自激振動深松機的設計與試驗

湯明軍　王維新+李霞+張思遠

摘要：為減小深松阻力，提高深松質量，設計一種彈簧可更換的自激振動深松機。通過建立自激振動深松單體力學模型，確定自激振動深松裝置的彈簧參數，并通過田間試驗對自激振動減阻效果進行測試，田間試驗結果表明，相對于非振動深松，自激振動深松可降低深松牽引阻力，但彈簧類型對減阻效果有影響。其中，相對于非振動狀態，彈簧剛度為185.3 N/mm時，可使牽引阻力下降最大達到58.71%。深松后各耕層土壤容重下降，在15～30 cm耕層，自激振動深松時土壤容重相較于耕前土壤容重下降達18.01%，土壤蓬松度平均值為16.47%，土壤擾動系數平均值為 55.49%，深松效果良好，該研究可為自激振動深松機的設計提供一定的理論基礎與依據。

關鍵詞：農業機械；振動；深松；減阻

中圖分類號： S222.19文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0150-03[HS）][HT9.SS]

長期采用翻耕或旋耕方式整地，導致耕層變薄、土壤板結，土壤比阻逐年增加[1-3]。研究表明，深松可以打破堅硬的犁底層，加深耕層，改善土壤的結構；可以疏松土壤，增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力；在疏松土壤的同時提高土壤通透性，便于與外界交換氣體，改善作物根系生長環境，增強作物抗倒伏能力[4-7]。振動深松機按照工作原理分為強制振動深松機和自激振動深松機，前者工作原理為將拖拉機動力輸出軸動力轉化為與機架連接振動部件的上下振動，最終將振動傳至工作部件，使該工作部件按一定的頻率和振幅振動，土壤在不同頻率和振幅振動激勵下發生破裂、破碎和崩塌[8]；自激振動深松機利用土壤地表不平和土壤阻力等變化激起彈簧和彈性材料等彈性元件振動，完成振動深松作業[9]。邱立春等對ISQ-127型全方位深松機的自激振動系統進行研究，研究顯示，耕作時，由于振動作用使工作部件上產生較有利的切削條件及對土壤破碎有利的受力狀態，其中部分阻力由振動部件的振動作用所承擔，使牽引阻力減小[9]。強制振動深松機能顯著降低土壤牽引阻力，但能耗降低不明顯，且振動降低深松機可靠性，易使駕駛員產生不適[10-13]。張軍昌等設計了一種入土角可控自激式振動深松整地機并進行田間試驗，結果表明，相較于入土角不可控情況，入土角可控自激振動深松使牽引阻力下降8.9%[14]。

為解決深松阻力大、耗能高的問題，基于自激振動深松原理，采用彈簧實現深松鏟振動的自激振動深松機，并通過田間試驗，對非振動和自激振動下深松機所受的牽引阻力進行比較，選取土壤容重、土壤蓬松度和土壤擾動系數綜合評價自激振動深松效果。

1自激式振動深松機工作原理

如圖1所示，自激振動深松裝置對稱分布在機架后梁上。自激振動深松裝置由前固定板、振動固定梁、后固定板、深松機構、自激振動機構構成，深松機構由深松鏟柄、深松鏟翼、深松鏟尖構成，前固定板與機架后梁連接，振動固定梁與前固定板固接，后固定板與深松機構的深松鏟柄固接，深松鏟柄前設有深松鏟尖，其兩側設有深松鏟翼，前固定板與后固定板之間設有自激振動機構，自激振動機構由預緊端蓋、自激振動彈簧、彈簧端蓋、彈簧心軸固定銷軸、彈簧心軸構成，彈簧端蓋通過彈簧銷軸與彈簧心軸連接，彈簧心軸外設振動彈簧，預緊端蓋通過螺紋與彈簧心軸連接。自激式振動深松機基于振動原理實現深松減阻，整機行進動力來源于拖拉機，由于耕作阻力，深松鏟柄繞振動固定梁上的銷軸轉動，從而使自激振動彈簧壓縮，由于土壤地表不平和土壤阻力等變化，自激振動彈簧壓縮量發生變化，帶動深松鏟振動，完成自激振動深松作業。

2自激振動機構設計與彈簧選型

2.1自激振動機構設計

自激振動機構由預緊端蓋、自激振動彈簧、彈簧端蓋、彈簧心軸固定銷軸、彈簧心軸構成，彈簧端蓋通過彈簧銷軸與彈簧心軸連接，彈簧心軸外設自激振動彈簧，彈簧端蓋通過螺紋與彈簧心軸連接。在安裝時，通過彈簧端蓋與彈簧心軸后端的螺紋連接，將彈簧心軸固定銷軸旋轉到安裝位置，并調整彈簧預緊力；在運動過程中，當深松鏟受力使彈簧發生壓縮時，彈簧心軸固定銷軸在彈簧心軸中往復移動，自激振動機構剖視圖如圖2所示。

2.2彈簧參數選型

自激振動深松機所受的牽引阻力與彈簧的固有頻率、剛度和振動有關。自激振動彈簧作為自激振動深松單體的核心部件，通過耕作阻力可以確定彈簧初始載荷和彈簧最大載荷，并確定自激振動彈簧各參數。通過參考文獻以及筆者所在實驗室前期無振動深松時的深松試驗[15-16]，可以確定耕作過程中，土壤對深松鏟柄及鏟尖的阻力F范圍為3 000～5 000 N，受力的主要部位為鏟柄及鏟尖。圖3為自激振動深松裝置的二維圖，為簡化其受力模型，將受力位置選為深松鏟尖。圖3中，A點為自激振動裝置中彈簧心軸固定銷軸的中心，B點為深松鏟旋轉點中心，C點為深松鏟尖，r為A點和B點之間的距離，m；R為B點和C點之間的距離，m。根據杠桿原理，可得深松牽引阻力F1計算公式：

可以得到彈簧的初始載荷和最大工作載荷為12 000～20 000 N，由于彈簧最大工作載荷超出拉伸彈簧承載，依據設計要求，彈簧選擇壓縮彈簧。在自激振動深松裝置中應保證彈簧在受壓時不致發生歪斜，因此彈簧支承端面與彈簧的軸線應該垂直，故選用YI型壓縮彈簧，即彈簧2個端面圈均與領圈并緊且磨平，并根據GB/T 2089—1994《標準圓柱螺旋壓縮彈簧（兩端圈并緊磨平或鍛平型）的尺寸參數》[17]，得出壓縮彈簧參數如表1。[FL）]

3田間試驗及結果分析

3.1試驗設備與方法

2016年9月8日，在新疆石河子市石河子大學教學試驗場二連新疆農墾科學院試驗田進行田間試驗，試驗田前茬作物為打瓜，試驗時田間滴灌帶已回收，殘膜未回收，有打瓜收獲后的殘留打瓜皮。

在試驗田內選擇一塊地勢比較平坦的未耕作土地，選取長60 m、寬50 m的平坦土地作為試驗區，并在長度方向兩側各留出10 m長的區域作為拖拉機工作狀態調整區，并插上標桿作為標記，來保證拖拉機在規劃的區域內行駛[18]，測點按照平行四邊形對角線等距取點法選取，以消除取點的隨意性[19-20]。

試驗時，使用天拖TN854型拖拉機（山東濰柴華豐動力有限公司）作為自激振動深松機的動力源以慢1檔作業，在自激振動深松機與拖拉機之間安裝田間機械動力學參數遙測儀，遙測儀測力裝置主要由帶傳感器的上拉桿和帶傳感器的下懸掛銷組成，試驗時自激振動深松機牽引力為測得的上拉桿傳感器與2個懸掛銷傳感器3處牽引力分力矢量之和。試驗測定3種不同彈簧下自激振動深松機所受的牽引阻力，并以無彈簧情況作為對照組，田間試驗如圖4所示。

3.2自激振動深松機牽引阻力的測定及分析

由表2可知，彈簧Ⅲ的減阻效果比較明顯，牽引阻力下降最大，達58.71%，原因是彈簧Ⅲ在振動全程中彈簧均起作用；彈簧Ⅰ和彈簧Ⅱ對牽引阻力的減小程度比較接近，分別為25.87%、23.20%，但彈簧Ⅰ的標準差比彈簧Ⅱ的大，說明彈簧Ⅰ在振動過程中牽引阻力大小變化幅度比較大，原因是彈簧Ⅰ的剛度較大，在深松作業時出現彈簧壓縮不明顯且耕深不穩定的現象，減阻效果下降，但彈簧Ⅱ剛度較彈簧Ⅰ小，因此彈簧Ⅱ的減阻效果比較均勻。

如圖5所示，相對于非振動深松，安裝彈簧的自激振動深松作業的減阻效果都比較明顯，說明自激振動對于深松減阻是可行的。不同剛度的彈簧情況下，深松減阻效果差異較大，說明彈簧剛度對減阻效果有影響。

[FK（W11][TPTMJ5.tif][FK）]

3.3深松效果參數測定及分析

3.3.1土壤容重的測定及分析

用一定容積的鋼制環刀，切割未攪動的自然狀態下的土壤，使土壤恰好充滿環刀容積，將盛有土樣的環刀除去頂蓋，然后放入烘箱中，在105 ℃下烘24 h，再在干燥器中冷卻至恒質量（精確至0.01 g），稱量計算每單位體積的烘干土質量即土壤容重[21]。

土壤容重：

[JZ（]ρb=[SX（]m2-m1V[SX）]；[JZ）][JY]（2）

環刀容積：

[JZ（]V=πr2h。[JZ）][JY]（3）

式中：ρb為土壤容重，g/cm3；m1為環刀的質量，g；m2為環刀+烘干土質量，g；V為環刀容積，cm3；r為環刀底面半徑，cm；h為環刀高度，cm。

由表3可知，相較于耕前各耕層，非振動和彈簧Ⅲ均能減小土壤容重，但自激振動情況下的彈簧Ⅲ降低土壤容重效果更明顯。其中，在15～30 cm耕層，彈簧Ⅲ土壤容重相較于耕前土壤容重下降18.01%，相較于非振動土壤容重下降 13.73%，而0～15 cm下降百分比分別是9.68%、4.11%，但對于30～45 cm，彈簧Ⅲ處理較非振動處理土壤容重下降百分比不大。原因是深層深松時，耕深最多達到40 cm，由于拖拉機動力及牽引阻力的急劇增加，耕深穩定性下降，彈簧被完全壓縮，深松效果下降且與非振動效果相近。

深松整地聯合作業機工作性能質量評定標準規定，耕作后土壤蓬松度應該≤40%，土壤蓬松系數應該≥50%[22]。由表4可知，3個行程的土壤蓬松度平均值為16.47%，土壤擾動系數平均值為55.49%，2項指標均滿足要求，表明自激振動深松機深松整地作業效果良好。

4結論

設計一種彈簧可更換的自激振動深松機，并對自激振動彈簧進行選型，對深松機牽引阻力測定結果表明，彈簧剛度為185.3 N/mm時，相對于非振動深松，牽引阻力下降58.71%，彈簧參數對深松作業牽引阻力減小程度有一定影響。

田間試驗后，通過測定土壤容重、堅實度、土壤蓬松度和土壤擾動系數評定深松效果，結果表明，自激振動深松相較于非振動深松，能使土壤容重下降更加明顯，試驗中容重下降最明顯在15～30 cm耕層，達18.01%，土壤蓬松度平均值為 16.47%，土壤擾動系數平均值為55.49%，滿足深松耕作質量要求。

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