密植果園開溝施肥機開溝刀片設計與試驗

康建明 李樹君 楊學軍 劉立晶 王長偉 劉曉秋

(1.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083； 2.新疆農墾科學院機械裝備研究所， 石河子 832000；3.中國機械工業集團有限公司， 北京 100080； 4.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083)

密植果園開溝施肥機開溝刀片設計與試驗

康建明1,2李樹君3楊學軍1,4劉立晶1,4王長偉4劉曉秋4

(1.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083； 2.新疆農墾科學院機械裝備研究所， 石河子 832000；3.中國機械工業集團有限公司， 北京 100080； 4.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083)

針對現有開溝刀片在密植果園開溝施肥過程中存在功率消耗大、溝深穩定性差的問題，運用旋耕理論和試驗分析的方法，設計了一種正弦指數曲線型開溝刀片。通過分析拖拉機前進速度、刀盤轉速以及二者相互作用對功率消耗和溝深穩定性的影響，確定了正弦指數曲線型開溝刀片工作參數的最佳組合為：拖拉機前進速度1 m/s，刀盤轉速為200 r/min。以正弦指數曲線型開溝刀片B處彎曲角、彎曲半徑、C處彎曲角為影響因子，以功率消耗和溝深穩定性為響應值，通過三因素四水平正交試驗，確定了正弦指數曲線型開溝刀片結構參數的最佳組合為：B處彎曲角為95°，C處彎曲角為140°，彎曲半徑為9 mm。對正弦指數曲線型開溝刀片和現有開溝刀片進行對比試驗，結果表明：在工作參數和開溝深度相同的條件下，正弦指數曲線型開溝刀片比現有開溝刀片功率消耗下降3.29 kW，溝深穩定性提高8.83個百分點，各項技術指標均達到了國家相關標準的技術要求。

密植果園； 圓盤式開溝機; 開溝刀片; 正弦指數曲線

引言

圓盤式開溝機是在鏈式開溝機之后興起的一種連續挖土機械，具有工作效率高、操作方便等優點，已廣泛應用于農田水利建設和密植果園開溝施肥等領域[1-2]。開溝刀片是圓盤式開溝機最主要的工作部件，其性能的優劣直接影響整機的可靠性和作業效果[3-4]。目前，開溝刀片主要有3種類型[5-9]：鑿形刀，前端刃口較窄，呈平頭或尖頭形，主要起挖掘土壤作用，有較好的入土性能，開溝深度一般小于20 cm，功耗較小，但作業時容易纏草，主要用于沙土、多石礫地；彎刀，由正切部和側切部組成，刃口為曲線，有較好的滑切性能，作業時，刀刃按與刀軸中心的距離先近后遠依次入土，有利于將雜草、莖稈沿刃口甩出，常用于地面有秸稈和綠肥的黏重土壤稻田；直角刀，由正切部和側切部兩部分組成，兩部分夾角大于(等于)90°，有較為銳利的刃口，刀身較寬，剛度好，有較好的砍切能力。

彎刀和直角刀是最常用的開溝刀片，但現有刀片結構僅適應于開挖小于25 cm深的溝渠，在開深溝時(大于25 cm)存在功率消耗大、開溝深度不穩定等問題，不能滿足現代農業節能減阻及果園施肥農藝的要求。本文在現有彎刀結構的基礎上，運用旋耕理論和試驗分析的方法，通過對刀片厚度、折彎角度、彎曲半徑、自磨刃進行設計和試驗，尋求最佳的結構和工作參數，旨在設計一種正弦指數曲線型開溝刀片，降低開溝作業的功率消耗，提高開溝質量。

1 正弦指數曲線型開溝刀片工作原理與結構特點

正弦指數曲線型開溝刀片由側切面(刃)、正切面(刃)、過渡面(刃)和拋土板組成，結構如圖1所示。其中側切刃采用正弦指數型曲線，實現切土、推土的功能。正切刃為圓弧曲線，實現切土、升土功能。過渡刃為連接側切刃和正切刃的空間曲線，以改善刀片綜合作業質量，開溝刀片在刀盤上的安裝位置如圖2所示。工作時，側切刃首先與土壤發生接觸，切開土壤或根草，側切刃曲線的優劣直接影響開溝功率消耗和開溝質量。

圖1 正弦指數曲線型開溝刀片結構簡圖Fig.1 Structural sketch of sine-exponential curve furrowing blade

圖2 開溝刀盤和開溝刀裝配示意圖Fig.2 Assembly diagram of ditching disc and blade1.開溝刀片 2.開溝刀盤

由于材料和加工工藝的限制，刀片上最先觸土的刃角容易磨損成圓弧，影響刀片對土壤的切削性能，正弦指數曲線型開溝刀片B、C兩處的折彎增強了整體結構的穩定性，保證了刃線與土壤接觸的夾角，使刀片的整段刃線始終參與工作，避免了圓弧的出現，同時刀片的刃口設計成自磨刃，以保持刀片良好的切土性能。通過對鑿形刀的分析可知[10]，增大刀片的轉動慣量有利于提高刀片土壤切削能力，正弦指數曲線型開溝刀片在側切面和正切面間增設了拋土板，不僅可使切削后的土粒更易向溝外拋灑，同時可使刀片的質心外移，增加刀片旋轉時的轉動慣量，提高刀片對土壤的切削能力和旋轉時的穩定性。

2 主要參數設計

2.1 側切刃

側切刃在工作時首先與土壤發生接觸，產生切削行為，側切刃采用正弦指數曲線，此部分的滑切角隨著回轉半徑的增大而逐漸增加，可減少摩擦阻力，降低開溝功耗[11]。側切刃滑切角變化如圖3所示。

圖3 側切刃滑切角示意圖Fig.3 Diagram of sliding cut angle on side cutting blade1.刀柄 2.側切刃 3.正切刃

正弦指數曲線方程

(1)

式中K——切土角增量與極角的比例系數θ——極角，(°)r——極徑，mmτ0——側切刃初始滑切角，(°)r0——初始極徑，mm

選擇不同的τ0和K值可以得到不同的正弦指數曲線，依據文獻[8-9]，當τ0取65°～70°，K取-0.3～-0.1時，側切刃在潮濕黏土中不纏草，但前期預試驗發現，在保證開溝質量的條件下，τ0和K取較大值比取較小值時功率消耗大，故確定τ0=65°，K=-0.1。根據GB/T 5669—2008《旋耕機械 刀和刀座》的設計要求，確定r0=550 mm。初始極徑等于刀根點極徑，取刀根點極徑等于刀盤旋轉中心距離地表的高度，本設計中刀盤旋轉中心距離地表的高度為650 mm，根據農藝要求：刀具回轉半徑550 mm，切土節距80 mm，將設計參數代入式(1)，經計算，取r1=450 mm，r2=350 mm。

2.2 刀片厚度

由于正弦指數曲線型開溝刀片應用于較深的開溝作業中，故要求刀片應具有較高的強度以防止刀片在工作過程中產生變形。參考現有開溝刀片厚度，本次設計確定正弦指數曲線型刀片厚度為6、8、10 mm。不同的刀片厚度會影響刀片的質量、質心位置(質心與安裝軸心的距離)和變形量，應用SolidWorks軟件有限元模塊對刀片進行仿真分析[12]，仿真結果如表1所示。

表1 不同厚度刀片主要參數Tab.1 Major parameters of blades with different thicknesses

由表1可知，刀片厚度對刀片質心的影響較小，隨著刀片厚度的增加，刀片質量增大、變形量減小。為了增大刀片的轉動慣量，同時防止刀片變形、保證較高的安全系數，確定刀片厚度為10 mm。此時，刀片的最大變形量為0.12 mm。

2.3 刀片B處彎曲角

側切刃曲線上各點滑切角逐漸增大，對土垡有一定的加速作用。為提高刀片的切土性能，同時減小開溝阻力，降低作業功耗，B處的彎曲角應取較小值(圖1)，但彎曲角過小，作業時刀尖首先接觸土壤，刀片受力急劇增加，使用壽命降低，故刀片B處彎曲角δ設計范圍為90°～105°，通過試驗確定其最優取值。

2.4 刀片C處彎曲角

為克服現有彎刀易出現磨損圓角和刃線過短的缺點，正弦指數曲線型開溝刀片增加了C處彎曲角，通過改變其大小控制側切刃線與地面的夾角，達到降低磨損、增加刃線長度的目的。通過分析鑿形刀、彎刀和直角刀側切刃線與地面的夾角可知，若C處彎折角增大，則開溝阻力增大，碎土作用減??；若C處彎曲角過小，則刀易纏繞根系，降低作業質量。本次設計取刀片C處彎曲角γ為120°～180°。

2.5 刀片正切面夾角

刀片正切面刃角i越小，開溝刀片越鋒利，功率消耗越小[13-14]；但若i過小，則刀片使用壽命降低。根據農業機械設計手冊及開溝作業要求，確定i=12°。

2.6 刀片彎曲半徑

刀片彎曲半徑過小，工作時彎折圓弧處比較容易粘土，會降低開溝刀片在彎曲處的強度，縮短使用壽命；彎曲半徑過大，會使作業后溝底的不平度增大，功率消耗隨之增大。本次設計取刀片彎曲半徑r為5～17 mm。

2.7 刀片自磨刃

參考自磨刃犁鏵的工作原理和設計參數，設計刀片的自磨刃。刀片材料選用60Si2Mn鋼板，刀片的刃口角度取30°，并進行0.5 mm的中頻淬火，使刀片具有自磨刃的效果。刀片熱處理后表面硬度為48～56 HRC，可保證刀片具有足夠的耐磨性；芯部熱處理后硬度為33～40 HRC，可獲得足夠的剛度，開溝時不易變形。

3 試驗

3.1 試驗設備與條件

試驗在北京市延慶區農機推廣站試驗田進行，試驗設備包括東方紅554型拖拉機、1KF-50型密植果園開溝施肥機、AKC-205B型扭矩傳感器和DT2236B型轉速測試儀、數據采集卡、數據處理終端等。

根據JB/T 11908—2014 《農用圓盤開溝機》的要求，試驗地長度200 m，寬度50 m，土壤深度5 cm處含水率為8.7%，堅實度為1.73 MPa，土壤深度25 cm處含水率為9.4%，堅實度為2.06 MPa，土壤深度45 cm處含水率為9.8%，堅實度為2.85 MPa。

3.2 刀片工作參數試驗

試驗以功率消耗P和溝深穩定性S為試驗指標，考察拖拉機前進速度v和刀片轉速n以及二者交互作用對試驗指標的影響。試驗因素水平見表2，由于拖拉機前進速度和輸出軸轉速隨擋位和油門開度大小發生變化，田間試驗時前進速度和刀盤轉速的取值以接近于表2中數值為準。每組試驗均選用5種不同的正弦指數曲線型開溝刀片(試驗前期已設計出15種不同結構參數的正弦指數曲線型開溝刀片[15])，試驗結果取平均值。試驗方案及結果見表3。

表2 試驗因素水平Tab.2 Experiment factors and levels

表3 試驗方案與結果Tab.3 Experiment scheme and results

由表3可知，功率消耗隨拖拉機前進速度和刀盤轉速的升高而增大，這是因為拖拉機前進速度和刀盤轉速越大，單位時間內土壤切削量和拋送量越大，功率消耗會相應的升高。溝深穩定性隨拖拉機前進速度的升高先增大后減小，這是因為前進速度和刀盤轉速較低時，土壤不容易被拋出溝外，存留于溝底，當前進速度和刀盤轉速較高時，由于被刀片切削分離的土壤量大于被拋出溝外的土壤，未拋出溝外的土壤仍會殘留于溝底，溝深穩定性降低。

應用Origin軟件分析拖拉機前進速度v與刀盤轉速n二者的交互作用對功率消耗P和溝深穩定性S的影響規律，擬合響應曲面，結果如圖4所示。

圖4 交互作用影響曲面Fig.4 Surface figures of factors interaction effect

由圖4可知，隨著拖拉機前進速度和刀盤轉速的升高，功率消耗呈上升趨勢，溝深穩定性呈先升高后降低的趨勢。為了滿足標準規定的圓盤式開溝機溝深穩定性大于85%的要求，同時兼顧整機的工作效率，確定拖拉機前進速度為1 m/s，刀盤轉速為200 r/min。

3.3 刀片結構參數試驗

為了考察正弦指數曲線型開溝刀片B處彎曲角δ、彎曲半徑r和C處彎曲角γ對功率消耗P和溝深穩定性S的影響規律，進行了三因素四水平正交試驗，每次試驗重復3次取平均值，試驗時選取拖拉機前進速度為1 m/s，刀盤轉速為200 r/min。試驗因素水平見表4，試驗方案與結果見表5(X、Y、Z為因素編碼值)，極差分析見表6，方差分析見表7。

表4 刀片結構參數試驗因素水平Tab.4 Test factors and levels of blade structure parameters

表5 刀片結構參數試驗方案與結果Tab.5 Test scheme and results of blade structure parameters

表6 試驗結果極差分析Tab.6 Range analysis of test result

由表6、7可知，影響功率消耗的主次因素為B處彎曲角、C處彎曲角和彎曲半徑，且B處彎曲角和C處彎曲角均為顯著因素，最佳參數組合為X3Y2Z1，即B處彎曲角為100°、C處彎曲角為120°，彎曲半徑為9 mm。B、C兩處的彎曲角變化對功率消耗的影響較大，這主要是因為彎曲角度的變化直接影響側切刃和正切刃與土壤接觸的先后順序，若正切刃首先與土壤發生切削行為，因正切刃的刃口較短，土壤切削能力小于側切面，故開溝時功率消耗也較大。

影響溝深穩定性的主次因素為C處彎曲角、B處彎曲角和彎曲半徑，且B處彎曲角和C處彎曲角均為顯著因素，最佳參數組合為X3Y2Z3，即C處彎曲角為160°，B處彎曲角為100°，彎曲半徑為9 mm。B、C兩處的彎曲角變化對溝深穩定性的影響較大，這主要是因為折彎角的變化直接影響開溝刀片與土壤的接觸面積。過渡面和正切面與土壤的接觸面積均小于側切面與土壤的接觸面積，在刀盤轉速和前進速度一定時，開溝刀片與土壤接觸面積越小，土壤越不易拋出溝外，導致溝底覆土不均勻，影響溝深穩定性。

為兼顧二者得失，采用綜合加權評分法[16-19]，以選出使各項指標都盡可能達到最優的組合，考慮到3因素對衡量指標的重要程度，以100分作為總權值，功率消耗為50分，溝深穩定性為50分，每組試驗綜合評分指標為

式中yi——第i試驗所得計算值Wj——第j個指標權值yij——第i試驗中第j個指標Rj——第j個指標在試驗中造成的極差λj——第j個指標的計算系數

經計算，綜合評分得出在功率消耗最小且溝深穩定性最優的條件下，各因素的最優水平及主次順序為X2Y2Z2，即B處彎曲角為95°，C處彎曲角為140°，彎曲半徑為9 mm。

表7 方差分析Tab.7 Analysis of variance

注：**表示差異極顯著(p<0.01)。

3.4 整機作業效果試驗

通過正弦指數曲線型開溝刀片工作參數和結構參數的試驗分析，確定了最優的刀片工作參數和結構參數組合，即拖拉機前進速度為1.0 m/s，刀盤轉速為200 r/min，刀片B處彎曲角為95°，C處彎曲角為140°，彎曲半徑為9 mm(圖5a)。將以上參數的正弦指數曲線型開溝刀片與普通開溝刀片(GB/T 5669—2008，彎刀IT245，彎折角60°，彎曲半徑30 mm，正切刃滑切角43°)安裝在同一開溝機上依次進行對比試驗(圖5b)。

圖5 正弦指數曲線型刀片實物與整機作業效果Fig.5 Photos of blades and machine operation effect

試驗時，設定試驗測區長40 m，兩端各截取10 m準備區，中間20 m為數據采集區[20-21]，每隔2 m選取1個測試點，通過AKC-205B型扭矩傳感器和DT2236B型轉速測試儀記錄該點的扭矩值和轉速值，通過刻度尺測量該點的開溝深度，測量結果如表8所示。

表8 田間測試結果對比Tab.8 Comparison of field test results

由表8可知，在測試區域內，安裝正弦指數曲線型開溝刀片的開溝機功率消耗平均值為35.77 kW，溝深穩定性為90.16%；安裝普通開溝刀片的開溝機功率消耗平均值為39.06 kW，溝深穩定性為81.33%，正弦指數曲線型開溝刀片功率消耗比普通開溝刀片降低3.29 kW，溝深穩定性提高8.83個百分點，各項性能指標均超過國家相關標準的技術要求。

4 結論

(1)設計了一種與密植果園開溝施肥配套使用的正弦指數曲線型開溝刀片，其結構有利于降低開溝功率消耗，提高溝深穩定性。

(2)正弦指數曲線型開溝刀片工作參數試驗結果表明，拖拉機前進速度和刀盤轉速對功率消耗和溝深穩定性均有顯著影響，當前進速度為1 m/s、刀盤轉速為200 r/min時，功率消耗和溝深穩定性有最優值。正弦指數曲線型開溝刀片結構參數試驗結果表明，刀片B處彎曲角和C處彎曲角對功率消耗和溝深穩定性均有顯著影響，對功率消耗影響的主次因素排序及其較優水平為B處彎曲角100°、C處彎曲角120°、彎曲半徑9 mm，對溝深穩定性影響的主次因素排序及其較優水平為C處彎曲角160°、B處彎曲角100°、彎曲半徑9 mm。通過加權綜合評分法得出，在功率消耗最小且溝深穩定性最優的條件下，各因素的主次順序及最優水平為B處彎曲角95°、C處彎曲角140°、彎曲半徑9 mm。

(3)對安裝有正弦指數曲線型開溝刀片的密植果園開溝施肥機進行田間作業效果試驗，結果表明，正弦指數曲線型開溝刀片的功率消耗平均值為35.77 kW，溝深穩定性為90.16%；普通開溝刀片的功率消耗平均值為39.06 kW，溝深穩定性為81.33%，正弦指數曲線型開溝刀片功率消耗比普通開溝刀片降低3.29 kW，溝深穩定性提高8.83個百分點，各項性能指標均超過國家相關標準的技術要求。

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19 田素博，楊繼峰，王瑞麗，等．蔬菜嫁接機嫁接夾振動排序裝置工作參數優化試驗[J/OL].農業工程學報，2014，30(6)：9-16.http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140602&journal_id=nygcxb=1.DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.06.002. TIAN Subo，YANG Jifeng，WANG Ruili，et al．Optimization experiment of operating parameters on vibration sorting clip device for vegetable grafting machine[J/OL]．Transactions of the CSAE， 2014，30(6)：9-16．(in Chinese)

20 張青松，廖慶喜，汲文峰，等．油菜直播機開溝犁體曲面優化與試驗[J/OL]．農業機械學報，2015，46(1)：53-59. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150108&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.008. ZHANG Qingsong，LIAO Qingxi，JI Wenfeng, et al．Surface optimization and experiment on ditch plow of direct rapeseed seeder[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(1)：53-59. (in Chinese)

21 張秀梅，張居敏，夏俊芳，等．水旱兩用秸稈還田耕整機關鍵部件設計與試驗[J]．農業工程學報，2015，31(11)：10-16. ZHANG Xiumei，ZHANG Jumin，XIA Junfang，et al．Design and experiment on critical component of cultivator for straw returning in paddy field and dry land[J]．Transactions of the CASE，2015，31(11)：10-16. (in Chinese)

Design and Experiment of Ditching Blade Installed in Close Planting Orchard Ditching Machinery

KANG Jianming1,2LI Shujun3YANG Xuejun1,4LIU Lijing1,4WANG Changwei4LIU Xiaoqiu4

(1.ChineseAcademyofAgriculturalMechanizationSciences,Beijing100083,China2.MechanicalEquipmentResearchInstitute，XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience，Shihezi832000，China3.ChinaMachineIndustryCorporationCo.,Ltd.,Beijing100080,China
4.ModernAgriculturalEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100083,China)

Ditching fertilization is one of the important links of fruit planting, which is done artificially with large labor intensity but low efficiency, failing to satisfy the requirement of high quality fertilization for modern orchard. The disc-type ditcher is a kind of continuous earth-moving machinery followed by the chain ditcher, which is characterized by high efficiency and convenient operation, and widely used in the farmland water construction and orchard ditching fertilization, etc. But the existing ditching blade has the problems of large power consumption and poor stability of ditch depth. A sine-exponential curve ditching blade was designed through analyzing the advantages and disadvantages of existing blade, using the rotary tillage theory and experimental analysis. Through the analysis of tractor forward speed, rotating speed of the cutter, as well as the influence of their interaction on power consumption and ditch depth stability, the optimal working parameters of the sine-exponential curve ditching blade were as following: tractor forward speed was 1 m/s, rotating speed of cutter was 200 r/min. The optimal structure parameters of the sine-exponential curve ditching blade were determined through the three-factor four-level orthogonal test with bending angle and bending radius inBand bending angle inCof the sine-exponential curve ditching blade as impact factors, and power consumption and groove depth stability as response value: bending angle inBwas 95°, bending angle inCwas 140°, and bending radius was 9 mm. Through comparing the sine-exponential curve ditching blade with existing blade, it was showed that under the same working parameters and ditching depth, the power consumption of the sine-exponential curve ditching blade was decreased by 3.29 kW and ditching depth stability was increased by 8.83 percentage points compared with the existing blade. Index of the technical specifications for the sine-exponential curve type ditching blade is higher than the national standard. The research results provided a theoretical basis for the sine-exponential curve type furrowing blade optimization design.

close planting orchard; disk ditching machinery； ditching blade; sine-exponential curve

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.009

2016-06-15

2016-07-26

國家國際科技合作專項(2013DFA71130)和北京市科技計劃項目(D151100003715003)

康建明(1984—)，男，博士生，新疆農墾科學院助理研究員，主要從事農業機械裝備研究，E-mail： kjm531@sina.com

李樹君(1962—)，男，研究員，博士生導師，主要從事農業機械裝備及關鍵技術研究，E-mail： lisj@caams.org.cn

S222.3

A

1000-1298(2017)02-0068-07