趙艷忠　王運(yùn)興　劉海濤　楊?lèi)偳↓徴衿?/p>

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0　引言

東北壟作春播玉米區(qū)屬于高寒易旱區(qū)，播種時(shí)風(fēng)蝕、干旱現(xiàn)象較為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的耕整地方式需秋收后翻耕土地，對(duì)秸稈、根茬進(jìn)行處理，春季整地后再播種，多次作業(yè)導(dǎo)致土壤擾動(dòng)過(guò)大，水分散失嚴(yán)重，同時(shí)機(jī)具進(jìn)地次數(shù)多，能耗大[1]。帶狀深松滅茬整地技術(shù)能夠破除根茬、打碎秸稈并進(jìn)行壟上深松，盡量減少土壤擾動(dòng)的同時(shí)達(dá)到蓄水保墑的目的[2-3]。

近年來(lái)耕整地機(jī)械從單一功能型向復(fù)合式作業(yè)型發(fā)展，國(guó)外聯(lián)合整地機(jī)研制與應(yīng)用起步較早，具有代表性的有意大利生產(chǎn)的DCRM300Dundy型旋耕深松機(jī)與德國(guó)生產(chǎn)的DOTZKR-20型深松旋耕播種機(jī)[4]。國(guó)內(nèi)耕整機(jī)具大部分作業(yè)模式是滅茬與旋耕，旋耕與深松，或滅茬、旋耕與深松組合模式，如JIA等[5]研制的旋耕滅茬播種機(jī)以及張欣悅等[6]設(shè)計(jì)的1GSZ-350型滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)，車(chē)剛等[7]設(shè)計(jì)的基于滅茬圓盤(pán)驅(qū)動(dòng)旋耕刀多功能耕整機(jī)，趙大勇等[8]研制的1ZML-210 型深松聯(lián)合整地機(jī)。現(xiàn)有機(jī)具雖都是集滅茬、旋耕和深松作業(yè)于一體，但能耗較高而且土壤擾動(dòng)過(guò)大，水分散失嚴(yán)重，不適用于保護(hù)性耕作。同時(shí)目前聯(lián)合整地機(jī)械依然存在滅茬效率不高、耕深穩(wěn)定性較差、滅茬刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[9-12]，因此需對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)帶狀深松滅茬機(jī)，僅對(duì)播種帶滅茬并進(jìn)行壟上深松，通過(guò)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，獲得最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)組合，以更好地滿(mǎn)足作業(yè)性能要求。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　結(jié)構(gòu)參數(shù)

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、護(hù)罩、懸掛架、變速箱、深松鏟、壟臺(tái)成形罩、滅茬刀輥、地輪等組成。深松鏟通過(guò)“U”形卡與機(jī)架前梁連接；滅茬刀以螺旋線(xiàn)方式排布在刀輥上，兩個(gè)滅茬刀輥在機(jī)具中心線(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝，以降低工作時(shí)機(jī)具所受沖擊載荷[13]。

圖1　帶狀深松滅茬機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1　Structure diagrams of strip subsoiling and stubble-breaking machine1.機(jī)架　2.深松鏟　3.護(hù)罩　4.變速箱　5.動(dòng)力輸入軸　6.懸掛架　7.滅茬刀輥　8.壟臺(tái)成形罩　9.限深輪

1.2　工作原理

機(jī)具經(jīng)懸掛架掛接在拖拉機(jī)后懸掛處，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與深松滅茬機(jī)動(dòng)力輸入軸由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸聯(lián)接，動(dòng)力輸入軸經(jīng)傳動(dòng)箱內(nèi)錐齒輪換向后由三圓柱齒輪調(diào)速將動(dòng)力傳到滅茬刀軸。機(jī)具作業(yè)時(shí)，由安裝在機(jī)架前的深松部件完成深松作業(yè)，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的滅茬刀將根茬、秸稈及深松后的土塊打碎，打碎后的根茬、秸稈被滅茬刀帶入護(hù)罩殼內(nèi)，并在滅茬刀、護(hù)罩共同作用下被進(jìn)一步切碎，最后由壟臺(tái)成形罩將土壤及碎茬集中成壟。

1.3　技術(shù)參數(shù)

帶狀深松滅茬機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足滅茬和深松的農(nóng)藝技術(shù)要求，該機(jī)具通過(guò)深松鏟能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壟臺(tái)不同深度的深松，從而改變單一壟溝深松，達(dá)到壟上蓄水保墑的目的；通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的滅茬刀輥將根茬粉碎還田，可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[14]，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　帶狀深松滅茬機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Main technical parameters of strip subsoiling and stubble-breaking machine

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1　關(guān)鍵部件位置確定

機(jī)具將壟臺(tái)深松部件裝配在機(jī)架前梁上，深松部件的縱向中心線(xiàn)、滅茬刀輥的縱向中心線(xiàn)、壟臺(tái)成形罩的中心線(xiàn)與壟臺(tái)的中心線(xiàn)重合，如圖2所示。深松鏟位于壟上不僅能達(dá)到蓄水保墑、切斷根茬須根創(chuàng)造良好的種床條件的目的，同時(shí)壟溝的土壤不動(dòng)，避免拖拉機(jī)輪胎下陷，降低作業(yè)功耗；后續(xù)滅茬刀輥將播種帶上根茬及土壤松碎；壟臺(tái)成形部件位于滅茬刀輥后方，將拋撒到后方的土壤與殘茬收集成壟。

圖2　關(guān)鍵部件位置示意圖Fig.2　Schematic diagram of location for key components1.深松部件　2.滅茬刀輥　3.壟臺(tái)成形部件

深松部件配置在滅茬刀輥前方，進(jìn)行深松作業(yè)后，部分根茬及秸稈被翻起并纏繞在深松鏟柄上，參照文獻(xiàn)[15],玉米根茬長(zhǎng)度一般在91～145 mm之間，通過(guò)加大刀輥的回轉(zhuǎn)半徑，能將纏繞在鏟柄上的秸稈、根茬拉扯下來(lái)并打碎，因此確定鏟柄后端面與刀輥回轉(zhuǎn)半徑輪廓線(xiàn)間距離為90 mm，與刀輥回轉(zhuǎn)中心水平距離為370 mm；壟臺(tái)成形部件配置在刀輥正后方，參照文獻(xiàn)[16]，旋耕作業(yè)后土壤及秸稈位移范圍在350～400 mm內(nèi)，為保證滅茬作業(yè)時(shí)土壤及殘茬能在移動(dòng)過(guò)程中落入壟臺(tái)成形部件內(nèi)集中成壟，確定刀輥回轉(zhuǎn)中心與壟臺(tái)成形罩前端部的水平距離為350 mm。該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)為深松鏟能打破犁底層，降低了壟臺(tái)未耕區(qū)的土壤容重和土壤緊實(shí)度，增強(qiáng)了壟臺(tái)蓄水保墑的能力，減少了后續(xù)滅茬作業(yè)的阻力；同時(shí)刀軸距地表間距增大，提升機(jī)組通過(guò)性，減少堵塞現(xiàn)象發(fā)生，降低工作阻力[17]，如圖3所示。

圖3　深松滅茬部件作業(yè)示意圖Fig.3　Operation schematic diagram of subsoiling and stubble-breaking components

2.2　滅茬部件設(shè)計(jì)

2.2.1滅茬刀輥

滅茬刀輥采用全刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，主要由滅茬刀、刀盤(pán)、刀軸、螺栓、軸承、軸承罩組成，如圖4所示。

圖4　滅茬刀輥結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of stubble-breaking roller1.滅茬刀　2.刀盤(pán)　3.螺栓　4.刀軸　5.軸承罩

刀軸設(shè)計(jì)為空心軸，外徑68 mm，內(nèi)徑52 mm，材料為Q235熱軋無(wú)縫鋼管；刀盤(pán)直徑為290 mm，焊接在刀軸上，在機(jī)具尺寸允許條件下，通過(guò)加大刀盤(pán)直徑可提高滅茬刀切茬時(shí)的線(xiàn)速度，降低刀輥轉(zhuǎn)速，可以有效節(jié)省功耗[18]，刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2　滅茬刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2　Structure parameters of stubble-breaking roller　mm

2.2.2滅茬節(jié)距和刀片數(shù)

滅茬節(jié)距是影響滅茬效果的重要指標(biāo)，由機(jī)具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，滅茬節(jié)距滿(mǎn)足

(1)

式中S——滅茬節(jié)距，mm

n——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min

vm——機(jī)具作業(yè)速度，m/s

Z——每盤(pán)刀具數(shù)

作業(yè)速度越低，刀盤(pán)數(shù)越多，則其滅茬節(jié)距越小，根據(jù)農(nóng)藝要求及文獻(xiàn)[4]，為保證碎茬易腐爛還田，切段長(zhǎng)度應(yīng)低于50 mm，因此，滅茬節(jié)距需控制在40～50 mm范圍內(nèi)，取S=40 mm，vm=1.5 m/s，n=380 r/min，代入式(1)得Z=5.92≈6，因此，確定在壟體播種帶根茬密集區(qū)采用6把滅茬刀和相對(duì)的兩組3把滅茬刀，非壟體部分采用3把滅茬刀，既達(dá)到根茬粉碎的效果，又做到不留茬。左刀輥每個(gè)刀盤(pán)上滅茬刀的數(shù)量從左到右依次是3-6-3-3-6，右刀輥與其對(duì)稱(chēng)排列。

2.2.3滅茬刀結(jié)構(gòu)

針對(duì)現(xiàn)有滅茬刀作業(yè)時(shí)滅茬效果差、局部磨損嚴(yán)重并且機(jī)具運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，導(dǎo)致滅茬及深松深度不均勻，影響作業(yè)質(zhì)量的問(wèn)題，對(duì)滅茬刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。滅茬刀結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。

圖5　滅茬刀結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Structure diagram of stubble-breaking blade

根據(jù)農(nóng)藝要求及參照文獻(xiàn)[19]，滅茬刀豎直長(zhǎng)度為235 mm，彎曲半徑為30 mm，彎折角度為110°，單刀幅寬90 mm，刀片寬度為40 mm，厚度為5 mm，刃口厚度為0.6 mm，材料選用65Mn鋼，刀片熱處理后表面硬度為48～56 HRC，以保證刀片具有足夠的耐磨性，芯部硬度為35～40 HRC以獲得足夠的剛度，作業(yè)時(shí)不易變形[20]；滅茬刀片刀刃由側(cè)切刃、正切刃和過(guò)渡刃組成，在滅茬刀入土作業(yè)過(guò)程中，由離回轉(zhuǎn)中心較近的刃口上某點(diǎn)開(kāi)始切入，后由近及遠(yuǎn)順序入土，則能夠減小整機(jī)振動(dòng)、提高切碎質(zhì)量，同時(shí)減輕刀具所受沖擊載荷，從而改善刀具磨損嚴(yán)重問(wèn)題，提高刀具使用壽命[21]，側(cè)切刃入土示意圖如圖6所示。

圖6　側(cè)切刃切土示意圖Fig.6　Schematic diagram of side cutting edge cutting soil

為滿(mǎn)足側(cè)切刃由滅茬刀根部先入土逐漸向刀端部過(guò)渡切割土壤及根茬，即刃口曲線(xiàn)由B向A順序入土，曲線(xiàn)需滿(mǎn)足

ρAsinθA<ρsinθ(θ>θA)

(2)

式中θ——曲線(xiàn)上任意點(diǎn)極角，(°)

ρ——曲線(xiàn)上任意點(diǎn)極徑，mm

θA——曲線(xiàn)上A點(diǎn)極角，(°)

ρA——曲線(xiàn)上A點(diǎn)極徑，mm

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，選定正弦指數(shù)曲線(xiàn)作為側(cè)切刃曲線(xiàn)，曲線(xiàn)方程為

(3)

τs=τ0+Kθ

(4)

式中ρ0——曲線(xiàn)起始點(diǎn)極徑，mm

τ0——曲線(xiàn)初始靜態(tài)滑切角，(°)

τs——曲線(xiàn)上任意點(diǎn)滑切角，(°)

K——靜態(tài)滑切角增量與極角的比例系數(shù)

將式(3)代入式(2)得

(5)

得

(6)

同時(shí)為提高根茬及秸稈破碎率，正切刃采用類(lèi)似缺口圓盤(pán)開(kāi)溝器的弧形缺口，根茬在缺口內(nèi)滑切，能夠改善刀具的破茬和入土性能，提高作業(yè)質(zhì)量[25-26]。由于玉米根茬直徑為22～25 mm，為保證根茬能滑切進(jìn)入弧形缺口提升其切割性能[27]，確定缺口的弧形長(zhǎng)度為30 mm，由滅茬刀正切刃切削寬度為90 mm，確定其缺口的數(shù)目為2個(gè)。

2.3　深松部件

深松部件主要由深松鏟柄、箭形鏟尖、鏟座、緊固螺栓和沉頭螺釘組成，如圖7所示。深松鏟座通過(guò)“U”形卡固定在機(jī)架前梁，鏟柄與鏟座通過(guò)螺栓連接，箭形鏟與鏟柄采用沉頭螺釘裝配，保證連接強(qiáng)度。

圖7　深松部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7　Structure schematic diagram of subsoiling device1.深松鏟座　2.沉頭螺釘　3.箭形鏟尖　4.鏟柄　5.緊固螺栓

鏟柄采用矩形截面，其上端為垂直結(jié)構(gòu)，入土部分采用圓弧形結(jié)構(gòu)，鏟柄厚度為25 mm，寬度為50 mm，依據(jù)文獻(xiàn)[28]引入縱深比定義：縱深比是指在耕作深度范圍內(nèi)耕作部件最大縱向彎曲水平長(zhǎng)度L與耕深B的比值，如圖8所示。深松鏟觸土曲面準(zhǔn)線(xiàn)為圓弧時(shí)，縱深比在1.0～1.5范圍內(nèi)，其耕作的力學(xué)性能較好。參照文獻(xiàn)[19]，由于深松鏟壟上深松且深松深度在250～350 mm范圍內(nèi)，因此確定深松鏟鏟柄豎直長(zhǎng)度為630 mm，入土角為23°，圓弧入土楔形部分豎直距離為350 mm，縱向距離為380 mm。

圖8　深松鏟-土壤相互作用示意圖Fig.8　Schematic diagram of subsoiling shovel-soil interaction

2.4　壟臺(tái)成形部件

由于東北地區(qū)春旱，風(fēng)蝕嚴(yán)重，因此采用壟作模式，壟作技術(shù)能增加表層地溫，改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[29]。

壟臺(tái)成形部件主要由牽引鏈、連接板、壟臺(tái)成形罩、后吊梁、機(jī)架后梁、連接銷(xiāo)軸組成，如圖9所示。吊梁焊接在機(jī)架后梁上，壟臺(tái)成形罩的前端通過(guò)銷(xiāo)軸與吊梁連接，保證作業(yè)過(guò)程中成形罩能上下轉(zhuǎn)動(dòng)；連接板焊接在成形罩中部，通過(guò)牽引鏈與吊梁連接，以防止其末端陷入土壤中，影響成壟效果。

圖9　壟臺(tái)成形部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9　Structure schematic diagram of ridge forming shell device1.壟臺(tái)成形罩　2.連接板　3.牽引鏈　4.后吊梁　5.機(jī)架后梁 6.連接銷(xiāo)軸

根據(jù)壟臺(tái)的壟形參數(shù)及刀輥?zhàn)鳂I(yè)寬度，確定壟臺(tái)成形罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)，罩體采用梯形結(jié)構(gòu)，前端部梯形的下邊長(zhǎng)560 mm，上邊長(zhǎng)400 mm，后端部梯形下邊長(zhǎng)340 mm，上邊長(zhǎng)260 mm，罩體長(zhǎng)度為650 mm，為減少后端部與土壤摩擦，采用半徑80 mm的圓弧過(guò)渡。

3　田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1　試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2016年10月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)地進(jìn)行，試驗(yàn)地為機(jī)收后玉米茬地，土壤類(lèi)型為黑土，土壤全耕層含水率平均為28.16%，土壤堅(jiān)實(shí)度平均為675.6 kPa，耕前壟距650 mm，壟高130 mm，根茬平均高度為116 mm，根茬密度為3～4個(gè)/m,根茬含水率為41.8%。機(jī)具配套動(dòng)力為寧波484型拖拉機(jī)，功率為35.6 kW，田間作業(yè)情況如圖10所示。

圖10　樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.10　Field experiments of prototype

3.2　試驗(yàn)方法

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6，采用三因素三水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法[30]。以作業(yè)速度x1、滅茬深度x2、正切刃滑切角x3為試驗(yàn)因素，以滅茬率Y1、滅茬深度穩(wěn)定性Y2為評(píng)價(jià)指標(biāo)，共實(shí)施17組試驗(yàn)。

3.2.1因素水平確定

為確保根茬粉碎，滅茬作業(yè)時(shí)滅茬刀輥的水平速度vx不得低于所需滅茬的絕對(duì)速度vc，即

|vx|≥vc

(7)

滅茬刀輥的水平速度

vx=vm-Rωsin(ωt)

(8)

其中

(9)

式中ω——角速度，rad/s

R——刀輥回轉(zhuǎn)半徑，mm

h——滅茬深度，mm

將相關(guān)公式代入得

vc≤2πn(R-h)-vm

(10)

通過(guò)文獻(xiàn)[18]可知，滅茬速度vc需大于5.5 m/s，滅茬刀輥轉(zhuǎn)速n=380 r/min與滅茬刀輥半徑R=280 mm已確定，所以選定作業(yè)速度vm以及滅茬深度h作為試驗(yàn)因素。

根據(jù)農(nóng)藝要求滅茬作業(yè)應(yīng)打碎地面以上至地面以下五股茬范圍內(nèi)的根茬，因此確定滅茬作業(yè)深度為60、80、100 mm；滅茬作業(yè)速度為1.8、3.6、5.4 km/h；滅茬刀正切刃滑切角為0°、5°、10°。

3.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定方法

(1) 滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)

在每組試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)劃分5個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)工作幅寬，長(zhǎng)度為2 m，每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取5點(diǎn),測(cè)點(diǎn)滅茬深度的耕深采用差值法[31]。

滅茬深度平均值為

(11)

其中

hji=l2i-l1i

(12)

式中hji——第j個(gè)試驗(yàn)行程中第i個(gè)點(diǎn)的滅茬深度，mm

l1i——作業(yè)前壟頂與水平基準(zhǔn)的距離，mm

l2i——作業(yè)后溝底與水平基準(zhǔn)的距離，mm

hj——第j個(gè)試驗(yàn)行程的滅茬深度平均值，mm

aj——第j個(gè)試驗(yàn)行程中的滅茬深度測(cè)定點(diǎn)數(shù)

滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)

Uj=(1-Tj)×100%

(13)

其中

(14)

(15)

式中Uj——第j個(gè)試驗(yàn)行程中滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)，%

Tj——第j個(gè)試驗(yàn)行程中滅茬深度變異系數(shù)，%

Wj——第j個(gè)試驗(yàn)行程的滅茬深度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

(2)滅茬率

在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)小區(qū)測(cè)定，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)工作幅寬，長(zhǎng)度為2 m，測(cè)定地表和滅茬深度范圍內(nèi)所有根茬質(zhì)量以及根茬長(zhǎng)度小于50 mm的根茬質(zhì)量(不包括須根)，滅茬率計(jì)算式為

(16)

式中Fg——滅茬率，%

Mh——根茬長(zhǎng)度小于50 mm的根茬質(zhì)量，g

Mz——總根茬質(zhì)量，g

3.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，方差分析如表4、5所示。

3.3.1滅茬率Y1回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

(17)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表4所示，其中P=0.092 9，不顯著，說(shuō)明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

表3　試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3　Experiment layout and results

3.3.2滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

(18)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表5所示，其中P=0.263 4，不顯著，說(shuō)明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系。

3.3.3響應(yīng)曲面分析

通過(guò)Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出作業(yè)速度x1、滅茬深度x2、正切刃滑切角x3之間顯著和較顯著交互作用對(duì)滅茬率Y1及滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y22個(gè)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

表4　滅茬率Y1方差分析Tab.4　Variance analysis of stubble breaking rate

注：斜線(xiàn)后面為剔除不顯著因素后滅茬率Y1方差分析結(jié)果；*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

表5　滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2方差分析Tab.5　Variance analysis of depth of stubble breaking stability

圖11　樣機(jī)試驗(yàn)響應(yīng)曲面分析Fig.11　Response surface analyses of prototype test

對(duì)于滅茬率Y1，當(dāng)壟上滅茬深度80 mm時(shí)，樣機(jī)作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用響應(yīng)曲面如圖11a所示，當(dāng)滅茬刀正切刃滑切角一定時(shí)，滅茬率Y1隨著作業(yè)速度的增加呈減小趨勢(shì)，最優(yōu)的作業(yè)速度在1.8～4.2 km/h范圍內(nèi)，原因是當(dāng)作業(yè)速度較低時(shí)，滅茬刀輥能充分旋切根茬，而作業(yè)速度較高時(shí)，部分根茬未能充分破碎就被拋出，導(dǎo)致滅茬率降低；當(dāng)樣機(jī)作業(yè)速度一定時(shí)，滅茬率Y1隨著正切刃滑切角的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)的正切刃滑切角在3°～8°范圍內(nèi)，原因是當(dāng)正切刃滑切角較低時(shí)，滅茬刀對(duì)根茬呈砍切狀態(tài)，導(dǎo)致滅茬率降低，隨著正切刃滑切角的增加，滅茬刀對(duì)根茬呈滑切狀態(tài)，切割性能良好、滅茬率升高，但當(dāng)正切刃滑切角過(guò)大時(shí)，滅茬刀對(duì)根茬呈滑移切狀態(tài)，根茬切割不完全，導(dǎo)致滅茬率降低；在作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用中，主要影響滅茬率Y1的因素是樣機(jī)作業(yè)速度。當(dāng)樣機(jī)作業(yè)速度為3.6 km/h時(shí)，壟上滅茬深度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用響應(yīng)曲面如圖11b所示，當(dāng)滅茬刀正切刃滑切角一定時(shí)，滅茬率Y1隨著壟上滅茬深度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)的滅茬深度在72～84 mm范圍內(nèi)，原因是滅茬深度較小時(shí)，根茬不能完全破碎，隨著滅茬深度增加，滅茬刀切割到五股茬，滅茬率升高，當(dāng)滅茬深度過(guò)大時(shí)，根茬易被翻起，導(dǎo)致滅茬率降低；當(dāng)壟上滅茬深度一定時(shí)，滅茬率Y1隨著正切刃滑切角的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)的正切刃滑切角在4°～7.5°范圍內(nèi)；在壟上滅茬深度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用中，主要影響滅茬率Y1的因素是滅茬刀正切刃滑切角。

對(duì)于滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2，當(dāng)滅茬刀正切刃滑切角5°時(shí)，樣機(jī)作業(yè)速度與壟上滅茬深度的交互作用響應(yīng)曲面如圖11c所示，當(dāng)壟上滅茬深度一定時(shí)，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著作業(yè)速度的增加呈減小趨勢(shì)，最優(yōu)的作業(yè)速度在1.8～3.3 km/h范圍內(nèi)，原因是當(dāng)作業(yè)速度增加時(shí)，根茬不能破碎完全，機(jī)具振動(dòng)較大，導(dǎo)致滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)降低；當(dāng)樣機(jī)作業(yè)速度一定時(shí)，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著滅茬深度的增加呈增加的趨勢(shì)，最優(yōu)的滅茬深度在76～100 mm范圍內(nèi)，原因是當(dāng)滅茬深度增加時(shí)，刀輥旋切土壤深度也隨之增加，降低機(jī)具振動(dòng)，從而提高滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)；在作業(yè)速度與壟上滅茬深度的交互作用中，主要影響滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2的因素是樣機(jī)作業(yè)速度。當(dāng)壟上滅茬深度80 mm時(shí)，樣機(jī)作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用響應(yīng)曲面如圖11d所示，當(dāng)樣機(jī)作業(yè)速度一定時(shí)，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著滅茬刀正切刃滑切角增加呈增加趨勢(shì)，最優(yōu)的正切刃滑切角在4.5°～10°范圍內(nèi)，原因是隨著正切刃滑切角增加，滅茬刀對(duì)根茬的切割由砍切狀態(tài)過(guò)渡到滑切狀態(tài)，從而提高滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)；當(dāng)滅茬刀正切刃滑切角一定時(shí)，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2隨著樣機(jī)作業(yè)速度增加呈減小的趨勢(shì),最優(yōu)的作業(yè)速度在1.8～3.2 km/h范圍內(nèi)；在作業(yè)速度與滅茬刀正切刃滑切角的交互作用中，主要影響滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)Y2的因素是樣機(jī)作業(yè)速度。

3.4　參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

3.4.1參數(shù)優(yōu)化

對(duì)樣機(jī)參數(shù)優(yōu)化的目的是獲取最優(yōu)的參數(shù)組合，最大程度提高機(jī)具滅茬率及滅茬深度的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)圖11中4個(gè)響應(yīng)曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)回歸模型進(jìn)行求解，根據(jù)實(shí)際工作條件及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選定試驗(yàn)因素的約束條件為

對(duì)其參數(shù)進(jìn)行求解，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：樣機(jī)作業(yè)速度為2.8 km/h，壟上滅茬深度84.9 mm，滅茬刀正切刃滑切角6.5°，此時(shí)理論上機(jī)具的滅茬率為93.26%，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)為95.25%。

3.4.2驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后的樣機(jī)性能指標(biāo)與現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)具對(duì)比結(jié)果如表6所示。樣機(jī)的參數(shù)組合選擇為樣機(jī)作業(yè)速度為2.8 km/h，壟上滅茬深度84.9 mm，滅茬刀正切刃滑切角6.5°，將樣機(jī)參數(shù)調(diào)整為上述狀態(tài)進(jìn)行田間作業(yè)，相同試驗(yàn)條件下重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)5次，結(jié)果取平均值。

表6　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6　Results of verification test　%

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，與傳統(tǒng)滅茬深松整地機(jī)具及參照指標(biāo)相比，設(shè)計(jì)的深松滅茬機(jī)的滅茬率分別提高3.05%和7.11%，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)分別提高3.34%和4.89%，與理論模型分析結(jié)果一致且均優(yōu)于參照指標(biāo)。

4　田間性能試驗(yàn)

田間性能試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)地進(jìn)行，土壤全耕層含水率平均為28.16%，土壤堅(jiān)實(shí)度平均為675.6 kPa，根茬平均高度為116 mm，根茬密度為3～4個(gè)/m,根茬平均含水率為41.8%。以文獻(xiàn)[31]及JB/T 8401.2—2007《旋耕深松滅茬起壟機(jī)》作為評(píng)定指標(biāo)，各項(xiàng)田間性能指標(biāo)均為行程結(jié)果的平均值，設(shè)計(jì)的帶狀深松滅茬機(jī)作業(yè)質(zhì)量及耕作效果如表7所示。

表7　性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.7　Results of performance experiment　%

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表明：帶狀深松滅茬聯(lián)合整地機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的聯(lián)合整地效果。

5　結(jié)論

(1)對(duì)帶狀深松滅茬機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化配置，能一次完成壟上深松、帶狀滅茬和集土成壟3項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，能夠適應(yīng)秋收后或播種前秸稈處理后的整地作業(yè)；對(duì)滅茬刀輥以及滅茬刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得機(jī)具能夠平穩(wěn)作業(yè)，提高滅茬效率。

(2)通過(guò)二次回歸正交試驗(yàn)分析得出，影響滅茬率的因素主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、滅茬刀正切刃滑切角、滅茬深度；影響滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)的因素主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、滅茬刀正切刃滑切角、滅茬深度。

(3)利用Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化模塊，根據(jù)深松滅茬機(jī)工作條件以及作業(yè)性能要求對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行約束，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的回歸模型優(yōu)化求解，得出帶狀深松滅茬機(jī)作業(yè)速度為2.8 km/h，滅茬深度84.9 mm，滅茬刀正切刃滑切角6.5°，此時(shí)滅茬率為93.26%，滅茬深度穩(wěn)定性系數(shù)為95.25%。通過(guò)驗(yàn)證及性能試驗(yàn)表明，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于參照指標(biāo)，滿(mǎn)足深松滅茬機(jī)作業(yè)性能要求。

1羅紅旗，劉霞，陸孫事，等. 播種帶淺旋式壟作保護(hù)性耕作技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(11)：415-416.

LUO Hongqi，LIU Xia，LU Sunshi，et al. Conservation ridge tillage technology of shallow rotating for seeding belt[J]. Jiangsu Agricultural Sciences，2014，42(11)：415-416. (in Chinese)

2劉恩宏. 壟作聯(lián)合整地機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37(10)：22-26.

LIU Enhong. Design and experiment research of combined stubble and seeding belt rotary cultivator[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2016，37(10)：22-26. (in Chinese)

3MATTIA T，PAOLO B，MARCELLO G. Strip tillage effect on seedbed tilth and maize production in northern Italy as case-study for the southern Europe environment[J]. European Journal of Agronomy，2013，48：50-56.

4韓偉峰. 仿生智能整地機(jī)通用刀輥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

HAN Weifeng.Design and experimental research of universal knife roller for bionic intelligent soil preparation machine[D].Changchun：Jilin University，2008. (in Chinese)

5JIA H L，MA C L，LI G Y，et al. Combined rototilling-stubble-breaking-planting machine[J]. Soil and Tillage Research，2007，96：73-82.

6張欣悅，李連豪，汪春，等. 1GSZ-350 型滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(5)：73-77.

ZHANG Xinyue， LI Lianhao，WANG Chun，et al. Design and test of 1GSZ-350 stubble-breaking and rotary tilling combined cultivating machine[J]. Transactions of the CSAE，2009，25(5)：73-77. (in Chinese)

7車(chē)剛，張偉，萬(wàn)霖，等. 基于滅茬圓盤(pán)驅(qū)動(dòng)旋耕刀多功能耕整機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(20)：34-40.

CHE Gang，ZHANG Wei，WAN Lin，et al. Design and experiment of multifunctional tillage machine with driven bent blade by stubble ploughing disk[J]. Transactions of the CSAE，2012，28(20)：34-40. (in Chinese)

8趙大勇，許春林，劉顯耀，等. 1ZML-210深松型聯(lián)合整地機(jī)的研制[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23(6)：12-14.

ZHAO Dayong，XU Chunlin，LIU Xianyao，et al. Study on type machine of 1ZML-210 deep loosening combined tilling machine[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University，2011，23(6)：12-14. (in Chinese)

9VALBOA G，LAGOMARSINO A，BRANDI G，et al. Long-term variations in soil organic matter under different tillage intensities[J]. Soil and Tillage Research，2015，154：126-135.

10汲文峰，賈洪雷，佟金. 通用刀片功率消耗影響因素分析與田間試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(2)：35-41.

JI Wenfeng，JIA Honglei，TONG Jin. Anlysis of influencing factors on power consunpation and field test of universal blade[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41(2)：35-41. (in Chinese)

11劉九慶，牛明，商友云，等. 玉米根茬粉碎還田刀具系統(tǒng)設(shè)計(jì)及淺析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(6)：83-85.

LIU Jiuqing，NIU Ming，SHANG Youyun，et al. The design and brief analysis of the system of corn stubble smashing cutters [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research，2013，35(6)：83-85. (in Chinese)

12倪長(zhǎng)安，苗全生，劉玉，等. 玉米根茬破碎還田裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(7)：68-71.

NI Chang’an，MIAO Quansheng，LIU Yu，et al. Design and experiment of a new maize field rootstalk chopper[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2008，39(7)：68-71. (in Chinese)

13徐紅光，朱茂桃，耿松. 1GF-170型滅茬旋耕機(jī)刀具排列方法設(shè)計(jì)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(34):21495-21496.

XU Hongguang，ZHU Maotao，GENG Song.The arrangement design of 1GF-170 type stubble-breaking and rotary-tiller blade[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences，2011，39(34)：21495-21496. (in Chinese)

14吳子岳，高煥文. 根茬處理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，5(4)：46-49.

WU Ziyue，GAO Huanwen. Present state and development on technology of stubble chopping[J]. Journal of China Agricultural University，2000，5(4)：46-49. (in Chinese)

15孫劍. 玉米根茬結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征及與土壤的摩擦學(xué)性能[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

SUN Jian. Structural and mechanical characteristics of corn stubble and its tribological properties against soil [D]. Changchun：Jilin University，2011.(in Chinese)

16郭俊，姬長(zhǎng)英，方會(huì)敏，等. 正反轉(zhuǎn)旋耕后土壤和秸稈位移試驗(yàn)分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(5)：21-26. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160504&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.004.

GUO Jun，JI Changying，F(xiàn)ANG Huimin，et al. Experimental analysis of soil and straw displacement after up-cut and down-cut rotary tillage[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(5)：21-26.(in Chinese)

17龔振平，楊?lèi)偳?，馬春梅，等. 壟臺(tái)深松滅茬成壟整地機(jī)：201511034914.0[P]. 2016-04-13.

18文立閣. 滅茬刀輥仿生減阻研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

WEN Lige. Study on bionic and resistance-reduction of stubble crushing blade roller [D]. Changchun：Jilin University，2009.(in Chinese)

19中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

20賈洪雷，姜鑫銘，郭明卓，等. V-L型秸稈粉碎還田刀片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(1)：28-33.

JIA Honglei，JIANG Xinming，GUO Mingzhuo，et al. Design and experiment of V-L shaped smashed straw blade[J]. Transactions of the CSAE，2015，31(1)：28-33. (in Chinese)

21牛明. 玉米根茬粉碎還田機(jī)械刀具系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2013.

NIU Ming. The design and research of the cutter system of corn stubble-smashing machine[D].Harbin：Northeast Forestry University，2013.(in Chinese)

22陳翠英. 關(guān)于旋耕機(jī)彎刀側(cè)切刃起始半徑若干問(wèn)題的討論[J]. 江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào)，1983，4(3)：48-56.

23梁方，王德成，尤泳，等. 草地破土切根刀具的刃口曲線(xiàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，21(6)：100-107.

LIANG Fang，WANG Decheng，YOU Yong，et al. Design and optimization of the edge curve of root-cutting blade in grassland[J]. Journal of China Agricultural University，2016，21(6)：100-107.(in Chinese)

24權(quán)龍哲，佟金，曾百功，等. 玉米根茬鏟切刀具的滑切刃曲線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(23)：26-32.

QUAN Longzhe，TONG Jin，ZENG Baigong，et al. Optimization design of sliding cutting edge curve of corn rootstalk cutting tool[J]. Transactions of the CSAE，2012，28(23)：26-32. (in Chinese)

25林靜，李博，李寶筏，等. 阿基米德螺線(xiàn)型缺口圓盤(pán)破茬刀參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(6)：118-124. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140619&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.06.019.

LIN Jing，LI Bo，LI Baofa，et al. Parameter optimization and experiment on archimedes spiral type of gap cutting disc[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(6)：118-124. (in Chinese)

26莊健，賈洪雷，馬云海，等. 具有滑刀式缺口的圓盤(pán)開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊1)：83-88. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2013s116&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.016.

ZHUANG Jian，JIA Honglei，MA Yunhai，et al. Design and experiment of sliding-knife-type disc opener[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(Supp.1)：83-88. (in Chinese)

27王宏立，張偉，李慶達(dá)，等. 玉米根茬剪切力學(xué)性能試驗(yàn)與分析[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2014，29(1)：73-82.

WANG Hongli，ZHANG Wei，LI Qingda，et al. Experiment and analysis of shear mechanical property of corn stubbles[J]. Journal of Experimental Mechanics，2014，29(1)：73-82. (in Chinese)

28郭志軍，周德義，周志立. 幾種不同觸土曲面耕作部件的力學(xué)性能仿真研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(15)：71-75.

GUO Zhijun，ZHOU Deyi，ZHOU Zhili. Simulation research on mechanical performances of several kinds of cultivating components with different soil-engaging surfaces[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(15)：71-75. (in Chinese)

29LIN J，LIU Y F，LI B F，et al. Effect of ridge-till and no-till mulching modes in northeast China on soil physicochemical properties[J]. Transactions of the CSAE,2014，30(23)：58-64.

30何為，薛衛(wèi)東，唐斌. 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

31汲文峰，賈洪雷，佟金. 旋耕-碎茬仿生刀片田間作業(yè)性能的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(12)：24-30.

JI Wenfeng，JIA Honglei，TONG Jin. Experiment on working performance of bionic blade for soil-rototilling and stubble-breaking[J]. Transactions of the CSAE，2012，28(12)：24-30. (in Chinese)