茶田翻耕机耕作部件运动分析

代红朝+肖宏儒+梅松+宋志禹+韩余

摘要：为了探索茶田翻耕机耕作部件的运动规律，确定最佳作业参数，通过对茶田翻耕机刀具的结构特点、运动轨迹、动力学特性、重耕漏耕以及切土功耗进行理论分析，构建了耕作刀具在土壤下的运动模型，并通过室内土槽试验得出该机具重耕量较小，耕深稳定系数达91.54%，翻土功率0.155 kW，验证了理论分析和模型的可靠性，正交试验结果表明，当曲柄转速为105 r/min、行走速度为0.30 m/s、曲柄轴与连杆轴所在直线倾角为45°时，重耕漏耕量为6.39 cm、碎土率为68.3%、切土功耗为0.114 9 kW、耕深稳定系数为92.08%，此时作业性能最佳，符合茶园农艺要求，可依此设计变速齿轮参数，为进一步寻求省力、低功耗的刀片参数来减小耕作阻力、提高耕作效率的研究与设计提供了参考。

关键词：茶田翻耕机；动力学分析；重耕漏耕；功耗；虚拟分析

中图分类号： S222文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）10-0174-06

随着社会的发展，人们对茶叶的需求越来越大。根据中国茶叶流通协会发布的数据显示，2014年，中国茶叶产量209.2万t，比2013年增长10.33%，占全球茶叶总产量的 41.6%[1]。然而茶园管理过程中长期缺乏合理有效的耕作而造成茶园普遍土壤板结、硬化等，导致土壤肥力下降[2-4]。随着农业现代化的提出，茶园机械化也逐步提上日程，政府逐年增加对茶叶机械的研发经费，随之而来的是茶园机械应运而生。当前茶果园等行间间隙有限，常规田间耕作机械难以进入，而人工翻土作业存在人力资源紧张、体力消耗大、效率低等问题，茶田的机械化翻耕一直是茶农和农业现代化急需实现的目标。

本研究对茶田翻耕机耕作部件的结构特性进行了分析，并利用实体建模和虚拟仿真技术对耕作部件进行模拟仿真，目的是通过虚拟分析得出耕作部件运动特性，以求控制其耕作过程，调整耕作机构相关参数，进而改进样机，并通过室内土槽试验得出该机具有良好的作业性能。整机结构设计精巧而紧凑，特别适用于空间狭小的作业场所，为茶园耕作作业机械化提供了理想装备，提高了工作效率，降低了劳动强度，克服了传统试验研究存在的设计周期长、效率低的问题，为茶果园耕作机械的设计提供理论依据和可行方法。

1耕作部件结构及工作原理

目前，耕作机械有多种分类，按耕作方式可分为犁式作业、卧式旋耕、立式旋耕、刨耕、撬翻，后2种多用于茶果园等经济作物垄间整地作业过程中。本研究所述茶田翻耕机是由无锡华源凯马发动机有限公司、农业部南京农业机械化研究所等联合研制而成，整机包括机架、前支架、深度调节器、驱动皮带盘、从动皮带盘、传动皮带、扶手架、离合手把组件、深度调节手把、发动机总成、变速箱总成、耕作机构（曲柄、摇杆、连杆、翻耕刀）、行走轮，其中翻耕刀与连杆一端以螺栓固定连接，从而以这种新型的应用于小型耕作机械的曲柄摇杆机构控制翻耕刀翻土作业，翻耕刀以模仿人工翻土的方式进行机械化作业[5]，属于刨耕方式。茶叶翻耕机样机见图1。

发动机总成输出的动力通过皮带传动到变速箱总成，其中，变速箱总成上有3根输出转动轴，1根驱动1对行走轮，使翻耕机向前行走；1根与1对摇杆分别以轴承相连，支撑耕作部件运动；1根驱动1对共线反向的曲柄，曲柄又带动摇杆、连杆运动，翻耕刀亦跟随连杆以模仿人工锄地的动作实现翻耕土地的机械作业，且作业时可利用土壤作用于刀具水平方向的反作用力克服一部分整机前进作业时受到的地表阻力，从而减轻发动机负荷，节省能耗。耕作部件结构见图2。

2耕作部件各主要参数数学模型

2.1运动轨迹的数学模型

茶田翻耕机翻耕刀在耕作过程中的运动轨迹是设计耕作部件结构的理论基础，对茶田翻耕机作业性能的影响至关重要[CM（25]。运动轨迹分为静轨迹和动轨迹，而动轨迹特性反映耕作

[TPDHC2.tif]

部件作业参数理论设计是否满足茶园土壤翻耕农艺要求，是评价茶田翻耕机等耕整地机械耕深、重耕漏耕等的理论基础。为此，建立耕作部件曲柄摇杆结构封闭矢量位置方程式：

[JZ（]l[DD（-*2][HT6]→[DD）]1+l[DD（-*2][HT6]→[DD）]2+l[DD（-*2][HT6]→[DD）]3=l[DD（-*2][HT6]→[DD）]4。[JZ）][JY]（1）

其复数形式为：

[JZ]l1eiφ1+l2eiφ2+l3eiφ3=l4eiφ4。

式中：曲柄OA、连杆AB、摇杆BC、变速箱总成上曲柄驱动轴与摇杆支撑轴间连线OC分别用矢量l[DD（-*2][HT6]→[DD）]1、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]2、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]3、l[DD（-*2][HT6]→[DD）]4表示，方向如圖3坐标系xOy中箭头所示，且与坐标轴x轴正向的夹角分别为φ1、φ2、φ3、φ4（φ4=0），长度分别为l1、l2、l3、l4。

由于曲柄初始相位角、各杆件长度已知，运用欧拉公式对公式（1）进行数学求解得：

[JZ（]φ3=2arctan[SX（]A+[KF（]A2+B2-C2[KF）]B-C[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：A=2l1l3sinφ1、B=2l3（l1cosφ1-l4）、C=l22-l21-l23-l24+2l1l4cosφ1。

将公式（2）带入关系式l1sinφ1+l2sinφ2=l3sinφ3可求得：

[JZ（]φ2=arcsin（l3sinφ3-l1sinφ1）/l2。[JZ）][JY]（3）

设图3中翻耕刀简化机构BD、DE的长度分别为l5、l6，其夹角为φ5，OC与水平方向所夹锐角为φ6=45°，翻耕刀刃部静态轨迹的运动方程为：

[JZ（][JB（{]xE=（l2+l5）cosφ2-l6cos（φ5-φ2）+l1cosφ1yE=（l2+l5）sinφ2+l1sinφ1+l6sin（φ5-φ2）[JB）]。[JZ）][JY]（4）

耕作部件作业时行走速度为v，时间为t，翻耕刀刃部动态轨迹的运动方程为[6-7]：

[JZ（][JB（{]xE=（l2+l5）cosφ2-l6cos（φ5-φ2）+l1cosφ1-vtcosφ6yE=（l2+l5）sinφ2+l1sinφ1+l6sin（φ5-φ2）-vtsinφ6[JB）]。[JZ）][JY]（5）

[TPDHC3.tif]

2.2翻耕刀刀尖速度分析

取曲柄与变速箱总成的铰接点O为坐标原点，水平线为x轴，建立如图2所示的直角坐标系xOy。由于耕作部件在图示相位角处，当曲柄轴顺时针转动时，运用三心定理可分别确定：曲柄、摇杆的相对瞬心位于连杆与OC的交点处M，变速箱总成（即机架）、连杆（可与翻耕刀视为同一构件）的相对瞬心（此时由于机架没有行走速度而又被称为绝对瞬心，即此时N点处绝对速度为0）位于摇杆与OA延长线的交点处N，设主动曲柄、连杆、摇杆的角速度分别为ω1、ω2、ω3，B、E、M 3点处速度大小分别为vB、vE、vM，则可得出如下3个式子[8]：

[JZ（]vM=|OM|·ω1=|CM|·ω3。[JZ）][JY]（6）

[JZ（]vB=|BN|·ω2=|BC|·ω3。[JZ）][JY]（7）

[JZ（]vE=|NE|·ω2。[JZ）][JY]（8）

有公式（6）、（7）可求出ω3并带入公式（8）求得翻耕刀刀尖E点处速度（方向垂直于NE向下）：

[JZ（]vE=[SX（]|NE|·|BC|·|OM||BN|·|CM|[SX）]·ω1。[JZ）][JY]（9）

2.3急回运动特性分析

耕作部件中主要由曲柄摇杆机构控制翻耕刀的运动行程，从图4可以看出，曲柄分别处于OA1、OA2时是2个极位，通过各杆件初始参数（OA=66.5 mm，AB=147 mm，BC=250 mm，OC=193.6 mm）及三角函数公式计算可得极位夹角，通过作图法得出极位夹角B1OA2（a）为50.9°，摆角B1CB2（b）为40.94°。当耕作部件作业时曲柄以恒定的角速度转动时（方向如图4所示），摇杆在2个极位之间来回往复摆动，且曲柄转动1周时摇杆做1次完整的往复摆动并回至初始位置。当曲柄从OA1匀速转动至OA2时（即前段行程），摇杆从CB1摆动至CB2，当曲柄从OA2匀速转动至OA1时（即后段行程），摇杆从CB2摆动至CB1，由此可见，前段行程曲柄转过角度明显小于后段行程，即前段行程时间小于后段行程时间，由于摇杆往复摆动的行程相同可知摇杆在前段行程中平均速度大于后段行程，此即急回运动特性[8-9]，而翻耕刀在前段行程中是主要作业过程，因此，该耕作部件结构正好利用此特性利于刀具切入土壤，并在一定程度上减小了动力的输入，即降低了功耗。

2.4传力性能分析

在耕作部件结构简图中，如果忽略摩擦力、重力、惯性力等的影响，评价其传力性能的指标主要是压力角和传动角，当主动曲柄经连杆驱动摇杆端点B的力将沿AB方向，与该点处速度方向之间的夹角即为压力角，图5中角α所示，而连杆与摇杆之间所夹锐角即连杆机构所在位置的传动角，传动角越大对此耕作结构传力愈有利，即传力性能越好。曲柄转动至与变速箱总成（机架）上OC连线共线时传动角达到最值（改变各杆件长度参数可改变传动角的最值），作图法测量得最小传动角为22.4°（图5）。

3耕作部件作业过程仿真分析

为了模拟茶田翻耕机耕作部件的运动规律和作业特性，运用三维实体建模软件Solidworks对耕作机构各杆件建立模型，并通过虚拟装配可以观察各机构杆件间的运动情况。为了更加直观地分析和观察耕作部件的运动规律，将所建三维实体模型通过转换格式并以部件的形式导入机械系统动力学自动分析软件ADAMS，进行更加直观、形象、精确的模拟其耕作运动过程，从而验证上述理论模型分析[10-13]。

运行ADAMS/View并对耕作部件赋予运动属性，建立约束、驱动条件（模型中，0.3 m/s、125 r/min，方向为图9中顺时针方向）后进行虚拟运动仿真分析，其虚拟样机模型见图6，设置仿真参数：end time：3，step size：0.01，选取运动学仿真类型。

选取耕作部件中摇杆所在摆动中心轴处的转动幅为测量对象[14]，测得摇杆转动角度（°）随时间（s）变化的曲线见图7，从图7可以看出，摇杆的摆动角度随着翻耕机作业呈现正弦或余弦规律变化，且最大摆角为曲线上下幅值之差，为4075°，与上面的理论计算结果40.94°相近。

选取翻耕刀刀尖顶点为研究目标的运动质点，可绘制出样机模型虚拟运动轨迹，从图8可以看出，轨迹显示此时样机

虚拟作业时基本无重耕漏耕现象发生，满足茶园耕作农艺要求。通过改变仿真作業行走速度为0可绘制其静态轨迹见图9，此连杆曲线（即静态轨迹）无尖端等不利于耕作部件高效作业的现象发生，观察耕作部件虚拟仿真静态作业过程发现，当其从图9-b所示状态作业至图9-c所示状态时（前段行程），翻耕刀（此时主要处于即将入土和刚入土的状态）作业速度明显提高，而在从图9-c所示状态至图9-b所示状态作业时（后段行程），翻耕刀（此时主要处于即将出土和出土后阶段）作业速度明显减小，这正是巧妙合理的利用了耕作机构具有的急回特性，同时翻耕刀入土后会受到土体对其反向（翻耕机前进方向）的阻力，从另一方面讲这正好为翻耕机提供了部分行走动力，减小了整机能耗。

选取翻耕刀刀尖顶点为研究目标，同样可绘制出翻耕刀在水平、垂直方向上的速度（mm/s）随时间（s）变化曲线，从图10可以看出，当所选翻耕刀刀尖顶点处于初始相位角状态即图9-a时，具有较大的向下的垂直速度和较大的向后的水平速度，且此种状态持续于翻耕刀从图9-b所示状态作业至图9-c所示状态时（前段行程），而翻耕刀从图9-c所示状态至图9-b所示状态作业时（后段行程），具有较小的向上的垂直速度和较小的向前的水平速度。运动合成后的状况就是翻耕刀在前段行程中作业速度明显较高，而在后段行程中作业速度明显较小，因此，与理论分析一致。

4试验验证

为了验证理论分析与虚拟仿真的可行性，获得KM3CG-50[CM（24*2]型茶田翻耕机耕作部件最佳作业性能参数，于2016年4

月在江苏大学利用农业装备工程学院室内直立式土壤高速切削试验平台对耕作部件进行了试验验证分析。

4.1试验装置与测试方法

试验台如图11所示，主要由土槽、行走机构、驱动机构、悬挂机构、耕作机构、数据采集与处理系统、上位机等组成。其中耕作机构由无锡华源凯马发动机有限公司制造，悬挂机构由江苏省镇江市丹徒环球机电配件厂负责制造，数据采集系统主要有北京龙鼎金陆测控技术有限公司LDN-08D型动态扭矩传感器、F/V转换模块、NI USB-6008采集卡、SONCLE SRS-05VDC-SL继电器等组成，上位机通过LabVIEW程序控制并以Excel表格形式输出采集参数。试验性能指标的测定方法、采样数等参考标准《GB/T 5668—2008旋耕机》《JB/T 9803.2—2013耕整机》《GB/T 5262—2008农业机械试验条件测定方法的一般规定》等[15-16]实施。

4.2仿真试验验证

通过调整行走电机、转动电机的频率使耕作部件作业行走速度为0.3 m/s（24 Hz）、曲柄转速为125 r/min（12.5 Hz）、耕深为10 cm。试验前用5点法测得所选土壤各点处坚实度（HJD-2型数字式土壤紧实度仪）、含水率（TS-1型土壤水分速测仪），平均值分别为106.7、79.0、91.0、87.0、950 N和

4.2.1耕深稳定性

依然用5点法选取各点并用耕深尺测定耕深，测量及计算方法参考标准文献，测量相关数据见表1，结果表明，耕深稳定性系数高达91.54%，表明该机耕深稳定，作业过程平稳，且完全符合茶田翻耕对土壤的要求[17]。

测定翻耕后2翻耕刀翻土轨迹的最大横向距离即为耕宽，并用卷尺测定5点取平均值为350 mm。以此作业参数可以计算此时的生产率为0.038 hm2/h，该机茶园间作业速度可达0.5m/s，生产率为0.063 hm2/h。

4.2.2重耕漏耕

当茶田翻耕机翻土作业时，测量同一翻耕刀完成1次翻耕作业时的入土点与出土点之间的水平距离并

4.2.3碎土率

碎土率参考标准文献进行标准测试，测得数据见表3，此时碎土性能较好，符合茶园耕作土壤的农艺要求。

4.2.4切土功耗

有传感器测得电压信号经过转换后输出转速、扭矩数据，并通过程序内部计算同时输出功率，经上位机输出的数据转化为二维推积折线见图12，取中间稳定作业时的部分数据处理后求得平均值见表4。分析可知，此时茶田翻耕机作业时翻耕刀切土功耗较小，而耕深稳定、碎土率高，作业性能良好，作业效率较高。

4.3正交试验

4.3.1试验设计

试验因素与试验指标较多，但是目前已研究且有实际意义的相对有限，以重耕漏耕、碎土率、耕深稳定性、切土功耗作为试验指标，以行走速度（v）、曲柄转速（n）、入土角（α）作为试验因素，进行3因素3水平的正交试验（表5）。[CM（23*2/3]根据试验台电机频率的调节范围和仿真试验的工作参

数，选用正交表L9（34）进行设计（表6）。

4.3.2试验结果分析

5点法测得土壤各点处坚实度、含水率平均值分别为86.0、82.5、153.4、134.4、128.3 N和8.3%、10.2%、7.6%、10.1%、8.2%。测得试验结果见表7。

中可以看出[18-19]，试验3、试验6存在一定的重耕现象， 但是茶田间隙较小，且地形多崎岖不平，不利于保持水土流失，不利于节能等，而茶园农艺又允许存在一定的漏耕现象，故而不是最佳作业参数；试验2存在微量的漏耕；试验4、试验7、试验8存在较大程度的漏耕现象；试验1、试验5、试验9存在较适量漏耕，碎土率分别为66.23%、68.30%、6910%，耕深稳定性系数分别为92.13%、92.08%、9145%，作业结果均符合茶园农艺要求，作业速度分别为0.25、0.30、0.35 m/s，由于消耗功率0.263 0 kW>0.129 9 kW>0.114 9 kW，故试验1可作为低速作业参数设计，由于试验9的功率是试验5的2倍，而速度基本相当，从节能角度考虑，试验5的设计参数最具有经济价值，最合理的设计参数为试验5，即曲柄转速为105 r/min，作业速度0.30 m/s，曲柄轴与连杆轴所在直线倾角为45°，为设计变速箱的传动比提供了依据。

5结论

对茶田翻耕机耕作部件作业过程进行了运动学分析，建立了翻耕刀刀尖的运动轨迹和速度的数学模型，得出摇杆摆角为40.94°，且在前段行程中平均速度大于后段行程。

在ADAMS软件中进行了虚拟样机仿真，得出了翻耕刀运动轨迹和速度曲线图，分析結果表明，摇杆摆角为40.75°，翻耕刀在前段行程中作业速度明显高于后段行程。室内土槽试验表明，重耕量较小，考虑土壤黏性的影响，可认为仿真轨迹可靠；耕深稳定系数达91.54%，耕后碎土率为70.8%～72.5%，符合茶园农艺要求，较好反映了对耕作部件的仿真结果，符合理论分析的结果。

正交试验结果表明，耕作部件最合理的作业参数为曲柄转速105 r/min、作业速度0.30 m/s、曲柄轴与连杆轴所在直线倾角为45°，为设计变速箱齿轮参数的设计提供了理论依据。

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