斜置式螺旋带状整地装置研究

许春林，孔阳阳，闫德峰，张丰烁，蒋亦元

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

近年来，保护性耕作制度和方法在水土保持、环境保护和农业生产中产生显著作用和效果[1-3]。保护性耕作可增加土壤有机质、改善土壤状况，为发展生态农业提供支持，为农业可持续发展提供保障[4-6]。整地作业为种子创造良好种床环境，是农业生产重要环节[7]，整地作业保护性耕作研究对减少土壤结构破坏、提高工作效率、降低作业成本具有重要意义[8-10]。目前，国内外关于全幅整地作业装置研究较多。秦宽等针对复式整地机出现耕作稳定性问题运用二次正交旋转组合试验，提高复式整地机耕作稳定性[11]；方会敏等利用离散元法研究土壤和耕作部件间相互作用规律[12]；张欣悦等设计1GSZ-350旋耕联合作业机，减少机具对土壤压实[13]；汲文峰等运用仿生学原理设计旋耕刀片完成旋耕、碎茬作业[14]。目前带状旋耕装置研究较少。带状旋耕作为保护性耕作中整地作业方法，可满足整地作业要求，解决全面积耕整地耗能过高问题[15-17]。设计动土量少、能耗低的新型带状整地装置，符合保护性耕作要求。

1 工作原理

试验台架主要由机架和螺旋作业装置组成，放置在试验土槽一端，螺旋旋转作业单体通过特定夹具固定于机架，可调节侧向位置和作业装置高度，角度可调节底座下部安装电动机，为2个螺旋旋转作业提供动力，传动轴通过轴套与角度调节底座作螺栓连接，螺旋通过法兰与传动轴连接，传动轴通过链轮、链条与电动机输出轴连接，电动机通过螺栓与角度调节底座下部固定，角度调节底座两端各焊接两个耳板，耳板通过螺栓与角度调节装置连接，解决螺旋整地作业时存在一定入土角问题；在工作时电动机动力通过链轮、链条传动，将动力传递给传动轴，由传动轴带动螺旋整地作业，工作原理见图1。

图1 工作原理Fig.1 Working principle

2 关键部件设计与参数确定

根据东北农艺要求，螺旋刀片对土壤完成耕翻、碎土等作业，产生幅宽不小于150 mm带状种床。螺旋运动过程分析可知，螺旋刀片在惯性力和土壤阻力作用下作业。由于材料与加工工艺限制，采用分段式实体型螺旋刀片便于安装，刀片由钢板经模具冷压而成。

按上述农艺要求及加工条件选取：螺旋直径D=125 mm；螺旋轴直径dl=30 mm，保证机具工作时满足作业要求。

3 耕作过程建模分析

3.1 螺旋刀片力学分析

为研究土壤在该装置下运动规律，将土壤颗粒简化为质点并作力学分析。螺旋作工作时土壤受螺旋刀片对其推力F，在推力作用下土壤与螺旋面产生相对运动作滑切，产生滑动摩擦力f，土壤受力分析如图2所示。

由图2可得，螺旋刀片对土壤作用力合力F与螺旋刀片法向夹角为β，将合力F分解为与轴线方向垂直径向力F1以及与螺旋线方向轴向力F2。

其中：

式中，α-法向力F3与轴线夹角（°）；β-螺旋刀片对土壤作用力合力F与法向力F3之间夹角（°）；S-螺距（mm）；μ-土壤与螺旋刀片摩擦系数。

为保证土壤可达到预期状态，应满足如下条件，

其中：

带入整理得：

图2 土壤颗粒受力分析Fig.2 Force analysis of soil particle

3.2 土壤颗粒位移与节距分析

当螺旋作整地作业时，由图3土壤颗粒随螺旋运动作运动，土壤颗粒运动可分解为沿螺旋轴方向螺旋推动与沿机具运动方向运动，当螺旋运动一个周期时，土壤颗粒沿螺旋轴线向下运动一个螺旋螺距S与沿机具方向运动位移D见图4。

图3 土壤颗粒位移Fig.3 Particle displacement diagram of soil

图4 土壤颗粒位移状况分析Fig.4 Displacement analysis diagram of soil particle

分析螺旋整地时土壤状况可知，

联立（7）（8）得：

其中：

则：

定义：

则：

螺旋切土壤节距为

式中，S-螺旋刀片螺距（mm）；D-机具运动一个周期前进距离（m）；B-螺旋切土节距（cm）；n-螺旋转速（r·min-1）；θ-螺旋入土角（°）；V-机具前进速度（m·s-1）；γ-螺旋抛土角（°）

结合上述理论分析对其整地效果加以分析，由式（14）可知，螺旋倾角一定时，当γ＜90°时螺旋仅对土壤产生推送，同时m越大γ越小，S越大γ越大；当γ=90°时，螺旋对土壤仅产生切削，且此时m=cosα·S；当γ＞90°时，螺旋切削并翻动土壤，且m越大γ越大，S越大γ越小。为使螺旋工作满足作业要求，位移倾角。由式（16）可知切土节距m与入土角θ有关，因此机具前进速度、螺旋螺距、螺旋转速应在合理范围内取值，螺旋正常工作时入土角θ≤90°。

4 土槽试验与结果分析

4.1 试验条件

试验仪器与设备：卷尺、直尺、电子秤、秒表，STEPS土壤坚实度测定仪（购自北京博普特科技有限公司），WGL-45B恒温干燥箱，天平，非接触式转速计（购自桦利电子衡器有限公司），ATV312HU 75N4型变频器（购自施耐德电气有限公司等）。

2017年12月在东北农业大学工程实训中心开展室内土槽试验，如图5所示。土壤取自哈尔滨市农业科学院试验田（经度126.63°、纬度45.75°）表层30 mm深土壤，前茬作物为玉米。土槽长为12 m、宽为1.2 m，土槽土层深度为0.5 m，试验前需对土槽土壤喷水、辊子压实，地膜覆盖2 d增加土壤团粒结构，模拟田间土壤特性，测定其含水率为17.3%，土壤坚实度为88.9 kPa。试验台土槽运动速度与螺旋作业单体转速均通过控制台变频器控制，安装在机架上螺旋作业单体动力由电动机提供。

4.1.1 试验方法

采用4因素5水平二次旋转正交组合试验方法，选取前进速度、螺旋转速、螺旋节距、入土角度、耕深为试验因素，共36组，每组试验相同条件下重复5次，取5次试验结果平均值作为结果，以碎土率为评价指标。试验因素见表1，试验因素编码值为x1、x2、x3、x4。其试验过程如图6所示。

表1 试验因素水平Table 1 Experimental factors and levels

图5 土槽试验Fig.5 Experiment of soil-bin

4.1.2 检测指标

检测碎土率，在其耕带内，采用5点取样法确定检测点，以该点为中心选取面积0.1 m×0.1 m，其中最长边小于3 cm土块质量占耕层土块总质量百分比为该点破土率，计算5点平均值。土壤称重如图5所示，碎土率公式如下：

其中，Q-碎土率（%）；M1-耕层内最长边不大于3 cm土块质量（g）；M2-0.1 m×0.1 m面积内耕层土块总质量（g）。

4.2 结果分析

4.2.1 试验结果分析

试验方案及结果见表2。

表2 试验方案及试验结果Table 2 Test plan and experiment result

由表2可知，碎土率随机具前进速度升高而降低，因为单位时间内螺旋部件接触土壤量随机具前进速度升高而增加。机具前进速度较低时，碎土效果好，但效率相对较低；碎土率随螺旋转速增加而升高，因为机具前进速度为定值时，单位时间内作业土壤量不变，螺旋转速增加提高碎土效果，但动力消耗相对较大。碎土率随入土角度增加先升后降，随着螺旋入土角度增加，螺旋对土壤切削力在垂直于螺旋刀片刃口分量增加，随入土角度增大，滑切作用降低。由表2可知，在螺旋入土角度为20°时，破土效果优于其他入土角度。当螺旋作整地作业时，螺旋与土壤形成一定工作腔体，当螺旋刀轴与螺旋刀片宽度一定时，螺距越小，螺旋工作腔体越小，土壤颗粒与土壤颗粒之间、土壤颗粒与螺旋刀之间形成较大阻力，压实工作腔体土壤使其堵塞，破土率降低。当螺旋节距增大时，螺旋刀片切削量相对较大，碎土率降低。在螺旋刀螺螺距为60 mm时，碎土效果优于其他螺距。二次回归分析及多元回归拟合检验数据显著性。碎土率Q方差分析如表3所示。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

各因素间交互作用对碎土率Q影响主次顺序依次为：前进速度X1、螺旋转速X2、入土角度X3、螺旋螺距X4，其中机具前进速度X1、螺旋转速X2、螺旋螺距X4、机具前进速度与螺旋转速X1X2、前进速度与耕深交互项X1X4、螺旋转速与入土角度交互项X2X3、入土角度与螺旋节距X3X4交互项均对碎土率影响极显著（P＜0.01）；其中入土角度X3对碎土率影响显著（0.01＜P＜0.05）；其余交互项不显著（P＞0.1），将不显著交互作用项回归平方与自由度去除，作方差分析，得到各因素对破土率Q影响回归方程为：

对回归方程作失拟检验，如表所示，其中P=0.8359（P＞0.1），证明分析结果合理。

4.2.2 响应曲面分析

运用Design-Expert8.0.6作数据处理，得出螺旋转速、机具前进速度、入土角度以及螺旋螺距交互作用响应曲面，如图6所示。

图6 影响碎土率双因素响应曲面Fig.6 Response surfaces of double parameters about soil-broken rate

当前进速度为0.6 m·s-1、螺旋螺距为60 mm时，如图6（a）所示，当螺旋转速一定时，碎土率随入土角度增大先增后减，最优入土角度为19°～21°；当入土角度一定时碎土率随转速提高而增大，最优转速为 550～600 r· min-1。当转速 550 r·min-1、入土角为20°时，螺旋螺距与前进速度交互作用影响如图6（b）所示，当螺旋螺距一定时，碎土率随前进速度增大而减小，最优前进速度为0.4～0.6 m·s-1；当前进速度一定时，碎土率随螺旋螺距先增后减，其最优螺距为78～90 mm。当前进速度为0.6 m·s-1、螺旋转速为550 r·min-1时，螺旋螺距与入土角度交互作用影响如图6（c）所示，其最优螺旋螺距为56～64 mm；最优入土角度为19°～21°。

根据实际作业要求，在多组优化下选取最优参数组合：前进速度0.4～0.6 m·s-1、螺旋转速550～600 r·min-1、螺旋螺距60 mm、螺旋入土角度19°～21°，其对应碎土率为92.17%～93.65%。

4.3 试验条件与验证试验

4.3.1 试验条件

土壤含水率为16.9%，土壤坚实度为90.1 kPa。参考GB/T5668-2017《旋耕机械试验方法》。

4.3.2 验证试验

以螺旋作业参数选取：前进速度为0.4 m·s-1，螺旋转速为550 r·min-1，入土角度为20°，螺旋节距为60 mm时，碎土率为92.54%。结果表明，斜置式螺旋整地装置碎土率较高，碎土效果较好，优化组合相对合理，优化后参数组合可满足整地作业要求。

5 结 论

a.设计斜置式螺旋带状整地装置，可将6个或8个该作业部件组合整地作业，作业效率高于同等机具，带状整地作业功耗降低，但整体机具适应性以经济性需试验验证。

b.通过建立数学模型定义斜置式螺旋整地机具前进速度与螺旋转速比值m，分析可知抛土角γ＞90°时，整地作业效果相对较好。

c.利用Design-Expert8.0.6软件确定最优参数组合，当土壤含水率为16.9%，土壤坚实度为90.1 kPa时，前进速度为0.4 m·s-1、螺旋转速为550 r·min-1、入土角度为20°、螺旋节距为60 mm，碎土率为92.54%。此时斜置式螺旋抛土角γ＞90°，验证上述模型正确性。