鄭 侃 李宇飛 夏俊芳 劉國陽 程 健 康啟新

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

旋耕是長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)小麥種植的主要耕作方式。該農(nóng)業(yè)區(qū)雨水充沛，降雨較為集中，需開出廂溝，從而達(dá)到明水自流、暗水自降、雨住田干、降低漬害的目的[1-3]。因此，開溝常與旋耕聯(lián)合作業(yè)。

近年來，國內(nèi)外旋耕刀輥設(shè)計(jì)多采用組合式刀輥、等螺旋升角排列，以提高耕整質(zhì)量。如楊慶璐等[4]為實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的有效掩埋，設(shè)計(jì)了旋耕刀與伸縮桿組合式刀輥，在同一切土小區(qū)安裝4把等螺旋升角排列的旋耕刀；張春嶺等[5]研制了六頭螺旋秸稈還田耕整機(jī)刀輥，旋耕刀采用四頭螺旋線排列，二次切刀采用兩頭螺旋線排列；LEE等[6]基于水稻直播模式，設(shè)計(jì)了一種圓盤刀與旋耕刀組合式刀輥，提高了種帶土壤破碎率；祝英豪等[7]優(yōu)化了螺旋橫刀與旋耕刀組合排列方式，形成人字型旋埋刀輥；ZHENG等[8]根據(jù)深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)深松后的土壤緊實(shí)度分布特征，設(shè)計(jì)了長短刀組合式旋耕刀輥，降低了機(jī)具振動(dòng)，提高了地表平整度。

在旋耕拋土、運(yùn)土方面，相關(guān)學(xué)者通過仿真、臺架試驗(yàn)、高速攝像等手段，揭示旋耕作業(yè)過程。方會(huì)敏等[9-10]基于離散元法分析得出，提高旋耕轉(zhuǎn)速可增加土壤水平運(yùn)動(dòng)位移與側(cè)向運(yùn)動(dòng)位移，增大土壤拋撒范圍；MATIN等[11-12]通過高速攝像分析旋耕刀作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，普通旋耕刀側(cè)向拋土量大，回填量小，而旋耕直刀則相反，并以此為目標(biāo)優(yōu)化了旋耕直刀；ZHAO等[13]采用離散元法進(jìn)行土槽試驗(yàn)，對比了不同形狀的平面刀片，結(jié)果表明，阿基米德螺旋刀片拋土量最大，正弦指數(shù)螺旋葉片拋土量最小，兩者隨著滑切角的增加，拋土量減少；王金峰等[14]建立了還田刀與土壤間的動(dòng)力學(xué)模型，研究各參數(shù)對還田刀拋土能力的影響規(guī)律，優(yōu)化了還田刀結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。目前，旋耕機(jī)常用旋耕刀輥多為等螺旋升角排列，同一切土小區(qū)旋耕刀朝向相反，刀輥拋土性能突出，軸向勻土性能較弱。在長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)，廂溝犁開出廂溝后，溝內(nèi)土壤堆積在廂面兩側(cè)，旋耕后廂體兩側(cè)土壤高、中部低，地表平整度差，播種鎮(zhèn)壓后廂體兩側(cè)土壤密實(shí)、中部松散，軸向土壤分布均勻性差，易造成小麥長勢不均勻、雨季廂體中部積水漬害嚴(yán)重。

為提高旋耕刀輥軸向勻土性能，本文結(jié)合長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)小麥耕種農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種漸變螺旋升角軸向勻土刀輥。分析旋耕刀軸向運(yùn)土力學(xué)條件，建立旋耕刀擾土體積參數(shù)方程和漸變螺旋升角旋耕刀排列螺旋線方程，確定影響勻土性能的關(guān)鍵因素?；陔x散元法獲取勻土刀輥?zhàn)顑?yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)小麥種植開溝旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，開溝旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)由廂溝犁、擋土板、懸掛架、機(jī)架、變速箱與勻土刀輥組成。左、右勻土刀輥對稱安裝在整機(jī)上，旋耕刀由外側(cè)向內(nèi)側(cè)按照漸變螺旋升角排列在刀軸上；同一切土小區(qū)兩把旋耕刀夾角180°，朝向均向內(nèi)側(cè)。

1.2 工作原理

勻土刀輥工作原理圖如圖2所示。工作時(shí)，開溝旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)勻速直線運(yùn)動(dòng)，兩廂溝犁在未耕區(qū)開出兩條廂溝，并將廂溝土壤扣在廂面兩側(cè)；拖拉機(jī)通過后輸出軸、聯(lián)合作業(yè)機(jī)變速箱帶動(dòng)勻土刀輥正轉(zhuǎn)(與拖拉機(jī)輪子轉(zhuǎn)向相同)，旋耕刀對未耕區(qū)與廂溝土壤進(jìn)行剪切、撕裂、后拋?zhàn)饔?，同時(shí)因勻土刀輥由外側(cè)向內(nèi)側(cè)旋耕刀排列的螺旋升角逐漸減小以及同一切土小區(qū)兩把旋耕刀朝向均向內(nèi)，使未耕區(qū)廂面兩側(cè)廂溝土壤不斷向機(jī)具中部運(yùn)移；土壤在勻土刀輥、擋土板的作用下運(yùn)動(dòng)，最終形成平整、細(xì)碎、土壤軸向分布均勻的已耕區(qū)。

2 力學(xué)分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

分析勻土刀輥旋耕刀擾土量、作用土壤力學(xué)以及螺旋線排列，得到擾土體積數(shù)值解、軸向運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件及漸變螺旋升角排列螺旋線方程，確定影響勻土刀輥勻土性能的關(guān)鍵因素，為優(yōu)化仿真研究奠定基礎(chǔ)。

2.1 勻土刀輥旋耕刀擾土量分析

在耕作過程中，旋耕刀擾土量直接影響刀輥軸向勻土性能，因此需構(gòu)建旋耕刀擾土體積參數(shù)方程，分析旋耕刀單周期內(nèi)擾土體積影響因素。首先求得同一切土小區(qū)單把旋耕刀周期內(nèi)切土面積，建立刀輥某一瞬時(shí)刀軸中心O的坐標(biāo)系，如圖3a所示，x軸為機(jī)具前進(jìn)方向、y軸為垂直地面方向。為有效切削土壤，旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡為前進(jìn)與旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)合成，且符合余擺線要求。單把旋耕刀周期內(nèi)切土面積S包括點(diǎn)P1、P2、P′1圍成的曲邊三角形面積S1，點(diǎn)P1、P′1、P′3、P3圍成的矩形面積S2，并去除點(diǎn)P3、P4、P′3圍成的曲邊三角形面積S3。其中點(diǎn)P1為刀端某一周期第1次入土點(diǎn)，點(diǎn)P2為刀端兩次周期運(yùn)動(dòng)交點(diǎn)(第1次轉(zhuǎn)動(dòng))，點(diǎn)P3為刀端相同周期第2次入土點(diǎn)，點(diǎn)P4為刀端兩次周期運(yùn)動(dòng)交點(diǎn)(第2次轉(zhuǎn)動(dòng))，P1P2曲線方程為y1(x)，P3P4曲線方程為y2(x)，點(diǎn)P′1、P′3分別為過點(diǎn)P1、P3垂線與溝底線的交點(diǎn)。單把旋耕刀周期內(nèi)切土面積S為

(1)

式中h——耕深，mm

R——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，mm

x1、x2、x3、x4——點(diǎn)P1、P2、P3、P4x軸坐標(biāo)，mm

由圖3a可知旋耕刀端點(diǎn)軌跡參數(shù)方程為

(2)

式中vm——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

ω——旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——時(shí)間，s

聯(lián)立式(1)得到單把旋耕刀周期內(nèi)切土面積S參數(shù)方程為

h(Rcos(ωt3)+vmt3-Rcos(ωt4)-vmt4)-

(3)

其中，旋耕刀通過點(diǎn)P1、P2、P3、P4的時(shí)間t1、t2、t3、t4計(jì)算式為

(4)

其次求得單把旋耕刀周期內(nèi)切土厚度T，由圖3b所示的旋耕刀切土厚度示意圖，根據(jù)面積割補(bǔ)法，旋耕刀作業(yè)后切土垡片橫切面積假設(shè)為平行四邊形。橫截面積隨著旋耕刀作業(yè)深度的增加逐漸減小，其中旋耕刀正切刃切削長度L保持不變，又因正切刃彎折角θ為定值，由圖3b的幾何關(guān)系求得切土厚度T為

T=Lsin(π-θ)

(5)

最后由式(3)～(5)單把旋耕刀切土面積與厚度以及同一切土小區(qū)z把朝向相同旋耕刀(為保證旋耕刀碎土質(zhì)量、溝底平整度，同一切土小區(qū)z把旋耕刀采用等間距分布在刀軸上)旋耕切土節(jié)距s關(guān)系式(s=2πvm/(zω))[15]，求得同一切土小區(qū)z把旋耕刀作業(yè)時(shí)擾土體積V數(shù)值解為

(6)

可通過式(4)與切土節(jié)距s求出t2關(guān)系式為

(7)

綜合式(6)、(7)可知，擾土體積V與z、h、s、R、ω、L、θ等參數(shù)有關(guān)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，勻土刀輥需在滿足種植農(nóng)藝、實(shí)用性以及通用參數(shù)要求上進(jìn)行設(shè)計(jì)。為減小土壤粘附堵塞，且便于安裝，旋耕刀輥一般采用雙頭螺旋排列[16]，z取2；依據(jù)長江中下游小麥種植農(nóng)藝，為利于改善土壤耕層結(jié)構(gòu)、加速土壤熟化以及小麥幼苗出土生根[17]，采用旋耕作業(yè)時(shí)，耕深h取14 cm為最佳(代入公式計(jì)算時(shí)均轉(zhuǎn)換成國際單位制，下同)；另外為保證耕作質(zhì)量，水稻收獲后通過曬田和灌水造墑方式控制土壤含水率在20%～35%之間，此時(shí)，旋耕切土節(jié)距s取值范圍為6～10 cm[18]；稻田旱作旋耕作業(yè)常用IIT245型旋耕刀，參考GB/T 5669—2017《旋耕機(jī)械刀和刀座》，回轉(zhuǎn)半徑R為245 mm、正切刃彎折角θ為120°、正切刃切削長度為L為60 mm；由ω=2πn/60可將旋耕刀回轉(zhuǎn)角速度ω轉(zhuǎn)化為刀輥轉(zhuǎn)速n，參照GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》，n取值范圍為150～350 r/min。綜合式(6)、(7)，并結(jié)合上述分析，選取刀輥轉(zhuǎn)速n(150～350 r/min)、旋耕切土節(jié)距s(6～10 cm)作為勻土刀輥軸向勻土性能試驗(yàn)因素。

2.2 旋耕刀軸向運(yùn)土力學(xué)分析

旋耕刀作用土壤力學(xué)影響因素較多，不僅與旋耕機(jī)具結(jié)構(gòu)、參數(shù)有關(guān)，而且與工況條件，如土壤類型、含水率、土壤形變特性相關(guān)。為確定土壤軸向運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件，參考已有研究[14]，假設(shè)土粒在旋耕刀上無相對位移；土粒間無相互作用力。圖4a所示為土粒在旋耕刀正切面即將脫離時(shí)的空間力學(xué)分析，分別以土粒質(zhì)心為原點(diǎn)O1、刀軸中心線一點(diǎn)為原點(diǎn)O2，以刀軸中心線方向?yàn)閤0、機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閥0，垂直地表方向?yàn)閦0，建立兩坐標(biāo)系。設(shè)土粒脫離旋耕刀正切面運(yùn)動(dòng)方向?yàn)锳z，此時(shí)，土粒受到法向力Fn、摩擦力f、重力G以及離心力Fc綜合作用。將上述力分解到x0O1z0坐標(biāo)系，如圖4b所示，求得土粒x0方向合力Fx為

(8)

式中α——土粒脫離時(shí)刀軸轉(zhuǎn)角，(°)

δ——y0O1x0面與旋耕刀正切刃夾角，(°)

β——Az在y0O1x0面投影與y0軸夾角，(°)

將離心力Fc、重力G、摩擦力f表達(dá)式代入式(8)中可得

Fx=-(mω2R′cosα+mg)cotθ-

μ(mω2R′cosα+mg)sinβ

(9)

式中m——土粒質(zhì)量，kg

R′——土粒運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑，mm

μ——土壤與旋耕刀面摩擦因數(shù)

g——重力加速度，m/s2

式(9)中，由正切刃彎折角θ求得y0O1x0面與旋耕刀正切刃夾角δ(δ=θ-π/2)；土粒脫離時(shí)刀軸轉(zhuǎn)角α取值范圍為0°～90°；土壤與旋耕刀面摩擦因數(shù)μ可通過摩擦系數(shù)測定儀求得。為保證土粒能夠沿著x0正方向運(yùn)動(dòng)，土壤軸向運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件為Fx>0，即β

2.3 漸變螺旋升角旋耕刀排列螺旋線分析

旋耕刀常以螺旋線排列在刀軸上，以旋耕刀輥?zhàn)鳛閰⒄障?，所有旋耕刀作業(yè)過程為螺旋運(yùn)動(dòng)。參考螺旋輸送機(jī)與螺旋覆土器設(shè)計(jì)可知[20-21]，螺旋升角增加，導(dǎo)程增大，運(yùn)土空間、運(yùn)土量以及運(yùn)土速度增大。為此，依據(jù)廂溝地表特點(diǎn)，構(gòu)造旋耕刀漸變螺旋升角排列螺旋線方程，確定影響旋耕刀輥軸向勻土因素。圖5a為漸變螺旋升角螺旋線運(yùn)動(dòng)形成原理，刀軸圓柱面母線上點(diǎn)M沿著軸線(X軸)作直線運(yùn)動(dòng)，與刀軸圓柱面上圓周運(yùn)動(dòng)合成為螺旋運(yùn)動(dòng)，若點(diǎn)M沿著軸線作等減速直線運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡為漸變螺旋升角螺旋線，其展開圖為拋物線[22]，如圖5b所示。此時(shí)，漸變螺旋升角螺旋線參數(shù)方程為

(10)

式中t0——點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

A——二次項(xiàng)系數(shù)

R0——刀軸半徑，mm

ω0——點(diǎn)M圓周運(yùn)動(dòng)角速度，rad/s

B——一次項(xiàng)系數(shù)

如圖5b所示，漸變螺旋升角螺旋線在某點(diǎn)的切線與Y軸夾角(圖5a中刀座基準(zhǔn)面)為該點(diǎn)的螺旋升角λ，其正切值為拋物線函數(shù)在該點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)。由點(diǎn)M初始位置與終止位置，求出式(10)中系數(shù)A、B為

(11)

并得到

式中λ1——點(diǎn)M初始位置螺旋升角，(°)

λ2——點(diǎn)M終止位置螺旋升角，(°)

k——母線旋轉(zhuǎn)圈數(shù)

W——點(diǎn)M初始與終止位置沿X軸距離，mm

綜合式(10)、(11)，求得勻土刀輥漸變螺旋升角螺旋線方程表達(dá)式為

(12)

式(12)中，勻土刀輥漸變螺旋升角螺旋線形狀與R0、W、λ1、λ2等參數(shù)相關(guān)。刀軸半徑R0取常用的70 mm。W與相鄰旋耕刀間距以及同一條螺旋線旋耕刀數(shù)量有關(guān)，結(jié)合式(5)中旋耕刀切土厚度T，并考慮土塊易堵塞，相鄰旋耕刀軸向間距取80 mm，同一條螺旋線設(shè)置11把旋耕刀，則W為800 mm。安裝時(shí)，將初始與終止螺旋升角代入式(12)中得出勻土刀輥漸變螺旋升角螺旋線方程，然后以80 mm為間距計(jì)算出同一螺旋線11把旋耕刀對應(yīng)螺旋升角以及刀軸外表面分度線(圖5b)，并與圖5a所示基準(zhǔn)面交點(diǎn)作為刀座固接點(diǎn)，按照1～11編號依次進(jìn)行排列，另一條螺旋線則按照同一切土小區(qū)兩旋耕刀夾角180°對應(yīng)排列。

旋耕刀螺旋升角過大易使旋耕機(jī)具產(chǎn)生振動(dòng)，過小易堵塞土壤，因左、右對稱刀輥兩外側(cè)對應(yīng)廂溝土壤、地表高，為增大軸向運(yùn)土量，提高地表平整度，機(jī)具兩外側(cè)螺旋升角較大，逐漸向中間減小，同一條螺旋線旋耕刀螺旋升角范圍為54°～85°[23]，且左側(cè)刀輥螺旋線左旋、右側(cè)刀輥螺旋線右旋(圖1a)。綜上，終止螺旋升角λ2取54°，選擇初始螺旋升角λ1作為勻土刀輥軸向勻土性能關(guān)鍵因素，取值范圍54°～85°。

3 離散元仿真

采用EDEM軟件，構(gòu)建勻土刀輥離散元仿真模型；通過正交試驗(yàn)，建立上述分析得到的勻土刀輥關(guān)鍵因素與作業(yè)后地表平整度間的回歸方程，分析各因素交互作用對地表平整度的影響，最終得到最優(yōu)因素組合，為后續(xù)刀輥試制試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

3.1 仿真模型建立

采用干篩法測量試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為中黏土(黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.46%)，使用TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀與ZJ-4L型應(yīng)變控制式直剪儀，測定土壤表現(xiàn)為塑性形變與黏聚力均為非線性。因此確定土壤顆粒間模型采用非線性黏結(jié)彈性塑性接觸模型(Edinburgh elasto-plastic adhesion，EEPA)；土壤與部件為Hertz-Mindlin no Slip模型[24]。結(jié)合前期標(biāo)定與相關(guān)研究[25-26]，設(shè)置土壤顆粒半徑為4 mm；土壤本征參數(shù)：泊松比0.4、密度1 650 kg/m3、剪切模量2.8×107Pa；機(jī)具本征參數(shù)：泊松比0.3、密度7 800 kg/m3、剪切模量7×107Pa；接觸參數(shù)：顆粒間的恢復(fù)系數(shù)0.2、靜摩擦因數(shù)0.67、滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.03，土壤與機(jī)具間的恢復(fù)系數(shù)0.2，靜摩擦因數(shù)0.75、滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.1。受到仿真運(yùn)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間的限制，又因整機(jī)以中心面左、右對稱，對稱兩刀輥并無相互影響，仿真只運(yùn)行整機(jī)一側(cè)，建立尺寸為3 000 mm×1 500 mm×500 mm虛擬土槽。

依據(jù)長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)小麥種植農(nóng)藝[17]，廂溝深度大于30 cm、溝寬25 cm左右，考慮到土壤旋耕后地表線抬高因素[27]，設(shè)置廂溝犁作業(yè)深度為25 cm、寬度為15 cm。為直觀反映地表情況，仿真時(shí)將擋土板抬高至耕前地表線上方10 cm處，結(jié)合所需的勻土刀輥參數(shù)，運(yùn)用SolidWorks軟件同比例創(chuàng)建整機(jī)仿真模型導(dǎo)入EDEM軟件中。為保證機(jī)器仿真過程中土壤顆粒連續(xù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定固定時(shí)間步長為2×10-5s，Rayleigh時(shí)間步長的5%，網(wǎng)格單元尺寸為最小顆粒半徑的3倍，總仿真時(shí)間為5 s。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測量方法

基于2.1～2.3節(jié)分析，選取刀輥轉(zhuǎn)速n、旋耕切土節(jié)距s、初始螺旋升角λ1為試驗(yàn)因素，根據(jù)中心組合試驗(yàn)(CCD)設(shè)計(jì)原理，設(shè)置因素參數(shù)進(jìn)行離散元仿真。其中耕深h設(shè)置14 cm，機(jī)具前進(jìn)速度vm可由每組試驗(yàn)對應(yīng)的刀輥轉(zhuǎn)速n與旋耕切土節(jié)距s求得(vm=ns/3 000)。試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼

使用耕后地表平整度作為勻土刀輥勻土性能指標(biāo)。測定方法為：利用EDEM軟件截?cái)嗄K(Clipping)，在勻土刀輥正后方隨機(jī)選取一個(gè)厚度100 mm切片，如圖6所示。提取該切片地表土壤顆粒穩(wěn)定后的坐標(biāo)值，將坐標(biāo)值導(dǎo)入CAD軟件中采用樣條曲線連接，繪制出旋耕作業(yè)后地表線。過最高點(diǎn)作一條水平直線作為基準(zhǔn)線，在旋耕作業(yè)寬度800 mm范圍內(nèi)以50 mm等分標(biāo)記測點(diǎn)。測定各測點(diǎn)水平基準(zhǔn)線至地表線垂直距離，記為ai。計(jì)算各測點(diǎn)垂直距離平均值am以及標(biāo)準(zhǔn)差U為

(13)

式中n——每次測定測點(diǎn)數(shù)

每組試驗(yàn)測定3次，以標(biāo)準(zhǔn)差平均值Um表示地表平整度。

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1仿真結(jié)果

通過EDEM軟件運(yùn)行試驗(yàn)方案，共進(jìn)行20組，測定結(jié)果如表2所示，表中X1、X2、X3為因素編碼值。利用Design-Expert 8.0.6分析軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，分析刀輥轉(zhuǎn)速n、旋耕切土節(jié)距s、初始螺旋升角λ1對地表平整度Um影響顯著性，擬合回歸方程獲得測定指標(biāo)的響應(yīng)模型。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 地表平整度回歸模型顯著性分析

Um=17.11-2.46X1-1.88X2-0.91X3+0.62X1X2+

(14)

3.3.2各因素交互作用對地表平整度影響分析

由地表平整度回歸模型顯著性分析可知，刀輥轉(zhuǎn)速n與旋耕切土節(jié)距s、旋耕切土節(jié)距s與初始螺旋升角λ1對地表平整度有交互影響，繪制交互作用響應(yīng)曲面如圖7所示。

由圖7a可知，在勻土刀輥初始螺旋升角處于中心水平，當(dāng)旋耕切土截距一定時(shí)，地表平整度隨著刀輥轉(zhuǎn)速增加呈先降后升趨勢；當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速一定時(shí)，地表平整度亦隨旋耕切土截距增加呈先減后增趨勢。刀輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)(圖8a)，土壤顆粒在旋耕刀作用下軸向速度較低，軸向運(yùn)動(dòng)位移小，致使覆蓋在廂面的廂溝土壤并未及時(shí)運(yùn)移，機(jī)具外側(cè)土壤多，降低了地表平整性；刀輥轉(zhuǎn)速過高時(shí)(圖8b)，軸向速度大、擾土量多、軸向運(yùn)動(dòng)位移大，機(jī)具中部變速箱兩側(cè)位置堆積土壤過多，同樣降低了地表平整性。旋耕切土節(jié)距小時(shí)(圖8c)，旋耕刀周期內(nèi)擾土體積小，導(dǎo)致總體軸向輸土量低，地表平整性較低；旋耕切土節(jié)距大時(shí)(圖8d)，旋耕刀周期內(nèi)擾土體積過大，相應(yīng)的土壤軸向移動(dòng)量過多，機(jī)具中部位置堆積土壤過剩，地表平整性同樣較低。

由圖7b可知，在刀輥轉(zhuǎn)速處于中心水平下，地表平整度均隨著旋耕切土節(jié)距、初始螺旋升角增加，呈現(xiàn)先減后增趨勢。旋耕切土節(jié)距一定時(shí)，初始螺旋升角越高，刀輥外側(cè)導(dǎo)程越長，單位時(shí)間內(nèi)螺旋輸送土壤量大。當(dāng)初始螺旋升角從71°增加到85°時(shí)，不僅覆蓋在廂面的廂溝土壤全部輸送，而且運(yùn)送了一部分廂溝土壤下部未耕土壤，地表平整性略有降低。

3.3.3勻土刀輥?zhàn)顑?yōu)參數(shù)組合

為得到勻土刀輥?zhàn)顑?yōu)參數(shù)組合，采用非線性規(guī)劃理論，對目標(biāo)函數(shù)式(14)優(yōu)化求解。設(shè)置約束條件為：刀輥轉(zhuǎn)速150～350 r/min、旋耕切土節(jié)距6～10 cm、初始螺旋升角54°～85°。求得刀輥轉(zhuǎn)速259.4 r/min、旋耕切土節(jié)距8.29 cm、初始螺旋升角70.76°時(shí)，地表平整度最優(yōu)，為16.62 mm。為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，重新進(jìn)行仿真?？紤]到刀輥轉(zhuǎn)速取259 r/min機(jī)具變速箱傳動(dòng)比不易設(shè)置，因此刀輥轉(zhuǎn)速取260 r/min，旋耕切土節(jié)距8.3 cm，初始螺旋升角71°，測定3次求平均值，得到最優(yōu)地表平整度為17.35 mm，仿真驗(yàn)證與理論結(jié)果基本一致，說明回歸方程準(zhǔn)確。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證勻土刀輥實(shí)際作業(yè)性能，于2020年12月10日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。試驗(yàn)設(shè)備主要包括常發(fā)DFF1204型拖拉機(jī)、開溝旋耕聯(lián)合作業(yè)樣機(jī)機(jī)架、勻土刀輥(初始螺旋升角71°，終止螺旋升角54°)、常用旋耕刀輥(左、右刀輥共安裝44把IIT245型旋耕刀，同一切土小區(qū)兩把旋耕刀朝向相反，夾角135°，旋耕刀螺旋升角均為54°)、田間作業(yè)機(jī)具綜合性能測試車、環(huán)刀(內(nèi)徑61.8 mm×高20 mm)、卷尺、鋼尺、電子秤、密封袋等。測試區(qū)前茬作物為水稻，秸稈離田處理。土壤為中黏土，深度0～25 cm土壤容重均值1.38 g/cm3、含水率均值20.27%、緊實(shí)度均值1 657.2 kPa。耕作前地表平整度均值7.17 mm、耕前深度0～15 cm土壤均勻度均值19.92%。

4.2 試驗(yàn)方法

選擇地勢平坦地塊作為測試區(qū)，劃分6個(gè)長度80 m、寬度3 m的試驗(yàn)小區(qū)，中間60 m作為測量區(qū)域，兩刀輥各進(jìn)行3個(gè)行程。依據(jù)優(yōu)化后旋耕切土節(jié)距8.3 cm，計(jì)算得出作業(yè)速度為2.59 km/h，通過測試車上位機(jī)與拖拉機(jī)擋位控制作業(yè)速度，使機(jī)組作業(yè)速度在(2.59±0.2)km/h范圍內(nèi)；拖拉機(jī)后輸出760 r/min，調(diào)節(jié)測試車多級變速器模塊(5擋位)，使刀軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在260 r/min；設(shè)定下拉桿長度使旋耕刀作業(yè)深度為14 cm；調(diào)節(jié)限位螺栓使廂溝犁作業(yè)深度為25 cm。

地表平整度按照3.2節(jié)仿真測定方法；因擋土板對耕后地表起壓實(shí)作用，不能真實(shí)反映兩刀輥地表平整度狀況，需測定土壤軸向分布均勻度；耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率指標(biāo)參考GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》。

4.2.1土壤軸向分布均勻度

在已耕廂面以15 cm間隔等分，使用環(huán)刀測定土壤濕容重，測量深度0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm，每個(gè)行程測定3次，求得3個(gè)行程均勻度平均值au、均勻度標(biāo)準(zhǔn)差Su、均勻度變異系數(shù)Vu，并將Vu作為衡量旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)后耕層土壤軸向分布均勻度[28]。

4.2.2耕深穩(wěn)定性系數(shù)

在作業(yè)后的測量區(qū)域內(nèi)，沿機(jī)組前進(jìn)方向，使用鋼尺插入土壤測定旋耕深度，前進(jìn)方向每隔2 m左、右各測定5個(gè)點(diǎn)，共測量40 m，求得3個(gè)行程耕深平均值hs、耕深標(biāo)準(zhǔn)差Ss、耕深變異系數(shù)Vs，計(jì)算耕深穩(wěn)定性系數(shù)Us。

4.2.3碎土率

在作業(yè)后的測量區(qū)域內(nèi)隨機(jī)測定0.5 m×0.5 m面積內(nèi)的全耕層土塊，土塊最長邊大于等于4 cm的土塊質(zhì)量Gb及土塊總質(zhì)量Gt，計(jì)算碎土率

(15)

每個(gè)行程測定2次，求均值。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

兩刀輥田間作業(yè)后地表平整度、土壤軸向分布均勻度、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率測定結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)測定結(jié)果

勻土刀輥田間試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比可知，仿真地表平整度略大于田間試驗(yàn)結(jié)果，兩者相差2.85 mm，分析原因?yàn)椋禾镩g試驗(yàn)中機(jī)具擋土板在強(qiáng)力壓縮彈簧和自身重力的作用下，對旋耕作業(yè)后的表層細(xì)碎土壤起到壓實(shí)和抹平效果；仿真中擋土板不能實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)作用，為此抬高了10 cm。以上原因造成了平整度的誤差，仿真基本能反映機(jī)具作業(yè)后的地表平整度。

兩旋耕刀輥田間試驗(yàn)結(jié)果表明，勻土刀輥?zhàn)鳂I(yè)后地表平整度、土壤軸向分布均勻度、耕深穩(wěn)定性系數(shù)均值為14.5 mm、8.82%、92.34%，優(yōu)于常用旋耕刀輥，且標(biāo)準(zhǔn)差低于常用旋耕刀輥；勻土刀輥碎土率為81.66%，與常用旋耕刀輥相差不大，并不影響碎土率。經(jīng)分析兩刀輥?zhàn)鳂I(yè)過程可知，當(dāng)廂溝土壤以垡狀覆蓋在廂面上時(shí)，常用旋耕刀輥旋耕刀采用等螺旋升角排列，作業(yè)過程廂溝土壤未及時(shí)向內(nèi)側(cè)輸送，造成刀輥被兩側(cè)土壤抬高，作業(yè)后廂面呈現(xiàn)兩側(cè)高中間低(圖10a)，地表平整度、土壤軸向分布均勻度、耕深穩(wěn)定性較差；當(dāng)廂溝土壤以碎土狀覆蓋在廂面上時(shí)，常用旋耕刀輥?zhàn)鳂I(yè)后，對應(yīng)的指標(biāo)較好，但同一切土小區(qū)兩把旋耕刀朝向相反，旋耕刀拋土后掩埋了廂溝(圖10a)，以上過程使常用旋耕刀輥測定結(jié)果浮動(dòng)較大。勻土刀輥提高了兩側(cè)土壤向內(nèi)的輸土量，使機(jī)具性能指標(biāo)、穩(wěn)定性以及廂溝犁成溝質(zhì)量較好(圖10b)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種漸變螺旋升角軸向勻土刀輥，增大了開溝旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)廂體兩側(cè)堆積土壤的向內(nèi)輸送量，提高了地表平整度與土壤軸向分布均勻度，降低了廂體中部的積水漬害，利于后續(xù)小麥生長。

(2)對勻土刀輥旋耕刀擾土量、軸向運(yùn)土力學(xué)條件以及漸變螺旋升角排列螺旋線進(jìn)行理論分析，確定影響勻土刀輥軸向勻土性能的關(guān)鍵因素為刀輥轉(zhuǎn)速、旋耕切土節(jié)距與初始螺旋升角。

(3)運(yùn)用離散元仿真，結(jié)合中心組合正交試驗(yàn)得出：刀輥轉(zhuǎn)速260 r/min、旋耕切土節(jié)距8.3 cm、初始螺旋升角71°為最優(yōu)參數(shù)組合，此時(shí)，仿真地表平整度為17.35 mm。

(4)田間試驗(yàn)表明，勻土刀輥?zhàn)鳂I(yè)后，地表平整度、土壤軸向分布均勻度、耕深穩(wěn)定性系數(shù)的均值分別為14.5 mm、8.82%、92.34%，優(yōu)于常用旋耕刀輥，且?guī)麥侠绯蓽腺|(zhì)量更好；勻土刀輥碎土率為81.66%，與常用旋耕刀輥碎土率相近，其整體效果更利于長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)的小麥種床整備。