重心平衡履帶式山地煙田深耕機設計與試驗

李鈉鉀 徐光澤 冉茂 江厚龍 張小亮 劉凡一 謝守勇

摘 要： 丘陵山區煙田普遍使用微耕機進行耕地作業，長期淺耕作業使煙田土壤耕層變淺、土壤板結、犁底層變厚，嚴重影響煙葉生產質量。針對壟作模式下丘陵山區煙田的特點，設計了一種重心平衡履帶式山地煙田深耕機，主要由行走裝置、動力系統、旋耕裝置及重心平衡機構等組成，設計了關鍵結構，對旋耕裝置旋耕過程進行了運動學分析，確定了整機行走速度和旋耕刀轉速。采用“回”字型耕地法，設計一種壟上作業重心平衡機構，運用離散元的方法對深耕機壟上作業進行了分析。壟作煙田耕地試驗結果表明，深耕機作業性能較好，耕后土地較平整，整機平均耕深合格率95.4%、平均碎土率91.9%，滿足煙草種植的整地要求，驗證了履帶式煙田深耕機理論分析與設計的準確性及合理性。研究結果可為丘陵山區煙田深耕機的研究提供參考。

關鍵詞：丘陵山區；深耕機；離散元；煙草種植機械；重心平衡；履帶式

中圖分類號：S222.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0083-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.015

0 引言

烤煙是我國重要的經濟作物之一，在種植過程中要經過旋耕整地、施肥、起壟和覆膜等環節[1-2]。西南地區是我國主要產煙區之一，2021 年該地區烤煙產量129.3 萬t、占全國烤煙總產量的60.8%，為國家和地方財政增收、經濟發展作出了積極的貢獻[3-4]。西南地區地形地貌多以丘陵山區為主，道路崎嶇不整、機耕道狹窄、作業地塊小且形狀不規則、坡度大，大型機械較難適應，耕地機械多以微耕機為主，長期的淺耕作業使煙田土壤耕層變淺、土壤板結和犁底層變厚等一系列問題日益凸顯[5-8]。

國內外研究人員針對不同耕作方式對土壤理化性狀及煙葉產質量的影響進行了廣泛研究，其耕作方式主要包括煙?稻輪作、開溝起壟、土壤深耕等[9-10]。煙田深耕是近年來研究的熱點，研究表明，深耕可有效打破土壤犁底層降低土壤容重、改良土體結構、促進土壤蓄水、優化烤煙根系構型和增加煙葉產量和產值[11]。因此，對山地煙田進行深耕作業十分必要，作為土壤深耕的主要機具，深耕機的相關研究顯得尤為重要。

李云伍等[12] 針對丘陵山區地形特點，提出了一種小型立式深耕機，并對立式螺旋旋耕刀具進行了設計與優化，其耕深可達30 cm，具有較好的碎土和拋土能力，功率消耗較低。楊夫君[13] 設計了一種組合式強力深松碎土機，采用螺旋鉆削方式向前切土，同時立式刀軸高速橫向旋轉碎土，其碎土能力強，但整機成本較高，轉運困難。王耀文等[14] 設計了一款正旋淺耕和逆旋深耕兩組刀輥于一體的煙田小型深耕機，耕作深度30 cm 以上，但需人工手扶操作，勞動強度大，效率較低。在旋耕拋土方面，鄭侃等[15] 設計一種漸變螺旋升角軸向勻土刀輥，有效提高了地表平整度和土壤軸向分布均勻度。方會敏等[16] 基于離散元法對旋耕過程土壤運動行為進行了分析，研究發現，隨著旋耕轉速增加，土壤水平運動位移和側向運動位移也隨之增加。

目前大部分耕深作業的研究主要集中在刀具設計與刀輥布置方面，針對山地煙田壟作土壤深耕機具的研究較少。

本研究參照DB41/T 1559—2018《煙田土壤保育與烤煙施肥技術規程》，針對丘陵山區煙田特點，設計一種履帶式山地煙田深耕機，對關鍵結構進行設計，提出一種壟上作業重心平衡機構，運用離散元的方法對深耕機壟上作業進行分析，并對樣機進行煙田深耕性能試驗，以期為后續丘陵山區煙田深耕機的研制和優化提供參考。

1 整機結構及技術參數

1.1 煙草農藝要求

煙田是深耕機的主要作業對象，其田間環境對耕作質量有較大的影響。目前，起壟開溝是許多地區常用的耕作措施，對改善土壤理化性質有一定的作用，合理的起壟措施可提升土壤溫度，提高土壤速效養分含量。根據煙葉生產起壟環節作業標準，煙田壟型如圖1a 所示，具體參數：壟基寬w2=760 mm、壟面寬w1=350 mm、壟溝寬w0=390 mm、壟高H=280 mm、壟距W=1 150 mm。為了提高耕地效率、避免作業機具在轉向調頭時對耕地的破壞，采用“回”字型耕地的方法，如圖1b 所示。

深耕機在AB、CD 方向作業時，前進方向與壟型方向垂直，此時深耕機需要翻過壟面、跨越壟溝，在翻越壟面時，深耕機后部位于壟溝，切土量減少，在跨過壟溝時，深耕機后部位于壟面，切土量增大，耕作阻力增大，耕作后，耕地凹凸不平，平整度較差。為降低深耕機在跨越壟面、壟溝時對旋耕刀具的影響，提出了一種可平衡重心的履帶式深耕機。

1.2 整機結構及工作原理

履帶式山地煙田深耕機主要由發動機、變速器、重心平衡機構、行走裝置、減速器及旋耕裝置組成。行走裝置采用三角形布局，由驅動輪、支重輪、導向輪、張緊機構和履帶等組成，通過左右兩驅動輪的不同轉速實現轉向，具有較好的越障、爬坡及行駛性能。變速器采用滾珠絲桿帶動同步器換擋的方式，通過步進電機實現4 個擋位的切換，能較好地匹配不同的作業工況，有效提高了發動機的燃油經濟性。液壓升降裝置與齒輪箱配合，實現旋耕裝置的升與降，以滿足深耕機的作業要求。施肥機構由肥箱、外槽輪式撥肥器和一分三式導肥管組成，由直流減速電機帶動撥肥器運行，施肥均勻不聚集。重心平衡機構通過螺栓與機架前部連接，可有效解決深耕機在爬壟越溝時的傾斜問題，保證了旋耕裝置的作業穩定性。旋耕裝置是整個深耕機的核心部件，由刀輥和刀具組成，主要通過刀具的高速旋轉實現切土、拋土動作。深耕機整機結構如圖2 所示，主要技術參數如表1 所示。

作業時，發動機的動力經變速器傳遞至驅動輪和刀輥上，使整機前進和耕刀旋轉，同時調節液壓升降裝置使旋耕裝置下降至一定深度，實現機具的旋耕深耕作業。

2 關鍵部件設計

2.1 旋耕裝置

2.1.1 結構設計

旋耕裝置是深耕機的核心，可實現向后和側向拋土，使地表的肥料被旋入土壤得到有效地混合，結構如圖3 所示。旋耕刀作為旋耕過程中的觸土部件，主要實現切土、拋土動作，其形狀結構直接影響旋耕作業的質量與功耗，選用國標II T245 旋耕刀，具有較好的減阻降耗性能。旋耕刀的合理布置對提高整機作業性能和減少作業阻力具有重要意義，根據《農業機械設計手冊》，設計的旋耕刀排列方式為雙頭螺旋線排列，左右刀輥對稱安裝在減速器上，相鄰同向旋耕刀的周向夾角60°，相鄰回轉面距離48 mm。

2.1.2 運動學分析

旋耕裝置在作業過程中，旋耕刀的運動參數對作業效果有較大的影響，為此，對旋耕刀進行了運動學分析，如圖4 所示。以刀軸回轉中心為原點，整機前進方向為x 軸，豎直方向為y 軸，建立坐標系oxy，在作業過程中，為保證刀片，需使旋耕速比λ>1。其計算如式（1）所示。

由式（5）可知，深耕機的最大耕作深度與旋耕刀回轉半徑R 和旋耕速比λ 有關，其值越大，耕作深度最大值就越高。由式（7）可知，切土節距與旋耕刀回轉半徑R 成正比，與旋耕刀數量z 和旋耕速比λ 成反比，由于本研究設計的旋耕刀為雙螺旋排列，z=2，故當旋耕速比λ 越大，其切土節距越小，進而碎土能力越好。丘陵山區煙田土壤以黏性土壤為主，為保證碎土質量，旋耕切土節距S 取值范圍60～90 mm，由上述分析及相關研究人員對煙田深耕的研究，本研究設計耕深h=220 mm、旋耕刀回轉半徑R=250 mm，將數據帶入式（7）可得旋耕速比λ 最小值8.89。深耕機耕作時，機組前進速度Vm 取0.5～1.5 m/s，帶入式（1）可得旋耕刀轉速n 的最小值170 r/min。

2.2 重心平衡機構

深耕機在壟上作業時，其整機穩定性對旋耕裝置的作業質量有較大的影響，整機前傾或后傾都會影響耕作深度，從而導致作業后耕地不平整，故對整機穩定性的研究具有重要的意義。圖5a 為深耕機在沒有重心平衡機構下進行耕作的示意圖，作業時，深耕機重心位置在壟頂面所在的區域內時，整機處于水平狀態，旋耕刀與左側壟上土壤相互作用。當重心位置進入壟溝所在的位置時，由于履帶前端無支撐點，后部土壤對旋耕裝置有個向上的作用力，導致深耕機向前傾斜，直到履帶與右側壟接觸，此時旋耕刀脫離土壤，隨著整機繼續前進，履帶第一個支重輪與壟面接觸，整機恢復至水平狀態，旋耕刀再次與土壤接觸。

為了解決深耕機在作業過程中前傾的問題，在不改變履帶尺寸的前提下，設計了一種重心平衡機構，如圖5b 所示。作業時，隨著整機的前進，重心平衡機構也隨之前進，并于履帶配合，實現整機的平衡，為了降低重心平衡機構中底板與土壤的摩擦，底板采用雪橇式設計。

3 離散元仿真分析

3.1 仿真模型建立

為對旋耕裝置壟上作業過程進行分析，本研究采用離散元仿真軟件模擬旋耕裝置壟上作業過程，以分析旋耕裝置的作業情況。采用LPX-600 型三維激光掃描儀對所選用的II T245 旋耕刀進行外形構造，使用Geomagic Studio 軟件對殘缺部位進行修復， 并導入Creo 中與其他部件進行組裝，完成旋耕裝置三維模型的建立。將旋耕裝置三維模型導入EDEM2020 軟件，構建長×寬×高為2 000 mm×1 100 mm×600 mm 的土壤?旋耕裝置相互作用模型，如圖6a 所示。丘陵山區煙田土壤的物理參數是旋耕裝置離散元仿真的基礎，仿真軟件中顆粒尺寸的大小會影響仿真效果與計算時間，結合前期標定與相關研究，土壤顆粒半徑取值2.5 mm，設置邊界條件，生成壟型土壤模型，其壟型尺寸與實際煙田壟型相同， 選擇Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts（ JKR） 接觸模型， 相關仿真參數如表2 所示。以旋耕刀轉速190 r/min、前進速度0.6 m/s、耕深220 mm 進行仿真試驗，旋耕過程如圖6 所示。

3.2 仿真分析

當整機前進開始接觸左側壟體時（圖6b），旋耕刀切削打碎表層土壤，并向后拋灑，隨著機器的前進，耕刀旋進壟體，土壤被耕刀拋起，并在擋土板的作用下回落至壟溝，此時旋耕刀受力最大，耗油最多。隨著旋耕裝置移動至壟溝（圖6c），耕刀與土壤接觸面相對減少，此時耕刀的拋灑效果相對減弱，耕刀所受阻力也相對較小。當旋耕裝置接觸右壟主體時（圖6 d），耕刀與壟體大部接觸，耕刀向后拋散量增大，土壤在擋板的作用下回填至壟溝，其耕刀受力情況與左壟相似。圖6e 為旋耕裝置壟上作業旋耕效果圖，耕后土壤相對平整。

4 耕地試驗

4.1 試驗條件

為驗證重心平衡履帶式山地煙田深耕機的工作性能與作業效果，對深耕機分別進行三維建模、樣機研制和裝置調試工作，并于2022 年6 月5 日前往重慶市北碚區歇馬鎮進行耕地試驗。試驗設備主要包括自制履帶式深耕機、卷尺、鋼尺和電子秤等，旋耕裝置左右刀輥共安裝20 把IIT245 旋耕刀，耕作幅寬1 120 mm。在作業前對煙田壟作土壤進行測量，經測量壟面寬361 mm、壟溝寬367 mm、壟高269 mm、壟距1 210 mm，其尺寸滿足DB41/T 1559—2018《煙田土壤保育與烤煙施肥技術規程》，履帶式深耕機物理樣機及耕地試驗如圖7 所示。

4.2 試驗方法

為分析深耕機的耕作效果，試驗采用“回”字型耕地的方法，試驗過程中，通過遙控器控制深耕機的方向及耕作深度，設定機組作業速度2.2 km/h、旋耕刀旋轉速度190 r/min 和耕作深度220 mm。耕作后選取4個長度10 m、寬度1.2 m 的測試區域（測試區域為試驗田中部2.4 m 區域兩側），對相關參數進行測量與記錄。

參照GB/T 5668—2017《旋耕機》，選取耕后碎土率、耕深合格率為評價指標。碎土率是指在檢測樣本區域內，土壤被切削后土塊最長邊<40 mm 的質量與總質量的比值，每個測試區域內進行3 次測量，然后對其質量求平均值；耕深合格率是指測試區域內，每隔0.3 m 對耕作深度進行測量， 其所測耕深在210～230 mm 之間的點數占總被測點數的比例，各評價指標按式（8）和式（9）計算。

4.3 試驗結果與分析

按照試驗方案進行深耕試驗，試驗過程中記錄被測耕深、土塊質量，并計算對應評價指標。旋耕試驗結果如表3 所示。

試驗發現，重心平衡履帶式山地煙田深耕機作業性能較好，整機在翻越壟體和跨越壟溝時無傾斜，重心平衡機構中的雪橇式底板能較好地通過壟頂面，旋耕裝置耕作穩定，旋耕后土地相對平整。由表3 可知，整機平均耕深合格率95.4%、平均碎土率91.9%，滿足煙草種植農藝要求。

5 結束語

（1）針對丘陵山區煙田特點，設計了一種重心平衡履帶式山地煙田深耕機，設計了關鍵結構，對旋耕裝置旋耕過程進行了運動學分析，確定了整機行走速度和旋耕刀轉速，提出了一種壟上作業重心平衡機構，運用離散元的方法對深耕機壟上作業進行了分析。

（2）對履帶式深耕機進行三維建模、樣機研制及裝置調試，并在煙田內進行耕地試驗。試驗結果表明，深耕機作業性能較好，耕后土地較平整，整機平均耕深合格率95.4%、平均碎土率91.9%，滿足煙草種植的整地要求，可為后續山地煙田深耕機研發提供參考。

參考文獻

謝守勇，張小亮，劉軍，等．烤房裝煙機雙旋轉式煙葉裝卸裝置設計與試驗[J]．農業機械學報，2021，52（S1）：26-35．

XIE Shouyong， ZHANG Xiaoliang， LIU Jun， et al． Design and testof double-rotating tobacco leaf loading and unloading device of tobaccoloading machine in curing barn[J]．Transactions of the Chinese Societyfor Agricultural Machinery，2021，52（S1）：26-35．

李緒，吳雪梅，高貴，等．深施肥機旋耕部件關鍵參數設計與試驗[J]．農機化研究，2018，40（8）：198-202，207．

LI Xu，WU Xuemei，GAO Gui，et al．Design and experiment on criticalparameters of rotary tillage parts of a fertilizer deep applicator[J]． Journal of Agricultural Mechanization Research， 2018， 40（ 8） ：198-202，207．

張小亮，李生春，鐘仁杰，等．密集烤房傾斜旋轉式裝煙機設計與試驗[J]．中國農機化學報，2022，43（11）：90-97．

ZHANG Xiaoliang， LI Shengchun， ZHONG Renjie， et al． Designand experiment of inclined rotary tobacco loading machine in dense bakinghouse[J]． Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022，43（11）：90-97．

2021 煙草種植行業發展現狀及前景分析[EB/OL]．（ 2021-09-25） .https：//www.chinairn.com/scfx/20210925/120940677.shtml．

劉平義，王春燕，李海濤，等．丘陵山區農用仿形行走動態調平底盤設計與試驗[J]．農業機械學報，2018，49（2）：74-81．

LIU Pingyi，WANG Chunyan，LI Haitao，et al．Terrain adaptive anddynamic leveling agricultural chassis for hilly area[J]． Transactions ofthe Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（ 2） ： 74-81．

王震，吳長兵，張富貴，等．山地丘陵煙草機械化研究現狀及建議[J]．農業工程，2021，11（12）：20-25．

WANG Zhen， WU Changbin， ZHANG Fugui， et al． Present situationand suggestions of tobacco mechanization in mountainous and hillyareas[J]．Agricultural Engineering，2021，11（12）：20-25．

童文杰，楊敏，王皓，等．耕作方式對山地煙田烤煙根際土壤真菌群落結構的影響[J]．中國煙草學報，2021，27（1）：56-63．

TONG Wenjie， YANG Min， WANG Hao， et al． Effects of tillagemethods on fungal community structure in rhizosphere soil of flue-curedtobacco in mountainous tobacco fields[J]．Acta Tabacaria Sinica，2021，27（1）：56-63．

JABRO J D， IVERSEN W M， STEVENS W B， et al． Physical andhydraulic properties of a sandy loam soil under zero， shallow and deeptillage practices[J]．Soil and Tillage Research，2016，159：67-72．

GRONLE A， LUX G， B?HM H， et al． Effect of ploughing depthand mechanical soil loading on soil physical properties，weed infestation，yield performance and grain quality in sole and intercrops of pea and oatin organic farming[J]． Soil and Tillage Research， 2015， 148： 59-73．

帥京彤，裴曉東，黎娟，等．開溝起壟措施對植煙土壤和煙葉產值的影響[J]．作物雜志，2019（6）：114-119．

SHUAI Jingtong，PEI Xiaodong，LI Juan，et al．Effects of furrowingand ridging measures on the quality of tobacco-planting soils and output value of flue-cured tobacco[J]．Crops，2019（6）：114‐119．

童文杰，鄧小鵬，徐照麗，等．不同耕作深度對土壤物理性狀及烤煙根系空間分布特征的影響[J]．中國生態農業學報，2016，24（11）：1 464-1 472．

TONG Wenjie，DENG Xiaopeng，XU Zhaoli，et al．Effect of plowingdepth on soil physical characteristics and spatial distribution of rootsystem of flue-cured tobacco[J]． Chinese Journal of Eco-Agriculture，2016，24（11）：1 464-1 472．

李云伍，張國勇，張植，等．低功耗小型立軸式深耕機分段螺旋旋耕刀具的研制[J]．農業工程學報，2019，35（4）：72-80．

LI Yunwu， ZHANG Guoyong， ZHANG Zhi， et al． Development oflow power-consumption multi-helical rotavator for small vertical-shaftdeep-cultivator[J]． Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2019，35（4）：72-80．

楊夫君． 一種組合式ZENWF 強力深松碎土機： CN201320229900.4[P]．2013-11-13．

王耀文，葉進，［14］ 曾百功，等．基于TRIZ理論的煙田小型深耕機研制[J]．西南大學學報（自然科學版），2014，36（4）：198-204．

WANG Yaowen， YE Jin， ZENG Baigong， et al． Design of a smalldeep plowing machine for tobacco fields based on TRIZ Theoty[J]．Journal of Southwest University（Natural Science Edition），2014，36（4）：198-204．

鄭侃，李宇飛，夏俊芳，等．開溝旋耕機漸變螺旋升角軸向勻土刀輥設計與試驗[J]．農業機械學報，2021，52（5）：63-73．

ZHENG Kan，LI Yufei，XIA Junfang，et al．Design and experimentof land leveling blade roller of ditching and rotary tiller with gradual spiralangle[J]． Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2021，52（5）：63-73．

方會敏，姬長英，CHANDIO F A，等．基于離散元法的旋耕過程土壤運動行為分析[J]．農業機械學報，2016，47（3）：22-28．

FANG Huimin， JI Changying， CHANDIO F A， et al． Analysis ofsoil dynamic behavior during rotary tillage based on distinct elementmethod[J]． Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47（3）：22-28．