雙圓盤開溝器結構參數對作業性能影響研究

趙艷忠，王運興，禹棟棟

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

雙圓盤開溝器是免耕播種機上的重要工作部件，其原理是利用兩個旋轉的平面圓盤切開土壤，并將土壤向兩側推擠而形成深淺一致、溝形平整的種溝[1-3]。由于免耕茬地地表堅實且覆有大量秸稈，導致開溝器入土困難、阻力大，因此需提高開溝器破茬入土性能，以保證播種質量，降低開溝阻力[4-5]。

國外專家對免耕播種機的開溝器進行了大量的試驗研究。T．Vamerali[6]等人在不同試驗地進行開溝器與種子的出苗情況及開溝溝形的研究，結果表明：雙圓盤開溝器性能良好。B．A．Collions[7]等人對于雙圓盤開溝器的受力情況進行分析，并對開溝器的開溝阻力與前進速度、開溝深度之間的關系進行研究，結果表明：開溝阻力與前進速度、開溝深度之間呈現出線性相關。國內對保護性耕作愈加重視，已對開溝器進行大量研究。于慧春[8]等人對圓盤開溝器的運動及開溝形狀進行計算機模擬和分析，通過分析開溝器的受力及運動，得出改進后圓盤直徑為300mm，圓盤夾角為12°～16°。趙麗琴[9]等人設計的小型小麥免耕播種機中應用雙圓盤開溝器，其參數為圓盤直徑350mm、聚點位置50°、圓盤夾角10°，試驗表明：該播種機能夠滿足北方旱作地區小麥播種機的作業要求。王慶杰等[10]研制一種楔刀型免耕播種開溝器，通過將該開溝器和尖角式開溝器進行對比試驗，結果表明：該開溝器在工作過程中對土壤擾動小，且種溝內的土壤容重較小，能夠有效地降低能量消耗。

本文通過對雙圓盤開溝器結構特點及力學性能進行分析，得出影響開溝器播種深度穩定性和開溝阻力的結構參數，并進行試驗，優化出最佳的結構參數，以更好地滿足作業性能要求。

1 雙圓盤開溝器結構及性能分析

1.1 雙圓盤開溝器結構

雙圓盤開溝器的兩個圓盤，以對稱方式安裝在立柱兩側，兩圓盤刃口相交于一點，該點為雙圓盤開溝器的聚點，同時兩圓盤會形成一圓盤夾角，如圖1所示。

(a) 三維圖結構圖

(b) 二維結構圖 1.圓盤 2.軸承及軸承端蓋 3.立柱圖1 雙圓盤開溝器示意圖Fig.1 Schematic diagram of double discs drill opener

雙圓盤開溝器作業時，主要靠自重及播種機質量進行開溝和破茬，開溝器中部立柱采用頂絲與播種機連接，破土深度能夠根據實際需求進行調節。

1.2 雙圓盤開溝器開溝性能分析

開溝器聚點m即為兩圓盤的交點，雙圓盤開溝器聚點位置如圖2所示，聚點角度為β。開溝器工作時，聚點位于地面稍上方，若聚點位置過低，則會造成開溝器圓盤堵塞，增加軸承磨損程度；聚點過高則會造成開出的種溝寬度過大[11]。因此，聚點的高度對于播種機整機的工作性能影響較大，β的取值為55°～75°。試驗中，由于地表有著大量的秸稈和雜草，為防止雙圓盤開溝器的堵塞，β取值為70°。

圖2 雙圓盤開溝器聚點Fig.2 The point of double discs drill opener

開溝的寬度b受圓盤直徑D和圓盤夾角φ的影響，根據文獻[11]，得出開溝寬度b，即

(1)

式中b—開溝寬度(mm)；

D—圓盤直徑(mm)；

β—聚點位置夾角(°)；

φ—圓盤夾角(°)。

由式(1)可得出：隨圓盤直徑及夾角的增大，開溝器開出的種溝寬度越大，種溝中間凸起越大，播種效果越差。

1.3 雙圓盤開溝器力學分析

雙圓盤開溝器工作過程中，主要受牽引力及土壤對開溝器的阻力，如圖3所示。而圓盤作業時，對土壤有兩方面作用：切割土壤和推壓土壤[12-13]。因此，對雙圓盤開溝器進行受力分析，需從3個方面分析：刃口處切削力Q、圓盤正壓力N和圓盤剪切力F。

圖3 圓盤與土壤作用力Fig.3 The force of discs and soil

1)刃口切削力Q，即

(2)

式中l—圓弧刀刃與土壤接觸弧長。

(3)

即

(4)

由式(4)可知：當R>h時，通過求偏導可知，函數Q為增函數，故刃口切削力Q隨著圓盤直徑D的增大而增大。

2)圓盤正壓力N，即

(5)

式中s—圓盤側面與土壤接觸面積。

(6)

由式(5)、式(6)可知：正壓力N隨著圓盤直徑D的增大而增大。

3)圓盤剪切力F，即

(7)

由式(6)、式(7)可知：隨著圓盤直徑的增大，正壓力增加，圓盤所受土壤的作用力隨圓盤直徑的增大而增大。

2 雙圓盤開溝器性能試驗與分析

2.1 試驗因素與指標

雙圓盤開溝器工作時，播種深度穩定性及開溝阻力是評價播種性能的重要指標，因此試驗中選取播種深度h及開溝阻力F作為試驗指標。

根據農業機械設計手冊及實際要求，開溝器圓盤直徑過大，不僅造成安裝尺寸增大，還會導致種溝中間凸起較大，種溝溝底平整性差，開溝器的直徑范圍定為260～340 mm；開溝器圓盤夾角過小，種溝溝底平整，但易造成播種深度較淺；若圓盤夾角過大，種溝凸起較大，因此，開溝器角度范圍為10°～18°。根據試驗要求，共設計10種不同結構參數的雙圓盤開溝器進行試驗，如圖4所示。

(a) 不同夾角開溝器

(b) 不同直徑開溝器圖4 不同夾角及不同直徑開溝器Fig.4 Different angle and Different diameter drill opener

2.2 雙圓盤開溝器結構參數對開溝阻力的影響

2.2.1 試驗設備與條件

試驗于2016年6月在黑龍江省農業機械研究院土槽實驗室內進行，如圖5所示，試驗設備：TCC-3土槽試驗車(0～8km/h)；土槽；BK-1A柱式傳感器；SC-900型土壤堅實度儀；環刀組件(容積100cm3)；卷尺、直尺等。試驗條件：土壤為典型東北黑土；土壤平均含水率為17.5%(0～20cm)；土壤平均堅實度為0.78MPa。

1.土槽 2.滑軌 3.試驗臺車 4.懸掛架 5.采集裝置 6.測力架 7.傳感器 8.開溝器 9.限深輪圖5 開溝器試驗臺Fig.5 Opener test rig

2.2.2 試驗裝置及預試驗分析

將雙圓盤開溝器安裝在三向測力裝置上，采用拉力傳感器，根據二力桿的原理，依據中心、對稱分布的原則，用鉸接方式連接。傳感器分別在前進方向、側向及垂直方向上分布，通過前期預試驗得出圓盤直徑及夾角對前進阻力、側向力及垂直合力的影響，如圖6所示。

(a)

(b)圖6 圓盤直徑及夾角對三向力的影響Fig.6 Effect of disc diameter and angle on three direction force

由圖6可得出：圓盤直徑及夾角對前進方向的牽引阻力影響明顯，對側向力及垂直合力影響較小。這是因為開溝器兩個圓盤以對稱方式安裝在立柱兩側，切割土壤時，作用在圓盤上左右兩邊側向力相互抵消；垂直合力主要與入土深度及機具自重和播種機重量有關。因此，試驗主要研究圓盤直徑及夾角對前進方向的牽引阻力的影響。

2.2.3 試驗結果與分析

1)不同圓盤直徑下雙圓盤開溝器的牽引阻力研究。采用單因素試驗方法對不同圓盤直徑的牽引阻力進行研究，試驗時，開溝器圓盤直徑分別取260、280、300、320、340 mm，開溝器雙圓盤夾角取14°，試驗時土槽試驗車前進速度為0.8m/s，開溝深度60 mm。試驗重復3次，試驗結果如表1所示。

表1 不同圓盤直徑的開溝阻力Table 1 The resistance of different discs diameter

由表1可以看出：隨圓盤器直徑D的增大，開溝阻力F呈現出增大趨勢，因為圓盤直徑過大，土壤擾動量會越大。擬合出圓盤直徑D與開溝阻力F擬合方程為

y=0.004x2-1.672x+353.1

(8)

圖7為開溝阻力與圓盤直徑的擬合關系曲線。其中，x為開溝器圓盤直徑，回歸函數與試驗數據擬合的相關系數R2=0.942，說明回歸函數擬合可靠；開溝阻力F隨著圓盤直徑D的變化呈現二次變化，且隨著圓盤直徑的增大，開溝阻力不斷增大，與雙圓盤開溝器受力分析結果一致。

圖7 擬合不同直徑開溝阻力的變化Fig.7 The resistance of different diameter by fitting

2)不同圓盤夾角下雙圓盤開溝器的牽引阻力研究。采用單因素試驗方法對不同圓盤夾角的牽引阻力進行研究，試驗時，開溝器圓盤夾角分別取10°、12°、14°、16°、18°，開溝器雙圓盤直徑取300mm，試驗時土槽試驗車前進速度為0.8m/s，開溝深度60mm。試驗重復3次，如表2所示。

表2 不同圓盤夾角的開溝阻力Table 2 The resistance of different discs angle

由表2可以看出：隨著圓盤夾角的增大，雙圓盤開溝器的開溝阻力不斷增大。因為圓盤夾角越大，土壤擾動越大，故開溝阻力增大。擬合出圓盤夾角α與開溝阻力F之間的擬合方程為

y=1.508x2-16.41x+161.2

(8)

圖8為開溝阻力與圓盤夾角的擬合關系曲線。其中，x為開溝器圓盤夾角，回歸函數與試驗數據擬合的相關系數R2=0.99，說明回歸函數擬合可靠；開溝阻力F隨著圓盤夾角α的變化呈現二次變化，且隨著圓盤夾角的增大，開溝阻力不斷增大，與雙圓盤開溝器受力分析結果一致。

圖8 擬合不同夾角開溝阻力的變化Fig.8 The resistance of different angle by fitting

2.3 開溝器結構參數對播種深度的影響

2.3.1 試驗裝置與試驗條件

試驗裝置：拖拉機為寧波484拖拉機，功率為35.28kW；2BM-2型免耕播種機；輔助工具為卷尺、鋼板尺，電子秤等。試驗條件：土壤平均含水率為25.83%；土壤容重為1.42g/cm3；地表秸稈量平均值為790.4g/m2，田間試驗情況如圖9所示。

圖9 開溝器田間試驗Fig.9 Field experiment of opener

2.3.2 試驗結果與分析

1)不同圓盤直徑下雙圓盤開溝器的播種深度性能研究。研究雙圓盤開溝器對播種深度的影響。試驗中，采用單因素試驗方法，探究不同圓盤直徑對播種深度的影響，開溝器圓盤直徑分別取260、280、300、320、340mm，開溝器雙圓盤夾角取14°，播種機田間試驗時，采用慢四檔位，每組試驗重復3次，結果如表3所示。

表3 不同圓盤直徑下的播種深度Table 3 The result of seeding depth in different disc diameter

如表3所示，當圓盤夾角α和前進速度v一定時，隨圓盤直徑D增加，播種深度h加深，當直徑達到300 mm時，播種深度趨于穩定，因為圓盤直徑D直接影響開溝器回土量：當圓盤直徑較小時，種溝的回土量較大，造成播種深度較淺，且開溝器通過性不好，隨著圓盤直徑D的增大，回土量逐漸減小，播種深度逐漸增大，開溝器通過性較好。擬合出圓盤直徑D與播種深度h之間的擬合方程為

y=-0.003x2+2.275x-313.4

(9)

圖10為播種深度與圓盤直徑的擬合關系曲線。其中，x為開溝器圓盤直徑，回歸函數與試驗數據擬合的相關系數R2=0.968，說明回歸函數擬合可靠。對播種深度穩定性分析如表4所示。

圖10 擬合開溝器圓盤直徑對播種深度的影響Fig.10 The effect of opener diameter on seeding depth by fitting表4 播深穩定性分析Table 4 Analysis of the sowing depth stability

圓盤直徑D/mm播深平均值/mm標準差變異系數/%26038.703.739.6428045.304.7810.5630051.905.5810.7532051.808.2115.8534050.509.5218.86

由表4可以看出：隨著開溝器圓盤直徑D的增大，播種深度的變異系數逐漸增大，即播深穩定性逐漸降低；當開溝器圓盤直徑D范圍在260～300mm時，播種深度穩定性較好。

2)不同圓盤夾角下雙圓盤開溝器的播種深度性能研究。試驗中，采用單因素試驗方法，探究不同圓盤夾角對播種深度的影響，開溝器圓盤夾角分別取10°、12°、14°、16°、18°，開溝器雙圓盤直徑取300mm，播種機田間試驗時，采用慢四檔位，每組試驗重復3次。結果如表5所示。

表5 不同圓盤夾角下播種深度結果Table 5 The result of seeding depth in different disc angle

當圓盤直徑D、前進速度v一定時，隨著圓盤夾角增大，播種深度平均值不斷增加，當夾角大于14°，播種深度則不斷減小。圓盤夾角越小，回土量越大，會導致播種深度較淺；圓盤夾角過大時，開出的種溝中間會有一定的凸起，造成播種深度變淺。擬合出雙圓盤開溝器夾角α與播種深度h的擬合方程為

y=-0.599x2+17.72x-80.05

(10)

圖11為播種深度與圓盤夾角的擬合關系曲線。其中，x為開溝器圓盤夾角，回歸函數與試驗數據擬合的相關系數R2=0.906，說明回歸函數擬合可靠。對播種深度的穩定性分析如表6所示。

圖11 擬合開溝器圓盤夾角對播種深度的影響

Fig.11 The effect of angle on seeding depth by fitting表6 播深穩定性分析Table 6 Analysis of the sowing depth stability

由表6可以得出：隨著開溝器圓盤夾角α的增大，播深變異系數先減小后增大，即播深穩定性先增加后降低；當開溝器圓盤夾角α的范圍在10°～14°時，播深穩定性較好。

3 結論

1)對影響播種性能的雙圓盤開溝器結構參數進行分析，主要分析雙圓盤開溝器結構參數對開溝阻力及播種深度的影響。根據試驗設計和安排，確定雙圓盤開溝器的主要結構參數并加工制造10種不同參數的開溝器。

2)經過土槽試驗和數據分析，雙圓盤開溝器參數對開溝阻力F有明顯影響，隨著圓盤直徑D增大，開溝阻力F呈現遞增的趨勢；隨著圓盤夾角α的增大，開溝阻力F呈現出遞增的趨勢。

3)針對2BM-2型免耕播種機播種性能進行田間試驗，通過對圓盤直徑D、圓盤夾角α進行單因素試驗，并對試驗數據分析得出：隨著圓盤直徑D的增大，播種深度呈現先增大后減小的趨勢，播深穩定性先增大后降低，當圓盤直徑達到D=300mm時，播深穩定性較好；隨著圓盤夾角α的增大，播種深度呈現先增大后減小的趨勢，播深穩定性先增加后降低，當圓盤夾角α=14°時，播深穩定性較好。