紅壤鑿形深松鏟的設計與試驗

嚴曉麗，汪 春，李 明，符少華，韋麗嬌，張 培，游 瀟，董學虎，何馮光1，

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319；2.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東 湛江 524091；3.海南省農業機械研究所，海口 570100；4.中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

南方紅壤旱作區包括廣東、廣西、云南等省區的旱作作物種植區域，土壤多為赤紅壤和磚紅壤，質地黏重。此外，由于農民長期采用人畜力翻耕作業、就地焚燒秸稈、人工施用大量化肥等傳統生產方式，導致紅壤土地耕作層淺薄、犁底層增厚、保水能力差、暴雨季節徑流、表層板結等土壤劣化[1]，嚴重制約了南方紅壤旱作區旱作作物高產生產的發展。合理耕作、提高紅壤地力和保護紅壤耕地已成為南方旱作作物生產亟待解決的問題。進行以打破犁底層、加深耕作層、減少土壤水分無效蒸發、增加土壤蓄水能力[2-3]為目的機械化深松，是創造南方紅壤旱作區土壤合理耕層結構的最直接、簡單、有效的耕作方式。當前，已有將國外及北方成熟的深松機具應用于南方紅壤土地的探索研究，但出現土壤黏附鏟面嚴重、工作阻力大等問題，因此進行適應紅壤土作業深松鏟的研究尤為重要。

歐美等國家對深松鏟的研究已經相當完善。按結構分有直柄鏟、斜柄鏟、弧形鏟和側彎鏟等；按松土方式分有擠壓松土鏟及振動松土鏟；按性質分有機械鏟及仿生鏟。RASHID Qaisrani等設計了一種仿生柔性深松鏟，通過結構優化減少土壤黏結量15.85%[4]。振動深松鏟和仿生鏟是我國近幾年的研究熱點，基于振動和仿生原理設計的深松鏟，均能有效減小土壤黏附及牽引阻力，但結構較復雜[5-13]。付俊峰等在振動條件下設計半彎型深松鏟，試驗結果表明，采用新型深松鏟的振動深松機牽引阻力降低7%～17%[14]。現有適用于北方土壤黏性較小(土壤單位黏結力平均值為1.05N/cm2[15])、土質較松軟等良好條件的深松鏟，并不完全適用于南方紅壤旱作區強黏性(土壤單位黏結力平均值為3.51N/cm2[15])的紅壤土。此外，相關研究表明，土壤黏附使犁耕阻力增加30%以上，耕整機械能耗增加30%～50%。合理的深松鏟結構參數有利于降低深松作業阻力及提高作業質量[16]。因此，需對紅壤黏土條件下的深松鏟結構進行深入研究。

本文針對紅壤耕作力學特征的特殊性，對深松鏟在強黏性的紅壤土中進行受力分析，設計適用南方紅壤旱作區的鑿形深松鏟并進行優化。同時，結合土槽和田間試驗研究，探索深松鏟紅壤土黏附量及牽引阻力值，確定紅壤鑿形深松鏟的合理結構，為紅壤深松鏟減黏減阻及優化、南方紅壤旱作區耕作機具的設計研究提供依據。

1 紅壤鑿形深松鏟的結構設計

1.1 紅壤特征

紅壤土層深厚、質地黏重、肥力差、呈酸性至強酸性，其膨脹性、流塑性及持水性能均比其他類型土壤的強，且具有特別高的膠結性能，質地屬黏土，紅壤特征表現為強黏性、比阻大。此外，南方紅壤區屬于熱帶、亞熱帶季風氣候，年降水量大，雨季長，因此紅壤土含水率高，易達到黏著極限，出現黏著力，使得土壤黏附耕作機具嚴重、耕作阻力大、耕作質量差。3種旱地典型土壤的黏粒含量如表1所示。相關研究表明：含黏粒越多的土壤，與金屬表面的實際接觸面積越大，黏著力越大，因此黏土質的紅壤表現出高黏著力。

表1 3種旱地典型土壤的黏粒含量Table 1 Cosmid content of three types typical soil in dry filed

1.2 紅壤條件下深松鏟受力分析

深松鏟在紅壤土地作業，應考慮常規兩個方面的阻力：①鏟柄刃口和鏟頭鏟尖刃部切削土壤時的阻力[17]；②深松鏟運動擠壓土壤使土壤產生剪切破壞時的阻力[18]。由于紅壤土的強黏性和高黏著力，因此還需考慮第三方面的阻力，即因土壤黏附鏟面產生的切向黏附阻力。深松鏟在工作狀態下的受力情況復雜，為便于分析，將深松鏟牽引阻力分為鏟柄和鏟頭兩部分的受力。

深松鏟牽引阻力是指作業時作用在鏟上總阻力的縱向水平分力。鏟頭受力主要由黏附阻力、摩擦阻力、切削阻力和剪切破壞阻力構成，如圖1所示。根據受力平衡條件，得出鏟頭阻力的平衡方程式為

Rx1=CS1cosβ+fN1cosβ+kB1cosα+N1sinβ

式中Rx1—鏟頭阻力(N)；

C—土壤對鏟面的單位黏附力(N/mm2)；

S1—鏟頭上端面的面積(mm2)；

β—入土角(°)；

f—土壤對深松鏟的摩擦因數，取f=0.75；

N1—土壤作用于鏟頭的正壓力(N)；

k—單位寬度土壤的純切削阻力(N/mm)；

B1—鏟尖寬度(mm)；

α—入土隙角(°)。

根據幾何關系可得

S1=lB1

式中l—鏟尖長度(mm)。

圖1 鏟頭受力分析示意圖Fig.1 Sketch of force analysis of shovel head

鏟柄在工作狀態下的受力分析如圖2所示，包括切削阻力、摩擦阻力、黏附阻力和剪切破壞阻力。根據受力平衡條件，可得鏟柄阻力的平衡方程式為

式中Rx2—鏟柄阻力；

L—鏟柄刃口長度(mm)，L=θ+πR，θ為刃口弧形夾角(°)；

R—刃口弧形半徑(mm)；

N2—土壤作用于鏟柄刃口楔面的正壓力(N)；

γ—鏟柄刃口夾角(°)；

S2—鏟柄刃口面積(mm2)；

N3—土壤作用于鏟柄側面的正壓力(N)；

S3—鏟柄側面面積(mm2)。

根據幾何關系可得

S3=hB2

式中h—深松深度(mm)；

σ—鏟柄厚度(mm)；

B2—鏟柄側面寬度(mm)。

圖2 鏟柄受力分析示意圖Fig.2 Sketch of force analysis of share shaft

1.3 深松鏟結構參數確定

為獲得較大的松土范圍和較高的松土系數，采用相對不易黏土的傾斜鏟柄，鏟柄傾角為33°[19]。為提高碎土性能和降低工作阻力，采用鑿形鏟頭，紅壤鑿形深松鏟結構如圖3所示。

圖3 紅壤鑿形深松鏟結構及幾何尺寸示意圖Fig.3 Sketch of structure and geometry size of chisel-shape deep-shovel

綜合以上的理論受力分析可知，鑿形深松鏟牽引阻力為

Rx=Rx1+Rx2

由于南方紅壤土的強粘性，土壤黏著力對鑿形深松鏟牽引阻力的影響比較大，當土壤理化性狀等條件一致時，影響黏附阻力和牽引阻力的結構參數有入土角β、入土隙角α、鏟尖長度l、鏟尖寬度B1、鏟柄刃口長度L、鏟柄刃口夾角γ、深松深度h、鏟柄厚度σ和為鏟柄側面寬度B2。

一般情況下，土壤的純切削是很小的，只有當土壤中存在石塊或殘根或觸土部件的刃口變鈍時，土壤純切削阻力才顯得重要[20]。因此，忽略總牽引阻力中的切削阻力，即忽略入土隙角、鏟尖寬度和鏟柄刃口長度這3個結構參數對總牽引阻力的影響。為保證深松鏟在耕作時不壓實下部和側面的土壤，入土隙角α=8°；參考設計標準，取鏟尖寬度B1=40mm。

相關研究表明：鑿形深松鏟的鏟尖前伸量S與理論深松深度H的比值在S/H=0.64～1.04的范圍內時具有較明顯的減阻效果，當S/H=0.8時減阻效果為最佳狀態[21]。南方紅壤旱作區多種植甘蔗、木薯、菠蘿、香蕉等深根作物，根系較為發達。其中，種植面積最大的甘蔗，其根部入土深度可達3～4m，這些深根作物大部分的根系均集中在土表的150～400mm范圍內。因此，為有利于深根作物在土表150～400mm范圍內生長，設計紅壤鑿形深松鏟深松深度h=400mm；為達到最佳減阻效果，則取鏟尖前伸量S=320mm。此時，根據設計標準計算得到鏟柄刃口長度L=480mm，鏟尖長度l=S-B2，即鏟尖長度由鏟柄側面寬度決定。

因此，影響黏著力和牽引阻力的主要結構參數為入土角、鏟柄刃口夾角、鏟柄厚度和鏟柄側面寬度。研究表明：入土角在20°～45°的范圍內時，耕作部件的耕作阻力最小。其中，深松深度較大、速度較高時，入土角趨向于較小值；反之，趨向于較大值。紅壤黏土條件的最小入土角為40[20]，所以設計入土角β的取值范圍為40°～44°。參考設計標準和相關文獻，深松鏟柄鏟柄刃口夾角γ的取值范圍為30°～60°。為保證紅壤鑿形深松鏟在耕作阻力比較大的黏性紅壤土中正常作業而不易損壞，鏟柄厚度σ和鏟柄側面寬度B2分別取值范圍25～40mm和80～120mm[11，22]。

2 試驗與結果分析

以探索適用南方紅壤旱作區的鑿形深松鏟合理結構為目的，研究最小牽引阻力及最小黏土量條件下的各結構參數的最優組合，確定紅壤鑿形深松鏟的結構設計參數。

2.1 試驗材料及方法

2.1.1 材料與設備

深松鏟，機架，東方紅LX904型拖拉機1臺，東方紅LX804型拖拉機1臺，SC-900型土壤堅實度測定儀、TK3-BASIC型土壤水分測定儀，毛刷，EL520A型電子天平，戴爾Inspiron 14-N4050筆記本電腦1臺，鎖緊環扣2個，鋼絲繩2條，米尺，標記桿36根，自封袋9個。TX2-50K型工作測力儀由推拉力數顯器和外置S型傳感器組成，配套專用的工作測力儀測試軟件1.7，監控和追溯測試曲線數據。

2.1.2 試驗地條件

試驗在廣東省湛江市中國熱帶農業科學院農業機械研究所的甘蔗基地試驗田進行，試驗時間選擇在未種植甘蔗的春季。試驗田長185m，寬120m，土壤為典型的磚紅壤，黏粒含量45.3%，連年進行甘蔗種植，地勢平坦。采用GB/T5262-2008五點法測量試驗區域0～40cm土層的土壤堅實度及土壤含水率，取平均值，如表2所示。

表2 0～40cm土層土壤堅實度及土壤含水率Table 2 Soil density and moisture in 0～40cm soil layer

2.1.3 試驗方法

將試驗田按試驗要求劃分小區，每個小區長60m、寬20m，插上標記桿。東方紅LX904型拖拉機掛1檔在前面行走，東方紅LX804型拖拉機掛接深松鏟并空檔，由東方紅LX904型拖拉機拖曳在其后面行走。用鎖緊環扣、鋼絲繩將S型傳感器連接在兩臺拖拉機中間用于分別測量后臺拖拉機不掛接深松鏟時和掛接深松鏟時的牽引阻力，兩者之差即為試驗牽引阻力, 如圖4所示。

圖4 測試深松牽引阻力系統Fig.4 Test system of traction resistance

將工作測力儀和筆記本電腦用USB數據線連接起來，通過測力程序軟件測量和記錄每次試驗機車組在試驗小區中間行走平穩的25m內牽引阻力的大小，計算平均值。每次試驗行程結束后，用毛刷將黏附在深松鏟表面的土壤掃入自封袋，并檢測質量。

2.2 試驗方案

通過上述分析，確定紅壤鑿形深松鏟入土角β、鏟柄刃口夾角γ、鏟柄厚度σ和為鏟柄側面寬度B2為試驗因素，牽引阻力Rx和黏土量Y為試驗指標。試驗時深松深度為400mm，試驗因素水平設置如表 3 所示。將紅壤鑿形深松鏟的結構參數設計四因素三水平的正交試驗，選用 L9( 34) 正交表，共設計9種紅壤鑿形深松鏟，采用45鋼制造。試驗方案和試驗結果如表4所示。

表3 試驗因素與水平Table 3 Factors and levels of experiment

表4 試驗方案與試驗結果Table 4 Schemes and results of experiment

2.3 試驗結果分析

以牽引阻力、土壤黏附量為分析指標，對入土角、鏟柄刃口夾角、鏟柄厚度和鏟柄側面寬度進行極差分析，結果如表5所示。

表5 試驗結果極差分析Table 5 Analysis of experiment results

由表5可可知：影響紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量的分別為主次因素ADBC和ADCB，最佳組合方案分別為A1B3C3D2和A1B1C3D2，即入土角β=40°，鏟柄刃口夾角γ分別為60°和30°，鏟柄厚度σ=40mm，鏟柄側面寬度B2=100mm。

入土角是深松鏟的關鍵結構參數之一，不宜過大也不宜過小。在允許的范圍內，入土角越小，深松鏟的抬土能力越強。但是，此時以楔形入土的鏟頭就會趨向與地面平行入土，入土性能就會明顯降低；相反，隨著入土角增大，入土性能和推土性能均會提高，深松鏟的推土作用強于提升作用，抬起的土壤少，易引起牽引阻力增大和作業能耗增加。紅壤鑿式深松鏟的入土角β增大，紅壤土黏附鏟頭端面產生的黏附阻力、摩擦阻力、剪切破壞阻力等均增大，導致紅壤土黏附鏟頭端面嚴重，深松鏟鏟頭阻力Rx1增大。由表5可知：入土角對紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量最優水平均為A1，即入土角β=40°。可見，400mm屬于較深的深松深度，入土角取小值。

鏟柄刃口夾角的大小對鏟柄摩擦阻力影響不大，但是對鏟柄刃口的黏附阻力有較大影響。若鏟柄刃口夾角γ較小，刃口的摩擦阻力減小，刃口黏附阻力增加，導致鏟柄阻力增大，進而引起深松鏟的牽引阻力增大。此外，若刃口夾角過小，刃部較鋒利，在作業過程中容易受沖擊載荷而損壞。反之，增加鏟柄刃口的大小有利于提高深松鏟的強度和降低深松牽引阻力。由表5可知：鏟柄刃口夾角對紅壤鑿形深松鏟牽引阻力最優水平均為C3，即鏟柄刃口夾角γ=60°。

當鏟柄厚度σ增加時，鏟柄刃口面積增大，但紅壤土黏附鏟柄刃口產生的黏附阻力同時受鏟柄刃口夾角γ影響：當鏟柄刃口夾角γ增大時，紅壤土黏附鏟柄刃口產生的黏附阻力反而減小。由表5可知：鏟柄厚度對紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量最優水平均為B3，即鏟柄厚度σ=40mm。

鏟柄的側面寬度是深松鏟一個重要的結構參數。鏟柄側面寬度B2過大，不僅使得鏟柄側面面積增大，深松鏟側面黏附紅壤土增多，在潛土作業過程中整體形狀發生變化，導致深松鼠道不規則，土壤擾動大，牽引阻力增大，還造成深松鏟的制造材料浪費；南方紅壤旱作區不僅存在土壤黏性大、地塊不平整、石塊多等土壤情況復雜問題，鏟柄側面寬度B2過小易造成深松鏟不滿足結構強度要求，易損壞。由表5可知：鏟柄側面寬度對紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量最優水平均為D2，即鏟柄側面寬度B2=100mm。

綜上所述，兩岸的流行音樂個人演唱會均起步于20世紀80年代，至21世紀呈現蓬勃發展的狀態。1980年至2015年間，臺灣流行音樂一直盛行不衰，大陸流行音樂發展迅速，在兩岸流行樂壇占據了重要地位。兩岸流行音樂受眾的審美愈加多元化，“喜新”的同時又“懷舊”。各自對于“懷舊”呈現了不同的偏好：大陸受眾更為偏愛搖滾風格，而臺灣受眾則對閩南語歌曲格外鐘情。

因此，根據試驗及結果的分析，紅壤鑿形深松鏟的最佳結構參數組合為：入土角β=40°，鏟柄刃口夾角γ=60°，鏟柄厚度σ=40mm，鏟柄側面寬度B2=100mm。設計最佳結構參數組合的紅壤鑿形深松鏟，并進行試驗，結果表明：最佳結構參數組合紅壤鑿形深松鏟的牽引阻力為10.16kN，黏土量為0.28kg。

3 優化設計

形狀影響著觸土部件對土壤的作用方式和作用效果[23]。鑿形深松鏟的工作性能除了受其結構參數影響之外，還受鏟頭形狀影響[24]。為使紅壤鑿形深松鏟具有更好的入土性能、較小的牽引阻力及鏟面黏附土壤少，基于上述最佳組合條件對鏟頭形狀進行優化改進，設計了掘齒型鏟頭和半軸型鏟頭，如圖5所示。以入土性能、黏土量和牽引阻力為試驗指標，與標準JB/T9788-1999規定的標準型鏟頭進行田間對比試驗研究，研究設計的紅壤鑿形深松鏟在田間的工作性能。

圖5 設計的兩種不同形狀鏟頭Fig.5 Two types of shovel head

3.1 試驗材料及方法

3.1.1 材料與設備

HT農機作業智能探測系統的終端數據采集設備1套，由深度測量傳感器組、作業信息顯示設備、作業信息傳輸和存儲設備等組成，哈爾濱工業大學提供。

3.1.2 試驗方法

將試驗田劃分6個小區，每個小區長60m、寬20m，插上標記桿。機車組在每個小區往返行走1遍，每種深松鏟在2個小區內試驗，即試驗4次。在深松試驗系統中安裝HT農機作業智能探測系統的終端數據采集設備，如圖6所示。從深松鏟在每個小區開始入土到系統設備顯示深松深度40cm時測量深松鏟的入土行程。

圖6 測試深松深度系統Fig.6 Test system of subsoiling depth

3.2 試驗結果分析

3.2.1 鏟頭形狀對入土行程的影響分析

由表6可知：當深松深度為40cm時，半軸型鏟頭深松鏟的入土行程最小，掘齒型鏟頭深松鏟的入土行程比標準型鏟頭深松鏟稍大。從形狀分析，標準型鏟頭和掘齒型鏟頭則是以板體入土，對土壤是切的作用方式；而半軸型鏟頭的鏟尖刃口部分和后面圓柱結構行成一個類似圓錐體的形狀，以錐體入土，對土壤是插的作用方式。顯然，插比切更易入土。因此，半軸型鏟頭深松鏟的入土性能最好。

表6 3種不同鏟頭形狀深松鏟的入土行程Table 6 Diving-stroke of three types subsoiler

3.2.2 鏟頭形狀對黏土量的影響分析

在作業過程中，潛土部件的形狀對土壤黏附量有較大影響，因此對試驗后黏附深松鏟的土壤進行采樣，檢測其質量，結果如表7所示。

表7 3種不同鏟頭形狀深松鏟的黏土量Table 7 Soil adhesion amount of three types subsoiler

由表7可知：田間試驗深松鏟黏土量整體平均值達1 000g，黏附較嚴重。其中，標準型鏟頭和掘齒型鏟頭紅土壤黏附量較半軸型鏟紅土壤黏附量多25%。試驗中發現：紅壤土的黏附主要部位為鏟頭、鏟柄刃口及鏟柄側面，黏附最多的則是鏟頭與鏟柄的連接處。半軸型鏟頭的圓柱體形狀使紅壤土與鏟頭的接觸面形成不連續的弧形面，減小了黏附；而標準型鏟頭和掘齒型鏟頭與紅壤土的接觸面為連續的平面，黏著力較大，因此黏附的紅壤土較多。

3.2.3 鏟頭形狀對牽引阻力的影響分析

由于土壤地表不平而引起深松深度變化、土壤存在雜物、土壤理化性質不均勻、牽引力系統振動等原因，隨時間變化的試驗牽引阻力成呈躍動式曲線[4]。從工作測力儀測試軟件中導出各組數據及曲線，整理后得牽引阻力曲線如圖7所示。

由圖7可知：在試驗數據的截取段中，標準型鏟頭深松鏟牽引阻力的躍動區間為11～16kN，平均值為13.49kN；掘齒型鏟頭深松鏟牽引阻力的躍動區間為13～17kN，平均值為14.90kN；半軸型鏟頭深松鏟牽引阻力的躍動區間為9～12kN，平均值為10.91kN。通過計算，掘齒型鏟頭深松鏟的牽引阻力比標準型鏟頭深松鏟的牽引阻力增加6.24%～15.15%，半軸型鏟頭深松鏟的牽引阻力比標準型鏟頭深松鏟的牽引阻力減小18.21%～18.64%。半軸形狀使刃口觸土面積減小，所以減小了牽引阻力。

圖7 3種不同鏟頭形狀深松鏟的牽引阻力Fig.7 Traction resistance of of three types subsoiler

因此，根據試驗結果，最佳結構參數組合條件下，半軸型鏟頭的紅壤鑿形深松鏟具有最佳的入土性能，紅壤土黏附量為0.54kg，較標準型減少25%，牽引阻力為10.91kN，較標準型降低18.21%～18.64%，鏟頭的設計為半軸型。

4 結論

1)基于南方紅壤旱作區紅壤土強黏性的物理特征，通過分析深松鏟的切削、黏附等的阻力情況，確定了紅壤鑿形深松鏟的入土角β的取值范圍為40°～44°、鏟柄刃口夾角γ的取值范圍為30°～60°、鏟柄厚度σ的取值范圍為25～40mm、鏟柄側面寬度B2為80～120mm。在此基礎上，進行了紅壤鑿形深松鏟的正交試驗得出紅壤鑿形深松鏟的最佳結構參數組合為：入土角β=40°，鏟柄刃口夾角γ=60°，鏟柄厚度σ=40mm，鏟柄側面寬度B2=100mm。在最佳結構參數組合試驗下，得出紅壤鑿形深松鏟的牽引阻力和黏土量分別為10.16kN、0.28kg。土壤黏附不僅與深松鏟結構有關系，還與材料有關，研究為進一步深入探索材料對黏附情況的影響提供依據。

2)在紅壤鑿形深松鏟最佳結構參數組合條件下，設計了半軸型和掘齒型鏟頭，與標準型鏟頭進行了田間對比試驗研究。試驗結果表明：3種不同鏟頭形狀的紅壤鑿形深松鏟在田間試驗中，紅壤土黏附量較大，平均均超過0.5kg，半軸型比另外兩種黏附減少25%；半軸型鏟頭深松鏟的入土性能最佳，平均入土行程為1.25m；標準型、掘齒型、半軸型鏟頭的紅壤鑿形深松鏟牽引阻力的躍動區間分別為11～16kN、13～17kN、9～12kN；與標準型相比，半軸型的牽引阻力減小18.21%～18.64%，掘齒型的黏土量減少4.2%，牽引阻力的增加6.24%～15.15%，鏟頭形狀確定為半軸型。現有深松機械難于滿足特定土壤類型的深松作業要求，因此該研究可為進一步探索紅壤土黏附深松鏟的規律、南方紅壤旱作區耕作機具的設計及優化等提供參考依據。