茶園切拋組合式開溝刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

秦 寬 梁小龍 曹成茂 丁為民 吳正敏 方梁菲

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 210036；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，合肥 210036)

0 引言

目前，茶園使用的開溝機(jī)具多為通用圓盤式開溝機(jī)[1]，此類開溝機(jī)利用圓周均布的開溝刀旋轉(zhuǎn)進(jìn)行開溝，切土效果較好，但在作業(yè)中存在拋土不均勻、易回填，開溝功耗較大的問題。為此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了開溝拋土規(guī)律及減耗研究，相關(guān)學(xué)者運(yùn)用光滑粒子流動(dòng)場[2]、離散元仿真[3]、圖像處理等方法[4-6]研究了開溝刀作業(yè)過程中土壤拋撒規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)確定了彎折角、彎折點(diǎn)位置和靜態(tài)滑切角等開溝刀參數(shù)?？到鞯萚7-9]利用多體動(dòng)力學(xué)、仿生學(xué)[10]、空間機(jī)械力學(xué)[11]等手段優(yōu)化了圓盤式開溝機(jī)參數(shù)，降低了作業(yè)功耗。

現(xiàn)有圓盤式開溝刀拋土與減耗研究多數(shù)針對(duì)大田和果園[12-14]。茶園作業(yè)環(huán)境與大田、果園有所不同，典型的茶園土壤為砂質(zhì)壤土，土壤深厚、質(zhì)地粗松，砂粒、石礫含量較高，含水量適中。開溝農(nóng)藝要求將此種土壤相對(duì)精確地拋撒至溝邊，以便于施肥后回填，但現(xiàn)有開溝刀難以滿足茶園農(nóng)藝要求。此外，我國規(guī)模茶園多采用條栽密植，其行距僅為1～1.5 m，且60%以上的茶園位于丘陵、山地等斜坡地帶，特殊的種植環(huán)境及栽植特性使開溝動(dòng)力源功率受到限制。因此，相較于大田和果園，茶園開溝刀作業(yè)功耗更加受限。針對(duì)茶園種植的農(nóng)藝要求與土壤特性，本文在現(xiàn)有圓盤開溝刀結(jié)構(gòu)和切拋理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)茶園專用拋土刀，并與切土刀相結(jié)合，組成符合茶園開溝拋土農(nóng)藝要求的切拋組合式開溝刀。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

茶園切拋組合式開溝刀作業(yè)平臺(tái)為手扶開溝機(jī)，切拋組合式開溝刀安裝于開溝機(jī)刀軸上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。因茶樹種植環(huán)境及栽植特性使開溝機(jī)的動(dòng)力源質(zhì)量及功率均受到限制，則發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量應(yīng)小于36 kg，功率小于等于5 kW，開溝機(jī)外型尺寸(長×寬×高)為1.3 m×0.5 m×0.83 m，整機(jī)質(zhì)量小于等于65 kg，刀軸最大轉(zhuǎn)速為550 r/min，通過更換開溝刀具可控制開溝深度范圍在0～0.3 m。

作業(yè)時(shí)，開溝機(jī)的汽油機(jī)動(dòng)力通過帶輪(帶傳動(dòng)箱內(nèi))經(jīng)離合器分兩個(gè)方向傳動(dòng)，一個(gè)方向通過齒輪變速箱帶動(dòng)開溝刀軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)方向通過齒輪變速箱帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪使機(jī)器前進(jìn)。工作時(shí)，開溝刀隨開溝刀軸旋轉(zhuǎn)完成切土、碎土、拋土的開溝作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

目前常用圓盤式開溝刀多使用6把通用型旋耕刀圓周等距排布(圖2a)，開溝作業(yè)時(shí)其切土性能較好，但拋土性能較差，其破碎后土壤多數(shù)拋向正后方，容易覆蓋所開溝型[15]，不符合茶園開溝溝內(nèi)土壤均勻拋撒至溝邊、不落在溝內(nèi)、便于施肥后回填的農(nóng)藝要求。針對(duì)此問題，結(jié)合茶園土多為砂土，質(zhì)地粗松，砂粒、石礫含量較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用拋土刀，與切土刀相結(jié)合，組成切拋組合式開溝刀?？紤]刀具在刀軸上安裝的對(duì)稱性，保證開溝刀質(zhì)心位于回轉(zhuǎn)中心，采用4把切土刀、2把拋土刀的對(duì)稱組合方式，切拋組合式開溝刀總體結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

2.1 切土刀與拋土刀正切面端面高度

為滿足茶園開溝施肥時(shí)溝深控制在200 mm左右的農(nóng)藝要求，切土刀與拋土刀選擇在傳統(tǒng)IT245旋耕刀基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整[16-17]。切拋組合式開溝刀作業(yè)茶園土壤多為未耕土，土壤較為板結(jié)[18]，因此刀具在拋土前首先需增加碎土能力，根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知，刀具正切面端面高度的增加，可增加刀具對(duì)土壤的破碎性能，當(dāng)正切面端面高度為60 mm時(shí)，土壤破碎率和功率消耗均為最優(yōu)，因此切土刀與拋土刀正切面端面高度均由40 mm增加至60 mm，其他參數(shù)保持不變，改進(jìn)后的刀具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 拋土刀拋土過程力學(xué)分析

茶園切拋組合式開溝刀的拋土刀能夠?qū)⑼寥纻?cè)向拋至指定位置的關(guān)鍵在于具有拋土片結(jié)構(gòu)。如圖4所示，拋土片位于拋土刀側(cè)切部與正切部的非切土側(cè)，拋土片整體形狀為長方體，為防止其邊緣入土?xí)r增加開溝阻力，對(duì)其邊緣倒圓角，使其兩頭為半圓形，為保證拋土片長度可完全覆蓋從切面滑移過來的土壤，其外端到正切刃端點(diǎn)為止，內(nèi)端到側(cè)切刃最末觸土點(diǎn)延長線為止。側(cè)切刃與正切刃切開土壤后，土壤沿刃面上升，到達(dá)拋土片時(shí)，因拋土片具有傾斜角，使土壤受到拋土片作用力，從而被拋向一側(cè)，土壤拋撒的距離除與傾斜角相關(guān)外，還與拋土片寬度相關(guān)，因土壤可能從拋土片任意位置拋出，因此拋土片寬度直接影響拋土距離，根據(jù)茶樹開溝拋土需均勻覆蓋在溝邊20 cm位置，便于施肥后回填的農(nóng)藝要求，對(duì)拋土片的傾斜角與寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

典型茶園均為砂土，土壤具有典型的顆粒離散特征，因此將土壤顆?？醋髻|(zhì)點(diǎn)，土壤在離開拋土片時(shí)做拋物線運(yùn)動(dòng)，如圖5所示，則從拋土片飛出的土壤距離為

(1)

(2)

式中B——拋土距離，m

v——被拋出時(shí)的初始速度，m/s

δ——拋出時(shí)初速度與地面夾角，(°)

g——重力加速度，9.8 m2/s

vx、vy、vz——初始(絕對(duì))速度v在空間三維直角坐標(biāo)系上的分量，m/s

由圖5可知，橫向拋土距離為

S=Bsinδ1

(3)

式中δ1——v在地面的投影與vx的夾角，(°)

S——橫向拋土距離，m

且δ1滿足tanδ1=vy/vx。

將式(2)、(3)代入式(1)可得

(4)

因拋土片寬度與傾斜角均會(huì)影響vx、vy、vz，為了求出拋土片寬度與傾斜角，需對(duì)被拋土壤進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。如圖6所示，首先建立坐標(biāo)系oxyz，其中點(diǎn)o為拋土刀回轉(zhuǎn)中心，y軸正向與機(jī)具前進(jìn)方向一致，x軸沿水平橫向，z軸垂直朝上，拋土刀刀柄正面位于yoz平面內(nèi)。因所求切土塊傾斜角與寬度均與拋土片平面相關(guān)，為方便表示拋土片相關(guān)參數(shù)，再以拋土片長邊與短邊交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o1，短邊為x1軸，長邊為y1軸，在拋土片平面建立坐標(biāo)系x1o1y1，x1o1y1與yoz平面形成夾角γ(傾斜角)，x1o1y1面與xoy平面形成夾角β。

根據(jù)拋土片與yoz、xoy之間形成的夾角關(guān)系，vx、vy、vz表示為

(5)

式中r1——點(diǎn)o1回轉(zhuǎn)半徑，m

vr——土壤在拋土片表面滑移的相對(duì)速度，m/s

ω——開溝刀回轉(zhuǎn)角速度，rad/s

vm——土壤隨開溝機(jī)的前進(jìn)速度，m/s

va——拋土刀旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)土壤的牽連速度，m/s

vx、vy、vz為絕對(duì)速度v在空間三維直角坐標(biāo)系上的分量，土壤在拋土片上的絕對(duì)速度v是拋土刀旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)的牽連速度va、土壤在拋土片表面滑移的相對(duì)速度vr、土壤隨開溝機(jī)前進(jìn)速度vm的矢量之和[20-21]，故可以對(duì)其單獨(dú)求解后再求矢量和。其中牽連速度va的方向?yàn)閥軸負(fù)向，計(jì)算式為

va=(r1cosδ2-x′1cosγ)ω

(6)

式中x′1——土壤顆粒在拋土片面上瞬時(shí)橫坐標(biāo)

δ2——r1與y軸夾角，(°)

為求解土壤在拋土片表面滑移的相對(duì)速度vr，需對(duì)土壤顆粒在拋土片上的受力進(jìn)行分析。如圖6所示，土壤在拋土刀回轉(zhuǎn)作用下受重力、離心力、科氏力和摩擦力共同作用，其中，重力在x1軸和y1軸上的分量Gx、Gy均為mgsinγcosβ；離心力在x1、y1軸上的分量Flx、Fly計(jì)算式為

(7)

科氏力在x1、y1軸上的分量Fgx、Fgy為

(8)

摩擦力在x1、y1軸上的分量Ffx、Ffy為

(9)

式中ρ——土壤相對(duì)速度和x1軸的夾角，(°)

f——土壤顆粒與拋土片表面間摩擦因數(shù)

此外根據(jù)幾何關(guān)系，相對(duì)速度vr方向滿足

(10)

土壤從拋土刀側(cè)切面、正切面滑動(dòng)到拋土片y1軸時(shí)，相對(duì)速度vr方向與x1軸重合，故角ρ為0°，且此時(shí)土壤只受重力和離心力作用，此時(shí)式(10)可推導(dǎo)為

(11)

因拋土刀正切面端面高度為60 mm，正切刃和側(cè)切刃曲線不變，那么點(diǎn)o1位置即可確定，此時(shí)點(diǎn)o1回轉(zhuǎn)半徑r1為205 mm、點(diǎn)o1的回轉(zhuǎn)半徑包角δ2為60°；拋土片材質(zhì)為錳鋼，且茶園土壤多為砂質(zhì)壤土，其與土壤間摩擦因數(shù)f為0.65[22]；因拋土片與正切部同樣沿彎折線傾斜，且傾斜角度與正切部保持一致，因此角β和拋土刀彎折角一致，為60°[23-25]；茶園行距較窄，常有坡度，影響機(jī)器前進(jìn)速度，因此機(jī)具前進(jìn)速度取茶園開溝常用速度0.3 m/s；刀軸轉(zhuǎn)速取開溝刀常用轉(zhuǎn)速350 r/min，則ω為36.65 rad/s；根據(jù)茶園開溝施肥拋土至溝邊20 cm幅寬的農(nóng)藝要求，拋土幅寬S取值為20 cm，將以上參數(shù)代入方程(5)、(10)、(11)求解未知數(shù)γ、b、vr，利用消元法消去vr，最終得出γ=30°、x′1=8 cm，此時(shí)的橫向拋土距離為20 cm，則拋土片寬度b設(shè)計(jì)與x′1相等，即8 cm，可保證橫向拋土幅寬為20 cm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2020年9月25日在安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園茶園試驗(yàn)地對(duì)設(shè)計(jì)的切拋組合式開溝刀進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤為砂質(zhì)壤土，含有部分砂礫，整個(gè)試驗(yàn)田土質(zhì)均勻，可保證每次試驗(yàn)土壤條件一致。采用五點(diǎn)測試法測得1～20 cm深度的土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為208.4 N/m2，1～25 cm深度的土壤含水率平均值為20.7%，1～25 cm深度的土壤容重平均值為1.51 g/cm3，其中土壤堅(jiān)實(shí)度測試儀器為TYD-2型數(shù)顯土壤硬度計(jì)(精度±1%)，土壤含水率測試儀器為GHHB-009-485-1型土壤濕度測量儀(濕度精度±0.3%)，土壤容重采用環(huán)刀進(jìn)行取樣測試。

3.2 試驗(yàn)平臺(tái)

田間試驗(yàn)以開溝刀具田間原位試驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7所示。田間試驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)架、切拋組合式開溝刀、48 V電源、前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、汽油機(jī)、變速箱、刀具鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具安裝軸、扭矩傳感器、上位機(jī)、開溝深度調(diào)節(jié)裝置、行走輪、限深輪、點(diǎn)式傳感器固定架、動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、計(jì)算機(jī)組成。田間試驗(yàn)時(shí)，電源給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪前進(jìn)，電機(jī)速度控制器可控制試驗(yàn)臺(tái)前進(jìn)速度，汽油機(jī)的作業(yè)動(dòng)力通過變速箱與鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給刀具安裝軸，變速箱可輸出4個(gè)擋位轉(zhuǎn)速，開溝刀安裝在刀具安裝軸上，在刀具安裝軸的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行開溝作業(yè)，扭矩傳感器安裝在汽油機(jī)與刀具安裝軸之間，可實(shí)時(shí)測定刀具轉(zhuǎn)速、作業(yè)功耗(扭矩與功率)，扭矩與功率采集頻率為1 Hz。測定數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器傳遞給上位機(jī)，顯示在上位機(jī)(數(shù)顯儀或Pad)的顯示屏上，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件由LabVIEW編寫，除可按照頻次采集瞬時(shí)扭矩與功率外，可自行控制采集一段時(shí)間內(nèi)的總功率。點(diǎn)式傳感器固定架上可安裝點(diǎn)式土壤傳感器，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過DMYB1808數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。刀具的入土深度通過開溝深度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整機(jī)架與限深輪之間距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的切拋組合式開溝刀作業(yè)性能，對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組，對(duì)照組為由切土刀組成的單一切土開溝刀(單一切土刀)，試驗(yàn)刀具如圖8所示。試驗(yàn)時(shí)，分別將切拋組合式開溝刀與單一切土刀安裝于自制的開溝刀具田間原位試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)以0.3 m/s速度前進(jìn)，30 m為一個(gè)行程，刀具安裝軸轉(zhuǎn)速為350 r/min，開溝深度為20 cm，開溝刀作業(yè)時(shí)將土壤拋出溝外。試驗(yàn)后，考察單側(cè)開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)、溝底浮土厚度、單側(cè)拋土幅寬、覆土厚度、拋土均勻性系數(shù)、開溝功耗，試驗(yàn)方法參照NY/T 740—2003《田間開溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》。

3.3.1開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)

測量兩個(gè)作業(yè)行程，沿行程方向等間距測量5處，兩行程共測10處。測量前先清除溝底及拋落在溝旁的土塊。在原地表與兩溝壑交線之間放一直尺，測量溝底中心點(diǎn)到直尺的距離作為測量點(diǎn)開溝深度。計(jì)算開溝深度平均值，得到開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。

3.3.2溝底浮土厚度

在與3.3.1節(jié)相同測點(diǎn)位置上選定對(duì)應(yīng)溝底中心為測量點(diǎn)，測量不同測量點(diǎn)的浮土厚度，計(jì)算平均浮土厚度。

3.3.3單側(cè)拋土幅寬

沿行程方向每3 m取一點(diǎn)，共取5點(diǎn)，沿垂直溝壁方向，測量開溝拋土區(qū)域外沿至溝邊距離，共測3個(gè)行程。

3.3.4覆土厚度

在3.3.3節(jié)測試方法對(duì)應(yīng)的各測量點(diǎn)處，沿垂直于溝壁方向，由內(nèi)向外依次分別收集測定20 cm×20 cm區(qū)域內(nèi)所拋土垡體積、質(zhì)量，并依據(jù)體積計(jì)算各區(qū)域覆土厚度。

3.3.5拋土均勻性系數(shù)

依據(jù)3.3.4節(jié)所收集稱量的各區(qū)域內(nèi)土垡質(zhì)量，計(jì)算拋土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差Q及拋土均勻性系數(shù)a。

3.3.6開溝功耗

開溝功耗由田間試驗(yàn)平臺(tái)的扭矩傳感器測得，功耗具體采集方法：試驗(yàn)進(jìn)行中，扭矩傳感器每隔1 s實(shí)時(shí)采集一次瞬時(shí)扭矩，可同時(shí)計(jì)算得到瞬時(shí)功率。試驗(yàn)完成后，上位機(jī)可讀出整個(gè)行程(5 m長度)的平均功率。同一深度功耗試驗(yàn)共進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3.3.7試驗(yàn)結(jié)果

切拋組合式開溝刀及對(duì)照刀具性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，開溝效果與功耗數(shù)據(jù)采集如圖9所示。由表1可知，切拋組合式開溝刀相比于單一切土刀拋土距離更加合理，拋土均勻性更好。切拋組合式開溝刀開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)、溝底浮土厚度優(yōu)于單一切土刀，說明切拋組合式開溝刀能夠?qū)⑼寥罀伋鰷贤?，而單一切土刀更易將土壤拋于溝?nèi)。切拋組合式開溝刀開溝功耗為0.127 kW，單一切土刀開溝功耗為0.123 kW，切拋組合式開溝刀相比于單一開溝刀，在增加拋土性能的情況下，僅增加3.1%的功耗，說明設(shè)計(jì)的切拋組合式開溝刀在提高開溝拋土質(zhì)量的同時(shí)，并未明顯增加開溝功耗。

表1 切拋組合式開溝刀性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4 開溝拋土功耗分析試驗(yàn)

由性能試驗(yàn)可知，切拋組合式開溝刀設(shè)計(jì)增加了拋土片，提高了開溝拋土質(zhì)量，但并未明顯增加開溝功耗。為研究這一現(xiàn)象的原理，在性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行基于切拋組合式開溝刀拋土規(guī)律的功耗分析試驗(yàn)，對(duì)切拋組合式開溝刀拋土沖擊力分布規(guī)律進(jìn)行分析。

3.4.1試驗(yàn)方法

因切拋組合式開溝刀開溝拋土過程中，土壤以無序群態(tài)進(jìn)行移動(dòng)，若在土壤移動(dòng)過程中設(shè)置一個(gè)截面，則土壤拋撒時(shí)均會(huì)通過此截面，若以此截面為基礎(chǔ)，設(shè)置力學(xué)傳感器，則可以采集土壤拋撒通過此截面時(shí)的沖擊力，根據(jù)功耗計(jì)算公式可知，開溝拋土功耗為土壤受力與土壤移動(dòng)速度乘積，土壤從開溝刀處飛出到達(dá)測試截面時(shí)速度變化不大，則截面處采集到的沖擊力可以客觀反映開溝功耗規(guī)律。試驗(yàn)采用以點(diǎn)代面的方法采集通過截面的土壤沖擊力，使用點(diǎn)式傳感器代替截面內(nèi)的一定區(qū)域，多個(gè)點(diǎn)式傳感器在截面內(nèi)規(guī)律排布，則可以點(diǎn)代面完成對(duì)通過截面土壤沖擊力的采集。

點(diǎn)式傳感器排布如圖10所示，測試截面內(nèi)等距排布7行×7列共49個(gè)傳感器，第1行離地高度為6 cm，其它行與行之間間距均為6 cm，第4列傳感器與刀具入土點(diǎn)對(duì)齊，以第4列為基準(zhǔn)，其它列與列之間間隔5 cm。為防止所有傳感器一起布置過于密集造成堵土，試驗(yàn)采用單排多次測量方式進(jìn)行，在試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)可上下移動(dòng)的傳感器固定架，固定架安裝在開溝刀后側(cè)，其幅寬可覆蓋整個(gè)開溝拋土寬度，在固定架上按照指定列間距安裝點(diǎn)式傳感器，每次試驗(yàn)測量一行，每一行測量3次，結(jié)果取平均值，一行測量完成后，按照指定行間距移動(dòng)固定架，再測量一行，共調(diào)節(jié)6次完成整個(gè)測試截面的數(shù)據(jù)采集。傳感器安裝完成后如圖11a所示。

本試驗(yàn)傳感器采用圓柱型點(diǎn)式微型土壓力傳感器(南京丹陌電子科技有限公司，DMTY型)。如圖11b所示，傳感器光潔面為受力面，另一面為支撐面，壓力傳感器直徑為16 mm、厚度為4.8 mm、量程為0.05～10 MPa。傳感器均接入DMYB型動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變儀通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，傳感器采集到的微應(yīng)變(微伏級(jí)別的電壓)通過應(yīng)變儀處理后輸入計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)前用靜力載荷對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定校零，傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)，轉(zhuǎn)換式為

pi=K(Fi-F0)

(12)

式中pi——傳感器受到的實(shí)時(shí)壓強(qiáng)，kPa

Fi——對(duì)應(yīng)于pi的輸出電信號(hào)應(yīng)變，μV

F0——傳感器零點(diǎn)輸出的電信號(hào)應(yīng)變，μV

K——傳感器標(biāo)定系數(shù)，為0.152 kPa/μV

實(shí)時(shí)壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為壓力，公式為

F=piπr2

(13)

式中F——傳感器采集到的側(cè)應(yīng)力，N

r——傳感器半徑，8 mm

試驗(yàn)時(shí)以30 m為一個(gè)行程，測定行程中段10 m穩(wěn)定作業(yè)長度內(nèi)的各傳感器采集到的總沖擊力。以相同的方法設(shè)置一組單一切土刀作為對(duì)照組。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖12所示。

3.4.2試驗(yàn)結(jié)果

茶園切拋組合式開溝刀與單一切土刀對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，由圖13可知，茶園切拋組合式開溝刀與對(duì)照組最大拋土沖擊力均出現(xiàn)在第4列，說明正對(duì)刀具的后方更易受到更大拋土沖擊力，拋切組合式開溝刀最大值在第3行第4列，最大值為74.5 N，對(duì)照組最大值在第4行第4列，最大值為83.6 N。切拋組合式開溝刀從第4行開始，各采集點(diǎn)沖擊力均不超過20 N，對(duì)照組僅第7行各采集點(diǎn)沖擊力均不超過20 N，說明切拋組合式開溝刀相比于對(duì)照組，靠近土壤的下方更容易受到較大土壤沖擊力；切拋組合式開溝刀第1、7列各采集點(diǎn)沖擊力均不超過20 N，對(duì)照組則第1、2、6、7列各采集點(diǎn)沖擊力均不超過20 N，說明切拋組合式開溝刀相比于對(duì)照組，拋撒土壤較大沖擊力的范圍更寬。

為了進(jìn)一步對(duì)比分析茶園切拋組合式開溝刀與對(duì)照組各區(qū)域所受沖擊力的情況，將各行、各列所受沖擊力總和計(jì)算，結(jié)果如圖14所示。由圖14a可知，切拋組合式開溝刀在距離地面更近的3行所受沖擊力大于對(duì)照組，對(duì)照組在另外4行大于切拋組合式開溝刀，切拋組合式開溝刀在第3行拋土沖擊力最大，為189.1 N，對(duì)照組在第4行拋土沖擊力最大，為143.6 N。

由圖14b可知，切拋組合式開溝刀在第1、2、3、6、7列所受沖擊力大于對(duì)照組，在4、5列沖擊力小于對(duì)照組，切拋組合式開溝刀與對(duì)照組均在第4列拋土沖擊力最大，分別為207.7、316.3 N，其它各列以第4列為中心，沖擊力依次減小。

此外，切拋組合式開溝刀所有行、列所受總沖擊力為588.7 N，對(duì)照組為612.0 N，說明切拋組合式開溝刀所受總沖擊力小于單一切土刀。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，切拋組合式開溝刀相比于單一切土刀，拋土的沖擊力更集中在靠近土壤下側(cè)區(qū)域，且在此區(qū)域沖擊力大于單一切土刀，而在上方區(qū)域拋土沖擊力小于單一切土刀。切拋組合式開溝刀在刀具正后方區(qū)域沖擊力小于單一切土刀，而在刀具后方兩側(cè)區(qū)域沖擊力大于單一切土刀，從側(cè)面反映出切拋組合式開溝刀向兩側(cè)拋土范圍更廣。

以上試驗(yàn)分析反映出切拋組合式開溝刀相比于單一切土刀，其拋土的正后側(cè)區(qū)域沖擊力減小，拋土的上方區(qū)域沖擊力減小，從而導(dǎo)致其拋土總沖擊力減小，因此在提高開溝拋土質(zhì)量的同時(shí)，并未明顯增加開溝功耗。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)能將溝內(nèi)土壤均勻拋撒至溝邊、不落于溝內(nèi)以便于施肥后回填，且開溝能耗不能過高的茶園機(jī)械化開溝要求，設(shè)計(jì)了適用于茶園開溝的切拋組合式開溝刀，對(duì)拋土刀拋土片的拋土過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，確定其關(guān)鍵參數(shù)拋土片寬度為8 cm、傾斜角為30°時(shí)，可保證拋土刀橫向拋土幅寬滿足農(nóng)藝要求。

(2)田間性能試驗(yàn)表明，切拋組合式開溝刀單側(cè)拋土幅寬為22.7 cm、拋土均勻性系數(shù)為90.3%、覆土厚度為2.1 cm、開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為87.8%、溝底浮土厚度為1.2 cm，對(duì)照組單一開溝刀的各參數(shù)分別為13.4 cm、84.3%、2.4 cm、82.3%、2.5 cm，說明切拋組合式開溝刀比單一開溝刀的拋土距離更符合茶園開溝實(shí)際，拋土均勻性與開溝穩(wěn)定性更好，所拋土壤不易落入溝內(nèi)，且未明顯增加開溝功耗。

(3)進(jìn)行了基于拋土規(guī)律的功耗分析試驗(yàn)，結(jié)果表明，與單一切土刀相比，切拋組合式開溝刀拋土的正后側(cè)區(qū)域沖擊力減小，拋土的上方區(qū)域沖擊力減小，從而導(dǎo)致其拋土總沖擊力減小，因此，在提高開溝拋土質(zhì)量的同時(shí)，并未明顯增大開溝功耗。