雙軸旋耕碎土試驗臺設計與分層耕作試驗

管春松，崔志超，高慶生，王樹林，陳永生，楊雅婷

雙軸旋耕碎土試驗臺設計與分層耕作試驗

管春松1,2，崔志超1，高慶生1，王樹林2，陳永生1※，楊雅婷1

（1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014；2. 江蘇大學機械工程學院，鎮江 212013）

針對現有耕作試驗臺難以滿足雙軸耕作部件測試的需求、室內測試重塑土難以反映作業現場真實環境的問題，設計了一種集前軸正轉拋土、后軸反轉碎土功能于一體的雙軸旋耕碎土田間移動式試驗臺，可實現前后刀軸相對位置及轉速比的實時調整。闡述了整機工作原理，分析了前后刀軸相對位置的調節范圍、碎土刀軸位置調節機構結構參數、旋耕刀軸調速裝置的運動參數，計算并選型了碎土刀軸調速系統、功耗測試系統中液壓及電氣元件。為提高分層耕作質量同時降低作業能耗，以前期研究的雙軸起壟機的雙軸旋耕碎土關鍵部件為研究對象，開展了分層旋碎的田間試驗，并采用中心組合試驗設計方法，以兩軸水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉速為影響因素，以雙刀輥作業平均功耗、表層5 cm土層的碎土率為評價指標進行響應曲面分析。利用Design-Expert軟件進行數據分析，建立各因素和平均功耗、碎土率之間的回歸模型，分析各因素對平均功耗、碎土率的顯著性，同時對影響因素進行了綜合優化。試驗結果表明：各因素對平均功耗影響由大到小依次為水平間距、碎土刀軸轉速、垂直間距；各因素對碎土率影響由大到小依次為水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉速；最優工作參數組合為水平間距為570 mm、垂直間距為96 mm、碎土刀軸轉速為340 r/min，對應的平均功耗為17.92 kW、碎土率為91.65%，且各評價指標與其理論優化值的相對誤差均小于5%。試驗表明，所設計的雙軸旋轉耕作部件性能測試試驗臺設計合理，能夠滿足多因素多水平的測試需求，為雙軸旋轉型耕作部件的優化設計提供了新的測試手段。

農業機械；耕作；試驗臺；雙軸；功耗試驗；參數優化

0 引 言

土壤耕作是農業機械化生產中最為基礎和重要的環節，耕整地作業質量的好壞直接關系到后續農作物種植、收獲的質量及產量。隨著農民對于生產效率要求的提高，國內土壤耕作機械逐漸趨于復式聯合作業，以雙軸旋轉耕作部件為載體的雙軸旋耕機[1-2]、雙軸滅茬機[3-5]及雙軸起壟（作畦）機[6-8]等耕作機械正逐步得到推廣應用，不但可減少同一地塊反復多次作業費時費工問題，同時具有減少土壤壓實、降低作業能耗等優勢[9]，需求量在逐年上升。

耕作機械作業性能通常受土壤條件、自身的結構及運動參數等因素綜合影響，為尋求最佳的作業質量，一般需先進行多因素多水平的土壤—機械系統交互試驗研究?？紤]到天氣、土壤環境、降低設計周期及成本、減少設計返工次數等因素，交互試驗手段/工具主要有土槽和田間試驗臺架。其中土槽試驗臺架占多數，根據結構形式不同主要分為直線型[10-11]和旋轉型[12-13]兩大類，國內外一些科研院所已研發出不同功能及規模的土槽試驗臺，此類臺架多為室內固定，可重復性強，但因土壤團粒結構、物性參數等與田間土壤有差異性，土槽試驗結果并不能完全反映田間測試的結果，且可移動性差、運行維護成本高；田間試驗臺架占少數，真實度高、開放性好，但功能專用性較強。國內外學者借助上述兩類平臺，已開展了旋耕、犁耕等性能測試研究，并取得了大量研究成果[14-19]，如Gebregziabher等[14]設計了一種移動式田間原位土槽試驗裝置，可實現犁翻耕作阻力、速度及深度的實時在線測量；高建民等[18]利用室內土壤試驗臺架開展了斜置潛土逆轉旋耕拋土性能試驗等，但目前都僅適用于單軸旋耕或犁耕機械測試，對于雙軸旋轉型耕作機械適用度較差。

雙軸旋轉耕作機械測試平臺研究方面，目前國內外僅有少數學者開展了研究，李永磊等[4]基于中國農業大學土槽試驗臺設計了雙軸旋耕部件試驗裝置，研究了秸稈前旋耕、后粉碎雙刀輥以及兩個刀輥單獨作業的三種工作模式功耗特性。胡建平等[1]在雙軸旋耕滅茬機上安裝無線扭矩測試分析系統，測定了旋耕滅茬雙刀輥工作過程中的作業能耗特性。由此可見，現有雙軸旋轉耕作測試平臺中兩刀軸相對間距及轉速比都無法根據不同耕作功能需求的不同進行實時調整，兩刀輥單獨作業功耗測定較難，且目前針對雙軸旋耕碎土特性測試平臺研究方面未見報道。

因此，本文通過理論分析和試驗驗證方法相結合，設計一臺集前軸正轉拋土、后軸反轉碎土功能于一體的雙軸旋耕碎土試驗臺架，在此基礎上，以實現蔬菜地精細分層壟作的雙軸型起壟機[20]用關鍵耕作部件—雙軸旋耕碎土部件為測試對象，開展雙軸分層旋耕碎土試驗研究，分析各參數對雙軸分層耕作作業性能的影響主次關系，并以提高分層耕作質量和降低作業能耗為雙目標，尋求旋耕碎土部件的最優參數組合，以期為雙軸起壟機的設計與優化提供參考。

1 整機結構及原理

傳統的土槽試驗臺車僅可實現對單個刀軸的運動控制，無法實現雙軸運動的單獨控制；而且雙軸間的空間位置關系無法實現在線無級變換，對雙軸旋轉組合耕作部件性能測試針對性和實用性不強。為此，本試驗臺的設計以結構簡單、移動方便、參數調整快速等要求為目標，對雙軸間空間位置、轉速比等參數進行在線調整，實現對整機及旋耕、碎土刀輥的扭矩、轉速和功率等多項參數的實時監測。

雙軸旋耕碎土試驗臺的整體結構如圖1a所示，由機架、旋耕刀軸調速裝置、旋耕刀輥、碎土刀軸位置調節裝置、碎土刀軸調速系統、碎土刀輥及數據采集系統等組成。整個試驗臺采用牽引式結構形式，可自由更換動力，通過三點懸掛支架掛接于拖拉機后方，隨著拖拉機的行走完成雙軸分層旋耕碎土作業，同時進行田間功耗測試。旋耕刀輥位于機架的前方，為低速正轉刀軸；碎土刀輥位于機架的后方，為高速反轉刀軸，如圖1b所示，兩者上下錯位布置、聯合作業完成土壤的分層耕作。前置旋耕刀軸相對機架位置固定，后置碎土刀軸相對機架位置浮動，即相對前置旋耕刀軸可實現前后、上下相對空間位置的調節，以此達到雙軸相對空間位置關系可變的目的。試驗臺整機技術參數如表1所示。

表1 試驗臺主要參數

整機通過帶扭矩傳感器萬向節與拖拉機PTO輸出軸進行連接，將動力接入至主傳動軸；然后動力一方面經旋耕刀軸調速裝置（含雙檔變速箱和側邊齒輪箱等）驅動前置旋耕刀輥對深層土壤進行初次旋拋作業；另一方面動力通過碎土刀軸調速系統（含增速齒輪箱、液壓泵、手動換向閥等）驅動液壓馬達進行工作，繼而帶動碎土刀輥進行前置拋起土垡的二次旋轉破碎作業。上述傳動方式中帶扭矩傳感器萬向節不但為力矩傳動裝置，而且為轉速轉矩傳感器，在線監測整個試驗臺扭矩及功耗參數；旋耕刀軸調速裝置通過雙檔變速箱可實現兩級調速，碎土刀軸調速系統通過節流液壓閥可實現無級調節；同時液壓馬達與碎土刀軸之間也安裝有轉速轉矩傳感器，可隨時在線監測碎土刀輥的扭矩及功耗參數。

2 關鍵部件設計

2.1 碎土刀軸位置調節裝置

2.1.1 兩刀軸間相對空間位置工作范圍

為實現兩刀軸的前后、上下相對空間位置可調，首先需確定出兩刀軸間相對空間位置工作范圍，如圖2所示，前置旋耕刀輥選用IS225型旋耕刀片，刀片排布方式為雙螺旋線排列，其中軸向相鄰同向刀的螺旋升角為72°；軸向同一截面上安裝二刀的夾角為180°，總數量30片，旋轉方向為逆時針方向；碎土刀輥為中空滾筒外均勻密布碎土刀齒的結構，為提高刀齒的布置密度和受力均勻性，刀齒采用對稱的多行平行排列方式安裝，排布行數為5、相鄰兩刀齒的齒間距為90 mm，碎土刀輥回轉半徑2取為205 mm，旋轉方向為順時針方向。

注：r1為旋耕刀片回轉半徑，mm；r2為碎土刀輥回轉半徑，mm；rc為碎土刀輥刀齒的徑向工作長度，mm；h1為旋耕作業深度，mm；h2為碎土作業深度，mm；ΔL為兩刀軸水平間距，mm；ΔH為兩刀軸垂直間距，mm。

由圖2可知，假設在旋耕刀軸的中心處建立笛卡爾坐標系，碎土刀軸相對旋耕刀軸可左右或上下移動，在水平方向上當碎土刀軸向左運動至無限接近旋耕刀軸，兩者間應留有一定距離的安全間隙，同時當碎土刀軸向右運動時，應在旋耕拋土最遠行程范圍內，即水平方向上需滿足

在垂直方向上，當碎土刀軸向上運動時應在旋耕拋土最高行程范圍內，同時當碎土刀軸向下運動時，其碎土刀齒的徑向工作長度應不低于前置旋耕作業后理論碎土深度值，即垂直方向上需滿足

式中l和h分別為旋耕刀片后拋土最高點的水平距離值和垂直距離值，根據已有旋耕單刀拋土模型的研究結果，此處分別取190 mm和180 mm[21-22]；r為旋耕刀片和碎土刀齒間的安全工作距離，考慮到旋耕作業后土垡塊徑通常為20～40 mm，為避免旋耕刀片與碎土刀齒間壅土，且對土垡塊有一定的破碎作用，此處取30 mm；r為碎土刀齒徑向工作長度，取80 mm；1為旋耕作業深度，取120 mm。通過公式（1）和（2）計算可得出兩軸水平間距Δ范圍為460～620 mm，垂直間距Δ范圍為20～180 mm。

2.1.2 碎土刀軸位置調節機構

基于兩刀軸間相對空間位置工作范圍的計算，設計了碎土刀軸位置調節機構，具體結構如圖3a所示，包含上絲杠、搖桿、下絲杠及活動方板等部件，其中搖桿、下調節手柄、下絲杠及活動方板為一組合機構，共設置兩套，沿著碎土刀軸向中心左右對稱分布；上絲杠外套管與機架鉸接，螺桿的下端部與搖桿上端鉸接；下絲杠上安裝有兩個外套管，左側和右側外套管分別與搖桿、活動方板焊接于一體，其中左側外套管與搖桿的焊接點與搖桿下端鉸接點位于同一豎直線上，該豎直線與下絲杠垂直設置；碎土刀輥兩端分別與活動方板固定連接。

工作時，搖動上調節手柄帶動上絲杠的伸長與收縮動作，從而帶動搖桿的左右擺動，進而帶動焊接于搖桿上的下絲杠及活動方板的上下運動，即實現碎土刀軸上下位置的調節；在此基礎上，搖動下調節手柄可實現活動方板左右位置的調節，結合碎土刀輥兩側中空的結構設計，兩活動方板中的碎土刀軸可實現預設位置的任意調節。

式中l為鉸接點與下絲杠上間的距離，mm。

則扇形中弧長S為

通過解析法和作圖法相結合，對位置調節機構的運動進行分析，確定出各桿件長度1= 135 mm，2= 310 mm，3= 130 mm，6= 200 mm，1= 45°。由公式（3）計算可知l= 308.45 mm，又因公式（4）中S要滿足上述兩刀軸間空間工作位置范圍，即S≥160 mm，求解出2≥29.72°，Δ1≥183.7 mm。因碎土刀軸左右位置調節靠下絲杠調節，Δ2≥160 mm，故而上、下絲杠皆選定為M20×2.5型、有效行程200 mm的滾珠絲杠。

同理可求解得出弧長S為

式中l為鉸接點與下絲杠上間的距離，mm。

在上絲杠行程Δ1=200 mm的情況下，可以反求解出2=32.49°，結合Δ2=200 mm，可計算出弧長S= 263.02 mm，遠大于160 mm，滿足上下行程的設計需要。

2.2 旋耕刀軸調速裝置

旋耕刀軸轉速調節裝置結構如圖4所示，拖拉機動力輸出軸（PTO）通過扭矩傳感器的萬向節將動力傳輸至雙檔變速箱，雙檔變速箱的輸出軸經側傳動齒輪副將動力傳遞至旋耕刀軸上，以驅動其作旋轉運動，具體的動力傳動路線如圖5所示，則總傳動比為

式中0為拖拉機PTO后輸出轉速，一般“大棚王”拖拉機通常PTO轉速為540 r/min；1為旋耕刀軸轉速，通常旋耕轉速范圍為250～300 r/min；1為雙檔變速箱的傳動比；2為側傳動齒輪箱的傳動比，此處取16/23。

通過公式（6）可知，若旋耕刀軸轉速取低速250 r/min，則1為2/3；若旋耕刀軸轉速取高速300 r/min，則1為0.798，取4/5。

1.帶扭矩傳感器萬向節 2.雙檔變速箱 3.旋耕刀輥 4.側邊傳動齒輪副

圖5 旋耕刀軸動力傳遞路線圖

2.3 碎土刀軸調速系統

碎土刀軸調速系統包括增速齒輪箱、液壓泵、節流閥、液壓馬達等，如圖6所示，通過拖拉機PTO動力輸出經增速齒輪箱驅動液壓泵、控制閥組工作，連續供油，液壓油經節流閥控制液壓馬達的輸入流體流量，從而控制液壓馬達的旋轉速度，即碎土刀軸的轉速。

為保證碎土刀軸調速系統的正常工作，首先需對液壓泵、液壓馬達、液壓閥等關鍵零部件進行選型設計。通過查閱機械設計手冊和液壓傳動基礎理論[23-24]，經計算可得液壓泵的流量1為79.5 L/min。根據液壓泵的容積效率曲線分析可知，其轉速3在1 800～2 000 r/min時，容積效率穩定性最佳，故增速齒輪箱傳動比為

由公式（7）計算可得增速箱傳動比3為3.3～3.7，此處取中間值3.5，則液壓泵的實際轉速3=1 890 r/min。

液壓泵排量公式[23]

式中1為液壓泵的容積效率，一般為0.85～0.95[23]，考慮到齒輪泵結構特點以及新結構通常效率較高，此處取0.9，由公式（8）計算可得液壓泵理論排量為46.74 mL/r，考慮到工作環境要求，液壓泵選擇2系列（高壓系列），即選型青州市榮利萊液壓配件有限公司的CBG2050型齒輪液壓泵。

在此基礎上，確定出液壓馬達排量為195 mL/r、扭矩理論值為434.5 N·m，同時結合性能參數選型表，選擇濟寧金佳液壓有限公司HMS-195型液壓馬達。

因碎土刀輥轉動為連續性轉動，所以流入液壓馬達的液壓油需持續供給，根據齒輪液壓泵流量的計算可知，需要控制閥組的流量要求達79.5 L/min，故選用無錫市長力液壓成套設備有限公司的L20E-W型三位四通換向閥作為本設計的控制閥組。為滿足碎土刀軸轉速的可調節性，在液壓系統中設置節流調速閥，以改變液壓馬達液壓油源的供應量，實現碎土刀軸轉速的調節。節流閥的選型流量不得低于系統最大流量，即可選型調節范圍為0～125 L/min的節流閥，選用山西斯普瑞機械制造股份有限公司的FG-03-125型單向調速閥。

3 功耗測試系統

功耗測試系統是實現試驗臺功能的關鍵組成部分，主要用來監測各子系統試驗時的狀態參數，進行數據采集、處理并記錄試驗結果，以便后續研究分析。

3.1 系統構成

測試系統主要由控制柜、轉速轉矩傳感器，帶扭矩傳感器萬向節、PLC通訊模塊、采集軟件主機等組成，如圖7所示。其中轉速轉矩傳感器采用南京冉控科技有限公司生產的BYN600型扭矩傳感器，量程0～500 N·m，精度為滿量程的±1%；帶扭矩傳感器萬向節為扭矩轉速傳感器及動力輸出軸一體化連接方式，其中扭矩轉速傳感器采用北京中航科儀測控技術有限公司生產的CKY-811型扭矩傳感器，量程0～1 000 N·m，精度為滿量程的±0.5%；PLC通訊模塊采用南大傲拓科技江蘇股份有限公司生產的NA2000系列PLC，控制器為CPU2001-2401標準型主站；采集軟件采用FScada V4.18.7組態軟件。轉速轉矩傳感器安裝在液壓馬達與碎土刀軸之間，兩端分別采用尼龍聯軸器連接，實時測試碎土刀軸轉速及扭矩信號；帶扭矩傳感器萬向節安裝在動力輸出軸（PTO）和增速齒輪箱動力輸入軸之間，以測量整個臺架的轉速及扭矩信號。

3.2 測試原理

如圖8所示，測試系統采用工業PLC+上位機的架構，通過上位機的編程軟件NAPro完成ZigBee參數配置，PLC擴展有AIM2001-0802型8通道模擬量輸入模塊，用于接收整個臺架、碎土刀軸的扭矩、轉速的DC 0～20 mA電流信號；然后電流信號經電流—電壓變換、濾波、A/D轉換成數字信號，經過光電隔離后，由模塊的微處理器讀??；其后通過高速內部總線上傳控制器CPU2001-2401主站，進而通過自帶的以太網接口，將測試數據傳遞給上位機。測試時，上位機與控制器主站連接正常后，調整碎土刀軸位置及轉速參數，而后開始旋耕碎土聯合作業，同時扭矩轉速傳感器采集信號，并將信號傳輸至上位機電腦里的FScada組態軟件，進行每秒一次的扭矩、轉速數據的實時記錄、存儲及匯總分析。

3.3 功耗測試系統標定

為準確獲知旋耕碎土作業過程中的總功耗，作業前需對帶扭矩傳感器萬向節中扭矩轉速傳感器的扭矩和轉速數據進行標定。

3.3.1 扭矩標定

因拖拉機PTO通常轉速為540 r/min，屬于低頻載荷工況，故行業通行做法是利用靜態標定替代動態標定[25]。CKY-811型扭矩傳感器由北京中航科儀測控技術有限公司生產，該產品出廠時已進行了0～1 000 N·m范圍內的靜態標定，通過順時針加載測試3次，取平均值，具體標定結果如表2所示，在0～1 000 N·m范圍內，系統測試值與設定扭矩值間的最大誤差為0.38%，即可精準測定PTO軸工作扭矩。

表2 扭矩標定結果

3.3.2 轉速標定

因“大棚王”拖拉機PTO檔位設定有三檔，通常工作轉速為低速擋（540 r/min），故而轉速標定試驗也采用該檔位。標定時將低速檔位固定，通過調節油門來使得PTO變速，一方面通過光學轉速測量儀（德圖testo 460型）測定PTO實際轉速值，另一方面通過扭矩轉速傳感器系統測定。具體的標定結果如表3所示，可以看出兩種測試方法所得轉速值的最大誤差為0.081 3%，表明可精準測量PTO工作轉速。

因此，功耗測試系統測量精度高，測試結果合理，能夠準確測量PTO輸出軸扭矩及轉速信號，從而證明試驗臺性能測試所得結果是科學可行的。

表3 轉速標定結果

4 田間試驗

4.1 試驗條件與方法

2020年11月在南京市江寧區谷里現代農業園對試驗臺進行了田間耕作試驗（圖9），其一為驗證所設計試驗臺作業可靠性，其二是利用該平臺優化獲取雙刀輥最佳相對位置及運動參數組合。試驗器材主要有魯中654型“大棚王”拖拉機、秒表、卷尺、電子秤、土壤篩、土壤水份測量儀、土壤堅實度儀等。試驗場所為單體塑料大棚內，大棚尺寸為長120 m×寬8 m；試驗土壤類型為黏土，土壤平均含水率為13.7%，容重為1 030 kg/m3，堅實度平均值179.6 kPa。

試驗前先進行土壤準備工作，提前3 d把試驗田塊上的殘留尾菜及秸稈清理出大棚，并人工將地面進行整平。作業時試驗臺由“大棚王”拖拉機通過動力輸出軸以540 r/min的轉速驅動，旋耕刀軸轉速設為低速（250 r/min）檔位，機組以3 km/h速度勻速前進，盡量保持直線行駛，前置旋耕刀輥耕作深度設定為150 mm，按試驗設計表順序依次進行各組試驗，每次作業長度為25 m。試驗過程中，上位機按時間順序依次記錄下每組試驗的扭矩值，而后計算出該段時間內的平均扭矩值。

4.2 試驗因素與指標

4.2.1 試驗因素選擇

通過前期單因素試驗觀察和理論分析，影響機組作業功耗及作業質量的主要因素有兩軸水平間距Δ、垂直間距Δ、碎土刀軸轉速2，其中兩軸水平間距Δ和垂直間距Δ會對旋耕拋土的土粒流拋撒位置及碰撞點產生影響，碎土刀軸轉速2會對土粒流碰撞速度產生影響。

4.2.2 試驗指標

動力輸出軸功率一般為拖拉機功率的0.9，分層耕作質量用雙刀輥作業平均功耗（以下簡稱平均功耗）和表層5 cm土層的碎土率（以下簡稱碎土率）兩個指標來衡量。平均功耗1計算方法如下[26]

根據DB32/T 3350—2018《蔬菜機械化耕整地作業技術規范》要求[27]，作業后測定0.5 m×0.5 m面積內的土表層以下50 mm耕層內土塊，以小于等于20 mm的土塊質量占總質量的百分比定義為表層5 cm土層的碎土率，每一組試驗測定3點，計算3點的總平均值。

4.2.3 試驗設計

應用Design-Expert軟件，采用響應曲面法中中心組合試驗設計進行三因素五水平回歸正交旋轉組合試驗[28-30]，試驗因素編碼水平如表4所示，其中零水平試驗設定為5次，共進行19組試驗。

表4 試驗因素水平

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗結果

試驗方案與試驗結果如表 5 所示。

表5 試驗方案及結果

4.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗

根據表5中的數據樣本，利用Design-Expert.V8.0.6.1軟件分析，平均功耗和碎土率的方差分析如表6所示。結果表明，各因素對平均功耗的影響由大到小依次為：水平間距、碎土刀軸轉速、垂直間距；對碎土率的影響由大到小依次為：水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉速。

表6 回歸模型方差分析

注：*表示影響顯著，<0.05；**表示影響極顯著，<0.01。

Note: * indicates significant impact,<0.05; ** indicates highly significant impact,<0.01.

為尋求最優工作參數，開展多元回歸擬合分析，建立平均功耗1、碎土率2對水平間距1、垂直間距2、碎土刀軸轉速33個自變量的二次多項式響應面回歸模型，如式（10）～式（11）所示。

由表6分析可知，平均功耗1、碎土率2模型的<0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項分別為0.276 9、0.415 5，均大于0.05，表明回歸方程擬合度高；模型決定系數2值分別為0.900 9、0.968 6，表明該模型可以擬合90%以上的試驗結果，可以用來進行試驗預測。

各參數對回歸方程的影響作用可以通過值大小反應，平均功耗1模型中1、3、123個回歸項影響都極顯著（<0.01），2、122個回歸項影響顯著（<0.05），13、23、22、324個回歸項影響不顯著（>0.05）；同理可知，碎土率2模型中1、2、12、224個回歸項影響極顯著，3、322個回歸項影響顯著，12、13、233個回歸項影響不顯著。

故而對模型1、2進行優化，剔除不顯著的回歸項，優化得到式（12）和式（13）所示的回歸方程，通過對優化后模型分析可知，模型1、2的值皆小于0.000 1，失擬項值分別為0.354 5和0.521 6，表明優化模型可靠。

4.3.3 交互因素影響效應分析

1）各因素對平均功耗影響分析

由圖10a可知，在碎土刀軸轉速確定的情況下，垂直間距保持一定時，平均功耗隨著水平間距的增加總體呈先降后升的趨勢，出現升高的原因在于前置旋耕拋土撞擊蓋板回落至碎土刀輥上二次切削引起功耗的增加；水平間距在460～540 mm區間內隨著垂直間距增加，功耗呈現下降趨勢；當水平間距大于540 mm時，隨著垂直間距增加，功耗呈現上升趨勢，這是由于當兩軸水平間距小于中心水平（540 mm）時，垂直間距增加，被切削的前置旋拋土粒流減少導致；在水平間距為620 mm、垂直間距為20 mm時出現最小功耗，其原因在于兩者垂直間距較小，大部分前置旋耕土粒流在碎土刀輥上方拋出，相應被碎土刀輥切削的土塊就變少引起的。

由圖10b可知，在垂直間距確定的情況下，碎土刀軸轉速一定時，平均功耗隨著水平間距的增加呈下降趨勢；水平間距一定時，平均功耗隨著碎土刀軸轉速增加呈增加趨勢，原因在于碎土刀軸轉速的增加引起土垡切削碰撞頻次的增加，導致功耗增大。由圖10c可知，在水平間距確定的情況下，隨著垂直間距、碎土刀軸轉速的增加，平均功耗總體呈上升趨勢，這是由于前置旋拋土粒流運動多數為上拋運動分布，故而垂直間距的增加有利于碎土刀輥與土粒流碰撞，從而出現功耗增大的現象。

2）各因素對碎土率影響分析

由圖11a可知，在碎土刀軸轉速確定的情況下，隨著水平間距和垂直間距的增加，碎土率呈先增加后減少的趨勢，當水平間距在540 mm、垂直間距在100 mm時，碎土率達最佳，這是由于過小的相對間距會導致前拋土粒流旋拋運動難以形成，造成壅土，土量增多引起碎土刀輥二次破碎不徹底導致；過大的相對間距會導致前拋土粒流與后置碎土刀輥刀齒接觸碰撞數量減少，從而導致碎土率降低。

由圖11b可知，在垂直間距確定的情況下，碎土刀軸轉速一定時，隨著水平間距的增加碎土率呈先升后降的趨勢，水平間距過小易形成雍土，間距過大因旋拋土粒流射程有限，易導致土粒流與刀齒碰撞數降低，從而碎土效果下降；水平間距一定時，隨著碎土刀軸轉速的增加，碎土率呈現緩慢增加的趨勢。

由圖11c可知，在水平間距確定的情況下，碎土刀軸轉速一定時，隨著垂直間距的增加，碎土率呈先升后降趨勢，這是由于垂直間距過小，碎土刀輥位于旋拋土粒流的下方，接觸碰撞少，垂直間距過大，已基本達到或超過旋拋土粒的拋物最高點，土粒流數量明顯減少，也會導致碎土率下降；垂直間距一定時，隨著碎土刀軸轉速的增加，因單位時間內碎土頻次的增加，使得碎土率呈現緩慢增大的變化趨勢。

4.3.4 參數優化

為了使分層耕作性能達到最佳，以降低平均功耗和提升碎土率為優化目標，對試驗中的影響因素進行優化。其目標函數與約束條件為

Min1且85≤2≤100

利用Design-Expert軟件優化模塊[27]對參數進行最優化求解，優化后得到影響分層耕作性能各因素的最佳參數組合為：水平間距為571.3 mm、垂直間距為96.06 mm、碎土刀軸轉速為336.23 r/min，對應平均功耗為17.34 kW，碎土率為90.83%。

4.3.5 驗證試驗

為驗證優化后參數模型的準確性，采用優化后的參數進行試驗驗證，考慮試驗的可行性，設置水平間距為570 mm、垂直間距為96 mm、碎土刀軸轉速為340 r/min，進行3次重復試驗，對所得數值求平均值。

由試驗結果可知，平均功耗為17.92 kW，碎土率為91.65%，驗證試驗結果與理論優化值較接近，兩者相對誤差均小于5%，優化結果可以作為雙軸旋耕部件設計的最佳參數。

5 結 論

1）設計了一種集前軸正轉拋土、后軸反轉碎土功能于一體的雙軸旋耕碎土田間移動式試驗臺，在線實現雙軸的相對空間位置及前后刀軸轉速比的實時調整。確定了碎土刀軸位置調節裝置和旋耕刀軸調速裝置的結構參數，設計了液控碎土刀軸調速系統，實現整個臺架的轉速及扭矩信號采集、存儲及數據實時分析等多項功能，解決了現有雙軸耕作田間原位試驗裝置缺失的難題。

2）以兩軸水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉速為試驗因素，以雙刀輥作業平均功耗、表層5 cm土層的碎土率為評價指標進行試驗，使用Design-Expert 軟件對試驗結果進行響應曲面分析，結果顯示，各因素對平均功耗影響由大到小依次為水平間距、碎土刀軸轉速、垂直間距；各因素對碎土率影響由大到小依次為水平間距、垂直間距、碎土刀軸轉速。

3）雙軸旋耕碎土部件最優工作參數組合為水平間距為570 mm、垂直間距為96 mm、碎土刀軸轉速為340 r/min，對應的平均功耗為17.92 kW、碎土率為91.65%，為后續雙軸起壟機設計提供理論依據。

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Design of biaxial rotary tillage soil test bench and layered tillage test

Guan Chunsong1,2, Cui Zhichao1, Gao Qingsheng1, Wang Shulin2, Chen Yongsheng1※, Yang Yating1

(1.,,210014,; 2.,,212013,)

A biaxial rotary tillage machine is widely used in intelligent agriculture with ever-increasing demands in recent years in China, such as biaxial rotary tiller, biaxial stubble cutter, and biaxial ridging machine, because of its high operation efficiency, less soil compaction, and low energy consumption. A test bench is mostly utilized to simulate the field condition for the rotary tillage machinery, in order to reduce the rework times for higher design efficiency. Much effort has been made to explore the technology and theory of rotary tillage machines, especially commonly-used linear- and rotary-type indoor test benches. But there are still some limitations in these kinds of test bench at present, such as low universality, only suitable for a single axis rotary tillage test. Meanwhile, most test benches are fixed indoor installation covering a large area with low mobility and reliability. As such, the indoor test using remolded soil is difficult to reflect the real environment of operation sites. Therefore, it is highly demanding for a new test device to improve the performance of biaxial rotary tillage machines, according to the fundamental theory of single axis rotary tillage. In this study, a field mobile test bench was proposed to perform the throwing soil with the forward rotary blade roller, with the crushing soil with the backward crushing roller. These operations aimed to meet the high agronomic requirements of vegetable layered tillage, where the topsoil was fine soil, while the subsoil contained some large soil particles. A prototype of a biaxial ridge machine was then designed, together with the key components, to realize the real-time adjustment of relative space distance of two shafts, as well as the rotation speed ratio of front-rear roller shafts. A theoretical analysis was made on the working range of relative spatial position between two roller shafts, the structural parameters for the position adjustment device in the crushing roller shaft, and the motion parameters for the rotary speed adjustment device in the rotary blade shaft. A selection was completed on the hydraulic pump, motor, and valve, as well as on the torque sensor, PLC communication module, and data acquisition software. A detailed description was given on the working principle, test and data acquisition process of the whole machine. A central composite experimental design was adopted to improve the working quality of layered tillage, while reducing the energy consumption. A three-factor and five-level response surface experiment was conducted, where three influencing factors were taken as the horizontal and vertical distance between two shafts, as well as the shaft rotation speed of soil crushing roller, whereas, two indicators were set as the average power consumption, and the breakage ratio of soil at the top soil layer of 5 cm. Design-Expert software was then selected to analyze the test data. A regression model was established to clarify the significant correlation between each factor and indicator, aiming to comprehensively optimize the influencing factors. The results showed that three determinants were ranked in the order of horizontal distance between two shafts, vertical distance between two shafts, rotating speed of crushing roller shaft, in terms of impact on average power consumption, whereas, the determinants were ranked in the order of horizontal distance between two shafts, rotating speed of crushing roller shaft, vertical distance between two shafts, in terms of impact on the ratio of soil breakage. An optimal combination of work parameters was achieved as bellow: the average power consumption was 17.92 kW, and the ratio of soil breakage was 91.65%, particularly when the horizontal and vertical distances between two shafts were 570, and 96 mm, respectively, and the rotating speed of crushing roller shaft was 340 r/min. Specifically, the relative error between property indices was less than 5%, compared with the theoretical optimization and the valid test, indicating that the established model was expected to serve as the subsequent prediction and optimization. Meanwhile, the test data demonstrated that the developed test bench of biaxial rotary tillage was reasonable, while meeting the needs of multi factor and multi-level tests. The finding can provide a new potential test for the optimization design of similar components in the biaxial rotary tillage.

agricultural machinery; tillage; test bench; biaxial; power consumption test; parameters optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004

S222

A

1002-6819(2021)-10-0028-10

管春松，崔志超，高慶生，等. 雙軸旋耕碎土試驗臺設計與分層耕作試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(10)：28-37.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004 http://www.tcsae.org

Guan Chunsong, Cui Zhichao, Gao Qingsheng, et al. Design of biaxial rotary tillage soil test bench and layered tillage test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 28-37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.004 http://www.tcsae.org

2021-02-01

2021-04-23

國家重點研發計劃（2020YFD1000300）；江蘇省現代農業裝備與技術協同創新中心項目（4091600020）；江蘇現代農業（蔬菜）產業技術體系項目（JATS（2020）457）

管春松，助理研究員，博士，研究方向為蔬菜生產機械。Email：cs.guan@163.com

陳永生，研究員，研究方向為設施農業與農業廢棄物處理裝備。Email：cys003@sina.com