自激振動(dòng)深松機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

湯明軍　王維新+李霞+張思遠(yuǎn)

摘要：為減小深松阻力，提高深松質(zhì)量，設(shè)計(jì)一種彈簧可更換的自激振動(dòng)深松機(jī)。通過(guò)建立自激振動(dòng)深松單體力學(xué)模型，確定自激振動(dòng)深松裝置的彈簧參數(shù)，并通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)自激振動(dòng)減阻效果進(jìn)行測(cè)試，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于非振動(dòng)深松，自激振動(dòng)深松可降低深松牽引阻力，但彈簧類型對(duì)減阻效果有影響。其中，相對(duì)于非振動(dòng)狀態(tài)，彈簧剛度為185.3 N/mm時(shí)，可使?fàn)恳枇ο陆底畲筮_(dá)到58.71%。深松后各耕層土壤容重下降，在15～30 cm耕層，自激振動(dòng)深松時(shí)土壤容重相較于耕前土壤容重下降達(dá)18.01%，土壤蓬松度平均值為16.47%，土壤擾動(dòng)系數(shù)平均值為 55.49%，深松效果良好，該研究可為自激振動(dòng)深松機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)與依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；振動(dòng)；深松；減阻

中圖分類號(hào)： S222.19文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）11-0150-03[HS）][HT9.SS]

長(zhǎng)期采用翻耕或旋耕方式整地，導(dǎo)致耕層變薄、土壤板結(jié)，土壤比阻逐年增加[1-3]。研究表明，深松可以打破堅(jiān)硬的犁底層，加深耕層，改善土壤的結(jié)構(gòu)；可以疏松土壤，增強(qiáng)土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力；在疏松土壤的同時(shí)提高土壤通透性，便于與外界交換氣體，改善作物根系生長(zhǎng)環(huán)境，增強(qiáng)作物抗倒伏能力[4-7]。振動(dòng)深松機(jī)按照工作原理分為強(qiáng)制振動(dòng)深松機(jī)和自激振動(dòng)深松機(jī)，前者工作原理為將拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸動(dòng)力轉(zhuǎn)化為與機(jī)架連接振動(dòng)部件的上下振動(dòng)，最終將振動(dòng)傳至工作部件，使該工作部件按一定的頻率和振幅振動(dòng)，土壤在不同頻率和振幅振動(dòng)激勵(lì)下發(fā)生破裂、破碎和崩塌[8]；自激振動(dòng)深松機(jī)利用土壤地表不平和土壤阻力等變化激起彈簧和彈性材料等彈性元件振動(dòng)，完成振動(dòng)深松作業(yè)[9]。邱立春等對(duì)ISQ-127型全方位深松機(jī)的自激振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，研究顯示，耕作時(shí)，由于振動(dòng)作用使工作部件上產(chǎn)生較有利的切削條件及對(duì)土壤破碎有利的受力狀態(tài)，其中部分阻力由振動(dòng)部件的振動(dòng)作用所承擔(dān)，使?fàn)恳枇p小[9]。強(qiáng)制振動(dòng)深松機(jī)能顯著降低土壤牽引阻力，但能耗降低不明顯，且振動(dòng)降低深松機(jī)可靠性，易使駕駛員產(chǎn)生不適[10-13]。張軍昌等設(shè)計(jì)了一種入土角可控自激式振動(dòng)深松整地機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，相較于入土角不可控情況，入土角可控自激振動(dòng)深松使?fàn)恳枇ο陆?.9%[14]。

為解決深松阻力大、耗能高的問(wèn)題，基于自激振動(dòng)深松原理，采用彈簧實(shí)現(xiàn)深松鏟振動(dòng)的自激振動(dòng)深松機(jī)，并通過(guò)田間試驗(yàn)，對(duì)非振動(dòng)和自激振動(dòng)下深松機(jī)所受的牽引阻力進(jìn)行比較，選取土壤容重、土壤蓬松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)自激振動(dòng)深松效果。

1自激式振動(dòng)深松機(jī)工作原理

如圖1所示，自激振動(dòng)深松裝置對(duì)稱分布在機(jī)架后梁上。自激振動(dòng)深松裝置由前固定板、振動(dòng)固定梁、后固定板、深松機(jī)構(gòu)、自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，深松機(jī)構(gòu)由深松鏟柄、深松鏟翼、深松鏟尖構(gòu)成，前固定板與機(jī)架后梁連接，振動(dòng)固定梁與前固定板固接，后固定板與深松機(jī)構(gòu)的深松鏟柄固接，深松鏟柄前設(shè)有深松鏟尖，其兩側(cè)設(shè)有深松鏟翼，前固定板與后固定板之間設(shè)有自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)，自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)由預(yù)緊端蓋、自激振動(dòng)彈簧、彈簧端蓋、彈簧心軸固定銷軸、彈簧心軸構(gòu)成，彈簧端蓋通過(guò)彈簧銷軸與彈簧心軸連接，彈簧心軸外設(shè)振動(dòng)彈簧，預(yù)緊端蓋通過(guò)螺紋與彈簧心軸連接。自激式振動(dòng)深松機(jī)基于振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)深松減阻，整機(jī)行進(jìn)動(dòng)力來(lái)源于拖拉機(jī)，由于耕作阻力，深松鏟柄繞振動(dòng)固定梁上的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自激振動(dòng)彈簧壓縮，由于土壤地表不平和土壤阻力等變化，自激振動(dòng)彈簧壓縮量發(fā)生變化，帶動(dòng)深松鏟振動(dòng)，完成自激振動(dòng)深松作業(yè)。

2自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與彈簧選型

2.1自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)由預(yù)緊端蓋、自激振動(dòng)彈簧、彈簧端蓋、彈簧心軸固定銷軸、彈簧心軸構(gòu)成，彈簧端蓋通過(guò)彈簧銷軸與彈簧心軸連接，彈簧心軸外設(shè)自激振動(dòng)彈簧，彈簧端蓋通過(guò)螺紋與彈簧心軸連接。在安裝時(shí)，通過(guò)彈簧端蓋與彈簧心軸后端的螺紋連接，將彈簧心軸固定銷軸旋轉(zhuǎn)到安裝位置，并調(diào)整彈簧預(yù)緊力；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)深松鏟受力使彈簧發(fā)生壓縮時(shí)，彈簧心軸固定銷軸在彈簧心軸中往復(fù)移動(dòng)，自激振動(dòng)機(jī)構(gòu)剖視圖如圖2所示。

2.2彈簧參數(shù)選型

自激振動(dòng)深松機(jī)所受的牽引阻力與彈簧的固有頻率、剛度和振動(dòng)有關(guān)。自激振動(dòng)彈簧作為自激振動(dòng)深松單體的核心部件，通過(guò)耕作阻力可以確定彈簧初始載荷和彈簧最大載荷，并確定自激振動(dòng)彈簧各參數(shù)。通過(guò)參考文獻(xiàn)以及筆者所在實(shí)驗(yàn)室前期無(wú)振動(dòng)深松時(shí)的深松試驗(yàn)[15-16]，可以確定耕作過(guò)程中，土壤對(duì)深松鏟柄及鏟尖的阻力F范圍為3 000～5 000 N，受力的主要部位為鏟柄及鏟尖。圖3為自激振動(dòng)深松裝置的二維圖，為簡(jiǎn)化其受力模型，將受力位置選為深松鏟尖。圖3中，A點(diǎn)為自激振動(dòng)裝置中彈簧心軸固定銷軸的中心，B點(diǎn)為深松鏟旋轉(zhuǎn)點(diǎn)中心，C點(diǎn)為深松鏟尖，r為A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的距離，m；R為B點(diǎn)和C點(diǎn)之間的距離，m。根據(jù)杠桿原理，可得深松牽引阻力F1計(jì)算公式：

可以得到彈簧的初始載荷和最大工作載荷為12 000～20 000 N，由于彈簧最大工作載荷超出拉伸彈簧承載，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，彈簧選擇壓縮彈簧。在自激振動(dòng)深松裝置中應(yīng)保證彈簧在受壓時(shí)不致發(fā)生歪斜，因此彈簧支承端面與彈簧的軸線應(yīng)該垂直，故選用YI型壓縮彈簧，即彈簧2個(gè)端面圈均與領(lǐng)圈并緊且磨平，并根據(jù)GB/T 2089—1994《標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋壓縮彈簧（兩端圈并緊磨平或鍛平型）的尺寸參數(shù)》[17]，得出壓縮彈簧參數(shù)如表1。[FL）]

3田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)設(shè)備與方法

2016年9月8日，在新疆石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)二連新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田前茬作物為打瓜，試驗(yàn)時(shí)田間滴灌帶已回收，殘膜未回收，有打瓜收獲后的殘留打瓜皮。

在試驗(yàn)田內(nèi)選擇一塊地勢(shì)比較平坦的未耕作土地，選取長(zhǎng)60 m、寬50 m的平坦土地作為試驗(yàn)區(qū)，并在長(zhǎng)度方向兩側(cè)各留出10 m長(zhǎng)的區(qū)域作為拖拉機(jī)工作狀態(tài)調(diào)整區(qū)，并插上標(biāo)桿作為標(biāo)記，來(lái)保證拖拉機(jī)在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)行駛[18]，測(cè)點(diǎn)按照平行四邊形對(duì)角線等距取點(diǎn)法選取，以消除取點(diǎn)的隨意性[19-20]。

試驗(yàn)時(shí)，使用天拖TN854型拖拉機(jī)（山東濰柴華豐動(dòng)力有限公司）作為自激振動(dòng)深松機(jī)的動(dòng)力源以慢1檔作業(yè)，在自激振動(dòng)深松機(jī)與拖拉機(jī)之間安裝田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀，遙測(cè)儀測(cè)力裝置主要由帶傳感器的上拉桿和帶傳感器的下懸掛銷組成，試驗(yàn)時(shí)自激振動(dòng)深松機(jī)牽引力為測(cè)得的上拉桿傳感器與2個(gè)懸掛銷傳感器3處牽引力分力矢量之和。試驗(yàn)測(cè)定3種不同彈簧下自激振動(dòng)深松機(jī)所受的牽引阻力，并以無(wú)彈簧情況作為對(duì)照組，田間試驗(yàn)如圖4所示。

3.2自激振動(dòng)深松機(jī)牽引阻力的測(cè)定及分析

由表2可知，彈簧Ⅲ的減阻效果比較明顯，牽引阻力下降最大，達(dá)58.71%，原因是彈簧Ⅲ在振動(dòng)全程中彈簧均起作用；彈簧Ⅰ和彈簧Ⅱ?qū)恳枇Φ臏p小程度比較接近，分別為25.87%、23.20%，但彈簧Ⅰ的標(biāo)準(zhǔn)差比彈簧Ⅱ的大，說(shuō)明彈簧Ⅰ在振動(dòng)過(guò)程中牽引阻力大小變化幅度比較大，原因是彈簧Ⅰ的剛度較大，在深松作業(yè)時(shí)出現(xiàn)彈簧壓縮不明顯且耕深不穩(wěn)定的現(xiàn)象，減阻效果下降，但彈簧Ⅱ剛度較彈簧Ⅰ小，因此彈簧Ⅱ的減阻效果比較均勻。

如圖5所示，相對(duì)于非振動(dòng)深松，安裝彈簧的自激振動(dòng)深松作業(yè)的減阻效果都比較明顯，說(shuō)明自激振動(dòng)對(duì)于深松減阻是可行的。不同剛度的彈簧情況下，深松減阻效果差異較大，說(shuō)明彈簧剛度對(duì)減阻效果有影響。

[FK（W11][TPTMJ5.tif][FK）]

3.3深松效果參數(shù)測(cè)定及分析

3.3.1土壤容重的測(cè)定及分析

用一定容積的鋼制環(huán)刀，切割未攪動(dòng)的自然狀態(tài)下的土壤，使土壤恰好充滿環(huán)刀容積，將盛有土樣的環(huán)刀除去頂蓋，然后放入烘箱中，在105 ℃下烘24 h，再在干燥器中冷卻至恒質(zhì)量（精確至0.01 g），稱量計(jì)算每單位體積的烘干土質(zhì)量即土壤容重[21]。

土壤容重：

[JZ（]ρb=[SX（]m2-m1V[SX）]；[JZ）][JY]（2）

環(huán)刀容積：

[JZ（]V=πr2h。[JZ）][JY]（3）

式中：ρb為土壤容重，g/cm3；m1為環(huán)刀的質(zhì)量，g；m2為環(huán)刀+烘干土質(zhì)量，g；V為環(huán)刀容積，cm3；r為環(huán)刀底面半徑，cm；h為環(huán)刀高度，cm。

由表3可知，相較于耕前各耕層，非振動(dòng)和彈簧Ⅲ均能減小土壤容重，但自激振動(dòng)情況下的彈簧Ⅲ降低土壤容重效果更明顯。其中，在15～30 cm耕層，彈簧Ⅲ土壤容重相較于耕前土壤容重下降18.01%，相較于非振動(dòng)土壤容重下降 13.73%，而0～15 cm下降百分比分別是9.68%、4.11%，但對(duì)于30～45 cm，彈簧Ⅲ處理較非振動(dòng)處理土壤容重下降百分比不大。原因是深層深松時(shí)，耕深最多達(dá)到40 cm，由于拖拉機(jī)動(dòng)力及牽引阻力的急劇增加，耕深穩(wěn)定性下降，彈簧被完全壓縮，深松效果下降且與非振動(dòng)效果相近。

深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)工作性能質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，耕作后土壤蓬松度應(yīng)該≤40%，土壤蓬松系數(shù)應(yīng)該≥50%[22]。由表4可知，3個(gè)行程的土壤蓬松度平均值為16.47%，土壤擾動(dòng)系數(shù)平均值為55.49%，2項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，表明自激振動(dòng)深松機(jī)深松整地作業(yè)效果良好。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)一種彈簧可更換的自激振動(dòng)深松機(jī)，并對(duì)自激振動(dòng)彈簧進(jìn)行選型，對(duì)深松機(jī)牽引阻力測(cè)定結(jié)果表明，彈簧剛度為185.3 N/mm時(shí)，相對(duì)于非振動(dòng)深松，牽引阻力下降58.71%，彈簧參數(shù)對(duì)深松作業(yè)牽引阻力減小程度有一定影響。

田間試驗(yàn)后，通過(guò)測(cè)定土壤容重、堅(jiān)實(shí)度、土壤蓬松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)評(píng)定深松效果，結(jié)果表明，自激振動(dòng)深松相較于非振動(dòng)深松，能使土壤容重下降更加明顯，試驗(yàn)中容重下降最明顯在15～30 cm耕層，達(dá)18.01%，土壤蓬松度平均值為 16.47%，土壤擾動(dòng)系數(shù)平均值為55.49%，滿足深松耕作質(zhì)量要求。

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