双轴旋耕碎土试验台设计与分层耕作试验

管春松，崔志超，高庆生，王树林，陈永生，杨雅婷

双轴旋耕碎土试验台设计与分层耕作试验

管春松1,2，崔志超1，高庆生1，王树林2，陈永生1※，杨雅婷1

（1. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014；2. 江苏大学机械工程学院，镇江 212013）

针对现有耕作试验台难以满足双轴耕作部件测试的需求、室内测试重塑土难以反映作业现场真实环境的问题，设计了一种集前轴正转抛土、后轴反转碎土功能于一体的双轴旋耕碎土田间移动式试验台，可实现前后刀轴相对位置及转速比的实时调整。阐述了整机工作原理，分析了前后刀轴相对位置的调节范围、碎土刀轴位置调节机构结构参数、旋耕刀轴调速装置的运动参数，计算并选型了碎土刀轴调速系统、功耗测试系统中液压及电气元件。为提高分层耕作质量同时降低作业能耗，以前期研究的双轴起垄机的双轴旋耕碎土关键部件为研究对象，开展了分层旋碎的田间试验，并采用中心组合试验设计方法，以两轴水平间距、垂直间距、碎土刀轴转速为影响因素，以双刀辊作业平均功耗、表层5 cm土层的碎土率为评价指标进行响应曲面分析。利用Design-Expert软件进行数据分析，建立各因素和平均功耗、碎土率之间的回归模型，分析各因素对平均功耗、碎土率的显著性，同时对影响因素进行了综合优化。试验结果表明：各因素对平均功耗影响由大到小依次为水平间距、碎土刀轴转速、垂直间距；各因素对碎土率影响由大到小依次为水平间距、垂直间距、碎土刀轴转速；最优工作参数组合为水平间距为570 mm、垂直间距为96 mm、碎土刀轴转速为340 r/min，对应的平均功耗为17.92 kW、碎土率为91.65%，且各评价指标与其理论优化值的相对误差均小于5%。试验表明，所设计的双轴旋转耕作部件性能测试试验台设计合理，能够满足多因素多水平的测试需求，为双轴旋转型耕作部件的优化设计提供了新的测试手段。

农业机械；耕作；试验台；双轴；功耗试验；参数优化

0 引 言

土壤耕作是农业机械化生产中最为基础和重要的环节，耕整地作业质量的好坏直接关系到后续农作物种植、收获的质量及产量。随着农民对于生产效率要求的提高，国内土壤耕作机械逐渐趋于复式联合作业，以双轴旋转耕作部件为载体的双轴旋耕机[1-2]、双轴灭茬机[3-5]及双轴起垄（作畦）机[6-8]等耕作机械正逐步得到推广应用，不但可减少同一地块反复多次作业费时费工问题，同时具有减少土壤压实、降低作业能耗等优势[9]，需求量在逐年上升。

耕作机械作业性能通常受土壤条件、自身的结构及运动参数等因素综合影响，为寻求最佳的作业质量，一般需先进行多因素多水平的土壤—机械系统交互试验研究。考虑到天气、土壤环境、降低设计周期及成本、减少设计返工次数等因素，交互试验手段/工具主要有土槽和田间试验台架。其中土槽试验台架占多数，根据结构形式不同主要分为直线型[10-11]和旋转型[12-13]两大类，国内外一些科研院所已研发出不同功能及规模的土槽试验台，此类台架多为室内固定，可重复性强，但因土壤团粒结构、物性参数等与田间土壤有差异性，土槽试验结果并不能完全反映田间测试的结果，且可移动性差、运行维护成本高；田间试验台架占少数，真实度高、开放性好，但功能专用性较强。国内外学者借助上述两类平台，已开展了旋耕、犁耕等性能测试研究，并取得了大量研究成果[14-19]，如Gebregziabher等[14]设计了一种移动式田间原位土槽试验装置，可实现犁翻耕作阻力、速度及深度的实时在线测量；高建民等[18]利用室内土壤试验台架开展了斜置潜土逆转旋耕抛土性能试验等，但目前都仅适用于单轴旋耕或犁耕机械测试，对于双轴旋转型耕作机械适用度较差。

双轴旋转耕作机械测试平台研究方面，目前国内外仅有少数学者开展了研究，李永磊等[4]基于中国农业大学土槽试验台设计了双轴旋耕部件试验装置，研究了秸秆前旋耕、后粉碎双刀辊以及两个刀辊单独作业的三种工作模式功耗特性。胡建平等[1]在双轴旋耕灭茬机上安装无线扭矩测试分析系统，测定了旋耕灭茬双刀辊工作过程中的作业能耗特性。由此可见，现有双轴旋转耕作测试平台中两刀轴相对间距及转速比都无法根据不同耕作功能需求的不同进行实时调整，两刀辊单独作业功耗测定较难，且目前针对双轴旋耕碎土特性测试平台研究方面未见报道。

因此，本文通过理论分析和试验验证方法相结合，设计一台集前轴正转抛土、后轴反转碎土功能于一体的双轴旋耕碎土试验台架，在此基础上，以实现蔬菜地精细分层垄作的双轴型起垄机[20]用关键耕作部件—双轴旋耕碎土部件为测试对象，开展双轴分层旋耕碎土试验研究，分析各参数对双轴分层耕作作业性能的影响主次关系，并以提高分层耕作质量和降低作业能耗为双目标，寻求旋耕碎土部件的最优参数组合，以期为双轴起垄机的设计与优化提供参考。

1 整机结构及原理

传统的土槽试验台车仅可实现对单个刀轴的运动控制，无法实现双轴运动的单独控制；而且双轴间的空间位置关系无法实现在线无级变换，对双轴旋转组合耕作部件性能测试针对性和实用性不强。为此，本试验台的设计以结构简单、移动方便、参数调整快速等要求为目标，对双轴间空间位置、转速比等参数进行在线调整，实现对整机及旋耕、碎土刀辊的扭矩、转速和功率等多项参数的实时监测。

双轴旋耕碎土试验台的整体结构如图1a所示，由机架、旋耕刀轴调速装置、旋耕刀辊、碎土刀轴位置调节装置、碎土刀轴调速系统、碎土刀辊及数据采集系统等组成。整个试验台采用牵引式结构形式，可自由更换动力，通过三点悬挂支架挂接于拖拉机后方，随着拖拉机的行走完成双轴分层旋耕碎土作业，同时进行田间功耗测试。旋耕刀辊位于机架的前方，为低速正转刀轴；碎土刀辊位于机架的后方，为高速反转刀轴，如图1b所示，两者上下错位布置、联合作业完成土壤的分层耕作。前置旋耕刀轴相对机架位置固定，后置碎土刀轴相对机架位置浮动，即相对前置旋耕刀轴可实现前后、上下相对空间位置的调节，以此达到双轴相对空间位置关系可变的目的。试验台整机技术参数如表1所示。

表1 试验台主要参数

整机通过带扭矩传感器万向节与拖拉机PTO输出轴进行连接，将动力接入至主传动轴；然后动力一方面经旋耕刀轴调速装置（含双档变速箱和侧边齿轮箱等）驱动前置旋耕刀辊对深层土壤进行初次旋抛作业；另一方面动力通过碎土刀轴调速系统（含增速齿轮箱、液压泵、手动换向阀等）驱动液压马达进行工作，继而带动碎土刀辊进行前置抛起土垡的二次旋转破碎作业。上述传动方式中带扭矩传感器万向节不但为力矩传动装置，而且为转速转矩传感器，在线监测整个试验台扭矩及功耗参数；旋耕刀轴调速装置通过双档变速箱可实现两级调速，碎土刀轴调速系统通过节流液压阀可实现无级调节；同时液压马达与碎土刀轴之间也安装有转速转矩传感器，可随时在线监测碎土刀辊的扭矩及功耗参数。

2 关键部件设计

2.1 碎土刀轴位置调节装置

2.1.1 两刀轴间相对空间位置工作范围

为实现两刀轴的前后、上下相对空间位置可调，首先需确定出两刀轴间相对空间位置工作范围，如图2所示，前置旋耕刀辊选用IS225型旋耕刀片，刀片排布方式为双螺旋线排列，其中轴向相邻同向刀的螺旋升角为72°；轴向同一截面上安装二刀的夹角为180°，总数量30片，旋转方向为逆时针方向；碎土刀辊为中空滚筒外均匀密布碎土刀齿的结构，为提高刀齿的布置密度和受力均匀性，刀齿采用对称的多行平行排列方式安装，排布行数为5、相邻两刀齿的齿间距为90 mm，碎土刀辊回转半径2取为205 mm，旋转方向为顺时针方向。

注：r1为旋耕刀片回转半径，mm；r2为碎土刀辊回转半径，mm；rc为碎土刀辊刀齿的径向工作长度，mm；h1为旋耕作业深度，mm；h2为碎土作业深度，mm；ΔL为两刀轴水平间距，mm；ΔH为两刀轴垂直间距，mm。

由图2可知，假设在旋耕刀轴的中心处建立笛卡尔坐标系，碎土刀轴相对旋耕刀轴可左右或上下移动，在水平方向上当碎土刀轴向左运动至无限接近旋耕刀轴，两者间应留有一定距离的安全间隙，同时当碎土刀轴向右运动时，应在旋耕抛土最远行程范围内，即水平方向上需满足

在垂直方向上，当碎土刀轴向上运动时应在旋耕抛土最高行程范围内，同时当碎土刀轴向下运动时，其碎土刀齿的径向工作长度应不低于前置旋耕作业后理论碎土深度值，即垂直方向上需满足

式中l和h分别为旋耕刀片后抛土最高点的水平距离值和垂直距离值，根据已有旋耕单刀抛土模型的研究结果，此处分别取190 mm和180 mm[21-22]；r为旋耕刀片和碎土刀齿间的安全工作距离，考虑到旋耕作业后土垡块径通常为20～40 mm，为避免旋耕刀片与碎土刀齿间壅土，且对土垡块有一定的破碎作用，此处取30 mm；r为碎土刀齿径向工作长度，取80 mm；1为旋耕作业深度，取120 mm。通过公式（1）和（2）计算可得出两轴水平间距Δ范围为460～620 mm，垂直间距Δ范围为20～180 mm。

2.1.2 碎土刀轴位置调节机构

基于两刀轴间相对空间位置工作范围的计算，设计了碎土刀轴位置调节机构，具体结构如图3a所示，包含上丝杠、摇杆、下丝杠及活动方板等部件，其中摇杆、下调节手柄、下丝杠及活动方板为一组合机构，共设置两套，沿着碎土刀轴向中心左右对称分布；上丝杠外套管与机架铰接，螺杆的下端部与摇杆上端铰接；下丝杠上安装有两个外套管，左侧和右侧外套管分别与摇杆、活动方板焊接于一体，其中左侧外套管与摇杆的焊接点与摇杆下端铰接点位于同一竖直线上，该竖直线与下丝杠垂直设置；碎土刀辊两端分别与活动方板固定连接。

工作时，摇动上调节手柄带动上丝杠的伸长与收缩动作，从而带动摇杆的左右摆动，进而带动焊接于摇杆上的下丝杠及活动方板的上下运动，即实现碎土刀轴上下位置的调节；在此基础上，摇动下调节手柄可实现活动方板左右位置的调节，结合碎土刀辊两侧中空的结构设计，两活动方板中的碎土刀轴可实现预设位置的任意调节。

式中l为铰接点与下丝杠上间的距离，mm。

则扇形中弧长S为

通过解析法和作图法相结合，对位置调节机构的运动进行分析，确定出各杆件长度1= 135 mm，2= 310 mm，3= 130 mm，6= 200 mm，1= 45°。由公式（3）计算可知l= 308.45 mm，又因公式（4）中S要满足上述两刀轴间空间工作位置范围，即S≥160 mm，求解出2≥29.72°，Δ1≥183.7 mm。因碎土刀轴左右位置调节靠下丝杠调节，Δ2≥160 mm，故而上、下丝杠皆选定为M20×2.5型、有效行程200 mm的滚珠丝杠。

同理可求解得出弧长S为

式中l为铰接点与下丝杠上间的距离，mm。

在上丝杠行程Δ1=200 mm的情况下，可以反求解出2=32.49°，结合Δ2=200 mm，可计算出弧长S= 263.02 mm，远大于160 mm，满足上下行程的设计需要。

2.2 旋耕刀轴调速装置

旋耕刀轴转速调节装置结构如图4所示，拖拉机动力输出轴（PTO）通过扭矩传感器的万向节将动力传输至双档变速箱，双档变速箱的输出轴经侧传动齿轮副将动力传递至旋耕刀轴上，以驱动其作旋转运动，具体的动力传动路线如图5所示，则总传动比为

式中0为拖拉机PTO后输出转速，一般“大棚王”拖拉机通常PTO转速为540 r/min；1为旋耕刀轴转速，通常旋耕转速范围为250～300 r/min；1为双档变速箱的传动比；2为侧传动齿轮箱的传动比，此处取16/23。

通过公式（6）可知，若旋耕刀轴转速取低速250 r/min，则1为2/3；若旋耕刀轴转速取高速300 r/min，则1为0.798，取4/5。

1.带扭矩传感器万向节 2.双档变速箱 3.旋耕刀辊 4.侧边传动齿轮副

图5 旋耕刀轴动力传递路线图

2.3 碎土刀轴调速系统

碎土刀轴调速系统包括增速齿轮箱、液压泵、节流阀、液压马达等，如图6所示，通过拖拉机PTO动力输出经增速齿轮箱驱动液压泵、控制阀组工作，连续供油，液压油经节流阀控制液压马达的输入流体流量，从而控制液压马达的旋转速度，即碎土刀轴的转速。

为保证碎土刀轴调速系统的正常工作，首先需对液压泵、液压马达、液压阀等关键零部件进行选型设计。通过查阅机械设计手册和液压传动基础理论[23-24]，经计算可得液压泵的流量1为79.5 L/min。根据液压泵的容积效率曲线分析可知，其转速3在1 800～2 000 r/min时，容积效率稳定性最佳，故增速齿轮箱传动比为

由公式（7）计算可得增速箱传动比3为3.3～3.7，此处取中间值3.5，则液压泵的实际转速3=1 890 r/min。

液压泵排量公式[23]

式中1为液压泵的容积效率，一般为0.85～0.95[23]，考虑到齿轮泵结构特点以及新结构通常效率较高，此处取0.9，由公式（8）计算可得液压泵理论排量为46.74 mL/r，考虑到工作环境要求，液压泵选择2系列（高压系列），即选型青州市荣利莱液压配件有限公司的CBG2050型齿轮液压泵。

在此基础上，确定出液压马达排量为195 mL/r、扭矩理论值为434.5 N·m，同时结合性能参数选型表，选择济宁金佳液压有限公司HMS-195型液压马达。

因碎土刀辊转动为连续性转动，所以流入液压马达的液压油需持续供给，根据齿轮液压泵流量的计算可知，需要控制阀组的流量要求达79.5 L/min，故选用无锡市长力液压成套设备有限公司的L20E-W型三位四通换向阀作为本设计的控制阀组。为满足碎土刀轴转速的可调节性，在液压系统中设置节流调速阀，以改变液压马达液压油源的供应量，实现碎土刀轴转速的调节。节流阀的选型流量不得低于系统最大流量，即可选型调节范围为0～125 L/min的节流阀，选用山西斯普瑞机械制造股份有限公司的FG-03-125型单向调速阀。

3 功耗测试系统

功耗测试系统是实现试验台功能的关键组成部分，主要用来监测各子系统试验时的状态参数，进行数据采集、处理并记录试验结果，以便后续研究分析。

3.1 系统构成

测试系统主要由控制柜、转速转矩传感器，带扭矩传感器万向节、PLC通讯模块、采集软件主机等组成，如图7所示。其中转速转矩传感器采用南京冉控科技有限公司生产的BYN600型扭矩传感器，量程0～500 N·m，精度为满量程的±1%；带扭矩传感器万向节为扭矩转速传感器及动力输出轴一体化连接方式，其中扭矩转速传感器采用北京中航科仪测控技术有限公司生产的CKY-811型扭矩传感器，量程0～1 000 N·m，精度为满量程的±0.5%；PLC通讯模块采用南大傲拓科技江苏股份有限公司生产的NA2000系列PLC，控制器为CPU2001-2401标准型主站；采集软件采用FScada V4.18.7组态软件。转速转矩传感器安装在液压马达与碎土刀轴之间，两端分别采用尼龙联轴器连接，实时测试碎土刀轴转速及扭矩信号；带扭矩传感器万向节安装在动力输出轴（PTO）和增速齿轮箱动力输入轴之间，以测量整个台架的转速及扭矩信号。

3.2 测试原理

如图8所示，测试系统采用工业PLC+上位机的架构，通过上位机的编程软件NAPro完成ZigBee参数配置，PLC扩展有AIM2001-0802型8通道模拟量输入模块，用于接收整个台架、碎土刀轴的扭矩、转速的DC 0～20 mA电流信号；然后电流信号经电流—电压变换、滤波、A/D转换成数字信号，经过光电隔离后，由模块的微处理器读取；其后通过高速内部总线上传控制器CPU2001-2401主站，进而通过自带的以太网接口，将测试数据传递给上位机。测试时，上位机与控制器主站连接正常后，调整碎土刀轴位置及转速参数，而后开始旋耕碎土联合作业，同时扭矩转速传感器采集信号，并将信号传输至上位机电脑里的FScada组态软件，进行每秒一次的扭矩、转速数据的实时记录、存储及汇总分析。

3.3 功耗测试系统标定

为准确获知旋耕碎土作业过程中的总功耗，作业前需对带扭矩传感器万向节中扭矩转速传感器的扭矩和转速数据进行标定。

3.3.1 扭矩标定

因拖拉机PTO通常转速为540 r/min，属于低频载荷工况，故行业通行做法是利用静态标定替代动态标定[25]。CKY-811型扭矩传感器由北京中航科仪测控技术有限公司生产，该产品出厂时已进行了0～1 000 N·m范围内的静态标定，通过顺时针加载测试3次，取平均值，具体标定结果如表2所示，在0～1 000 N·m范围内，系统测试值与设定扭矩值间的最大误差为0.38%，即可精准测定PTO轴工作扭矩。

表2 扭矩标定结果

3.3.2 转速标定

因“大棚王”拖拉机PTO档位设定有三档，通常工作转速为低速挡（540 r/min），故而转速标定试验也采用该档位。标定时将低速档位固定，通过调节油门来使得PTO变速，一方面通过光学转速测量仪（德图testo 460型）测定PTO实际转速值，另一方面通过扭矩转速传感器系统测定。具体的标定结果如表3所示，可以看出两种测试方法所得转速值的最大误差为0.081 3%，表明可精准测量PTO工作转速。

因此，功耗测试系统测量精度高，测试结果合理，能够准确测量PTO输出轴扭矩及转速信号，从而证明试验台性能测试所得结果是科学可行的。

表3 转速标定结果

4 田间试验

4.1 试验条件与方法

2020年11月在南京市江宁区谷里现代农业园对试验台进行了田间耕作试验（图9），其一为验证所设计试验台作业可靠性，其二是利用该平台优化获取双刀辊最佳相对位置及运动参数组合。试验器材主要有鲁中654型“大棚王”拖拉机、秒表、卷尺、电子秤、土壤筛、土壤水份测量仪、土壤坚实度仪等。试验场所为单体塑料大棚内，大棚尺寸为长120 m×宽8 m；试验土壤类型为黏土，土壤平均含水率为13.7%，容重为1 030 kg/m3，坚实度平均值179.6 kPa。

试验前先进行土壤准备工作，提前3 d把试验田块上的残留尾菜及秸秆清理出大棚，并人工将地面进行整平。作业时试验台由“大棚王”拖拉机通过动力输出轴以540 r/min的转速驱动，旋耕刀轴转速设为低速（250 r/min）档位，机组以3 km/h速度匀速前进，尽量保持直线行驶，前置旋耕刀辊耕作深度设定为150 mm，按试验设计表顺序依次进行各组试验，每次作业长度为25 m。试验过程中，上位机按时间顺序依次记录下每组试验的扭矩值，而后计算出该段时间内的平均扭矩值。

4.2 试验因素与指标

4.2.1 试验因素选择

通过前期单因素试验观察和理论分析，影响机组作业功耗及作业质量的主要因素有两轴水平间距Δ、垂直间距Δ、碎土刀轴转速2，其中两轴水平间距Δ和垂直间距Δ会对旋耕抛土的土粒流抛撒位置及碰撞点产生影响，碎土刀轴转速2会对土粒流碰撞速度产生影响。

4.2.2 试验指标

动力输出轴功率一般为拖拉机功率的0.9，分层耕作质量用双刀辊作业平均功耗（以下简称平均功耗）和表层5 cm土层的碎土率（以下简称碎土率）两个指标来衡量。平均功耗1计算方法如下[26]

根据DB32/T 3350—2018《蔬菜机械化耕整地作业技术规范》要求[27]，作业后测定0.5 m×0.5 m面积内的土表层以下50 mm耕层内土块，以小于等于20 mm的土块质量占总质量的百分比定义为表层5 cm土层的碎土率，每一组试验测定3点，计算3点的总平均值。

4.2.3 试验设计

应用Design-Expert软件，采用响应曲面法中中心组合试验设计进行三因素五水平回归正交旋转组合试验[28-30]，试验因素编码水平如表4所示，其中零水平试验设定为5次，共进行19组试验。

表4 试验因素水平

4.3 试验结果与分析

4.3.1 试验结果

试验方案与试验结果如表 5 所示。

表5 试验方案及结果

4.3.2 回归模型建立与显著性检验

根据表5中的数据样本，利用Design-Expert.V8.0.6.1软件分析，平均功耗和碎土率的方差分析如表6所示。结果表明，各因素对平均功耗的影响由大到小依次为：水平间距、碎土刀轴转速、垂直间距；对碎土率的影响由大到小依次为：水平间距、垂直间距、碎土刀轴转速。

表6 回归模型方差分析

注：*表示影响显著，<0.05；**表示影响极显著，<0.01。

Note: * indicates significant impact,<0.05; ** indicates highly significant impact,<0.01.

为寻求最优工作参数，开展多元回归拟合分析，建立平均功耗1、碎土率2对水平间距1、垂直间距2、碎土刀轴转速33个自变量的二次多项式响应面回归模型，如式（10）～式（11）所示。

由表6分析可知，平均功耗1、碎土率2模型的<0.01，表明回归模型高度显著；失拟项分别为0.276 9、0.415 5，均大于0.05，表明回归方程拟合度高；模型决定系数2值分别为0.900 9、0.968 6，表明该模型可以拟合90%以上的试验结果，可以用来进行试验预测。

各参数对回归方程的影响作用可以通过值大小反应，平均功耗1模型中1、3、123个回归项影响都极显著（<0.01），2、122个回归项影响显著（<0.05），13、23、22、324个回归项影响不显著（>0.05）；同理可知，碎土率2模型中1、2、12、224个回归项影响极显著，3、322个回归项影响显著，12、13、233个回归项影响不显著。

故而对模型1、2进行优化，剔除不显著的回归项，优化得到式（12）和式（13）所示的回归方程，通过对优化后模型分析可知，模型1、2的值皆小于0.000 1，失拟项值分别为0.354 5和0.521 6，表明优化模型可靠。

4.3.3 交互因素影响效应分析

1）各因素对平均功耗影响分析

由图10a可知，在碎土刀轴转速确定的情况下，垂直间距保持一定时，平均功耗随着水平间距的增加总体呈先降后升的趋势，出现升高的原因在于前置旋耕抛土撞击盖板回落至碎土刀辊上二次切削引起功耗的增加；水平间距在460～540 mm区间内随着垂直间距增加，功耗呈现下降趋势；当水平间距大于540 mm时，随着垂直间距增加，功耗呈现上升趋势，这是由于当两轴水平间距小于中心水平（540 mm）时，垂直间距增加，被切削的前置旋抛土粒流减少导致；在水平间距为620 mm、垂直间距为20 mm时出现最小功耗，其原因在于两者垂直间距较小，大部分前置旋耕土粒流在碎土刀辊上方抛出，相应被碎土刀辊切削的土块就变少引起的。

由图10b可知，在垂直间距确定的情况下，碎土刀轴转速一定时，平均功耗随着水平间距的增加呈下降趋势；水平间距一定时，平均功耗随着碎土刀轴转速增加呈增加趋势，原因在于碎土刀轴转速的增加引起土垡切削碰撞频次的增加，导致功耗增大。由图10c可知，在水平间距确定的情况下，随着垂直间距、碎土刀轴转速的增加，平均功耗总体呈上升趋势，这是由于前置旋抛土粒流运动多数为上抛运动分布，故而垂直间距的增加有利于碎土刀辊与土粒流碰撞，从而出现功耗增大的现象。

2）各因素对碎土率影响分析

由图11a可知，在碎土刀轴转速确定的情况下，随着水平间距和垂直间距的增加，碎土率呈先增加后减少的趋势，当水平间距在540 mm、垂直间距在100 mm时，碎土率达最佳，这是由于过小的相对间距会导致前抛土粒流旋抛运动难以形成，造成壅土，土量增多引起碎土刀辊二次破碎不彻底导致；过大的相对间距会导致前抛土粒流与后置碎土刀辊刀齿接触碰撞数量减少，从而导致碎土率降低。

由图11b可知，在垂直间距确定的情况下，碎土刀轴转速一定时，随着水平间距的增加碎土率呈先升后降的趋势，水平间距过小易形成雍土，间距过大因旋抛土粒流射程有限，易导致土粒流与刀齿碰撞数降低，从而碎土效果下降；水平间距一定时，随着碎土刀轴转速的增加，碎土率呈现缓慢增加的趋势。

由图11c可知，在水平间距确定的情况下，碎土刀轴转速一定时，随着垂直间距的增加，碎土率呈先升后降趋势，这是由于垂直间距过小，碎土刀辊位于旋抛土粒流的下方，接触碰撞少，垂直间距过大，已基本达到或超过旋抛土粒的抛物最高点，土粒流数量明显减少，也会导致碎土率下降；垂直间距一定时，随着碎土刀轴转速的增加，因单位时间内碎土频次的增加，使得碎土率呈现缓慢增大的变化趋势。

4.3.4 参数优化

为了使分层耕作性能达到最佳，以降低平均功耗和提升碎土率为优化目标，对试验中的影响因素进行优化。其目标函数与约束条件为

Min1且85≤2≤100

利用Design-Expert软件优化模块[27]对参数进行最优化求解，优化后得到影响分层耕作性能各因素的最佳参数组合为：水平间距为571.3 mm、垂直间距为96.06 mm、碎土刀轴转速为336.23 r/min，对应平均功耗为17.34 kW，碎土率为90.83%。

4.3.5 验证试验

为验证优化后参数模型的准确性，采用优化后的参数进行试验验证，考虑试验的可行性，设置水平间距为570 mm、垂直间距为96 mm、碎土刀轴转速为340 r/min，进行3次重复试验，对所得数值求平均值。

由试验结果可知，平均功耗为17.92 kW，碎土率为91.65%，验证试验结果与理论优化值较接近，两者相对误差均小于5%，优化结果可以作为双轴旋耕部件设计的最佳参数。

5 结 论

1）设计了一种集前轴正转抛土、后轴反转碎土功能于一体的双轴旋耕碎土田间移动式试验台，在线实现双轴的相对空间位置及前后刀轴转速比的实时调整。确定了碎土刀轴位置调节装置和旋耕刀轴调速装置的结构参数，设计了液控碎土刀轴调速系统，实现整个台架的转速及扭矩信号采集、存储及数据实时分析等多项功能，解决了现有双轴耕作田间原位试验装置缺失的难题。

2）以两轴水平间距、垂直间距、碎土刀轴转速为试验因素，以双刀辊作业平均功耗、表层5 cm土层的碎土率为评价指标进行试验，使用Design-Expert 软件对试验结果进行响应曲面分析，结果显示，各因素对平均功耗影响由大到小依次为水平间距、碎土刀轴转速、垂直间距；各因素对碎土率影响由大到小依次为水平间距、垂直间距、碎土刀轴转速。

3）双轴旋耕碎土部件最优工作参数组合为水平间距为570 mm、垂直间距为96 mm、碎土刀轴转速为340 r/min，对应的平均功耗为17.92 kW、碎土率为91.65%，为后续双轴起垄机设计提供理论依据。

[1] 胡建平，赵军，潘浩然，等. 基于离散元的双轴旋耕机功耗预测模型[J]. 农业机械学报，2020，51(S1)：9-16.

Hu Jianping, Zhao Jun, Pan Haoran, et al. Power consumption prediction model of dual-axis rotary tiller based on discrete element[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S1): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[2] 叶伟伟，奚小波，金亦富，等. 双轴旋耕施肥贴地播种复式作业机设计与试验[J]. 中国农机化学报，2019，40(2)：6-12.

Ye Weiwei, Xi Xiaobo, Jin Yifu, et al. Design and experiment of dual-axis rotary tillage and fertilization on the ground sowing compound operation machine[J]. Chinese Journal of Agricultural Machinery Chemistry, 2019, 40(2): 6-12. (in Chinese with English abstract)

[3] 李自宣，徐可可，严诗友，等. 双轴式旋耕灭茬机灭茬刀辊结构设计与试验[J]. 农机化研究，2020(4)：117-124.

Li Zixuan, Xu Keke, Yan Shiyou, et al. The structure design and experiment of the stubble cutter roller of the double-shaft rotary tillage stubble cultivator[J]. Agricultural Mechanization Research, 2020(4): 117-124. (in Chinese with English abstract)

[4] 李永磊，宋建农，康小军，等. 双辊秸秆还田旋耕机试验[J]. 农业机械学报，2013，44(6)：45-49.

Li Yonglei, Song Jiannong, Kang Xiaojun, et al. Experiment of double-roller straw returning rotary tiller[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(6): 45-49. (in Chinese with English abstract)

[5] Jia H L, Wang L C, Li C S, et al. Combined stalk-stubble breaking and mulching machine[J]. Soil＆Tillage Research, 2010, 107(1): 42-48.

[6] 管春松，胡桧，陈永生，等. 蔬菜做畦装备的发展现状[J]. 江苏农业科学，2017，45(17)：24-27.

Guan Chunsong, Hu Hui, Chen Yongsheng, et al. The development status of vegetable border equipment[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2017, 45(17): 24-27. (in Chinese with English abstract)

[7] 张文斌，程玉龙，张龙全，等. 1ZKPY-130 型精整地联合作业机设计与试验研究[J]. 农业装备与车辆工程，2016，54(4)：21-24.

Zhang Wenbin, Cheng Yulong, Zhang Longquan, et al. Design and test research of 1ZKPY-130 type precision ground combined operation machine[J]. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering, 2016, 54(4): 21-24. (in Chinese with English abstract)

[8] 张浪，陈永生，胡桧，等. 1ZL-140 蔬菜联合精整地机具的研制[J]. 中国农机化学报，2015，36(1)：7-9.

Zhang Lang, Chen Yongsheng, Hu Hui, et al. Development of 1ZL-140 vegetable joint finishing machine[J]. Chinese Journal of Agricultural Machinery Chemistry, 2015, 36(1): 7-9. (in Chinese with English abstract)

[9] Ahmadi I. A power estimator for an integrated active-passive tillage machine using the laws of classical mechanics[J]. Soil & Tillage Research, 2017, (171): 1-8.

[10] Ani O A, Uzoejinwa B B, Ezeama A O, et al. Overview of soil-machine interaction studies in soil bins[J]. Soil & Tillage Research, 2018(175): 13-27.

[11] 曾荣，李东东，祝英豪，等. 旋转耕作部件性能测试试验台设计与应用[J]. 农业机械学报，2020，51(5)：88-97.

Zeng Rong, Li Dongdong, Zhu Yinghao, et al. Design and application of test bench for performance testing of rotating tillage components[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(5): 88-97. (in Chinese with English abstract)

[12] 孙新城，叶军，严江军，等. 旋转式农机土槽试验台运行平稳性控制方法及试验验证[J]. 农业工程学报，2015，31(13)：46-52.

Sun Xincheng, Ye Jun, Yan Jiangjun, et al. The operation stability control method and test verification of the rotary agricultural machinery soil tank test bed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 46-52. (in Chinese with English abstract)

[13] 颜华，吴俭敏，林金天. 环形土槽微耕机试验平台设计[J]. 农业机械学报，2010，41(Z1)：68-72.

Yan Hua, Wu Jianmin, Lin Jintian. Design of the experiment platform of the circular soil trough micro-tiller[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(Z1): 68-72. (in Chinese with English abstract)

[14] Gebregziabher S, Swert K D, Saeys W, et al. A mobile, in-situ soil bin test facility to investigate the performance of maresha plough[J]. Biosystems Engineering, 2016(149): 38-50.

[15] Behera A, Raheman H, Thomas E V. A comparative study on tillage performance of rota-cultivator (a passive-active combination tillage implement) with rotavator (an active tillage implement)[J]. Soil & Tillage Research, 2021, (207): 104861.

[16] Matin M A, Fielke J M, Desbiolles J M. Furrow parameters in rotary strip-tillage: Effect of blade geometry and rotary speed[J]. Biosystems Engineering, 2014, (118): 7-15.

[17] 张秀梅，夏俊芳，张居敏，等. 水旱两用秸秆还田组合刀辊作业性能试验[J]. 农业工程学报，2016，32(9)：9-15.

Zhang Xiumei, Xia Junfang, Zhang Jumin, et al. Operational performance test of combined stalk return to field for flood and drought[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 9-15. (in Chinese with English abstract)

[18] 高建民，刘兴达，齐惠冬，等. 斜置潜土逆转旋耕抛土仿真及试验[J]. 农业工程学报，2019，35(13)：54-63.

Gao Jianmin, Liu Xingda, Qi Huidong, et al. Simulation and experiment of inclined buried soil reverse rotation tillage throwing soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 54-63. (in Chinese with English abstract)

[19] 郝建军，于海杰，赵建国，等. 楔形减阻旋耕刀设计与试验[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：55-64.

Hao Jianjun, Yu Haijie, Zhao Jianguo, et al. Design and test of wedge drag reduction rotary tiller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 55-64. (in Chinese with English abstract)

[20] 管春松，王树林，胡桧，等. 蔬菜作畦机设计与试验[J]. 江苏大学学报：自然科学版，2016，37(3)：288-295.

Guan Chunsong, Wang Shulin, Hu Hui, et al. Design and experiment of vegetable heading machine[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2016, 37(3): 288-295. (in Chinese with English abstract)

[21] 陈钧，近江谷和彦，寺尾日出男. 高速摄影法研究旋耕刀抛土特性[J]. 农业机械学报，1994，25(3)：56-60.

Chen Jun, Omiya Kazuhiko, Terao Hiji male. High-speed photography to study the characteristics of soil thrown by rotary tiller[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1994, 25(3): 56-60. (in Chinese with English abstract)

[22] 刘保玲，邱白晶，史春建，等. 基于高速图像处理提取被抛土粒三维运动轨迹[J]. 农业机械学报，2006，37(6)：98-101.

Liu Baoling, Qiu Baijing, Shi Chunjian, et al. Extraction of the three-dimensional motion trajectory of the thrown soil particles based on high-speed image processing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(6): 98-101. (in Chinese with English abstract)

[23] 成大先. 机械设计手册(第六版)[M]. 北京：化学工业出版社，2017.

[24] 姬江涛，贾世通，杜新武，等. 1GZN-130V1型旋耕起垄机的设计与研究[J]. 中国农机化学报，2016，37(1)：1-4，21.

Ji Jiangtao, Jia Shitong, Du Xinwu, et al. Design and research of 1GZN-130V1 rotary tillage ridger[J]. Chinese Journal of Agricultural Machinery Chemistry, 2016, 37(1): 1-4, 21. (in Chinese with English abstract)

[26] 张居敏，贺小伟，夏俊芳，等. 高茬秸秆还田耕整机功耗检测系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(18)：38-46.

Zhang Jumin, He Xiaowei, Xia Junfang, et al. Design and field experiment of power consumption measurement system for high stubble returning and tillage machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 38-46. (in Chinese with English abstract)

[26] 王志山，夏俊芳，许绮川，等. 水田高茬秸秆旋耕埋覆装置功耗测试方法[J]. 农业工程学报，2011，27(2)：119-123.

Wang Zhishan, Xia Junfang, Xu Qichuan, et al. Test method for power consumption of paddy field high stubble straw rotary tillage and burial device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 119-123. (in Chinese with English abstract)

[27] 江苏省质量技术监督局.蔬菜机械化耕整地作业技术规范[S]. DB 32/T3350，南京，2018.

[28] 徐向宏，何明珠. 试验设计与Design-Expert、SPSS应用[M]. 北京：科学出版社，2010.

[29] 陈兴华，陈学庚，李景彬，等. 钉齿滚筒式播前残膜回收装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：30-39.

Chen Xinghua, Chen Xuegeng, Li Jingbin, et al. The design and test of the nail-tooth drum-type residual film recovery device before sowing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 30-39. (in Chinese with English abstract)

[30] 侯加林，田林，李天华，等. 基于双侧图像识别的大蒜正芽及排种试验台设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：50-58.

Hou Jialin, Tian Lin, Li Tianhua, et al. Design and experiment of garlic sprout and seeding test bench based on bilateral image recognition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 50-58. (in Chinese with English abstract)

Design of biaxial rotary tillage soil test bench and layered tillage test

Guan Chunsong1,2, Cui Zhichao1, Gao Qingsheng1, Wang Shulin2, Chen Yongsheng1※, Yang Yating1

(1.,,210014,; 2.,,212013,)

A biaxial rotary tillage machine is widely used in intelligent agriculture with ever-increasing demands in recent years in China, such as biaxial rotary tiller, biaxial stubble cutter, and biaxial ridging machine, because of its high operation efficiency, less soil compaction, and low energy consumption. A test bench is mostly utilized to simulate the field condition for the rotary tillage machinery, in order to reduce the rework times for higher design efficiency. Much effort has been made to explore the technology and theory of rotary tillage machines, especially commonly-used linear- and rotary-type indoor test benches. But there are still some limitations in these kinds of test bench at present, such as low universality, only suitable for a single axis rotary tillage test. Meanwhile, most test benches are fixed indoor installation covering a large area with low mobility and reliability. As such, the indoor test using remolded soil is difficult to reflect the real environment of operation sites. Therefore, it is highly demanding for a new test device to improve the performance of biaxial rotary tillage machines, according to the fundamental theory of single axis rotary tillage. In this study, a field mobile test bench was proposed to perform the throwing soil with the forward rotary blade roller, with the crushing soil with the backward crushing roller. These operations aimed to meet the high agronomic requirements of vegetable layered tillage, where the topsoil was fine soil, while the subsoil contained some large soil particles. A prototype of a biaxial ridge machine was then designed, together with the key components, to realize the real-time adjustment of relative space distance of two shafts, as well as the rotation speed ratio of front-rear roller shafts. A theoretical analysis was made on the working range of relative spatial position between two roller shafts, the structural parameters for the position adjustment device in the crushing roller shaft, and the motion parameters for the rotary speed adjustment device in the rotary blade shaft. A selection was completed on the hydraulic pump, motor, and valve, as well as on the torque sensor, PLC communication module, and data acquisition software. A detailed description was given on the working principle, test and data acquisition process of the whole machine. A central composite experimental design was adopted to improve the working quality of layered tillage, while reducing the energy consumption. A three-factor and five-level response surface experiment was conducted, where three influencing factors were taken as the horizontal and vertical distance between two shafts, as well as the shaft rotation speed of soil crushing roller, whereas, two indicators were set as the average power consumption, and the breakage ratio of soil at the top soil layer of 5 cm. Design-Expert software was then selected to analyze the test data. A regression model was established to clarify the significant correlation between each factor and indicator, aiming to comprehensively optimize the influencing factors. The results showed that three determinants were ranked in the order of horizontal distance between two shafts, vertical distance between two shafts, rotating speed of crushing roller shaft, in terms of impact on average power consumption, whereas, the determinants were ranked in the order of horizontal distance between two shafts, rotating speed of crushing roller shaft, vertical distance between two shafts, in terms of impact on the ratio of soil breakage. An optimal combination of work parameters was achieved as bellow: the average power consumption was 17.92 kW, and the ratio of soil breakage was 91.65%, particularly when the horizontal and vertical distances between two shafts were 570, and 96 mm, respectively, and the rotating speed of crushing roller shaft was 340 r/min. Specifically, the relative error between property indices was less than 5%, compared with the theoretical optimization and the valid test, indicating that the established model was expected to serve as the subsequent prediction and optimization. Meanwhile, the test data demonstrated that the developed test bench of biaxial rotary tillage was reasonable, while meeting the needs of multi factor and multi-level tests. The finding can provide a new potential test for the optimization design of similar components in the biaxial rotary tillage.

agricultural machinery; tillage; test bench; biaxial; power consumption test; parameters optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004

S222

A

1002-6819(2021)-10-0028-10

管春松，崔志超，高庆生，等. 双轴旋耕碎土试验台设计与分层耕作试验[J]. 农业工程学报，2021，37(10)：28-37.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004 http://www.tcsae.org

Guan Chunsong, Cui Zhichao, Gao Qingsheng, et al. Design of biaxial rotary tillage soil test bench and layered tillage test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 28-37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004 http://www.tcsae.org

2021-02-01

2021-04-23

国家重点研发计划（2020YFD1000300）；江苏省现代农业装备与技术协同创新中心项目（4091600020）；江苏现代农业（蔬菜）产业技术体系项目（JATS（2020）457）

管春松，助理研究员，博士，研究方向为蔬菜生产机械。Email：cs.guan@163.com

陈永生，研究员，研究方向为设施农业与农业废弃物处理装备。Email：cys003@sina.com