Design and simulation of hydraulic driven disc harrow
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摘要:目的
针对长江中下游地区土壤黏重板结、秸秆量大和土壤含水率波动大的作业情况，设计一种液压驱动式圆盘耙。
方法分析确定圆盘耙结构和作业参数及液压驱动系统的设计，依据机组前进速度确定圆盘耙组转速；分析得出缺口圆盘耙片的运动轨迹及满足功能要求的耙片临界偏角；基于ANSYS/LS-DYNA对圆盘耙片切削土壤过程进行有限元仿真分析。
结果圆盘耙组转速为60~168 r·min–1，耙片临界偏角为23°。仿真结果表明：圆盘耙片刃口切削土壤其耕作阻力呈周期性变化，随切削土壤深度的增加耕作阻力逐渐变大，后趋于稳定；对比被动圆盘耙片与液压驱动圆盘耙片作业效果，液压驱动圆盘耙片抛翻土量大，耕深稳定。田间试验表明：液压驱动式圆盘耙耕深为85~120 mm，耕深稳定性变异系数为9.6%。
结论液压驱动圆盘耙组作业效果达到设计要求。
Abstract:ObjectiveTo design a hydraulic driven disc harrow, and to use it under the working conditions of the middle-lower Yangtze plain with sticky and sealing soil, large amount of rice straws and fluctuating soil moisture content.
MethodThe structure and operation parameters of the disc harrow were analyzed and the hydraulic driven system was designed. The rotary speed ranges of the hydraulic motor were determined according to the forward speed of the system. The motion trajectory of the notched disc was analyzed and the critical angle of the disc was determined. The process that the disc cutting the soil was analyzed using the finite element simulation method based on ANSYS/LS-DYNA.
ResultThe rotary speed of hydraulic motor ranged from 60 to 168 r·min–1. The critical angle of the disc was 23°. The simulation results showed that the resistance of soil cutting by the disc changed periodically, increased gradually as soil depth increased and then became stable. Compared with a negative disc, the hydraulic driven notched disc could rotate more soil and its tillage depth was more stable. Field experiment showed that the tillage depth for the hydraulic driven notched disc was 85–120 mm and the coefficient of variation for stability in tillage depth was 9.6%.
ConclusionThe hydraulic driven disc harrow meets the design requirements.
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Keywords:
- agricultural machinery /
- disc harrow /
- hydraulic drive /
- finite element method /
- notched disc
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1. 基础群组建
W51系是以种猪公司所辖的水台原种场所存栏的原华农温氏Ⅰ号猪配套系的长白猪HN151系354头为基础育种素材，期间于2006年从丹育公司引入3个血统，2007年从广西柯新源种猪公司引入3个血统作为优化种猪血缘血统的素材。
2. W51系的育种目标
按照专门化母系父本来选育，以繁殖性能较高、体型好、生长速度较快、眼肌面积大为综合选育方向，以总产仔数、达115 kg背膘厚、30~115 kg日增重、达115 kg眼肌面积为主选性状，注重高长的体型架构选择。具体指标如下：
1) 体型外貌：体型呈流线形，体躯长，骨架大；头颈清秀，鼻嘴狭长，耳较大向前倾或下垂；腹线平直，肌肉紧凑，肢蹄稳健；皮毛全白。有效乳头数6对以上，排列均匀。
2) 肥育性状：校正30~115 kg日增重, 公猪达850 g、母猪820 g。
3) 胴体性状：校正115 kg背膘厚, 公猪14.0 mm、母猪15.0 mm; 校正115 kg眼肌面积, 公猪32 cm2、母猪30 cm2。
4) 繁殖性状：母猪初配日龄220~245 d，初配体重120 kg以上, 平均总产仔数11.0头以上(初胎10.0头以上)，平均产活仔数10.0头以上(初胎9.0头以上)，平均产健仔数9.5头以上(初胎9.0头以上)，平均21日龄窝重52 kg以上(初胎50 kg以上)。
5) 各性状经济加权值：校正背膘0.25、校正日增重0.2、眼肌面积0.10；产总仔数0.15、产健仔数0.15、21日龄窝重0.15。
3. W51专门化品系选育
3.1 选育方法
以数量遗传学结合分子遗传学理论为基础，采用开放式核心群群体继代选育方法进行选育。根据实际需要在中途适度引进部分优秀公猪精液和活体公猪补充血缘，淘汰群体中差血缘，也从扩繁群中选留少量优秀母猪进入核心群来提高群体的遗传性能。在选配方面，在控制血缘配种量和近交情况下，主要采用优配优同质选配，再辅以优配差异质选配的精细化选配方式，提高后代遗传性能。
根据核心群选育要求进行性能测定，生长性状和繁殖性状用BLUP法多性状模型估计主选性状育种值，并按照各主选性状的经济加权合成选择指数，结合现场体型外貌评估、分子标记检测结果选择后备种猪。根据种猪遗传评估结果的遗传性能和各阶段选留标准对断奶、保育舍、测定站、终测后等4个阶段进行选留，且选留时要控制选择强度, 加大核心群种猪更新率, 以加快遗传进展的传递速度。
在分子标记辅助育种方面，对该品系肋骨数基因标记进行检测和验证，发现其阳性基因纯合子QQ与肋骨数呈较高的遗传相关，而且优势基因Q的频率为92.5%，所以采用选配加分子检测方法对肋骨数基因进行纯合选育，使存栏公母猪的肋骨数基因的基因型都是QQ。
3.2 血统和选育性状的演变
2005年，公司组建W51系核心群，规模为505头，有12个血统。期间，于2006年从丹育公司引入3个血统，2007年从广西柯新源种猪公司引入3个血统，血统数共18个。至2014年底，淘汰了背膘较厚、体型差、繁殖指数低的8个血统，保留了生长速度快、背膘薄、繁殖性能好、体型好的血统10个，核心基础群母猪存栏647头。血统演变详细情况见表 1。
表 1 W51系的血统选择演变情况项目 组群时的血统 引入血统 淘汰血统 目前的血统 编号 B-10、B-8、GN00-13711、GS01-
17303、GS01-17603、GS01-41303、
GS01-53005、S01-19405、GS03-
04807、K-20、L625、LA1005308、013011、
002604、K-2505、
K-3409、K-1305B-10、B-8、GN00-
13711、GS01-17303、
GS01-17603、013011、
K-2505、K-1305GS01-41303、GS01-53005、
GS01-19405、GS03-04807、
K-20、L625、LA1、005308、
002604、K-3409数量 12 6 8 10 该品系从2005年作为专门化母系选育以来，经过了5.82个世代数，平均世代间隔为1.55年。作为母系猪，2002—2005年进行综合选育，主要对生长发育性状的背膘厚、日增重以及繁殖性能的活仔数和21日龄窝重进行选择；2005年开始将它作为母系第一父本进行选育，加强对体型和繁殖性能的选择；2011年进一步加强对体型和繁殖性能(总产仔数、活仔数和21日龄窝重)的选择，并其将纳入繁殖指数中，所以生长速度相应放缓。2012年开始使用B超仪测定眼肌面积，增加了对眼肌面积性状的选育。
3.3 W51系各血统的近交系数
W51系各血统的近交系数见表 2。由表 2可以看出，除了K-3409和GS01-41303这2个血统的近交系数较高外，其他血统的近交系数都控制得比较好。GS01-41303血统生产母猪的近交系数较高(5.00)，不会对整个血统以及群体的近交系数造成较大影响；而K-3409血统生产公猪的近交系数较高(5.39%)，在使用过程中需要注意选配时与母猪的近交系数，从而控制群体近交系数上升。
表 2 W51系中各血统的近交系数% 血统 选留前 后备 生产公猪 生产母猪 合计 005308 1.55 0.94 0.85 1.11 1.53 K-3409 1.51 1.09 5.39 1.24 1.52 005301 1.59 2.63 1.67 1.96 1.65 GS01-41303 1.46 0.58 5.00 1.54 GS01-53005 1.64 1.33 1.47 1.63 L625 1.77 0.98 1.76 GS01-19405 1.33 0.97 1.32 GS03-04807 0.74 0.00 0.74 K-20 1.76 2.32 2.03 1.34 1.73 L625 1.6 1.96 1.47 1.60 1.61 3.4 选育进展
2005年以前，该品系的繁殖性状只记录总产仔数和活仔数，从2005年开始，记录总产仔数、活仔数和健仔数。2002—2014年，W51系的繁殖性能情况见表 3。
表 3 专门化品系W51主要繁殖性状表型测定的变化趋势1)年份 胎次 总仔数 活仔数 健仔数 21日龄窝重 样本量 表型值/头 CV/% 样本量 表型值/头 CV/% 样本量 表型值/头 CV/% 样本量 表型值/kg CV/% 2002 初 218 10.70±0.14 19.32 218 9.38±0.14 22.04 204 55.85±0.80 20.46 经 519 11.66±0.10 19.53 519 10.39±0.09 19.72 497 62.66±0.55 19.46 2003 初 162 10.65±0.15 17.93 162 9.77±0.14 18.25 160 56.97±0.73 16.15 经 403 11.49±0.11 19.22 403 10.32±0.10 19.45 394 58.65±0.55 18.61 2004 初 326 10.34±0.10 17.46 323 9.08±0.10 19.79 157 50.31±0.75 18.68 经 668 10.75±0.07 16.83 667 9.85±0.06 15.73 393 59.68±0.45 14.95 2005 初 350 10.89±2.11 19.38 350 10.01±1.98 19.78 337 9.81±1.93 19.67 335 59.51±9.85 16.55 经 816 11.24±2.08 18.51 816 10.29±1.97 19.14 801 9.94±1.92 19.32 801 61.68±10.69 17.33 2006 初 343 10.98±1.98 18.03 343 10.15±1.95 19.21 331 9.95±1.90 19.10 328 60.54±9.95 16.44 经 800 11.39±2.13 18.70 800 10.53±2.01 19.09 782 10.18±1.96 19.25 785 62.42±9.65 15.46 2007 初 338 11.13±2.11 18.96 338 10.24±1.98 19.34 324 10.04±1.93 19.22 323 61.12±10.32 16.88 经 718 11.28±2.15 19.06 718 10.58±2.01 19.00 705 10.23±1.96 19.16 703 63.71±10.73 16.84 2008 初 318 11.03±2.11 19.13 318 10.19±1.97 19.33 303 9.99±1.92 19.22 303 62.41±9.58 15.35 经 708 11.36±1.95 17.17 708 10.47±1.87 17.86 696 10.12±1.82 17.98 693 64.78±11.25 17.56 2009 初 332 11.11±2.11 18.99 332 10.16±1.98 19.49 782 9.96±1.93 19.38 317 63.75±10.21 15.83 经 705 11.14±2.02 18.13 705 10.04±1.87 18.63 691 9.69±1.82 18.78 690 65.72±12.04 18.18 2010 初 388 10.88±1.98 18.20 388 10.08±1.81 17.96 375 9.88±1.76 17.81 373 63.71±10.34 16.28 经 863 11.30±2.04 18.05 863 10.26±1.85 18.03 848 9.91±1.80 18.16 848 65.87±11.33 17.30 2011 初 408 11.05±2.07 18.73 408 10.19±1.84 18.06 396 9.99±1.79 17.92 393 64.54±10.58 16.39 经 907 11.37±1.99 17.50 907 10.87±2.01 18.49 782 10.52±1.96 18.63 892 65.94±11.16 16.62 2012 初 415 11.07±2.01 18.16 415 10.31±1.87 18.14 401 10.11±1.82 18.00 403 64.35±10.64 16.53 经 838 11.39±2.07 18.17 838 10.69±1.85 17.31 825 10.34±1.80 17.41 811 66.75±10.40 15.46 2013 初 442 11.01±2.01 18.26 410 10.01±1.81 18.08 395 9.81±1.76 17.94 395 63.98±10.74 16.79 经 914 11.52±1.97 17.10 914 10.58±1.86 17.58 902 10.23±1.81 17.69 899 66.88±10.32 15.43 2014 初 451 11.16±2.11 18.91 451 10.16±1.85 18.21 782 9.96±1.80 18.07 412 64.59±10.89 16.86 经 886 11.98±2.06 17.2 881 11.02±1.83 16.61 867 10.67±1.78 16.68 846 66.95±10.54 15.70 1)表型值为平均数±标准差，CV为变异系数 由表 3可以看出，该品系的总产仔数和活仔数的表型值逐渐升高，至2014年总产仔数达到经产11.98头、初胎11.16头，活仔数达到经产11.02头、初胎10.16头；健仔数的变化趋势不明显，2005— 2009年基本上没有提高，这是因为以前主要针对总产仔数和活仔数来选育，没有对健仔数进行选育。2010年后针对健仔数进行选择，选育效果较为明显，2009—2014年经产健仔数由9.69头提高到10.67头，初产健仔数保持在9.96头。由于寄养的原因21日龄窝重变化不明显，但也略有提高，2014年达到初产64.59 kg、经产66.95 kg。3个繁殖性状指标的变异系数总体上呈下降趋势，2014年全部控制在19%以下，说明繁殖性状的遗传一致性在逐年提高。
2002—2014年，W51系的主要生长发育性状表型值见表 4。由表 4可以看出，该品系的校正背膘厚表型值呈逐渐降低的趋势，校正30~115 kg日增重在2002—2009年期间有所提高、2010年后增加不明显，这主要是因为近几年增加了对种猪的体型选择强度，同时也加入了对眼肌面积的选择。眼肌面积从2012年开始测定和选择，也逐年有所提高。2014年30~115 kg日增重为公猪899.30 g、母猪860.66 g，达115 kg背膘厚为公猪12.34 mm、母猪12.39 mm，达115 kg时眼肌面积公猪38.79 cm2、母猪41.22 cm2。主要生长性能指标的变异系数总体上呈下降趋势，2014年全部控制在9%以下，说明W51经过选育，生长性状的遗传一致性在逐年提高。
表 4 专门化品系W51主要生长性状表型测定的变化趋势1)年份 性别 校正30~115 kg日增重 校正115 kg背膘厚 校正115 kg眼肌面积 样本量 表型值/g CV/% 样本量 表型值/mm CV/% 样本量 表型值/cm2 CV/% 2002 母 2 364 808.34±76.92 9.52 2 364 18.19±2.22 12.07 公 477 893.27±72.61 7.95 477 16.23±1.87 11.52 2003 母 1 762 824.34±71.36 8.76 1 762 17.83±1.96 10.99 公 340 897.89±68.94 7.51 340 15.77±1.38 8.75 2004 母 1 604 859.05±78.88 9.51 1 604 16.88±1.87 10.46 公 409 921.12±89.34 9.70 409 14.89±1.51 9.88 2005 母 2 245 856.19±74.09 8.65 2 270 18.29±1.74 9.51 公 1 117 917.14±89.91 9.8 1 125 14.99±1.58 10.54 2006 母 2 337 851.61±76.29 8.96 2 435 17.44±1.72 9.86 公 1 171 912.74±69.40 7.60 1 177 14.33±1.34 9.35 2007 母 2 397 822.67±75.8 9.21 2 401 16.58±1.32 7.96 公 1 201 881.93±79.16 8.98 1 210 14.42±1.21 8.39 2008 母 2 469 821.95±77.37 9.41 2 486 16.45±1.32 8.02 公 1 235 856.75±76.34 8.91 1 245 14.26±1.24 8.70 2009 母 2 557 823.70±73.03 8.87 2 569 16.29±1.37 8.41 公 1 282 917.79±75.89 8.27 1 295 15.47±1.31 8.47 2010 母 2 698 774.39±69.14 8.93 2 685 15.92±1.22 7.66 公 1 349 848.22±75.33 8.88 1 351 14.67±1.31 8.93 2011 母 2 761 782.29±70.28 8.98 2 778 15.51±1.23 7.93 公 1 387 841.38±76.59 9.1 1 392 14.21±1.18 8.30 2012 母 2 876 848.83±76.13 8.97 2 891 15.71±1.35 8.59 1 576 37.91±3.61 9.53 公 1 438 890.29±71.73 8.06 1 446 14.73±1.08 7.33 1 038 35.39±3.29 9.30 2013 母 2 930 862.89±69.21 8.02 2 943 14.21±1.02 7.18 2 130 39.02±3.67 9.40 公 1 467 924.48±81.15 8.78 1 472 13.76±1.18 8.58 1 167 36.25±3.47 9.57 2014 母 2 831 860.66±74.55 8.66 2 941 12.39±1.05 8.47 2 831 41.22±3.45 8.38 公 1 465 899.30±75.62 8.41 1 482 12.34±1.04 8.43 1 465 38.79±3.21 8.27 1)表型值为平均数±标准差，CV为变异系数 2002—2014年，W51系的体长、体高测定情况见表 5。由表 5可以看出，该品系的体长和体高的表型值都有所升高，但幅度不大。2014年达115 kg终测的体长为公猪121.26 cm、母猪119.14 cm，体高为公猪61.23 cm、母猪61.15 cm。各年度体长、体高的变异系数很小，尤其是2012年后，基本都控制在3%左右，说明猪只一致性较好。
表 5 W51系主要体尺性状表型测定的变化趋势1)年份 性别 样本量 终测体长 终测体高 表型值/cm CV/% 表型值/cm CV/% 2002 母 2 364 119.10±0.05 2.2 60.80±0.03 2.73 公 477 122.57±0.12 2.1 62.99±0.33 2.89 2003 母 1 761 119.21±0.11 3.73 60.85±0.06 5.2 公 340 123.08±0.18 2.64 63.26±0.12 3.43 2004 母 1 604 118.34±0.08 2.76 60.62±0.06 3.93 公 409 120.75±0.24 3.98 62.01±0.18 5.99 2005 母 2 270 117.51±2.89 2.46 59.59±1.94 3.25 公 1 125 120.82±3.17 2.62 61.49±1.88 3.05 2006 母 2 435 117.20±3.40 2.90 60.17±1.78 2.96 公 1 177 121.04±2.91 2.40 61.49±2.08 3.38 2007 母 2 401 117.53±2.83 2.41 60.15±1.51 2.51 公 1 210 120.72±2.43 2.01 61.75±1.60 2.59 2008 母 2 486 115.63±3.58 3.10 60.55±1.61 2.66 公 1 245 118.73±2.42 2.04 61.93±1.56 2.52 2009 母 2 569 115.54±3.26 2.82 60.75±1.51 2.49 公 1 295 118.76±3.11 2.64 61.85±1.60 2.59 2010 母 2 685 115.74±3.06 2.64 61.55±1.61 2.62 公 1 351 119.16±3.19 2.70 61.93±1.56 2.52 2011 母 2 778 116.16±3.35 2.88 60.69±2.38 3.92 公 1 392 119.60±3.69 3.11 62.56±2.16 3.45 2012 母 2 891 116.40±3.44 2.96 60.97±2.07 3.40 公 1 446 118.77±3.52 2.96 62.49±2.08 3.33 2013 母 2 943 116.16±2.49 2.14 60.06±1.51 2.51 公 1 472 118.48±2.45 2.07 61.25±1.60 2.61 2014 母 2 756 119.14±3.46 2.90 61.15±1.61 2.63 公 1 482 121.26±3.51 2.89 61.23±1.56 2.55 1)表型值为平均数±标准差 W51系的主要繁殖性状和生长发育性状的育种值变化情况见表 6。由表 6可以看出，2002—2010年总产仔数和产活仔数的育种值变化比较平缓，2010年以后逐年上升，这与选育目标的调整有关；除2014年外，健仔数的变化趋势与总仔数的遗传趋势基本一致；21日龄窝重的变化趋势与产仔数基本一致，但变化幅度相对较大。日增重和眼肌面积都呈逐年上升趋势，背膘厚在2002—2013年期间下降明显，2013—2014年略有上升。总体来说，该品系的选育效果较为明显。
表 6 W51系主要性状的遗传趋势性状 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 样本量 育种值 总仔数 1 763 0.31±1.07 1 175 0.37±1.16 1 572 0.38±1.12 1 890 0.30±1.15 1 915 0.42±1.25 2 070 0.41±1.16 2 137 0.25±1.21 2 192 0.14±1.15 2 325 0.16±1.19 2 411 0.29±1.29 2 420 0.53±1.29 2 115 0.73±1.20 510 1.28±1.32 活仔数 1 743 0.17±0.60 1 115 0.20±0.69 1 499 0.18±0.64 1 808 0.14±0.68 1 899 0.21±0.75 1 979 0.28±0.62 2 039 0.14±0.67 2 053 0.10±0.67 2 224 0.03±0.65 2 326 0.10±0.72 2 314 0.25±0.71 1 986 0.40±0.60 430 0.70±0.63 健仔数 476 0.46±1.02 1 079 0.45±1.01 1 245 0.40±1.00 1 788 0.33±1.04 1 831 0.45±1.09 1 921 0.42±1.01 1 987 0.28±1.05 2 005 0.17±1.01 2 185 0.15±1.05 2 279 0.29±1.11 2 284 0.58±1.12 1 954 0.72±1.08 410 0.80±1.11 21日龄窝重 521 0.25±0.65 889 0.21±0.80 1 327 0.19±0.71 1 755 0.12±0.78 1 549 0.09±0.84 1 574 -0.12±0.77 1 847 -0.16±0.87 1 876 -0.40±0.79 1 951 -0.53±0.72 1 877 -0.63±0.65 1 951 -0.51±0.81 1 878 -0.12±0.77 397 0.14±0.82 校正日增重 2 556 1.90±24.42 2 656 6.31±26.96 2 434 10.08±24.18 3 368 10.98±26.24 3 535 18.62±24.77 3 611 20.47±24.21 3 601 24.55±25.09 3 559 23.34±22.97 3 709 24.60±26.26 4 754 39.22±26.66 5 115 51.68±25.08 4 274 61.63±24.58 3 072 74.50±22.16 校正背膘厚 2 568 -0.35±1.30 2 678 -0.26±1.13 2 789 -0.24±1.30 3 571 -0.41±1.02 3 638 -0.77±0.88 3 768 -0.81±0.85 3 721 -0.86±0.98 3 679 -1.07±0.98 3 714 -1.15±1.01 4 764 -1.17±1.10 5 113 -1.39±0.89 4 296 -1.44±0.90 3 126 -1.33±0.88 校正眼肌面积 3 626 -1.48±1.82 4 283 -1.35±1.89 2 323 -1.32±1.77 1)育种值为平均数±标准差 4. 结论
经过13年的选育，W51系已培育成一个生长速度快、体型好，繁殖性能较好，综合性能较好的母系父本品系。
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图 1 整机结构简图
1：三点悬挂架； 2：动力输入轴；3：液压泵；4：液压阀块；5：液压马达；6：主机架；7：地轮；8：圆盘耙组。
Figure 1. Sketch diagram of the whole machine
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图 2 液压系统原理图
1：液压马达；2：分流阀；3：节流阀；4：电磁换向阀；5：溢流阀；6：液位计；7：油温计；8：过滤器；9：齿轮泵；S：进油口；P：出油口。
Figure 2. Schematic of the hydraulic system
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图 14 圆盘耙组转速与节流阀开度关系曲线
Figure 14. Correlation between rotary speed of the disc harrow and open degree of the throttle valve
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