夏敏，孫鵬，孔皓，寧旺云

(云南農業(yè)大學機電工程學院，云南 昆明 650201)

馬鈴薯是我國繼小麥、水稻、玉米之后的第四大作物[1]，在新形勢下，馬鈴薯在促進地方經濟發(fā)展、增加農民收入等方面持續(xù)發(fā)揮著重要作用[2].云南省作為馬鈴薯生產大省，高原獨有的氣候條件非常適合其生長，該地區(qū)是我國馬鈴薯種植主要產區(qū)之一[3].云南省馬鈴薯的干物質含量和淀粉含量高、還原糖含量低以及綠色無污染等特點逐漸使云南成為了世界公認的馬鈴薯種植適宜區(qū)和加工型馬鈴薯生產區(qū)[4].中耕是馬鈴薯生產的重要環(huán)節(jié)[5]，主要作用是疏松土壤，提高土壤蓄水率和土壤溫度，擴大匍匐莖活動空間，減少匍匐莖生長阻力，從而促進馬鈴薯生長.近年來國內外針對農業(yè)機械方面做了大量研究，如馬彩龍等[6]設計了1種針對我國北方旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播種植模式下的新型玉米秸稈揉絲機,該機工作性能可靠，能夠有效提高玉米秸稈的揉絲質量，其各項指標均符合玉米秸稈揉絲機的設計要求.張學軍等[7]設計了1種氣吸式落地紅棗撿拾機，結果表明該機的傷棗率為0.93%，含雜率為3.56%.彭曼曼等[8]針對我國傳統(tǒng)中耕機械存在的碎土效果不理想、易纏繞堵塞的特點,設計了1種驅動式馬鈴薯中耕機.我國的研究較為典型的大型中耕機械有山東五征研制的3ZM-4馬鈴薯中耕機[9]、黑龍江德沃科技公司研制的3ZF-5型馬鈴薯中耕施肥機、中機美諾研制的1304馬鈴薯中耕機[10]，主要以大型機械為主，不能適應丘陵山地中耕作業(yè)實際需求.在國外意大利伐爾帕達那等公司設計了1種旋轉單體式的寬幅中耕機，試驗表明，該機滿足作物培土的農藝要求[11].Richard將一種增強型玻璃纖維塑料應用在農用機械上，可以一定程度上增長刀具使用年限[12].Adarsh優(yōu)化了機具的設計，應用于小型農業(yè)耕耘機械[12].Vincent改進了雙輪拖拉機結構并研發(fā)配套的機具使得該機械更好地適應小地塊中的機械作業(yè)[14].Senanarong等通過改裝1臺手扶拖拉機，適用于小地塊微耕機的作業(yè)[15].

云南省因地形因素制約，大部分馬鈴薯都種植在淺山、半淺山地區(qū)，絕大多數馬鈴薯種植仍然采用傳統(tǒng)的鐵鏟挖，人工點種，鎬頭刨薯的人工種植方式[16].隨著農村勞動力轉型和勞動生產成本逐步提高，提高馬鈴薯全程機械化的生產水平對促進馬鈴薯生產具有重大意義[17].因此，本文針對云南特殊地理環(huán)境特點，在滿足馬鈴薯中耕、施肥農藝要求的前提下，設計了1種中耕施肥機，該機具與傳統(tǒng)中耕機械相比體積小、重量輕、排肥位置可調，能一次完成中耕過程中所需松土、施肥、培土及筑壟功能，且施肥作業(yè)效果穩(wěn)定可靠，為馬鈴薯生產的長期發(fā)展提供農機具保障.

1 總體機構和工作原理

1.1 總體機構

整機的設計主要針對云南省單壟雙行種植模式下的秋季馬鈴薯，該模式的壟間距90 cm，壟高25 cm.中耕時要做到不得損傷作物主根，干濕土基本不混合；中耕施肥時，肥料分布均勻，覆蓋嚴密；中耕后溝壟整齊，壟形飽滿，除草干凈，培土嚴密.

中耕施肥機的設計要求動力足、結構緊湊，能一次性完成中耕施肥作業(yè)；除了具有施肥、除草、松土、培土等必要功能，還要將中耕和施肥結合.總體機構主要包括發(fā)動機、傳動機構、變速機構、碎土機構、排肥機構、培土機構、機架和操縱機構等.排肥機構包括肥料箱、外槽輪式排肥器、肥料箱支撐架、地輪、鏈傳動；碎土機構包括碎土刀具總成、中間變速箱總成、碎土刀具支撐架，其總體結構如圖1-A主視圖，圖1-B軸測圖所示.

1：操縱機構總成；2：施肥機構總成；3：培土機構總成；4：碎土機構總成；5：傳動總成；6：變速總成；7：發(fā)動機；8：機架.1：Operating mechanism assembly；2：Assembly of fertilizer applicator； 3： Earthwork assembly；4：Earth breaker assembly； 5：Transmission assembly；6：Gear change assembly；7：Engine； 8：Machine frame圖1 整機設計Figure 1 Operator design

1.2 工作原理

機具以汽油機為動力源，經過一級變速箱和二級可調速變速箱調速后，將動力傳遞給旋耕刀軸，利用旋耕刀軸所做的回轉切削運動，打碎耕作層土壤，并將切下的土壤拋向后方，撞擊擋泥板，進一步破碎再落到地面.該設計在傳統(tǒng)中耕機的基礎上加裝施肥裝置和培土器裝置.施肥裝置以地輪轉動為動力源，靠鏈條傳動帶動排肥器旋轉，將肥料施灑到指定位置，然后通過培土器的作業(yè)一次性完成培土及筑壟.

2 關鍵部件設計與結構參數確定

2.1 中耕機動力裝置的選型

中耕機動力裝置，選型的依據是整機功率消耗，計算中耕機的總功率消耗公式為：

N=Nq+Np+Nt+Nf+Nn

式中，Nq為碎土消耗的功率；Np為拋土消耗的功率；Nt為前進消耗的功率；Nf為傳動與摩擦消耗的功率；Nn為克服土壤水平反力消耗的功率.其中碎土比阻的大小是由土壤堅實度、土壤含水率、切土節(jié)距、耕深等共同決定.查找相關文獻并實地測量云南省馬鈴薯中耕的實際情況，發(fā)現中耕施肥作業(yè)時最大坡度為30°，碎土深度取15 cm，中耕施肥機在工作過程中，主要包括以下幾種路況：上坡、下坡、平地、轉向.其中上坡時消耗功率最大，本設計取碎土比阻為4.3 N/cm2，計算整機功率消耗為：

N=krBHvm=0.1krBHvmsin30°

中耕施肥機在實際工作過程中，重心越高，平穩(wěn)性越差，為了保證整機平衡性最大程度適應丘陵山地作業(yè)，需要控制重心的高度，提高設備運行過程的穩(wěn)定性；在中耕機消耗的總功率中，切土、拋土以及機械傳動上消耗和覆土所占比重較大，前者約占總功率的35%～55%，后者約占25%～30%.為了降低重心高度，保證輸出功率本文選定224 cc垂直軸汽油發(fā)動機，功率為10.0 kW，額定轉速為3 000 r/min.

2.2 培土器設計

培土器[18]主要作用是進行培土鎮(zhèn)壓.馬鈴薯種植過程中對培土作業(yè)要求為培土嚴密，培土深度穩(wěn)定，盡量保證壟型，干濕土基本不混合，培土量可調，培土時不拖堆、不纏草，所以設計為鏵式培土器，如圖2所示.該設計采用單桿單點鉸連式仿形機構設計，從而滿足馬鈴薯中耕的農藝要求.分土板采用曲面設計，成壟效果好，不容易黏土，工作阻力小.地輪深度調節(jié)桿可根據機器作業(yè)實際情況調節(jié)地輪深度；培土器切入角設計為可調，主要是為了降低起伏的山地丘陵對培土作業(yè)的影響，保證耕深穩(wěn)定性，在原來角度的基礎上增加后側翼板的調節(jié)，可調范圍為(0±15)°.

1：深度調節(jié)桿；2：分土板；3：三角鏵；4：限深輪培土寬度調節(jié)桿；5：后側翼板；6：限深輪調節(jié)桿；7：培土寬度調節(jié)桿.1：Depth Adjustment Rod；2：Parts Earth Plate；3：triangle share；4:limit deep wheel earth-up Width Adjustment Rod；5：Rear Wing Plate；6:Limit Deep Wheel Adjustment Rod；7:Earth-up Width Adjustment Rod.圖2 新型培土器Figure 2 New type of earthenware

2.3 施肥裝置設計

施肥裝置以地輪為動力源，通過鏈條傳動帶動排肥器旋轉，肥料經排肥管道撒施到壟面上，排料管道位置可根據作業(yè)實際情況進行調整，施肥最小寬度為55 cm，雙側最大調節(jié)范圍為20 cm，可以最大程度上適應不同栽培行距，施肥示意圖如圖3所示.

排肥器是決定馬鈴薯施肥質量的關鍵部件，排肥器的選擇主要考慮肥料的特性，經過實地調查研究，肥料多為復合肥，為暗白色橢圓形固體顆粒、無毒、微溶于水、微刺鼻性，密度1 g/cm3，顆粒直徑范圍為1～5 mm.其自然休止角經試驗測量，結果如表1所示，均值為28.86°.

1：肥料箱；2：肥料隔板；3：外槽輪排肥器；4：肥料箱支撐架；5：軟管；6：軟管卡口；7：地輪；8：連接銷孔；9：鏈條；10：機架.1:Fertilizer box；2:Fertilizer clapboard；3:Outer grooved wheel fertilizer discharger；4：Fertilizer box support frame；5：Hose；6：Hose bayonet；7:Ground wheel；8:Connecting pin hole；9：Chain；10：Rack.圖3 施肥裝置示意圖Figure 3 Diagram of fertilizer device

表1 休止角測量

考慮到肥料特性和排肥器性能，本設計選擇外槽輪式排肥器，排肥輪為6槽，排肥槽工作長度為20 mm，排肥舌采用常用的平端排肥舌，為了提高排肥穩(wěn)定性，工作過程中排肥軸轉速盡量控制在25～70 r/min.該排肥器的選擇調節(jié)性能好、工作阻力低、具有一定的防腐耐磨性和適應性，不易出現架空和堵塞現象.

2.4 碎土刀具的選型

中耕機碎土刀作業(yè)時，碎土刀的絕對運動由刀片旋轉和機器前進兩種運動矢量合成，運動軌跡是一條擺線.刀輥的旋轉中心作為原點，建立直角坐標系，碎土刀端點部分的運動如圖4所示.

碎土刀具的選型主要考慮刀具的耕作環(huán)境和土壤特性.云南省的耕地土壤多為紅壤和黃壤土，黏重土壤有245 hm2，土壤比阻較大，耕作性能差.在選用刀具時應選用堅固的彎型刀具，彎型刀具有滑切作用，碎土效果較好，不易出現漏耕現象，還能對土壤進行切削又有較強的翻土覆蓋性能，一定程度上也能對雜草進行切碎.刀具的彎曲角度為100°，刀片長度為28.5 cm，在切削土壤過程中，側切刃先沿縱向切入土壤，再由正切刃橫向切開土壤，可切斷草莖，不易纏草，能最大程度上疏松土壤，提高蓄水率和溫度，減少匍匐莖生長阻力，從而促進馬鈴薯生長.

圖4 碎土刀端點運動曲線圖Figure 4 Movement curve of the end point of the cutter Device

在刀具安裝過程中，為了保持機組前進方向，減小刀輥軸承的軸向沖擊載荷，延長使用壽命，刀具排列方式采用左、右刀輥螺旋線對稱排列，刀具交替入土從而減小機組在水平面內的偏轉力矩.這種排列方式保證了各刀切土節(jié)距力接近和碎土的均勻性，切土過程中阻力的平衡性.

3 碎土刀具工作過程的分析

3.1 碎土刀具工作過程仿真分析

碎土刀具與土壤接觸會造成腐蝕和磨損，容易發(fā)生斷裂失效.因此需要對碎土刀具做出安全性評價試驗，但傳統(tǒng)方式試驗周期長、成本高，危險性大，可操作性差、試驗信息采集困難等，本文采用動力學仿真方法對其進行安全性評價.由于碎土刀模型結構復雜，直接在ANSYS中建模比較困難，所以本文先根據現有碎土刀三維實體模型和碎土刀的參數包括側切刃、過渡刃、回轉半徑、工作幅寬、正切面彎折角、側切刃終點半徑，采用Solid Works建立三維模型再通過修改文件格式導入ANSYS中.由于土壤模型比較簡單，所以直接在導入刀具模型中建立土壤模型，如圖5所示.

刀具的材料設置為65Mn，材料參數和運動設置如表2所示.結合云南丘陵氣候、地質條件以及土壤特性，本文土壤采取 LS-DYNA 中的MAT147，基本物理參數如表3所示.

根據碎土刀具實際作業(yè)情況，設置相關約束條件和運動參數后生成K文件，檢查后提交計算求解.模型的求解時間比較長，按照本次仿真內容進行設置，單組求解時間約為50 h.

圖5 導入刀具模型Figure 5 Import Tool Model

表2 碎土刀具參數

表3 土壤基本物理特性參數

3.2 分析結果

刀具在工作過程中，側切刃先與土壤接觸，碎土刀側切刃帶動接觸處土壤運動，隨著時間增加，刀輥旋轉前進，碎土刀具與土壤接觸面積越來越大，接觸點增多，刀片周圍的土壤粒子受到碎土刀的剪切和擠壓作用而沿著碎土刀表面散開，產生運動和變形，土壤被破壞.

在LS-DYNA971求解結束后，用前后處理軟件LS-PREPOST查看碎土刀具切削土壤的動畫顯示效果，研究碎土刀具與土壤SPH粒子的運動情況，提取仿真結果如圖6所示.

碎土刀棍在切削土壤過程中的切削受力如圖7所示，切削力矩如圖8所示.從圖中可以看出在碎土刀具開始切入土壤時，切削力和切削力矩曲線呈周期性變化，切削能量波動逐漸趨近與穩(wěn)定.碎土刀具工作過程中隨著時間的增加，碎土刀具與土壤接觸面積逐漸變大，耕深不斷上升，被切削土壤不斷增多，土壤SPH粒子被碎土刀具切削.在這個過程中切土能量一直持續(xù)增加，刀具碎土效果良好，符合刀輥實際工作情況.

圖6 仿真結果圖Figure 6 Simulation results

圖7 切削力曲線Figure 7 Cutting force curve

圖8 切削力矩曲線Figure 8 Cutting moment curve

4 中耕施肥機試驗

4.1 田間試驗

田間試驗主要測試中耕施肥機工作性能，評估中耕機松土、培土、除草、施肥效果是否符合馬鈴薯中耕作業(yè)農機、農藝要求.由于該機具主要針對丘陵山地小型地塊作業(yè)，因此試驗地選擇不易過大，選擇的試驗地長約150 m，寬約60 m；選擇遠離房屋、道路、水塘的開闊農田，土壤類型為紅壤土，土壤堅實度為101.2 kPa，含水率約11.2%，地表溫度17 ℃左右；盡量保證肥力均勻一致，作物生長勢基本一致.

4.2 試驗設計

中耕試驗的作業(yè)效果主要取決于機器前進速度、中耕深度、培土器切入角，當機器前進速度增加時，其碎土率下降，除草率變化較小；中耕深度增加，其碎土率和除草率都下降；培土器切入角上升其除草率增加，因此選擇機器前進速度、中耕深度、培土器切入角作為3個影響因素.

通過試驗測試機器前進速度、中耕深度、培土器切入角3個因素變換時，碎土率和除草率變化情況.其中碎土率主要是計算中耕后單位樣方點內直徑小于25 mm土塊質量占總質量的比率；除草率的計算主要參考《旱田中耕追肥機試驗方法》中的相關規(guī)定，求測量樣方點內試驗前和試驗后雜草數目，通過計算試驗前后雜草數目的變化量占試驗前雜草總數目的百分比，并采取正交方法[19]對試驗結果進行分析，3個因素設置見表4.

表4 因素及水平

4.3 結果與分析

4.3.1 中耕結果與分析 整機的試驗結果見表5，對表5的試驗結果進行極差[20]和方差[20]分析，結果見表6～7.

表5 試驗測試結果

由于FB>F0.01，因此因子B是極顯著的；由于F0.01>FC>F0.05，因此C是顯著的；由于FA>A0.05，因此A是顯著的.即機器前進速度、中耕深度和切入角對碎土率影響都顯著，得出影響因素的主次順序為B>C>A.

表6 正交試驗極差分析

表7 正交試驗方差分析

由于FC>F0.01，因此因子C是極顯著的；由于FC>F0.10，因子A是不顯著的；由于F0.95>FB>F0.1，因子B有一定影響.即切入角對除草率影響顯著，機器前進速度對除草率不影響，而中耕深度對除草率有一定影響，所以得出影響除草率因素的主次順序為C>B>A.

綜合分析，中耕施肥機在工作過程中，中耕深度對碎土率影響最大，其次是切入角、中耕速度；切入角對除草率影響最大，其次是中耕深度、中耕速度，在保證中耕作業(yè)效率的前提下，由綜合平衡法得到的最優(yōu)組合為C3B2A3.但考慮實際工作效率，以機器前進速度0.23 m/s工作時，中耕作業(yè)效果最好但中耕作業(yè)效率較低，若以0.30 m/s工作時，對碎土率和除草率影響不大，且較為明顯的提高了工作效率，基本符合實際工作需要.因此，最終優(yōu)選組合為C3B2A2，即中耕深度為12 cm，切入角為15°，機器前進速度為0.30 m/s.

4.3 施肥結果與分析

施肥性能測定結果如表8所示，從表中可以看出，中耕施肥機在工作過程中施肥量穩(wěn)定可靠，施肥深度受到工作條件影響，有一定波動，但施肥量均穩(wěn)定在80%以上，符合中耕施肥作業(yè)需求.

5 結論

1) 本文針對云南省特殊地理環(huán)境研究的馬鈴薯中耕施肥機作業(yè)后壟性參數基本達到設計要求，肥料能撒施在指定位置，適用于云南黏重土壤特性，能一次完成中耕過程中所需松土、施肥、培土及筑壟功能.

表8 施肥結果參數表

2) 采用綜合平衡法得到最優(yōu)組合的中耕深度為12 cm，切入角為15°，機器前進速度為0.30 m/s，采用該方案多次試驗，結果證明碎土率和除草率高，施肥效果好.

3) 田間試驗結果表明，中耕施肥機在工作過程中施肥量穩(wěn)定可靠，施肥深度受到工作條件影響，有一定波動，但施肥量均穩(wěn)定在80%以上，符合中耕施肥作業(yè)需求.