基于刮削與振動原理的減粘降阻鎮壓裝置研究

劉宏俊 趙淑紅 譚賀文 楊悅乾 張先民

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

鎮壓裝置是播種機的關鍵配套裝置[1-5]，其作業性能影響種子的生長環境[6-10]。傳統的鎮壓裝置采用剛性鎮壓輪，實際鎮壓作業時，剛性鎮壓輪表面光滑易粘附土壤，影響鎮壓后土壤表面平整度和牽引阻力，導致鎮壓作業質量大幅度下降[11-12]。故有必要針對鎮壓作業時存在的問題，設計出一種減粘降阻效果較好的鎮壓裝置，對提高播種配套裝置技術水平具有重要意義。

目前機械式減粘降阻方法在農業機械設計中應用廣泛[13-14]。蔣建東等[15]提出了一種對旋耕機具施加振動載荷進行壓實土壤切削減阻的方法；邱立春等[16]研究在土壤深松過程中深松機產生自激振動的原因及振動減阻機理；李霞等[17]采用振動減阻原理研制了受迫振動深松機，解決深松作業機具耕作阻力大、深松深度不穩定、耕作質量不高的問題。研究人員往往僅僅采用一種機械式減粘降阻方法(振動法)提高農業機械的作業性能。而賈洪雷等[18]將仿生學與振動、彈性等方法結合，設計出仿形彈性鎮壓輥減粘防滑結構，解決仿形彈性鎮壓輥粘附土壤和滑移率較大的問題。由上述可知，將多種機械式減粘降阻法應用到農業機械設計中，可提高農業機械作業性能。

為解決土壤粘附和牽引阻力大等問題，本文應用機械式減粘降阻方法，即刮削法和振動法[19-20]，設計一種機械式減粘降阻鎮壓裝置，使其具有一定的減粘降阻效果，提高鎮壓作業質量。

1 總體結構與工作原理

機械式減粘降阻鎮壓裝置主要由機架、橫向仿形板連接板、橫向支架、彈簧、調節絲杠、縱向支架、鎮壓輪、刮削板等組成，如圖1所示。

圖1 機械式減粘降阻鎮壓裝置結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of press device in mechanical type reducing adhesion and resistance1.機架 2.橫向仿形板連接板 3.橫向支架 4.彈簧 5.調節絲杠 6.縱向支架 7.鎮壓輪 8.刮削板

實際作業前，需根據土壤狀態和作物壓實要求，改變彈簧的變形量和刮削板的刮削角，保證鎮壓裝置鎮壓作業質量。作業時，在有預緊力的彈簧作用下，鎮壓輪接地強度能滿足作物生長環境要求，同時鎮壓輪與土壤始終緊密接觸，縱向支架與橫向支架相鉸接，且橫向支架無縱向自由度，保證鎮壓裝置隨地形運動，即縱向仿形。鎮壓輪中心水平基線處的刮削板也能清除一部分粘附土壤。通過上述一系列動作，保證鎮壓裝置有減粘降阻的能力，提高鎮壓裝置的作業性能。

2 作業過程與脫土機理分析

首先定量分析鎮壓裝置的運動過程，并在此基礎上對鎮壓輪表面脫土和刮削脫土進行機理分析，確定鎮壓裝置作業減粘降阻能力，為機械式減粘降阻鎮壓機構的設計提供理論依據。

2.1 鎮壓裝置運動過程分析

借鑒振動法[13-14]在農業機械設計中的應用，本文在鎮壓裝置中加入彈簧元件，使鎮壓裝置與土壤構成動態振動系統。

圖2 運動示意圖Fig.2 Diagram of motion

作為周期激勵力的土壤阻力可近似看作諧和力[21]R0+Rsin(ω1t)，其中R0為波動時間平均值，R為最大波動幅值，ω1為激勵頻率，t為作業時間。圖2中，土壤阻力和OA線垂直；θ1為線AO與線AB的夾角；θ2為彈簧與縱向支架的夾角；P0為彈簧預緊力；k為彈簧剛度。由動量矩定理得系統振動微分方程

(1)

式中J0——系統相對鉸接點A的轉動慣量θ——鎮壓輪的角擺動位移

系統平衡狀態時系統振動微分方程

P0sinθ2lAB=R0lOA

(2)

由文獻[22-23]可知，系統固有振動對系統影響不大，且系統頻率與激勵頻率相同，系統振動微分方程解可近似為

θ=Xsin(ω1t)

(3)

式中X——振幅

聯立式(1)～(3)得

(4)

由式(4)可知，鎮壓作業時，鎮壓輪處于振動狀態，這樣可使觸土面處土壤的水分和空氣易于逸出，從而改善鎮壓輪表面潤滑，實現減粘降阻的效果[19]。同時還能減輕土壤對鎮壓輪表面粘附，即振幅越大，脫土性能越好[23]。當結構參數和土壤特性一定時，可減小彈簧剛度，增大振幅，從而提高裝置脫土性能，但彈簧剛度過小，則影響裝置工作穩定性。由上述可知，鎮壓裝置具有減粘降阻效果，彈簧剛度影響鎮壓裝置的減粘降阻性能，同時需要通過試驗測試進一步確定彈簧剛度對鎮壓輥脫土性能的影響及最優彈簧剛度。

2.2 鎮壓輪表面脫土機理分析

粘附土壤隨無振動的鎮壓輪運動的過程中會發生自然脫落，同時在地面與水平基線之間運動過程中粘附土壤脫附可能性大[19]，考慮到本文的鎮壓輪處于振動狀態，重點分析該階段粘附土壤運動過程中的受力，旨在找出影響脫附的主要因素。

由理論力學運動學可知，圖3中的粘附土壤隨著鎮壓輪作平面運動，即相對輪心O點的相對運動和繞著O點的平行移動。FAτ、FAn為相對鉸接點A擺動法向、切向慣性力；θ3為OA線和水平基線的夾角；θ4為粘附土壤徑向位置與法向間夾角。由達朗貝爾原理[24]及平面運動加速度分析，土壤運動過程不脫附的條件為

(5)

式中F——粘附力Fb——剝離力v——工作速度r——鎮壓輪半徑m——刮削粘附土壤質量G——重力

由系統振動方程解，可確定

(6)

(7)

聯立式(4)～(7)可得

(8)

由式(8)可知，在結構參數和土壤特性一定時，可控制工作速度v、彈簧剛度k來增加剝離力Fb，增加鎮壓裝置的脫土性能，同時需要通過試驗測試進一步確定作業速度對鎮壓輪脫土性能的影響及最優作業速度。

圖3 粘附土壤運動受力分析圖Fig.3 Force analysis of adhesive soil movement

2.3 刮削板脫土機理分析

粘附土壤在首次離開水平基線后，其脫附可能性降低[20]。在水平基線處加入刮削板，旨在進一步清除鎮壓輪表面粘附土壤量，如圖4所示。圖4中，δ為刮削角；φ為刮削板的刃口角；vz為粘附土壤的絕對速度；vzn、vzτ為vz沿刮削板刃口面的法向速度、切向速度；α為粘附土壤速度方向與刃口面切向夾角，且α=δ+φ；刮削板對粘附土壤作用力沿刃口面的法向分力為Fn，且忽略切向分力。由圖4a中的放大圖可知，刮削角度越大，破壞線上方的面積越大，即刮削粘附土壤質量m越大。刮削板與粘附土壤相互作用前后，vzτ大小、方向均不變，而vzn變為0。力引起速度變化，故可由沖量定理[24]求得Fn為

(9)

由式(9)可知，在切削時間t和粘附土壤絕對速度vz一定時，刮削角δ越大，則Fn越大，而Fn越大，刮削板有可能發生變形，同時刮削板與粘附土壤的作用方式為刮削，則δ+φ<90°，故選擇刮削角δ范圍為0°～60°，同時需要通過試驗測試進一步確定刮削角對鎮壓輪脫土性能的影響及最優刮削角。

圖4 刮削脫土機理分析圖Fig.4 Mechanism analysis diagram of soil scraping

3 關鍵機構設計及參數確定

刮削角、預緊力和縱向仿形調節機構是機械式減粘降阻鎮壓裝置的關鍵機構。由鎮壓裝置運動過程分析和脫土機理分析可知，裝置的結構尺寸和彈簧剛度等對鎮壓裝置作業性能影響較大，故有必要進行合理設計，以期保證鎮壓作業性能。

3.1 刮削角調節機構

刮削機構在田間農業機械中應用廣泛，其可很好的清除粘附土壤，但刮削機構剛性地固定在輪軸或機架上，不能根據土壤墑情進行調節。在現有刮削機構的基礎上，本文設計出刮削角調節機構，該結構簡單且緊湊，不影響鎮壓裝置正常運行，屬于理想減粘降阻的機構[20]。

刮削角可調節機構由刮削板、刮削固定板、連接軸等組成，如圖5所示。刮削板是機構的核心部件，主要結構參數為：刮削板厚度，刮削板厚度過大，易造成材料浪費，反之，易發生刮削板變形，由預試驗確定刮削板厚為5 mm；同時最大刮削角(60°)和刃口角之和越小越好，且最大不能超過90°，同時保證刃口角不小于土壤內摩擦角23°，由此確定刃口角為23°。考慮到鎮壓輪表面有焊縫和刃口與輪邊緣土壤堵塞問題，由預實驗確定刮削板安裝刃口與輪邊緣間的間隙長度L4為5 mm，如圖5a中局部放大圖所示；為了保證刮削板工作穩定性，由加工經驗確定連接軸的間距L3為30 mm。為了保證作業時刮削板不發生移動，需要先將內側螺母擰至自然狀態時刮削固定板內側面，再擰外側螺母直至刮削固定板外側面，如圖5b所示。

圖5 刮削角調節機構示意圖Fig.5 Diagrams of scraping angle adjusting mechanism1.連接軸 2.刮削板 3.刮削固定板

3.2 預緊力調節機構

預緊力調節機構由調節絲杠、調節螺母、調節板、調節銷軸等組成，如圖6所示。彈簧預緊力的調節通過扭轉調節螺母來控制調節絲杠水平移動，帶動調節銷軸在凹槽內移動，改變彈簧拉伸量。同時調節絲杠還可以限制彈簧橫向移動，保證鎮壓均勻。

彈簧剛度參數影響鎮壓裝置作業性能，在預試驗的基礎上，本文選擇3種相同材料(65Mn)的圓鉤螺旋拉伸彈簧，其具體參數如表1所示。

圖6 彈簧調節機構三維圖Fig.6 Diagrams of spring adjusting device1.凹槽 2.橫向支架 3.調節絲杠 4.調節螺母 5.固定板 6.縱向支架 7.調節銷軸 8.彈簧

序號材料直徑/mm彈簧中徑/mm彈簧剛度/(N·mm-1)圈數1412.330452517.035363622.04030

3.3 縱向仿形調節機構

縱向仿形調節機構主要由橫向支架和縱向支架組成。運動過程中，縱向支架繞鉸接點A轉動，使鎮壓機構隨地形上下運動，實現仿形。由圖7可知，鉸接點A與邊MN的距離為l1，其與仿形角θ4正相關，l1越長，仿形角θ4越大。考慮到結構緊湊，為保證工作重心低，進而增加作業穩定性，本文取上下仿形角范圍在-30°～30°之間。

(10)

當θ4=30°時，l1為32 mm。

圖7 仿形運動分析及結構參數示意圖Fig.7 Diagram of profiling motion analysis and structural parameters

4 試驗材料與方法

4.1 試驗設備及條件

2016年10月在黑龍江省農業機械工程科學研究院的室內土槽中進行試驗，如圖8所示。

圖8 土槽試驗Fig.8 Soil bin test

試驗設備：TCC-3型土槽試驗車(0～8 km/h)；土槽(長70 m、寬3 m、土壤厚度1 m)；六分力測試裝置；SC-900型土壤堅實度儀；環刀組件(容積100 cm3)；JD1000-2型電子天平；干燥箱。

試驗條件：土壤為典型東北黑土；土壤容重為1.23 kg/m3；土壤平均含水率為17%；土壤內摩擦角為15°。

4.2 正交試驗設計

由鎮壓裝置作業過程與脫土機理分析可知，需要通過試驗測試進一步確定彈簧剛度、前進速度和刮削角對鎮壓輥脫土性能的影響及最優水平組合。選擇彈簧剛度、前進速度和刮削角作為試驗因素，因素水平如表2所示。選擇牽引阻力和土壤粘附量來衡量鎮壓裝置作業性能，并且試驗指標值越小越好。選擇L9(34)正交表來安排試驗，為了控制試驗誤差，保證試驗精度，每次試驗前鎮壓強度相同，進行9組試驗，結果如表3所示。A、B、C為因素水平值。

表2 正交試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

5 試驗結果與分析

5.1 試驗因素對作業性能的影響

通過對試驗結果的極差分析，得到影響牽引阻力的主次順序為A、C、B，各因素的最優水平分別為A3、B2、C2，則最優組合為A3B2C2。同理，影響土壤粘附量的主次順序為A、C、B，各因素的最優水平分別為A3、B3、C2，則最優組合為A3B3C2。

表3 正交試驗結果與極差分析Tab.3 Results of orthography experiment and range analysis

通過方差分析，對各因素影響牽引阻力和土壤粘附量進行顯著性檢驗，如表4和表5所示。

表4 牽引阻力方差分析Tab.4 Variance analysis of traction resistance

注：*** 表示極為顯著，** 表示顯著，下同。

表5 土壤粘附量方差分析Tab.5 Variance analysis of soil adhesive quality

由表4、5可知，彈簧剛度和刮削角對牽引阻力和土壤粘附量影響均極為顯著；前進速度對牽引阻力和土壤粘附量影響均顯著；這與極差分析的主次因素結論一致。因此，對于牽引阻力和土壤粘附量而言，彈簧剛度和刮削角的選擇至關重要。

5.2 試驗因素的綜合優化

(1)標準化處理

由表3可知，2個試驗指標的度量單位不同，在綜合加權分析前，需要對試驗指標值進行標準化，標準化公式為

(11)

式中Rin——第i項指標的第n次試驗標準值Tin——第i項指標的第n次試驗值Tid——第i項指標的均值TiM、TiN——第i項指標的最大、最小值

由式(11)可得到各指標對應的標準值，如表6所示，由其構成的關系矩陣為

(12)

(2)各指標權重

在鎮壓作業過程中，牽引力并不是主要考慮因素，但土壤粘附量對作業質量會產生明顯的影響，根據專家經驗法[25]，確定2項指標的主權權重分別為U1=[0.3,0.7]。由公式Y=UR得最后的綜合評分見表6?？傻酶髦笜说木C合評分值中分值越小越好。

表6 綜合評分值Tab.6 Value of comprehensive evaluation

由表7可知，在95%和99%的置信度下，A和C對鎮壓作業性能影響極顯著，B對鎮壓作業性能影響較顯著。

對表6的綜合評分值進行圖形化處理，研究單獨考慮3個試驗因素時，各個水平下試驗因素對工作性能的影響，見圖9。由圖9可知，A3B3C2綜合評分值最小，即工作性能最優，該結果與表8的極差分析結果相同，進一步證明最優水平組合為A3B3C2，彈簧剛度為40 N/mm、前進速度為7 km/h、刮削角為30°。

5.3 驗證及對比試驗

由于綜合優化的最優水平組合并不在正交試驗方案中，為了驗證該組合對鎮壓裝置的實際工作性能的影響情況，同時進行與傳統鎮壓裝置的的對比試驗，將最優組合A3B3C2進行3次重復試驗，試驗結果見表9。將機械式減粘降阻鎮壓裝置的試驗結果與正交試驗結果對比可知，鎮壓裝置采用A3B3C2組合作業性能最優，故最優水平組合：彈簧剛度為40 N/mm、前進速度為7 km/h、刮削角為30°。根據對比結果發現，傳統鎮壓裝置的牽引阻力和土壤粘附量均高于機械式減粘降阻鎮壓裝置，且牽引阻力和土壤粘附量分別降低了17.8%和34.8%，由此可知機械式減粘降阻機構有減粘降阻的作用。

表7 綜合評分方差分析Tab.7 Variance analysis of comprehensive scores

圖9 試驗因素與綜合加權評分值的關系Fig.9 Relationship of test factors and comprehensive weighted score value

綜合加權值ABCk10.350.040.10k2-0.020.00-0.19k3-0.33-0.050.10R0.680.090.29主次因素A>C>B最優水平A3B3C2

表9 驗證及對比試驗結果Tab.9 Validation and comparison tests results

6 結論

(1)借鑒地面機械觸土部件減粘降阻法，設計了一種機械式減粘降阻鎮壓裝置，其具有減粘降阻的能力，滿足作物鎮壓作業要求。

(2)利用統計分析軟件對正交試驗結果進行分析，得到：彈簧剛度和刮削角對牽引阻力和土壤粘附量影響均極為顯著，前進速度對牽引阻力和土壤粘附量影響均顯著。

(3)由綜合加權評分法確定機械式減粘降阻鎮壓裝置的最優水平組合為：彈簧剛度為40 N/mm，前進速度為7 km/h，刮削角為30°，并進行試驗驗證，得到牽引阻力為39.6 N，土壤粘附量為43.24 g。通過與傳統鎮壓裝置進行對比，驗證了鎮壓裝置減粘降阻的能力。

1 賈洪雷,姜鑫銘,郭明卓,等.2BH-3型玉米行間播種機設計與試驗[J/OL].農業機械學報,2015,46(3):83-89.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150312&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.012. JIA Honglei,JIANG Xinming,GUO Mingzhuo,et al.Design and experiment of type 2BH-3 inter-row seeder[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(3):83-89. (in Chinese)

2 趙佳樂. 留茬行間交替耕作模式配套播種機關鍵技術研究[D]. 長春：吉林大學, 2015.

3 白曉虎. 免耕播種機關鍵部件及其參數化設計方法研究[D]. 沈陽：沈陽農業大學, 2012.

4 郭慧. 行間耕播機彈性鎮壓裝置研究與試驗[D]. 長春：吉林大學, 2014.

5 賈銘鈺. 免耕播種機鎮壓裝置的試驗研究及計算機輔助設計[D]. 北京: 中國農業大學, 2000. JIA Mingyu．Study on press-device of no-tillage seeder and CAD[D]. Beijing: China Agricultural University，2000．(in Chinese)

6 ALTIKAT S, CELIK A. The effects of tillage and intra-row compaction on seedbed properties and red lentil emergence under dry land conditions[J]. Soil and Tillage Research, 2011, 114(1): 1-8.

7 TONG J, ZHANG Q, GUO L, et al. Compaction performance of biomimetic press roller to soil[J]. Journal of Bionic Engineering, 2015, 12(1): 152-159.

8 TASER O F, KARA O. Silage maize (ZeamaysL.) seedlings emergence as influenced by soil compaction treatments and contact pressures[J]. Plant, Soil and Environment, 2005, 51(7): 289-295.

9 劉慶福, 欒光輝. 壟上鎮壓式玉米精密播種機保墑抗旱播種試驗[J]. 農業機械學報, 2007, 38(4): 197-198.

10 于希臣, 孫占祥, 鄭家明, 等.不同鎮壓方式對玉米生長發育及產量的影響[J]. 雜糧作物, 2002, 22(5):271-273．

11 佟金,張清珠,常原,等.肋條型仿生鎮壓輥減粘降阻試驗[J/OL].農業機械學報,2014,45(4):135-140.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140421&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.04.021. TONG Jin,ZHANG Qingzhu,CHANG Yuan,et al.Reduction of soil adhesion and traction resistance of ridged bionic press rollers[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(4):135-140. (in Chinese)

12 佟金,張清珠,常原,等.仿生鎮壓輥減粘降阻的有限元分析與試驗驗證[J/OL].農業機械報,2014,45(7):85-92.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140714&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.07.014. TONG Jin,ZHANG Qingzhu,CHANG Yuan,et al.Finite element analysis and experimental verification of bionic press roller in reducing adhesion and resistance[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(7):85-92. (in Chinese)

13 張軍昌,閆小麗,林澤坤,等.自激式振動深松整地機設計與試驗[J/OL].農業機械學報,2016,47(9):44-49.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160907&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.007. ZHANG Junchang,YAN Xiaoli,LIN Zekun,et al. Design and experiment of self-exciting vibration deep-loosening and sub-soiling machine [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(9):44-49. (in Chinese)

14 崔濤,史智棟,楊麗,等.彈簧預緊力可調式振動深松機設計與試驗[J/OL].農業機械學報,2016,47(增刊):96-102.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2016s015&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.S0.015. CUI Tao, SHI Zhidong,YANG Li,et al.Design and experiment of vibration subsoiler with adjustable spring pre-tightening force[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(Supp.):96-102. (in Chinese)

15 蔣建東,高潔,趙穎娣,等.土壤旋切振動減阻的有限元分析[J/OL].農業機械學報,2012,43(1):58-62.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20120112&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2012.01.012. JIANG Jiandong,GAO Jie,ZHAO Yingdi,et al.Finite element simulation and analysis on soil rotary tillage with external vibration excitation[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(1):58-62. (in Chinese)

16 邱立春, 李寶筏. 自激振動深松機減阻試驗研究[J]. 農業工程學報, 2000, 16(6): 72-76. QIU Lichun，LI Baofa. Experiment study on the self-excited vibration subsoiler for reducing draft force[J]. Transactions of the CSAE, 2000, 16(6): 72-76. (in Chinese)

17 李霞，付俊峰，張東興，等. 基于振動減阻原理的深松機牽引阻力的試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(1)：32-36. LI Xia, FU Junfeng, ZHANG Dongxing, et al. Experiment analysis on traction resistance of vibration subsoiler[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(1): 32-36. (in Chinese)

18 賈洪雷,王文君,莊健,等.仿形彈性鎮壓輥減粘防滑結構設計與試驗[J/OL].農業機械學報,2015,46(6):20-27.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150604&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.004. JIA Honglei,WANG Wenjun,ZHUANG Jian, et al.Design and experiment on reducing soil adhesion and anti-slip structure of profiling elastic press roller[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(6):20-27. (in Chinese)

19 任露泉. 土壤粘附力學[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

20 陳秉聰. 車輛行走機構形態學及仿生減粘脫土理論[M]. 北京: 機械工業出版社, 2001.

21 盧里耶A B,格羅姆勃切夫斯基 A A.農業機械的設計和計算[M].袁佳平, 汪裕安, 顧永康, 譯.北京:農業機械出版社, 1983.

22 陳濱. 分析動力學[M]. 北京：北京大學出版社，1987.

23 張義民，李鶴. 機械振動學基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

24 周又和. 理論力學[M]. 北京：高等教育出版社，2015.

25 杜強，賈麗艷. SPSS統計分析從入門到精通[M]. 北京：人民郵電出版社,2009.