自激式振動深松整地機設計與試驗

張軍昌　閆小麗　林澤坤　朱瑞祥

(西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100)

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自激式振動深松整地機設計與試驗

張軍昌閆小麗林澤坤朱瑞祥

(西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100)

為了減小深松耕作阻力、提高深松深度的穩定性，設計了一種入土角可控的自激式振動深松整地機。通過室內土槽對比試驗優化了自激式振動深松裝置的彈簧參數，驗證了減阻效果，并對整機作業質量進行了田間測試。土槽試驗表明：彈簧的性能參數對減阻效果有顯著影響，當彈簧剛度為194 N/mm時，入土角可控自激振動深松可使牽引阻力下降29.8%，自激振動條件下入土角可控較不可控牽引阻力下降8.9%；田間試驗結果表明：深松整地機作業后深松深度合格率達到100%，穩定性系數達到95.49%，土壤膨松度平均值為19.34%，土壤干擾系數為56.62%；機具作業后地表平整，碎土率平均值為76.4%，通過性能良好，較好地滿足了我國北方一年兩熟區深松整地技術的要求。

深松整地機； 自激式振動； 減阻； 田間試驗

引言

機械化深松整地作業可以打破堅硬的犁底層，加深耕層，降低土壤容重，提高土壤通透性，從而增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力，有利于作物生長發育和提高產量[1-5]。實踐證明，機械化深松整地是改善耕地質量，提高農業綜合生產能力、促進農業可持續發展的重要舉措[6]。

振動式深松機可有效減少作業阻力[7]，主要分為驅動式、自激式兩種類型。驅動式振動深松機雖然能顯著降低牽引阻力[8-10],但減阻的同時發動機須驅動振動部件發生振動。自激式振動深松機在深松鏟上安裝具有一定預緊力的彈簧，通過彈簧的壓縮與伸展，使深松鏟產生振動，可有效降低動力消耗[11]。但由于自激式振動深松鏟和彈性元件柔性相連，深松鏟在作業過程中入土角不可控，使得減阻效果不明顯，深松深度穩定性差。

深松后為了防止土壤水分蒸發，深松機加裝了性能良好的碎土、合墑等裝置[12-13]。基于以上分析，本文設計一種集入土角可控、彈性減阻、碎土整地于一體，且結構簡單緊湊的1SZ-190型深松整地機。

1　結構與工作原理

1SZ-190型深松整地機主要由入土角可控自激振動深松裝置、機架和碎土整地裝置3部分組成，深松鏟前三后二布置，如圖1所示。整機以三點懸掛方式與拖拉機相連，配套動力為67 kW，一次性完成深松與整地兩項作業。

圖1　1SZ-190型深松整地機結構圖Fig.1　Structure diagram of 1SZ-190 deep-loosening and sub-soiling machine1.深松裝置　2.機架　3.碎土整地裝置

1.1入土角可控振動深松裝置結構與工作原理

入土角可控自激振動深松裝置組成如圖2所示，主要由彈性減阻單元、固定部件和深松部件3部分組成。該裝置由上下固定板通過螺栓固定在機架上，深松鏟通過過載保護銷和鉸鏈與杠桿固連。深松鏟未入土時，調節預緊螺母，減振彈簧推動滑塊沿著擺桿向下滑動，帶動杠桿繞主銷釘逆時針轉動，使杠桿與下固定板右側接觸，深松鏟的最小入土角被限制在此位置。深松鏟入土后，受土壤阻力的影響，深松鏟帶動杠桿繞主銷釘順時針轉動，當耕作阻力過大時，杠桿和下固定板左側接觸，深松鏟的入土角被限制到最大值。通過此裝置將深松鏟的入土角控制在最佳的入土角范圍內并實現自激振動彈性減阻。研究表明[14]：深松作業入土角約為23°時，深松作業阻力最小。經過土槽試驗，最終確定深松鏟入土角范圍為19°≤α≤25°。

圖2　自激振動深松裝置結構簡圖Fig.2　Structure diagram of self-exciting vibration deep-loosening machine1.預緊螺母　2.彈簧上支撐座　3.減振彈簧　4.彈簧下支撐座5.滑塊　6.擺桿　7.主銷釘　8.下固定板　9.杠桿　10.深松鏟 11.過載保護銷　12.鉸鏈　13.上固定板

當土壤阻力急劇增大，超過過載保護銷的設計要求時，過載保護銷被剪斷，深松鏟從土壤里脫出，防止整機由于過載而產生結構性破壞。

1.2碎土整地裝置結構

碎土整地輥為鋸齒形整地輥如圖3所示，為避免整地過程中發生多邊形效應而產生振動，鋸齒軋片沿滾筒表面軸向等間距螺旋旋轉180°分布排列。

圖3　碎土整地裝置結構簡圖Fig.3　Structure of the crushing and sub-soiling device1.碎土整地輥　2.調節盤　3.調節拉桿

針對不同的作業需求，碎土整地裝置設計為可拆卸式。僅需深松作業時，碎土整地裝置可通過拆卸固定螺栓卸下。調節盤上端固定在機架上，其上設計有多個按一定角度規律分布的限位孔。調節拉桿下端與碎土整地輥軸承連接，在作業時，通過調節拉桿固定在調節盤上的位置實現深松深度調節。

2　主要工作部件設計

2.1減振彈簧的選型

(1)

依據深松裝置的結構尺寸，安裝空間彈簧的自由高度H0不超過250 mm，彈簧的外徑D1不超過100 mm，查表可得有3種彈簧滿足要求[15]，分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號彈簧，彈簧材料為60Si2Mn，類型為YI型結構。相關參數如表1，通過對比試驗進行優化選型。

表1　彈簧參數Tab.1　Parameters of spring

2.2深松鏟設計

圖4　深松鏟結構示意圖Fig.4　Structure diagram of deep-loosening shovel

深松鏟柄形式主要有垂直立柱式鏟柄、弧形鏟柄、彎形鏟柄等結構。深松機在北方旱地作業，必須要考慮到雜草的影響，垂直立柱式和彎形鏟柄容易掛草，而弧形鏟柄則可以很大程度上消除該現象，據此，選擇弧形鏟。當縱深比L/D為0.68～1.04 時[16]，深松鏟的耕作阻力較小，本設計選縱深比為0.9。為提高深松鏟對土壤的犁削破碎性能，破土刃口段橫截面設計為楔形，刃口夾角為60°，如圖4所示。鏟柄總長1 000 mm，最大入土深度400 mm，下端入土角23°，鏟柄厚度30 mm，鏟柄寬度68 mm。鏟尖結構參數及鏟柄其他結構參數參照JB/T 9788—1999[17]。

2.3整地碎土輥設計

整地碎土輥的功能是對深松后的表土進一步加工,破碎土塊,對土壤下層進行壓實,使表層土壤細碎。整地碎土輥半徑r的確定[18-19]：由于碎土輥作業深度h一般為20～30 mm，取h=30 mm；為避免整地機在整地過程中發生多邊形效應而產生振動，鋸齒軋片在輥筒軸向螺旋線布置，刀片數可取5片。為使碎土輥有較好的工作性能，在土層內作業的鋸齒軋片以1片或2片為宜，由圖5可知

(2)

則r=30 mm。

鋸齒軋片高度需大于2.5h，取80 mm，由于鋸齒軋片數目在每個鏟間距內不宜少于3片，故本設計在4個鏟間距內共有17個釘齒軋片，滾筒全長2 m。

圖5　整地碎土輥半徑分析圖Fig.5　Radius of crushing roll

3　試驗

3.1深松裝置土槽試驗

3.1.1試驗目的

為了驗證入土角可控自激振動深松裝置減阻效果和自激振動條件下入土角可控對耕作阻力的影響，探明自激振動彈簧的主要性能參數對牽引阻力的影響，在西北農林科技大學數字化土槽試驗臺上(圖6)進行了室內土槽牽引阻力測試。

圖6　土槽試驗裝置Fig.6　Testing device in soil bin

3.1.2試驗設備與方法

本次土槽試驗中深松鏟動力牽引設備為哈爾濱博納科技有限公司研制的電力變頻四輪驅動土槽試驗車，通過安裝的橫向導向輪，試驗車在已建成的土槽兩旁的軌道上可保持直線行駛。

試驗所選用的土壤來自陜西省關中地區農田土壤，屬黃土母質發育的農業土壤，顆粒均勻，疏松綿軟。為保證試驗中土壤狀態與田間相同，試驗前3 d對土槽內的土壤澆水之后進行旋耕，保證土壤均勻平整、水分滲透。然后將土槽內的土壤分成兩部分進行處理，將土壤表面以下200 mm深的土壤人工挖出，剩余土壤鋪平，使用電動沖擊夯將剩余部分土壤壓緊一次，接著將挖出的土壤均勻回填鋪平，再用旋耕機將土壤旋平之后用整地輥重復壓實10次，使土壤的含水率達到14%～17%，300～400 mm土層土壤堅實度達到1 400～1 500 kPa。

深松鏟試驗裝置通過三點懸掛裝置與土槽車相連接，獲取牽引阻力信號的傳感器布置于左右懸掛裝置及上拉桿上，并與無線設備相連，工作過程中將實時信號發送給計算機。在無彈簧的情況下將深松鏟與機架固連，入土角調整為24°，在入土角可控的條件下選牽引阻力最小的彈簧，進行自激振動下入土角可控與不可控對減阻效果的對比試驗。試驗前3種彈簧剛度用萬能試驗機進行了標定，彈簧線性良好。

測試速度為3 km/h，試驗區前5 m為加速區，后5 m為減速區，中間10 m為穩定測試區，測試項目進行3次重復試驗，取其平均值，試驗結果見表2。

表2　牽引阻力試驗數據Tab.2　Data of traction resistance test

注：同一行中不同的字母表示差異極顯著(P<0.01)。

3.1.3土槽試驗結果分析

試驗數據表明，在入土角可控條件下安裝振動彈簧作業相對于無彈簧狀態牽引阻力明顯變小，牽引阻力分別下降18.7%、29.8%、4.6%，說明用彈簧激振減阻效果明顯。其中Ⅱ號彈簧減阻效果最好，明顯優于Ⅲ、Ⅰ號彈簧，原因是Ⅰ號彈簧剛度較小，深松裝置在作業過程中有部分時間深松鏟已達到入土角最大位置，深松鏟與機架接觸，減振彈簧不起作用，減阻效果下降，但較無彈簧好，Ⅲ號彈簧由于剛度過大，振動頻率小，降低了彈性減阻效果。

采用Ⅱ號彈簧入土角可控與不可控對比試驗表明(圖7)，自激振動條件下入土角可控相對于不可控牽引阻力下降8.2%，說明自激振動條件下將入土角控制在最佳范圍會減小耕作阻力。試驗數據表明3種彈簧對牽引阻力有顯著影響，說明在自激式振動減阻深松裝置中，彈簧的剛度對減阻效果有較大的影響。

圖7　牽引阻力曲線Fig.7　Curve of traction resistance

3.2整機田間試驗與結果分析

2015年9月15日在陜西省武功縣農田進行了1SZ-190型深松整地機作業質量試驗(圖8)，試驗地總面積2 hm2，試驗地為小麥玉米一年兩熟輪作，小麥收獲后高留茬機械收獲，玉米成熟后莖穗兼收。在機具深松前檢測試驗地0～40 cm土層土壤平均容重為1.2 g/cm3、土壤平均含水率為20.3%、留茬高度為31.8 cm、地表植被覆蓋量為0.11 kg/m2，且大多為小麥秸稈和玉米根茬。

圖8　田間測試Fig.8　Field test

深松整地作業中東方紅1204型拖拉機以高1擋作業，作業速度為1.74 km/h；深松整地后檢測土壤4個工作行程的深松深度、膨松度、擾動系數、碎土率、深松穩定性等參數。為了保證試驗的穩定性，50 m試驗測試區兩端分別設置了20 m穩定區和結束區。

3.2.1深松深度測試及結果分析

檢測點應避開地頭地邊，每一個作業行程隨機取3個檢測點，每2個檢測點應至少間隔10 m以上，在每個檢測點沿作業方向2 m范圍內隨機取3個點，測取每點每個深松鏟的深松深度。在檢測點上用鋼板尺分別測量暄土厚度與浮土厚度，要求測量精度為5 mm。暄土厚度測量：將一把直尺水平放置在作業后的地表面上作為測量基準，用另一把鋼板直尺垂直插入深松溝底，插入深度即為暄土厚度。浮土高度測量：將水平放置在地表面的直尺一段伸至未耕地，用鋼板直尺垂直測量未耕地至水平直尺之間的距離即為浮土厚度。深松深度為浮土厚度與暄土厚度的差值，測試數據計算整理后見表3。

表3　深松深度測試結果Tab.3　Result of deep loose depth

所測深松深度都大于GB/T 24675.2—2009的要求[20]，深松深度合格率達到100%。從表3中可以看出，作為評價深松機作業性能重要參數的穩定性系數平均達到了95.49%，變異系數平均為4.51%，實際平均深松深度也在300～400 mm， 1SZ-190型深松整地機符合深松機整地性能檢測要求。

3.2.2土壤膨松度和擾動系數測定及結果分析

作業前在垂直于機組前進方向上測量未耕地地表線，深松整地作業后在同一條線上測得已耕地地表線，然后去掉浮土和深松動土，測得深松溝底線，將測量數據導入制圖軟件得到剖面圖，并求得：耕后地表至理論深松溝底的橫斷面積Ah；耕前地表至理論深松溝底的橫斷面積Aq；耕前地表至實際深松溝底的橫斷面積As。每一個行程測定1次，每個測點測取2個深松行，如圖9所示。土壤擾動系數p和土壤膨松度y計算式為

(3)

(4)

圖9　土壤膨松度和擾動系數測定Fig.9　Determination of soil bulkiness and disturbance coefficient

根據深松整地作業質量標準評定指標[21]，作業后的土壤膨松度應不大于40%，土壤擾動系數應不小于50%，并將4個行程的測定值進行匯總計算，計算結果如表4所示。

表4　土壤膨松度和擾動系數試驗數據Tab.4　Data of soil bulkiness and soil disturbance coefficient test

試驗結果表明，4個行程的土壤膨松度平均值為19.34%，土壤擾動系數平均值為56.62%，兩項指標均滿足深松整地作業質量評定指標的規定值，表明1SZ-190型深松整地機的作業效果良好。其中第2行程第2、3鏟作業前后剖面圖如圖10所示，土壤剖面均近似呈倒三角型，形成虛實相間的作業帶，有利于土壤蓄水保墑。深松鏟底部深松寬度小，有利于打破犁底層；而距離地表較近的土壤擾動區域略寬，并經整地輥整理后能大范圍疏松表層土壤，對作物根系生長十分有利。

圖10　土壤剖面圖Fig.10　Soil profile map

3.2.3耕后碎土率

在測區內按5點法測試點，每點選取的檢測點面積為500 mm×500 mm；在200 mm耕層內，分別稱量最長邊小于40 mm的土塊質量和200 mm耕層內土壤總質量，兩者之比則為該測試點的碎土率，計算5個點的平均值作為該區的碎土率，如圖11所示。

圖11　耕后碎土率測定Fig.11　Determination of soil crushing rate

試驗測得碎土率平均值為76.4%，滿足深松整地作業質量要求。

在整個試驗過程中深松裝置未出現堵塞，整地碎土輥沒有壅土現象，說明整機通過性良好。

4　結論

(1)設計了一種入土角可控自激振動深松整地作業機，自激振動深松裝置的入土角可控，使深松鏟始終工作在最優入土角19°～25°范圍內。

(2)對自激振動的彈性元件進行了選型設計和室內土槽對比試驗研究，試驗表明：當彈簧的剛度為194 N/mm時，采用入土角可控自激振動深松可使牽引阻力下降29.8%，自激振動條件下入土角可控相對于不可控牽引阻力下降8.9%，彈簧的性能參數對深松作業的減阻效果有顯著影響。

(3)對1SZ-190型深松整地機進行了田間試驗，試驗結果表明：深松深度合格率達到100%，穩定性系數達到95.49%，性能較好；土壤膨松度平均值為19.34%，土壤擾動系數平均值為56.62%，碎土率平均值76.4%，通過性能良好，滿足深松整地作業質量要求。

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Design and Experiment of Self-exciting Vibration Deep-loosening and Sub-soiling Machine

Zhang JunchangYan XiaoliLin ZekunZhu Ruixiang

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To reduce operating resistance and improve the stability of deep-loosening，a self-exciting vibration deep-loosening and sub-soiling machine with controllable cutting angle was designed. The range of the cutting angle was controlled in 19°～25°. To optimize parameters of elastic component and validate the effect of drag reduction，the experiment in the soil bin was carried out, furthermore, the field experiment of operation quality and performance of the machine was conducted. The experiment in soil bin showed that the parameter of elastic significantly affected the resistance reduction, when the stiffness of the elastic was 194 N/mm, the traction resistance can be reduced about 29.8%. Also the effect of elastic component parameters on the drag reduction was significant, and under the condition of self-exciting vibration, with controllable penetration angle, the traction resistance was decreased by 8.9% than that with uncontrollable penetration angle. The results of the field experiments showed that the qualified rate of sub-soiling depth was 100%, stability coefficient reached 95.49%, the average of soil fluffy and soil disturbance coefficient were 19.34% and 56.62% respectively, the land surface was flat after sub-soiling, and the average of the soil crushing rate was 76.4%. Moreover, the trafficability in the period of the test was good, and the machine met the subsoiling technical requirements in double-cropping area in northwest China.

deep-loosening and sub-soiling machine; self-exciting vibration; anti-drag; field test

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.007

2016-05-09

2016-06-15

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B00)

張軍昌(1972—)，男，講師，主要從事旱區農業機械化裝備研究，E-mail： zhangjunchang@126.com

閆小麗(1969—)，女，副教授，主要從事旱區農業機械化裝備研究，E-mail： yxl9212@nwsuaf.edu.cn

S222.12+9

A

1000-1298(2016)09-0044-06