馬鈴薯中耕前期圓盤式中耕機設計與試驗

衣淑娟 孫志江 李衣菲 李紫輝 李季成 呂金慶,

(1.黑龍江八一農墾大學工程學院， 大慶 163319； 2.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

馬鈴薯是一種適應性強、營養豐富、高產量的作物，在食品加工業和牲畜飼料業廣泛使用。我國馬鈴薯總產量高、種植面積廣，已發展成我國第四大主要糧食作物，具有很大的發展潛力。馬鈴薯中耕作業是指在馬鈴薯出苗前期以及生長中期對馬鈴薯進行松土、除草、碎土、培土等作業，其目的是疏松土壤、改善土壤結構、增強土壤地力、提高土壤透氣性、保墑抗旱以及去除雜草，從而提高馬鈴薯的產量[1-3]。目前國內馬鈴薯中耕機發展迅速，但是缺乏適用于第1次中耕作業的馬鈴薯中耕機。第1次馬鈴薯中耕作業時，由于馬鈴薯剛出苗，中耕培土作業過程中培土量過大，致使傷苗率過高。目前市場上的馬鈴薯中耕機主要是大培土量的機具。

國外對馬鈴薯中耕機研究較早，其技術水平和可靠性高[4-5]，具有代表性的馬鈴薯中耕機有：德國GRIMME公司的GH型馬鈴薯中耕機以及荷蘭STRUIK公司的ZF型馬鈴薯中耕機，其作業效果好，適合歐美國家的大地塊作業，但造價昂貴、維修難度大，不適合我國國情。國內對馬鈴薯中耕機研究起步較晚，但是發展迅速。呂金慶等[6]研制的1ZL5 型馬鈴薯中耕機能一次完成松土、除草、筑壟等作業，該機使用鋤鏟式培土器，培土量較大，在馬鈴薯出苗前期作業時不太適用；呂金慶等[7]研制的驅動式碎土除草多功能馬鈴薯中耕機，集碎土、施肥、除草、培土于一體，適用于黏重土壤條件的馬鈴薯地，培土器對碎土刀拋灑的土壤收集后進行培土，但在沙壤土地塊中作業存在動力消耗過大的問題；劉恩宏等[8]研制的3ZF-3200/3型立旋式馬鈴薯中耕機，主要針對土壤板結、雜草過多的黏重土壤，在馬鈴薯出苗前期，馬鈴薯苗較為脆弱，該機不適于這個時期的馬鈴薯中耕作業；李洋等[9]針對大規模馬鈴薯中耕作業而研制的1304馬鈴薯中耕機，適用性強，結構簡單。以上機具培土部件采用培土器或培土鏟，基本滿足馬鈴薯中耕作業要求。但是，在馬鈴薯出苗前期，馬鈴薯苗小，且易受損傷，此時只能進行較少的培土量作業；在馬鈴薯生長中期，此時的馬鈴薯苗大，且不易受損，可進行大培土量作業。因此，設計一種適于馬鈴薯中耕前期的作業機具具有重要意義[10]。

本文設計一款圓盤式馬鈴薯中耕機，通過理論分析確定馬鈴薯中耕機培土圓盤的結構參數及取值范圍，通過調節圓盤的角度調整作業的培土量，以適應馬鈴薯出苗前期和生長中期的中耕作業要求，并進行馬鈴薯中耕機的田間試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

整機主要由機架、懸掛機構、限深輪、培土圓盤、S型振動彈齒、調節裝置、液壓折疊機構等組成；整機共有5個圓盤單體，最多可同時進行4壟耕作作業，每個圓盤單體與機架通過2個U型卡子固定；每個圓盤單體上配有3個S型振動彈齒，對應行間1個，兩側壟壁各1個，每個圓盤單體之間的距離可根據不同的壟距在700～900 mm[11]間進行調節，其整體結構如圖1所示。

圖1 圓盤式馬鈴薯中耕機整機結構圖Fig.1 Sturcture of disc potato cultivator diagram1.懸掛機構 2.機架 3.限深輪 4.S型振動彈齒 5.液壓折疊機構 6.培土圓盤 7.小犁壁 8.圓盤角度調節把手 9.圓盤高度調節部件

1.2 工作原理

機具通過三點懸掛方式掛接于拖拉機，作業前，根據地況通過液壓折疊機構放下或升起圓盤單體，再牽引機具前進作業；作業時，拖拉機牽引機具向前行進，帶動培土圓盤向前運動，由于培土圓盤和地接觸，因此培土圓盤會繞軸自轉；在培土圓盤前壁，安裝有S型振動彈齒，能對壟溝土壤進行松土，培土圓盤向前運動能切開和推動土壤，同時在培土圓盤前進時能對馬鈴薯壟進行刮土除草，又由于培土圓盤和土壤摩擦力的作用下，培土圓盤在繞軸旋轉運動時能帶動土壤壅到壟上；根據馬鈴薯生長情況，可調節耕深和培土圓盤角度，以滿足馬鈴薯中耕作業要求；因此，機具進行一次田間作業可以實現淺耕松土、去除雜草、培土的聯合作業功能。

圓盤式馬鈴薯中耕機主要用于東北熟地作業，其主要參數如表1所示。

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 圓盤單體設計

圓盤單體主要由四桿機構、限深輪、S型振動彈齒、培土圓盤、調節裝置等組成，其結構如圖2所示。

表1 圓盤式馬鈴薯中耕機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of disc potato cultivator

S型振動彈齒安裝在圓盤單體機架上，并可以調節兩側S型振動彈齒的位置；培土圓盤安裝在圓盤角度調節把手兩側，通過螺栓固定；圓盤高度調節部件和圓盤角度調節把手之間通過螺栓緊固在一起；圓盤高度調節部件通過螺栓固定在圓盤單體機架，單次可調節的高度為28 mm;在機具工作時，S型振動彈齒對壟底的土壤進行松土作業，調整完畢的培土圓盤向前運動的同時繞軸自轉，對疏松后的土壤完成馬鈴薯第1次中耕的培土、除草作業。

2.1.1圓盤角度調節部件

圓盤角度調節部件與旋轉部件位置關系如圖3所示，圓盤角度調節部件(圖4)兩側對稱安裝培土圓盤，每個培土圓盤背側和凸臺之間通過6個螺栓安裝，培土圓盤內側通過螺絲緊固方式將小犁壁和培土圓盤固定在一起；圓盤角度調節部件焊接一調節把手，用于簡便調節培土圓盤角度，為節約成本設計調節把手直徑為12 mm；為適應培土圓盤的角度調節和90 cm大壟的馬鈴薯地塊，本文圓盤角度調節部件兩端設計的角度為120°；考慮結構的緊湊和合理，兩側軸長90 mm，直徑為20 mm，凸臺接觸面直徑為30 mm，且通過螺母緊固依次安裝凸臺、培土圓盤、套筒、小犁壁，通過6個螺栓固定安裝凸臺和培土圓盤。

圖3 旋轉部件結構圖Fig.3 Structure diagram of rotating component1.圓盤角度調節部件 2.小犁壁 3.培土圓盤 4.連接部件 5.圓盤高度調節部件

圖4 圓盤角度調節部件結構圖Fig.4 Structure diagram of disk angle adjusting component

2.1.2圓盤高度調節部件

耕作深度是中耕機最主要的工作指標之一，主要由圓盤高度調節部件參數決定；圓盤高度調節部件通過螺栓連接固定于圓盤單體機架，隨著機具帶動培土圓盤作前進運動，圓盤高度調節部件和圓盤角度調節部件之間由半套筒和小方板通過螺栓固定，需要對培土圓盤角度調節時，松開螺母后進行調節，調節完畢后再緊固，需要調節耕深時，旋松圓盤高度調節部件對應的螺栓，然后上下調節部件的位置，調節完畢后再由螺栓緊固。圓盤高度調節部件如圖5所示。

圖5 圓盤高度調節部件結構圖Fig.5 Structure diagram of disk height adjusting component

2.2 培土圓盤設計

培土效果也是中耕機主要工作指標之一，設計的培土圓盤如圖6所示，其培土效果主要由圓盤設計參數決定。培土圓盤與圓盤高度調節部件通過螺栓連接固定，隨著機具一起作前進運動，其盤刃直接和土壤接觸從而繞軸轉動；旋轉式中耕機大多采用培土鏟裝置進行培土，但在馬鈴薯第1次中耕作業時培土鏟培土量稍大。

圖6 培土圓盤結構圖Fig.6 Structure diagram of ridging disk

設計的培土裝置為圓盤式培土裝置，與培土鏟相比，培土量較小，滿足第1次馬鈴薯中耕的作業需求，第1次馬鈴薯中耕作業需要少培土，同時培土圓盤和馬鈴薯壟接觸，隨機具的前進能清除馬鈴薯壟的雜草。培土圓盤的設計和計算參考了土壤耕作機械的理論和計算，淺耕深的培土圓盤直徑在450～500 mm[12]，設計培土圓盤直徑為460 mm；根據培土圓盤厚度是培土圓盤直徑的0.008倍[13]，培土圓盤厚度設計為4 mm，可保證培土圓盤有較高的強度；曲率半徑較大會使培土圓盤碎土和翻垡較差，曲率半徑較小將妨礙圓盤入土，導致機具作業阻力增大，試驗過程中發現培土圓盤深度為40 mm時作業效果較好；小犁壁厚度設計為4 mm，為了減少堵土的可能性，小犁壁和培土圓盤距離為20 mm，在培土圓盤上有7個安裝孔，便于培土圓盤螺栓與部件固定[14]。

3 培土圓盤作業分析

3.1 運動分析

作業時，培土圓盤旋轉運動，旋轉方向和培土圓盤前進方向相同，培土圓盤在運動時做直線運動和圓周運動。為了滿足工作需求，培土圓盤在安裝時需要調整其相對于水平面角度β和垂直面角度α，β為培土圓盤傾角，α為培土圓盤偏角。培土圓盤空間示意如圖7所示[15-16]。

圖7 培土圓盤三維坐標系圖Fig.7 Three-dimensional coordinate system diagram of clay disc

圖7中V表示垂直面，H表示水平面，x正向表示機具前進方向。培土圓盤運動比較復雜，既有旋轉運動，又有直線運動，同時偏角和傾角對運動軌跡有直接影響，將分3種情況分析培土圓盤的運動情況[17-22]。

(1)當α=0，β=0時，此時培土圓盤只具有滾切土壤的效果,如圖8所示。

圖8 圓盤滾切運動示意圖Fig.8 Diagram of disk roll cutting motion

坐標軸原點為培土圓盤中心，xOz為投影面，設培土圓盤邊緣上任一點坐標為(x,y,z)，由圓盤結構圖(圖9)可得

D=2R

(1)

(2)

h=lsinθ

(3)

式中D——培土圓盤直徑，mm

R——培土圓盤半徑，mm

h——培土圓盤高度，mm

l——培土圓盤邊緣與圓盤安裝中心的直線距離，mm

圖9 圓盤結構圖Fig.9 Disk structure diagram

其運動方程可表示為

(4)

其中

φ=ωt

式中t——工作部件轉過φ所需時間，s

vm——機車前進速度，km/h

φ——圓盤轉過角度，rad

ω——圓盤回轉角速度，rad/s

圖10 傾斜圓盤運動示意圖Fig.10 Motion diagram of oblique disc

其運動方程可表示為

(5)

圖11 偏轉圓盤運動示意圖Fig.11 Motion diagram of deflection disc

其運動方程可表示為

(6)

根據以上3種情況對培土圓盤的運動進行分析，得到培土圓盤參數D、θ、l以及工作偏角α和工作傾角β的運動方程。

對式(4)的運動方程進行求導，即可得到培土圓盤的刃角端點在x、z軸速度為

(7)

可得刃角端點的絕對速度為

(8)

其中

式中va——刃角端點的絕對速度，m/s

ε——圓盤線速度與機具速度比值

綜合式(1)～(8)可知，培土圓盤上點的速度與機具的速度和培土圓盤的位置均有關，隨工作偏角的增大，培土圓盤培土土量增加，培土圓盤速度降低，隨工作傾角的增大，培土圓盤的翻垡效果增強。

利用SolidWorks軟件中的Motion插件[23]，建立圓盤的裝配體，添加2個馬達完成圓盤繞軸的自轉運動以及圓盤隨機架的直線運動，在圓盤邊緣添加一點，仿真計算得到該點的運動軌跡并導出數據到Matlab[24]，得到該點一段運動軌跡如圖12所示,顯示軌跡為螺旋線運動。

圖12 圓盤運動軌跡Fig.12 Disk trajectory diagrams

3.2 培土作業過程分析

培土是將壟體基部的土壤壅到馬鈴薯植株的基部，起到疏松土壤、增厚土層的作用，形成適合地下作物生長的黑暗環境，為多結薯創造條件，同時培土結束后可使得已形成的薯塊不致日曬而發綠，提升了馬鈴薯的品質。根據目前馬鈴薯種植模式，結合農藝要求，為機具的培土作業以及培土圓盤參數選取提供參考。

圖13 圓盤工作狀態圖Fig.13 Disk working state diagram

培土圓盤在壟田中工作狀態如圖13所示。圖中點O是培土圓盤的圓心；點C是培土圓盤在此時刻和耕深處的切點；培土圓盤從點C運動到點A的過程中，雖也有土壤被拋出，但均不能達到最高點，當∠AOC為90°時，土壤拋出的高度達最大。

拋土速度為

v=vmcosα

(9)

式中v——拋土速度，m/s

拋出后，繼續上升的最大高度為

(10)

其中

v1=vcosβ

式中v1——拋土速度豎直分量，m/s

h2——拋出后上升的最大高度，m

g——重力加速度，m/s2

拋土點與耕深處距離為

h1=Rcosβ

(11)

綜合式(9)～(11)可得培土高度為

H1=h1+h2-a-H

(12)

式中a——耕作深度，m

H——壟高，m

H1——培土高度，m

最終解得

(13)

其中

D=ka

式中k——耕深和圓盤直徑間系數

農藝對中耕培土要求為

5 cm≤H1≤10 cm

(14)

由式(13)、(14)可知，影響培土高度的因素主要有耕深、機車速度、培土圓盤工作傾角和工作偏角等；圓盤式馬鈴薯中耕機耕深為0.06～0.15 m；隨著機車前進速度的增加，培土圓盤拋擲土垡的距離急劇增加，因此機車前進速度不超過7 km/h；調節角γ通過圓盤角度調節部件調節，調節范圍為20°～60°。

在培土圓盤作業過程中，培土作業是通過培土圓盤的螺旋運動將土壤帶到壟上，培土圓盤帶出的土壤攜帶能量越大，越可能傷苗。土壤攜帶的能量主要與耕深、機車速度、培土圓盤工作角有關，機車速度越大，培土圓盤拋出的土壤速度越大，其攜帶的能量越大，耕深越大，單位時間培土圓盤拋出的土壤越多。培土圓盤工作角影響培土圓盤拋土的高度，高度越大，土壤攜帶的能量越多，同時傾斜的培土圓盤在運動過程中對馬鈴薯壟有刮土除草效果，在一定范圍內，培土圓盤相對壟側角越大，其除草效果越明顯。

4 田間試驗

4.1 試驗條件與設備

2019年6月1日在東北農業大學阿城試驗示范基地進行圓盤式馬鈴薯中耕機田間試驗。該試驗地為東北旱作黑土地，選取長度和寬度為500 m×400 m的地塊作為試驗區，土壤含水率為9.4%、土壤堅實度為892 kPa，試驗地塊長有雜草，馬鈴薯幼苗高度為150～200 mm，密度為7株/m2。地塊各處試驗條件基本相同。試驗通過機車儀表盤調整機車前進速度，通過直尺測量以及通過圓盤高度調節部件調節耕作深度，通過角度儀測量以及圓盤角度調節部件調整調節角；試驗后，以JB/T 7864—1999《旱田中耕追肥機 試驗方法》對除草率和傷苗率進行統計和測量。田間試驗如圖14所示。

4.2 評價指標

為評價圓盤式馬鈴薯中耕機關鍵部件的除草效果，以耕作深度、機車前進速度、調節角為因素進行二次旋轉正交組合試驗，以除草率、傷苗率和培土高度作為試驗指標。

4.3 試驗方案與結果分析

4.3.1試驗方案及結果

采用二次旋轉正交組合試驗方案進行試驗，以除草率、傷苗率和培土高度為試驗指標。試驗中機車前進速度為4～7 km/h，耕作深度為0.06～0.15 m，調節角為20°～60°。通過試驗對影響試驗指標的因素進行顯著性分析，根據前文分析得到參數范圍，對參數組合優化并獲得較合適的參數組合。試驗因素編碼如表2所示，試驗方案及結果如表3所示，表中X1、X2、X3表示因素編碼值。

4.3.2結果分析

對田間試驗采集到的數據由Design-Expert 8.0.6軟件進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到培土高度H1、除草率C以及傷苗率S回歸方程，并進行顯著性檢驗。

(1)除草率回歸模型建立與顯著性分析

C=95.23+0.66X1+0.49X2+0.66X3- (15)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表4所示，其中P>0.1，不顯著，證明試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系。

(2)傷苗率回歸模型建立與顯著性分析

(16)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表4所示，其中P>0.1,不顯著，證明試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系。

(3)培土高度回歸模型建立與顯著性分析

表4 除草率、傷苗率與培土高度方差分析Tab.4 Variance analysis of damage comprehensive index

(17)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表4所示，其中P>0.1,不顯著，證明試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系。

4.3.3響應曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數據處理，得出耕作深度X1和機車前進速度X2交互作用對除草率C、傷苗率S、培土高度H1試驗指標影響的響應曲面，如圖15～17所示。

圖15 調節角為40°時因素對除草率的響應曲面Fig.15 Response surface of weeding control rate when angle adjustment was 40°

圖16 調節角為40°時因素對傷苗率的響應曲面Fig.16 Response surface of seedling injury rate when angle adjustment was 40°

圖17 調節角為40°時因素對培土高度的響應曲面Fig.17 Response surface of ridging height when angle adjustment was 40°

當調節角為40°時，耕作深度和機車前進速度的交互作用對除草率的影響如圖15所示。當耕作深度一定時，除草率C隨著機車前進速度的增加而逐漸增加，最優機車前進速度范圍為5.8～6.4 km/h；當機車前進速度一定時，培土高度與耕作深度成正比，最佳的耕作深度為0.10～0.13 m，其中機車前進速度是影響除草率C的主要試驗因素。

當調節角為40°時，耕作深度和機車前進速度的交互作用對傷苗率的影響如圖16所示。當耕作深度一定時，傷苗率S整體隨著機車前進速度的增加呈現逐漸增加的趨勢，最優的機車前進速度范圍為4.6～5.5 km/h；當機車前進速度一定時，傷苗率S與耕作深度成正比，最佳的耕作深度為0.08～0.11 m，耕作深度是影響傷苗率S的主要試驗因素。

當調節角為40°時，耕作深度和機車前進速度的交互作用對培土高度的影響如圖17所示。當耕作深度一定時，培土高度H1整體隨著機車前進速度的增加呈現逐漸增加的趨勢，最優的機車前進速度范圍為5.6～6.8 km/h；當機車前進速度一定時，培土高度與耕作深度成正比，最佳的耕作深度為0.085～0.12 m，其中耕作深度是影響培土高度H1的主要試驗因素。

通過對響應曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優化模塊對3個回歸模型進行求解，根據圓盤式馬鈴薯中耕機的實際工作條件、作業性能要求及上述相關模型分析結果，根據JB/T 7864—1999《旱田中耕追肥機 試驗方法》選擇優化約束條件為

(18)

通過對目標函數3個參數進行優化求解，能夠得到多種參數組合，考慮到實際工作要求，選擇其中最優參數組合：耕作深度為0.08～0.13 m、機車前進速度為4.6～6.8 km/h、調節角為20°～60°時，得到除草率為92.7%～96.2%，傷苗率為3.4%～4.5%。

根據二次正交組合試驗分析得到，當耕作深度為0.13 m、機車前進速度為4.6 km/h、調節角為52°時，除草率為95.2%，傷苗率為3.9%，其結果均滿足旱田中耕作業的國家標準，機具田間通過性以及作業效果良好，由于培土圓盤在機具前進作業過程中，自身也會做圓周運動，同時在培土圓盤內側裝備小犁壁，極大減少堵塞現象，提高機具通過性，而且作業時培土圓盤刮擦壟壁，增強除草效果，并且培土圓盤輸出的土量較少，降低薯苗的損傷，提高馬鈴薯出苗前期中耕作業效果。

5 結論

(1)設計了一種圓盤式馬鈴薯中耕機，對培土圓盤結構、耕深及角度調節裝置進行設計，并對培土圓盤關鍵參數和培土高度進行分析，結合農藝要求，設計培土圓盤直徑460 mm、高度為40 mm。

(2)通過對培土圓盤的運動學分析和培土作業過程的分析，得出影響圓盤式馬鈴薯中耕機作業效果的主要因素為耕作深度、機車前進速度和調節角。在田間進行了圓盤式馬鈴薯中耕機二次旋轉正交組合試驗，建立了各試驗指標與影響因素間的回歸數學模型，根據回歸模型進行了參數優化。試驗結果表明：當耕作深度為0.13 m、機車前進速度為4.6 km/h、調節角為52°時，除草率為95.2%，傷苗率為3.9%，滿足國家標準規定的傷苗率不大于5%、除草率不小于90%的要求。