阿基米德螺線型破茬裝置的研究

1、2015年 農(nóng)業(yè)工程學報 13阿基米德螺線型破茬裝置的設計與試驗林 靜1本文圖片過多，適當刪減，李寶筏1，李宏哲2農(nóng)業(yè)工程學報是農(nóng)業(yè)工程類期刊，文章題目要能概括全文，反映文章的主體內(nèi)容。若是后期因為文章題目的問題出現(xiàn)異議，在要求的時間內(nèi)作者無法給出合適的題目，會直接將文章延遲出版。文章題目需要從以下幾點考慮：*文字盡量控制在22字左右，題名不要太長；*最好是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)工程內(nèi)涵，請注意不要生拉硬套。*能很好的概況文章的主要內(nèi)容*不要出現(xiàn)英文縮寫，用全拼；*一般不使用“研究”二字，不使用“的影響”；若是出現(xiàn)“的影響”，請明確此影響（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院,沈陽 110866；2.鐵嶺縣農(nóng)機化技術推

2、廣服務站，鐵嶺 112600）摘要摘要包括4要素，研究目的、研究方法、研究結果和研究意義。為了達到什么目的，采用什么方法。研究結果是什么，本文的研究意義是什么（從宏觀角度說）。:針對東北保護性耕作區(qū)玉米壟作農(nóng)業(yè)技術對研發(fā)新型免耕播種機的要求，本文以阿基米德螺線為基礎，分析了缺口圓盤刀破茬性能和理想種床對破茬刀的技術要求，進行了螺線型缺口圓盤破茬刀的結構優(yōu)化以及最優(yōu)參數(shù)的優(yōu)選；研制了破茬開溝裝置和新型切撥防堵裝置。經(jīng)過試驗驗證破茬開溝裝置，開出“V”形溝，兩片螺線型缺口圓盤刀直徑350 mm，入土深度40 mm時，播種開溝寬度28 mm；新型切撥防堵裝置破茬深度70100 mm，開溝寬度為405

3、0 mm；清壟部件清壟寬度210 mm，均達到了農(nóng)業(yè)技術要求，可用于高留茬模式和高留茬碎桿覆蓋模式的保護性耕作地區(qū)的免耕播種作業(yè)。關鍵詞：阿基米德螺線；圓盤破茬刀；結構優(yōu)化；破茬開溝裝置；新型切撥防堵裝置 中圖分類號：S223.2 文獻標識碼： A doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.00.000中圖分類號: S223.2 文獻標志碼 : A 文章編號：1002-6819(2015)-00-0000-00林靜，李寶筏，李宏哲.阿基米德螺線型破茬裝置的設計與試驗J.農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（0）:0-0Lin Jing, Li Baofa，Li Hongzh

4、e. Study on Design and Experiment of Archimedes spiral type stubble breaking deviceJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE)，2015，31（0）:0-0 0 引 言* 引言作為論文的開端，主要回答為什么研究（why）這個問題，同時也是引用參考文獻最多的部分。它簡明介紹論文的背景、相關領域的前人研究歷史與現(xiàn)狀，以及著者的意圖與分析依據(jù)。引言主要反映前人研究結果及其不足，以

5、及作者針對這些不足所做的工作，作者期望達到的結果。引言的寫法具體見農(nóng)業(yè)工程學報論文寫作規(guī)范(2015版).doc，里面有專門的說明。收稿日期：20150628 修訂日期：2015-00-00基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“旱地合理耕層構建技術指標研究” （201503116）；國家自然科學基金資助項目“機械免耕播種切撥防堵裝置的工作機理與參數(shù)優(yōu)化研究”（51275318）作者簡介：林靜（女），遼寧昌圖人，教授，博士生導師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，110866。E-mail：synydxlj69 壟作耕法是中國東北地區(qū)行之有效并沿用至今的抗旱防澇

6、的耕作方法。由于氣候和自然條件所決定，東北大部分地區(qū)仍將繼續(xù)壟作耕法。在壟作的情況下播種時，可以提高地溫，伏天可以防洪排澇。近年曾推廣條帶旋耕式免耕播種機“2BM-2”型和 “1M/2BF-2”型免耕聯(lián)合精播機。由于旋耕，根茬被打碎防堵性能好，但是土壤耕作強度指標為l=R´w/nm=6.57.81-2，土壤耕作強度大，破壞原壟，形成新溝，失去壟作優(yōu)勢，現(xiàn)已停用。目前，生產(chǎn)上應用的2BMZF-2型免耕指夾式精量施肥播種機，東北地區(qū)約3000臺，采用國外圓盤破茬部件，土壤耕作強度指標l=1，減輕了土壤耕作強度，未見新溝;但是由于兩行機采用了1000 kg的整機重量，對土壤的壓實太大3-4

7、，壟臺幾乎被壓平，輪轍壓實嚴重影響玉米根系的生長。已有許多廠家仿制，而且整機重量在不斷加重，整機重量達到12001500 kg，這種播種機不但失去壟作優(yōu)勢，增加土壤硬度，而且制造成本高，每臺機價格6.5萬元，使田間作業(yè)成本大大提高，不符合節(jié)能減排增效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。鑒于目前免耕播種機存在的突出問題是保持壟型問題，本文以阿基米德螺線理論為基礎，研發(fā)了兩種土壤工作部件，即新型的切撥防堵裝置與破茬開溝裝置，以減少破茬阻力對下壓力的需要，減少機具重量，并可分別安裝在普通播種機上，實現(xiàn)免耕播種。1. 阿基米德螺線型缺口圓盤破茬刀破茬性能分析1.1 選用阿基米德螺線作為破茬刀刃口曲線 刃口曲線選用阿基米德

8、螺線，如圖1所示，其極坐標方程為： （1）式中:R為極徑，mm；R0為起始半徑，mm；K為常數(shù)；為極角，（°）。 圖1 阿基米德螺線Fig.1 Achimedean Spiral 將圓盤破茬刀刃口曲線設計為阿基米德螺線形的原因在于，阿基米德螺線是我國國家標準（GB5669-85）中推薦的旋耕機彎刀側切刃的刃口線型，動滑切角隨著刃口的切入至切出越來越大，滑切效果好，可以避免出現(xiàn)常規(guī)缺口圓盤的漏切問題；對于深埋在地表以下的根茬可以漸進式地入土切茬，入土效果好，切茬率高，避免漏切；并且相對于復雜的刃口曲線，該型刃口曲線的加工和制造比較方便，降低制造成本。1.2 螺線型缺口圓盤破茬刀的轉動時

9、間 螺線型缺口圓盤破茬刀轉動一周所需的時間T與全緣的光面圓盤破茬刀轉動一周所需的時間T¢，以及二者之間的關系。設有一個螺線型缺口圓盤破茬刀，隨機具以nm的速度沿x軸正向前進，并以大小的角速度轉動，如圖2所示。如果缺口的個數(shù)為Z，那么螺線型缺口圓盤破茬刀轉動一周所需的時間T為： （2） 因為 = 360/Z，且R(q)=R0+K´q，所以有: （3） 積分后，得： （4）將式(K)代入式(4)，整理得： （5）本文圖片不清晰，請全部插入清晰的圖片*圖片植入方式：word中插入清晰圖片，注意“背景返白”；為了防止動版，請設置圖片格式為“嵌入式”，或是插入jpg格式的圖片；文中不

10、能出現(xiàn)文本框，編輯的時候會動版。圖片也不要使用viso作圖，打印時是亂碼。自己打印一下，看看能不能打印出來。*針對全文：文中不是為了列圖片而列圖片，是對文章有幫助的保留，影響不大的刪除。請作者斟酌。請作者一定將圖片問題修改好。圖表問題處理不好，將直接影響文章處理進度。圖2 破茬刀轉動的時間Fig.2 Time Needed of Rotated Cutting Disc 由式(5)可知，螺線型缺口圓盤破茬刀轉動一周所需的時間T只與機具的前進速度vm、破茬刀的最大半徑Rmax和起始半徑R0相關，與破茬刀的缺口個數(shù)Z無關；并且是與機具的前進速度vm成負相關，與破茬刀的最大半徑Rmax和起始半徑R0

11、成正相關。另設有一個半徑等于Rmax的全緣的光面圓盤破茬刀，同樣隨機具以vm的速度前進，那么它轉動一周所需的時間T¢為： （6） 那么，螺線型缺口圓盤破茬刀轉動一周所需的時間T與全緣光面圓盤破茬刀轉動一周所需的時間T¢相差的時間DT為： （7）即： （8） 由（8）式可知：因為R0 < Rmax，所以DT <0，即T <T¢¢。這一結論也可以從兩個圓盤刀的軌跡線得到驗證。如圖3所示，可以看出11個缺口的螺線型缺口圓盤刀率先完成一周的轉動，即螺線型缺口圓盤刀轉動一周所用的時間T少于同樣半徑大小的全緣光面圓盤破茬刀轉一周所用的時間T

12、2;¢。圖3 兩個圓盤刀運動軌跡的對比Fig.3 Comparison Chart of Movements between Smooth Disc and Spiral Gap Disc 此外，由式(8)可知DT只與機具的前進速度nm、破茬刀的最大半徑Rmax和起始半徑R0相關，與破茬刀的缺口個數(shù)Z無關；并且DT是與nm和R0成負相關，與Rmax成正相關的。以11個缺口的螺線型缺口圓盤破茬刀為例，它在機具前進速度為5 km/h時轉動一周所需的時間為0.7464 s，而等半徑的全緣光面圓盤破茬刀轉動一周則需要0.7916 s，時間差DT 為0.0452 s。由此可知，在相同的時間內(nèi)，

13、螺線型缺口圓盤破茬刀切割根茬的次數(shù)要比全緣的光面圓盤破茬刀切割的次數(shù)多，說明它的切割效率更高，有利于破茬開溝。從圖3中可以看出,當A點結束一個圓弧的運動軌跡進入下一個圓弧的運動軌跡時，都會發(fā)生一次沖擊。沖擊力提升了切斷根茬的效果，減少破茬阻力5-6。螺線型缺口圓盤破茬刀的運動軌跡不僅有著滾動光面圓盤破茬刀似的擺線，可以減小對土壤的擾動，而且還具備了半圓型缺口圓盤破茬刀切茬的沖擊性能，由雙片螺線型缺口圓盤破茬刀構成的破茬開溝裝置，兩側有松土區(qū)利于節(jié)根生長；又因為螺線型破茬刀的特殊刃口曲線形狀，還實現(xiàn)了由遠及近地入土切茬的效果，避免了半圓型缺口圓盤破茬刀漏切的問題。2 理想種床對破茬刀的技術要求

14、創(chuàng)造一個理想的種床，種子下方底土其非毛管孔隙要少，以利于保墑，實現(xiàn)種子與濕土的接觸；而種子上方土壤應細碎且松緊適度，控制水分蒸發(fā)，并且獲取更多的空氣和熱量。針對中國東北早春干旱的特點，又要對覆土進行鎮(zhèn)壓，防治透風，落干種子。在玉米發(fā)芽過程中其生長次序分為胚根、節(jié)根、氣生根。播種時要創(chuàng)造上虛下實的種床，即“硬床軟被”以利于胚根入土，吸收水分和營養(yǎng)，如圖4所示。機械播種所開溝的側壁不應太硬，應利于節(jié)根的扎入，從土壤吸收營養(yǎng)。圖4中表示雙圓盤開溝器所形成的V形溝，玉米種子應放置于底部以便可以定位；防止?jié)L動，與下層濕土有密切的接觸 7-9。直徑350 mm的雙圓盤開溝器，入土深度40 mm時，播種開溝

15、寬度28 ；破茬犁刀作業(yè)范圍，為打碎根上節(jié)（俗稱五叉股），促使殘茬體解，入土深度應為70100 ，而在地表開溝寬度應4050為宜。兩側尚有12 mm以上松土區(qū)，疏松的溝壁利于節(jié)根的生長。a.開溝較窄玉米小苗生長弱小 b. 開溝較寬利于玉米生長 c.破茬刀和雙圓盤開溝器工作原理圖a.Corn seedlings grow weak because ditching narrow b.Ditching wider so that beneficial Maizec. Disc stubble breaking cutter and double disc opener operating prin

16、ciple1.弱苗 2.開溝器開的堅實的溝 3.圓盤開溝器開的堅實溝壁 4.根系生長緩慢 5.覆土質(zhì)量好 6.快速一致的出苗可以高產(chǎn)7.疏松的溝壁利于節(jié)根生長 8.種子和濕土接觸良好利于根系生長1.Seedlings grow weak 2. Solid ditch by double disc opener 3.Solid trench wall by double disc opener 4. Root growth is slow 5.Good quality of covering soil 6.The emergence can quickly and consistently so

17、 that high yield 7.Loose trench wall beneficial to nodal root growth 8.Seeds and wet soil good contact conducive to root growth圖4 玉米生長圖Fig.4 Corn growth graph 為了對新型切撥裝置進行優(yōu)化設計，2013年5月在沈陽農(nóng)業(yè)大學實驗田進行了玉米根茬破切后播種試驗，如圖5所示為玉米種子播種在切開的根茬之間以后三葉苗齡時的長勢情況。從生產(chǎn)實驗證明了切撥裝置只要能破切到玉米根茬“五叉股”位置，就能保證玉米種子如期發(fā)芽生根，并且能夠達到長勢良好；破開的根

18、茬還能夠起到防沙固土的作用。同時證明開溝較寬更有利于種子的發(fā)芽生長10。圖5 茬口玉米種植Fig.5 Plant corn in Stubble 為了開溝較寬，可采用兩種方案：一種是單片圓盤破茬刀，課題組研制了9齒破茬盤偏離前進方向60的新型切撥防堵裝置；另一種是雙片圓盤破茬刀，選擇15齒與質(zhì)數(shù)11齒阿基米德螺旋線缺口圓盤破茬刀, 課題組研制了雙圓盤破茬開溝裝置。3 螺線型缺口圓盤破茬刀的結構優(yōu)化以及最優(yōu)參數(shù)3.1 螺線型缺口圓盤破茬刀的結構優(yōu)化 阿基米德圓盤破茬刀采用兩面開刃可以使兩面受力均勻，但在齒尖處會產(chǎn)生應力集中，所以極易磨損，而且從圖6中可以看出齒尖一旦磨損就會降低作業(yè)效果，嚴重的會

19、失去阿基米德螺旋線的優(yōu)勢，所以對尖角11齒圓盤破茬刀進行結構優(yōu)化。圖6 阿基米德螺線型缺口圓盤刀優(yōu)化步驟圖Fig.6 Step of Perform Archimedes Spiral Type Gap Cutting Disc圖7 新型阿基米德螺線型缺口圓盤刀Fig.7 New Style Archimedes Spiral TypeGap Cutting Disc 如圖6所示，為了消除應力集中現(xiàn)象及改進工藝要求，將尖角11齒半徑Rmax=215mm，R0=175mm的阿基米德螺線缺口圓盤刀半徑變?yōu)镽¢max=225mm，R0 =175按照圖1所示的方法繪制，然后用半徑Rmax=2

20、15mm的圓切割，得到如圖7所示的優(yōu)化后的新型阿基米德螺線缺口圓盤刀11。本次優(yōu)化是在保證參數(shù)不變的情況下進行，優(yōu)化后保留了阿基米德螺線在切割上的優(yōu)勢，由于齒尖形狀已較為寬大，制造時齒形部分進行熱處理（淬火后回火），以解決應力集中與耐磨性的問題，確保圓盤破茬刀的耐磨性和破茬性能。 3.2 阿基米德螺線型缺口圓盤破茬刀最優(yōu)參數(shù)3.2.1 11齒和15齒雙片圓盤破茬刀配合工作 當選用雙片圓盤破茬刀配合工作時，應選用一個質(zhì)數(shù)齒的圓盤,這樣，兩個圓盤不但可以互相避免由于缺口的重合導致的漏茬問題，還可以做到兩個盤上的齒交替入土，從而減少阻力和對下壓力的需求，以降低機具重量；由阿基米德螺旋線原理，滑切角t

21、g=R/K12 ,選K值小的質(zhì)數(shù)齒的圓盤為優(yōu)，由表1可知，9齒以下圓盤破茬刀，結構上不好布置；應選用質(zhì)數(shù)11齒圓盤破茬刀為佳，結構如圖8所示。課題組研制的破茬開溝裝置，即選用11齒阿基米德螺旋線缺口圓盤破茬刀與15齒圓盤破茬刀配合工作。表1 螺線型缺口圓盤破茬刀結構參數(shù)Tab.1 Structure Parameters of Archimedes Spiral Type Gap Cutting Disc序號No.缺口數(shù)Number notch ZR0 / mmRmax / mm /（°）K/mm×（°）-111715517521.170.942131551752

22、7.60.7231115517532.730.6141117521532.731.2251017521536.001.106917521540.001.00 注：序號3為直徑350mm的11齒缺口開溝器圓盤；序號4為直徑430mm的新型11齒缺口圓盤破茬刀。 a.9齒缺口圓盤破茬刀a. 9 tooth gap disc stubble knifeb. 11齒缺口開溝器圓盤 b.English11 tooth gap opener disc圖8 二種圓盤破茬刀 Fig.8 大寫Two kinds of the Stubble Cutting Discs 3.2.2 單片圓盤破茬刀工作時應選用9齒

23、圓盤由表1可知，序號1、2、3為直徑350 mm的缺口開溝器圓盤；序號4、5、6為直徑430 mm的缺口圓盤破茬刀。9齒以下圓盤，結構上不好布置，選K值小的齒數(shù)圓盤為優(yōu)，滑切角大；單片圓盤破茬刀工作時，應選用9齒圓盤為佳。課題組研制的新型切撥裝置裝置，即選用9齒阿基米德螺旋線缺口圓盤破茬刀（圖8）。3.2.3 單片圓盤偏置開溝寬度的計算 由圖9可知，b=L´sin，上述兩種圓盤刀，偏置開溝寬度計算結果，如表2所示。表2 單片圓盤偏置開溝寬度計算Tab.2 Offset single disc ditching width calculation缺口數(shù)Number notch ZB/m

24、m結構參數(shù)Structural parametersD/ mmh/ mma/ (°)L/mm1122.7350406222.793236430701006320360 11 齒缺口開溝器圓盤轉一周，其外端點橫向移動350 mm ´sin60=35 mm, 入土深度h=40 mm，其橫向移動為222.7 mm ´sin60=22.7 mm。9齒缺口圓盤破茬刀轉一周，其外端點橫向移動430 mm ´sin60=43 mm，入土深度h =70100 mm，其橫向移動為320 mm´sin60360 mm ´sin60=3236 mm,加上破

25、茬盤厚度4 mm，開溝寬度為3640 mm；對照國外開溝寬度最大的8 個波紋的破茬盤其開溝寬度為英吋，即31.75 mm13。圖片不清楚注：D為破茬盤直徑，mm；a為偏離前進方向的角度，（0）； h為入土深度，mm ；L為入土深度所對應的弦長，mm ；b為開溝寬度，mm。Note:補充 D is broken stubble disc diameter，mm；a is the angle of deviation from the forward direction，（0）； h is buried depth，mm ；L is bowstring length corresponding t

26、o buried depth，mm ；b is Trench width，mm。圖9單片圓盤偏置開溝寬度計算Fig.9 Offset single disc ditching width calculation補充4 破茬開溝裝置試驗 在實行高留茬模式保護性耕作的地區(qū)，田間覆蓋率30%的情況下，可以采用破茬開溝裝置，代替普通播種機的播種開溝器，既可破茬又可開溝播種，增加配重使破茬開溝裝置處稱重為100 kg時，普通播種機即可實現(xiàn)免耕播種。破茬開溝裝置的結構如圖10所示。對于破茬開溝裝置的整體裝配要按如下的技術要求進行：1）選用11齒阿基米德螺旋線缺口圓盤破茬刀與15齒圓盤破茬刀配合工作。2）缺

27、口圓盤頂端與方形鏈接桿的上端的距離要小于240 mm，缺口圓盤旋轉中心距離方形鏈接桿上端約為410mm以降低播種機的投種高度，實現(xiàn)定位播種，保證株距準確。3）圓盤直徑D=350 mm,兩圓盤的裝配夾角為y=120，且兩圓盤的聚點與水平方向成a=15°角，溝底寬b=D(1-sina)´sin（y/2）=26 mm14，播種深度40 mm時，地面開溝寬度可達28 mm15-16。由雙片螺線型缺口圓盤破茬刀構成的破茬開溝裝置，它的運動軌跡會發(fā)生多次沖擊。沖擊力提升了切斷根茬的效果，減少破茬阻力，也使得兩側有松土區(qū)利于節(jié)根生長。4）零速投種管，其投種管的輪廓應保證在播種機前進速度為

28、8km/h準確投種17-18。 1.軸承蓋 2.11個缺口圓盤刀 3.方形連接桿 4.立板 5.連接板 6.零速投種管 7.15個缺口圓盤刀 8.芯軸 9.防塵蓋 10.開溝鏟連接器 11.開溝鏟English1. Bearing cap 2.11 piral type gap disc stubble breaking cutter 3. Square connecting rod 4. Riser 5Connecting plate6. Zero speed cast seed tube 7. 15 piral type gap disc stubble breaking cutter 8

29、. Mandrel 9. Dust cover 10. Ditching spade connector 11. Ditching spade圖10 破茬開溝裝置結構圖Fig.10 Structure Chart of Residues Break and Open Device 破茬開溝裝置裝配體，如圖11所示。 a. 前視圖結構配置 b. 正視圖結構配置a. Front view of the structure of the configuration b. A front view of the structure of the configuration c.Rear view of

30、 the structure of the configuration圖11 破茬開溝裝置試制樣機Fig.11 Prototype of Residues Cutting and Shoving Equipment 破茬開溝裝置進行了實際的田間試驗研究，如圖12所示。當前進速度為15 km/h，破茬開溝裝置處稱重為100 kg時，清茬率最高。試驗結果可為新型保護性耕作機具的設計提供理論依據(jù)。圖12 圖中的小圖要自己的中英文名稱 破茬開溝裝置田間試驗Fig.12 Stubble breaking ditching device field test 5 新型切撥防堵裝置的總體設計 在實行高留茬碎

31、桿覆蓋模式保護性耕作的地區(qū)，田間覆蓋量1 kg/m2的情況下，可以采用新型切撥防堵裝置，如圖13示，增加配重使單片圓盤破茬裝置處稱重為113 kg時,普通播種機即可實現(xiàn)免耕播種。本文研發(fā)采用滾動圓盤破茬刀，并且其刃口呈阿基米德螺線缺口型，經(jīng)多次試驗破茬阻力小，機器重量可以減少；因為是被動式破茬防堵，土壤耕作強度指標l=R´w/nm=1，保持了壟形。解決了條帶旋耕式免耕播種機，由于驅(qū)動式破茬防堵，土壤耕作強度指標大，l=R´w/nm=6.57.8產(chǎn)生的破壞原壟，形成新溝的問題。為了滿足破茬的要求，確定阿基米德螺線型缺口圓盤刀的最佳結構參數(shù)為9齒?？紤]到傳統(tǒng)的防堵裝置往往是固定

32、式的，不能根據(jù)實際情況實時調(diào)節(jié)，所以設計可以根據(jù)地況進行實時調(diào)節(jié)的防堵裝置。最后要將破茬裝置與防堵裝置合二為一做到切撥防堵一體化。同時可以將新型切撥防堵裝置安裝在普通播種機上，使其具備免耕播種機的功能。1.9齒破茬盤 2.雙臂杠桿 3.彈簧部裝 4.斜板 5.頂蓋 6.清茬盤1. 9 tooth broken stubble plate 2.Double arm lever 3. Spring unit installed 4. Swash plate 5. Cover 6. Stubble clean plate圖13 新型破茬防堵裝置結構圖Fig.13 Structure Chart of

33、 Residues Break and anti-blocking Device5.1 單片圓盤破茬刀方案 單片圓盤破茬刀不易堵塞而且入土性能好，但經(jīng)過理論分析和大量的實踐證明單片圓盤破茬刀破開的溝窄，不能滿足圓盤破茬寬度的農(nóng)業(yè)技術要求。本設計方案，采用了單片圓盤破茬刀切撥裝置，為達到開溝寬度要求，而使9齒破茬盤偏離前進方向60，當機器前進時，破茬深度70100 mm時，理論開溝寬度3640 mm，田間試驗, 單片圓盤破茬 裝置處稱重為113 kg時,破茬深度70100 mm時，由于有土壤帶動層而開溝寬度為4050 mm。5.2 清茬盤的選擇與運動分析 仿照旋耕刀的原理,本文設計了一種類螺旋線

34、型清壟器齒形,其齒形方程的極坐標形式如下: (9)式中: R為極徑，mm；R0為起始半徑，mm；K為常數(shù)；為極角，（°）。 該齒形方程仿照阿基米德螺線建立,對選擇3/4次乘方,其原因如下:阿基米德螺線的特點是當?shù)度忻哭D過單位角度時,其徑向切入土壤中的長度是相同的,這可以使刀刃切土負荷的變化比較均勻,而清壟刀負荷較小,其主要目的不是為了切土,而是為了清除地表秸稈,因此希望在清壟過程中有較大的滑切角而減少雜草等對其纏繞,如式(9)所示方程所確定的齒形在相同位置有比阿基米德螺線更小的曲率半徑,可使其工作段滑切角更大19,經(jīng)試驗選清茬輪半徑R=165 mm，R0=115 mm，Z=12時,其

35、齒形曲線，如圖14示。 圖14 清茬刀Fig.14 Ridge clearing device 而考慮滑切一般a為30°35°，a角小推移秸桿容易，選a=30°，入土深度h=20mm，清壟寬度為： （10）式中：L-清茬輪清壟長度；計算得到清壟寬度b=80 mm，滿足清壟要求20。清壟刀端點a運動軌跡在XOY平面內(nèi)投影，如圖15和圖16示。清壟器半徑R=165 cm時，a角為30°，機具前進速度為1.4 m/s而假設滑移率d為0。圖15 清壟器工作示意圖Fig.15 Working schematic of ridge clearing device5.

36、3 試驗結果與討論5.3.1 試驗條件與試驗因素設計試驗時間在2015年4月,試驗地點選擇在沈陽農(nóng)業(yè)大學試驗田，在留有玉米根茬的壟作未耕地塊進行試驗，試驗地工況為壟作留茬高度平均130 mm，前茬玉米壟距600 mm,平均株距320 mm,根茬秸稈部分直徑平均值為30 mm，如圖17示。根據(jù)免耕播種機考核指標要求設計試驗，試驗考慮對本機的破茬率和機具通過性影響較大的 3 個因素：機具前進速度 、破茬盤入土深度和機具配重進行3因素3水平二次回歸組合正交試驗，因素水平編碼表3所示。根據(jù)3因素5水平二次回歸正交試驗設計，安排17次試驗，試驗方案及結果，如表4所示。表3 因素水平編碼表Tab.3 Co

37、ding table for factors and levels水平Level因素x1機具前進速度Machines forward speed /ms-1x2破茬盤入土深度Stubble plate buried depth /cmx3破茬裝置重量Stubble means weight /kg零水平(0)Zero level 2.227.50106.50變化區(qū)間()Change interval 0.410.374.80上水平(+1)Level 2.637.87111.3下水平(1)Next level1.817.13101.7g(1.353)2.788.00113.00-g (-1.35

38、3)1.677.00100.00-200-150-100-50050100150200500100015002000250030003500X/mmZ/mm圖16 R=165cm時清壟刀端點a運動軌跡在XOY平面內(nèi)投影Fig.16 R= 165cm when clearing a ridge knife endpoint trajectory projected in the plane XOY a.新型切撥防堵裝置的田間試驗 b. 破茬裝置破切效果 c. 破茬率測量a. Field trials of new Residue Cutting-Moving and Anti-Blocking

39、Device. b. Breaking the effect of stubble breaking device c. Stubble rate measurement圖17 新型切撥防堵裝置田間試驗Fig.17 New Residue Cutting-Moving and Anti-Blocking Device field trial表4 試驗方案與試驗結果Tab.4 Experiment plan and results試驗號Test No.設計矩陣Design Matrixx1 x2x1 x3x2 x3x1¢x2¢x3¢破茬率Stubble ratey/

40、 %x0x1x2x3x12-0.686x22-0.686x32-0.686111111110.3140.3140.31496.972111-11-1-10.3140.3140.31492.58311-11-11-10.3140.3140.31496.46411-1-1-1-110.3140.3140.31493.3651-111-1-110.3140.3140.31496.1661-11-1-11-10.3140.3140.31492.0771-1-111-1-10.3140.3140.31496.0581-1-1-11110.3140.3140.31492.23911.353000001.1

41、45-0.686-0.68692.97101-1.353000001.145-0.686-0.68691.5811101.3530000-0.6861.145-0.68694.461210-1.3530000-0.6861.145-0.68691.36131001.353000-0.686-0.6861.14597.0614100-1.353000-0.686-0.6861.14591.56151000000-0.686-0.686-0.68693.16161000000-0.686-0.686-0.68693.86171000000-0.686-0.686-0.68693.46Bj1595.

42、354.743.8722.84-0.22-0.421.56-0.621.716.83dj1711.6611.6611.6688bj93.840.410.331.96-0.03-0.050.20-0.090.261.02Qj1.931.2944.740.010.020.300.060.446.965.3.2 試驗結果分析 根據(jù)試驗因素與試驗指標的極差分析確定切斷玉米根茬的工況條件最優(yōu)組合是機器前進速度是2.22 m/s，配重是113 kg，破茬圓盤刀的入土深度7.50 cm，即對于破茬率試驗指標最優(yōu)組合為正交試驗的第13 號試驗。根據(jù)試驗結果，利用計算機求解得出破茬率與影響因

43、素間的數(shù)學模型為：（13） 回歸方程的顯著性檢驗結果如表5所示，可知，F(xiàn)1< F0.05（5，2）是不顯著的，說明回歸方程擬合較好，故可進一步用統(tǒng)計量F2進行檢驗。F2> F0.05（9，7）=3.68，說明方程在a=0.05水平上顯著，具有實際意義。在回歸方程中, 回歸系數(shù)絕對值的大小反映了各因素的重要程度，從回歸方程各因素系數(shù)大小可以看出，對破茬率影響最大的是機械的配重，其次是機械前進速度，與極差R分析確定的主次因素次序結論一致。表5 方差分析結果Tab.5 Results of variance analysis方差來源Variance Source偏差平方和Total of

44、 the deviations squared自由度Freedom方差VarianceF值F value臨界值Threshold FaD回55.7496.19F2=5.90F0.05（9，7）=3.68D剩7.3571.05D擬7.1051.42F1=11.32F0.05（5，2）=19.3D誤0.2520.125D總15.04166 結論 機械免耕播種種床的土壤耕作幾何模型，是壟作機械免耕播種的工藝標準1。集中地反映了壟作機械免耕播種的農(nóng)業(yè)技術要求，是壟作免耕播種機研制與田間運用作業(yè)質(zhì)量優(yōu)劣的有效判據(jù)。據(jù)此判據(jù)可得結論： 1）破茬犁刀作業(yè)范圍，為打碎根上節(jié)（俗稱五叉股），促使殘茬體解，播種開

45、溝器開溝寬度28 ,入土深度應為70100 而在地表開溝寬度以4050 為宜。新型切撥防堵裝置破茬深度70100 mm時開溝寬度為4050 mm，達到了設計要求。 2）清壟部件清壟寬度；壟頂寬b為210 ，清壟器入土深度2030 mm，清理秸稈、草籽而少擾動土壤。新型切撥防堵裝置，單側清壟寬度b=80 mm，兩側為160 mm，加上破茬刀開溝寬度為4050 mm，可達到清壟寬度210 mm時符合農(nóng)業(yè)技術要求。3）破茬開溝裝置，開出“V”形溝，兩片螺線型缺口圓盤刀直徑350 mm，入土深度40 mm時，播種開溝寬度28 mm；由雙片螺線型缺口圓盤破茬刀構成的破茬開溝裝置，它的運動軌跡會發(fā)生多次沖

46、擊。沖擊力提升了切斷根茬的效果，減少破茬阻力，也使得兩側有松土區(qū)利于節(jié)根生長,符合要求。4）通過對新型切撥防堵裝置田間試驗，分析了破茬開溝裝置在不同機械前進速度、配重和入土深度下，破茬率的變化規(guī)律。確定了切斷玉米根茬的工況條件最優(yōu)組合為機器前進速度2.22 m/s，配重是113 kg，破茬圓盤刀的入土深度7.5 cm時破茬率最高。得出各因素對破茬率影響的主次順序為：機器配重>機器前進速度>入土深度。參 考 文 獻參考文獻的寫法請參閱農(nóng)業(yè)工程學報論文寫作規(guī)范(2014版).doc，里面有專門的說明。同時補充最新的、權威的參考文獻。-注意：舉一反三1 Lin Jing, Song Yu

47、qiu，Li Baofa. Mechanical no-tillage sowing technology for northeast ridge area in ChinaJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014,30(9):50-57. 林靜，宋玉秋，李寶筏. 東北壟作區(qū)機械免耕播種工藝的研究J.農(nóng)業(yè)工程學報，2014,30(9):50-57.2 李宏哲，林靜，李寶筏. 免耕播種機在遼寧鐵嶺縣的適應性研究J.農(nóng)機化研究，2014,36

48、（8）：49-51.Li Hongzhe, Lin Jing, Li Baofa . Study on adaptation of no-till planter for Tieling County Liaoning Province in ChinaJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(8): 4951. (in Chinese with English abstract).3 Gratton J, Chen Y, Tessier S ？外國人姓前名后，名縮寫、大寫。示例：Nandhitha N M， Man

49、oharan N，Sheela R B, et al.Design of a spring-loaded downforce system for a no-till seed openerJ.Canadian Biosystems Engineering Volume, 2003, 45 (2).29-35.4 Grisso R B, Holshouser D,Robert P. Equipment considerations for no-till soybean seeding R .Virginia Cooperative Extension, 2002: 442-456. 5 林靜

50、，李博，李寶筏，等. 阿基米得螺線型缺口圓盤破茬刀參數(shù)優(yōu)化與試驗J. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014,45（6）：100-104Lin Jing，Li Bo，Li Baofa,et al.Parameter Optimization and ex針對期刊：文章題目只需要首字母大寫，其他小寫；期刊名需要每個單詞的首字母大寫。全文統(tǒng)改。periment on Archimedes Spiral Type Gap Cutting DiscJ.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45（6）：100-104.

51、(in Chinese)6 李博. 免耕播種機新型破茬開溝裝置的設計與試驗研究D沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學,2013.Li Bo. Design and Experimental Research of New maize針對學位論文、著作：題目和單位中每個單詞的首字母都要大寫 Residues Cutting and Opening Device for No-Tillage PlanterD. Shenyang：Shenyang Agricultural University ,2013(in Chinese).7 Energize the growzoneEB/OL. 2014-6寫法見農(nóng)業(yè)工程

52、學報論文寫作規(guī)范(2014版).doc-20.http：/www.Y. 8 Seeding development salesEB/OL. 2014-6-29.http：/.9 Guide to No-till Seeding salesEB/OL.2014-6-29.http：/.10 Paul J.Setting Up No-Till Planters For SuccessR.Published by University of Nebraska-Lincoln Extension in the Institute of Agriculture and Natural Resources

53、 Cooperating with the counties and the U.S. Department of Agriculture,200611 牛金亮 免耕播種機新型切撥防堵裝置的研究D 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學,2014，6Niu Jinliang. Research of Residues Break and Anti-blocking Device for No-Tillage PlanterD. Shenyang：Shenyang Agricultural University ,2014,6(in Chinese).12 北京農(nóng)業(yè)工程大學.農(nóng)業(yè)機械學M. 北京：農(nóng)業(yè)出版社,1996.13 Clearing up the Coulter ConfusionEB/OL.2014-06-20.http：/www.Y.14 李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學M.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.15 于慧春, 劉俊峰, 馮曉靜，等.雙圓盤開溝器開溝溝形的計算機模擬分析J.河北農(nóng)業(yè)大學學報，2 0 0 4，27（1）:108-110Yu Chunhui, Liu Junfeng, Feng Xiaojing ,et al. Simulation study on th