不同刀片形式对反转旋耕机作业性能的影响

朱继平　陈伟　袁栋　丁艳　夏敏　姚克恒

摘要：用Matlab仿真工具，通过仿真反转旋耕刀片的运动轨迹，研究反转旋耕刀的切削机制，分析反转旋耕刀片影响整机驱动功耗和作业质量的因素。田间试验在高、低留茬麦茬地下，1GKF-200型反转旋耕机安装IT245、直角刀、焊接刀和圆弧直角刀4种刀片，测定它们的驱动功耗和作业质量，通过对比评价刀片的技术性能。结果表明，安装直角刀的机具在高留茬（留茬高度≥25 cm）和低留茬（留茬高度≤20 cm）条件下，均有良好的埋茬效果；低留茬条件下，机具驱动功耗差异不明显，值得进一步研究。

关键词：反转旋耕机；直角刀；IT245；焊接刀；圆弧直角刀；驱动功耗；作业质量

中图分类号： S2223文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0235-06

HJ13mm]

收稿日期：2016-12-27

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201503119-02-01）；江苏省科技计划项目（编号：SBN2014010318）。

作者简介：朱继平（1963—），男，陕西宝鸡人，研究员，主要从事耕整地机械研究。E-mail：zhujip@163com。

通信作者：陈伟，硕士，研究实习员，主要从事耕整地机械研究。E-mail：chenweiccbb@163com。

反转旋耕机以其良好的埋茬覆盖效果，成为稻麦两熟地区秸秆机械化还田的主要机具，也用于绿肥翻埋、有机肥混施、中低产田土壤改良。

反转旋耕机（又称为反转灭茬机、反转灭茬旋耕机等）是反转旋耕技术应用的基本机型，其结构形式有圆梁式、框架式2种。2种形式机具主要区别在于侧边齿轮箱体的方向，圆梁式向后倾斜，框架式与水平面基本垂直。传统的圆梁式由于加工工艺复杂，加工费用高，已逐渐被框架式所替代。

反转旋耕技术不同于传统的正转旋耕技术，它的旋耕刀是由下向上切削土壤，作业时旋耕刀轴旋转方向与旋耕机组驱动轮的旋向相反，旋耕刀切削土壤的切削机制也不同于正轉旋耕作业，刀片切削土壤方向是由有约束的沟底向无约束的田面作用，在作业速度相同的情况下，刀片的切削速度可以取较小的值，理论上可以减少整机的功率消耗1]。

虽然反转旋耕机应用较早，过去主要受大型拖拉机发展的影响，推广应用受到一定的限制。反转旋耕机使用中存在的主要问题为整机功耗较大，生产率低。功耗大的主要原因是反转旋耕机一般仍采用传统的正转旋耕机的旋耕刀，刀身长，刀片在土壤中的作用轨迹长，刀片向上的升土和向后的抛土能力差，造成刀轴前方大量积土，刀片会对切下的土壤过度切削粉碎，使得机具整机功耗增加。

针对反转旋耕机没有适用的旋耕刀片问题，通过Matlab仿真工具，精确描绘刀片不同工况下的运动轨迹图，以分析反转旋耕刀的切削机制，为刀片的设计提供理论依据。通过IT245、焊接刀、直角刀、圆弧直角刀田间对比试验，评价其作业质量、机具功耗，以筛选适用的刀片。

1研究现状

反转旋耕的研究已有40多年历史。国外，前苏联学者发现了反转旋耕能减少切削阻力，稳定耕深；日本学者发现反转旋耕能实现深耕，提高作业质量。国内，王长兵等提出了潜土逆旋理论，采用计算机仿真、数学建模、高速摄像等方式，进行刀片的切削机制、抛土性能、刀片运动和功耗等方面的研究2-4]；陈钧等研究了下切式节能型旋耕刀的设计理论和设计方法，提出切削曲线成型法和正切面“凸胸扭翼”形状能降低切土功耗5-6]；南京农业大学工学院丁为民等采用对比试验、理论分析方法，研究了反转旋耕刀性能、切土扭矩的影响因素及反转旋耕刀滑切角的计算方法7-8]；浙江大学马旭等采用模糊试验分析方法，研制出了具有良好升抛能力的凹形铲刀逆转刀辊与开式土铲组合的抛土部件9]。

过去对常规反转浅旋耕技术和潜土逆旋的深旋耕技术进行了多方面的研究，从旋耕刀切削曲线成型、形状等方面对节能型反转旋耕刀提出了设计理论和设计方法，可以用于指导反转旋耕技术的研究和应用10]。但对提高反转旋耕刀的升土和抛土能力的研究还不多，对影响反转旋耕机功耗和作业质量因素的系统研究还明显不足，实际应用还没有专用旋耕刀产品。现行的反转旋耕机依旧采用传统的正转旋耕刀片，机具功耗大，秸秆覆盖质量无法完全满足农艺要求。因此，有必要对反转旋耕机刀片切削机制、刀片的升土和抛土过程进行深入研究，以优化反转旋耕刀的设计，为反转专用旋耕刀的设计提供技术指导。

2反转旋耕机的工作原理

反转旋耕机利用机组前进速度和旋耕刀辊旋转运动的复合运动，完成对土壤的切削碎土和植被的覆盖作业。反转旋耕机刀片切下土垡后，通过刀辊与机罩组成封闭的通道，向后抛出。刀具旋转的同时也将根茬、地表的秸秆、杂草等植被带起，向后抛出，长的秸秆、杂草和根茬等被挡草栅挡下，落到前方，短的抛出挡草栅，落到后方。向后抛出的土垡，在与机罩碰撞下，改变方向，进一步细碎化；由于土垡之间的质量、体积差异，受到空气阻力、土块之间相互作用的影响，落到机组后方，完成植被的覆盖作业（图1）。

3反转旋耕机刀具的切削机制

反转旋耕机的刀具从下向上切削，刀刃切土的顺序与正转相反，刀具的正切刃先切土，然后侧切刃逐步切土。刀具刃部轨迹为水平向前直线运动和反向旋转运动的复合运动形成的倒置余摆线。刀具的侧切刃切出沟壁，正切刃切出沟底，正切面将切出土垡带出，并向后抛出。如图2建立直角坐标系，O点为刀轴中心，A点为刀刃上点，R为该点的回转半径，当机组以速度Vm前进，同时刀轴以角速度ω作业时，经过时间t后，刀轴中心到达O1，刀刃部的点为A1（x，y），其运动分析图及运动方程见图2、公式（1）。

FK（W11]TPZJP2tif]

x=Vmt+Rsin（ωt）；y=-Rcos（ωt）。JZ）]JY]（1）

公式（1）仿真后的旋耕刀运动轨迹见图3。

FK（W12]TPZJP3tif]

4刀具对反转旋耕机作业功耗影响分析

影响旋耕机作业功耗的因素有很多，刀具结构形式是重要的因素之一。对于反转旋耕机来说，由于其作业工作原理和刀具的切土机制同正转旋耕机不同，对刀具的结构要求也有所不同。反转旋耕机功耗主要为驱动功耗，公式（2）为驱动功耗的计算公式：

P=Mω=Mπn30。JZ）]JY]（2）

式中：P为驱动功耗，W；M为驱动扭矩，Nm；n为转速，rmin。

驱动扭矩主要为克服刀具切削阻力、升土和抛土阻力等所需的作用力矩。影响刀具切削阻力的因素有刀具的切削角（或入土角）、刀刃的刃口锋利程度、刀具正切面和侧面宽度等。升土和抛土是反转旋耕作业时重要的步骤，刀具需要把切下的土垡从下带起，通过刀辊与机罩形成的通道，向后抛出。因此，提高刀具的升土和抛土能力，减少刀具对土垡的重复切削，可减少切削阻力，提高升土和抛土的效率，可以大大降低机具的功耗。影响刀具升土和抛土能力的因素主要有刀具安装角、正切面的弯折位置和弯折角、结构形状、刀具正切面和侧面宽度以及刀轴的转速等。图4为不同刀具入土角和出土角。

FK（W10]TPZJP4tif]

IT245型标准刀在耕深120 mm时，最低点的入土角为26°，耕深120 mm时的出土角（刀具正切面与地表的夹角）为33°；R245型直角刀入土角为36°，出土角为27°。一般情况下，入土角大，机具容易入土，但对土壤的挤压严重，入土阻力增大；对反转旋耕机来说，入土角大，刀具的升土和抛土能力增大。出土角大小主要影响刀具的升土能力，出土角小，刀具正切面的斜角小，土垡不容易滑落，升土能力强；反之，出土角大，土垡容易滑落，升土能力弱。

采用特殊刀具结构，如给刀具侧切面、正切面增加挡土面，改善土垡在刀刃面的运动状态，可以增强土壤的升土和抛土能力。图5为增加挡土面的刀具结构示意图。

FK（W9]TPZJP5tif]

适當增加刀具正切面和侧面宽度，可以增加刀具的载土量，从而提高刀具的升土和抛土能力。

不同作业工况影响刀具的运动轨迹形状，刀具出土时的切削速度方向不同，同样也影响刀具的升土和抛土能力。图6为不同刀轴转速对刀具切削速度方向的影响示意。

如图6所示，刀轴转速200、240、280 rmin变化时，刀具出土时的切削速度V与地表线夹角逐渐变大，刀具对土垡向上的作用速度增大，刀具的升土和抛土能力增大，当然刀轴转速增加，整机的功耗也会增加。因此，选择合适的刀具，还要配合适宜的刀轴转速，既可以增加刀具的升土和抛土能力，又能降低大机具的功耗。

增大刀具的安装角，减少刀具在土壤中的作用轨迹长度，可以降低整机功耗。如IT245型旋耕刀，安装角为22°，侧切刃长，滑切能力强，适用于正转旋耕作业，防止地表的秸秆、杂草等缠绕，无法入土，但侧切刃长后，刀具在土壤中的作用时间延长，整机功耗就大。直角刀一般安装角为40°左右，侧切刃缩短，滑切能力减弱，可以减少刀具在土壤中的作用长度。地表的秸秆、杂草等长度较短时，对其影响不大，只需带向后方，当地下根茬较少时，可以降低整机的功耗。

5反转旋耕机刀片对其作业质量的影响分析

反转旋耕机作业一般用于稻麦秸秆覆盖还田和土壤耕整作业。农艺对一般的旋耕作业质量要求为耕深适宜、深度稳定、土壤细碎、秸秆覆盖严密、耕后地表平整等。对反转旋耕作业，尤其提出要对秸秆适应能力强，对低茬10 cm左右，还是高茬25 cm以上，要有良好的适应性，对秸秆的种类和密度也要有好的适应能力。考虑到水稻旱直播和冬小麦种植的耕作要求，希望耕层上部0～5 cm范围内，秸秆量要少，以利于播种和后期作物的生长。反转旋耕作业质量评价需要引入耕层秸秆分布，通过测定耕层上层0～5 cm单位面积覆盖的秸秆量占全耕层总秸秆量的百分比，评价秸秆覆盖质量。该指标可以间接评价刀具及刀辊作业系统的升土和抛土能力，覆盖在秸秆上的土层越厚，耕层上部的秸秆量越小，刀具及其刀辊系统升土和抛土能力就越强。刀具的切削能力强，有利于碎土；增加刀具的表面宽度，有利于提高升土和抛土能力，但是过大的表面宽度，尤其是正切面的宽度过大，刀具切下的土垡截面就大，影响机具的碎土效果，机具功耗也会增大。

64种刀片反转旋耕机田间对比试验

试验通过对采用设计或选择的4种刀片反转旋耕机，在高留茬、低留茬条件下机具的作业质量和整机功耗的考核，以评价刀片的适用性和功耗。

61试验条件

611试验机具

1GKF-200型反转旋耕机：框架式结构；刀片排列形式为人字形；刀轴装刀数为48把（原50把排列，左右两侧也是一内一外，试验时拆除向外的刀具，以保证耕后沟壁的完整，减少土块外抛）；刀轴设计转速为200 rmin（n动=540 rmin）、279 rmin（n动=760 rmin），反转旋耕机选择刀片形式见表1。

612配套拖拉机

考虑大马力拖拉机应用现状，选用 JS-1304A型拖拉机；拖拉机动力输出轴转速：540、760 rmin，试验用760 rmin；试验挡位：低Ⅱ挡。

试验时控制拖拉机油门位置一致；机具耕深调整为10 cm。

613田间试验条件

土壤质地为壤土，麦茬地，留茬高度为27～40 cm（平均：32 cm），留茬高度在25 cm以上为高留荐，耕前植被4 950 kghm2，无杂草和绿肥；其余情况见表2、图7、图8。

FK（W12]HT6H]STHZ]表1刀片形式HTSS]STBZ]

HJ5]BG（！]BHDFG11，WK15。4W]TPZJP5-1tif]TPZJP5-2tif]TPZJP5-3tif]TPZJP5-4tif]

BHDG12]IT245焊接刀直角刀圆弧直角刀

BHDWG42，WK15。4ZQW]SQ2]标准刀，安装角22°，回转半径245 mm，工作幅宽50 mmSQ2]在IT245型标准刀基础上通过焊接改造，增加刀身宽度，增设刀身挡土面SQ2]安装角40°左右，回转半径245 mm，工作幅宽80 mm，正切刃为外延负角度SQ2]在直角刀的基础上，正切面的切削刃做成内收的圆弧BG）F]

614試验地点江苏省淮安经济技术开发区广州路办事处小堆村；试验时间：2016年6月16日。

按照GBT 5668—2008《旋耕机》，结合编制的试验实施方案进行。

62试验测试参数

测试参数包括驱动功耗、耕深及耕深稳定性、碎土率、植被覆盖率；还有耕后田面情况和耕层秸秆分布等。

耕后田面情况：要求田面平整，无壅土、壅草情况，无明显的漏耕，通过目测考核。

耕层秸秆分布：测定耕后土壤耕层中05 m×05 m×05 m 范围内各层的秸秆质量，以0～5 cm耕层中秸秆质量百分比包括秸秆、根茬（不包括根系部分）占全耕层中总秸秆质量的百分比]表示。

63测试结果

试验一：高留茬条件测试结果见表3、表4。试验二：低留茬条件测试结果见表5。

74种刀片反转旋耕机田间试验测试结果分析

71不同刀片机具的作业质量及分析

从表3、图9、图10、图11可得出，（1）耕深。试验时通过液压和镇压辊控制，按照当地农艺要求，测定的结果基本符合

要求。（2）耕深稳定性。测试结果均大于国家标准GBT 5668—2008《旋耕机》的规定（≥85%），符合当地的农艺要求，刀片之间差异不大，直角刀最好。（3）碎土率。测试结果均远大于国际标准GBT 5668—2008《旋耕机》的规定（≥50%），刀片之间差异不大，IT245最好；由于本试验考虑刀在现行农业生产中的实际应用，机具配套拖拉机动力较大，机具刀轴转速较高，机具作业后碎土效果非常好。（4）植被覆盖率。试验结果发现，直角刀和焊接刀差异不大，IT245与焊接刀、直角刀相比差异较大，相差分别为134%、130%。可能是因为普通的IT245刀片，侧切面和正切面小，正切面弯折角大（120°），向后的输土能力差；正切刃的滑切角大，向后的带秸秆能力差，影响了秸秆的覆盖效果。（5）耕层秸秆分布。它是用于评价反转旋耕机作业质量的新指标，按农艺需求秸秆应尽量分布在土下5 cm以下，试验结果表明焊接刀最好，IT245次之，直角刀最差；直角刀按照理论分析输土能力应该好于IT245和焊接刀，主要原因可能是本次试验地留茬高度太高，达 27～40 cm（平均32 cm），土壤的水分较大（0～20 cm绝对含水率平均为2921%，容积含水率为3001%），造成试验时的刀片缠草严重，影响了刀片的输土能力，加上耕前秸秆分布严重不均，相差最大达590 gm2，也会影响测试结果（图8）；耕层秸秆的分布指标也差，从图11可以看出类似的结果。试验结果表明，该指标可以作为评价秸秆还田质量的技术指标。（6）耕后地表情况。它是直观反映机具作业质量的指标。由图10可知，4种刀片耕后地表平整，埋茬效果依次为直角刀、焊接刀、圆弧直角刀、IT245；IT245最差，地表遗留秸秆较多。测试结果表明，直角刀升土和输土能力最好，焊接刀次之。说明减小刀片的弯折角、增大侧切面和正切面可以提高埋茬能力。

72不同刀片机具的驱动功耗

不同刀片机具的驱动功耗能反映整机的使用经济性，也是评价刀片质量的重要指标。由于影响机具功耗的因素很多，本试验主要考核刀片对机具功耗的影响，不同刀片应该在同一工况下评价，由于田间试验的不确定性因素多，试验区土壤坚实度不均匀，会影响机具功耗的测试结果。

从表4、图12可知，试验一机具的驱动功耗由大到小依次为圆弧直角刀、直角刀、焊接刀、IT245。直角刀作业时刀片缠草严重，刀片的切土阻力大，造成整机的功耗大；圆弧直角刀作业时有刀片基本无缠草，但由于可能是试验时机手对拖拉机的油门控制过大，旋耕刀轴的实际转速远高于其他3种刀片，机组作业速度也高于其他刀片。

低留茬条件下的驱动功耗差距不明显（图13），IT245的功耗稍大于直角刀，IT245耕深大于直角刀，作业速度又小于直角刀，两者的影响可以互相抵消。试验时直角刀也无缠草，耕后地表直角刀优于IT245。

8结论

反转旋耕机采用直角刀，土壤质地为壤土，留茬高度不大于20 cm，作业后地表平整，埋茬严密；旋耕刀轴作业时也基本无缠草，整机功耗与IT245差异不大。直角刀、圆弧直角刀、焊接刀均可以提高机具的埋茬质量，耕后地表情况为直角刀最好。直角刀不适用于留茬高度大于25 cm的麦秸秆还田作业，机具的刀轴缠草严重，功耗远大于其他刀片；圆弧直角刀可以减少刀轴缠草，值得深入研究。采用耕层秸秆分布指标，可以反映农艺对麦秸秆覆盖还田旋耕作业的技术要求，能用于间接评价反转旋耕刀具及机具的升抛土能力。要降低反转旋耕机作业功耗，刀轴转速需严格控制，尽可能不超过 280 rmin。

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