超聲波振動(dòng)下農(nóng)機(jī)觸土部件-土壤相互作用力學(xué)特性

王家勝，王東偉，趙智豪

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

0 引 言

農(nóng)機(jī)觸土部件降阻技術(shù)一直是農(nóng)機(jī)領(lǐng)域工作者研究的重點(diǎn)，工作阻力降低不僅節(jié)能降耗，還可降低對(duì)大功率配套動(dòng)力要求，減輕對(duì)土壤壓實(shí)[1-3]。因土壤本身同時(shí)具有粘、彈、塑復(fù)雜力學(xué)特性，觸土部件與其相互作用時(shí)將會(huì)產(chǎn)生剪切力、壓力、彈性力、摩擦力、粘附力以及動(dòng)態(tài)阻尼力和慣性力等多種力學(xué)復(fù)合作用，受力關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜[4]。當(dāng)前諸多學(xué)者分別采用先進(jìn)材料、仿生技術(shù)、輔助振動(dòng)等不同方式來(lái)降低觸土部件的工作阻力。其中，振動(dòng)降阻技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中在頻率小于30 Hz的低頻振動(dòng)。研究表明，振動(dòng)觸土部件能夠有效降低工作阻力[5-9]，但缺點(diǎn)是激振力會(huì)同時(shí)引起關(guān)聯(lián)部件甚至整機(jī)的振動(dòng)沖擊，導(dǎo)致部件壽命急劇下降，另外，振動(dòng)和噪聲也嚴(yán)重影響了農(nóng)機(jī)操作人員的身心健康。用高頻低幅振動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低頻振動(dòng)是避免以上問(wèn)題的解決方案。其中，超聲波振動(dòng)頻率超過(guò)20 kHz，目前在金屬材料的車削、磨削和鉆削等加工中研究應(yīng)用較多，特別是在硬脆的合金材料加工中，表現(xiàn)出了切削阻力大幅降低、表面質(zhì)量提高等優(yōu)越特性[10-12]。此外，超聲波高頻振動(dòng)技術(shù)用于食品[13-16]、蜂窩狀材料[17]、木質(zhì)材料[18-19]等切割研究中均證實(shí)了顯著的降阻特性。超聲波振動(dòng)在土壤切削方面的研究還較少，Koc 等利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)研究了超聲波振動(dòng)鏟刀切削圓柱土壤試樣，發(fā)現(xiàn)在土壤含水率15%狀態(tài)下切削阻力下降明顯[20]。王東偉等以三角形寬韌鏟為研究對(duì)象，基于振動(dòng)耦合原理設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)土壤切削挖掘裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[21]。

已有研究中，超聲波振動(dòng)金屬材料切削技術(shù)相對(duì)較成熟，但關(guān)于超聲波振動(dòng)土壤切削力學(xué)研究還很不充分，降阻機(jī)理、碎土特性等研究還處于空白。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建超聲波振動(dòng)觸土部件運(yùn)動(dòng)模型，解析超聲波振動(dòng)觸土部件與土壤互作機(jī)理，通過(guò)試驗(yàn)的方法深入研究超聲波振動(dòng)條件下農(nóng)機(jī)觸土部件與土壤相互作用過(guò)程中的降阻特性與碎土效應(yīng)，分析不同土壤條件因素對(duì)降阻特性的影響關(guān)系，擬為高頻低幅振動(dòng)農(nóng)機(jī)觸土部件應(yīng)用方案的實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 超聲波振動(dòng)觸土部件理論分析

1.1 超聲波振動(dòng)觸土部件結(jié)構(gòu)原理

超聲波振動(dòng)觸土部件結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1 所示，它是在傳統(tǒng)觸土部件基礎(chǔ)上增加了超聲波振動(dòng)激勵(lì)裝置，整個(gè)部件主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及觸土部件組成。超聲波發(fā)生器將普通電源信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率超過(guò)20 kHz 的高頻率振蕩電信號(hào)，高頻電信號(hào)首先傳遞到換能器部件，利用逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)波，即超聲波。根據(jù)換能器的結(jié)構(gòu)型式不同，轉(zhuǎn)換超聲波的振動(dòng)方向可分為縱振、徑振和扭振等類型，其中，產(chǎn)生縱振的壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在觸土部件中容易布置，而且縱振方向換能器更易實(shí)現(xiàn)大功率振源[22]，本文主要討論縱振方向。換能器轉(zhuǎn)換后的超聲波振幅比較小，通常為5～10μm，需要先經(jīng)換能器傳遞給變幅桿，變幅桿利用其截面積變化產(chǎn)生的聚能作用，將微小振幅的超聲振動(dòng)波進(jìn)一步放大后再傳遞給觸土部件，并激勵(lì)觸土部件發(fā)生共振。高頻振動(dòng)的觸土部件在與土壤接觸作用的過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)降低工作阻力的作用。

1.2 超聲波振動(dòng)觸土部件運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)圖1 所示，觸土部件在工作狀態(tài)下，與土壤平面保持一定入土角θ，并以水平速度v前進(jìn)。超聲波傳遞到觸土部件會(huì)激勵(lì)部件沿軸向發(fā)生縱振，其振動(dòng)位移可表示為

1.3 超聲波振動(dòng)觸土部件與土壤互作機(jī)理分析

觸土部件工作過(guò)程中與土壤間的相互力學(xué)作用包括觸土部件對(duì)土壤的剪切和擠壓作用力、土壤與部件觸土面間的摩擦力和粘滯力以及觸土部件改變土壤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)作用力等。在高頻振動(dòng)激勵(lì)下，觸土部件與土壤間互作效應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在工作阻力的降低和土壤的沖擊破壞與碎裂效應(yīng)。

由式（3）可知，觸土部件的合速度存在動(dòng)態(tài)速度項(xiàng)v' =2πfAcosθcos(2πft)，則觸土部件合速度va的取值范圍為（v?2πfA，v+2πfA）。這表明觸土部件與土壤的相對(duì)接觸狀態(tài)受到振動(dòng)參數(shù)的影響而變化。當(dāng)v≤2πfA時(shí)，在（v?2πfA，0）區(qū)間，觸土部件與土壤處于分離狀態(tài)，此時(shí)兩者間的摩擦力、粘滯力和擠壓力均為0。這是降低觸土部件的綜合工作阻力的因素之一。影響部件與土壤有效分離時(shí)間的因素是部件的振幅、頻率和前進(jìn)速度。超聲波振動(dòng)頻率在20 kHz 以上，為滿足部件土壤分離條件，需要足夠大的振幅，使振動(dòng)速度大于前進(jìn)速度。換能器轉(zhuǎn)換后超聲波經(jīng)變幅桿放大后，觸土部件振幅能達(dá)到20μm 以上，在入土角為20°時(shí)，前進(jìn)速度v≤2.3 m/s范圍內(nèi)，均滿足分離條件。

影響觸土部件與土壤互作效應(yīng)的另一因素是高頻振動(dòng)沖擊。由式（4）可知，觸土部件在水平方向上的沖擊加速度最大達(dá)到(2 πf)2Acosθ，例如，將f=20 kHz，A=20μm，θ=20°代入可得最大加速度為2.9×105m/s2。由此可見，盡管部件振幅非常小，但因振動(dòng)頻率高，在觸土面微小范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的沖擊加速度，致使土壤特別是硬質(zhì)土塊受到?jīng)_擊破壞而產(chǎn)生碎裂或疏松，一方面有助于降低觸土部件對(duì)土壤的剪切作用力，從而降低工作阻力；另一方面高加速度的沖擊效應(yīng)可增強(qiáng)碎土效果。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)裝置與材料

2.1.1 試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)與原理

為了開展超聲波高頻振動(dòng)激勵(lì)下觸土部件與土壤相互作用力的影響，設(shè)計(jì)構(gòu)建了超聲波振動(dòng)觸土部件土槽試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由超聲波振動(dòng)觸土部件、土槽（0.8 m×3.0 m）、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、S 型拉壓力傳感器（量程0～1 000 N，靈敏度(2±0.02) mV/V）、信號(hào)采集卡、計(jì)算機(jī)等部件組成。

超聲波振動(dòng)觸土部件由伺服驅(qū)動(dòng)部件帶動(dòng)沿導(dǎo)軌在土槽內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)電腦伺服驅(qū)動(dòng)部件實(shí)時(shí)設(shè)置調(diào)整。觸土部件的驅(qū)動(dòng)力由力學(xué)傳感器測(cè)試經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理后傳給計(jì)算機(jī)。軟件測(cè)控程序由基于LABVIEW 軟件環(huán)境自行開發(fā)，能夠完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)，并能對(duì)試驗(yàn)臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)觸土部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集等功能。

2.1.2 超聲波振動(dòng)觸土部件

超聲波振動(dòng)觸土部件由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、觸土鏟刀組成。針對(duì)試驗(yàn)工作條件與要求，分別選用技術(shù)比較成熟的他激式振蕩電路超聲波發(fā)生器和夾心壓電式換能器作為超聲波電信號(hào)產(chǎn)生和電聲能轉(zhuǎn)換的器件[23]，超聲波頻率設(shè)定為20 kHz。換能器4 片壓電陶瓷選諧振性能優(yōu)越的PZT-8 材料，前、后板材料分別選能有效傳遞振動(dòng)能量且機(jī)械損耗比較小的鋁合金材料LY12 和45 號(hào)鋼。為實(shí)現(xiàn)換能器與振動(dòng)頻率的高度耦合，通過(guò)頻率方程[21,23-24]計(jì)算確定壓電陶瓷直徑為40 mm、每片厚度為5 mm、前后蓋板長(zhǎng)度分別為30 和58 mm。

變幅桿按結(jié)構(gòu)可分為錐型、階梯狀型、指數(shù)型等。針對(duì)土壤切削的特點(diǎn)，選抗彎強(qiáng)度好、穩(wěn)定性高且易加工的45 號(hào)鋼錐形變幅桿。為了獲得較大振幅，基于金屬材料在超聲波激勵(lì)下的諧振條件[21,25]，計(jì)算獲得變幅桿長(zhǎng)度為137 mm，大、小頭直徑分別為40 與20 mm。因本試驗(yàn)裝置目的是為了測(cè)試觸土部件與土壤共性力學(xué)相互作用關(guān)系，其鏟刀選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鑿型鏟。

2.1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土壤從農(nóng)田中采集，土質(zhì)類型為中壤土。將試驗(yàn)土壤裝入土槽后，利用專制工具進(jìn)行整備，整備流程分為翻松碎土-整平-噴灑水-壓實(shí)-晾干等5 道工序。利用SL-TSC 型土壤硬度濕度儀經(jīng)土壤硬度和濕度測(cè)試儀（硬度范圍0～500 MPa，濕度范圍0～100%，精度±2%）測(cè)定，測(cè)定時(shí)，在土槽選擇分布均勻的5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，將測(cè)試插桿插入各測(cè)試點(diǎn)土下150 mm 處檢驗(yàn)是否達(dá)到預(yù)期硬度與濕度值，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，按照以上工序?qū)ν寥烙病穸冗M(jìn)行反復(fù)整備，直到達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期要求。

2.2 試驗(yàn)方案

為了揭示超聲波高頻振動(dòng)對(duì)觸土部件阻力特性和碎土特性的影響，以觸土部件工作阻力的均值、降阻率、標(biāo)準(zhǔn)差、阻力波動(dòng)度降低率以及作業(yè)后土壤碎裂顆粒尺寸和土壤粒徑比率作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行有、無(wú)超聲振動(dòng)觸土部件土壤切削挖掘?qū)Ρ仍囼?yàn)。除了振動(dòng)外，影響觸土部件工作阻力和碎土效應(yīng)的土壤條件因素還包括土壤的硬度和含水率。適合旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的耕作、播種開溝等土壤作業(yè)的土壤硬度和濕度條件通常分別在1.5～3 MPa和15%～40%范圍內(nèi)，以此為基礎(chǔ)，設(shè)置試驗(yàn)因素分別取土壤硬度1～4 MPa、土壤含水率15%～45%，取值范圍覆蓋傳統(tǒng)作業(yè)條件，以此考察超聲波針對(duì)對(duì)更大范圍作業(yè)條件下影響對(duì)比。

每組試驗(yàn)前，首先對(duì)土槽內(nèi)土壤進(jìn)行整備，達(dá)到預(yù)設(shè)的土壤硬度和含水率條件后開始試驗(yàn)。用于農(nóng)業(yè)土壤耕作、播種開溝、根莖類作物挖掘等農(nóng)機(jī)觸土部件作業(yè)時(shí)，入土角通常為18°～25°、挖掘深度為100～300 mm、前進(jìn)速度為0～1 m/s[26]。因此，試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置觸土部件入土角為20°、入土深度150 mm、前進(jìn)速度0.5 m/s。在相同土壤條件下，通過(guò)開、閉超聲波發(fā)生器可完成有、無(wú)超聲波振動(dòng)的觸土部件工作阻力和碎土對(duì)比試驗(yàn)。工作阻力數(shù)據(jù)由試驗(yàn)裝置力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)采集傳入電腦后存儲(chǔ)。相同試驗(yàn)重復(fù)3 次，取平均值。

對(duì)試驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到每次試驗(yàn)工作阻力均值計(jì)算式為

式中S為工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差，N；U為阻力波動(dòng)度降低率，%；So為無(wú)振動(dòng)觸土部件工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差，N；Sv為有振動(dòng)觸土部件工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差，N。

在每組試驗(yàn)完成后，采集觸土部件切削挖掘的定量土壤，晾干后利用多級(jí)土壤篩將土壤顆粒按粒徑尺寸大小不同篩分為1～6 個(gè)級(jí)別，稱量出每個(gè)級(jí)別土壤的質(zhì)量，計(jì)算各級(jí)別的土壤粒徑比率。粒徑比率計(jì)算式為

式中P為土壤粒徑比率，%；wj為第j級(jí)土壤質(zhì)量，kg；W為采樣土壤總質(zhì)量，kg。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土壤硬度-工作阻力特性

表1 列舉了有、無(wú)超聲振動(dòng)的觸土部件在不同土壤硬度條件下工作阻力和降阻率值。從表1 中數(shù)據(jù)可知，在無(wú)論有或無(wú)超聲波振動(dòng)激勵(lì)，土壤硬度越大，觸土部件的工作阻力也越大，且土壤硬度超過(guò)2.5 MPa 后，工作阻力的增長(zhǎng)率變得更高。由降阻率數(shù)值的變化可以看出，超聲波振動(dòng)激勵(lì)下的觸土部件降阻率隨土壤硬度的增大而增大，在土壤硬度為1 MPa，其降阻率為22%，當(dāng)土壤硬度增加到4 MPa 時(shí)，降阻率達(dá)到43%。這表明，土壤硬度增加后，因其脆性增加，抵抗動(dòng)載荷與沖擊能力變差，超聲波振動(dòng)觸土部件對(duì)土壤微觀上產(chǎn)生的極大加速度高頻沖擊加劇了堅(jiān)硬土壤的碎裂破壞，從而有效降低工作阻力。因此，超聲波振動(dòng)觸土部件在較硬的土壤作業(yè)中，其降阻效果愈加顯著。

表1 不同土壤硬度下的有無(wú)振動(dòng)工作阻力和降阻率Table 1 Operating resistance with and without vibration and resistance reduction rate under different soil hardness

3.2 土壤含水率-工作阻力特性

觸土部件在有、無(wú)超聲波振動(dòng)下工作阻力隨含水率及對(duì)應(yīng)的降阻率如表2 所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在土壤含水率15%～45%區(qū)間，超聲波振動(dòng)觸土部件工作阻力比無(wú)振動(dòng)狀態(tài)觸土部件工作阻力下降37%～47%，其中土壤含水率為15%時(shí)，工作阻力最高，降阻率也最高，隨含水率增加，工作阻力和降阻率均隨之降低，當(dāng)含水率超過(guò)30%后，工作阻力與降阻率又略有升高。這表明，土壤含水率在25%～30%間，是有利于觸土部件低阻力作業(yè)的土壤條件，這與適于旱作農(nóng)業(yè)土壤耕作的濕度條件較為一致。而在較干燥的土壤條件下，顆粒間的內(nèi)聚力較大，導(dǎo)致需要觸土部件更大的剪切破壞力才能將其分離，此時(shí)在超聲波振動(dòng)激勵(lì)下，干脆的土壤更容易發(fā)生碎裂疏松，剪切力迅速降低，所以降阻率也高。在含水率超過(guò)30%后，觸土部件工作阻力又有增加的趨勢(shì)，是由于土壤與部件觸土面間的粘滯力隨含水率增加而增大所致，而在高頻振動(dòng)的作用下，土與部件的接觸時(shí)間減少，粘滯力下降，致使降阻率略有回升。總的來(lái)說(shuō)，在該濕度范圍內(nèi)，超聲波振動(dòng)對(duì)工作阻力的降低均較為顯著。

表2 不同土壤含水率下有無(wú)振動(dòng)工作阻力和降阻率Table 2 Operating resistance with and without vibration and resistance reduction rate under different soil moisture content

3.3 工作阻力波動(dòng)穩(wěn)定性

由于土壤內(nèi)部堅(jiān)實(shí)度的不均勻性以及土壤碎裂破壞的間隔沖擊，農(nóng)機(jī)觸土部件與土壤的相互作用力在時(shí)域上是一直處于波動(dòng)變化的，其瞬時(shí)接觸力波動(dòng)越大，工作狀態(tài)的穩(wěn)定性就越差，越不利于農(nóng)機(jī)部件及整機(jī)的穩(wěn)定作業(yè)，甚至影響關(guān)聯(lián)部件壽命。圖3 分別顯示了1、2.5和4 MPa 3 種不同土壤硬度下，在有、無(wú)超聲波振動(dòng)作用的觸土部件連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)工作阻力時(shí)域變化比較。比較圖中的工作阻力曲線可以看出，在無(wú)超聲波振動(dòng)作用下，土壤硬度越大，工作阻力的波動(dòng)度越大，而在超聲波振動(dòng)激勵(lì)下工作的觸土部件，其工作阻力的波動(dòng)穩(wěn)定性能夠得到改善。

反映相互作用力穩(wěn)定性的特征指標(biāo)可用工作阻力的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征，經(jīng)計(jì)算，在不同工作條件下工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差比較如表3 所示。表中數(shù)據(jù)顯示，土壤硬度為1 MPa時(shí)，無(wú)論有無(wú)振動(dòng)，工作阻力的標(biāo)準(zhǔn)差都不大，工作阻力波動(dòng)度降低率為16.7%。這是因?yàn)樵谕寥垒^松軟的狀態(tài)下，土壤碎裂破壞沖擊力較小，部件作業(yè)狀態(tài)比較緩和，振動(dòng)與非振動(dòng)觸土部件工作阻力的波動(dòng)度相差不大。而當(dāng)土壤硬度變大后，無(wú)振動(dòng)觸土部件的瞬時(shí)工作阻力變得不穩(wěn)定，其對(duì)應(yīng)的工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。此時(shí)，超聲波高頻振動(dòng)觸土部件工作阻力的波動(dòng)穩(wěn)定性能夠顯著改善，在2.5 和4 MPa 土壤硬度下，相比無(wú)振動(dòng)觸土部件，其對(duì)應(yīng)工作阻力波動(dòng)度降低率分別達(dá)到37.1%和54.3%。這表明，觸土部件工作過(guò)程中，對(duì)觸土面超高頻率振動(dòng)沖擊和振動(dòng)能量的傳遞，使土壤的內(nèi)聚力變小，疏松度變大，從而使得瞬時(shí)工作阻力變得更加平穩(wěn)緩和，尤其是在較高土壤硬度條件下，超聲波振動(dòng)觸土部件的穩(wěn)定作用表現(xiàn)的更加突出。

表3 工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差及波動(dòng)度降低率Table 3 Standard deviation and volatility reduction rate of operating resistance

3.4 土壤振動(dòng)碎裂特性

觸土部件工作后的土壤碎裂特性可以用土壤顆粒尺寸來(lái)衡量。按照粒徑不同分為6 級(jí)土壤破碎顆粒如圖4所示。

對(duì)分級(jí)后的試驗(yàn)土壤樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各級(jí)土壤粒徑比率分布。根據(jù)適于傳統(tǒng)旱作農(nóng)田耕作土壤條件范圍，選擇土壤含水率25%、土壤硬度2.5 MPa條件下， 有、無(wú)超聲波振動(dòng)激勵(lì)下觸土部件作用后的土壤顆粒尺寸分布進(jìn)行比較（如圖5 所示）。可以看出，相比無(wú)振動(dòng)觸土部件，超聲波振動(dòng)觸土部件作用后的土壤顆粒分布更偏向于小尺寸方向，在土壤粒徑≤15 mm范圍內(nèi)，有振動(dòng)作用的土壤質(zhì)量比例占55%，而無(wú)振動(dòng)作用下土壤的質(zhì)量比例為39%。這也驗(yàn)證了前述高頻振動(dòng)的觸土部件對(duì)土壤的碎裂效應(yīng)導(dǎo)致其碎土性能更強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1）建立了超聲波高頻振動(dòng)農(nóng)機(jī)觸土部件運(yùn)動(dòng)模型，基于所建模型，分析了高頻振動(dòng)觸土部件與土壤間相互作用中的接觸分離條件和沖擊碎裂效應(yīng)，理論上解析了超聲波振動(dòng)觸土部件碎土與降阻機(jī)理。

2）設(shè)計(jì)構(gòu)建了超聲波振動(dòng)觸土部件土槽試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了超聲波高頻振動(dòng)觸土部件工作阻力特性和碎土特性，結(jié)果表明，超聲波振動(dòng)激勵(lì)下，觸土部件工作阻力比無(wú)振動(dòng)狀態(tài)明顯降低。土壤硬度越大，其降阻率越高，當(dāng)土壤硬度由1 MPa 增加到4 MPa 時(shí)，降阻率從22%上升到43%；在土壤含水率15%～30%范圍內(nèi)，含水率越低，降阻率越大，當(dāng)含水率超過(guò)30%后，隨含水率的增加，降阻率略有增大。

3）由于超聲波高頻振動(dòng)激勵(lì)下工作的觸土部件對(duì)土壤的沖擊碎裂和能量傳遞作用，能夠使其瞬時(shí)工作阻力的波動(dòng)穩(wěn)定性得到改善和獲得更強(qiáng)的碎土作用。在土壤硬度為1 MPa 時(shí)，工作阻力的波動(dòng)穩(wěn)定性改善不顯著，隨土壤硬度的增大，工作阻力波動(dòng)度降低率明顯增加，當(dāng)土壤硬度為2.5 和4 MPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差降低率達(dá)37.1%和54.3%。