劉大為，謝方平，葉 強(qiáng)，任述光，李 旭，劉敏章

1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部件功耗影響因素分析與試驗(yàn)

劉大為1,2，謝方平1,2，葉 強(qiáng)1，任述光1,2※，李 旭1,2，劉敏章1

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2.湖南省智能農(nóng)機(jī)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410128）

為探明1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)工作參數(shù)和雙旋耕刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)功耗的影響規(guī)律，該文建立了分析開(kāi)溝部件功耗的切土，運(yùn)、拋土力學(xué)模型，得到了開(kāi)溝部件功耗與整機(jī)工作參數(shù)、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)以及土壤力學(xué)性能之間的函數(shù)關(guān)系。搭建了基于土槽試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)溝部件功耗測(cè)試裝置，模擬堅(jiān)實(shí)度為950 kPa的葡萄園土壤環(huán)境，以刀輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、開(kāi)溝深度和刀輥型式為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)，測(cè)得旋耕刀輥在不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下的功率消耗，得到影響開(kāi)溝部件功率消耗的因素主次順序?yàn)榈遁佇褪剑厩斑M(jìn)速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開(kāi)溝深度，其功耗較優(yōu)參數(shù)組合為采用3型刀輥，刀輥轉(zhuǎn)速為150 r/min，前進(jìn)速度為0.06 m/s，開(kāi)溝深度為0.15 m，測(cè)得此時(shí)開(kāi)溝部件平均功耗值約為1.22 kW。將裝置正交試驗(yàn)表中各因素值代入功耗解析式，利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，得到影響功率消耗因素的主次順序與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相同，求得功耗理論值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差百分比最大為12.86%，最小為2.00%，驗(yàn)證了功耗理論模型具有較高的準(zhǔn)確性。該研究可為機(jī)具改進(jìn)和小型林果園開(kāi)溝機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；功耗；試驗(yàn)；果園開(kāi)溝機(jī)；開(kāi)溝部件

0 引 言

1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)是課題組設(shè)計(jì)的一種用于中國(guó)南方果園低矮狹小環(huán)境作業(yè)的小型開(kāi)溝機(jī)具，該機(jī)設(shè)計(jì)最大可開(kāi)溝深度為0.5 m，采用雙旋耕輪逆旋方式作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作轉(zhuǎn)移方便等特點(diǎn)[1-2]。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器在土壤堅(jiān)實(shí)度較小的果園作業(yè)時(shí)，能夠滿足最大開(kāi)溝深度要求，而在堅(jiān)實(shí)度較大的葡萄園土壤條件下，單次開(kāi)溝深度僅為0.2 m左右，存在開(kāi)溝深度不足，機(jī)器振動(dòng)加劇的情況。相關(guān)研究表明：旋耕作業(yè)時(shí)功率消耗的70～80%與旋耕刀輥的切、拋土過(guò)程密切相關(guān)，而切、拋土過(guò)程的功耗與土壤堅(jiān)實(shí)度、前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、耕作深度、切土節(jié)距、刀軸直徑等均存在相關(guān)性[3-17]。因此，在一定的土壤堅(jiān)實(shí)度條件下，研究該開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部件功率消耗的影響因素，有助于進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器刀輥結(jié)構(gòu)，提高其工作效率。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋耕開(kāi)溝基礎(chǔ)理論及開(kāi)溝部件進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究[5-19]。其中功率的計(jì)算主要通過(guò)理論計(jì)算、田間試驗(yàn)和數(shù)值分析等方法得出?？到鞯萚5-6]利用ANSYS軟件對(duì)開(kāi)溝刀輥土壤切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出開(kāi)溝刀輥在土壤切削過(guò)程中功率消耗的變化規(guī)律，結(jié)合正交試驗(yàn)明確了影響作業(yè)功耗的因素主次為：土壤堅(jiān)實(shí)度＞開(kāi)溝深度＞刀輥轉(zhuǎn)速，且刀輥轉(zhuǎn)速在200 r/min時(shí)，無(wú)論前進(jìn)速度高低，圓盤式開(kāi)溝機(jī)均具有最低的功耗；章慧全等[7]借助半經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)潛土逆旋的功率消耗進(jìn)行分析，其認(rèn)為在耕深、耕幅要求一定的條件下，旋耕機(jī)功率消耗主要由機(jī)組前進(jìn)速度、旋耕刀轉(zhuǎn)速、刀輥半徑和旋耕切土比阻等決定；宋建農(nóng)等[8]通過(guò)對(duì)刀片切土過(guò)程的力分析，建立了計(jì)算旋耕阻力的數(shù)學(xué)模型；彭強(qiáng)吉等[9]通過(guò)理論分析和試驗(yàn)，研究了開(kāi)溝方式、作業(yè)參數(shù)與功率消耗之間的關(guān)系；劉永清等[10]對(duì)刀片進(jìn)行受力分析，以耕作功耗為指標(biāo)，建立了包含刀片側(cè)切部和正切部在內(nèi)的潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀片功率消耗的數(shù)學(xué)模型；汲文峰等[11-13]在實(shí)驗(yàn)室土槽中對(duì)旋耕–碎茬通用刀片單刀扭矩進(jìn)行了試驗(yàn)，確定了在旋耕和碎茬作業(yè)時(shí)，耕深、刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)組作業(yè)速度對(duì)功率消耗的影響；陳翠英等[14-17]對(duì)逆轉(zhuǎn)旋耕彎刀切削土壤過(guò)程進(jìn)行分析，探討了不同工作參數(shù)下負(fù)荷、能耗特性以及相互關(guān)系，獲得了單刀理論負(fù)荷計(jì)算模型等等。但上述研究主要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀或單一刀輥結(jié)構(gòu)，鮮有分析不同刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)功率消耗的影響。

基于1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)采用的雙旋耕輪刀輥，為了得到整機(jī)工作參數(shù)和刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開(kāi)溝部件功率消耗的影響規(guī)律和各參數(shù)間的最優(yōu)組合，有必要對(duì)刀輥和土壤的相互作用過(guò)程進(jìn)行分析，探索其影響因素對(duì)作業(yè)功耗的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。因此，本研究在綜合分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)雙旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，利用動(dòng)量矩定律建立運(yùn)、拋土功耗模型，提出了計(jì)算該刀輥功率消耗的解析式。設(shè)計(jì)了一種基于室內(nèi)土槽試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)溝部件功耗測(cè)試裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，借此研究影響開(kāi)溝部件功率消耗的關(guān)鍵因素，驗(yàn)證分析模型的正確性，以期為機(jī)具改進(jìn)和系列化小型林果園開(kāi)溝機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)及開(kāi)溝部件結(jié)構(gòu)

1.1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1K-50果園開(kāi)溝機(jī)主要由動(dòng)力裝置、行走裝置（驅(qū)動(dòng)輪可更換，行走時(shí)用橡膠輪，工作時(shí)用鐵輪）、導(dǎo)向與限深裝置、擋土導(dǎo)流裝置、雙旋耕輪、操縱控制機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)裝置等組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.汽油機(jī) 2.操縱架 3.驅(qū)動(dòng)輪變速箱 4.檔位調(diào)節(jié)裝置 5.旋耕輪變速箱 6.擋土導(dǎo)流板 7.限深輪 8.旋耕刀輥 9.清溝犁 10.驅(qū)動(dòng)輪 11.機(jī)架

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.1.2 刀輥結(jié)構(gòu)

由于本開(kāi)溝機(jī)主要針對(duì)開(kāi)深窄溝設(shè)計(jì)，為了讓雙旋耕刀輪開(kāi)出一定寬度的溝，并改善刀輥逆旋深切時(shí)對(duì)土垡的運(yùn)、拋土能力，延長(zhǎng)刀片切削刃長(zhǎng)度，旋耕刀布置時(shí)采用了自制彎刀和寬翼刀交錯(cuò)重疊布置方式[2]。預(yù)備性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)镀瑢?duì)土壤的撕裂線傾角（理論上的節(jié)距對(duì)應(yīng)的夾角或兩刀片切土刃相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的夾角）為45°時(shí)，破土效果較好，因此，本開(kāi)溝機(jī)刀輥設(shè)計(jì)刀片間夾角為45°，安裝刀片數(shù)量為8片。

旋耕刀輥由左、右兩個(gè)對(duì)稱的旋耕輪組成，其中旋耕輪主要包含輪轂、輻條、刀座、自制彎刀、自制寬翼刀等部件。自制刀片型式和刀輥整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：為刀輥直徑；0為刀輥寬度；為單側(cè)切削幅寬；1為彎刀切削幅寬；2為寬翼刀切削幅寬；1為彎刀滑切角；2為寬翼刀滑切角；為刀輥半徑；1為彎刀彎曲半徑；2為寬翼刀彎曲半徑；1為彎刀彎折角；2為寬翼刀彎折角

Note:is knife roller diameter;0is knife roller width;is unilateral cutting width;1is tulwar cutting width;2is wide-blade tulwar cutting width;1is tulwar slip cutting angle;2is wide-blade tulwar slip cutting angle;is knife roller radius;1is tulwar bending radius;2is wide-blade tulwar bending radius;1is tulwar bending angle;2is wide-blade tulwar bending angle

1.輪轂 2.幅條 3.刀座 4.變速箱 5.清溝犁 6.自制寬翼刀 7.自制彎刀

1.Wheel 2.Spokes 3.Knife holder 4.Speed changing box 5.Soil cleaning plough 6.Home-made wide-blade tulwar 7.Home-made tulwar

圖2 刀輥結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structure of knife roller

自制旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀輥技術(shù)參數(shù)如表2：

表2 旋耕刀輥技術(shù)參數(shù)

注：其中刀輥直徑、刀輥寬度根據(jù)果園開(kāi)溝的農(nóng)藝要求確定，刀輥線速度根據(jù)機(jī)器的前進(jìn)速度和生產(chǎn)率決定。

Note: Diameter and width of knife roller are determined according to the agricultural requirements of orchard ditching, and the linear speed of knife roller is determined according to the advance speed and productivity of the machine.

1.2 工作原理

如圖1和圖2所示，開(kāi)溝機(jī)作業(yè)時(shí)，動(dòng)力通過(guò)皮帶輪經(jīng)離合器分兩路輸出，一路通過(guò)旋耕輪變速箱帶動(dòng)旋耕刀輥逆旋開(kāi)溝，另一路通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪減速裝置使驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)機(jī)器前進(jìn)。當(dāng)開(kāi)溝機(jī)按圖1所示從右往左方向行駛時(shí)，刀輥?lái)槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)切土，土垡隨刀片旋轉(zhuǎn)拋出，與擋土板碰撞后撒向溝的兩側(cè)。操作者可以通過(guò)調(diào)節(jié)限深輪上的螺栓桿來(lái)控制開(kāi)溝深度；調(diào)節(jié)擋土導(dǎo)流板的角度與開(kāi)度以保證土塊拋向溝的兩側(cè)，而不至于被帶回溝內(nèi)；轉(zhuǎn)向時(shí)可通過(guò)離合器先將旋耕輪動(dòng)力脫離，再下壓操縱架，借助倒檔帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向、調(diào)頭；安裝在旋耕輪變速箱下的小清溝犁，可以將溝中因變速箱遮擋造成的漏耕帶犁碎，再由旋耕輪刀片拋出，從而減少溝中碎土殘留；開(kāi)溝機(jī)驅(qū)動(dòng)輪更換成鐵輪后，與旋耕輪等寬，能在所開(kāi)溝中行走，并根據(jù)溝深不同要求，開(kāi)溝機(jī)能夠在溝中來(lái)回作業(yè)直至溝深滿足需要。

2 開(kāi)溝部件作業(yè)功耗分析

開(kāi)溝機(jī)作業(yè)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的刀輥切削土壤的過(guò)程就是使土垡與基土分離、改變位置并獲得一定速度的過(guò)程，當(dāng)溝中土壤拋撒在溝的兩旁時(shí)最終完成了能量的轉(zhuǎn)換。在旋耕機(jī)的總功率消耗中，以切土和拋土功率消耗為主，占總功率消耗的70%～80%[3-4]。因此，可以通過(guò)分析切土功耗P，運(yùn)、拋土功耗P，以二者之和乘以系數(shù)作為消耗的總功率。

2.1 力學(xué)模型的建立

2.1.1 切土功耗

切土過(guò)程中，旋耕刀一方面克服土壤的剪切強(qiáng)度并與接觸面產(chǎn)生摩擦，這種沿接觸面切線的力對(duì)刀輥轉(zhuǎn)軸的力矩即為切土所要克服的阻力矩，克服阻力矩對(duì)土垡做功的過(guò)程需要消耗能量。另一方面，刀片正切面與土壤擠壓，產(chǎn)生壓土阻力，在忽略土壤變形的情況下，可以認(rèn)為壓土阻力不做功，不直接消耗功率，但壓土阻力會(huì)影響到切土阻力與摩擦力的大小。宋建農(nóng)等[8]的研究表明，切土過(guò)程中刀片所受的阻力由刃口的切土阻力、正切面擠壓土壤產(chǎn)生的壓土阻力和土壤與刀片的摩擦阻力組成，其中壓土阻力F可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示

式中K為壓土阻力系數(shù)，由試驗(yàn)確定，其與土壤的力學(xué)特性、切土速度、垡片厚度和刀片正切面棱邊的曲線長(zhǎng)度有關(guān)；為刀片幅寬，m；為刀片滑切角，rad；0為刀片安裝角，rad，刀片安裝好后，在切土過(guò)程中0為恒定值；=/v為旋耕速比；為刀輥半徑，m；為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；v為機(jī)器前進(jìn)速度，m/s；=，即刀片回轉(zhuǎn)半徑與鉛垂方向的夾角，rad。

垡片的厚度及刀輥轉(zhuǎn)角大小都隨刀片切土位置變換，因此，切土過(guò)程中壓土阻力也隨刀片切土位置變化。摩擦阻力F1與土壤特性和刀片接觸面的正壓力有關(guān)，可由式（2）給出

F1=CA+KF（2）

式中C為土壤黏著系數(shù)，kPa；為刀片正切面面積，m2；K為刀片和土壤的摩擦系數(shù)。

切土阻力F2作用于刃口，方向與切土速度相反，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式[17]近似表示

式中K為切土阻力系數(shù)，kPa，其與刀片形狀、幾何參數(shù)、切土速度和土壤力學(xué)特性有關(guān)，由試驗(yàn)確定；為切土節(jié)距；為刀輥上刀片數(shù)。

刀片切土過(guò)程中，一方面隨機(jī)器前進(jìn)，獲得牽連速度v，即機(jī)器前進(jìn)速度。另一方面繞刀軸旋轉(zhuǎn)，相對(duì)隨機(jī)器前進(jìn)的平移坐標(biāo)系作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀片端點(diǎn)的切土速度可表示為

因此，切土功率P為

由式（5）可知，影響切土功率的因素除土壤的力學(xué)性質(zhì)外，切土速度是主要影響因素，旋耕速比、切土節(jié)距、切土深度等作業(yè)參數(shù)都會(huì)影響功耗，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)影響到垡片厚度和圧土阻力。另外，刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如：滑切角、側(cè)切刃長(zhǎng)度等也會(huì)影響切土功率消耗。

2.1.2 運(yùn)土與拋土功耗

設(shè)被切下的土垡在拋出前為一個(gè)整體，其在縱剖面的外形為相距π/時(shí)間間隔內(nèi)的兩條余擺線的部分與長(zhǎng)度為切土節(jié)距的一直線段圍成。垡片在刀片作用下從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，忽略土垡沿刀軸線方向的運(yùn)動(dòng)，則土垡作平面運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其質(zhì)心速度及角速度增加，動(dòng)能增加，這一過(guò)程中需要克服滑動(dòng)摩擦力和重力對(duì)刀輥轉(zhuǎn)軸的力矩做功，消耗功率。當(dāng)土垡對(duì)刀片正切面的法向壓力為零時(shí)，土垡離開(kāi)刀片，其質(zhì)心作斜拋運(yùn)動(dòng)。

為獲得運(yùn)土與拋土過(guò)程中垡片質(zhì)心速度，將動(dòng)參考系固定在刀輥上，軸為刀輥轉(zhuǎn)軸，軸沿機(jī)器前進(jìn)方向，軸沿鉛錘方向，如圖3所示。動(dòng)系一方面以機(jī)器前進(jìn)速度作平移，另一方面，繞刀輥軸線旋轉(zhuǎn)，即牽連運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)，牽連速度為機(jī)器前進(jìn)速度與土垡質(zhì)心C處的圓周速度的矢量和。

為簡(jiǎn)化分析模型，設(shè)刀輥正切面近似為一平面，側(cè)切刃棱邊近似為一直線，由速度合成定理可知

式中v、v、v分別為質(zhì)心的絕對(duì)速度、牽連速度與相對(duì)速度，m/s；、分別為坐標(biāo)軸正向單位矢量；為土垡質(zhì)心處的圓周半徑，m，取土垡的厚度為節(jié)距的一半，則=?/2。

運(yùn)土過(guò)程中，土垡對(duì)刀輥動(dòng)軸的動(dòng)量矩

式中J為土垡對(duì)其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2/s。

注：為刀片滑切角，rad；為刀輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；v為機(jī)器前進(jìn)速度，m/s；=，即刀片回轉(zhuǎn)半徑與鉛垂方向的夾角，rad；v為土垡質(zhì)心的相對(duì)速度，m/s。

Note:is a slide-cutting angle for the cutter, rad;is the rotary angular velocity of knife roller;vis the forward speed of the machine, m/s;,=,is the included angle between the rotary radius of the blade and the vertical direction of the lead, rad;vis the relative velocity of centroid of furrow slice, m/s.

圖3 土垡質(zhì)心絕對(duì)速度分析

Fig.3 Absolute velocity analysis of furrow slicecenter

假設(shè)作用在質(zhì)點(diǎn)系上的外力矩為M，其為土垡與旋耕刀片摩擦力矩及重力對(duì)刀輥轉(zhuǎn)軸力矩之和。則對(duì)土粒質(zhì)點(diǎn)系應(yīng)用相對(duì)刀輥中心軸（動(dòng)軸）的動(dòng)量矩定理可得

帶入式（7），得到

式（9）表明：運(yùn)土與拋土消耗的功率取決于機(jī)器前進(jìn)速度及土垡質(zhì)心相對(duì)刀片的速度，相對(duì)速度的變化率及刀片轉(zhuǎn)角。

此時(shí)，運(yùn)、拋土功耗可表示為

由式（10）可知，運(yùn)、拋土功耗主要取決于刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、機(jī)器前進(jìn)速度以及滑切角。此外，由于摩擦系數(shù)、刀輥半徑等因素間接影響到了運(yùn)土過(guò)程中土垡相對(duì)正切面的運(yùn)動(dòng)速度，也將影響運(yùn)、拋土功耗大小。

2.1.3 開(kāi)溝部件作業(yè)功耗

為計(jì)算式（10）中土垡質(zhì)心的相對(duì)加速度，對(duì)土垡在刀片上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。假定刀片的正切面為平面，則土垡質(zhì)心的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為鉛垂面內(nèi)沿正切面方向的直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)土過(guò)程中土垡所受重力×，正切面法向約束力，與相對(duì)滑動(dòng)方向相反的滑動(dòng)摩擦力，沿圓周徑向指向外的牽連法向慣性力，垂直于正切面的指向外的科氏慣性力，因土垡只在正切面上相對(duì)滑動(dòng)，慣性力偶矩為0，如圖4所示。

注：FN為刀片正切面所受的法向約束力，N；Fd為與土垡滑動(dòng)方向相反的摩擦力，N；Fe為土垡所受的法向慣性力，N；Fk為土垡所受的科氏慣性力，N；mg為土垡所受的重力，N。

在動(dòng)參考系中，列土垡質(zhì)心相對(duì)運(yùn)動(dòng)微分方程：

式（11）為非線性微分方程，利用MATLAB編程求其數(shù)值解。因土垡在正切面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間極短，可以忽略運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化，利用切斷垡片瞬時(shí)，垡片整體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)可得到此問(wèn)題的初始條件。理論上，當(dāng)F=0時(shí)，土粒質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)刀片正切面而實(shí)現(xiàn)拋土，但拋土?xí)r間的確定也需要求解一個(gè)非線性微分方程，為克服這一困難，可通過(guò)對(duì)拋土過(guò)程進(jìn)行高速攝影，確定土垡被完整切下到被拋出的時(shí)間Δ，繪出這段時(shí)間內(nèi)土垡質(zhì)心相對(duì)刀片的速度。

1K-50果園開(kāi)溝機(jī)的刀片后傾角（即滑切角）=30°，當(dāng)取刀輥半徑=0.3 m，切土深度=0.2 m，機(jī)器前進(jìn)速度v=0.06 m/s時(shí)，利用MATLAB軟件可以求得刀輥轉(zhuǎn)速分別為=120、150、180 r/min時(shí)土垡質(zhì)心的相對(duì)速度（v）隨轉(zhuǎn)角（相對(duì)于切土結(jié)束位置）變化的關(guān)系線圖，如圖5所示。

圖5 運(yùn)土?xí)r不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)心相對(duì)速度

由圖5可知，土垡在刀片上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由刀尖向根部滑動(dòng)的過(guò)程中，由于離心力及滑動(dòng)摩擦力的作用，其相對(duì)刀片的速度逐漸減小，近似線性變化，說(shuō)明在運(yùn)土與拋土過(guò)程中，隨著刀輥轉(zhuǎn)角的變化，阻力矩在減小，單刀運(yùn)土至拋土過(guò)程中功耗也在減小。同時(shí)，也表明運(yùn)動(dòng)過(guò)程中牽連慣性力起主導(dǎo)作用，刀輥轉(zhuǎn)速越大相對(duì)速度斜率越大，表明其相對(duì)速度下降越快。

設(shè)開(kāi)溝過(guò)程中，前一刀片開(kāi)始運(yùn)土，后一刀片剛好開(kāi)始切土，則作業(yè)功耗為兩者之和。綜合式（5）、式（10），可求得作業(yè)功耗的計(jì)算式為

由（12）式可知，在土壤力學(xué)性能確定的情況下，影響旋耕切、拋土功耗的因素主要有旋耕刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如：滑切角、側(cè)切刃長(zhǎng)度，刀輥半徑，刀片數(shù)目）以及機(jī)器的作業(yè)參數(shù)（如：旋耕速比=Rω/v，刀輥轉(zhuǎn)速及機(jī)器前進(jìn)速度v等）。

當(dāng)旋耕刀的結(jié)構(gòu)確定時(shí)，影響開(kāi)溝功率消耗的因素主要為刀輥半徑、刀片數(shù)量、機(jī)器的前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和土垡質(zhì)量。由于土垡質(zhì)量≈寬，=[3,8]，可知當(dāng)開(kāi)溝寬度寬一定時(shí)，功率消耗主要與機(jī)器前進(jìn)速度，刀輥半徑、刀片數(shù)目、轉(zhuǎn)速以及開(kāi)溝深度有關(guān)，而刀輥直徑和刀片數(shù)直接決定了刀輥的型式。因此，可以選取前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥型式和開(kāi)溝深度4個(gè)因素作為評(píng)價(jià)影響開(kāi)溝部件功率消耗的指標(biāo)因素。

3 臺(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)臺(tái)的搭建

利用湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究室的土槽試驗(yàn)臺(tái)搭建開(kāi)溝部件功耗試驗(yàn)裝置。功耗試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)臺(tái)支撐小車、電磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速器、扭矩轉(zhuǎn)速顯示儀、扭矩傳感器、傳動(dòng)鏈、中間傳動(dòng)軸、旋耕輪變速裝置、擋土導(dǎo)流裝置、反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開(kāi)溝部件、深度定位裝置、電磁調(diào)速電機(jī)等組成，如圖6所示。

1.試驗(yàn)臺(tái)支撐小車 2.電磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速器 3.農(nóng)機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速顯示儀 4.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 5.鏈傳動(dòng) 6.中間傳動(dòng)軸 7.旋耕輪變速裝置 8.擋土導(dǎo)流裝置 9.反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開(kāi)溝部件 10.深度定位裝置 11.電磁調(diào)速電機(jī)

土槽牽引車的前進(jìn)速度及旋耕刀輥轉(zhuǎn)速由無(wú)級(jí)電磁調(diào)速電機(jī)（11 kW）的調(diào)速器控制。電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)鏈傳動(dòng)傳遞給旋耕輪從而帶動(dòng)刀輥工作；設(shè)計(jì)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與刀輥轉(zhuǎn)速之比為1.9；功耗試驗(yàn)臺(tái)可在土槽牽引臺(tái)車作用下沿導(dǎo)軌滾動(dòng)；電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速等信號(hào)集中顯示在農(nóng)機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速顯示儀上（扭矩傳感器型號(hào)為CYB-80S，量程0～1 kN·m）；開(kāi)溝深度由試驗(yàn)臺(tái)上的深度定位板調(diào)節(jié)；旋耕刀輥通過(guò)插銷固定在刀軸上，可裝拆以安裝不同型式的刀輥。

3.2 參數(shù)確定及測(cè)試原理

功耗試驗(yàn)原理流程圖如圖7所示[19-25]。

圖7 功耗試驗(yàn)原理流程圖

試驗(yàn)過(guò)程中，待機(jī)組穩(wěn)定工作后，由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得旋耕刀輥刀軸扭矩及轉(zhuǎn)速，沿臺(tái)車前進(jìn)方向用數(shù)碼相機(jī)同步錄下顯示儀的讀數(shù)。

在開(kāi)溝部件試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)過(guò)程中，作業(yè)功耗可按公式（13）計(jì)算。

式中為試驗(yàn)過(guò)程中扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的扭矩，N·m；為試驗(yàn)過(guò)程中旋耕刀輥的轉(zhuǎn)速，r/min（由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速除以傳動(dòng)比所得）；為雙旋耕刀輥開(kāi)溝功耗，kW；為傳動(dòng)效率，取0.9。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及開(kāi)溝部件作業(yè)功耗的理論分析結(jié)果，以作業(yè)功耗為試驗(yàn)指標(biāo)，以刀輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、開(kāi)溝深度和刀輥型式為評(píng)價(jià)因素，模擬葡萄園土壤環(huán)境開(kāi)溝（為重復(fù)試驗(yàn)，需事先用一定重量的壓力板對(duì)已耕作的土壤進(jìn)行壓實(shí)，再結(jié)合土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試儀持續(xù)測(cè)定，保證每次試驗(yàn)的土壤堅(jiān)實(shí)度為950 kPa左右，測(cè)得試驗(yàn)土壤的含水率為21.7%，與葡萄園土壤環(huán)境基本相符），進(jìn)行單因素試驗(yàn)和4因素3水平正交試驗(yàn)[26-28]。

相關(guān)試驗(yàn)研究表明，在其他條件一定的情況下，適當(dāng)增大切土節(jié)距可以使得功耗降低[3]。由于=/，因此，當(dāng)、一定時(shí)，減小可以使得增大，或、一定時(shí)，增大亦可增大。由此可見(jiàn)，同一直徑、不同刀片數(shù)或不同直徑、同一刀片數(shù)的刀輥型式對(duì)功耗的影響不同?？紤]到1K-50開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)可開(kāi)溝深度為0.5 m，實(shí)際開(kāi)溝深度約為0.1～0.3 m，按照經(jīng)驗(yàn)公式=（1.2～1.4）估算[2]，試驗(yàn)過(guò)程中選用刀輥直徑為0.42和0.6 m，刀片數(shù)分別為4和8片作為刀輥型式的指標(biāo)參數(shù)，具體布置如表3所示。

表3 刀輥型式說(shuō)明

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 功耗試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

結(jié)合前述1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)的旋耕刀輥結(jié)構(gòu)及參考文獻(xiàn)描述[18]，對(duì)于輕型和中型林果園土壤，開(kāi)溝機(jī)刀輥線速度建議值為4～6 m/s，考慮到不同的刀輥直徑，試驗(yàn)選取刀輥轉(zhuǎn)速范圍為90～210 r/min；通過(guò)對(duì)葡萄園農(nóng)戶的調(diào)研及果園開(kāi)溝機(jī)市場(chǎng)的研究分析，開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)的前進(jìn)速度為0.06～0.08 m/s，試驗(yàn)選取前進(jìn)速度范圍為0.05～0.08 m/s；由于開(kāi)溝機(jī)在葡萄園的實(shí)際開(kāi)溝深度約為0.1～0.3 m，考慮到刀輥轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度的取值范圍，為確保完成既定開(kāi)溝深度，應(yīng)適當(dāng)縮小取值范圍，試驗(yàn)選取開(kāi)溝深度范圍為0.1～0.2 m；同一刀輥的單因素試驗(yàn)均選用1型刀輥。

以功耗為試驗(yàn)因素，選取刀輥轉(zhuǎn)速=180 r/min、前進(jìn)速度v=0.06 m/s、開(kāi)溝深度=0.1 m、1型刀輥為4個(gè)水平值。即轉(zhuǎn)速–功耗的單因素試驗(yàn)采用1型刀輥，在前進(jìn)速度為0.06 m/s、開(kāi)溝深度為0.1 m情況下進(jìn)行；前進(jìn)速度–功耗的單因素試驗(yàn)采用1型刀輥，在轉(zhuǎn)速為180 r/min、開(kāi)溝深度為0.1 m的情況下進(jìn)行；開(kāi)溝深度-功耗單因素試驗(yàn)采用1型刀輥，在轉(zhuǎn)速為180 r/min、前進(jìn)速度為0.08 m/s的情況下進(jìn)行的；刀輥型式–功耗單因素試驗(yàn)是在前進(jìn)速度為0.06 m/s、開(kāi)溝深度為0.1 m，不同轉(zhuǎn)速和刀輥型式情況下進(jìn)行的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Origin軟件處理后得到以下圖形，如圖9所示。

圖9 單因素試驗(yàn)影響關(guān)系圖

從上述關(guān)系圖中不難看出，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件下，開(kāi)溝部件的功率消耗隨著各影響因素值的增大而增大。其中圖9a可以看出，隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大，功耗隨之增大，當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為120～180 r/min時(shí)，功耗值近似線性變化；從圖9b中可以看出，當(dāng)前進(jìn)速度為0.06～0.08 m/s時(shí)，功耗的變化最顯著；從圖9c可以看出，隨著開(kāi)溝深度增加（0.1～0.2 m），刀輥的功耗均也隨之增大。圖9d可以看出，在相同轉(zhuǎn)速情況下，1型刀輥是3種類型刀輥中所需切土功耗最大的，2型次之，3型最小。

3.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為了考察各因素對(duì)功耗的影響，減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用L9(34)正交表，作4因素3水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平布置如表4。

表4 正交試驗(yàn)因素和水平

每組試驗(yàn)測(cè)試2次，共完成18組試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

為分析各影響因素間的主次關(guān)系，對(duì)功耗結(jié)果取平均值后進(jìn)行極差分析，如表6。

表6 正交試驗(yàn)極差分析

分析表5的功耗值和表6中值可知，影響開(kāi)溝部件功率消耗的因素主次順序?yàn)榈遁佇褪剑厩斑M(jìn)速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開(kāi)溝深度，其中刀輥型式是影響開(kāi)溝功耗的主要因素，其次是刀輥轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度，而開(kāi)溝深度的大小相對(duì)前三者影響相對(duì)較小?？紤]到功耗越小越好，試驗(yàn)求得各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的最優(yōu)方案為3111，即采用3型刀輥，以120 r/min旋轉(zhuǎn)，前進(jìn)速度為0.06 m/s，開(kāi)溝深度為0.1 m時(shí)，功耗最低。

3.3.3 正交試驗(yàn)方差分析

由于極差分析不能體現(xiàn)室內(nèi)土槽試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量中必然存在的誤差大小，因此，利用SPSS軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表7所示。

表7 正交試驗(yàn)方差分析

注：“*”顯著；“**”極顯著。

Note: “*”shows significant; “**”shows extremely significant.

由表7可見(jiàn)，刀輥型式、前進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速因子水平的改變對(duì)功耗的影響為極顯著。試驗(yàn)結(jié)果的方差分析所得因素主次關(guān)系與上述極差分析所得結(jié)論相同，說(shuō)明極差分析的結(jié)果準(zhǔn)確，誤差影響不大。

由于分析出來(lái)的最優(yōu)方案未在正交試驗(yàn)已經(jīng)做過(guò)的9組試驗(yàn)中出現(xiàn)，與它較接近的是第4組試驗(yàn)（3122），雖然和不是處于最好的水平，但和對(duì)功耗的影響在4個(gè)因素中是最小的，從實(shí)際結(jié)果來(lái)看，第4組試驗(yàn)結(jié)果的功耗最小，說(shuō)明選擇該方案作為較優(yōu)方案符合實(shí)際，再考慮到功耗的影響因素較多以及田間試驗(yàn)的復(fù)雜性，取第4組試驗(yàn)參數(shù)為最優(yōu)方案[29-30]。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

已知機(jī)器開(kāi)溝寬度為0.25 m，刀片滑切角均為30°，測(cè)得刀片單側(cè)切削幅寬≈0.1 m，試驗(yàn)土壤密度≈1 800 kg/m3，土壤粘著系數(shù)C≈8.0 kPa，刀片和土壤的摩擦系數(shù)K≈0.32，切土阻力系數(shù)K≈1.85 kPa。利用L9(34)正交表，將上述臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)因素水平值分別代入到公式（12），利用MATLAB軟件對(duì)解析式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表8所示。

表8 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與極差分析

由表8的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析可知：對(duì)開(kāi)溝部件功耗的影響因素中，刀輥型式＞前進(jìn)速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開(kāi)溝深度，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相同。

對(duì)比相同因素值下表5和表9中的功耗數(shù)據(jù)，求得開(kāi)溝部件在相同作業(yè)條件下，功耗數(shù)值計(jì)算的理論值與臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間相對(duì)誤差分別為9.23%、4.64%、5.97%、2.00%、12.86%、1.84%、7.60%、7.38%、12.77%，驗(yàn)證了該功耗分析模型具有較高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部件進(jìn)行功耗的理論分析與試驗(yàn)研究，得到的結(jié)論如下：

1）建立了分析雙旋耕刀輥開(kāi)溝部件功耗的切土，運(yùn)、拋土力學(xué)模型，得到了開(kāi)溝部件功耗與整機(jī)工作參數(shù)、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)以及土壤力學(xué)性能之間的函數(shù)關(guān)系。

2）搭建了基于土槽試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)溝部件功耗測(cè)試裝置，模擬土壤堅(jiān)實(shí)度為950 kPa的土壤環(huán)境，進(jìn)行單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)。測(cè)得旋耕刀輥在不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下的功率消耗，得到影響開(kāi)溝部件功率消耗的因素主次順序?yàn)榈遁佇褪剑厩斑M(jìn)速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開(kāi)溝深度，其功耗較優(yōu)參數(shù)組合可選取3122方案，即采用3型刀輥，刀輥轉(zhuǎn)速為150 r/min，前進(jìn)速度為0.06 m/s，開(kāi)溝深度為0.15 m，測(cè)得此時(shí)開(kāi)溝部件的平均功率消耗約為1.22 kW。

3）將試驗(yàn)臺(tái)正交試驗(yàn)方案各參數(shù)水平值代入功耗解析式，利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，得到影響功率消耗因素的主次關(guān)系與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相同，求得功耗理論值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差最大為12.86%，最小為2.00%，驗(yàn)證了功耗理論模型具有較高的準(zhǔn)確性。

考慮到功耗的影響因素較多以及預(yù)制土壤進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的復(fù)雜性，文中未對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的最優(yōu)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，還存在不完善之處，有待下一步的測(cè)定與分析。

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Analysis and experiment on influencing factors on power of ditching parts for 1K-50 orchard ditching

Liu Dawei1,2, Xie Fangping1,2, Ye Qiang1, Ren Shuguang1,2※, Li Xu1,2, Liu Minzhang1

(1410128;2410128)

1K-50 orchard ditching machine with the characteristics of compact structure and convenient operation and transfer has been developed to use in the low and narrow environment of orchards in southern China, which operated in the way of double rotary tillage wheel structure and reverse rotary cutting of soil. In the application process of 1K-50 orchard ditching machine, it was found that the machine could meet the requirement of maximum ditching depth 0.5 m in orchards with small soil solidity, while in vineyards with large soil solidity, the maximum ditching depth was about 0.2 m, and there was aggravated machine vibration. It is necessary to explore the factors which have an effect on the process of cutting and throwing soil, and then optimize the working parameters and structural parameters of the knife roller. In this paper, a mechanical model of cutting, transporting and throwing soil was established to analyze the power consumption of the ditching parts, and obtain the functional relationship between the power consumption of the ditching parts and the working parameters of the whole machine, the structural parameters of the knife roller and the mechanical properties of the soil. A testing device for power consumption of trenching components based on soil tank test bench was built to simulate the soil environment of vineyard with the solidity of 950 kPa. Roller speed, forward speed, ditching depth and type of the knife roller as test factors were selected, and effects of the factors on power consumption were studied under different structural parameters and working conditions by the single factor test, and four-factor and three-level orthogonal experimental design. The factors affecting power consumption of ditching components in order were the type of knife rollers > forward speed > speed of knife rollers > depth of ditching. Through range analysis of data, the optimal combination of parameters for power consumption was obtained by the3type knife roller, the speed of the knife roller of 150 r/min, the forward speed of 0.06 m/s and the ditching depth of 0.15 m. Under the optimal combination parameters, the average power consumption of the ditching parts is about 1.22 kW. The horizontal values of each group of test factors in the orthogonal test table were substituted into the power consumption analytic formula. The power consumption values were calculated numerically by using the software of MATLAB, and the range analysis was carried out. The primary and secondary order of the factors affecting power consumption was the same as that of the bench test results. Under the same conditions, the power consumption between the numerical calculation values and the bench test values were obtained. The maximum and the minimum relative errors were 12.86% and 2.00% respectively. It verified that the theoretical model of power consumption had high accuracy. The research can provide the reference for improving the machine and designing the small-scale trencher in forest orchard.

agricultural machinery; power consumption; experiment; orchard ditching machine; ditching parts

劉大為，謝方平，葉 強(qiáng)，任述光，李 旭，劉敏章. 1K-50型果園開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部件功耗影響因素分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(18)：19－28.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.003 http://www.tcsae.org

Liu Dawei, Xie Fangping, Ye Qiang, Ren Shuguang, Li Xu, Liu Minzhang. Analysis and experiment on influencing factors on power of ditching parts for 1K-50 orchard ditching[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 19－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.003 http://www.tcsae.org

2019-06-12

2019-08-24

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（16B118）；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016NK2120）

劉大為，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。Email：liudawei8361@163.com

任述光，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助分析，Email：shgren2005@yahoo.com.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.003

S222.3

A

1002-6819(2019)-18-0019-10