xué)基金項目（51275250）；江蘇省2015年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（KYLX15_0564）

郭 俊，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究。南京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，210031。Email：gj_njau@163.com

姬長英，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械理論與技術(shù)研究。南京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，210031。Email：chyji@njau.edu. cn