何彬濤，蒙賀偉，王忠軍，戚江濤，孫興祚，秦鑫照

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.第八師 121團(tuán)畜牧中心奶牛三場(chǎng)，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，物種多樣，僅在水果種植業(yè)方面，2008 年全國(guó)水果種植面積達(dá)到了1 073.43萬(wàn) hm2。自1993年以來(lái)，中國(guó)果品生產(chǎn)位居世界第一，連續(xù)17年成為世界第一大水果生產(chǎn)國(guó)。據(jù)有關(guān)人員調(diào)查[1]，目前我國(guó)大部分果園處于非管理狀態(tài)，造成了我國(guó)果實(shí)產(chǎn)量低、果品質(zhì)量差等諸多問題。為確保我國(guó)果業(yè)快速健康的發(fā)展，必須加大對(duì)果園建設(shè)和經(jīng)營(yíng)的投入。果園施肥是重要的園藝作業(yè)，目前我國(guó)大多數(shù)都依靠人力施肥，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低下。隨著勞動(dòng)力成本的不斷增加，農(nóng)民對(duì)果園機(jī)械化裝備的需求越來(lái)越迫切，果園施肥機(jī)械化在很大程度上取決于開溝機(jī)的發(fā)展。因此，開溝機(jī)的研究具有重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

開溝機(jī)主要有圓盤式、螺旋式、開溝犁式、鏈齒式等類型，目前使用最廣泛的是盤式開溝機(jī)，主要配套大中型拖拉機(jī)。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)小型盤式開溝機(jī)的研究較多，目前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上及拋土性能方面。拋土性能包括拋撒距離、土壤粉碎系數(shù)、覆蓋土層厚度和土壤覆蓋均勻系數(shù)。國(guó)外開溝機(jī)的發(fā)展已有70年多的歷史，美國(guó)、蘇聯(lián)、英國(guó)、法國(guó)、意大利和日本等國(guó)家發(fā)展很快，并形成了一系列產(chǎn)品[2]，如意大利Malletti和Dondi開溝機(jī)系列，荷蘭Ridder開溝機(jī)系列和日本的“Lida”開溝機(jī)系列[3]，可根據(jù)用戶需求的多樣化，在開溝機(jī)上安裝各種工作裝置，如推土機(jī)、穿孔機(jī)、挖土機(jī)及電纜擴(kuò)孔機(jī)等。在更先進(jìn)的開溝機(jī)中，裝備了靜液壓傳動(dòng)、平板式及自動(dòng)功率控制和其他高科技。目前，全球主要的開溝機(jī)制造商都在美國(guó)，如GASE，Charles Machine Works、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWF Industries及Maxon等公司在業(yè)界有很高的聲譽(yù)。國(guó)外開溝機(jī)正向?qū)I(yè)化、規(guī)?；?、節(jié)能化及智能化等方向發(fā)展[4-5]。早在20世紀(jì)50年代，犁溝已被應(yīng)用于中國(guó)的農(nóng)田水利建設(shè)，然而其他形式的開溝機(jī)的研制晚于傳統(tǒng)犁溝開溝機(jī)和盤溝開溝機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)主要是犁式開溝機(jī)和旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī)兩大類。

2 拋土模型

圓盤開溝裝置主要由刀盤支架、刀盤體、開溝刀、削壁刀、傳動(dòng)軸及分土導(dǎo)流裝置等組成，如圖1所示。

圓盤式開溝機(jī)拋撒阻力增大的主要原因之一是土壤的回流，就是已耕土的重耕；而土壤回流正是由于切削土不能很好地向后方拋擲所造成的，也增加了開溝機(jī)對(duì)溝渠的阻力，同時(shí)影響了覆土的質(zhì)量。目前，對(duì)圓盤式開溝機(jī)拋土的研究較少，由于開溝機(jī)與旋耕機(jī)的機(jī)理相同，因此可以參考旋耕機(jī)進(jìn)行了研究。

1.機(jī)架 2.分土導(dǎo)流裝置 3.開溝刀 4.傳動(dòng)軸 5.削壁刀 6.刀盤體圖1 圓盤開溝裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of a disc ditching device

旋耕機(jī)開始于19世紀(jì)中葉，但直到20世紀(jì)20年代在歐洲成功開發(fā)直角刀之后，旋耕機(jī)才在歐洲旱地廣泛使用。日本約在1920年引進(jìn)了一種在歐洲和美國(guó)的稻田試驗(yàn)改良的旋耕機(jī)，使用中發(fā)現(xiàn)直角刀不適合水田耕作。大量日本學(xué)者(如吉田富穗[6]、松尾昌樹[7]及坂井純[8]等)開始致力于旋耕機(jī)的研究。日本研制的鉈刀很好地解決了刀片上纏草的問題。除了日本，美國(guó)的詹姆斯·G·亨德里克、威廉·吉爾[9-12]和蘇聯(lián)的西諾科夫[13]也研究了旋轉(zhuǎn)刀。中國(guó)在20世紀(jì)50年代進(jìn)行研制，滿足了南方稻田精耕的要求，現(xiàn)已形成T.S系列14個(gè)品種。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)的旋耕刀有了新的發(fā)展，如圓切線與平面切平面的設(shè)計(jì)理論、帶曲線的切線實(shí)驗(yàn)研究，旋轉(zhuǎn)齒CAD系統(tǒng)研制切割式節(jié)能刀開發(fā)，以及旋耕刀三維特性的研究[14]。近年來(lái)，桑正中提出了潛土逆轉(zhuǎn)耕作理論，指出潛在的土壤耕作反轉(zhuǎn)旋耕的工作部分在地表下方，旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)方向相反；土壤從底部向上切割破裂，不僅具有深耕犁的耕作特點(diǎn)，且還具有旋耕土壤的作用，具有良好的留茬覆蓋率，是一種新的耕種方式。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)反轉(zhuǎn)旋耕進(jìn)行研究，所用的旋耕刀仍是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列旋耕機(jī)，主要缺點(diǎn)是切割土壤的前部將土壤拋向刀軸前面，導(dǎo)致大量重耕及旋轉(zhuǎn)功率消耗增加。因此，研究旋轉(zhuǎn)刀具改善土壤拋擲性能的潛力已成為我們面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)[15]。

目前，廣泛使用的旋轉(zhuǎn)方法是正轉(zhuǎn)旋耕，主要優(yōu)點(diǎn)是耕后土壤松散及表面平整，耕作后可在土壤中均勻攪拌基肥，達(dá)到農(nóng)藝學(xué)上分層施肥的要求。正轉(zhuǎn)旋耕法的主要缺陷如下：①耕作深度一般在10～14cm，不利于作物生長(zhǎng)；②功耗多，如果增加耕深，負(fù)載，功耗會(huì)急劇增加；③覆蓋質(zhì)量差。近年來(lái)，潛土逆轉(zhuǎn)旋耕得到了廣泛關(guān)注，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：①耕作深度相對(duì)較大，因切割邊緣可能位于地表以下，耕深增加。②旋耕機(jī)切割力小。國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕工作時(shí)，其切割力比旋耕機(jī)普遍降低1/3，耕作穩(wěn)定性好，減少了旋耕機(jī)的工作在有石塊土壤中破壞。③消耗少。研究發(fā)現(xiàn)：潛土逆轉(zhuǎn)旋耕比正轉(zhuǎn)旋耕功耗少20%～30%[16]。

2.1 正轉(zhuǎn)旋耕拋土模型

正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)是需要旋轉(zhuǎn)刀具正面切割時(shí)阻力小，土壤拋撒充足。日本學(xué)者坂井純[17]認(rèn)為旋轉(zhuǎn)切割土壤時(shí)，隨著剪切面的增大，上部土塊運(yùn)動(dòng)受到底層塊體的約束，只能保持大致水平或略傾斜的拋土。因此，提出了保持良好的土壤條件及理想的土拋拋撒方向：頂部土體質(zhì)量在水平方向上向后，底部土體質(zhì)量向上拋出，如圖2所示。為了分析這種理想的拋撒方向是否可以實(shí)現(xiàn)，陳鈞[18-19]分析了兩種日本旋耕機(jī)(FT803和Y151)在日本使用高速攝影的三維投擲特性：①部分表面土塊落在斜的方向上，與頂部拋出的原始底土發(fā)生碰撞，但原始表土仍在原始底土之上；②刀片再次被相鄰刀片拾起后，土塊側(cè)面的一部分原始表面拋入鄰近空間，仍拋撒到表層；③靠近土壤底部的自由側(cè)不能與原來(lái)的表土塊向上交換位置。因此，這種理想的拋物線方向不太可能實(shí)現(xiàn)。

盡管如此，坂井純[20]提出了圓弧形正截面的概念，使切塊滑動(dòng)，并加速了對(duì)旋轉(zhuǎn)切向拋擲性能的理解。目前，使用的旋轉(zhuǎn)刀都是平切面，耕作了一段時(shí)間，可以觀察到切面上的油漆還沒有剝落，說(shuō)明切面只有尖端部分的加速土塊，正切表面本身不能加速土壤。

圖2 理想拋土方向Fig.2 Ideal direction of throwing earth

綜上，正轉(zhuǎn)旋耕拋土通過(guò)上層土塊沿水平方向向后，下層土塊向后上方拋擲的理想拋土模型難以實(shí)現(xiàn)。刀具為平面型正切面僅是刀尖部分對(duì)土塊有加速作用，正切面本身不能使土塊加速，只有使用表面切面才能有效控制拋撒速度的大小和方向。

2.2 反轉(zhuǎn)旋耕拋土模型

涉澤榮[21-23]比較分析了正反轉(zhuǎn)4種旋耕方式的耕作特性，包括刀軸位于地面以上及刀軸位于地面以下；之后，切割土壤向后拋出良好的耕作模型是刀軸位于地面以上的正向旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)刀具和刀軸位于地面下的倒置旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)刀具。前者在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)耕作時(shí)是有利的，而后者在深耕時(shí)是有利的。涉澤榮使用一段圓弧作為正常截面的截面形狀。在主軸轉(zhuǎn)速為160 r / min的條件下，建立了一個(gè)帶有位于地面以下的刀軸的反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。如圖3所示：在該模型中，涉澤榮[24]假定剪切破壞并積累在正切削刃上的土體質(zhì)量很小，可近似為剛體，因此認(rèn)為切割平面中的切割長(zhǎng)度PoQ(弧)和土壤的滑移長(zhǎng)度PQ(弧)大致相等，其正切面參數(shù)可以根據(jù)拋撒方向和拋撒距離來(lái)確定。該模型分為未耕土和已耕土兩種模型：在未耕土模型中，由刀刃切割和沿切向平面損壞的土體從切向平面的尖端移動(dòng)到末端加速拋撒；在已耕土模型中，由于堆放在地表的土壤較軟，在正切面近表面切割的土塊在切割方向上沒有足夠的支撐力，已耕土在沿著切向尖端加速的作用下拋動(dòng)。

李紹珍認(rèn)為：弧形切線可以連續(xù)切割使土塊加速，從而達(dá)到理想的拋土效果。但是，刀尖端的磨損較快，直接影響旋轉(zhuǎn)刀片的使用壽命; 而平面的正切面只會(huì)使土壤在其上滑動(dòng)，可以減少刀尖端的磨損，但由于不能加速土壤，旋轉(zhuǎn)土壤不能完全拋出仍存在二次切割。李紹珍結(jié)合圓弧和正切平面的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種結(jié)合平面和圓弧兩部分的新型正切平面母線，如圖4所示。其中，部分平面切割土壤，弧形部分拋出，不僅克服了土壤不能加速的缺點(diǎn)，且解決了弧形切割邊緣的磨損問題。

PQ.旋耕刀正切面母線圖3 正切面拋土模型Fig.3 Positive shear surface model

L.平面形正切刃長(zhǎng)度圖4 平面和圓弧結(jié)合的正切面Fig.4 Apositive section of a plane and a circular arc

綜上，反轉(zhuǎn)拋土模型主要適用于深耕，且在已耕土和未耕土中作業(yè)狀況不同，當(dāng)?shù)毒邽槠矫嫘驼忻鏁r(shí)可以減輕刀尖磨損，但不能使土塊加速；圓弧型正切面能使被切削土塊連續(xù)加速，但刀尖磨損嚴(yán)重，則由平面和圓弧兩部分結(jié)合的新型正切面兼顧了拋土和刀尖磨損問題。

3 開溝刀具與土塊的運(yùn)動(dòng)分析

3.1 開溝刀具的運(yùn)動(dòng)分析

盤式開溝機(jī)采用更多的反向切割(從下向上切割)，開溝工具運(yùn)動(dòng)是單位前進(jìn)速度vm和旋轉(zhuǎn)刀盤角速度ω合成運(yùn)動(dòng)，開溝工具和更多使用標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀。圖5為IT245型旋耕刀結(jié)構(gòu)。其中，R為刀具的旋轉(zhuǎn)半徑；B為工作幅寬。圖6顯示了開溝機(jī)的工作原理。反切割刀是從溝內(nèi)進(jìn)入土壤，向上切割，刀具側(cè)切出溝壑，正切出溝底，正切刃切割土壤并拋出。

圖5 IT245 型旋耕刀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structure diagram of IT245 rotary tillage knife

圖 6 開溝刀具的工作原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of the working principle of a trenching tool

朱繼平等[25]使用MatLab繪圖功能，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，刀具運(yùn)動(dòng)模擬仿真。反向旋轉(zhuǎn)切割時(shí)開溝刀相鄰兩個(gè)相同半徑點(diǎn)的堆疊運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。其中，反向旋轉(zhuǎn)切割，正向切割刀刃與正常切割點(diǎn)的軌跡(從頂部到底部切削)不同，軌跡圖剛好上下對(duì)稱；刀具路徑不同時(shí)，通過(guò)選擇不同的參數(shù)，可以直觀地分析溝后凸起的高度變化和相鄰兩刀每轉(zhuǎn)1圈切割寬度。

為了改變切削速度和切削方向，朱繼平使用Simulink模擬切削過(guò)程中的變化，了解切削刃的切削速度范圍和方向的變化范圍，從最大軌跡最低點(diǎn)開始切割速度逐漸變小，到軌跡最底點(diǎn)的最高。

綜上，開溝刀具工作時(shí)刀盤逆旋切削從溝底入土，向上切削，刀具的側(cè)切刃切出槽壁，正切刃切出槽底，正切面切出土帶并拋出；開溝刀逆向旋轉(zhuǎn)切割時(shí)，正向切削刃上的軌跡與正常的前進(jìn)切削(自上而下切削)不同。

R= 0.8m，ω= 4π，Vm= 0.5m / s圖7 開溝刀具的運(yùn)動(dòng)仿真圖Fig.7 Motion simulation diagram of trench cutters

3.2 土塊運(yùn)動(dòng)分析

在切削土壤過(guò)程中，在開溝刀具的正壓力下，土壤被擠壓和壓實(shí)。當(dāng)土層上的力足以破壞土壤中的摩擦力和內(nèi)聚力時(shí)，刀具土體將土壤分離并投擲出去。刀具切削過(guò)程中，不同階段出土的不同位置，土塊單元上的受力不同。刀具正切面的變化如圖8所示。其中，圖8(a)正切平面垂直于地面(正切平面向下)，圖8(b)正切平面垂直于地面(正切平面向下)，圖8(c)切平面與地面之間的角度(切刀向后)，圖8(d)切平面平行于地平面(正切刃向上)。

(a) (b) (c) (d)圖 8 開溝刀具正切面切削過(guò)程中的位置Fig.8 The position of the cutting tool in the normal cutting process

劉保玲等[26]以高速數(shù)字圖像采集技術(shù)和圖像處理技術(shù)為研究手段，獲得了多種條件下旋耕土壤的實(shí)驗(yàn)圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行了處理和分析。在單目視覺系統(tǒng)中，追蹤拋土粒流序列圖像中的目標(biāo)，并獲得拋出土的二維軌跡。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了雙目立體視覺系統(tǒng)，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)拋撒土壤的三維軌跡進(jìn)行了恢復(fù)，為進(jìn)一步研究拋撒土壤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和拋土模型驗(yàn)證提供了依據(jù)。

劉保玲等[27]用兩臺(tái)高速攝像機(jī)組成雙目立體視覺系統(tǒng)同時(shí)記錄旋耕機(jī)的拋土過(guò)程，并跟蹤圖像序列中相同土壤顆粒的軌跡,提出了一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙目立體視覺方法。利用此方法解決了提取土粒三維運(yùn)動(dòng)軌跡的問題，更好地分析旋耕機(jī)的拋土性能。

劉孝民等[28-30]研究了潛土逆轉(zhuǎn)旋耕過(guò)程中的拋土問題，確定被拋土壤質(zhì)點(diǎn)拋出后的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到了只有正切刃到達(dá)或接近地表之后，正切面上被切土才有沿著刀片轉(zhuǎn)動(dòng)方向從刀片的前部向后拋出的可能性。

朱繼平等在刀具在切削時(shí)對(duì)土塊單元進(jìn)行了受力分析，開溝作業(yè)時(shí)，由于溝槽的寬度有限，溝槽內(nèi)的土塊只有少量的橫向移動(dòng)，大部分主要作用于刀具，刀具是從溝渠進(jìn)行的，還有一些越過(guò)正切面 ，進(jìn)入溝里。

任述光等[31]建立了油菜開溝機(jī)旋耕旋耕刀的運(yùn)動(dòng)模型,研究了土壤顆粒在開溝刀上的動(dòng)力學(xué)特性,并利用MatLab軟件進(jìn)行了旋耕開溝機(jī)的優(yōu)化模擬試驗(yàn)和田地試驗(yàn)。結(jié)果表明：彎曲半徑為0.21～0.23m、刀盤轉(zhuǎn)速為245r/min，在0.04s時(shí)，相對(duì)速度為4.5～6m/s土壤粒子離開正切面，在這個(gè)范圍內(nèi)具有最佳的拋撒性能，最大拋撒距離為0.968～1.024m。

綜上，當(dāng)土壤的單元受到的力足以破壞土壤內(nèi)部凝聚力時(shí)，土塊拋出時(shí)最大拋土距離為0.968～1.024m，有少量的土壤在溝中橫向運(yùn)動(dòng)，其余的土壤被刀具從溝中帶出，有部分回流到溝里。

4 影響拋撒因素

通過(guò)對(duì)開溝機(jī)刀具的運(yùn)動(dòng)及土塊運(yùn)動(dòng)的分析，得出影響開溝機(jī)拋撒的因素主要包括牽引速度、旋耕刀盤轉(zhuǎn)速、刀片的安裝方式、開溝鏟與旋耕刀盤間隙，以及分土導(dǎo)流裝置等影響開溝拋土效果的5個(gè)因素。其中，刀片的安裝方式和分土導(dǎo)流裝置為主要影響因素。

4.1 刀片的安裝方式

羅海峰等通過(guò)對(duì)刀片安裝方法的調(diào)整，將刀片安裝在刀盤上變?yōu)橄蛲鈷伻瞿Ｊ?，?biāo)記為M型安裝，如圖9所示。切刀刀片對(duì)稱交錯(cuò)安裝，記錄為N型安裝，如圖10所示。不同的安裝方式也會(huì)使拋土距離發(fā)生變化，M型安裝好于N型安裝，速度越快，效果越明顯。

圖9 M 型安裝方式Fig.9 Type M installation method

圖10 N型安裝方式Fig.10 Type N installation method

朱繼平等通過(guò)對(duì)開溝刀具布置和選擇的類型：刀具的布置主要影響間距切割間距，機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性和機(jī)器的功耗。開溝工具的開溝機(jī)安排要求：機(jī)械力均勻，碎土適當(dāng); 開溝工具的工作，同時(shí)更少地涉及到切割工具，機(jī)器上的負(fù)載就越小。

陳玉侖等[32]針對(duì)刀片排列對(duì)開溝機(jī)開溝的影響進(jìn)行研究得知：為了確保開溝作業(yè)能夠達(dá)到一定的寬度，并避免在開溝橫斷面發(fā)生泄漏切割，草地和溝渠分為左、中、右3個(gè)切割面。為了盡可能均勻地將土體拋撒到切割面的兩側(cè)并保持切割機(jī)的軸向穩(wěn)定性，在左外切割表面和右切割外表面交替地設(shè)置在外拋土切刀的圓周上，切割表面圓周的中間分別交替布置在拋撒土壤刀片2把。所以，10把刀片左右交錯(cuò)排列，在切割面的圓周上對(duì)稱排列。為了完成溝渠成形，使溝渠光滑，坡度不塌陷(梯形溝槽)，左右刀面對(duì)稱安裝2把平面切壁刀，如圖11所示。

圖11 刀片在刀盤圓周上的展開圖Fig.11 The unfolding of the blade on the circumference of the knife plate

綜上，開溝工具的布置主要影響切割間距的大小，機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性和整機(jī)的功耗。在開溝刀布置的設(shè)計(jì)中，使用交錯(cuò)的左右彎刀的布置交替地工作，鄰近的溝渠開溝刀受力平衡。開溝刀具M(jìn)型安裝的安排要好于N型安裝，速度越大，效果越明顯。

4.2 分土導(dǎo)流裝置

羅海峰等[33]在對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的工作過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)沒有擋土板或柵欄時(shí)，該空間中拋撒土壤的顆粒流的軌跡是沒有任何空氣阻力的拋物線。在機(jī)械的實(shí)際工作過(guò)程中，為了使地電位反轉(zhuǎn)，被拋土塊將與旋耕機(jī)的工作部分(如柵欄和擋板)發(fā)生碰撞，其軌跡將因碰撞而改變。

葉強(qiáng)等[34]認(rèn)為開溝施肥是葡萄園生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)葡萄園開溝通常采用人工挖埋法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。為了提高葡萄園的生產(chǎn)效率，通過(guò)對(duì)葡萄園環(huán)境和溝道農(nóng)藝要求的分析，設(shè)計(jì)并研制了一種小型葡萄園開溝機(jī)。用于旋耕刀拋撒土壤的工作方式，沿溝兩側(cè)的擋板引導(dǎo)拋土。

李伯全等[35]通過(guò)建立碰撞數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕被拋土粒與擋土板的碰撞的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，分析不同結(jié)構(gòu)和位置參數(shù)的擋土板對(duì)拋撒性能的不同作用，為優(yōu)化擋土板的結(jié)構(gòu)和形狀提供了理論依據(jù)。當(dāng)擋板采用平面擋板時(shí)，整體碰撞情況如圖12所示。圖13顯示了土壤顆粒碰撞的一個(gè)特定點(diǎn)，Q是碰撞點(diǎn)。從圖13中可以看出：碰撞使一些土壤顆粒改變了運(yùn)動(dòng)的軌跡，從而改變了投擲的落點(diǎn)?？梢?，不同形狀、不同位置的擋土板影響著拋土效果。

朱繼平等人對(duì)擋土板的形狀和安裝位置進(jìn)行選擇。擋土板的作用主要是改變被拋土壤的方向，將土壤顆粒拋到溝外，擋土板的形狀和安裝位置直接影響開溝機(jī)的拋土性能，影響土壤顆粒的拋撒方向、回流土壤的量及機(jī)器的功耗。

圖12 碰撞整體仿真Fig.12 Collision holistic simulation

1.未碰撞軌跡曲線 2.碰撞軌跡曲線 3.擋土板圖13 任一被拋土粒碰撞仿真Fig.13 Collision simulation of any thrown soil particle

陳玉侖等在研究開溝機(jī)拋土方面時(shí)，為了使鄰近土塊的拋擲工具得以有效、有限的重疊，避免過(guò)度拋撒對(duì)收獲作業(yè)產(chǎn)生不利影響，對(duì)土壤導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)。為了確保導(dǎo)土裝置能夠?qū)⒃诘额^向前投擲的土塊向凹槽邊緣兩側(cè)的特定區(qū)域反射，以防止其飛出傷人并均勻分布，結(jié)合刀盤結(jié)構(gòu)尺寸，將分土導(dǎo)流板設(shè)計(jì)成寬度為50cm，曲面半徑約為1.5m的弧形。土壤分流裝置由兩個(gè)弧形鐵板組成，如圖14所示。結(jié)果表明：支撐3號(hào)導(dǎo)地裝置開溝的裝置配備有圓形開溝裝置，單面拋撒寬度1.1～1.2m，拋土集中面積平均厚度約2.3cm；破土率和拋土均勻性大于90%和85%，溝內(nèi)回流土壤較少，與以前相比有明顯的改善。

李伯全等[36-38]結(jié)合JHF130型秸稈還田機(jī)的研究項(xiàng)目，利用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，對(duì)各種形式土壤擋土板的沖擊進(jìn)行了模擬，優(yōu)化了JHF130秸稈還田機(jī)擋土板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即初始高度、工作間隙和圍欄的起始角度，并采用弧形擋板。試驗(yàn)表明：優(yōu)化后的擋土板參數(shù)更合理，不產(chǎn)生前方壅土現(xiàn)象，測(cè)得的秸稈覆蓋率為97.9%。

圖14 分土導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 A schematic diagram of the structure of a soil diversion device

李伯全等[39]研究了潛土逆轉(zhuǎn)旋耕被拋土塊和旋耕機(jī)質(zhì)量的碰撞機(jī)理，建立了碰撞的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，在AUTOCAD R14平臺(tái)上，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析了旋耕機(jī)曲面型擋土板對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕效果的影響，得出安裝位置和形狀的不同對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕的拋土性能有不同的影響。

綜上，土壤導(dǎo)流裝置將拋撒土壤導(dǎo)流到溝渠兩側(cè)，有無(wú)板式、不同形狀、不同擋板的安裝面對(duì)拋擲土壤有不同的影響，對(duì)開溝作業(yè)后回流土壤的量和整機(jī)功耗大小都有影響。其中，弧形的拋撒導(dǎo)流裝置效果最好，不會(huì)產(chǎn)生壅土現(xiàn)象。

5 結(jié)論與展望

1)考慮果園環(huán)境對(duì)開溝機(jī)的要求，突破了關(guān)鍵技術(shù)難題，增強(qiáng)開溝機(jī)的適應(yīng)性。

2)從理論出發(fā)，結(jié)合實(shí)際，重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：一是開溝工具的工作原理分析，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化工具，使開溝動(dòng)力和油耗下降; 二是優(yōu)化開溝刀安裝方法，控制開溝機(jī)拋撒方向; 三是開溝機(jī)土壤分流裝置的改進(jìn)，以減少土壤回流增強(qiáng)開溝的性能。

3)堅(jiān)持農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的結(jié)合，研制出適合現(xiàn)有果園開溝施肥的機(jī)具。