振動(dòng)式農(nóng)業(yè)土壤切削挖掘技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

趙 帥，王家勝，王方艷，張峰峰，李 秀

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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振動(dòng)式農(nóng)業(yè)土壤切削挖掘技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

趙 帥，王家勝，王方艷，張峰峰，李 秀

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

在土壤的耕作、深松、根莖類作物挖掘等作業(yè)過程中，普遍存在著挖掘切削阻力大、耗能高的問題。為了解決這些問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者采用了多種方法和途徑來改善土壤機(jī)具的切削挖掘阻力，振動(dòng)式土壤切削挖掘方式也是一種重要的降低阻力的途徑。為此，對國內(nèi)外研究者在振動(dòng)式農(nóng)業(yè)土壤切削挖掘領(lǐng)域的理論和試驗(yàn)研究進(jìn)行了闡述，分析了振動(dòng)式挖掘方式的減阻機(jī)理，分別對強(qiáng)迫式和自激式兩種振動(dòng)方式下在農(nóng)業(yè)土壤中典型的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述，指出了相關(guān)研究的優(yōu)點(diǎn)和不足，并對振動(dòng)挖掘技術(shù)在土壤作業(yè)領(lǐng)域的前景進(jìn)行了展望分析。

振動(dòng)式切削挖掘；農(nóng)業(yè)土壤；減阻降耗；研究現(xiàn)狀；展望

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，但由于特殊的作業(yè)條件和惡劣的作業(yè)環(huán)境，阻力大、耗能高一直是農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用過程中面臨的難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)機(jī)作業(yè)柴油消耗占柴油總消耗量的30%左右，油料費(fèi)用占農(nóng)業(yè)作業(yè)成本的40%[1]。在農(nóng)田生產(chǎn)各作業(yè)環(huán)節(jié)中，土壤作業(yè)裝備耗能所占的比例最大。農(nóng)業(yè)土壤作業(yè)裝備主要包括土壤耕作機(jī)具、土壤深松機(jī)具和根莖類作物挖掘收獲裝備等，普遍存在著牽引阻力大、耗能高、效率低的問題。為有效解決這些問題，國內(nèi)外研究者采用了多種方法和途徑來改善土壤機(jī)具的切削挖掘阻力。如設(shè)計(jì)合理的土壤接觸部件的曲面,仿生土下生活的昆蟲、鼠類、穿山甲等生物的齒爪結(jié)構(gòu)及挖掘動(dòng)作,以及改變土壤作業(yè)部件的結(jié)構(gòu)形式(柵條犁、滾子犁、電極犁)等。除此之外，振動(dòng)式土壤切削挖掘方式也是一種重要的降低阻力的途徑。自20世紀(jì)中期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對振動(dòng)式土壤作業(yè)機(jī)具做了大量的理論與試驗(yàn)研究，研究結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用表明：相比傳統(tǒng)土壤作業(yè)方式，振動(dòng)式切削挖掘能夠起到降低牽引阻力及提高機(jī)械效率的作用。

本文重點(diǎn)對農(nóng)業(yè)土壤振動(dòng)式切削挖掘所取得的一些成果進(jìn)行了闡述和分析，闡明了振動(dòng)式挖掘方式的減阻機(jī)理，指出了振動(dòng)式挖掘的影響因子間的相互作用關(guān)系。

1 土壤振動(dòng)切削挖掘的類型及降阻機(jī)理

1.1 振動(dòng)類型及特點(diǎn)

根據(jù)激振源的不同，振動(dòng)式土壤切削挖掘可以分為強(qiáng)迫振動(dòng)式和自激振動(dòng)式兩種類型。強(qiáng)迫式振動(dòng)一般是由機(jī)器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)耕作或挖掘部件產(chǎn)生某一頻率和振幅的主動(dòng)振動(dòng)，頻率和振幅一經(jīng)設(shè)定將保持不變。研究表明：該類振動(dòng)方式降阻效果明顯，缺點(diǎn)是需要額外能量的輸入來維持工作部件的振動(dòng)，其總能耗降低效果仍存在爭議。

自激式振動(dòng)則在不需要?jiǎng)恿斎氲那疤嵯吕脧椥酝诰虿考ぷ鬟^程中外界阻力的變化激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)。相比強(qiáng)迫式振動(dòng)，自激式振動(dòng)挖掘部件結(jié)構(gòu)更為簡單，而且在無須外加能量輸入下產(chǎn)生振動(dòng)降低耕作或挖掘阻力；但該種振動(dòng)的缺點(diǎn)是所降低的阻力很有限，而且所適用的范圍和條件也很狹窄。

1.2 振動(dòng)式土壤耕作、挖掘的降阻機(jī)理

固定式土壤挖掘?qū)儆谝痪S切削，而振動(dòng)式的土壤挖掘?qū)儆诙S切削，兩者的不同地方在二維切削在水平運(yùn)動(dòng)切削的同時(shí)還有垂直方向的運(yùn)動(dòng)切削，兩者對土壤破壞形式和作用機(jī)理上存在差異。

固定式挖掘時(shí)，挖掘鏟對土壤的切削、破碎、提升是同時(shí)進(jìn)行的，土壤在切削力的作用下，沿著剪切面周期性斷裂，并被迅速提升；這時(shí)作用在土壤上的力除了剪切力、摩擦力、提升力外還有作用在挖掘鏟刃口上的切削力，挖掘鏟的牽引阻力由這些力的水平合力組成，其受力圖如圖1所示。

圖1 固定式挖掘牽引阻力圖

振動(dòng)式挖掘的作業(yè)過程通常由切削階段和提升階段組成，振動(dòng)產(chǎn)生了有利于挖掘鏟切削和土壤破碎的條件。挖掘鏟切削土壤時(shí)，由于在垂直方向上的加速度影響，挖掘鏟上方的土壤向上加速運(yùn)動(dòng)，使土壤幾乎可以與鏟面分離開來，作用在鏟面的力幾乎與運(yùn)動(dòng)方向垂直，因此可以減少所受的牽引阻力，如圖2所示。

(a) 切削階段 (b) 提升階段

圖2 振動(dòng)挖掘牽引阻力變化

Fig.2 The draught force changes in vibratory digging

2 振動(dòng)式農(nóng)業(yè)土壤耕作挖掘研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

自20上世紀(jì)中期開始，國外研究者就對土壤振動(dòng)挖掘方式進(jìn)行了研究，在該領(lǐng)域做了大量的研究試驗(yàn)，并建立了振動(dòng)挖掘時(shí)土壤受力的數(shù)學(xué)模型，闡述了振動(dòng)作業(yè)減阻機(jī)理，揭示了振動(dòng)式耕作挖掘的影響因素。

2.1.1 強(qiáng)迫振動(dòng)方式的研究

Butson[2]在室內(nèi)土槽上進(jìn)行振動(dòng)條件下的土壤切削試驗(yàn)，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)變速齒輪箱帶動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，然后通過連桿機(jī)構(gòu)之間的作用讓挖掘鏟柄在滑動(dòng)軸承上前后往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)挖掘鏟對土壤振動(dòng)挖掘的目地，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。Butson把前進(jìn)速度、振幅、振動(dòng)頻率作為影響因素，分別定義了速率比、牽引力比及功率比等指標(biāo)，經(jīng)過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在速率比大于1的情況下，牽引力才會(huì)減少，速率比同牽引力比成拋物線關(guān)系，速率比同功率比是近似線性關(guān)系。在像深松這樣的低速、大牽引力的條件下應(yīng)用振動(dòng)挖掘更加有效，但牽引力的減少是要用功率消耗的增加來補(bǔ)償。該試驗(yàn)很好地反映了振動(dòng)條件下牽引力、功率的變化情況；但試驗(yàn)結(jié)果僅限于特定的土壤條件下，且沒有考慮到振動(dòng)條件下土壤濕度及土壤板結(jié)情況等的變化。

1.電動(dòng)機(jī) 2.變速齒輪箱 3.主動(dòng)軸 4.偏心裝置

Gholamhossein Shahgoli[3]把深松機(jī)的振動(dòng)角作為影響因素，用試驗(yàn)的方法研究其在振動(dòng)耕作上的作用效果。試驗(yàn)選取了-22.5°、-14.5°、1.5°、8°、16°、27°這6個(gè)不同的振動(dòng)角，在振動(dòng)頻率為4.9Hz、振幅為±60～69mm、前進(jìn)速度為3km/h的情況下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：降低振動(dòng)角度能大幅減少牽引力；在振動(dòng)角為1.5°時(shí)，深松鏟對土壤切削時(shí)間變短，鏟后退和追趕時(shí)候阻力少，有效降低了對牽引力需求。在振動(dòng)角分別為1.5°、14.5°、22.5°時(shí)，總功率的消耗是比固定式挖掘要少，且采用振動(dòng)式挖掘能降低對發(fā)動(dòng)機(jī)功率的要求。

Tanya Niyamapa[4]在水稻收獲后的沙質(zhì)土壤上進(jìn)行振動(dòng)挖掘試驗(yàn)，挖掘鏟的振動(dòng)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，挖掘鏟采用了左右鏟面的升角不同的V型翼鏟。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著工作速度的增加，固定式挖掘的牽引力一直增加，而振動(dòng)挖掘的牽引力是先增加后減少。Niyamapa把牽引力減少的原因解釋為在高速下施加應(yīng)力時(shí)，孔隙壓力增加，導(dǎo)致了牽引力降低。在功率方面，在前進(jìn)速度相同的情況下，振動(dòng)挖掘比固定鏟挖掘方式消耗更多的功率。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)挖掘時(shí)對土壤有向上提升的作用，土壤表面裂縫多；而固定式挖掘土大都沿著鏟面流走，對土壤沒有提升作用。振動(dòng)頻率的增加不能增加升土的效果，增加振幅卻能影響升土的效果。Niyamapa的試驗(yàn)不僅測試了振動(dòng)挖掘?qū)恳Α⒐β蚀笮〉挠绊懀€測試了對土壤的擾動(dòng)程度。

K. A. J. AL-JUBOURI[5]分析了馬鈴薯挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)模型，建立了一個(gè)新的挖掘鏟圓形振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，定義了速率比β=ωr/u。其中，ω為振動(dòng)角速度，r為振幅，u為機(jī)具前進(jìn)速度。假設(shè)把挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)分為挖掘鏟后退、挖掘鏟切削已經(jīng)切削過的土壤及挖掘鏟切削新土3個(gè)部分。只有速率比β>1時(shí)，馬鈴薯才能被挖掘鏟挖掘、提升、向后拋送到篩選裝置進(jìn)行薯土分離。

如圖4所示，從A2開始的虛線段為切削已經(jīng)切削過的土壤階段，從B1C1與A2B2的交點(diǎn)到C2點(diǎn)屬于切削新土階段，從C2到A3點(diǎn)是挖掘鏟后退階段。JUBOURI通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，把得到的理論值跟田間試驗(yàn)值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)所獲得的牽引力比和功率比都比預(yù)測的值要大，當(dāng)速度比接近于0時(shí)，功率比才接近于1。在實(shí)際馬鈴薯收獲過程中，要考慮牽引力、功率、明薯率及傷薯率等各種因素，要達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的收獲條件，各種影響因素必須相互妥協(xié)才行。JUBOURI建立了一個(gè)新的振動(dòng)挖掘鏟—土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并把理論值同田間試驗(yàn)值進(jìn)行了對比。

圖4 挖掘鏟齒尖運(yùn)動(dòng)周期

T. Niyamapa[6]在室內(nèi)土槽上進(jìn)行了振動(dòng)挖掘試驗(yàn)，測試振動(dòng)條件下挖掘鏟的受力分布情況。試驗(yàn)中，一個(gè)帶伺服閥的液壓缸實(shí)現(xiàn)挖掘鏟的正弦曲線振動(dòng)，挖掘鏟的振幅在11～26mm間變化、振動(dòng)頻率在4.5～15.6Hz變化、前進(jìn)速度為0.05～0.224m/s。試驗(yàn)結(jié)果表明：相比固定鏟挖掘，振動(dòng)挖掘時(shí)挖掘鏟所受平均壓力要少；隨著振動(dòng)頻率的增加，挖掘鏟在水平方向和垂直方向的受力都增加；離切削刃最近的兩個(gè)點(diǎn)所受的壓力比其他3個(gè)點(diǎn)的壓力要大。T. Niyamapa的試驗(yàn)比較了挖掘鏟正弦曲線振動(dòng)時(shí)鏟面上的受力情況，但沒有說明其它振動(dòng)曲線下的鏟面受力。

Nidal H. Abu-Hamdeh[7]從改善農(nóng)業(yè)土壤狀況的前提出發(fā)，設(shè)計(jì)了具有超聲波振動(dòng)的耕作犁具，該機(jī)具的振動(dòng)由電壓控制的振蕩器產(chǎn)生，振動(dòng)頻率的范圍20kHz～2GHz，通過放大器轉(zhuǎn)換傳動(dòng)到與土壤接觸的金屬輪上。該輪封閉的圓柱空間里充滿凝膠，用來把從振蕩器的振動(dòng)傳遞到金屬輪上，從而實(shí)現(xiàn)對土壤的超聲波振動(dòng)耕作。田間試驗(yàn)在粘質(zhì)土的土壤上進(jìn)行，劃分了3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)都分別進(jìn)行振動(dòng)和不振動(dòng)兩種情況測試，然后觀測不同情況下土壤水分、密度、孔隙度、圓錐指數(shù)等狀況的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：在振動(dòng)頻率和土壤固有頻率相同時(shí)，對土壤的擾動(dòng)狀況最好；挖掘深度在20cm內(nèi)超聲波振動(dòng)改善土壤的效果好。在功率消耗方面，采用了超聲波振動(dòng)的耕作機(jī)具能減少所需牽引功率，讓使用功率小、質(zhì)量輕的拖拉機(jī)成為可能，這樣可以降低作業(yè)機(jī)具對土壤的壓實(shí)，使土壤變得更加疏松。但由于超聲波振蕩器也需要能量的消耗，耕作機(jī)具總功率的消耗并沒有降低。該試驗(yàn)只在一種土壤類型上進(jìn)行了測試，在不同類型土壤上超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的松土效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.1.2 自激振動(dòng)方式的研究

Soeharsono[8]對自激振動(dòng)下的土壤耕作機(jī)具進(jìn)行了分析研究，建立了一個(gè)基于振動(dòng)角度的單自由度振動(dòng)模型，如圖5所示。模型中把挖掘鏟跟土壤的摩擦用粘滯阻尼表示，挖掘鏟的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用常量表示，不斷變化的切削力用傅立葉級數(shù)表達(dá)，經(jīng)過在MatLab軟件上的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)：只有在共振頻率下，牽引阻力才減少，此時(shí)共振頻率數(shù)值是自激頻率值的兩倍；在自激振動(dòng)中速率比大于1時(shí)，牽引力才減少；當(dāng)速率比達(dá)到4以上時(shí)，牽引力比保持在0.45左右。

R. Berntsen[9]在已耕和未耕兩種粘土中測試剛性齒和柔性齒在土壤作業(yè)時(shí)所需牽引力值，鏟齒類型分為5種，如圖6所示。其引入了深度-速度二水平模型，試驗(yàn)結(jié)果表明：在未耕作的土壤中，兩種柔性直齒由于齒的柔性原因減少了牽引阻力，柔性S型齒由于較小的挖掘鏟前角也減少了20%～28%的牽引阻力；在已經(jīng)耕作的土壤中，改變挖掘鏟前角的值，牽引力數(shù)值不發(fā)生變化；在試驗(yàn)的所有柔性齒中，只有最柔軟直齒型的牽引阻力減小，在挖掘深度最深時(shí)，牽引阻力能減少將近18%。

1.自激彈性裝置 2.挖掘鏟柄 3.挖掘鏟

(a) 剛性齒 (b) 硬彈簧 (c) 軟彈簧 (d) 柔性 (e) 柔性

柔性直齒 柔性直齒 S形齒S45 S形齒S34

圖6 不同齒形結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.6 Schematic view of the different tine configurations

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者在振動(dòng)挖掘方向上的研究比西方國家晚，但不論是對強(qiáng)迫振動(dòng)方面還是自激振動(dòng)方面的研究都取得了很好的成果，不少研究成果都已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際田間作業(yè)當(dāng)中。

2.2.1 強(qiáng)迫振動(dòng)方向的研究

荊苗[10]研究設(shè)計(jì)了雙排反向振動(dòng)深松機(jī)，振動(dòng)原理是采用了偏心機(jī)構(gòu)使連桿間相互作用，實(shí)現(xiàn)深松鏟振動(dòng)。雙排反向振動(dòng)是由于連桿鉸接位置不同來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，選取了耕作深度、機(jī)具前進(jìn)速度、鏟的寬度等因素為影響因素，當(dāng)前進(jìn)速度、耕深、鏟寬中任一因素增加時(shí)，牽引阻力都有所增加，在同等條件下振動(dòng)深松比傳統(tǒng)深松的牽引力要減少19.5%;振動(dòng)深松后土壤容重比降低，對土壤的疏松效果增強(qiáng)。試驗(yàn)只在一種土質(zhì)上進(jìn)行，其他類型的土質(zhì)下機(jī)具牽引阻力的變化情況及土壤容重的變化情況沒有涉及，應(yīng)用振動(dòng)深松后機(jī)具總的功率消耗的情況也沒有進(jìn)行田間的測試。

董向前[11]對9ST-460型草地振動(dòng)式間隔松土機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在原有的偏心軸連桿激振裝置上加裝了軸承，減少了偏心軸與桿件的摩擦；松土機(jī)還改進(jìn)了松土部件，把單一的折彎平面鏟改為倒梯形組合松土鏟，改進(jìn)后解決了土垡通過振動(dòng)鏟時(shí)土垡的上竄和雍土問題。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)后土垡斷條率和植被破壞率分別減少了1.3%和0.8%，土壤容積密度下降，含水率提高。試驗(yàn)主要對深松后土壤的物理性質(zhì)和草場的產(chǎn)量進(jìn)行了研究，沒有考慮牽引力及功率等因素的變化情況。

李艷龍[12]對1SZ- 460型杠桿式深松機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)試驗(yàn)。該深松機(jī)的振動(dòng)激振是由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，然后由十字軸掛接器帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)深松鏟振動(dòng)。十字軸掛接器機(jī)構(gòu)圖如圖7所示。田間試驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)與不振動(dòng)對比試驗(yàn)，測試牽引阻力在不同條件下的變化情況，在前進(jìn)速度為2.23km/h、深松土壤的深度為30cm的測試結(jié)果表明：振動(dòng)深松機(jī)可以降阻13%～18%。該試驗(yàn)主要是測試牽引阻力的變化，對機(jī)具功率消耗、土壤深松后的物理性質(zhì)變化等情況沒有進(jìn)行測試。

1.軸承座 2.端蓋 3.上卡爪 4.十字軸 5.下卡爪

孫彥君[13]研究設(shè)計(jì)1SZ系列振動(dòng)式土壤改良機(jī)。該機(jī)振動(dòng)是往復(fù)式慣性激振，在旋轉(zhuǎn)軸上添加偏心質(zhì)量塊，依靠質(zhì)量塊的離心慣性實(shí)現(xiàn)深松鏟的上下激振。該深松機(jī)的挖掘切削是通過L形鏟和鼠洞鏟相結(jié)合的方式，田間作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)對土壤的切土效果好、不易雍土，在深松作業(yè)時(shí)還能夠挖出鼠洞，松土效果進(jìn)一步增強(qiáng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)式深松具有減少牽引阻力，節(jié)約能源的優(yōu)勢，同時(shí)還可以打破土壤的犁底層，土壤蓄水保墑能力增強(qiáng)，土壤中農(nóng)作物所需的養(yǎng)分增加，地里作物產(chǎn)量得到提高。此試驗(yàn)采用的慣性激振深松機(jī)的振動(dòng)幅度一般較大，對駕駛員座椅的舒適性有一定影響。

劉曉紅[14]對已有的振動(dòng)深松機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)和設(shè)計(jì)，深松的動(dòng)力源由土槽車的動(dòng)力輸出軸提供，通過偏心連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)挖掘鏟的振動(dòng)，達(dá)到振動(dòng)深松目的。為了驗(yàn)證采用振動(dòng)技術(shù)的深松作業(yè)對挖掘阻力和功耗的影響變化，在土槽上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中把深松鏟振動(dòng)的頻率、振動(dòng)幅度、振動(dòng)角和機(jī)具的前進(jìn)速度作為影響因素，分析了振動(dòng)角小于零、等于零和大于零3種情況下深松鏟的速度—位移曲線變化情況和功耗情況：當(dāng)振動(dòng)角小于零或等于零時(shí)，深松所消耗的功率變化不明顯；振動(dòng)角大于零時(shí)，牽引阻力和功率消耗均有所減少。試驗(yàn)中還對上述列舉的影響因素進(jìn)行了單因素的試驗(yàn)研究，隨著土槽車前進(jìn)速度的增加，功率消耗也增加；隨著振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度的增加，功耗都是先減少再增加的，最佳的振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度分別為12Hz、-10°。試驗(yàn)分析了振動(dòng)式深松對牽引阻力和功耗的影響變化，但是對于土壤物理變化情況沒有進(jìn)行研究。

吳海平[15]對4S -80馬鈴薯振動(dòng)挖掘機(jī)的牽引阻力進(jìn)行測試。該挖掘機(jī)的挖掘鏟和振動(dòng)篩同時(shí)振動(dòng)進(jìn)行收獲挖掘，試驗(yàn)把鏟篩狀態(tài)、作業(yè)深度及作業(yè)速度作為試驗(yàn)因素，測試了不同因素下牽引阻力的變化情況，結(jié)果表明采用振動(dòng)方式能有效減少牽引阻力。該試驗(yàn)主要考慮了以上3個(gè)試驗(yàn)因素對牽引阻力的影響，沒有考慮振幅、頻率等對阻力的變化情況，對采用振動(dòng)挖掘后對于馬鈴薯本身的傷薯率、明薯率等情況沒有進(jìn)行試驗(yàn)。

文學(xué)洙[16]以馬鈴薯振動(dòng)挖掘機(jī)為試驗(yàn)平臺，研究了影響挖掘機(jī)作業(yè)性能的參數(shù)。該馬鈴薯挖掘機(jī)采用鏟篩分離式結(jié)構(gòu)，挖掘鏟依靠偏心輪帶動(dòng)連桿來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)挖掘。試驗(yàn)采用振動(dòng)頻率、振幅和前進(jìn)速度3因素3水平試驗(yàn)，根據(jù)振動(dòng)鏟和振動(dòng)篩上特定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡散點(diǎn)圖求出直線回歸方程的斜率；參照振動(dòng)鏟和振動(dòng)篩上土壤的堆積厚度，找出了最佳的試驗(yàn)參數(shù)組合；通過對參數(shù)的調(diào)整，使得采用了振動(dòng)式收獲的馬鈴薯收凈率能夠達(dá)到97.3%，損傷率只有3.4%。

韓杰[17]對馬鈴薯挖掘機(jī)的振動(dòng)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了圓弧形的挖掘鏟形狀，然后對鏟的寬度和長度進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算確定，選擇了不同的前進(jìn)速度、振幅、頻率作為試驗(yàn)條件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)挖掘能增大土壤的破碎效果，減少20%～40%的土壤負(fù)荷，生產(chǎn)效率明顯提高。

石林榕[18]把振動(dòng)減阻技術(shù)應(yīng)用到馬鈴薯收獲上，馬鈴薯收獲機(jī)的振動(dòng)挖掘由偏心輪上連接搖臂，搖臂帶動(dòng)擺臂繞中心線來回?cái)[動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中把牽引速率、入土角、振幅、振動(dòng)頻率作為牽引阻力的影響因素，采用3水平4因素響應(yīng)面分析方法確定了各因素對牽引阻力的影響關(guān)系。通過計(jì)算機(jī)模擬仿真發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)頻率對牽引阻力影響最大，當(dāng)振動(dòng)頻率為13.77Hz、前進(jìn)速度為0.67m/s、挖掘鏟入土角為8.35°、振幅為11.93mm時(shí)，牽引阻力最小。通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證，牽引阻力在田間試驗(yàn)跟仿真試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)值誤差在合理區(qū)間內(nèi)。該研究很好地反映了影響牽引力阻力各因素間的關(guān)系；但只考慮了對牽引阻力的影響，對采用振動(dòng)挖掘后，收獲機(jī)的能耗等的影響沒有涉及。

殷涌光[19-20]在挖掘鏟斗前加裝了振動(dòng)鏟刃，實(shí)現(xiàn)了上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)切削，這種二維切削是在前進(jìn)方向和前進(jìn)方向相垂直的兩個(gè)方向同時(shí)切削。試驗(yàn)證明：振動(dòng)鏟切削消耗功率比不振動(dòng)時(shí)要小，功率的減少是因?yàn)榇怪毕蛏咸嵘習(xí)r，作用在鏟刃上的土的當(dāng)量減少。借助于回歸方程得出鏟的插入速度對功率的影響最為顯著，而振動(dòng)頻率對牽引阻力和消耗的功最為顯著，振幅在6～12mm時(shí)，消耗的功率少。

席建中[21]研發(fā)了一種振動(dòng)挖掘機(jī)，該機(jī)采用液壓控制振動(dòng)挖掘，通過控制液壓缸的行程調(diào)節(jié)振動(dòng)幅度，通過控制液壓缸行進(jìn)速度調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。為了實(shí)現(xiàn)低的換向沖擊力、提高換向精確性，研發(fā)了H 型偏零開口液脈沖控制伺服閥，通過液脈沖變量馬達(dá)反饋機(jī)構(gòu)和左右滑動(dòng)構(gòu)件的作用帶動(dòng)伺服閥的閥芯左右移動(dòng)，根據(jù)開啟和閉合的閥口不同，實(shí)現(xiàn)液壓缸的循環(huán)振蕩。在設(shè)計(jì)中研發(fā)了新的挖掘機(jī)振動(dòng)式鏟斗，進(jìn)行挖掘時(shí)鏟齒以一定的振幅和頻率對土壤進(jìn)行切削。采用振動(dòng)挖掘跟傳統(tǒng)靜力挖掘相比，能減少挖掘阻力、提高工作效率、節(jié)約能源。

朱建新[22]對液壓振動(dòng)挖掘鏟的功率消耗進(jìn)行了研究。試驗(yàn)挖掘機(jī)加裝了雙閥芯多路閥液壓系統(tǒng)控制鏟斗液壓缸激振，液壓缸的油液壓力可以間接表示挖掘機(jī)振動(dòng)鏟所受的挖掘阻力。試驗(yàn)在固有頻率為20Hz的土壤上進(jìn)行，結(jié)果表明：隨著切削速度的增加，切削時(shí)間變短帶來功耗的降低；但此種情況下鏟斗切削土量增加，導(dǎo)致挖掘阻力增大及平衡功耗和挖掘阻力的矛盾，把液壓缸的流量參數(shù)定在了60L/min。試驗(yàn)中，振動(dòng)掘削比傳統(tǒng)靜態(tài)掘削在效率上有提高，并且正弦波的振動(dòng)效果比三角形波的振動(dòng)效果要好。

呂宏靖[23]為了解決牛蒡在挖掘過程中的效率低和耗能高的問題，設(shè)計(jì)了牛蒡收獲機(jī)。該機(jī)采用了偏心振動(dòng)原理，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸的動(dòng)力通過變速齒輪箱變速帶動(dòng)偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過傳遞連桿使挖掘鏟實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。為了縮短研發(fā)周期，先用軟件進(jìn)行了收獲機(jī)三維建模和模態(tài)分析，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)挖掘鏟激振頻率和機(jī)具的振動(dòng)頻率成比例的時(shí)候，土壤產(chǎn)生了“流變”，從而達(dá)到降阻的目的。田間試驗(yàn)的結(jié)果也顯示振動(dòng)挖掘能給牛蒡的收獲帶來更高的效率和更低的牽引阻力。

楊傳華[24]研究了國內(nèi)外深根莖中藥材收獲機(jī)械，發(fā)現(xiàn)普遍存在牽引阻力及功耗大的問題。為此，對研發(fā)了雙重振動(dòng)的中藥材收獲機(jī)，通過兩個(gè)液壓馬達(dá)分別帶動(dòng)犁刀和挖掘鏟實(shí)現(xiàn)雙重振動(dòng)；犁刀在前面實(shí)現(xiàn)振動(dòng)切土功能，挖掘鏟在地下對中藥材進(jìn)行挖掘。在田間試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)分為犁刀振動(dòng)、挖掘鏟振動(dòng)、犁刀和挖掘鏟同時(shí)振動(dòng)3種情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在振動(dòng)頻率約為7Hz時(shí)，3種情況下牽引阻力都最小，并且雙重振動(dòng)下的牽引阻力數(shù)值最小，土壤碎土效果最好。

顏兵兵[25]在原有的深根中藥收獲機(jī)的基礎(chǔ)上，對振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，振動(dòng)挖掘:通過偏心軸帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)。其中，偏心軸是由前半偏心軸和后半偏心軸組成，通過偏心軸上的不同定位孔的連接實(shí)現(xiàn)振動(dòng)幅度的調(diào)節(jié)。同時(shí)，運(yùn)用ADAMS仿真軟件對在機(jī)具前進(jìn)速度、振幅、輸入軸轉(zhuǎn)速等因素下挖掘鏟的鏟尖位置變化進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)顯示偏心距的適當(dāng)增加可以增強(qiáng)挖掘鏟對土壤的擾動(dòng)程度。

2.2.2 自激振動(dòng)方向的研究

陳瑛[26]對土壤耕作機(jī)具上所用的剛性齒跟彈齒進(jìn)行了比較試驗(yàn)，對彈性齒的振動(dòng)特性在工作性能上的影響進(jìn)行了研究。通過譜分析，發(fā)現(xiàn)彈性齒的振動(dòng)主要由土壤阻力的變化引起的，彈齒的振動(dòng)屬于隨機(jī)受迫振動(dòng)；在耕作機(jī)具高速前進(jìn)時(shí)，彈齒的牽引力增加值比剛性齒少，彈齒的阻力減少5%～15%，并且彈齒的碎土效果也要比剛性齒的好。文中還對不同類型的彈齒之間進(jìn)行了工作性能的比較(見圖8)，發(fā)現(xiàn)FZ型彈齒由于在土壤表面上的一段彈齒與地表垂直，有利于土壤的流動(dòng)，碎土效果也好，因此FZ型彈齒比FS型牽引阻力小、工作性能好；Ga和KF型彈齒適用于耕作深度淺的作業(yè)環(huán)境，由于兩節(jié)彈齒的材料不同，工作部件材料耐磨可以延長彈齒壽命；多彈簧圈彈齒和可變長度彈齒在生產(chǎn)加工中的工藝復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中安裝不是很方便。

1.FZ彈齒 2.FS彈齒 3.FS窄齒 4.Ga彈齒 5.KF彈齒

邱立春[27]在1SQ-127型全方位深松機(jī)的上懸掛點(diǎn)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛的上懸掛點(diǎn)間加了一個(gè)彈性裝置，然后對自激振動(dòng)的作業(yè)效果進(jìn)行了研究。文中描述了自激振動(dòng)的振動(dòng)過程，闡述了振動(dòng)減阻機(jī)理，振動(dòng)部件切開土壤后，土壤受到垂直加速度的影響向上運(yùn)動(dòng)，幾乎與工作部件前進(jìn)方向垂直，因此所受牽引阻力小。試驗(yàn)選取了耕深、土壤阻力、牽引阻力為評價(jià)性能指標(biāo)，測試發(fā)現(xiàn)牽引阻力平均可以減少10.81%，改進(jìn)后的自激振動(dòng)深松機(jī)碎土效果好、工作效率高。

王雪艷[28]對深松機(jī)的關(guān)鍵部件彈性元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和測試。自激彈性元件主要由彈簧聯(lián)結(jié)螺桿、彈簧連接板和彈簧等組成。深松鏟在土壤中切削由于受到的挖掘阻力不同，因而鏟柄在兩個(gè)彈簧之間來回振動(dòng)。自激振動(dòng)試驗(yàn)在室內(nèi)土槽上進(jìn)行，牽引阻力作為性能評價(jià)指標(biāo)，彈簧剛度系數(shù)為試驗(yàn)因素，選取無彈簧、彈簧1、彈簧2和彈簧3。這4種不同剛度來進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：裝配彈簧后比沒有彈簧時(shí)牽引力要少；彈性元件在應(yīng)用中容易磨損，機(jī)具壽命受到影響。試驗(yàn)主要對牽引力的變化情況進(jìn)行測試，功耗情況的測試沒有涉及。

3 存在的問題與展望

1)振動(dòng)挖掘的研究多集中在強(qiáng)迫振動(dòng)上，自激振動(dòng)的研究相對較少，試驗(yàn)內(nèi)容不深刻，應(yīng)加強(qiáng)自激振動(dòng)的研究試驗(yàn)，為基礎(chǔ)理論研究提供更多支持。

2)強(qiáng)迫振動(dòng)研究上多用機(jī)械連桿式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳輸效率低，能量在傳動(dòng)過程中消耗多，而像液動(dòng)、氣動(dòng)等新傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究有待加強(qiáng)。

3)振動(dòng)挖掘研究主要用減阻降耗作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，把機(jī)具前進(jìn)速度、挖掘鏟振幅、振動(dòng)頻率等作為影響因素，而對土壤力學(xué)特性與作業(yè)機(jī)具作用機(jī)理研究、土壤物理變化與振動(dòng)挖掘機(jī)理的研究相對較少。振動(dòng)挖掘試驗(yàn)中多產(chǎn)生近似正弦波形的速度-位移變化，而像矩形波、三角波形等其它波形的速度-位移變化很少有研究。

4) 現(xiàn)今振動(dòng)挖掘的研究試驗(yàn)多停留在低頻階段，高頻階段的土壤挖掘阻力變化、能量消耗變化及土壤物理性質(zhì)的變化很少研究。今后，應(yīng)該加大高頻振動(dòng)的研究試驗(yàn),如超聲波振動(dòng)下土壤挖掘阻力和耗能變化的試驗(yàn)研究等，通過試驗(yàn)優(yōu)化各因素間的匹配關(guān)系，使挖掘過程中阻力、能耗等綜合降低。

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Research Status and Prospect of Agricultural Soil Vibratory-cutting Technology

Zhao Shuai, Wang Jiasheng, Wang Fangyan, Zhang Fengfeng, Li Xiu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

In the process of soil tillage, subsoiling, root and rhizome crops digging, there are problems in the process of cutting resistance and high energy consumption. In order to solve these problems, domestic and foreign scholars used variety of methods and approaches to improve the soil tool cutting resistance, the way of soil vibratory-cutting was one of the important ways to reduce the resistance. The theory and experimental research on the domestic and foreign researchers in the field of agricultural soil vibratory-cutting technology were described in this paper, the drag reduction mechanism of vibration mode was analyzed, the typical application of forced and self-excited two vibration modes in agricultural soils was reviewed, the advantages and disadvantages of the related research were pointed out, The prospect analysis of vibratory-cutting technology in the field of soil operation prospects were carried out.

vibratory-cutting; agricultural soil; reducing resistance and reducing consumption; research status; prospect

2016-05-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505246)；山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(J14LB14)

趙 帥(1987-)，男，山東萊西人，碩士研究生， (E-mail )912433490@qq.com。

王家勝(1976-)，男，山東沂源人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail )jiasheng0813@163.com。

S233.1

A

1003-188X(2017)07-0244-08