马铃薯碎土整地联合作业机设计与试验_吕金庆.pdf

2 0 2 3 年 8 月农 业 机 械 学 报第 54 卷 第 8 期doi:106041/j issn 1000-1298 2023 08 002马铃薯碎土整地联合作业机设计与试验吕金庆1刘金妮1赵治明1杨德秋2李季成1孙琪1(1 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030;2 中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083)摘要:针对东北地区整地作业中，结块多、土壤残茬严重、犁底层加厚等问题，根据我国现有的东方红 75/802 型拖拉机的动力条件，设计了一种适用于马铃薯田的驱动式碎土整地联合作业机。该机是根据国外先进的土壤保护耕作法，结合东北地区土壤情况和马铃薯田整地要求设计的一种机具。本文阐述了机器整体结构及工作原理，设计了碎土辊，分析了碎土辊运动过程、碎土辊工作过程中楔形齿所受的阻力及碎土辊作业时所需功率，基于 EDEM离散元仿真技术，建立了部件 土壤仿真模型，以土壤破碎率为试验指标，以碎土直齿末端倾角、碎土直齿边长和机组速度为试验因素进行仿真试验，在仿真基础上进行田间试验，试验结果表明，所设计的碎土整地联合作业机碎土率为 98.45%、平均耕深为 14.5 cm、机组速度为 5.7 m/s、碎土辊消耗功率为 19.24 kW，具有良好的作业效果，满足马铃薯田整地作业要求。关键词:马铃薯;整地联合作业机;楔齿碎土辊;离散元法中图分类号:S224.1文献标识码:A文章编号:1000-1298(2023)08-0019-11OSID:收稿日期:2022 11 19修回日期:2023 02 08基金项目:国家马铃薯产业技术体系岗位科学家专项(CAS 09 P23)作者简介:吕金庆(1970)，男，教授，博士生导师，主要从事机械设计理论及马铃薯机械化装备研究，E-mail:ljq8888866666163 comDesign and Test of Key Components of Potato Soil-crushingSite Preparation MachineL Jinqing1LIU Jinni1ZHAO Zhiming1YANG Deqiu2LI Jicheng1SUN Qi1(1 College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China2 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co，Ltd，Beijing 100083，China)Abstract:In view of the problems faced in the land preparation operation in northeast China，such asmore clods，serious soil stubble and thickened plow bottom layer，a driven soil crushing and preparationcombination machine mainly applicable to potato fields was designed according to the power conditions ofthe existing Dongfanghong 75 and 802 tractors This was a new type of machine designed according tothe advanced foreign soil conservation tillage method and developed by combining the soil conditions ofthe northeast and the requirements of potato field preparation The overall structure and working principleof the machine were described By designing the soil crushing roller，the author clarified and analyzedthe soil crushing roller motion process，the resistance of the wedge-shaped teeth during the workingprocess of the soil crushing roller and the power required during the operation of the soil crushing rollerBased on EDEM discrete element simulation technology，a component-soil simulation model wasestablished with soil crushing rate as test index，and end deflection angle of crushing straight tooth，length of crushing straight edge and unit speed as test influencing factors for simulation experiments Thefield tests were conducted on the basis of simulation The test results showed that the designed soilcrusher had a soil crushing rate of 98.45%，an average tillage depth of 14.5 cm，a unit speed of 5.7 m/s anda crushing roller power consumption of 19.24 kW，which proved to have a good operation effect and metthe requirements of potato field preparationKey words:potato;soil preparation machine;wedge-toothed soil crushing roller;discrete elementmethod0引言马铃薯作为一种生长在土壤中的块茎作物，对土壤要求较高，种植前需要对土壤进行细碎、蓬松。目前，东北地区由于化肥的过量施用、有机肥的减少、过度耕作等原因，存在着土壤板结、结块多、土壤残茬严重、犁底层加厚等问题，严重影响马铃薯机械化播种、收获等田间作业以及马铃薯的产量与品质。研究马铃薯种床土壤保护性耕整地技术及装备具有重要意义1。采用土壤保护耕作方法，能减少土壤表土的风蚀、水蚀、沙蚀、土壤有机质的流失程度2。采用土壤保护耕作，表土侵蚀将减少 50%;燃油消耗减少30%40%;农作物产量提升 10%15%;在干旱年份增产的幅度更大3。目前，各个国家都在向更加节能高效、联合少耕的机械化发展，有效地提高翻耕与播种质量4。保护性耕作整地机械多适用于小麦、大豆等作物，对马铃薯田整地适应性 较差5 6。碎土机械，包括铧式犁、圆盘犁、耕耙犁、深松机、松耙机和旋耕机等7 8。近年，国外回转式耕作机械发展迅速9，配合大动力拖拉机使用，效率和质量都较高10。具有代表性的格兰 CTS 系列保护性耕作大型联合整地机，可有效地混合作物残茬，打破犁底层，一次可完成种床准备。美国 Yetter 2984Maverick H Plus 型条带耕整机，安装有安全回位弹簧，可以根据作业要求单独调节，提高其仿形能力和寿命，但碎土能力不强。国内保护性耕作与国外相比发展较晚，近年来逐渐引起人们重视11。解宏图等12 设计了一种秸秆覆盖条带深松浅耙联合整地机，配有粉碎机构、深松犁、浅旋机构、深旋机构和镇压机构，主要针对东北地区玉米作物保护性耕作需求。黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的1GZL 350 型深松联合整地机13，一次进地可完成耕地的灭茬、旋耕、碎土、深松、起垄和镇压等作业，主要适用于玉米、高粱和烤烟等作物。东北马铃薯田保护性耕作的机具较少，大多数用于保护性耕作的整地机在土壤板结等复杂情况下碎土率难以保证，不能达到东北地区马铃薯田碎土整地的预期效果14。本文针对我国东北地区马铃薯田结块多、土壤残茬严重、犁底层加厚情况，设计一种马铃薯碎土整地联合作业机。对关键部件碎土辊进行设计，阐述并分析碎土辊轴运动过程、碎土辊回转过程中楔齿所受的阻力及碎土辊工作时消耗的功率，同时进行仿真模拟试验，获得碎土直尺最优参数组合和最优运行速度，并对仿真结果进行田间验证。1整体结构与工作原理1.1整体结构碎土整地联合作业机结构图如图 1 所示，整机主要由深松铲、碎土辊、悬挂架和镇压辊等关键部件组成。图 1碎土整地联合作业机整体结构图Fig 1Overall structure diagrams of soilcrushing and land preparation machine1 深松铲2 碎土辊3 悬挂架4 镇压辊机架前安装 2 个深松铲左右对称排列，深松铲尖切削入土，并将两端土壤向两侧进行挤压，同时对200 250 mm 犁底层和部分 250 mm 以上心土层的板结土壤进行破除，减小碎土辊碎土过程中所受阻力15;为播种创造良好种床条件，中间装有碎土辊，起到强烈切碎土壤的作用。随即镇压辊镇压，使其土壤容重有所增加，一般达 1.2 g/cm3以上，防止水分蒸发，有利于种子与土壤接触及吸收水分出全苗。通过采用碎土辊机架配置的托板和改变镇压辊相对于碎土辊的位置调节耕深，并用拖拉机液压悬挂装置限制碎土辊的最大耕深。1.2工作原理和主要技术参数1.2.1工作原理采用三点全悬挂式与拖拉机挂接。作业时深松铲先对土壤进行深松，碎土辊在已翻地和未翻的熟地上耙碎土垡，并将大土块从土层中分离抛出，由后面齿形滚筒镇压器进一步碎土和压实表层土壤，起到土壤表土的防蚀作用。为了避免作业时遇到大石块碎土辊上的钉齿折断，设计时应考虑以镇压辊为支点，碎土辊升起，越过大石块。此过程由可伸缩式的上拉杆来实现。1.2.2主要技术参数设计的碎土整地联合作业机主要参数如表 1所示。2关键部件设计2.1楔齿碎土辊装置设计楔齿碎土辊结构图如图 2 所示，35 个碎土直齿安装在齿座中，齿座在碎土辊轴上以螺旋方式进行焊合。碎土辊主要作用是破碎土块，为马铃薯播种创02农业机械学报2 0 2 3 年表 1碎土整地联合作业机主要技术参数Tab1Main technical parameters of soilcrushing and soil preparation machine参数数值外形尺寸(长 宽 高)/(mm mm mm)1 700 2 400 1 350发动机功率/kW55整机质量/kg950工作幅宽/mm2 000碎土辊工作直径/mm500碎土辊转速/(r min1)294碎土辊工作深度/mm80 140图 2楔齿碎土辊整体结构图Fig 2Overall structure diagrams of wedge-shapedsoil crushing roller1 碎土辊轴2 齿座3 碎土直齿造良好种床条件。根据黑龙江省土壤情况和马铃薯土壤播种要求，设计碎土辊时应满足以下条件:满足碎土作业农业技术及质量要求。根据土壤墒情和耙地时间，确定耙深，一般轻耙为 8 10 cm，重耙为12 15 cm。耙深误差在 1 cm 范围内。碎土后耕层内无大土块及空隙，每平方米耕层内，直径 5 10 cm 土块不得超过 5 个;沿播种垂直方向，在 4 m宽地面上，高低差不超过 3 cm16。不漏耙，不拖堆。相邻作业幅重复耙量不