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行间耕整机通用刀辊设计与试验

庄维林  
【摘要】:东北黑土区是我国重要的产粮基地,然而东北黑土区土壤退化日益严重,严重影响了土地耕作的可持续发展,为解决这一问题,保护性耕作的实施势在必行,刻不容缓。玉米立茬覆盖等行距耕作模式是近年来提出的一种保护性耕作模式,这种耕作模式秋收后保留玉米根茬覆盖地表,第二年春天在两留茬行之间进行播种,并且种行与留茬行逐年交替。为实现农机与农艺相结合,实现保护性耕作的全程机械化,有必要研究此种耕作模式的配套机具。 行间耕整机能够在保证不破坏留茬的前提下,播种前对种行进行旋耕整地,为播种创造良好的种床条件,并通过合理的刀片排列,行间耕整机在满足行间旋耕的前提下,还能完成碎茬与全幅旋耕作业,实现一台机器三种功能的通用。本论文主要对行间耕整机刀辊进行设计,通过田间试验考察作业质量及功耗情况,并对该耕作模式下土壤参数和耕作阻力变化情况进行测试分析。 基于序列二次优化算法(SQP)对行间耕整机刀轴进行了优化设计,优化以刀轴截面面积最小为优化目标,在Matlab中对刀轴优化算法进行编程,优化运算结果为刀轴外径64mm,内径58mm,与传统设计相比节省材料43.7%;为完成行间旋耕、碎茬作业和全幅旋耕三种作业,刀辊上刀片排列采用多头螺旋线对称排列法,根据坂井纯单刀三角形扭矩模型,求解了多头螺旋线对称排列法的各单刀扭矩参数,并在Matlab中进行了刀辊扭矩的叠加推算,得出了刀辊扭矩的平均值。以刀片在整根刀辊上的四头螺旋线排列作为对比排列方案,对其扭矩进行叠加推算,结果表明多头螺旋线对称排列的平均扭矩和扭矩波动均较小,说明多头螺旋线对称排列下刀辊受到的冲击振动较小,排列合理。 将设计好的刀辊应用于1GH-3行间耕整机,并根据国标相关要求对其进行田间作业性能测试和功率消耗测试,作业性能试验结果表明三种作业各项指标能够满足后续作业要求。功耗试验结果表明行间耕整机行间旋耕时刀辊平均扭矩450N.m;碎茬作业时刀辊平均扭矩650 N.m;全幅旋耕刀辊平均扭矩600N.m,三种作业刀辊负荷平稳,无较大的冲击振动。初步验证了多头螺旋线对称排列的合理性;选取耕深H和机组前进速度v二个工作参数进行正交多项式回归分析,得出行间旋耕作业时工作参数对功率消耗影响的主次因素依次为耕深和前进速度,并通过正交回归试验得到刀辊运动参数对功耗影响的数学模型: W = 8. 055+0.0003H~2 -0.025H+1.85v+0.02vH 将立茬覆盖保护性耕作式与传统耕作模式进行对比,测定了播种后的1个月内0~20cm土层内土壤含水率和温度变化情况。试验数据表明立茬覆盖耕作模式0~10cm土层内土壤含水率和温度都有所增加,这对于种子的发育和幼苗的生长有促进作用,而10~20cm土层内含水率与温度的变化情况与传统耕作模式差异不大;根据行间旋耕作业中拖拉机压实问题,以机组前进速度为参数,设计了土壤压实对土壤容重和功率消耗的影响试验。土壤容重实验表明拖拉机压实对0~10cm土壤容重产生了显著影响,在v=0.5m/s、v=0.65m/s和v=0.92m/s三个工况下容重分别增加了8.5%、7.0%和6.2%;压实对10~20cm土壤容重影响不显著。功耗实验表明经拖拉机压实土后刀辊扭矩有所增大,但t检验结果表明扭矩增加不显著。 本论文的研究工作对立茬覆盖保护性耕作模式配套机具的进一步研究,如耕整、播种复式作业机的研究具有一定的参考价值。


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