淺談全方位深松機的設計與優化

康寶會

[摘 ?要]深松技術是保護性耕作的重要內容，保護性耕作是現代農業技術未來發展方向，深松技術是保護性耕作技術的重要組成部分。它不僅可以打破多年傳統耕作所形成的堅硬犁底層，而且深松后在土壤鉛垂面形成上松下實、水平面形成虛實相間的土體結構。因此，深松技術可以大幅度增加作物，尤其是深根系作物的產量，是一項重要的增產技術。本文針對目前深松整地聯合作業機作業阻塞嚴重、阻力大等問題，設計一種振動式深松機與破茬圓盤及鎮壓碎土輥相結合的深松整地聯合作業機，并對其關鍵部件的設計參數進行試驗研究。

[關鍵詞]農業 ?深松技術 ?參數化設計

中圖分類號：TH 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0025-01

土壤深松作業是指運用大型拖拉機牽引深松機具進行行間（行間距為40～60cm）或全方位深層土壤耕作的機械化整地技術。土壤深松作業是農業耕作技術領域的一種全新的耕作模式，深松機是保護性耕作機具之一， 深松后的土壤具有明顯的蓄水保墑和增產增收效果。采用深松技術是我國旱作地區農業持續發展的重要途徑， 但國內現有的深松機工作阻力和能耗都較大。

1.研究的背景和意義

1.1 我國耕作現狀

我國是人口眾多的農業大國，傳統的耕作方式越來越不適應現代農業的發展需要。在傳統農業的耕作制度下，旱作農業耕地的土壤侵蝕嚴重，耕地退化、沙化嚴重，從而造成土壤蓄水、儲肥等能力降低，進而造成農作物產量的大幅度降低。特別是近年來，伴隨著氣候的變化、反常，如沙塵暴、厄爾尼諾現象、拉尼娜現象等，在很大程度上限制了我國旱作農業的發展以及該地區農作物的產量，造成了巨大的損失。另外，由于受不同地區土壤濕度、容重、硬度等土質因素及地表植物的影響，造成土壤比阻不同，而且犁底層深度也不盡相同，這就使得同一種機具無法在不同地區通用。

1.2 深松機研究現狀

相比較發達國家而言，國內深松機具的研制起步較晚，主要研究領域為振動式深松機振動機理及應用效果的研究、深松鏟鏟形的設計與優化、對于深松機纏繞堵塞問題的解決、深松機工作狀態與受力分析等。目前，國內的深松技術也取得了很大進展。全方位深松技術是在傳統耕作技術基礎上改進形成的一種新的耕作方法，它能夠增加土壤的孔隙度，加快土壤空氣和大氣的交換，使土壤微生物活動旺盛，達到作物增產的顯著效果。在設計方面，國內也開始采用現代優化手段對深松整地作業機械進行優化，并取得了較好的效果。但這些設計大多是針對某一部件（如深松鏟）或某些運動參數的設計與優化，沒有一種針對保護性耕作的深松整地機械的整體設計，也沒有形成系列化和參數化，應用范圍較窄。

1.3 研究內容及方法

本研究采用理論分析與試驗相結合、傳統設計與現代設計相結合的方法，設計了一種加裝碎土輥和圓盤刀的振動式深松整地聯合作業機。借助于CAD和Pro/E技術完成二維圖形的繪制和三維建模，運用有限元理論，借助有限元分析軟件對設計進行模擬和仿真，并利用Pro/E軟件的二次開發技術完成關鍵部件的參數化設計。隨著現代設計方法的廣泛應用與軟件的迅猛發展，可以直接進行三維建模，然后對實體模型進行仿真、虛擬裝配、形態和模態分析等，確定設計是否滿足要求。然后，再通過三維建模軟件直接生成二維平面視圖。

2.深松部件總體方案設計與優化

2.1 需求分析

隨著國家對深松作業的扶持政策力度不斷加大。深松技術越來越得到國家的重視，深松機械將有著廣闊的市場。傳統鏵式犁翻耕使得土壤結構和地表植被遭到破壞，從而使其缺乏抵抗災害的能力。深松是傳統翻耕的替代技術。傳統的鏵式犁翻耕作業后土壤裸露，地表無覆蓋物，在遇到雨水沖刷時會形成地表徑流，造成水土流失，遇到大風時會形成揚沙等環境危害。而深松作業則很好地避免了上述缺點，深松后地表覆蓋良好，犁底層被打破，在耕層和犁底層形成了虛實相間的土壤構造，能起到“通水通氣”的作用，有利于作物根部向下生長，促進作物早熟高產。但與深松機不斷增長的市場需求相比，國內深松機種類較少，機型較為陳舊。深松由于存在上述需求，設計一種高效節能，符合保護性農業作業要求的深松整地聯合作業機，既是現實生產發展的需要，也是生態環境保護的需要。

2.2 深松機鏟柄的優化設計

鏟柄存在的主要問題是下端螺孔處受力較大，有失效的可能性，所以優化的目的是在螺孔處的受力突然增大時，不會對深松鏟柄造成破壞。

優化方案1：考慮到螺栓組聯接將減少單個螺栓的受力，決定增加固定孔個數，將深松鏟柄固定孔個數有兩個增加到六個。這種改進方法部分減少了深松鏟柄最下端螺栓孔的受力，但距離鏟柄旋轉中心最遠的兩個螺栓受力依然很大，較多的螺栓孔也降低了深松鏟柄的強度，無法有效保證鏟柄的失效。

優化方案2：為了避免鏟柄上某處應力出現遠大于其他區域的情況，將深松鏟柄采：用無孔固定的方式。這種固定方式下深松鏟柄的受力會有所減小，最大應力為下端 U 型螺栓處所受到的壓應力，其大小為 194MPa，這種受力方式仍然不能保證鏟柄在受到較大沖擊載荷的情況下不發生變形、斷裂等破壞。

優化方案3：這種方案改變了前兩種改進設計的思路，將改進的重點脫離了鏟柄本身，即將原設計的深松鏟柄下端的緊固螺栓改為安全銷。同時為了保證深松機在工作過程中不會因機座對鏟柄的夾持不牢而產生橫向晃動，可將機座護板與鏟柄的重合面積適當增大。綜合比較以上三種優化形式，可以發現優化方案3對深松鏟的結構改變不大，卻能夠有效的避免深松鏟柄因受到載荷過大而損壞。

3.深松機機架的優化設計

對機架的優化主要體現在以下兩個方面：增加斜拉桿的厚度，以減小接觸點的拉應力。將斜拉桿厚度由30mm增加到50mm，使得斜拉桿與上懸掛點之間的接觸面積有較大的增加，從而增加受力最大點的強度。適當減小機架前后橫梁的管壁厚度。機架管壁厚度過大，不僅使得機械笨重，而且造成一定的資源浪費，再考慮到載荷的情況下，將原機架管壁厚度由10mm減小到8mm。優化后機架的受力更加均勻，最大應力點應力由 226MPa減小為136MPa，有效地避免了在載荷增大的情況下危險點斷裂的可能性。

4.結論

論文以深松機關鍵部件——深松鏟鏟頭、鏟柱和連接裝置為研究對象，運用現代設計方法，將經驗設計、三維造型與有限元方法有機結合。基于相關經驗和理論，通過多方案比較，確定了整機方案：深松類型為行間深松，減阻方案為自激振動;防堵方案：安裝破茬裝置，深松鏟均勻安裝在單梁上。確定了關鍵部件的設計方案。依據有限元分析結果，對深松鏟柄和機架的結構尺寸進行了結構優化，縮小鏟柄下端固定孔徑，增加機架斜拉桿強度。并針對實際生產中鏟柄易損壞、入土角不可調節等問題，對深松鏟固定裝置進行重新設計，使其具有了入土角調節和過載保護功能。

參考文獻

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