標準深松鏟設計方法研究

袁洪印 張 穎

（長春光華學院 吉林 長春 130033）

保護性耕作是實現東北黑土區可持續發展的主要措施之一。深松是保護性耕作重要一環。深松機具的重要部件是深松鏟。深松鏟的性能決定著深松機具的深松質量和效率。研究深松鏟的設計方法，就是為了提高深松機具的性能和開發更好的深松鏟。

1 標準深松鏟

近二十年來，國家對深松機具的指導性文件是《深松鏟和深松鏟柄》機械行業標準[1]。國家機械工業局2000年1月1日開始實施此標準。標準中規定了鑿形、箭形和雙翼形三種深松鏟尖，以及輕型和中型兩種深松鏟柄。

在深松作業時，深松鏟柄和深松鏟尖分工合作完成深松作業，保證深松作業質量，因此，在進行科學研究中，一般不分鏟柄和鏟尖，統稱為深松鏟。鏟尖的作用是打破犁底層和疏松作物根部土壤，標準中三種鏟尖基本滿足生產要求，研究者較少。鏟柄的作用是減少阻力和減少動土量，標準中鏟柄形狀和觸土表面狀態有很大改變的空間來提升鏟柄的作用，研究者更多一些。實際農業生產中，還有曲面深松鏟和V型深松鏟。本文主要研究標準深松鏟的設計方法，不涉及曲面和V型深松鏟。

2 標準深松鏟的設計方法分析

如圖1所示，輕型標準深松鏟柄可以把鏟柄分成三段，1段為固定鏟柄段，這段為直線段有加工孔，目的是將鏟柄固定在機架上；2段為鏟刃段，圓孤形鏟柄內孤有60°夾角鏟刃，起到滑切和掀起土壤達到省力的作用；3段為固定鏟尖段，有23°入土角和固定孔，便于鏟尖入土和平穩松土運行。

圖1 輕型標準深松鏟柄

固定鏟柄段根據深松機深松深度調節范圍和鏟柄受力情況設計其具體尺寸和固定孔。鏟刃段深入土壤里，它的形狀和表面狀態影響深松阻力的大小和深松質量。近二十年的鏟柄研究，大多集中于此段。有改變形狀的研究，改變表面觸土狀態的研究，以及綜合性研究等。

固定鏟刃段，入土角基本是固定值23°，這是根據研究經驗數據統計的結果，不會有大改變。加之鏟尖形狀主要是選三種經驗鏟尖，所以，此段有其規定性，也不必改變。

綜合上述分析可知：標準深松鏟設計方法研究主要集中在深松鏟刃的結構形狀和表面觸土狀態的研究方面；研究的目標是減小深松阻力和改善深松質量。

3 國內標準深松鏟的設計方法研究

3.1 深松鏟結構形狀設計方法。深松鏟結構形狀設計方法主要是鏟刃段結構形狀的減阻和保證深松質量的問題。

3.1.1 仿生結構形狀設計方法。張金波[2]研究高效挖掘土壤性能的家鼠爪趾結構形狀是指數函數曲線，將此形狀曲線用于深松鏟柄鏟刃段，參見圖2。研制出的仿生減阻深松鏟與傳統深松鏟相比較，耕作阻力降低了8.5%～39.5%。

圖2 指數曲線型深松鏟

3.1.2 滑切結構形狀設計方法。周華[3]為獲得理想的鏟柄滑切角，通過建立運動學和動力學模型，求解產生滑切的臨界條件。根據滑切角要大于鏟柄和滑切質點間的摩擦角，合理選擇滑切角為45°，達到減阻的目的。如圖3所示，2段為滑切設計的鏟柄形狀。

圖3 滑切型鏟柄

楊超[4]運用滑切減阻理論，得到不同深度范圍土壤、玉米秸稈與根茬的滑動摩擦角，從而獲得了分段鏟柄滑切角，建立分段鏟柄曲線方程，設計出鏟刃段結構形狀。如圖4所示，2段為分段滑切設計的鏟柄形狀。

圖4 分段滑切型鏟柄

3.1.3 擬合曲線結構形狀設計方法。趙淑紅[5]運用離散元(EDEM)軟件仿真分析鏟尖對土壤的作用為依據，獲得鏟尖上方土壤顆粒運動軌跡的擬合曲線和擬合方程，采用線元設計法對線形進行優化，獲得鏟柄外形曲線，得到了阻力小和擾動小的深松鏟柄形狀。

3.1.4 圓弧曲線優化結構形狀設計方法。陳坤[6]設計了一種新型圓弧型深松鏟。從圓弧曲線中得到靈感，圓弧上部滑切和壓土性能，下部起土性能。對不同半徑的圓弧曲線鏟柄，以深松阻力為目標進行優化，并進行了田間試驗，獲得了松土、減阻效果均好的優化鏟柄形狀。如圖5所示，鏟柄結構形狀。

圖5 圓弧型鏟柄

3.2 深松鏟表面狀態設計方法。深松鏟表面狀態設計方法的目標同樣是改進深松鏟表面形狀、表面與土壤接觸狀態以減少深松阻力。

3.2.1 仿生表面狀態設計方法。邱兆美[7]分析了蚯蚓的波紋體表和在土壤中很好的穿行能力，優化設計出深松鏟波紋形觸土表面，改變了土壤和鏟柄表面間的滑動摩擦狀態，減少了深松阻力，提高了土壤的蓬松度，改善了深松作業質量。如圖6所示，鏟刃段橫向波紋結構。

圖6 橫向波紋鏟柄

3.2.2 氣動表面狀態設計方法。屈通等[8]設計了深松鏟柄氣動表面狀態，如圖7所示。用曲形鋼管布置在鏟刃段刃口，底部開數個孔，構建氣動力學模型，采用離散元法進行仿真試驗，優化出減阻的開孔方案。

圖7 氣動深松鏟柄

劉明財等[9]設計了氣壓噴槍布置在鏟尖上的氣壓式深松鏟，如圖8所示。推導出牽引阻力計算公式，對深松鏟整體結構進行靜力學和動力學分析，優化出氣動減阻方案。

圖8 氣壓式深松鏟

3.3 深松鏟綜合設計方法。深松鏟綜合設計方法主要是通過基本理論研究和技術集成來設計深松鏟。

3.3.1 通過基本理論設計深松鏟。周桂霞等[10]對鑿尖加小雙翼形深松鏟的關鍵參數翼張角α、刃角δ、翼傾角β進行多因素多水平二次正交旋轉回歸試驗，以牽引阻力為觀測指標，得出最優的α、δ、β參數組合，從而設計出省力的優化深松鏟。

3.3.2 通過技術集成設計深松鏟。楊超[4]設計了交互式分層深松鏟，如圖9所示。依據土壤、玉米秸稈和根茬的空間分布差異性，通過滑切理論得到不同深度的滑動摩擦角，從而設計前鏟鏟柄四段曲線。依據前鏟仿真過程中土壤顆?；亓饕幝杉巴寥篮透绲目臻g分布差異性，利用線元法和Matlab設計后鏟鏟柄三段曲線。前后鏟組合分層深松。

圖9 交互分層深松鏟

周華等[3]設計了滑切自激振動減阻深松裝置，如圖10所示。運用滑切原理，設計深松鏟柄結構形狀，并組合自激振動裝置。自激振動連接方式滑切型深松鏟在各速度下相對于傳統弧形深松鏟減阻15.45%～20.05%。

圖10 滑切自激振動減阻深松裝置

4 分析與建議

近年來，深松鏟設計方法的研究不斷深入和全面，主要集中在深松鏟刃段的結構形狀設計和表面狀態設計，由此產生了綜合設計方法。設計方法研究的目標集中在減小深松阻力。由于深松的要求不同，提高深松質量的設計方法研究還不多。有限元法、離散元法、Matlab、滑切理論、流體力學、振動減阻等一系列方法或軟件都應用到了研究中，并能綜合運用，這也促使設計方法研究向數字化設計方向深入。

隨著設計方法研究的深度和廣度不斷推進，保護性耕作下的深松鏟設計方法應該不斷規范。適合東北黑土區保護的深松鏟設計方法，應該加大力度研究和推廣。在保證減阻效果的前提下，達到各種耕作模式要求的深松質量目標，并可實現數字化設計的深松鏟設計方法，應該值得廣大研究者的重視。