劉大為，謝方平，葉 強，任述光，李 旭，劉敏章

1K-50型果園開溝機開溝部件功耗影響因素分析與試驗

劉大為1,2，謝方平1,2，葉 強1，任述光1,2※，李 旭1,2，劉敏章1

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，長沙 410128； 2.湖南省智能農(nóng)機裝備重點實驗室，長沙 410128）

為探明1K-50型果園開溝機工作參數(shù)和雙旋耕刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對作業(yè)功耗的影響規(guī)律，該文建立了分析開溝部件功耗的切土，運、拋土力學模型，得到了開溝部件功耗與整機工作參數(shù)、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)以及土壤力學性能之間的函數(shù)關系。搭建了基于土槽試驗臺的開溝部件功耗測試裝置，模擬堅實度為950 kPa的葡萄園土壤環(huán)境，以刀輥轉(zhuǎn)速、前進速度、開溝深度和刀輥型式為試驗因素，進行單因素試驗和多因素正交試驗，測得旋耕刀輥在不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下的功率消耗，得到影響開溝部件功率消耗的因素主次順序為刀輥型式＞前進速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開溝深度，其功耗較優(yōu)參數(shù)組合為采用3型刀輥，刀輥轉(zhuǎn)速為150 r/min，前進速度為0.06 m/s，開溝深度為0.15 m，測得此時開溝部件平均功耗值約為1.22 kW。將裝置正交試驗表中各因素值代入功耗解析式，利用MATLAB軟件進行數(shù)值計算與分析，得到影響功率消耗因素的主次順序與臺架試驗結(jié)果相同，求得功耗理論值與試驗值的相對誤差百分比最大為12.86%，最小為2.00%，驗證了功耗理論模型具有較高的準確性。該研究可為機具改進和小型林果園開溝機的設計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；功耗；試驗；果園開溝機；開溝部件

0 引 言

1K-50型果園開溝機是課題組設計的一種用于中國南方果園低矮狹小環(huán)境作業(yè)的小型開溝機具，該機設計最大可開溝深度為0.5 m，采用雙旋耕輪逆旋方式作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作轉(zhuǎn)移方便等特點[1-2]。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，機器在土壤堅實度較小的果園作業(yè)時，能夠滿足最大開溝深度要求，而在堅實度較大的葡萄園土壤條件下，單次開溝深度僅為0.2 m左右，存在開溝深度不足，機器振動加劇的情況。相關研究表明：旋耕作業(yè)時功率消耗的70～80%與旋耕刀輥的切、拋土過程密切相關，而切、拋土過程的功耗與土壤堅實度、前進速度、刀輥轉(zhuǎn)速、耕作深度、切土節(jié)距、刀軸直徑等均存在相關性[3-17]。因此，在一定的土壤堅實度條件下，研究該開溝機開溝部件功率消耗的影響因素，有助于進一步優(yōu)化機器刀輥結(jié)構(gòu)，提高其工作效率。

目前，國內(nèi)外學者對旋耕開溝基礎理論及開溝部件進行了大量的理論分析和試驗研究[5-19]。其中功率的計算主要通過理論計算、田間試驗和數(shù)值分析等方法得出。康建明等[5-6]利用ANSYS軟件對開溝刀輥土壤切削過程進行仿真分析，得出開溝刀輥在土壤切削過程中功率消耗的變化規(guī)律，結(jié)合正交試驗明確了影響作業(yè)功耗的因素主次為：土壤堅實度＞開溝深度＞刀輥轉(zhuǎn)速，且刀輥轉(zhuǎn)速在200 r/min時，無論前進速度高低，圓盤式開溝機均具有最低的功耗；章慧全等[7]借助半經(jīng)驗公式對潛土逆旋的功率消耗進行分析，其認為在耕深、耕幅要求一定的條件下，旋耕機功率消耗主要由機組前進速度、旋耕刀轉(zhuǎn)速、刀輥半徑和旋耕切土比阻等決定；宋建農(nóng)等[8]通過對刀片切土過程的力分析，建立了計算旋耕阻力的數(shù)學模型；彭強吉等[9]通過理論分析和試驗，研究了開溝方式、作業(yè)參數(shù)與功率消耗之間的關系；劉永清等[10]對刀片進行受力分析，以耕作功耗為指標，建立了包含刀片側(cè)切部和正切部在內(nèi)的潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀片功率消耗的數(shù)學模型；汲文峰等[11-13]在實驗室土槽中對旋耕–碎茬通用刀片單刀扭矩進行了試驗，確定了在旋耕和碎茬作業(yè)時，耕深、刀輥轉(zhuǎn)速、機組作業(yè)速度對功率消耗的影響；陳翠英等[14-17]對逆轉(zhuǎn)旋耕彎刀切削土壤過程進行分析，探討了不同工作參數(shù)下負荷、能耗特性以及相互關系，獲得了單刀理論負荷計算模型等等。但上述研究主要針對標準旋耕刀或單一刀輥結(jié)構(gòu)，鮮有分析不同刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對功率消耗的影響。

基于1K-50型果園開溝機采用的雙旋耕輪刀輥，為了得到整機工作參數(shù)和刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對開溝部件功率消耗的影響規(guī)律和各參數(shù)間的最優(yōu)組合，有必要對刀輥和土壤的相互作用過程進行分析，探索其影響因素對作業(yè)功耗的動態(tài)變化關系。因此，本研究在綜合分析國內(nèi)外相關研究的基礎上，通過對雙旋耕刀輥作業(yè)過程進行動力學分析，利用動量矩定律建立運、拋土功耗模型，提出了計算該刀輥功率消耗的解析式。設計了一種基于室內(nèi)土槽試驗臺的開溝部件功耗測試裝置，并進行試驗測定，借此研究影響開溝部件功率消耗的關鍵因素，驗證分析模型的正確性，以期為機具改進和系列化小型林果園開溝機的設計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機及開溝部件結(jié)構(gòu)

1.1.1 整機結(jié)構(gòu)

1K-50果園開溝機主要由動力裝置、行走裝置（驅(qū)動輪可更換，行走時用橡膠輪，工作時用鐵輪）、導向與限深裝置、擋土導流裝置、雙旋耕輪、操縱控制機構(gòu)以及傳動裝置等組成。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.汽油機 2.操縱架 3.驅(qū)動輪變速箱 4.檔位調(diào)節(jié)裝置 5.旋耕輪變速箱 6.擋土導流板 7.限深輪 8.旋耕刀輥 9.清溝犁 10.驅(qū)動輪 11.機架

整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 1K-50型果園開溝機主要技術(shù)參數(shù)

1.1.2 刀輥結(jié)構(gòu)

由于本開溝機主要針對開深窄溝設計，為了讓雙旋耕刀輪開出一定寬度的溝，并改善刀輥逆旋深切時對土垡的運、拋土能力，延長刀片切削刃長度，旋耕刀布置時采用了自制彎刀和寬翼刀交錯重疊布置方式[2]。預備性試驗發(fā)現(xiàn)當?shù)镀瑢ν寥赖乃毫丫€傾角（理論上的節(jié)距對應的夾角或兩刀片切土刃相對旋轉(zhuǎn)中心的夾角）為45°時，破土效果較好，因此，本開溝機刀輥設計刀片間夾角為45°，安裝刀片數(shù)量為8片。

旋耕刀輥由左、右兩個對稱的旋耕輪組成，其中旋耕輪主要包含輪轂、輻條、刀座、自制彎刀、自制寬翼刀等部件。自制刀片型式和刀輥整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：為刀輥直徑；0為刀輥寬度；為單側(cè)切削幅寬；1為彎刀切削幅寬；2為寬翼刀切削幅寬；1為彎刀滑切角；2為寬翼刀滑切角；為刀輥半徑；1為彎刀彎曲半徑；2為寬翼刀彎曲半徑；1為彎刀彎折角；2為寬翼刀彎折角

Note:is knife roller diameter;0is knife roller width;is unilateral cutting width;1is tulwar cutting width;2is wide-blade tulwar cutting width;1is tulwar slip cutting angle;2is wide-blade tulwar slip cutting angle;is knife roller radius;1is tulwar bending radius;2is wide-blade tulwar bending radius;1is tulwar bending angle;2is wide-blade tulwar bending angle

1.輪轂 2.幅條 3.刀座 4.變速箱 5.清溝犁 6.自制寬翼刀 7.自制彎刀

1.Wheel 2.Spokes 3.Knife holder 4.Speed changing box 5.Soil cleaning plough 6.Home-made wide-blade tulwar 7.Home-made tulwar

圖2 刀輥結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structure of knife roller

自制旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀輥技術(shù)參數(shù)如表2：

表2 旋耕刀輥技術(shù)參數(shù)

注：其中刀輥直徑、刀輥寬度根據(jù)果園開溝的農(nóng)藝要求確定，刀輥線速度根據(jù)機器的前進速度和生產(chǎn)率決定。

Note: Diameter and width of knife roller are determined according to the agricultural requirements of orchard ditching, and the linear speed of knife roller is determined according to the advance speed and productivity of the machine.

1.2 工作原理

如圖1和圖2所示，開溝機作業(yè)時，動力通過皮帶輪經(jīng)離合器分兩路輸出，一路通過旋耕輪變速箱帶動旋耕刀輥逆旋開溝，另一路通過驅(qū)動輪減速裝置使驅(qū)動輪帶動機器前進。當開溝機按圖1所示從右往左方向行駛時，刀輥順時針旋轉(zhuǎn)切土，土垡隨刀片旋轉(zhuǎn)拋出，與擋土板碰撞后撒向溝的兩側(cè)。操作者可以通過調(diào)節(jié)限深輪上的螺栓桿來控制開溝深度；調(diào)節(jié)擋土導流板的角度與開度以保證土塊拋向溝的兩側(cè)，而不至于被帶回溝內(nèi)；轉(zhuǎn)向時可通過離合器先將旋耕輪動力脫離，再下壓操縱架，借助倒檔帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向、調(diào)頭；安裝在旋耕輪變速箱下的小清溝犁，可以將溝中因變速箱遮擋造成的漏耕帶犁碎，再由旋耕輪刀片拋出，從而減少溝中碎土殘留；開溝機驅(qū)動輪更換成鐵輪后，與旋耕輪等寬，能在所開溝中行走，并根據(jù)溝深不同要求，開溝機能夠在溝中來回作業(yè)直至溝深滿足需要。

2 開溝部件作業(yè)功耗分析

開溝機作業(yè)過程中，旋轉(zhuǎn)的刀輥切削土壤的過程就是使土垡與基土分離、改變位置并獲得一定速度的過程，當溝中土壤拋撒在溝的兩旁時最終完成了能量的轉(zhuǎn)換。在旋耕機的總功率消耗中，以切土和拋土功率消耗為主，占總功率消耗的70%～80%[3-4]。因此，可以通過分析切土功耗P，運、拋土功耗P，以二者之和乘以系數(shù)作為消耗的總功率。

2.1 力學模型的建立

2.1.1 切土功耗

切土過程中，旋耕刀一方面克服土壤的剪切強度并與接觸面產(chǎn)生摩擦，這種沿接觸面切線的力對刀輥轉(zhuǎn)軸的力矩即為切土所要克服的阻力矩，克服阻力矩對土垡做功的過程需要消耗能量。另一方面，刀片正切面與土壤擠壓，產(chǎn)生壓土阻力，在忽略土壤變形的情況下，可以認為壓土阻力不做功，不直接消耗功率，但壓土阻力會影響到切土阻力與摩擦力的大小。宋建農(nóng)等[8]的研究表明，切土過程中刀片所受的阻力由刃口的切土阻力、正切面擠壓土壤產(chǎn)生的壓土阻力和土壤與刀片的摩擦阻力組成，其中壓土阻力F可用以下經(jīng)驗公式表示

式中K為壓土阻力系數(shù)，由試驗確定，其與土壤的力學特性、切土速度、垡片厚度和刀片正切面棱邊的曲線長度有關；為刀片幅寬，m；為刀片滑切角，rad；0為刀片安裝角，rad，刀片安裝好后，在切土過程中0為恒定值；=/v為旋耕速比；為刀輥半徑，m；為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；v為機器前進速度，m/s；=，即刀片回轉(zhuǎn)半徑與鉛垂方向的夾角，rad。

垡片的厚度及刀輥轉(zhuǎn)角大小都隨刀片切土位置變換，因此，切土過程中壓土阻力也隨刀片切土位置變化。摩擦阻力F1與土壤特性和刀片接觸面的正壓力有關，可由式（2）給出

F1=CA+KF（2）

式中C為土壤黏著系數(shù)，kPa；為刀片正切面面積，m2；K為刀片和土壤的摩擦系數(shù)。

切土阻力F2作用于刃口，方向與切土速度相反，可用以下經(jīng)驗公式[17]近似表示

式中K為切土阻力系數(shù)，kPa，其與刀片形狀、幾何參數(shù)、切土速度和土壤力學特性有關，由試驗確定；為切土節(jié)距；為刀輥上刀片數(shù)。

刀片切土過程中，一方面隨機器前進，獲得牽連速度v，即機器前進速度。另一方面繞刀軸旋轉(zhuǎn)，相對隨機器前進的平移坐標系作定軸轉(zhuǎn)動，刀片端點的切土速度可表示為

因此，切土功率P為

由式（5）可知，影響切土功率的因素除土壤的力學性質(zhì)外，切土速度是主要影響因素，旋耕速比、切土節(jié)距、切土深度等作業(yè)參數(shù)都會影響功耗，因為它們都會影響到垡片厚度和圧土阻力。另外，刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如：滑切角、側(cè)切刃長度等也會影響切土功率消耗。

2.1.2 運土與拋土功耗

設被切下的土垡在拋出前為一個整體，其在縱剖面的外形為相距π/時間間隔內(nèi)的兩條余擺線的部分與長度為切土節(jié)距的一直線段圍成。垡片在刀片作用下從靜止開始運動，忽略土垡沿刀軸線方向的運動，則土垡作平面運動，運動過程中其質(zhì)心速度及角速度增加，動能增加，這一過程中需要克服滑動摩擦力和重力對刀輥轉(zhuǎn)軸的力矩做功，消耗功率。當土垡對刀片正切面的法向壓力為零時，土垡離開刀片，其質(zhì)心作斜拋運動。

為獲得運土與拋土過程中垡片質(zhì)心速度，將動參考系固定在刀輥上，軸為刀輥轉(zhuǎn)軸，軸沿機器前進方向，軸沿鉛錘方向，如圖3所示。動系一方面以機器前進速度作平移，另一方面，繞刀輥軸線旋轉(zhuǎn)，即牽連運動為平面運動，牽連速度為機器前進速度與土垡質(zhì)心C處的圓周速度的矢量和。

為簡化分析模型，設刀輥正切面近似為一平面，側(cè)切刃棱邊近似為一直線，由速度合成定理可知

式中v、v、v分別為質(zhì)心的絕對速度、牽連速度與相對速度，m/s；、分別為坐標軸正向單位矢量；為土垡質(zhì)心處的圓周半徑，m，取土垡的厚度為節(jié)距的一半，則=?/2。

運土過程中，土垡對刀輥動軸的動量矩

式中J為土垡對其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量，kg?m2/s。

注：為刀片滑切角，rad；為刀輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；v為機器前進速度，m/s；=，即刀片回轉(zhuǎn)半徑與鉛垂方向的夾角，rad；v為土垡質(zhì)心的相對速度，m/s。

Note:is a slide-cutting angle for the cutter, rad;is the rotary angular velocity of knife roller;vis the forward speed of the machine, m/s;,=,is the included angle between the rotary radius of the blade and the vertical direction of the lead, rad;vis the relative velocity of centroid of furrow slice, m/s.

圖3 土垡質(zhì)心絕對速度分析

Fig.3 Absolute velocity analysis of furrow slicecenter

假設作用在質(zhì)點系上的外力矩為M，其為土垡與旋耕刀片摩擦力矩及重力對刀輥轉(zhuǎn)軸力矩之和。則對土粒質(zhì)點系應用相對刀輥中心軸（動軸）的動量矩定理可得

帶入式（7），得到

式（9）表明：運土與拋土消耗的功率取決于機器前進速度及土垡質(zhì)心相對刀片的速度，相對速度的變化率及刀片轉(zhuǎn)角。

此時，運、拋土功耗可表示為

由式（10）可知，運、拋土功耗主要取決于刀輥轉(zhuǎn)動角速度、機器前進速度以及滑切角。此外，由于摩擦系數(shù)、刀輥半徑等因素間接影響到了運土過程中土垡相對正切面的運動速度，也將影響運、拋土功耗大小。

2.1.3 開溝部件作業(yè)功耗

為計算式（10）中土垡質(zhì)心的相對加速度，對土垡在刀片上的運動過程進行動力學分析。假定刀片的正切面為平面，則土垡質(zhì)心的相對運動為鉛垂面內(nèi)沿正切面方向的直線運動，運土過程中土垡所受重力×，正切面法向約束力，與相對滑動方向相反的滑動摩擦力，沿圓周徑向指向外的牽連法向慣性力，垂直于正切面的指向外的科氏慣性力，因土垡只在正切面上相對滑動，慣性力偶矩為0，如圖4所示。

注：FN為刀片正切面所受的法向約束力，N；Fd為與土垡滑動方向相反的摩擦力，N；Fe為土垡所受的法向慣性力，N；Fk為土垡所受的科氏慣性力，N；mg為土垡所受的重力，N。

在動參考系中，列土垡質(zhì)心相對運動微分方程：

式（11）為非線性微分方程，利用MATLAB編程求其數(shù)值解。因土垡在正切面上運動的時間極短，可以忽略運動過程中的變化，利用切斷垡片瞬時，垡片整體繞軸轉(zhuǎn)動可得到此問題的初始條件。理論上，當F=0時，土粒質(zhì)點離開刀片正切面而實現(xiàn)拋土，但拋土時間的確定也需要求解一個非線性微分方程，為克服這一困難，可通過對拋土過程進行高速攝影，確定土垡被完整切下到被拋出的時間Δ，繪出這段時間內(nèi)土垡質(zhì)心相對刀片的速度。

1K-50果園開溝機的刀片后傾角（即滑切角）=30°，當取刀輥半徑=0.3 m，切土深度=0.2 m，機器前進速度v=0.06 m/s時，利用MATLAB軟件可以求得刀輥轉(zhuǎn)速分別為=120、150、180 r/min時土垡質(zhì)心的相對速度（v）隨轉(zhuǎn)角（相對于切土結(jié)束位置）變化的關系線圖，如圖5所示。

圖5 運土時不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)心相對速度

由圖5可知，土垡在刀片上運動時，由刀尖向根部滑動的過程中，由于離心力及滑動摩擦力的作用，其相對刀片的速度逐漸減小，近似線性變化，說明在運土與拋土過程中，隨著刀輥轉(zhuǎn)角的變化，阻力矩在減小，單刀運土至拋土過程中功耗也在減小。同時，也表明運動過程中牽連慣性力起主導作用，刀輥轉(zhuǎn)速越大相對速度斜率越大，表明其相對速度下降越快。

設開溝過程中，前一刀片開始運土，后一刀片剛好開始切土，則作業(yè)功耗為兩者之和。綜合式（5）、式（10），可求得作業(yè)功耗的計算式為

由（12）式可知，在土壤力學性能確定的情況下，影響旋耕切、拋土功耗的因素主要有旋耕刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如：滑切角、側(cè)切刃長度，刀輥半徑，刀片數(shù)目）以及機器的作業(yè)參數(shù)（如：旋耕速比=Rω/v，刀輥轉(zhuǎn)速及機器前進速度v等）。

當旋耕刀的結(jié)構(gòu)確定時，影響開溝功率消耗的因素主要為刀輥半徑、刀片數(shù)量、機器的前進速度、刀輥轉(zhuǎn)速和土垡質(zhì)量。由于土垡質(zhì)量≈寬，=[3,8]，可知當開溝寬度寬一定時，功率消耗主要與機器前進速度，刀輥半徑、刀片數(shù)目、轉(zhuǎn)速以及開溝深度有關，而刀輥直徑和刀片數(shù)直接決定了刀輥的型式。因此，可以選取前進速度、刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥型式和開溝深度4個因素作為評價影響開溝部件功率消耗的指標因素。

3 臺架試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗臺的搭建

利用湖南農(nóng)業(yè)大學工學院農(nóng)業(yè)機械裝備研究室的土槽試驗臺搭建開溝部件功耗試驗裝置。功耗試驗裝置主要由試驗臺支撐小車、電磁電動機調(diào)速器、扭矩轉(zhuǎn)速顯示儀、扭矩傳感器、傳動鏈、中間傳動軸、旋耕輪變速裝置、擋土導流裝置、反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開溝部件、深度定位裝置、電磁調(diào)速電機等組成，如圖6所示。

1.試驗臺支撐小車 2.電磁電動機調(diào)速器 3.農(nóng)機扭矩轉(zhuǎn)速顯示儀 4.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 5.鏈傳動 6.中間傳動軸 7.旋耕輪變速裝置 8.擋土導流裝置 9.反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開溝部件 10.深度定位裝置 11.電磁調(diào)速電機

土槽牽引車的前進速度及旋耕刀輥轉(zhuǎn)速由無級電磁調(diào)速電機（11 kW）的調(diào)速器控制。電動機輸出的動力經(jīng)鏈傳動傳遞給旋耕輪從而帶動刀輥工作；設計的電機輸出轉(zhuǎn)速與刀輥轉(zhuǎn)速之比為1.9；功耗試驗臺可在土槽牽引臺車作用下沿導軌滾動；電動機輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速等信號集中顯示在農(nóng)機扭矩轉(zhuǎn)速顯示儀上（扭矩傳感器型號為CYB-80S，量程0～1 kN·m）；開溝深度由試驗臺上的深度定位板調(diào)節(jié)；旋耕刀輥通過插銷固定在刀軸上，可裝拆以安裝不同型式的刀輥。

3.2 參數(shù)確定及測試原理

功耗試驗原理流程圖如圖7所示[19-25]。

圖7 功耗試驗原理流程圖

試驗過程中，待機組穩(wěn)定工作后，由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測得旋耕刀輥刀軸扭矩及轉(zhuǎn)速，沿臺車前進方向用數(shù)碼相機同步錄下顯示儀的讀數(shù)。

在開溝部件試驗臺的試驗過程中，作業(yè)功耗可按公式（13）計算。

式中為試驗過程中扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測得的扭矩，N·m；為試驗過程中旋耕刀輥的轉(zhuǎn)速，r/min（由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測得的電動機轉(zhuǎn)速除以傳動比所得）；為雙旋耕刀輥開溝功耗，kW；為傳動效率，取0.9。

3.3 試驗設計與結(jié)果分析

為了驗證試驗裝置的設計及開溝部件作業(yè)功耗的理論分析結(jié)果，以作業(yè)功耗為試驗指標，以刀輥轉(zhuǎn)速、前進速度、開溝深度和刀輥型式為評價因素，模擬葡萄園土壤環(huán)境開溝（為重復試驗，需事先用一定重量的壓力板對已耕作的土壤進行壓實，再結(jié)合土壤堅實度測試儀持續(xù)測定，保證每次試驗的土壤堅實度為950 kPa左右，測得試驗土壤的含水率為21.7%，與葡萄園土壤環(huán)境基本相符），進行單因素試驗和4因素3水平正交試驗[26-28]。

相關試驗研究表明，在其他條件一定的情況下，適當增大切土節(jié)距可以使得功耗降低[3]。由于=/，因此，當、一定時，減小可以使得增大，或、一定時，增大亦可增大。由此可見，同一直徑、不同刀片數(shù)或不同直徑、同一刀片數(shù)的刀輥型式對功耗的影響不同?？紤]到1K-50開溝機設計可開溝深度為0.5 m，實際開溝深度約為0.1～0.3 m，按照經(jīng)驗公式=（1.2～1.4）估算[2]，試驗過程中選用刀輥直徑為0.42和0.6 m，刀片數(shù)分別為4和8片作為刀輥型式的指標參數(shù)，具體布置如表3所示。

表3 刀輥型式說明

試驗現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 功耗試驗現(xiàn)場圖

3.3.1 單因素試驗設計與結(jié)果分析

結(jié)合前述1K-50型果園開溝機的旋耕刀輥結(jié)構(gòu)及參考文獻描述[18]，對于輕型和中型林果園土壤，開溝機刀輥線速度建議值為4～6 m/s，考慮到不同的刀輥直徑，試驗選取刀輥轉(zhuǎn)速范圍為90～210 r/min；通過對葡萄園農(nóng)戶的調(diào)研及果園開溝機市場的研究分析，開溝機設計的前進速度為0.06～0.08 m/s，試驗選取前進速度范圍為0.05～0.08 m/s；由于開溝機在葡萄園的實際開溝深度約為0.1～0.3 m，考慮到刀輥轉(zhuǎn)速和前進速度的取值范圍，為確保完成既定開溝深度，應適當縮小取值范圍，試驗選取開溝深度范圍為0.1～0.2 m；同一刀輥的單因素試驗均選用1型刀輥。

以功耗為試驗因素，選取刀輥轉(zhuǎn)速=180 r/min、前進速度v=0.06 m/s、開溝深度=0.1 m、1型刀輥為4個水平值。即轉(zhuǎn)速–功耗的單因素試驗采用1型刀輥，在前進速度為0.06 m/s、開溝深度為0.1 m情況下進行；前進速度–功耗的單因素試驗采用1型刀輥，在轉(zhuǎn)速為180 r/min、開溝深度為0.1 m的情況下進行；開溝深度-功耗單因素試驗采用1型刀輥，在轉(zhuǎn)速為180 r/min、前進速度為0.08 m/s的情況下進行的；刀輥型式–功耗單因素試驗是在前進速度為0.06 m/s、開溝深度為0.1 m，不同轉(zhuǎn)速和刀輥型式情況下進行的。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Origin軟件處理后得到以下圖形，如圖9所示。

圖9 單因素試驗影響關系圖

從上述關系圖中不難看出，在相關實驗條件下，開溝部件的功率消耗隨著各影響因素值的增大而增大。其中圖9a可以看出，隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增大，功耗隨之增大，當?shù)遁佫D(zhuǎn)速為120～180 r/min時，功耗值近似線性變化；從圖9b中可以看出，當前進速度為0.06～0.08 m/s時，功耗的變化最顯著；從圖9c可以看出，隨著開溝深度增加（0.1～0.2 m），刀輥的功耗均也隨之增大。圖9d可以看出，在相同轉(zhuǎn)速情況下，1型刀輥是3種類型刀輥中所需切土功耗最大的，2型次之，3型最小。

3.3.2 正交試驗設計與結(jié)果分析

為了考察各因素對功耗的影響，減少不必要的試驗次數(shù)，在單因素試驗基礎上，利用L9(34)正交表，作4因素3水平正交試驗，正交試驗因素水平布置如表4。

表4 正交試驗因素和水平

每組試驗測試2次，共完成18組試驗，其試驗結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗結(jié)果

為分析各影響因素間的主次關系，對功耗結(jié)果取平均值后進行極差分析，如表6。

表6 正交試驗極差分析

分析表5的功耗值和表6中值可知，影響開溝部件功率消耗的因素主次順序為刀輥型式＞前進速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開溝深度，其中刀輥型式是影響開溝功耗的主要因素，其次是刀輥轉(zhuǎn)速和前進速度，而開溝深度的大小相對前三者影響相對較小。考慮到功耗越小越好，試驗求得各因素對試驗指標影響的最優(yōu)方案為3111，即采用3型刀輥，以120 r/min旋轉(zhuǎn)，前進速度為0.06 m/s，開溝深度為0.1 m時，功耗最低。

3.3.3 正交試驗方差分析

由于極差分析不能體現(xiàn)室內(nèi)土槽試驗過程及試驗結(jié)果測量中必然存在的誤差大小，因此，利用SPSS軟件對正交試驗結(jié)果進行方差分析，如表7所示。

表7 正交試驗方差分析

注：“*”顯著；“**”極顯著。

Note: “*”shows significant; “**”shows extremely significant.

由表7可見，刀輥型式、前進速度和刀輥轉(zhuǎn)速因子水平的改變對功耗的影響為極顯著。試驗結(jié)果的方差分析所得因素主次關系與上述極差分析所得結(jié)論相同，說明極差分析的結(jié)果準確，誤差影響不大。

由于分析出來的最優(yōu)方案未在正交試驗已經(jīng)做過的9組試驗中出現(xiàn)，與它較接近的是第4組試驗（3122），雖然和不是處于最好的水平，但和對功耗的影響在4個因素中是最小的，從實際結(jié)果來看，第4組試驗結(jié)果的功耗最小，說明選擇該方案作為較優(yōu)方案符合實際，再考慮到功耗的影響因素較多以及田間試驗的復雜性，取第4組試驗參數(shù)為最優(yōu)方案[29-30]。

3.4 數(shù)值計算結(jié)果與分析

已知機器開溝寬度為0.25 m，刀片滑切角均為30°，測得刀片單側(cè)切削幅寬≈0.1 m，試驗土壤密度≈1 800 kg/m3，土壤粘著系數(shù)C≈8.0 kPa，刀片和土壤的摩擦系數(shù)K≈0.32，切土阻力系數(shù)K≈1.85 kPa。利用L9(34)正交表，將上述臺架試驗的試驗因素水平值分別代入到公式（12），利用MATLAB軟件對解析式進行數(shù)值計算，并對結(jié)果進行極差分析，如表8所示。

表8 數(shù)值計算結(jié)果與極差分析

由表8的數(shù)值計算結(jié)果與分析可知：對開溝部件功耗的影響因素中，刀輥型式＞前進速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開溝深度，與臺架試驗結(jié)果相同。

對比相同因素值下表5和表9中的功耗數(shù)據(jù)，求得開溝部件在相同作業(yè)條件下，功耗數(shù)值計算的理論值與臺架試驗實測值之間相對誤差分別為9.23%、4.64%、5.97%、2.00%、12.86%、1.84%、7.60%、7.38%、12.77%，驗證了該功耗分析模型具有較高的準確性。

4 結(jié)論與討論

本文針對1K-50型果園開溝機開溝部件進行功耗的理論分析與試驗研究，得到的結(jié)論如下：

1）建立了分析雙旋耕刀輥開溝部件功耗的切土，運、拋土力學模型，得到了開溝部件功耗與整機工作參數(shù)、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)以及土壤力學性能之間的函數(shù)關系。

2）搭建了基于土槽試驗臺的開溝部件功耗測試裝置，模擬土壤堅實度為950 kPa的土壤環(huán)境，進行單因素試驗和多因素正交試驗。測得旋耕刀輥在不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下的功率消耗，得到影響開溝部件功率消耗的因素主次順序為刀輥型式＞前進速度＞刀輥轉(zhuǎn)速＞開溝深度，其功耗較優(yōu)參數(shù)組合可選取3122方案，即采用3型刀輥，刀輥轉(zhuǎn)速為150 r/min，前進速度為0.06 m/s，開溝深度為0.15 m，測得此時開溝部件的平均功率消耗約為1.22 kW。

3）將試驗臺正交試驗方案各參數(shù)水平值代入功耗解析式，利用MATLAB軟件進行數(shù)值計算與分析，得到影響功率消耗因素的主次關系與臺架試驗結(jié)果相同，求得功耗理論值與試驗值的相對誤差最大為12.86%，最小為2.00%，驗證了功耗理論模型具有較高的準確性。

考慮到功耗的影響因素較多以及預制土壤進行臺架試驗的復雜性，文中未對正交試驗結(jié)果的最優(yōu)方案進行試驗驗證，還存在不完善之處，有待下一步的測定與分析。

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Analysis and experiment on influencing factors on power of ditching parts for 1K-50 orchard ditching

Liu Dawei1,2, Xie Fangping1,2, Ye Qiang1, Ren Shuguang1,2※, Li Xu1,2, Liu Minzhang1

(1410128;2410128)

1K-50 orchard ditching machine with the characteristics of compact structure and convenient operation and transfer has been developed to use in the low and narrow environment of orchards in southern China, which operated in the way of double rotary tillage wheel structure and reverse rotary cutting of soil. In the application process of 1K-50 orchard ditching machine, it was found that the machine could meet the requirement of maximum ditching depth 0.5 m in orchards with small soil solidity, while in vineyards with large soil solidity, the maximum ditching depth was about 0.2 m, and there was aggravated machine vibration. It is necessary to explore the factors which have an effect on the process of cutting and throwing soil, and then optimize the working parameters and structural parameters of the knife roller. In this paper, a mechanical model of cutting, transporting and throwing soil was established to analyze the power consumption of the ditching parts, and obtain the functional relationship between the power consumption of the ditching parts and the working parameters of the whole machine, the structural parameters of the knife roller and the mechanical properties of the soil. A testing device for power consumption of trenching components based on soil tank test bench was built to simulate the soil environment of vineyard with the solidity of 950 kPa. Roller speed, forward speed, ditching depth and type of the knife roller as test factors were selected, and effects of the factors on power consumption were studied under different structural parameters and working conditions by the single factor test, and four-factor and three-level orthogonal experimental design. The factors affecting power consumption of ditching components in order were the type of knife rollers > forward speed > speed of knife rollers > depth of ditching. Through range analysis of data, the optimal combination of parameters for power consumption was obtained by the3type knife roller, the speed of the knife roller of 150 r/min, the forward speed of 0.06 m/s and the ditching depth of 0.15 m. Under the optimal combination parameters, the average power consumption of the ditching parts is about 1.22 kW. The horizontal values of each group of test factors in the orthogonal test table were substituted into the power consumption analytic formula. The power consumption values were calculated numerically by using the software of MATLAB, and the range analysis was carried out. The primary and secondary order of the factors affecting power consumption was the same as that of the bench test results. Under the same conditions, the power consumption between the numerical calculation values and the bench test values were obtained. The maximum and the minimum relative errors were 12.86% and 2.00% respectively. It verified that the theoretical model of power consumption had high accuracy. The research can provide the reference for improving the machine and designing the small-scale trencher in forest orchard.

agricultural machinery; power consumption; experiment; orchard ditching machine; ditching parts

劉大為，謝方平，葉 強，任述光，李 旭，劉敏章. 1K-50型果園開溝機開溝部件功耗影響因素分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(18)：19－28.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.003 http://www.tcsae.org

Liu Dawei, Xie Fangping, Ye Qiang, Ren Shuguang, Li Xu, Liu Minzhang. Analysis and experiment on influencing factors on power of ditching parts for 1K-50 orchard ditching[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 19－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.003 http://www.tcsae.org

2019-06-12

2019-08-24

湖南省教育廳科學研究項目（16B118）；湖南省科技計劃項目（2016NK2120）

劉大為，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設計與試驗研究。Email：liudawei8361@163.com

任述光，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械計算機輔助分析，Email：shgren2005@yahoo.com.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.003

S222.3

A

1002-6819(2019)-18-0019-10