电动旋耕培土机的田间性能试验研究

毛鹏军，张松泓，丁月华，张亚龙，江　凯

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳　471003；2. 河南省烟草公司洛阳市公司，河南 洛阳　471003)



电动旋耕培土机的田间性能试验研究

毛鹏军1，张松泓1，丁月华1，张亚龙1，江凯2

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳471003；2. 河南省烟草公司洛阳市公司，河南 洛阳471003)

摘要：针对目前大多中耕培土作业机械依靠燃油作为动力源严重污染环境且作业成本高等问题，通过替换动力源的方式，设计了电动旋耕培土机。试验结果表明：作业耕深稳定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率等作业性能指标均能达到国家相关标准规定，同时其经济性优于同功率燃油机械。

关键词：电动旋耕培土机；作业性能指标；经济性

0引言

目前，大多中耕作业机械依靠燃油提供动力，由于燃油的能量利用率普遍较低仅为30%左右[1]，不完全燃烧的颗粒物在对环境造成污染的同时也加速了能源的枯竭[2]。近年来，电驱动技术在汽车及微型机械领域的蓬勃发展为中耕培土机械的电动化实现提供了宝贵经验。为此，针对豫西南旱地中耕培土作业农艺环境要求，设计了一种新型电动旋耕培土机。

本文利用所设计的电动旋耕培土机进行田间试验，选取刀轴转速及驱动轮前进速度为试验因素，以耕深稳定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率为试验指标进行性能试验。结果表明：在所拟定的设计参数范围内，各项指标均能满足国家相关规定标准要求，同时较同功率燃油机械有较好经济性。

1整机结构及工作原理

1.1整机结构及工作原理

电动旋耕培土机在动力方式上有别于传统的燃油机械，主要由电驱动系统、传动系统、工作部件、机械底盘及其它附件组成，如图1所示。其中，蓄电池组、控制器、驱动轮及直流串励电机共同构成电动旋耕培土机的动力中心—电驱动系统。作为整机执行机构的工作部件，则主要由旋耕培土部件、限深装置及罩壳等组成。

作业时，蓄电池作为动力源将电能提供给直流串励电机，电机作为驱动电机将动力输出到动力传动系统，动力在动力传动系统内一部分经过速度变速箱经过减速增扭后到达驱动轮，驱动机组前进；另一部分经过转速变速箱减速后到达培土刀轴，完成培土作业。其中，控制器上设置有转速调节旋钮，通过拉线与扶手总成连接；操作者通过调节控制旋钮，完成对电机的控制并最终实现对机组的启动、制动及加减速操作，以适应不同农艺要求的需要。

1.蓄电池　2.驱动轮　3.控制器　4.直流串励电机　5.变速箱

1.2初始主要技术参数

结合豫西南地区旱地中耕培土作业实际农艺情况，并结合国家对中耕作业机械田间试验指标的相关标准[3-5]，确定电动旋耕培土机的主要技术参数如表1所示。

表1　电动旋耕培土机的主要参数

续表1

2田间试验研究

2.1田间试验条件

试验选取洛阳市高新区辛店镇白营村附近的未耕试验田作为田间试验场地。试验在2015年2月4-9日期间进行，试验期间天气以晴天为主，温度为3～8℃，湿度为40%～53%。设备采用TYD-1型土壤硬度计以及101-4电热鼓风干燥箱。为了避免选取测试点的随意性，采用平行四边形对角线等距取点原则对试验区域深度12cm处的土壤情况进行测定[6-7]，其相关参数如表2所示。

表2　土壤相关参数

2.2试验因素以及作业性能指标

田间中耕培土作业时，选取刀轴转速及机组前进速度为试验因素，主要测定耕深稳定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率等试验指标，并按照国家相应标准完成对各项指标的测定。

2.3试验方案

2.3.1耕深稳定性

耕深稳定性反映了耕作深度的稳定程度，是衡量旋耕机械作业性能的重要指标。测量时，以未耕地表平面为参考面，在试验区内沿机组前进方向在培土垄两测每隔2m各取一点，利用耕深尺或钢尺测得作业沟底至参考平面的垂直距离并计算其平均值；然后，采用国家标准对耕深稳定性的计算方法求得机组单个工况下的耕深稳定系数。则有

(1)

(2)

(3)

式中aj—第j个行程的耕深平均值(cm)；

aji—第j个行程中第i个点的耕深值(cm)；

nj—第j个行程中的测定点数；

Sj—第j个行程的耕深标准差(cm)；

N—同一工况的行程数，N=3。

2.3.2培土高度合格率

用钢尺或高度尺沿机组前进方向每隔2m测定1点，每个行程左右各测5点，记录数据；定义符合国家标准的培土高度值为合格，因此培土高度合格率的定义为

(4)

式中ηH—单个工况培土高度合格率；

NH—单个工况培土高度合格点数；

N0—单个工况培土高度测量点数。

2.3.3培土角度合格率

所测点与培土高度测量点相对应，同时测出培土作业底部与顶部距离，将培土作业截面近似于等腰梯形，即可将培土角度α定义为

(5)

式中b—作业后顶部宽度(cm)；

a—作业后沟底宽度(cm)；

H—培土高度(cm)；

h—耕作深度(cm)。

最后，将测得的培土高度与国家标准对培土角度的规定相比，将符合国家相关标准的培土角度视为合格，即可将培土角度合格率定义为

(6)

式中ηj—单个工况培土角度合格率；

Nj—单个工况培土角度合格点数；

N0—单个工况培土高度测量点数。

2.3.4机组碎土率

碎土率是旋耕培土机械的量化指标，反映了机组作业时对土壤的切削能力。在已耕地上测定0.2m×0.2m×0.12m面积内的全耕层土块，土块大小按其最长边分别小于或等于5cm和大于5cm，分2个等级。同时，以小于或等于5cm的土块质量占总质量的百分比作为碎土系数，每个行程测定5点。根据国家标准对碎土率测定的相关规定，定义培土机械碎土率为

(7)

式中δ—单个行程土壤碎土率(%)；

Wai—第i个测量区内培土机抛落土块最长边小于等于5cm的土块质量(g)；

Wbi—第i个测量区内培土机抛落土块总质量(g)。

耕深稳定性、培土高度合格率、培土角度合格率及机组碎土率等试验指标在不同试验因素(刀轴转速及机组前进速度)情况下的测定结果如表3所示。

表3　培土作业性能测定结果

2.4试验结果与分析

基于DPS与MatLab数据处理平台，分别对耕深稳定性、培土高度合格率、培土角度合格率及碎土率进行因素间的综合作用响应曲面分析，并得到相应的回归方程。

1)机组前进速度与刀轴转速交互作用对耕深稳定性的影响规律。为了研究因素间交互作用对耕深稳定性的影响规律，借助DPS数据处理系统，得出机组前进速度及刀轴转速对耕深稳定性的回归方程为

(8)

交互作用对耕深稳定性的影响规律如图2所示。

图2　因素交互作用对耕深稳定性的影响规律

由图2可知：在试验范围内，随着机组前进速度的增加，耕深稳定性逐渐降低；但随着刀轴转速的增加，耕深稳定性变化较缓，耕深稳定性最低为87.5%左右。此时，刀轴转速为181r/min左右，机组前进速度0.62m/s，仍符合国家标准对旋耕机械耕深稳定性80%的要求。

2)机组前进速度与刀轴转速交互作用对培土高度合格率的影响规律。运用同样的方法得出因素间交互作用对培土高度合格率的影响规律及回归方程为

(9)

交互作用对培土高度合格率的影响规律如图3所示。

由图3可知：在试验范围内，随着机组前进速度的增大，培土高度合格率呈先升高后降低的趋势，随着刀轴的转速的增加逐渐降低。培土高度合格率的最低值处于刀轴转速220r/min，机组前进速度0.55m/s附近；但其高度合格率仍在78%以上，高于国家标准对培土高度合格率75%的标准要求。

3)机组前进速度与刀轴转速交互作用对培土角度合格率的影响规律。同理得出因素间交互作用对培土角度合格率的影响规律以及回归方程为

Y3=44.236 3+242.872 2X1-0.207 2X2-

(10)

交互作用对培土角度合格率的影响规律如图4所示。

图3　因素交互作用对培土高度合格率的影响规律

图4　因素交互作用对培土角度合格率的影响规律

由图4可知：在试验范围内，随着刀轴转速的增大，培土角度合格率呈逐渐增长趋势；培土角度合格率随着机组前进速度的增大而降低。培土角度合格率最低值处于刀轴转速182r/min，机组前进速度0.62m/s附近；但其角度合格率仍在78%以上，符合国家对培土起垄角度的要求。

4)机组前进速度与刀轴转速交互作用对碎土率的影响规律。运用同样的方法得出因素间交互作用对培土角度合格率的影响规律以及回归方程为

Y4=28.953 5+1.028 9X1-223.121 3X2-

(11)

交互作用对碎土率的影响规律如图5所示。

图5　因素交互作用对土壤碎土率的影响规律

由图5可知：在试验范围内，随着刀轴转速的增大，土壤碎土率呈增长趋势；土壤碎土率随着机组前进速度的增大而降低。土壤碎土率的最低值处于刀轴转速181r/min，机组前进速度0.62m/s附近；但其高度合格率仍在78%以上，高于国家标准对土壤碎土率50%的标准要求。

2.5经济性能分析

田间试验表明：所设计的电动旋耕培土机作业效率可达0.121hm2/h，而同功率燃油旋耕培土机的作业效率最高为0.11hm2/h。耗电量约为30.71kW·h/hm2，按照均电价0.6元/kW·h计算，该电动旋耕培土机每公顷的作业成本为18.43元；而同功率的汽油培土机作业耗油量约为15.3L/hm2[8]，按7元/L计算，汽油培土机每公顷的作业成本高达107.1元。

3结论

研制的电动旋耕培土机工作性能稳定，耕深稳定性、培土高度合格率、培土角度合格率以及碎土率均能满足国家相关标准要求，适合豫西南地区农艺要求的需要；整机由蓄电池作为动力源，能源利用率高，有效解决了传统中耕培土机械对环境污染严重的问题，整机结构轻便操作性好；在作业效率以及经济性方面均优于同功率的燃油培土机械。

参考文献：

[1]高辉松.电动拖拉机驱动系统研究[D].南京：南京农业大学,2008.

[2]卢毅.温室电动拖拉机主要部件的研究与设计[D].杨凌：西北农林科技大学,2012.

[3]JB/T8401.2-2007，中华人民共和国机械行业标准 旋耕联合作业机械旋耕深松灭茬起垄机[S].北京：中国农业机械化科学研究院,2007.

[4]JB/T10266.1-2001，中华人民共和国机械行业标准 微型耕耘机 技术条件[S].北京：中国农业机械化科学研究院，2001.

[5]王冰，胡良龙.我国甘薯起垄技术及设备探讨[J].江苏农业科学，2012,40(3):353-356.

[6]汲文峰，贾红雷.通用刀片功率消耗影响因素分析与田间试验[J].农业机械学报,2010,41(2):35-41.

[7]汲文峰，贾红雷.旋耕—碎茬仿生刀片田间作业性能的试验研究[J].农业工程学报,2012,28(12):24-30.

[8]梁有为.1GP-0.7型甘蔗中耕培土机的研制及应用[J].广西农业机械化,2003(3):25-26.

Abstract ID:1003-188X(2016)03-0200-EA

Experiment on Working Performance of Electric Rotary Hillers

Mao Pengjun1, Zhang Songhong1, Ding Yuehua1, Zhang Yalong1, Jiang Kai2

(1.College of Agriculture Engineering, Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Luoyang,Henan Province Tobacco Company Subsidiaries,Luoyang 471003,China)

Abstract：Against existing rotary hillers serious environmental pollution problems, combined with higher operating costs, by way of replacing power sources, designed in the form of organization as well as an electric rotary Hillers transmission parameters. The test results shows that the plow depth stability, the height of Earthing up pass rate, the angle of Earthing up pass rate and the soil breaking rate according with national standards. While its fuel economy is better than the mechanical power.

Key words：electrical rotary hillers; working performance; economic performance

文章编号：1003-188X(2016)03-0200-04

中图分类号：S222.3

文献标识码：A

作者简介：毛鹏军(1972-)，男，河南南阳人，教授，博士，博士生导师，(E-mail)mpj@mail.haust.edu.cn。

基金项目：河南省高校科技创新人才计划项目(2012HSTIT015)；洛阳市“百千工程”科技特派员项目(LYTPY10)；河南省烟草公司资助项目(2014-2016)

收稿日期：2015-03-11