1SZL-300型振動深松整地聯合作業機的研制

譚新贊,沈從舉,代亞猛,李 帆,賈首星,蒙賀偉

(1.新疆農墾科學院,新疆石河子 832000; 2.石河子大學機械電氣工程學院,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】長期機械翻耕或旋耕易導致犁底層上移加厚、土壤耕層變淺,加重土壤板結和增加土壤比阻[1-3]。如不采取有效手段改善土壤條件,耕地質量將會逐年下降,影響作物產量。土壤機械深松可以打破犁底層、加厚耕層、改善土壤通透性、增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力;疏松后的土壤便于與外界交換氣體,改善作物根系生長的土壤環境,促進了作物根系深扎和正常生長,增強了作物抗倒伏能力和其他抗逆性[4-6]。【前人研究進展】振動式深松機相比傳統的非振動式深松機,能夠大幅降低土壤耕作阻力,降低能耗和節約成本[7-8]。振動式深松機按照振動方式可分為強迫振動式和自激振動式。強迫振動式深松機將拖拉機后輸出軸動力轉化為與機架連接振動部件的上下振動,將振動傳遞給工作部件,使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的振動下發生破裂、破碎和崩塌[9-11]。【本研究切入點】近年來,新疆旱作耕地深松作業主要采用傳統的非振動深松機,其作業效率低、能耗大、成本高,而且機具損壞幾率大,使用壽命相對較短。新疆旱作耕地因常年犁耕作業導致的土壤耕作層變淺、犁底層加厚,需要研發適合于新疆旱作耕地和作物種植模式特點的振動深松整地聯合作業機,以實現減阻降耗和節本增效。【擬解決的關鍵問題】基于自激振動深松減阻原理,研制1SZL-300型振動深松整地聯合作業機,采用激振彈簧實現深松鏟振動,減阻降耗;通過樣機田間試驗,比較分析非振動和自激振動下深松機所受的牽引阻力;在自激振動條件下檢驗和評價樣機主要作業性能指標,驗證研制樣機的主要性能設計指標。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 整機結構

1SZL-300型振動深松整地聯合作業機結構,主要由行走輪、行走輪架、液壓機構、深松部件、牽引架、機架、支架、碎土輥、碎土齒組成。其中,行走輪安裝在機架上,機架上布置前后兩組交錯排列的深松鏟,牽引架固定在機架上,可以通過拖拉機牽引行走和作業,作業過程中使深松鏟入土進行深松,碎土輥用于鎮壓碎土、平整地面。圖1,表1

注:1.行走輪;2.行走輪架;3.液壓機構;4.深松部件;5.牽引架;6.機架;7.支架;8.碎土輥;9.碎土齒

1.1.2 田間試驗

2019年10月20日在新疆生產建設兵團第八師石河子總場三分場二連的試驗田進行整機作業性能田間試驗。測試分析樣機分別在有無彈簧振動條件下的牽引阻力及變化,委托新疆生產建設兵團農業機械檢驗測試中心依據《JB/T 10295-2014 深松整地聯合作業機》檢驗樣機主要作業性能指標。圖2

圖2 樣機田間試驗

試驗地塊長250 m,寬57 m,地形平坦,土壤類型主要為黏質土,土壤平均堅實度為2.93 MPa,土壤平均含水率為16.9%。前茬種植作物為棉花,植被平均株高為88 mm,植被密度為776 g/m2。環境溫度為16.8℃,空氣濕度為32.5%,風速為1.1 m/s。

儀器設備包括:研制的1SZL-300型振動深松整地聯合作業機樣機1臺(配備7鏟),約翰迪爾7M-2204拖拉機1臺,NJTY3牽引阻力遙測儀1套,SC900數字式土壤堅實度儀1套,TDR-300土壤水分儀1套,以及環境(空氣)溫濕度計、手持式風速儀、纖維卷尺、鋼卷尺、鋼直尺、50 m軟皮尺、數字式石英電子秒表、標桿若干根和筆記本電腦等。

1.2 方 法

1.2.1 整機工作過程

1SZL-300型振動深松整地聯合作業機采用拖拉機牽引作業方式,通過拖拉機后三點懸掛連接。調節機架與行走輪架上的液壓機構可以調節機架升降高度,從而轉換整機工作狀態和非工作狀態。拖拉機牽引帶動該機深松鏟入土深松作業,同時安裝在深松鏟后方的碎土輥及其上的碎土齒進行整地作業。該機可一次性完成耕地的深松和平整。

1.2.2 自激振動工作原理

該機作業時,各深松部件單體的深松鏟因受到土壤阻力作用而向后偏移,從而使彈簧受壓而發生壓縮變形,當彈簧壓力與土壤阻力平衡時,深松部件單體保持平衡狀態;當土壤阻力增大時,彈簧壓縮形變量增大,相應的深松部件單體平衡狀態被打破,深松部件單體繞連接座鉸接點向上做圓弧擺動;當土壤阻力減小時,彈簧壓縮形變量減小,深松部件單體繞連接座鉸接點向下做圓弧擺動。

1.2.3 指標及測試

在試驗地的中間位置選取60 m×40 m試驗區,將一定量的標桿插在試驗區的邊界作為標記,試驗區的兩端設置10 m的調整區,用于樣機作業試驗調整。

(1)樣機牽引阻力

該機通過與拖拉機后三點懸掛相連,在左右懸掛處安裝牽引阻力遙測儀,以獲取深松過程中牽引阻力的變化數據,判斷深松耕作阻力的變化情況。牽引阻力遙測儀通過配套的無線裝置將牽引阻力數據實時傳輸到計算機(僅獲取測量區數據)[7]。深松部件單體可以安裝激振彈簧實現振動深松作業,也可以不安裝彈簧而通過套管固定實現不振動作業。利用牽引阻力遙測儀測定兩種作業工況下的牽引阻力。

(2)樣機主要作業性能指標

樣機主要作業性能指標包括:深松深度(耕深)、土壤膨松度、土壤擾動系數、(地表10 cm內)碎土率等,相應的測試方法和計算公式依《JB/T 10295-2014 深松整地聯合作業機》[17]。以深松深度、膨松度、擾動系數評價土壤深松作業效果,以(地表10 cm內)碎土率評價整地作業效果,以純工作小時生產率評價樣機作業效率。

要求同一工況測定應不少于3個行程,相鄰行程要隔一定距離,保證測試不受干擾。每個行程同一個試驗指標的數據采集重復不少于3次,結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 關鍵部件設計

2.1.1 深松部件單體

研究表明,1SZL-300型深松部件單體結構主要由鑿形深松鏟、鏟柄、固定板、彈簧振動機構、連接座和連接板等組成。深松部件單體結構采用直立型鏟柄和鑿型深松鏟組合,能夠適應于不同堅實度土壤尤其是板結性土壤的深松作業,能夠打破犁底層,滿足硬質土壤的深松深度要求,而且維修更換方便。深松部件單體空間布置采用前后兩排交錯對稱排列方式,深松部件單體間距可調。根據土壤條件和牽引動力,可以選擇“前6后5”、“前5后4”、“前4后3”3種方式。圖3

注:1.鏟托;2.安全螺栓;3.鏟柄;4.固定板;5.調整螺栓;6.彈簧;7.彈簧架;8.連接座;9.機架;10.銷軸;11.連接板;12.鏟頭

深松部件單體的深松鏟、固定板和連接板通過多個螺栓連接;連接板的另一端通過銷軸C與連接座相連,連接座固定在機架上;彈簧的兩端隔著彈簧架分別與固定板與連接座相連。自激振動彈簧可以繞螺栓A和銷軸B轉動,連接板可以繞連銷軸C轉動,固定板繞螺栓A轉動。表2

表2 深松部件單體主要結構設計參數

采用立柱式鏟柄和弧形的鑿形鏟頭,并改進加裝了鏟托。入土角是影響入土性能的重要因素,選取范圍為20°～40°,所選取的深松鏟入土角的大小為30°。圖3

2.1.2 激振彈簧選型

試驗地粘性土壤比阻范圍為6.5～11.5 N/cm2,根據深松鏟土壤阻力計算公式,即土壤阻力為土壤比阻、入土深度和實際工作幅寬的乘積,該機最大的入土深度設計為45 cm,其中鏟柄入土深度為38 cm,鏟頭入土深度為7 cm,鏟柄工作幅寬為3 cm,鏟頭工作幅寬為10 cm,深松鏟所受的土壤阻力約在1 196～2 116 N。將深松部件單體的受力模型簡化,土壤阻力主要集中在鏟頭位置。圖4

圖4 深松部件單體的受力模型簡化

以連接座下端銷軸為支點,由杠桿原理,可得出以下等式:

F1×L1=F2×L2.

(1)

式中,F1為鏟頭所受的土壤阻力,N;L1為銷軸到土壤阻力作用線的垂直距離,mm;F2為彈簧所受的壓縮力,N;L2為銷軸到壓縮力作用線的垂直距離,mm。

由(1)式得,激振彈簧所受的壓縮力:

(2)

根據深松部件單體的設計尺寸,L1=759 mm,L2=330 mm,計算得到彈簧所受壓縮力范圍是6 900～11 500N。

設計選用YI型壓縮彈簧作為激振彈簧。依據《GB/T2089-2009普通圓柱螺旋壓縮彈簧(兩端圈并緊磨平或制扁)》,選擇適合的激振彈簧型號。此外,根據深松部件單體的尺寸,確定激振彈簧的自由長度為240 mm,外徑不超過110 mm。選取2組彈簧,分別命名為Ⅰ和Ⅱ號,材料選擇60Si2Mn。彈簧剛度增加,能夠顯著減小牽引阻力,選取Ⅱ號彈簧作為田間試驗的激振彈簧。表3

表3 選取的激振彈簧主要參數

2.2 深松鏟入土受力及自激振動減阻原理

2.2.1 深松鏟入土受力

研究表明,深松鏟入土將鏟上與鏟下土壤深松分離,對其進行受力分析時,以o點建立直角坐標系o-xy。圖5

注:F為牽引力,FN為鏟上土壤對深松鏟的壓力,Fn為鏟下土壤對深松鏟的支撐力,ft為深松鏟的土壤阻力,f為土壤對深松鏟的摩擦阻力,G為深松鏟及鏟上土壤的重力,θ為深松鏟的入土角

深松作業時,工作部件全部入土的瞬間,作用在深松部件的摩擦力達到最大值,此時在水平方向根據受力平衡方程可得:

F=f·cosθ+ft+FN·sinθ.

(3)

根據土壤比阻計算公式,深松鏟所受的土壤阻力ft為:

ft=Kt·a·b=Kt(a1b1+a2b2).

(4)

式中,Kt為土壤比阻,kPa;a為入土深度,mm;b為實際工作幅寬,mm;a1為鏟柄入土深度,mm;b1為鏟柄實際工作幅寬,mm;a2為鏟頭入土深度,mm;b2為鏟頭實際工作幅寬,mm。

深松鏟的實際工作寬幅與其配套拖拉機的牽引力有關,即

(5)

式中,F′為深松鏟工作寬幅的阻力,N;η為利用系數,一般取0.85～0.95。

土壤對深松鏟的摩擦阻力為:

f=μ0·FN.

(6)

式中,μ0為滑動摩擦系數,一般取0.09～0.1。

聯立以上各式可得深松鏟的入土角為:

(7)

由式(7)可知,深松鏟的入土角θ與牽引力F、深松鏟工作寬幅的阻力F′、深松鏟入土深度a、滑動摩擦系數μ0、土壤比阻Kt及鏟上土壤對深松鏟的壓力FN有關。

2.2.2 自激振動減阻原理

研究表明,當深松鏟所受到的耕作阻力與彈簧壓縮所需壓力平衡或小于彈簧壓縮所需壓力時,深松鏟向前切削土壤,在前進方向上使切削土壤產生一定的加速度;當耕作阻力大于彈簧壓縮所需壓力時,彈簧被壓縮,深松鏟向后移動,深松鏟與土壤產生縫隙,卸去了深松鏟上的土壤載荷,僅在深松鏟向前的推力作用下抬升土壤,從而使新土塊被切松而沿著深松鏟表面滑動;當耕作阻力減小時,深松鏟回到切削土壤過程。圖6

圖6 自激振動深松過程

耕作速度對牽引阻力的影響成二次方變化,速度越大,牽引阻力增加越大。

D=D0+ευ2.

(8)

式中,D為牽引阻力(N);D0為與速度無關的基本牽引阻力(N);υ為速度(m/s);ε為常數。

2.3 牽引阻力

研究表明,有彈簧振動相對于無彈簧不振動的牽引阻力較小,驗證了彈簧自激振動能有效減小牽引阻力。圖7

圖7 牽引阻力對比圖

2.4 作業性能指標檢測

研究表明,檢測樣機的深松深度、深松耕深穩定性系數、土壤膨松度、土壤擾動系數、(地表10 cm內)碎土率。測定樣機作業速度平均7.1 km/h。表4

表4 樣機主要作業性能指標檢測

3 討 論

3.1自激振動式深松機利用土壤地表不平和土壤阻力等變化激起彈簧等彈性元件振動,實現振動深松作業[12-15]。強迫振動式深松機相對于自激振動式深松機,功耗較大,易造成配套拖拉機振動和噪聲,影響其操控性[16]。1SZL-300型振動深松整地聯合作業機通過深松部件的自激振動實現打破土壤犁底層的深松作業,相比傳統的非振動式深松機和強制振動深松機,土壤深松范圍大,疏松效果好,同時能夠有效減阻降耗。整機相對傳統的深松機較為輕巧,作業時耕作阻力較小,可以選擇的配套拖拉機動力范圍較寬,因此適用范圍更廣。可根據不同耕地土壤條件,選擇不同剛度的激振彈簧,以滿足耕地深松作業深度要求,同時可延長整機使用壽命。該機作業中深松鏟遇土壤中大石塊等障礙物時,可以通過彈簧收縮使深松鏟抬起實現越障,能夠有效保護深松鏟不被拉壞。可以根據不同土壤深松要求,更換不同構型的深松鏟尖。

3.2研究機型采用的深松鏟尖結構形式為鑿型,鏟柄結構形式為垂直型,對于其他結構形式的深松鏟尖(如箭型、雙翼型和仿生結構等)、鏟柄(彎曲型、傾斜型等),以及與整機其他性能參數的匹配性,尚需要在不同地塊開展對比研究與分析,優化深松鏟結構參數,優選適合不同土壤條件的深松鏟結構,進一步提升整機作業性能。

4 結 論

4.1研制了一種基于自激振動原理的1SZL-300型振動深松整地聯合作業機,通過土壤阻力的變化對彈簧壓縮變形,不斷地產生自激振動,能夠有效打破犁底層,深松土壤,并通過釘齒式碎土輥平整地面。

4.2有彈簧振動相對于無彈簧不振動的牽引阻力較小,驗證了彈簧自激振動能有效減小牽引阻力。

4.3深松深度382 mm,土壤膨松度28.6%,土壤擾動系數67.5%,深松耕深穩定性系數96.8%,地表10 cm內碎土率62.8%,樣機在平均作業速度7.1 km/h下的純工作小時生產率2.2 hm2/h,達到了樣機設計要求,深松整地效果良好。