包攀峰，吳明亮,3，羅海峰,3，謝偉,3，賀一鳴，易鵬，向偉

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中置螺旋分土開溝裝置的設計與試驗

包攀峰1,2，吳明亮1,2,3*，羅海峰1,2,3，謝偉1,2,3，賀一鳴1,2，易鵬1,2，向偉1,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410128)

針對1GQ-1.6型中置鏵式犁起壟機在高稻茬黏重土壤環(huán)境中作業(yè)壅泥纏草、溝邊土壤堆積、廂面土塊不細碎等問題，將原有中置鏵式犁設置成雙翼開溝犁，并在中置雙翼開溝犁后部旋耕刀軸上左右對稱設置分土螺旋，以最大土壤推送量為目標，設計了分土螺旋的螺旋葉片直徑、螺距及螺旋升角；基于農(nóng)藝要求的溝型，設計了雙翼開溝犁犁體高度、寬度，研制出由機架、雙翼開溝犁、可調(diào)深度機構(gòu)、中間變速箱、分土螺旋和旋耕刀輥組成的螺旋分土開溝裝置。室內(nèi)土槽試驗結(jié)果表明，中置螺旋分土裝置工作性能的各項評價指標均符合國家標準和農(nóng)藝要求，其中溝深穩(wěn)定性系數(shù)和廂面平整度系數(shù)分別達到94.67%、97.53%。

分土螺旋；雙翼開溝犁；溝深穩(wěn)定性；廂面平整度；設計

南方冬油菜種植以稻–油輪作為主，前茬水稻留茬高，密度大，土壤黏重，同時還需要開好廂溝，以利于冬前灌水和春后排水，致使人工開溝勞動強度大，開溝效率低[1–5]。

開溝成廂裝置主要有犁體式和旋轉(zhuǎn)圓盤式2種。張青松等[6–7]、汲文峰等[8]圍繞犁體曲面參數(shù)與作業(yè)速度對牽引阻力、犁耕比阻及功耗的影響優(yōu)化設計了專用開溝犁，同時設計了適合翻耕地成廂起壟作業(yè)的犁體式開溝成廂裝置。吳明亮等[9]借助于Matlab優(yōu)化設計方法，得到了輕量化的旋轉(zhuǎn)圓盤式開溝裝置；羅海峰等[10–11]對旋轉(zhuǎn)圓盤式開溝裝置進行了拋土性能的田間試驗研究，得到了其在南方稻田土壤條件下完成作業(yè)要求的含水率范圍，并探索了廂面平整度的評價方法。任述光等[12]從運動學角度分析了旋轉(zhuǎn)刀盤在開溝過程中土粒的運動情況。從現(xiàn)有研究成果來看，針對南方稻田前茬秸稈存量多、土壤黏重環(huán)境下的開溝裝置仍未取得突破。為此，筆者針對所設計的1GQ–1.6型中置鏵式犁起壟機在南方高稻茬黏重土壤環(huán)境中存在作業(yè)后溝邊土壤堆積、溝壁垮塌導致溝型不穩(wěn)定等問題，分別以螺旋最大土壤推送量和農(nóng)藝要求的溝型參數(shù)為目標，在結(jié)構(gòu)上將原有中置鏵式犁設置成雙翼開溝犁，在其后部旋耕刀軸上左右對稱設置分土螺旋，并開展了以溝形穩(wěn)定性及廂面平整度等為考核指標的分土螺旋和雙翼開溝犁最佳工作參數(shù)取值研究?，F(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1　中置螺旋分土開溝裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

油菜開溝成廂裝置需在土壤表面開出排水溝的同時，還需將溝內(nèi)土壤均勻細碎覆蓋至有效廂面。螺旋分土開溝裝置主要由機架、雙翼開溝犁、可調(diào)深度機構(gòu)、三點懸掛、中間變速箱、分土螺旋和旋耕刀輥組成，如圖1所示。三點懸掛與拖拉機后懸掛系統(tǒng)相連接，拖拉機動力輸出軸經(jīng)中間變速箱帶動旋耕刀輥作業(yè)，前置雙翼開溝犁在處于中間變速箱的正前方中間開出1條溝，雙翼開溝犁翻上的土塊被拋向兩側(cè)待耕區(qū)，再接受刀片旋耕，同時旋耕軸上的螺旋分土裝置將堆積于廂邊的土壤推送至廂面中部，并進一步切碎土壤，完成旋耕、開溝、成廂3道工序，實現(xiàn)廂溝成溝、廂面土壤細碎平整。

1　機架；2　雙翼開溝犁；3　三點懸掛；4　中間變速箱；5　可調(diào)深度機構(gòu)；6　分土螺旋；7　旋耕刀輥。

2　關(guān)鍵部件的設計

2.1雙翼開溝犁

2.1.1設計要求

油菜種植行距為300 mm，株距為100 mm，種植密度為2′105~3′105株/hm2。旋耕機作業(yè)幅寬2 m,廂溝為梯形溝，如圖2所示。溝面寬度為400 mm，溝底寬為150 mm，壟高為300 mm，壟寬為800 mm。

圖2　油菜種植溝型廂面

2.1.2犁體參數(shù)設計

開溝犁屬于犁體式開溝器，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，入土碎土能力強，對黏重土壤、荒地和雜草多的地塊具有較強的適應能力，犁體的入土角及推土角參照鏵式犁結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設計，主要設計犁體寬度與犁體高度。

實際工作過程中，開溝犁的安裝位置是在中間變速箱的正前方，空間有限，犁體寬度應大于中間變速箱箱底的寬度(300 mm)，同時考慮到犁體對土壤會有撕裂作用，實際耕寬會略大于工作溝面寬度1，即犁體寬度應滿足1≤350 mm，取犁體寬度為350 mm。

土壤沿犁體上滑的高度約等于工作開溝深度，為了避免土壤沿犁體上滑越過犁體頂端，所以土壤到達地表后應還處在犁體內(nèi)，所設計的犁體高度1應滿足

由圖2可知, 溝內(nèi)土壤被均勻地分布到兩側(cè)的旋耕區(qū)域，因溝內(nèi)土壤在開溝前后總量平衡，等長度內(nèi)的廂溝截面面積與廂面土壤覆蓋區(qū)域的截面面積相等，考慮土壤的膨松系數(shù)后，有：

式中：為膨松系數(shù)，取1.2。

由溝形幾何尺寸關(guān)系，有：

由(1)、(2)、(3)式可得，壟體堆積角為60.6°，= 221 mm，1=300 mm。

因犁體離地面的高度還可以通過螺桿與支撐桿上的高度調(diào)節(jié)孔來調(diào)節(jié)，綜合考慮后,確定犁體高度1取值為250 mm。

2.2分土螺旋

分土螺旋將堆積于廂邊的土壤均勻推送至廂面中部，可以大大減少回土量，避免溝內(nèi)及溝邊壅土。雙向分土螺旋由2段旋向相反的等長葉片組成，其關(guān)鍵參數(shù)為螺旋葉片直徑2，螺距以及螺旋升角α。

在開溝成廂過程中，分土螺旋輸送土壤的過程等效為開式雙螺旋輸送機向兩邊輸送物料的過程，依照文獻[13]，開式螺旋輸送機的輸送量為1。

式中：為所送物料的橫截面積( m2)；V為土壤軸向移動速度(m/s)；為土壤堆積密度(t/m3)；2為螺旋葉片直徑(m)；為填充系數(shù)；為螺距(m)；為螺旋軸(旋耕軸)轉(zhuǎn)速(r/min)。

開溝螺旋分土過程中，實際輸送的土壤質(zhì)量2為開溝器在單位時間內(nèi)梯形溝內(nèi)拋送至廂面的土壤質(zhì)量。

式中：為梯形溝橫截面積；V為旋耕機前進速度( m/s)；旋耕速比取12.5。

理想工作狀態(tài)下，將溝邊堆積的土壤全部運送到廂面中間的旋耕區(qū)域，土壤輸送量之間需滿足。

2≥0.036 96 (6)

從式(4)中可以看出，螺距的大小決定了土壤沿螺旋軸向的速度，同時也決定了螺旋升角的大小。當土壤輸送量和螺旋直徑一定時，土壤所受的軸向力F應滿足，即。

式中：1為螺旋分土裝置的內(nèi)徑(旋耕軸直徑)，參照國內(nèi)旋耕機刀軸的直徑，取1=0.132；為土壤與分土螺旋的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)與摩擦角的關(guān)系滿足tan。則：

max＜0.452(8)

依據(jù)JB/T7679—2008[15]，取土壤的填充系數(shù)=0.33，將式(8)代入式(6)，得螺旋葉片直徑2=0.49 m，螺距=0.22 m。

3　試驗與分析

為檢驗中置螺旋分土開溝裝置的作業(yè)性能，2016年7月在湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)機械化工程實訓中心進行室內(nèi)土槽試驗，作業(yè)質(zhì)量按行業(yè)標準 NY/T740—2003[16]進行評定。

為保證試驗土壤的一致性，對土槽內(nèi)土壤進行標準化處理，使土壤含水率、土壤堅實度基本相同。試驗前，先使用旋耕機翻耕土壤，直至土壤密度均勻，土粒大小基本一致，耕作深度達到20 cm。再用TCC電力四驅(qū)土槽試驗臺配備的壓輥逐步將土壤壓實至與田間環(huán)境相似，采用五點法測量0~20 cm土壤深度范圍內(nèi)平均堅實度和土壤含水量，保證每次試驗前土槽內(nèi)土壤的平均堅實度相差不超過50 kPa，含水率相差不超過5%。

對開溝深度、開溝深度穩(wěn)定性、溝面寬度、溝底寬度、溝底浮土厚度、廂面寬度、廂面寬度一致性、廂面平整度系數(shù)、開溝后碎土率進行測試，試驗結(jié)果列于表1。

表1　中置螺旋分土開溝裝置作業(yè)質(zhì)量測試結(jié)果

為符合農(nóng)藝要求的開溝深度，25 cm；為符合農(nóng)藝要求的溝面寬度，40 cm；為符合農(nóng)藝要求的溝底寬度，15 cm；為符合農(nóng)藝要求的廂面寬度，80 cm。

試驗表明，分土螺旋開溝裝置工作性能的各項評價指標均符合國家標準和農(nóng)藝要求，其中溝深穩(wěn)定性系數(shù)和廂面穩(wěn)定性系數(shù)分別達到94.67%和97.53%，優(yōu)于行業(yè)標準。

[1] 官春云．中國油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[J]．糧食科技與經(jīng)濟，2011，36(2)：5–6．

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[4] 官春云，陳社員，吳明亮．南方雙季稻區(qū)冬油菜早熟品種選育和機械栽培研究進展[J]．中國工程科學，2010，12(2)：4–10．

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[10] 羅海峰，官春云，湯楚宙，等．稻茬田油菜免耕播種機開溝部件的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(11)：153–157．

[11] 羅海峰，官春云，湯楚宙，等．旋耕開溝機橫向拋土性能試驗[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2006，32(4)：441–444．

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[13] 賈朝斌．螺旋輸送機參數(shù)化設計方法研究[J]．機械設計與制造，2015(4)：206–208．

[14] 胡克勇，戴莉莉，皮亞男，等．螺旋輸送器的原理與設計[J]．南昌大學學報，2002，22(4)：30–33．

[15] JB/T7679—2008螺旋輸送機[S]．

[16] NY/T740—2003田間開溝機械作業(yè)質(zhì)量[S]．

責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design and experiment of ditching device with central spiral soil splitter

BAO Panfeng1,2, WU Mingliang1,2,3*, LUO Haifeng1,2,3, XIE Wei1,2,3, HE Yiming1,2, YI Peng1,2, XIANG Wei1,2

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410128, China; 3.Hunan Province Modern Agricultural Equipment Engineering Technology Research Center, Changsha 410128, China)

In order to solve the problems of muddy obstruct and winding grass, soil accumulation in furrow, and no crushing of the ridge clods in the high–stubble soil environment, 1GQ–1.6 type plowing combination of the ridge of the central plow was designed, in which a spiral sub–soil device was symmetrical set on the shaft of the rotary knife behind the winglets ditch plow as well as the optimization of the plow height, width and other structural parameters. Finally, a ditching device with central spiral soil splitter was integrated and composed of the frame, wings ditch plow, adjustable depth device, the middle gearbox, spiral sub–soil equipment and rotary knife roller, etc. The soil bin test results show that the evaluation indexes of the working performance of the central spiral sub–ditch device are in accordance with the national standard and agronomic requirements, in the trench depth stability coefficient and the uniformity coefficient of the ridge are 94.67% and 97.53%.

spiral; furrow plough; the trench depth stability coefficient; the uniformity coefficient of the ridge; design

10.13331/j.cnki.jhau.2017.03.018

S222.4

A

1007-1032(2017)03-0320-04

2017–03–10

2017–04–28

湖南省科學技術(shù)廳重點項目(2016NK2105)；湖南省科學技術(shù)廳平臺建設項目(湘財教指[2014]10號)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2016B286)

包攀峰(1992—)，男，湖南祁陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設計與試驗研究，1152801554@qq.com；

，吳明亮，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設計與試驗研究，mlwu@hunau.edu.cn

投稿網(wǎng)址：http://xb.hunau.edu.cn