生产管理机械化岗位

徐丽明 马帅 沈聪聪 闫成功 谭好超 马俊龙 周慧能 郭朝阳

  1.开沟作业机构与原理

  开沟装置为自主研发的施肥机上的链式开沟装置，能够实现0-60cm开沟深度的调节，如图1a所示。链式开沟装置反向旋转，实现开沟刀向下切土和向后抛土(图1a)，将切割破碎后的土壤实时抛送至沟内。它主要由机架、链式开沟刀、板式链条、驱动链轮以及开沟轴等组成。链式开沟刀随板式链条一同开沟作业，由开沟轴提供驱动力。链式开沟刀（以下简称BS刀）共有BSR12~30,BSL12~30共10种（图1c）,是主要的耕作部件，为了降低开沟阻力与作业能耗，需要对链式开沟刀进行优化。

  2.仿生开沟刀的设计

  本研究受到雪橇犬爪趾向下挖洞，并将土壤后抛这一行为的启发，其刨土行为与开沟装置的运动行为有相似之处。因此，本文提出一种基于猎犬爪趾结构特征的链式开沟刀（BS）优化方法。主要步骤如图2所示：1.了解猎犬爪子结构特征；2.利用图像处理技术处理并识别爪趾上下轮廓曲线；3. 通过曲线拟合技术对轮廓曲线进行拟合，并求解拟合方程；4.利用方程式驱动函数以及等比例缩放功能，将拟合曲线整合到BS正切刃和背切刃上，构建仿生型链式开沟刀（以下简称FS刀）。

  由图3结果可知，在仿生刀中，并非每一把刀型的水平耕作阻力都有降低，但是所有FS的垂直耕作阻力全部降低。虽然仿生刀由于与土壤接触面积的增大导致整体开沟装置水平耕作阻力增加，但是其在垂直耕作阻力方面是显著降低的，且垂直耕作阻力的降低量大于水平耕作阻力的增加量，这也是使得仿生开沟装置的比能耗降低的主要原因。因此，从整体来看，装配有FS的开沟装置能够实现减阻降耗的作用。

  4 扰土效果对比分析

  增强土壤扰动效果有利于促进施肥作业过程中土-肥混合。在链式开沟作业装置中，没有关于土壤扰动和提高土壤活跃程度的评价指标。因此本研究提出以土壤扰动系数（图4）和土壤颗粒所富含的能量作为评价指标。

  随着时间增加，两种刀型的扰动系数(FSDC、BSDC)均成增加趋势。I区域的扰动系数明显高于O区域，表明地下减少的颗粒数量高于地上增加的颗粒数量，无论何种刀型，地下区域的扰土效果总是比地上的效果好。无论是在O区域还是在I区域，FSDC与BSDC的变化趋势一致，但是FSDC均高于BSDC刀，这表明FS刀能够携带更多的土壤工作，明显增加上抛土壤数量的同时降低I区域的颗粒数量，这与上述颗粒数量分析结果（图11）一致。相较于BS刀，FS刀的扰土效果显著更强，由此我们得出结论，FS刀提高扰土效果的一个重要原因是增加了扰动土壤的数量。

  作业过程中土壤颗粒的能量能够间接反应土壤运动的潜力。图5表示土壤颗粒的总能量（TE）变化规律。

  从图5中可知，随着时间的增加，两种刀型所对应的土壤颗粒总能量（FSTE、BSTE）呈增大趋势，其中 FS刀在任意时刻所引起的土壤总能量总是高于BS刀，这表明相对于BS刀，FS刀给予土壤的运动潜力更强，即更能活跃土壤，FS刀的扰土效果更好。从平均颗粒能量来看，FSAE与BSAE的能量曲线均呈现波峰-波谷相间的变化趋势。不论从TE还是AE来看，FS刀赋予的土壤能量均有较大的提升，FS刀在I区域的扰土效果相较于BS刀更好。

  5.田间试验

  为了对比分析BS刀和FS刀的能耗，加工出仿生刀（图6a）后必须进行现场试验，测试整个开沟装置的作业能耗。选择 T504 拖拉机作为动力源（图 6b），通过联轴器连接扭矩传感器和开沟轴。传感器由拖拉机的车载电源经升压模块转化后供电。扭矩传感器输出的电信号通过 F/V 转换模块转换成电压，电压值由数据采集卡实时采集并显示在计算机上。测试结果如图6c所示。

  由测试结果可知，随着开沟作业的进行，比能耗曲线呈现上下波动，在0.5s左右到达较小能耗。BS刀的平均比能耗为0.319kW·h/m3，FS刀的平均比能耗为0.304 kW·h/m3，降幅为3.76%。试验结果表明，采用FS刀的开沟装置能够明显降低作业能耗，优化结果较好，以仿生刀进行耕作阻力及土壤扰动机理的分析，具有学术理论与实践意义。