油茶林地小型深松機的設計與試驗

龐國友,高自成,李立君,趙凱杰,周飛科

(中南林業科技大學 機電工程學院,長沙 410000)

0 引言

湖南省是我國重要的糧油主產區[1]。由于油茶林地長時間不耕作,土壤板結嚴重、蓄水能力差、保肥能力差、根系深入土層淺,導致油茶很難生長壯大,從而嚴重影響油茶的產量[2]。土壤深松是指在保持土壤原有的耕層結構的基礎上進行深度松弛土壤的一種機械化的耕整地作業方式[3],能夠有效地使土壤變得疏松,提高土壤的蓄水性能和排水性能[4]。通過土壤深松,可以將較為堅硬的土層打破,使土壤的透氣性和透水性大幅度提高,從而使土壤的理化特性和農林作物的根系的生長環境得到有力改善[5]。

目前,國外深松機以大中型拖拉機為主,價格昂貴,維修困難[6];國內深松機的研究開始于20世紀六七十年代,很多高校和科研單位在這一方面做了大量的研究[7-9]。由于受油茶果果園的油茶栽培間距的限制,較大型的深松機械無法進入,市面上的小型深松機作業環境以水田為主,對林地不適用。目前,南方的林地區域的深松作業要求為在不小于20cm的深度范圍進行較為細化的土壤破碎,現存的深松機具不滿足這一作業需求,需要設計一種能夠滿足南方林地區域的深松作業機具。為此,根據油茶林基地的要求,設計了一款結構簡單、操作方便,適合林場且便于推廣應用的小型深松機具。

1 作業對象物理力學性能的研究

深松機的作業對象為土壤,其物理力學特性包括容重、含水率、硬度、內外摩擦及抗剪能力等[10-12]。為明確作業對象的固有特性,為后續的設計計算工作提供依據與支撐,進行了作業對象的物理力學特性研究。土壤的內外摩擦與含水率有關,抗剪能力與土壤硬度有關,且因本文所述深松機具的作業環境為油茶林地,故本項目組對油茶林地作業環境下的土壤的容重、含水率和硬度3項物理力學特性為研究目標展開研究。圖1為所述深松機的作業環境。

圖1 油茶林地Fig.1 Camellia woodland

1.1 作業對象容重

土壤的容重指自然狀態下單位體積土壤的質量[13],即

(1)

式中γ—土壤的容重(g/cm3);

q—土壤的質量(g);

v—土壤體積(cm3)。

為測定作業對象的容重,首先利用容積為200cm3的取樣器進行土壤取樣,再利用電子秤進行稱重,將測得的數據代入式(1)即可得出土壤的容重。圖2為利用土壤取樣器進行土壤取樣,測試結果如表1所示。

圖2 土壤采樣Fig.2 Soil sampling

表1 土壤容重測定試驗結果Fig 1 The test results of the soil bulk density

由表1可看出：油茶林地平均土壤容重為1.61g/cm3。

1.2 作業對象含水率

土壤含水率其定義為自然狀態下土壤含有的水分與干燥土壤總質量的比值[14],即

(2)

式中q—土樣原質量(g);

q′ —干燥后質量(g)。

因土層深度不同,土壤含水率不同,故而分層進行作業對象含水率的測定。將所采集的土壤樣本按土層深度分為0～40mm、40～80mm、80～120mm、120～160mm、160～200mm5個層次,稱取土樣質量后分別將土樣放入電熱恒溫干燥箱進行干燥,再將干燥后的土樣進行稱重,最終將所得數據代入式(2)計算土樣含水率。作業對象含水率測定試驗結果如表2所示。

表2 作業對象含水率測定試驗結果Table 2 Test results of moisture content of working objects

為更加直觀地表示土壤含水率隨土層深度的變化,利用MatLab繪制土壤含水率隨土層深度的變化曲線如圖3所示。結合表2和圖3可知：林地土壤表層的含水率最小,隨著土層深度的增大,土壤含水率先增大,后趨于平衡。

圖3 土壤含水率與土層深度關系曲線Fig.3 Relationship between soil moisture content and soil depth

1.3 作業對象硬度

土壤的硬度又稱土壤緊實度,是指在垂直方向載荷作用下土壤的抗壓能力[15]。

土壤硬度測量采用土壤硬度計進行測量,本測定試驗在油茶林地作業環境下進行,取3處進行硬度測定,考慮到土壤不同深度含水率對土壤硬度的影響,每處測定點取3種深度分別進行硬度測定。作業對象硬度測定試驗結果如表3所示

表3 作業對象硬度測定試驗結果Table 3 Test results of hardness test of working objects

由表3可以看出：隨著土層深度的增加,土壤硬度逐漸減小。

2 深松機整體結構設計及理論分析

2.1 拖拉機選用

針對林場的作業環境,選用手扶式拖拉機進行深松作業[16]。柴油機通過皮帶輪驅動行走裝置,通過齒輪減速箱提供刀具深松動力。選用東方紅101型手扶拖拉機,其主要參數如表4所示。

表4 手扶式拖拉機參數Table 4 Walk-behind tractor parameters

該型號的手扶式拖拉機在柴油機以額定轉速工作動力輸出軸轉速為980r/min,因其體積小,適合在油茶林地進行深松作業。

2.2 整體結構設計

根據所選用的手扶式拖拉機參數,設計小型深松機,如圖4所示。

圖4 小型深松機整體結構Fig.4 The overall structure of the small subsoiler

2.3 減速箱的設計

根據設計要求,經過減速箱后,刀具軸的轉速變為163.3r/s,其總傳動比為6。減速器總體結構如圖5所示。

圖5 減速箱總體結構Fig.5 Overall structure of the gearbox

2.3.1 傳動方案確定

根據轉速要求,采用二級直齒圓柱齒輪減速方式,四級為鏈條傳動,設計其不起減速作用,只傳遞動力。一級主動輪為手扶式拖拉機自帶,其參數為法向模數為m=2.5,齒數為49。一級從動輪與拖拉機輸出端齒輪嚙合。各級減速傳動比分配如表5所示。

1.一級齒輪減速 2.二級齒輪減速圖6 減速裝置Fig.6 Speed reducer

表5 傳動比分配Fig 5 Transmission ratio allocation

2.3.2 齒輪鏈輪設計

根據傳動比的分配,設計各級齒輪參數如表6所示。由于鏈輪不起減速作用,設計鏈輪傳動參數如表7所示。

表6 齒輪參數表Table 6 Gear parameter table

表7 鏈輪參數Table 7 Sprocket parameters mm

2.4 刀具組設計

2.4.1 刀具安裝軸設計

設計刀具安裝方式為雙螺旋安裝,結構如圖7所示。刀具安裝夾按照間距47mm、旋轉60°的螺旋方式焊接到刀具安裝軸上,刀具安裝軸通過花鍵與減速箱輸出端相連接。

1. 刀具安裝夾 2. 刀具軸圖7 刀具安裝軸Fig.7 Tool mounting shaft

2.4.2 深松刀具設計

深松刀具采用類鋤頭形狀,用螺栓將刀具固定到刀具安裝軸上,如圖8所示。

圖8 深松刀具Fig.8 Deep loose tool

3 刀具運動分析和有限元分析

3.1 運動分析

本機具采用正切耕作的方式,即刀具組的轉動方向與手扶式拖拉機前進方向一致。正切深松模型如圖9所示。

正切深松方式：深松刀具進行深松作業時,由刀具的前進直線運動和回轉圓周運動的合成運動,刀具的絕對運動軌跡是一條直線運動和旋轉運動合成的數學擺線,如圖10所示。

圖9 正切深松模型Fig.9 Tangential deep loose model

圖10 刀具運動軌跡圖Fig.10 Tool movement track diagram

其軌跡方程為

式中x、y—刀具端點在任意時刻的坐標位置;

R—刀軸的回轉半徑;

ω—刀軸的回轉角速度;

v—手扶拖拉機前進速度;

t—機器運動時間。

刀具在作業時,土壤的水平反作用力與機器前進的方向一致,有推動手扶式拖拉機向前運動的作用。深松機在林地作業時,設定拖拉機以V1=0.5m/s的速度前進,深松刀頭的圓周線速度V2為

V2=2πnr

(3)

經過齒輪箱減速后n=2.7r/s,r=300mm,帶入式(3)計算得V2=5m/s。旋耕速度比等于旋耕刀具端點的圓周線速度V2比上旋耕機前進的速度V1用λ表示,即

查閱資料知,深松機的旋速比λ>1時,深松刀具才有可能正常進行深松作業。故本文設計的深松機刀具理論上可正常作業。

3.2 有限元分析

深松刀具是深松機的關鍵零件,受力過大容易折斷,影響深松作業。因此,利用ANSYS Workbench 16.0的工具箱“Toolbox”中的靜力學分析“Static Structural”模塊,建立刀具的線性靜力學有限元分析[17],并根據線性靜力學有限元分析任務樹中的建模與分析流程依次進行操作。

1)材料設置：進行深松刀頭線性靜力學有限元分析建模之前,首先應對材料屬性進行設置,如表8所示。

2)結構模型建立：進入“Geometry”環境,將由Inventor軟件生成的深松刀具三維模型導入到Workbench中。

3)網格劃分：進入“Model”有限元建模環境,根據表9所示的設置進行網格設定,對模型施加載荷,得到有限元分析的結果如圖11所示。

表8 材料基本屬性設置Table 8 The setting of the basic properties of the material

表9 網格劃分設置參數Table 9 The setting parameters of grid partition

由圖11(a)可知：深松刀具最大變形位置位于刀尖處,變形量為0.701 07mm,變形量小,刀具剛度足夠。從圖11(b)中可以看到：刀具組受到的最大應力為81.6MPa,位于刀具弧形彎曲位置,最大應力小于材料的許用應力,刀具滿足強度要求。

(a) 應變云圖

4 試驗

為了驗證設計的可行性,制作一款樣機進行實地試驗。于2018年4月在湖南長沙中南林業科技大學雪峰山油茶科研工作站進行試驗,選擇平整度較好的地方進行試驗,如圖12所示。試驗前,先用本項目組所設計的除草機先清除雜草,深松作業時設定拖拉機以V=0.5m/s的速度前進,設定深松深度為20cm。

1)以雙螺旋刀具進行作業,機子深松前進25m;

2)每邊拆掉6把刀具,余下6把刀具單螺旋固定,機子深松前進25m。

圖12 試驗過程Fig.12 Test process

為更好地研究深松效果,采集以下指標的相關數據：①雙螺旋深松和單螺旋深松后的碎土率;②雙螺旋深松和單螺旋深松后的含水率。

碎土率的測定：選擇深松后的土壤,等間距選取10個點,每個點選取面積為30cm×30cm,在20cm的深松層內,分揀出邊長大于4cm的土塊,并稱量其質量m1,在稱量該點內其余土塊的質量m2,則碎土率為

(4)

試驗結果如表10所示。

表10 深松碎土率Table 10 Deep loose soil rate

試驗結果表明：單螺旋刀具平均碎土率為66.68%,碎土率較低;雙螺旋刀具平均碎土率為75.35%。雙螺旋的碎土性能較好。

在深松作業后2個月期間有下過雨,回到試驗場地選擇深松過的土地測量深松后的含水率,結果如表11、表12所示。

表11 單螺旋深松土壤含水率Table 11 Single helix deep loose soil moisture content

表12 雙螺旋深松土壤含水率Table 12 Double helix deep loose soil moisture content

為了更直觀了解深松前后含水率的變化,利用MatLab繪制變化圖,如圖13所示。

圖13 深松前后土壤含水率對比圖Fig.13 Comparison of soil moisture content before and after deep pine

結合表11、表12和圖13可知：

1)雙螺旋深松后的土壤含水率高于單螺旋;

2)深松后的土壤含水率比深松前的土壤含水率高;

3)土壤的含水率隨著土層深度的增大而增加,后趨于平衡。

5 結論

1)對油茶林地土壤的物理力學性能進行研究,為設計符合油茶林地的深松機提供參考。

2) 選用東方紅101型手扶拖拉機,設計了減速箱和深松刀具,刀具采用雙螺旋布置。深松機的旋速比λ=10>1,理論上可以正常工作。

3)對刀具進行有限元分析,刀具的最大變形量為0.701 07mm,變形量小,滿足剛度要求;最大應力為81.6MPa,小于材料的許用應力。

4)制作一款樣機進行實地試驗,結果表明：單螺旋刀具的碎土率為66.68%,雙螺旋刀具的破土率為75.35%。深松后的土壤含水率提高了,說明深松作業后,改善了土壤板結嚴重的問題,提高了土壤的蓄水能力。