1SZ—180型偏心式振動深松機的設計與試驗

劉從京 李傳友 李問盈 王憲良 鄭侃 李留明 胡宏男

摘要：設計一種偏心四桿機構式振動深松機，優(yōu)化整機參數(shù)，并進行田間對比試驗。結果表明，深松深度超過 35 cm 時，與非振動深松機相比，拖拉機滑轉(zhuǎn)率減少23%～37%，振動深松可有效降低機具牽引阻力。

關鍵詞：振動深松；偏心式振動；深松降阻；深松鏟；偏心四桿機構；機具牽引阻力；降低

中圖分類號： S222文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0193-03

深松整地有利于農(nóng)田土壤改良、提高糧食綜合生產(chǎn)能力、實現(xiàn)生產(chǎn)和生態(tài)雙贏，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1-2]。2015年，國務院總理李克強在《求實》雜志上發(fā)表文章，要求大力推廣深松作業(yè)。我國在深松方面已有多年的研究經(jīng)驗，獲得了一批先進技術成果，研發(fā)了全方位、鑿式、翼鏟式、振動式、鵝掌式等多種類型深松機，不同深松機具因結構、特點不同，作業(yè)性能也存在一定差異，這些深松機在市場上很常見。部分深松裝備雖然結構、外形先進，但存在作業(yè)質(zhì)量不高、可靠性較低、區(qū)域適應性較差等問題[3-5]。本研究針對上述問題，結合華北一年兩熟區(qū)農(nóng)業(yè)特點，研制出一種基于偏心四桿機構的振動深松機。

1整機結構與工作原理

1.1整機結構

偏心式振動深松機主要由機架、變速箱、偏心機構、深松鏟、限深輪和切土輪等組成（圖1），其與傳統(tǒng)深松機最大區(qū)別在于通過周期性機械振動驅(qū)動深松，可有效降低深松阻力，并能減小土壤擾動，提高作業(yè)速度[6-7]。

偏心式振動深松機主要技術參數(shù)：配套動力50～70 kW，整機質(zhì)量260 kg，最大作業(yè)幅寬1 800 mm，作業(yè)行數(shù)為4行，行距為450 mm，最大入土深度450 mm，深松鏟入土角23°，作業(yè)效率0.4～0.8 hm2/h，外形尺寸（長×寬×高）1 200 mm×1 950 mm×15 500 mm。

1.2工作原理

振動深松機通過裝在前部的切土輪切斷作物秸稈、雜草或板結的地表，既可防止深松時板結的表層土壤翻轉(zhuǎn)，減少水分蒸發(fā)，又能防止雜草和秸稈纏繞堵塞鏟柄，減小深松鏟鏟柄的前進阻力[8]。動力經(jīng)變速箱傳到從動軸，從動軸的轉(zhuǎn)動帶動與從動軸通過花鍵配合的偏心花鍵套的轉(zhuǎn)動，偏心花鍵套的轉(zhuǎn)動使得大連桿中心繞從動軸轉(zhuǎn)動，偏心花鍵套的周期性轉(zhuǎn)動帶動大連桿、連桿支撐架及中間鏟柄周期性振動，從而使得安裝在鏟柄上的深松鏟產(chǎn)生周期性振動。偏心軸與從動軸通過中間雙排鏈聯(lián)軸器聯(lián)接，將動力由從動軸傳到偏心軸，偏心軸的周期性轉(zhuǎn)動引起小連桿中心繞從動軸作周期性轉(zhuǎn)動，偏心軸的轉(zhuǎn)動帶動小連桿、連桿支撐架及兩側深松鏟作周期性振動[9-10]。

2關鍵部件的設計

2.1偏心機構的設計

偏心式振動深松機采用將由變速箱沿水平橫向輸出的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成深松鏟沿豎直方向上的周期性振動（圖2），深松機所需要的牽引力F較大，且牽引拖拉機工作時輸出的轉(zhuǎn)矩T在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)基本恒定，由T=FL得知，曲柄桿長L應盡可能取短些，才能保持曲柄的動力足夠大。為了增加機構的可靠性及制造精度，由發(fā)動機曲柄連桿機構啟發(fā)，所以將曲柄機構優(yōu)化為偏心機構，偏心距取8 mm[11-12]。

2.1.1偏心軸的設計

振動深松機左右兩側深松鏟由變速箱通過從動軸和中間的雙排鏈聯(lián)軸器將動力傳遞到偏心軸（圖3），偏心軸的周期性轉(zhuǎn)動帶動小連桿中心繞偏心軸中心作周期性回轉(zhuǎn)運動，使得小連桿、連桿支撐架及鏟柄產(chǎn)生周期性振動。本機設計的偏心距為8 mm，由于偏心軸所受由深松阻力產(chǎn)生的徑向載荷和振動載荷較大，所以采用兩端軸承座支撐，軸承采用單列深溝球軸承。

2.1.2偏心花鍵套的設計

振動深松機中間兩深松鏟直接由變速箱從動軸通過偏心套（圖4）帶動大連桿，從動軸的轉(zhuǎn)動帶動偏心套中心軸的周期性回轉(zhuǎn)運動，偏心套中心軸的轉(zhuǎn)動引起大連桿中心的轉(zhuǎn)動，從而帶動大連桿支撐架和中間鏟柄的周期性振動，將動力通過連桿支撐架傳遞到中間兩深松鏟上。

2.2傳動系統(tǒng)設計

2.2.1中間兩深松鏟

本機是將動力從變速箱傳到從動軸，由從動軸帶動從動軸上的偏心套（圖5中的桿1）轉(zhuǎn)動，偏心套的轉(zhuǎn)動引起大連桿（圖5中的桿2）的中心的回轉(zhuǎn)運動，大連桿自身又繞著偏心套轉(zhuǎn)動，從而使得深松鏟連接架（圖5中的桿3）擺動，從而引起固聯(lián)在深松鏟連接架上中間兩深松鏟（圖5中的桿4）的運動[6，13-14]。

2.2.2兩側深松鏟

變速箱從動軸的轉(zhuǎn)動，帶動從動軸上內(nèi)花鍵鏈輪的轉(zhuǎn)動，通過雙排鏈聯(lián)軸器將動力傳遞到偏心軸上，通過偏心軸（圖5中的桿6）的轉(zhuǎn)動，帶動偏心軸上小連桿（圖5中的桿7）中心的回轉(zhuǎn)運動，同時小連桿又繞偏心軸偏心處的中心回轉(zhuǎn)，從而帶動深松鏟連接架（圖5中的桿8）的運動，然后將動力傳遞到鏟柄上，最終使得兩側的深松鏟產(chǎn)生周期性振動。

2.3深松鏟

深松鏟是深松機的核心部件，深松鏟的工作性能直接決定深松效果。本機選用深松鏟為尖頭鑿型鏟，因深松作業(yè)耕作土層堅硬，深松鏟所受土壤摩擦力大，深松鏟易因磨損而影響工作效果，為了便于深松鏟因磨損失效進行更換，采用螺栓將深松鏟固定到鏟柄上。影響深松鏟工作的主要參數(shù)為深松鏟的入土角α、深松鏟的翼張角及深松鏟的幅寬，深松鏟的入土角越大、翼張角越大、深松鏟的幅寬越大，深松阻力越大，松土效果越好，功耗越大。本機選用深松鏟入土角為23°，翼張角為70°，鏟翼寬度為70 mm（圖6）[2，4]。

[JP+1]鏟柄為板式中型深松鏟柄，鏟柄上端均勻分布有8個間距為40 mm的等距通孔，通過螺栓與連桿支撐架相連接，與限深輪一起配合可調(diào)節(jié)耕深。為了減小前進阻力，此處將深松鏟柄前端設計為楔形，楔形面夾角為45°，增加入土性能。

3試驗設計與田間試驗

田間試驗地位于山東省鄆城縣工業(yè)園區(qū)水滸東路南 3 km 處，試驗地經(jīng)玉米秸稈粉碎還田，秸稈覆蓋量3.4～41 kg/m2，地表平坦。拖拉機為雷沃950，主要測定振動與非振動牽引下深松溝形的差異并觀察拖拉機的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。拖拉機牽引速度為2.69 km/h，輸出轉(zhuǎn)速為750 r/min，耕深為 25～38 cm依次遞增，通過控制拖拉機后輸出軸是否轉(zhuǎn)動，測取振動深松機較非振動深松機溝形的差異及拖拉機的滑轉(zhuǎn)率（圖7）[15-18]。

4結果與分析

振動深松和非振動深松機的溝形的差異很大，隨著溝槽深度的減小，溝槽寬度差異逐漸增大，振動深松和非振動深松溝槽的寬度都隨著溝槽深度減小逐漸加大，但在同等深度時，非振動深松較振動深松溝槽寬度大，且振動深松表層土壤擾動較非振動深松明顯減小，地表相對平整，沒有翻土現(xiàn)象，溝底形成鼠道，有利于保存水分，蓄水保墑。

在耕深為38 cm時，振動深松機出現(xiàn)輕微滑轉(zhuǎn)，而非振動深松機則出現(xiàn)明顯“趴窩”滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，加大油門時，伴有濃烈的黑煙，拖拉機無法正常工作；提升機具，再次試驗時，“趴窩”滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象依舊明顯（表2）。

5結論

偏心式振動深松機結構簡單緊湊，深松效果較傳統(tǒng)深松機得到進一步提升。本機通過振動進行深松，與非振動深松機相比，可有效降低牽引阻力，較非振動深松機阻力縮小。振動深松機較非振動深松機土壤擾動小，保水保墑效果更好。

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