赵建国,王 安,马跃进,李建昌,郝建军,聂庆亮,龙思放,杨前锋
深松旋耕碎土联合整地机设计与试验
赵建国,王 安,马跃进,李建昌,郝建军,聂庆亮,龙思放,杨前锋
(河北农业大学机电工程学院,保定 071001)
为减少耕作阻力、改善土壤耕层结构、提高碎土率,该文对联合整地机的深松部件、碎土机构进行设计,设计了入土角度可控的自激振动深松铲,并建立了自激振动深松铲的运动学模型和力学模型,确定弹簧行程为15 mm、负载为7 500~15 000 N,并确定了弹簧的结构参数。设计了具有二次碎土功能的笼状碎土辊,并依据农艺要求确定了其结构参数。通过室内土槽试验,验证了自激振动深松铲的减阻效果和耕作质量,并对整机的作业质量进行了田间测试。土槽试验结果表明:与对照相比,自激振动深松铲平均减阻9.22%,土壤蓬松度和土壤扰动系数分别为26.16%和77.21%,减阻效果明显,作业效果较好。田间试验结果表明:联合整地机的深松深度稳定系数、旋耕深度稳定系数、地表平整度和植被覆盖率分别为94.92%、92.50%、1.17 cm和93.36%;笼状碎土辊在整个试验过程中未出现土壤粘附和拥堵现象,碎土率为84.18%,加装普通齿状碎土辊机具的碎土率为71.41%,笼状碎土辊的碎土率提高了12.77个百分点,碎土效果明显改善。深松旋耕碎土联合整地机减阻效果明显、整地质量好,可有效改善土壤的耕层结构,降低土壤容重,提高蓄水保墒能力。
农业机械;设计;深松;旋耕;笼状碎土辊;自激式振动
田间犁底层的存在,会影响物质的传递、能量的转移及作物根系下伸,从而降低作物产量。深松作业可有效打破犁底层,提高土壤的蓄水保墒能力、作物根系下伸和营养物质的传递,从而提高作物产量[1]。深松作业虽有积极的增产作用,但深松作业的能耗一般为作物收获机械的3~5倍[2];虽然传统的深松旋耕作业模式碎土效果已经很明显,但在华北平原地区,通常需要2次进地2遍旋耕后才进行播种作业,降低作业效率的同时,容易造成土壤的二次压实,影响作业效果。因此深松旋耕整地机具的深松减阻和碎土效果一直是研究重点。
针对深松作业阻力大问题,研究学者设计了振动深松机,在土壤作业过程中,使深松铲产生一定频率的振动,从而疏松土壤达到减阻目的[3-6];Araya等[7]在深松机具上增加高压气体喷射装置,在深松铲表面喷射出空气或水,从而降低土壤对深松铲的摩擦力[7];Larson等[8]利用电位差原理,使深松铲和土壤接触面上形成一层薄水膜,水膜可以起润滑作用,从而减少摩擦降低阻力;郑侃等[9]根据耕作层、犁底层和心土层的土壤性质,设计了具有不同滑切角和切削刃角的深松铲柄,可有效降低耕作阻力,提高作业质量;赵淑红等[10],采用离散元软件获得深松铲铲尖在土壤中的运动曲线,依据运动曲线设计了拟合曲线型深松铲,其土壤扰动量和耕作阻力明显降低;另外,研究学者通过对挖掘动物和海洋生物的几何结构和生物学特性进行研究,发现其具有明显的减阻效果,进而设计发明了仿生铲[11-13]。综合来看,针对深松减阻问题,国内外有很多相关研究,但因自激式振动深松机中弹簧元件的强度和抗疲劳特性要求高、制作较复杂、振动参数不易控制等问题,国内振动深松机多以强迫式振动为主;同时由于自激振动深松铲的弹簧元件与深松铲柔性连接,因耕作阻力的变化,使深松铲在作业过程中入土角度多变,从而影响装置的减阻效果和降低深松的稳定性。
普通齿状碎土辊在黏性或潮湿土壤中粘土严重,一般是在碎土辊上加装一排定刀,去除粘附在碎土辊上的土壤。但定刀的设计会影响碎土辊的正常工作,增加阻力消耗的同时降低碎土质量。
为了降低耕作阻力和提高碎土质量,本文对深松旋耕整地机关键部件进行改进,分别设计了入土角可控的自激振动深松铲和具有二次碎土功能的笼状碎土辊,并对自激振动深松铲和深松旋耕碎土联合整地机分别进行了室内土槽试验和田间试验,验证了自激振动深松铲的减阻和作业性能,并对比分析了加装笼状碎土辊的机具作业效果。
如图1所示,机具主要由旋耕机、自激振动深松铲和笼状碎土辊3部分组成。工作时,深松旋耕碎土联合整地机悬挂于拖拉机后方,一次性作业可完成旋耕、深松、碎土和镇压等工序,有效宽幅为2 300 mm。根据国家标准和农艺要求,其深松深度≥300 mm,整地深度≥120 mm,深松深度稳定性系数≥80%,整地深度稳定性系数≥85%,耕后地表平整度≤40 mm,土壤扰动系数≥50%,土壤蓬松度10%~40%,植被覆概率≥60%,碎土率≥60%[14-15]。因为深松作业的土壤扰动宽度约为深松深度的2倍[16],因此机具的铲间距设计为600 mm,其他主要参数如表1所示。
图1 深松旋耕碎土联合整地机结构示意图
表1 深松旋耕碎土联合整地机主要结构参数
先将深松旋耕碎土联合整地机通过三点悬挂装置挂装在拖拉机尾部,并通过弹簧预紧端盖调整弹簧的预紧力和深松铲的入土角;然后调整碎土辊离地高度,使旋耕、深松深度达到农艺要求;深松旋耕作业时,位于旋耕机底部的深松铲尖将犁底层打破,深松隆起的土壤则由旋耕机破碎平整,深松铲柄位于旋耕机后部,可避免秸秆杂草在铲柄的缠绕和堵塞;最后由碎土辊对深松旋耕作业后的土壤进行碎土和镇压,形成有利于播种和植物生长的种床。
如图2所示,入土角可控自激振动深松铲主要由弹簧激振装置、深松铲连接板和深松铲3部分组成。深松铲由螺栓固定在深松机架上,弹簧激振装置和深松铲由连接板连接。因地面凹凸不平和土壤阻力的变化,深松过程中深松铲围绕连接板上的第一销钉顺时针转动,从而压缩弹簧激振装置中的弹簧,使深松铲发生小幅度振动。
图2 自激振动深松铲结构示意图
深松铲的结构参数参照课题组的前期设计[17]。弹簧激振装置结构组成如图3所示,主要由预紧端盖、弹簧端盖、外簧、内簧、弹簧芯轴和固定销组成。受土壤阻力变化的影响,深松铲围绕第一销钉顺时针转动,弹簧激振装置中的弹簧受力压缩。当耕作阻力过大时,第三销钉与直槽口底部接触,深松铲的入土角度被限制到最大值。直槽口的设计可将深松铲的入土角控制在最佳范围内,保持深松深度的稳定性,并使弹簧不出现完全压缩的状态,保证弹簧元件工作的可靠性。弹簧元件参数的选取由深松铲运动状态和负载决定,是整个装置设计的核心,因此需要对自激振动深松铲进行运动学和力学分析。
2.1.1 自激振动深松铲运动学分析
图3 弹簧激振装置结构示意图
注:1为深松铲未振动状态,2为深松铲振动角度为α时的振动状态;A为固定梁;O、B和C点分别为第一、二和三销钉中心点;B¢点为深松铲振动角度为α时的点B位置;l1为点O与点B的距离,l1=172 mm;l2为点O与点C的距离,l2=278 mm;l3为点C与点B的距离,mm;l3¢为点C与点B¢的距离,mm;β为OB与OC的夹角,β=51.64°;g为深松铲未振动时的入土角,(°);g¢为深松铲振动时的入土角,(°);α为装置从状态1到状态2时的振动角,即OB与OB¢的夹角,(°)。下同。
由图4可求得弹簧压缩行程为:
(3)
因自激振动深松铲具有唯一确定的运动,故深松铲的入土角是影响弹簧压缩行程的主要参数。参考文献[19-23],深松铲入土角的变化范围为23°~28°。通过对机构的自由度分析可知,自激振动深松铲有唯一的运动方向,根据入土角度的取值范围,可以求出自激振动深松铲的振动角的最大值为:
由式(5)求得振动角的最大值为5°,代入式(2)~式(4)中,求得=14.99 mm,圆整取弹簧压缩行程为15 mm。
2.1.2 自激振动深松铲力学分析
自激振动深松铲的受力简图如图5所示。深松铲和深松铲连接板之间的连接属于刚性连接,故将两者视为一体,为了简化模型将深松铲的受力位置选为铲尖。根据力与力臂的关系可求得弹簧受到的压力为:
由式(6)求得弹簧的负载为7 500~15 000 N。因深松作业过程中,需要保证压缩弹簧不能出现倾斜状态,同时考虑到载荷较大、安装空间受限的问题,最终选用组合弹簧作为自激振动弹簧,弹簧材料选用60Si2Mn,类型为YI型。根据机械设计手册[25]求得内外压缩弹簧的相关参数如表2所示。
注: D为深松铲铲尖;l4为点O与点D的距离,l4=515 mm;F力为土壤对深松铲的作用阻力,N;P为深松铲连接板对弹簧的压力,N。
表2 弹簧参数
为提高碎土辊碎土质量,将菱状碎土齿交错焊接在带有间隙的圆柱滚筒上,设计了笼状碎土辊。工作时,首先由碎土齿外齿将土壤初次破碎,由于圆柱滚筒之间有一定的间隙,大块土壤会由缝隙进入碎土辊内部,而不会粘附在圆柱滚筒上,进入碎土辊内部的大块土壤在碎土齿内齿的作用下再进行二次破碎。笼状碎土辊结构如图6所示。
1. 圆柱滚筒 2. 碎土齿外齿 3. 碎土齿内齿
笼状碎土辊类似于碎土类圆盘耙,其相关参数可按照圆盘耙的设计公式计算。根据经验公式笼状碎土辊直径为
=max(7)
式中为径深比系数,=3~7[13];max为最大作业深度,mm。
为保证碎土效果,取最大值7。根据小麦和玉米的常规播种深度30~50 mm,max=50 mm。综上,由式(7)求得笼状碎土辊直径=450 mm。
对于比较坚硬的土块,大块的土壤不易破碎,土壤堆积后易形成空穴,不利于种子后期发芽。而尖的碎土齿可在碎土辊的自重作用下,利用锋利的齿尖将大块土壤有效破碎[26],因此将碎土齿设计成菱形,其形状如图7所示。
碎土齿的厚度为[13]
=(0.008~0.02)(8)
由式(8)求得的取值范围为3.6~9 mm,考虑标准板材厚度、耐磨性和铣齿的需要,取=10 mm;研究表明触土部件切削刃角为45°时,作业阻力最小[27],但切削刃角越小,越容易造成刃口的崩裂和卷边;为碎土齿的入土角,越小,齿尖与土壤接触单位面积上的压强更大,齿尖越容易发生失效。为保证碎土齿的使用寿命,考虑齿厚,设计碎土齿的切削刃角和入土角均为60°。
标准要求作业后的任意边长小于40 mm土块质量占比不能小于60%[14],据此确定相邻2个碎土齿间隙为40 mm。为减少碎土齿安装数量、避免因单根圆型管材焊接碎土齿数量过多导致圆柱滚筒变形,如图8所示将碎土齿按照交错排列方式等距安装在圆柱滚筒上,并根据碎土辊总长、碎土齿齿厚和交错相邻2个碎土齿间隙,碎土齿沿轴向和径向间隔排列,共188个。
注:1为碎土齿与圆柱滚筒焊接孔,直径φ=30mm;hmax为碎土齿最大作业深度,hmax=50mm;s为碎土齿的厚度,mm;δ为碎土齿的入土角,(°);θ为碎土齿的切削刃角,(°)。下同。
注:●为碎土齿安装位置。
3.1.1 试验目的与设备
为验证自激振动深松铲设计的合理性,进行室内土槽试验。试验以耕作阻力、土壤蓬松度和扰动系数为指标,综合评定自激振动深松铲的减阻效果和工作性能。如图9所示,试验在河北农业大学土槽试验室进行,所用土壤为华北平原地区农田壤土,试验用土槽试验台为哈尔滨博纳科技有限公司研制(TCC-Ⅱ电力四驱土槽试验车),土槽尺寸20 m´2 m´1 m(长´宽´高)。
3.1.2 试验方法
为近似模拟真实的田间土壤状态,试验前将土壤表面20 cm深度的土壤取出,并将底层土壤压实。土壤回填铺平后,用旋耕机将表层土壤打碎后,再用辊子压实[28]。根据以往田间测量数据,使制备土壤的含水率达到10%~20%,0~20 cm土壤坚实度达到0.5~2 MPa,20~40 cm坚实度达到2~4 MPa。试验深松铲通过U型卡子固定在测力架上,将自激振动深松铲中弹簧激振装置的内外压缩弹簧用套筒替代作为对照深松铲,试验用深松铲如图9b、图9c所示。深松铲耕作深度为300 mm,速度为1 km/h,测定中间稳定段耕作阻力数据,进行3次重复试验。并按图9d、9e、9f测定自激振动深松铲的作业质量,在垂直作业方向横跨工作幅宽地表建立水平基准,间隔30 mm分别测定耕前地表线、耕后地表线和沟底线,并采用绘图软件绘制深松后垄沟横断面,由式(9)、式(10)计算土壤蓬松度和扰动系数。试验数据采用Duncan氏新复极差法计算均值和标准误差。
3.1.3 土槽试验结果与分析
图10为3次重复试验中第1个行程的2种深松铲耕作阻力对比曲线(另外2个行程的阻力曲线分布趋势类似)。由图10可知,耕作阻力随时间变化呈现不规律的上下浮动,主要是由于土壤条件差异造成。总体上,自激振动深松铲的耕作阻力小于对照深松铲耕作阻力。表3为3次重复试验稳定段的耕作阻力。试验数据表明,与对照相比,自激振动深松铲耕作阻力明显变小,分别下降8.87%、9.75%和9.04%,试验结果表明自激振动深松铲减阻效果明显,与对照深松铲存在显著性差异,平均减阻9.22%。
图10 耕作阻力试验曲线
表3 耕作阻力试验数据
注:表中同列不同字母表示在=0.05水平上差异显著。
Note: Different letters of the same column in the table indicated significant differences at=0.05 .
表4为测定土壤蓬松度和扰动系数。作业机质量标准评价指标要求土壤蓬松度应不大于40%而土壤扰动系数应不小于50%[14]。试验测定的土壤蓬松度为26.16%,土壤扰动系数为77.21%,均满足作业质量标准要求,结果表明自激振动深松铲作业效果良好。其中第3个行程的深松断面图如图11所示,断面呈倒三角形,底部动土范围小,顶部动土范围大,能有效打破犁底层同时疏松表面土壤,利于土壤的蓄水保墒和植物根系的生长。
表4 土壤蓬松度和土壤扰动系数
注:A为耕前地表线到理论沟底线的剖面面积,cm2;A为耕后地表线到理论沟底线的剖面面积,cm2;A为耕前地表线到实际沟底线的剖面面积,cm2。
Note:Ais sectional area between terrain line before subsoiling and theoretical subsoiling bottom line, cm2;Ais sectional area between terrain line after subsoiling and theoretical subsoiling bottom line, cm2;Ais sectional area between terrain line before subsoiling and real subsoiling bottom line, cm2.
图11 深松后垄沟横断面
为验证笼状碎土辊的碎土效果和深松旋耕碎土联合整地机的作业质量,于2018年9月在河北省深泽县农田进行了整机田间试验,如图12所示。根据中华人民共和国工业和信息化部发布的JB/T 10295-2014《深松整地联合作业机》作业性能评定指标[14]和可用于表征土壤物理状态的相关参数[4],试验选取土壤容重、土壤含水率、深松深度及稳定性、整地深度及稳定性、碎土率和植被覆盖率综合评价深松旋耕碎土联合整地机作业质量。
3.2.1 试验条件与方法
试验地总面积约0.1 hm2,土壤质地为壤土,作业前土壤含水率为15.89%,容重为1.47 g/cm3。试验设备主要包括雷沃欧豹M1254-G拖拉机、环刀(体积100 cm3)、塑封袋(长´宽=15 cm´10 cm)、DGG-9626A电热恒温鼓风干燥箱(北京雅士林试验设备有限公司)、ACS电子秤(上海剀任电子有限公司,量程30 kg,精度1 g)、BSA224S电子天平(德国赛多利斯,量程220 g,精度0.1 mg)、钢板尺和卷尺(精度1 mm)等。
将试验田划分为长30 m,宽为机具1.5倍的小区,前10 m和后10 m为加速和减速阶段,中间10 m为数据测试区。试验重复3次,采用环刀测量作业前、后的土壤容重和含水率。并根据JB/T 10295-2014《深松整地联合作业机》鉴定方法测量计算深松深度稳定性、整地深度稳定性、碎土率和植被覆盖率4项指标[14]。
图12 田间试验
3.2.2 土壤容重和含水率测定结果分析
采用环刀在每个行程沿机具前进方向等距选3点取样,为保证数据的准确性在测量点和其左右10 cm处,共取样3点,用其平均值表示该点数值。土壤容重和含水率测定结果如表5所示。由表5可知,作业前10~20 cm存在一层犁地层,容重为1.57 g/cm。作业后犁底层消失,各层容重均有下降,其中10~20 cm减少最显著为0.22 g/cm;作业后0~10 cm的容重和含水率最低,可能是因为深松旋耕作业对表层土壤的扰动最大,表层土壤松软从而更易跑墒,造成土壤容重和含水率最低。
表5 作业前后土壤容重和含水率
3.2.3 深松、旋耕深度和稳定性测定结果分析
在每个行程的测试区,等距取10个点,测定深松深度,结果见表6;在每个行程随机取3个点,每个点左右各测11个点,测定旋耕深度,结果见表7。由表6和表7可知,深松深度为37.73 cm,稳定系数为94.92%;整地深度为15.67 cm,稳定系数为92.50%,地表平整度为1.17 cm,各项指标均满足作业质量标准要求[14]。
表6 深松深度和稳定性
表7 整地深度和稳定性
3.2.4 植被覆盖率和碎土率测定结果分析
旋耕可将杂草和秸秆与土壤混合,但在作业过程中会有少量杂草和秸秆未被土壤完全掩埋裸露在地面。较高的植被覆盖,影响播种机的作业性能,从而影响播种质量。故在每个行程测试区,随机取1个点,测定1 000 mm´1 000 mm(长´宽)地表内的耕前和耕后的植被质量,耕前和耕后的植被质量差值与耕前植被质量的比值则为该测试点的植被覆盖率,测试数据计算整理后见表8。由表8可知植被覆盖率为93.36%;同样在每个行程随机取1个点,称量500 mm´500 mm´100 mm(长´宽´高)耕层内边长小于4 cm土块质量和土壤总质量,两者的比值则为该测试点的碎土率。为研究笼状碎土辊的碎土效果,拆除机具尾部的笼状碎土辊,以安装普通齿状碎土辊作为对照,分析了笼状碎土棍的碎土效果。结果见表9,加装笼状碎土辊碎土率为84.18%,而加装普通齿状碎土辊碎土率为71.41%,结果表明,笼状碎土辊可有效提高土壤的破碎效果,碎土率提高了12.77个百分点;同时笼状碎土辊在整个试验过程中没出现土壤粘附和拥堵现象,表明笼状碎土辊满足设计要求。
表9 碎土率
1)为实现深松和旋耕2种耕作模式结合,降低深松阻力和提高碎土质量,设计一种深松、旋耕、碎土联合整地作业机。并对深松和碎土2大部件进行了优化设计,设计了入土角可控的自激振动深松铲和具有二次碎土功能的笼状碎土辊。
2)对自激振动深松铲进行了土槽试验,试验结果表明:自激振明自激振动深松铲减阻效果明显,平均减阻9.22%;土壤蓬松度为26.16%,土壤扰动系数为77.21%,性能较好。
3)对深松旋耕碎土联合整地机进行了田间试验,试验结果表明:作业能有效的改善土壤的耕层结构,降低土壤容重;深松深度稳定系数为94.92%,整地深度稳定系数为92.50%,地表平整度为1.17 cm,植被覆盖率为93.36%;加装普通齿状碎土辊的碎土率为71.41%,而加装笼状碎土辊机具的碎土率为84.18%,表明笼状碎土辊可有效提高土壤的破碎效果;综上,整机的各项参数均满足作业质量标准要求。
本文对深松旋耕整地机的深松部件和碎土部件进行了相应设计,并通过试验分析了深松部件的减阻效果和碎土部件的碎土效果及整机作业性能。因现有的深松旋耕整地机种类繁多,同一机具在不同工况条件下的作业性能参数可能不同,故该文未做对比研究,后续可根据实际情况进一步同其他类型的深松旋耕联合作业机械在相同工况条件下进行作业性能对比探讨。
[1] 何明,高焕文,董培岩,等. 一年两熟地区保护性耕作深松试验[J]. 农业机械学报,2018,49(7):58-63. He Ming, Gao Huanwen, Dong Peiyan, et al. Sub-soiling experiment on double cropping and conservation tillage adopted area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(7): 58-63. (in Chinese with English abstract)
[2] 彭卓敏,丁艳,朱继平,等. 耕作机械节能减排检测技术分析与研究[J]. 中国农机化,2009(5):69-71,75. Peng Zhuomin, Ding Yan, Zhu Jiping, et al. Technical analysis and research of detection in energy-saving emission reduction to farming machinery[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2009(5): 69-71, 75. (in Chinese with English abstract)
[3] 王云霞,张东兴,杨丽,等. 液压激振源自激振动深松机深松单体设计与试验[J]. 农业工程学报,2018,34(11):40-48. Wang Yunxia, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Design and experiment of hydraulically self-excited vibration subsoiler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 40-48. (in Chinese with English abstract)
[4] 李霞,张东兴,王维新,等. 受迫振动深松机性能参数优化与试验[J]. 农业工程学报,2015,31(21):17-24. Li Xia, Zhang Dongxing, Wang Weixin, et al. Performance parameter optimization and experiment of forced-vibration subsoiler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 17-24. (in Chinese with English abstract)
[5] Sakai K, Hata S I, Takai M, et al. Design parameters of four-shank vibrating subsoiler[J]. Transactions of the ASAE, 1993, 36(1): 23-26.
[6] Shahgoli G, Fielke J, Desbiolles J, et al. Optimising oscillation frequency in oscillatory tillage[J]. Soil & Tillage Research, 2010, 106(2): 202-210.
[7] Zhang H, Araya K, Kudoh M, et al. An explosive subsoiler for the improvement of meadow soil, part 3: Field experiments[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2000, 75(3): 327-332.
[8] Larson D L, Clyma H E. Electro-osmosis effectiveness in reducing tillage draft force and energy requirements[J]. Transactions of the ASAE, 1995, 38(5): 1281-1288.
[9] 郑侃,何进,李洪文,等. 基于离散元深松土壤模型的折线破土刃深松铲研究[J]. 农业机械学报,2016,47(9): 62-72. Zheng Kan, He Jin, Li Hongwen, et al. Research on polyline soil-breaking blade subsoiler based on subsoiling soil model using discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 62-72. (in Chinese with English abstract)
[10] 赵淑红,王加一,陈君执,等. 保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验[J]. 农业机械学报,2018,49(2):82-92. Zhao Shuhong, Wang Jiayi, Chen Junzhi, et al. Design and experiment of fitting curve subsoiler of conservation tillage [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(2): 82-92. (in Chinese with English abstract)
[11] 张金波,佟金,马云海. 仿生减阻深松铲设计与试验[J]. 农业机械学报,2014,45(4):141-145. Zhang Jinbo, Tong Jin, Ma Yunhai. Design and experiment of bionic anti-drag subsoiler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(4): 141-145. (in Chinese with English abstract)
[12] Sun J, Wang Y, Ma Y, et al. DEM simulation of bionic subsoilers (tillage depth >40 cm) with drag reduction and lower soil disturbance characteristics[J]. Advances in Engineering Software, 2018, 119: 30-37.
[13] 张志君,孙旭伟,金柱男,等. 大豆播种机破碎式仿生覆土装置设计与试验[J]. 农业机械学报,2018,49(2):34-40,73. Zhang Zhijun, Sun Xuwei, Jin Zhunan, et al. Design and test of crushing bionic soil covering device of soybean seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(2): 34-40, 73. (in Chinese with English abstract)
[14] 中华人民共和国工业和信息化部. 深松整地联合作业机:JB/T 10295-2014[S]. 北京:中国标准出版社. 2014.
[15] 贾洪雷,陈忠亮,刘昭辰,等. 耕整联合作业工艺及配套机具的研究[J]. 农业机械学报,2001,32(5):40-43. Jia Honglei, Chen Zhongliang, Liu Zhaochen, et al. Study on technology and matching machine for rototilling-tillage combined operation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2001, 32(5): 40-43. (in Chinese with English abstract)
[16] 周华,张居敏,祝英豪,等. 秸秆还田深松旋埋联合耕整机设计与试[J] . 农业工程学报,2017,33(22):17-26. Zhou Hua, Zhang Jumin, Zhu Yinghao, et al. Design and experiment of combined tillage machine for subsoiling and rotary burying of straw incorporated into soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 17-26. (in Chinese with English abstract)
[17] 马跃进,王安,赵建国,等. 基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验[J]. 农业工程学报,2019,35(3):16-23. Ma Yuejin, Wang An, Zhao Jianguo, et al. Simulation analysis and experiment of drag reduction effect of convex-blade subsoiler based on discrete element method [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 16-23. (in Chinese with English abstract)
[18] 唐家玮,张华,刘少刚,等. 弹簧与刚体组成的广义机构自由度计算[J]. 林业机械与木工设备,1999(8):15-16.
[19] 全国农业机械标准化技术委员会. 深松铲和深松铲柄: JB/T9788-1999 [S]. 北京:中国标准出版社. 1999.
[20] 杭程光,黄玉祥,李伟,等. 深松耕作阻力的影响因素分析与减阻策略[J]. 西北农林科技大学学报:自然科学版,2016,44(11):202-208. Hang Chengguang, Huang Yuxiang, Li Wei, et al. Influencing factors and reduction strategies of subsoiling tillage resistance[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2016, 44(11): 202-208. (in Chinese with English abstract)
[21] Shahgoli G, Fielke J, Desbiolles J, et al. Optimising oscillation frequency in oscillatory tillage[J]. Soil & Tillage Research, 2010, 106(2): 202-210.
[22] Shahgoli G, Saunders C, Desbiolles J, et al. The effect of oscillation angle on the performance of oscillatory tillage[J]. Soil & Tillage Research, 2009, 104(1): 97-105.
[23] 张军昌,闫小丽,林泽坤,等. 自激式振动深松整地机设计与试验[J]. 农业机械学报,2016,47(9):44-49,72. Zhang Junchang, Yan Xiaoli, Lin Zekun, et al. Design and experiment of self-exciting vibration deep-loosening and sub-soiling machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 44-49, 72. (in Chinese with English abstract)
[24] 汤明军. 自激振动深松机关键部件的设计与试验研究[D]. 石河子:石河子大学,2017. Tang Mingjun. Design and Experimental Study on the Self-Excited Vibration Subsoiler and key Parts[D]. Shihezi: Shihezi University, 2017. (in Chinese with English abstract)
[25] 成大先. 机械设计手册:第五版[M]. 北京:化学工业出版社,2010.
[26] 农业部农民科技教育培训中心. 整地机械的碎土方法(耕整地与种植机械)[M]. 北京:中国农业大学出版社, 2009.
[27] 西涅阿科夫,李福桂,高尔光,等. 土壤耕作机械的理论和计算[M]. 北京:中国农业机械出版社,1981.
[28] 黄玉祥,杭程光,李伟,等. 深松作业效果试验及评价方法研究[J]. 西北农林科技大学学报:自然科学版,2015,43(11):228-234. Huang Yuxiang, Hang Chengguang, Li Wei, et al. Subsoiling test and evaluation methodology of tillage quality[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2015, 43(11): 228-234. (in Chinese with English abstract)
Design and test of soil preparation machine combined subsoiling, rotary tillage and soil breaking
Zhao Jianguo, Wang An, Ma Yuejin, Li Jianchang, Hao Jianjun, Nie Qingliang, Long Sifang, Yang Qiangfeng
(071001,)
In order to reduce tillage resistance, ameliorate the soil layer structure and improve soil breaking rate of soil crushing roller, a combined tillage machine which has function of subsoiling, rotary tillage and soil breaking was designed in this paper. The machine mainly consists of a fixed mount to connect the subsoiler, rotary and soil crushing roller with the machine frame, the self-excited vibration subsoiler breaks the bottom of theplow pan, the rotary tiller flattens the soil and further shreds the soil, the soil crushing roller further breaks the soil thus creating a seedbed suitable for plant growth. 2 major components of machine are optimized to solve the problem of large tillage resistance and poor soil breaking effect. Firstly, the self-excited vibration subsoiler with controllable penetration angle was designed, which can avoid the problem of poor drag reduction effect and stability of tillage depth when the penetration angle of subsoiler is too large. The subsoiler produces a vibration to loosen the soil to achieve the purpose of drag reduction because of resistance changes in soil operation. In addition, the penetration angle of subsoiler is controlled to a range to maintain the stability of subsoiling depth. To ensure the compression spring can not be tilted during the subsoiling operation, and considering the problem of large load and limited installation space, the combination spring is selected as the self-excited vibration spring. Through the kinematics and mechanical model of self-excited vibration subsoiler, the deflection is 15 mm and the minimum and maximum loads are 7 500 and 15 000 N respectively, then the parameters of the combined spring was determined.Secondly, in order to realize the secondary soil-broken function, a caged soil crushing roller was designed by staggered welding of rhombic soil-broken teeth on a cylindrical drum with clearance. The soil is first broken by the outside teeth of soil-brokentooth, and the large soil will enter the cylindrical drum inside through the gap and will broken under the action of inside teeth, which can’t adhere to the cylindrical drum. The caged soil crushing roller diameter and thickness of soil-broken teeth is calculated according to the design formula of the disc harrow. To study the drag reduction effect and tillage quality of self-excited vibration subsoiler, the experiment in the soil bin is carried out, and the field experiment of operation performance of the machine is carried out. The soil bin experiment results showed that the self-excited vibration subsoiler has obvious effect on drag reduction, and the average drag reduction is 9.22%, and the soil fluffy degree and disturbance coefficient is 26.16% and 77.21% respectively. The field experiment results showed that the stability coefficient of subsoiling depth, stability coefficient of depth of soil preparation, surface flatness, vegetation coverage and soil breaking rate is 94.92%, 92.50%, 1.17cm, 93.36% and 84.18% respectively. The soil breaking rate of ordinary soil crushing roller is 71.41%, which indicates that the caged soil crushing roller can effectively improve the soil breaking effect. Moreover, the caged soil crushing roller did not appear soil adhesion and congestion during the test. All parameters meet the requirements of the work quality standards. Therefore, the machine has obvious effect of reducing resistance and quality of the soil preparation.This study can provide a theoretical reference for further research of combined tillage machine of subsoiling and rotary.
agricultural machinery; design; subsoiling; rotary tillage; caged soil crushing roller; self-excited vibration
2019-01-10
2019-03-07
国家“十三五”科技支撑重大项目粮食丰产增效科技创新(2017YFD0300907)
赵建国,副教授,博士,主要从事耕整地机械装备设计及农机部件延寿方面的研究。Email:zjg790710@126.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.006
S222.4
A
1002-6819(2019)-08-0046-09
赵建国,王 安,马跃进,李建昌,郝建军,聂庆亮,龙思放,杨前锋. 深松旋耕碎土联合整地机设计与试验[J]. 农业工程学报,2019,35(8):46-54. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.006 http://www.tcsae.org
Zhao Jianguo, Wang An, Ma Yuejin, Li Jianchang, Hao Jianjun, Nie Qingliang, Long Sifang, Yang Qiangfeng. Design and test of soil preparation machine combined subsoiling, rotary tillage and soil breaking[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 46-54. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.006 http://www.tcsae.org