深松鏟入土力學分析與振動減阻機理研究

張雷

摘要：對深松鏟入土時與土壤的力學作用進行分析，得出土壤的變形阻力是影響牽引阻力的主要因素，從而提出振動減阻機理，即利用振動使土壤從無結構轉變為有結構，達到減小耕作阻力、提高作業質量、降低能源消耗、提高生產效率的效果。

關鍵詞：深松鏟;力學分析;振動減阻;牽引阻力

中圖分類號：S222 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1674-1161（2019）03-0023-04

我國耕地面積十分遼闊，每年在土壤耕作方面消耗能源巨大，而耕作機具的能源消耗主要是用于克服土壤耕作阻力，因此，研究如何減小機具耕作阻力對于提高耕作質量、降低能源消耗、加速實現農業機械化具有十分重要的意義。

1 深松鏟入土力學分析

1.1 深松鏟類型

深松鏟作為深松機重要的工作機構之一，其形狀、尺寸、材料影響著深松作業的許多指標如深松的深度、質量及機具的牽引阻力等。所以，深松鏟的質量直接決定了深松作業的效果。按照JB/T 9788—2014的規定，深松耕地機械上使用的深松鏟可分為箭型深松鏟、雙翼深松鏟、鑿型深松鏟3種類型，如圖1所示。

深松鏟柄是深松機重要的受力部件，其質量直接影響深松機具的壽命。深松鏟柄按質量劃分為中型深松鏟柄和輕型深松鏟柄。另外，河南農業大學研制出立柱深松鏟，其鏟柄為一立柱，鏟面為一平面梯形，刃口設計為下磨刃口，其優點是制造簡單、便于安裝，可以降低偏牽引，使受力平衡，深松效果穩定。3種類型的鏟柄如圖2所示。

1.2 深松鏟入土力學分析

深松過程中土壤的變形特征是由深松鏟的切割角β值及土壤的特性所決定的。

由式（19）可知，由于土壤變形阻力RBx在某一區間范圍內周期性變化，使得牽引阻力的變化較為復雜。下面探討牽引阻力組成的前3項土壤作用力Px1與其影響因素間的關系。

深松鏟刃口的土壤阻力、垡片的質量及土垡的慣性力與拖拉機前進速度、摩擦角及土垡提升高度間的關系曲線如圖5所示。

由圖5a可以看出：隨著拖拉機前進速度的增加，Px1增大，但增加幅度較小;由圖5b可以看出：摩擦角增加時，Px1增大，增加幅度較大;由圖5c可以看出：土垡的提升高度增加時，Px1線性遞增，增加幅度較大。

2 振動減阻機理

耕作中的振動減阻機理主要包括機具振動的參數和內外部摩擦之間的關系，而摩擦作用主要表現為振動深松過程中土壤內部散顆粒的運動與顆粒孔隙比的變化。顆粒孔隙比變化會直接影響土壤散體強度情況，當顆粒孔隙比變小時，散體變得密實，而原本在大顆粒孔隙中的“無效”顆粒在這種高密度的情況下又由于受力作用變成了“有效”顆粒，土壤顆粒間的作用咬合點個數與咬合深度均增多，使顆粒之間更加緊密接觸，顆粒間的距離增加時分子間的吸引力會急劇減小，同時由于咬合程度降低而使分子間的作用力下降。此外，當土壤松散時，散體間的摩擦力會變成滑動摩擦力大于流動摩擦力的結合形式。

在振動的載荷作用下，深松鏟將無結構土壤破碎分離成有結構土壤，從而使拖拉機的牽引阻力降低。含水量和顆粒間內摩擦系數密切相關，在振動條件下土中水的存在形式發生變化，顆粒間內摩擦系數隨之變化，內摩擦力發生變化使得土的結構發生改變，從而影響土壤與深松鏟間的作用力。在振動深松過程中，當土壤含水量較低時，隨著含水量的增加形成具有水穩定性土壤，土壤硬度近似線性降低，牽引阻力逐漸減小;而當含水量超過某一極限值時，土壤粘附性增大，深松鏟和土壤之間的作用力增加，導致牽引阻力增大，這是由于土壤粒子對鋼表面的分子吸引力增加，使粘土之間摩擦系數增大。

3 結論

在深松過程中，深松鏟對土壤進行切割、提升與破碎。對深松鏟入土與土壤間力學作用進行分析，得出土壤的變形阻力是影響牽引阻力的主要因素，從而提出耕作機具振動減阻機理，即利用振動使土壤從無結構轉變為有結構，減小拖拉機牽引阻力，達到比一般深松機耕作阻力更小、耗能更低、作業質量更好、生產效率更高的效果。

參考文獻

[1] 聞邦椿，李以農，張義民，等.振動利用工程[M].北京：科學出版社，2005.

[2] 許萬同.深松機深松鏟的碎土方式及受力分析[J].中國新技術新產品，2010（8）：11-12.

[3] 吳愛祥.振動作用下散體內外摩擦特性的研究[J].中南大學學報，1993，24（4）：459-465.