王华泽 李光 李明森 侯锡彬 赵春凯 杨晶

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130021)

引言

保护性耕作技术具有防止土壤风蚀水蚀，增加有机质含量，培肥地力，促进农业可持续发展，保护耕地生态环境的作用[1,2]。随着保护性耕作进程的深入和推进，保护性耕作由原来单一的免耕技术向着包括条带耕作、覆混耕作、垂直耕作等少免耕技术进行多样性发展，对相应的配套机具作业质量和作业效率提出更高的要求[3]。

圆盘耙片作为耕整地机械的关键部件，具有切割、侧推、翻转和松碎土垡的作用，其结构参数直接影响着机具作业的整体效果[4,5]。耙片偏角作为重要的结构参数之一，对圆盘耙整机的耕深稳定性和耙片的入土性能有着显著影响[6,7]。为了进一步提高整机的作业性能和工作效果，需要了解圆盘耙单体工作过程中所受土壤三向反力随着不同偏角条件变化的规律。本文通过设计具有偏角调节功能的圆盘耙单体，在土槽实验室进行力学试验，利用三分力传感器获取耙片所受土壤三向力变化情况数据，为耙片结构参数的选择和联合整地机设计提供数据参考。

1 耙片单体设计

1.1 单体结构

为了让圆盘耙单体在具有偏角调节功能同时，也具备良好的通过性、缓冲性、安装便捷性，本圆盘耙单体设计时分为7个部分，分别由上盖板、限位板、角度主板、C型弹簧、传感器、下合板、耙片组成，如图1所示。

图1 圆盘耙单体结构图

1.2 工作原理

传感器和下合板通过4个长螺栓固定在主梁上，角度调节板通过内六角螺栓与传感器连接，然后用一根螺栓将上盖板、限位板、C型弹簧和角度调节板连接，作为角度调节旋转中心轴，再用螺栓将C型弹簧和限位板固定，作为一个连接整体一起围绕中心轴转动，最后利用螺栓将限位板后端调节孔和角度调节板的调节孔进行连接，如图1所示。角度主板上有不同调节孔位，每一个孔位代表一个度数，当需要调解时，使限位板后端孔位与角度调节板上所需孔位对齐即可完成调节，如图2所示。圆盘耙单体与传感器属刚性连接，耙片工作过程中所受土壤反力通过C型弹簧的变形及受力被传感器感知与收集。

图2 角度调节板示意图

1.3 试验台架

设计制造试验台架作为机车与圆盘耙单体连接平台，完成圆盘耙片单体的力学测试试验。根据耙片试验要求，试验台架结构参数：三点悬挂尺寸、高度调节范围、耙片偏角调节范围总体符合土槽作业条件，试验台架示意图如图3。

图3 试验台架示意图

1.4 工作特点

圆盘耙片通过偏角调节机构实现耙片的偏角的调节功能，结构参数偏角的不同使得耙片可以调节入土性能和切割土垡的效果。

圆盘耙片与C型弹簧连接通过带角度的过度板进行连接，使得耙片具有固定的倾角，倾角保证耙片在工作过程中具有侧翻性能。

圆盘耙单体通过C型弹簧将耙片与主梁进行连接，使得圆盘耙与主机架之间的连接不是纯刚性连接，而是柔性连接，起到缓冲、减震的作用，解决耙片在遇到较硬土壤或者有石块的耕地作业时对耙片造成的损坏，提高圆盘耙片的使用寿命。

圆盘耙单体的工作深度的调节依靠机车的液压系统调节试验台架三点悬挂点来实现。

1.5 工作参数

设计的圆盘耙片单体安装在试验台架上组成圆盘耙试验样机，其工作参数如表1。

表1 试验样机参数

1.6 采集系统

数据采集系统共由三分力传感器，如图4，三通道信号放大器，USB数据采集卡，24V直流电源和笔记本电脑组成，如图5。

图4 三分力传感器

圆盘耙单体在采集土壤三向力的过程中，先通过传感器将力学信号转化成电压值信号，然后通过三通道放大器，将转化的电压信号进行放大，再将放大后的信号传输进USB数据采集卡中，最后通过数据采集卡传入到PC笔记本中，利用PC端软件完成三向力的测量，以及数据读取和数据保存，如图6、图7。

图5 数据采集系统实物图

图6 控制示意图

图7 控制流程图

2 试验

2.1 试验条件及设备

本次试验地点选择在吉林省农业机械研究院土槽实验室，土槽长宽分别为50m和3m；动力牵引装置为土槽试验车，总牵引动力110kW；试验台架幅宽1.2m，如图8。土槽实验室土壤环境条件如表2所示。

表2 试验前土壤检测指标

图8 土槽试验台架

本次力学测试选用的圆盘耙片为意大利马斯齐奥的耙片[8]，直径610mm，厚度6mm,曲率半径为850mm,缺口大小90mm×44mm，连接方式为C型弹簧连接，如图9。

图9 耙片

2.2 试验方案

试验方案采用保持作业速度V=5km·h-1，作业深度H=100mm 2个作业影响因素不变的情况下，让耙片偏角等梯度增加，测试土壤三向反力随耙片偏角变化的规律。耙片偏角调节机构的偏角调节范围为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，每调节一个偏角，试验重复3次取平均值[9,10]。

土槽实验室内的土槽总长度共50m，牵引机车在土槽里运动分为3个阶段：加速阶段、稳定阶段、刹停阶段。通过测量，牵引机车从起始点到加速到5km·h-1大约需要20m，刹停距离大约需要10m，每次数据采集位置为起始点开始25m处，打开数据采集软件开始采集数据，经过10m的采集距离后，结束数据采集，并保存数据。待机车刹停之后，安装台架连同装置一同抬起，并反向运动到起始点，将调节装置在安装横梁上进行450mm横向串动，避开上次测量时留下的深沟，并准备好下一次试验。每2次试验后对土槽内的土壤进行平整镇压，并对土壤相关指标进行测量，保证每次试验条件的一致性。

2.3 结果与分析

将采集好的数据进行处理，去除无效数值，求取3次试验的平均值，如表3。在V=5m·s-1,H=100mm保持不变的条件下，土壤的牵引阻力Fx随着偏角的增加先减少后增加，在偏角a=25°左右达到稳定值，如图10；土壤的侧向力Fy随着偏角的增加而增加，在偏角a=25°左右达到稳定值，如图11；土壤的垂直反力Fz随着偏角的增加而减少，如图12。土壤反力与偏角之间的曲线关系说明,在满足耙片入土性能和耕深稳定性前提下，应该使用最小的偏角，以减少总功率消耗。

表3 不同偏角条件下的土壤三向反力

图10 V=5m·s-1,H=100mm土壤牵引阻力随偏角变化曲线

分析产生原因，耙片所受土壤牵引阻力和侧向力随着偏角加大，切土宽度增加，耙片背部与土壤接触面积增大，来自土壤的反向挤压力增加，消耗总功率增大，造成牵引阻力和侧向力增加。随着耙片偏角增加，在机具总重量不变的条件下，耙片切土性能增强了，说明垂直反力在减小。耙片在偏角a=-25°左右范围作业时，耙片所受土壤三向反力与背部承受土壤压力达到相对平衡，可使耙片保持相对稳定的工作状态。

图11 V=5m·s-1,H=100mm土壤侧向力随偏角变化曲线

图12 V=5m·s-1,H=100mm土壤垂直反力力随偏角变化曲线

3 结论

利用C型弹簧、角度调节板、压板、限位板和三分力传感器组成的耙片连接件与缺口耙片组成圆盘耙单体，此圆盘耙单体可以实现0°～30°范围偏角调节功能。

通过在土槽实验室进行耙片单体偏角对土壤反力影响规律的试验，得出在作业速度V=5km·h-1，作业深度为100mm条件下,土壤三向反力随耙片偏角的变化规律为土壤的牵引阻力Fx随着偏角的增加先减少后增加，在偏角a=25°左右达到稳定值；土壤的侧向力Fy随着偏角的增加而增加，在偏角a=25°左右达到稳定值；土壤的垂直反力Fz随着偏角的增加而减少。耙片在偏角a=-25°左右范围作业时，可使耙片保持相对稳定的工作状态。土壤反力与偏角之间的曲线关系说明，在满足耙片入土性能和耕深稳定性前提下，应该使用最小的偏角，以减少总功率消耗。此结论为耙片单体的结构参数的选择和整机设计提供数据参考。