條耕模式下變強度振動式鎮壓裝置設計與試驗

圖分類號：S222.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0065-07

Abstract：In view of the problem that the suppression device suitable for the domestic strip tillge planting mode cannot adjust the suppression strength according tothe change ofsoil moisture content，avariable strength vibrationsuppressiondeviceisdesigned，sothat thevibration force can beadjusted quickly withina largerangeof vibrationdegree.Through the designof the main structure of the suppression device and the force analysis of the whole machine，the change range of the suppression pressure produced by the suppression device is 12.22-113.78N ANSYS softwareisused toverifythe feasibilityof the theoretical model，andthe maximumstress of the suppression device is 6.254MPa ，and the maximum deformation is 0.192mm ，which is less than the design standard value. The natural frequency is 100.85-197.77Hz ，which is quite different from the excitation frequency of the motor at （20 50Hz ，indicating that the strength of the suppression device meets the use requirements and does not resonate. The self-made breeding tank was used to simulate maize emergence experiment，and the resultsshowed that the factors affecting the emergence rateofcorn were from large tosmallas follows：soil moisture content，repression strength，soil covering thickness，and soil moisture content was extremely significant. Theoptimal scheme was soil covering thickness of 4cm ，soil moisture content of 20% and suppression strength of 20kPa .In addition，the influenceof thenumberof counterweightson theballst strengthandthe impactof the balast strengthon thesoil moisturecontent were tested.The resultsshowed that when the three counterweights were configured，the repression strength reached 22.1kPa ，which met the repression strength of about 22kPa in the soil situation of this experiment. When the suppression strength is 20kPa ，the soil moisture content change is minimized and the water storage and retention ability is good.According tothesoil moisture contentand the suppression strength，the controlsystemisdividedintothreelevels.Theresultsofthispapercanprovidetheoreticalbasisandtechnicalreferencefor theresearch and development of variable strength ballast.

Keywords：vibration suppression device； strip tilage mode；soil moisture；suppression strength；vibration force

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物，也是東北三大作物之一，玉米條耕技術屬于保護性耕作技術的一種，近幾年被廣泛應用。條耕技術目前存在兩種模式：美國主要采用耙松式條耕技術，所使用的機具價格高、功耗大；我國普遍采用可以有效提高土壤松散度且更符合我國農戶精細耕作種植習慣的旋松式條耕技術，但是該技術會破壞土壤微生物環境，不利于保持土壤肥力。

播種作業質量對玉米產量有重要影響，在玉米種植過程中，仍存在播深一致性差、種床結構不合理等問題。鎮壓作為整地作業中一個重要的環節，一般指種子落入種溝后對土壤壓實，改善土壤結構，創造土壤緊實程度適宜的生長環境[12]。鎮壓分為兩類，一種是播種前整地鎮壓，另一種是覆土后對土壤鎮壓[3，4]。鎮壓的作業質量影響土壤的蓄水保能力，進而影響玉米的出苗質量。

國內外對鎮壓機具進行了大量研究，Altikat等[5]利用設計的橡膠鎮壓輪試驗，指出合理的土壤壓實程度有利于提升作物的出苗率與生長質量。Rui等6以玉米為研究基礎，提出一種相對科學合理的設計結構以實現最佳生長效果。佟金[7、張智泓[8.9]等研究的凸齒鎮壓器可以實現作業地表土壤表面形貌的加工，提高作業后地表的蓄水能力。康迪鑫等1°以ANSYS軟件為工具，以鎮壓輥為對象開展有限元分析工作，在提高鎮壓效果的同時也有效降低了土壤黏附性能，從而極大提升了作業效果。

上述機具的整地效果較好，但其價格昂貴、維護維修困難，且在實際作業中存在作業性能不穩定等問題。這些因素導致國內很少有人愿意購買進口機具[1]。而國內鎮壓裝置在作業時，大多數無法根據土壤熵情的變化而調節鎮壓強度，其激振力難以在較大振動程度范圍內快速調節。因此，研究適應不同土壤情的鎮壓裝置，可以有效提高鎮壓作業質量。鎮壓作業可使作物種子和土壤接觸更加緊實，提高種植出苗率，適當的鎮壓不僅能保證最佳的種床環境，還能有效減少土壤侵蝕[12，13]。為解決以上問題，本文研制一種鎮壓強度可調式振動鎮壓裝置，并進行整機受力和仿真分析，確定鎮壓力變化范圍并驗證鎮壓裝置的設計效果。此外，研究育種槽玉米出苗試驗的影響因素，探究劃分鎮壓裝置控制系統擋位的方法，旨在為變強度鎮壓器研發提供參考依據。

1振動式鎮壓裝置總體結構及工作原理

根據玉米條耕技術種植模式的農藝特點，設計的用于播種前鎮壓的變強度振動式鎮壓裝置主要由鎮壓板、驅動軸、配重塊、拉板、驅動電機及傳動機構等組成，如圖1所示。

圖1振動式鎮壓裝置結構

Fig. 1 Structure of vibration suppression device 1.驅動電機及傳動機構2.配重塊3.拉板4.驅動軸5.鎮壓板

選用 Y10012-4 三相異步交流電機作為驅動電機，并且在拖拉機上裝有發電機組為電機提供電能，驅動電機通過鎮壓板后端焊接的方形鋼固定。整個裝置的動力來源是依靠驅動電機帶動驅動軸旋轉產生的，因而控制驅動電機轉速即可實現調節鎮壓強度的目的。選用英威騰CHV100系列高性能矢量變頻器控制電機轉速。

作業時整個鎮壓裝置在拉板的帶動下滑動行進，由單片機控制變頻器調節后置的驅動電機帶動驅動軸旋轉，連接在驅動軸上的多個配重塊也隨之轉動，促使驅動軸產生離心力進而產生激振力，激振力使鎮壓裝置上下振動，以達到主動鎮壓的目的。通過人為增減配重塊數量來實現整個裝置的鎮壓強度在一定范圍內的調節，提高土壤堅實度和地表溫度，使土壤吸水能力增加，起到供、保和提作用，避免風蝕危害。

2 關鍵部件設計

2.1鎮壓板與支撐架連接設計

如圖2所示，鎮壓板前端折彎成長 100mm 呈 45^°角形狀，后端固定連接有對稱的兩個支撐架，支撐架下部與拉板連接，上部開通孔用于支撐驅動軸旋轉。

圖2鎮壓板和支撐架連接圖

Fig.2 Connection diagram of the suppression plate and the support frame 1.支撐架2.鎮壓板

2.2 驅動軸和配重塊設計

圖3驅動軸與配重塊焊接圖 Fig.3Welding diagram of drive shaftand counterweightblock

圖3為驅動軸與配重塊焊接圖，驅動軸和配重塊作為鎮壓裝置的核心部件，驅動軸設計成總長375mm 、工作段長 240mm 、直徑為 32mm 的旋轉軸。在驅動軸周側面先焊接一個配重塊，配重塊設計成厚20mm 長 110mm 的 120^° 扇形鐵塊，與驅動軸焊接處留有半徑為 5mm 的圓角，扇形面上開設2個Φ20mm 的通孔，通孔間距為 98mm ，用于固定其他配重塊。通過人為增減配重塊的數量來實現整個裝置的鎮壓強度在一定范圍內的調節。

2.3振動式鎮壓裝置受力分析

鎮壓裝置在作業過程中的受力主要由配重塊的位置來確定，因此將其看作一個整體，其受力情況如圖4所示。鎮壓裝置在作業過程中受到土壤反作用力F_N 、土壤阻力 F_f ，自身重力 G （質量 m_i ）、配重塊旋轉時產生離心力 F₁ 和隨著機具前進在拉板上產生向前的拉力 F₂ 。土壤摩擦系數為 0.5?β 為拉板安裝角， θ 為驅動軸旋轉角度，由此可得鎮壓裝置在作業過程中的受力平衡方程如式（1）所示。

圖4鎮壓裝置受力分析Fig.4Force analysis of the suppression device

當鎮壓裝置穩定作業時，拖拉機牽引力 F₂ 保持不變， 和 都為0，因而求得

（F_f-F₁sinθ）tanβ+F_N+F₁cosθ=m₁g

摩擦阻力計算如式（3）所示。

F_f=μF_N

式中： μ —滑動摩擦系數。

將式（3）代入式（2）并簡化得

m₁g=（μtanβ+1）F_N+F₁（cosθ-tanβsinθ）

圖5為某一時刻配重塊繞軸旋轉受力圖，配重塊質心 c 與旋轉中心的距離為 r ，離心力 F₁ 時刻與運動軌跡相切，得到

F₁=m₂ω²r

式中： m₂ 配重塊質量， kg ω 配重塊旋轉角速度， rad/s 。

圖5配重塊隨驅動軸旋轉受力圖 Fig. 5Force diagram of the counterweight rotating withthedriveshaft

已知驅動軸和驅動電機的傳動比 i=0.53 ，將式（5）代人式（4）中得

m₁g=（μtanβ+1）F_N+m₂ω²r（cosθ-tanβsinθ）

由式 （1）～ 式（6）可知，在安裝角度 β 固定不變且驅動電機處于額定轉速下，鎮壓力大小主要取決于配重塊的旋轉角度，將式（6）轉化為式（7）。

已知配重塊凈重 m₂ 為 1.35kg ，質心 C 與旋轉中心的距離 r 為 0.055m ，通過式（6）得出驅動電機在額定轉速下，配置一個配重塊能產生的離心力為570.9N 。當安裝角度 β 為 30^°，40^°，50^° 時，由式（7）可得，當安裝角度 β 增大，鎮壓力則會減小。因此，為求該裝置能產生的最大鎮壓力范圍，在計算時將 β 定為30^° 。使用MATLAB軟件進行分析，得到鎮壓力隨驅動軸旋轉角度的變化關系。

由圖6可知，鎮壓力呈現波形變化，當驅動電機處于額定轉速、驅動軸上只有一個配重塊且安裝角度 β 為 30^° 時，鎮壓裝置能產生的鎮壓力變化范圍為12.22～113.78N ，復數配重塊則在其基礎上增加 n× 570.9N 。

2.4振動式鎮壓裝置模態分析

鎮壓裝置的強度決定了在作業時的安全性和穩定性，因此需要對該裝置進行靜力學分析。鎮壓作業中的振動類型為受迫振動且多為低頻振動，振幅較大。因而需要分析低頻振動是否對鎮壓裝置產生共振現象，并取前6階振型對鎮壓裝置進行模態分析。

網格密度的高低將影響求解時間長短[14]。在此選用四面體網格劃分，在配重塊和驅動軸的螺栓孔處添加固定約束，在鎮壓板底部添加一個固定約束，當驅動電機以額定轉速運轉時，通過遙測儀測得鎮壓裝置受最大牽引力為 1337N 。因此，在拉板與機架固定通孔處施加向前的牽引力，結構靜力學分析的求解器可更好地滿足求解要求[15]

由圖7可知，在拉板與機架固定通孔處出現了最大應力值為 6.254MPa ，鎮壓裝置的最大應力小于許用應力。

由圖8可知，鎮壓裝置最大變形處在拉板上，最大變形量為 0.192mm ，小于設計值。因此，在作業過程中，鎮壓裝置的強度滿足使用要求。

圖9模態分析Fig.9Modal analysis

每階模態特有的數值可以通過計算求得，也可以通過試驗分析得到[16]。取前6階振型對鎮壓裝置進行模態分析，結果如圖9所示。

配重塊隨著驅動軸旋轉產生的離心力是引起鎮壓裝置振動的關鍵因素，表1中鎮壓裝置前6階振型的固有頻率為 100.85～197.77Hz ，均與驅動電機激勵頻率 50Hz 相差較大。因而得出鎮壓裝置在驅動電機額定轉速下作業時不會產生共振。

表1鎮壓裝置前6階固有頻率 Tab.1First 6 natural frequencies of suppression device

3 出苗試驗

3.1試驗條件及方法

鎮壓作業最根本的自的是為玉米生長提供適合的環境，保證玉米出苗率。鎮壓裝置鎮壓強度調整首先是依據試驗獲得參數進行調節，進而通過田間試驗完善鎮壓參數的調節。選取覆土厚度、鎮壓強度和土壤含水率作為影響因素，研究其對玉米出苗率的影響。根據NY/T3491—2019《玉米免耕播種機適用性評價方法》，選取覆土厚度為 3cm.4cm.5cm ，將土壤含水率[17]控制在 14%17%20% ，鎮壓強度選取 12kPa 、16kPa.20kPa ，試驗方案如表2所示。利用自制土槽育種來模擬玉米出苗試驗，試驗槽做成長 80cm 、寬38cm 和深 21cm 方形槽，分為4個試驗區域，每個試驗區域底部開設9個小孔，起到透氣和排水作用。

表2出苗試驗因素水平 Tab.2Level of factors of seedling emergence test

試驗方法：先在測試區域內裝填 10cm 的土層并進行壓實，并在每個區域內均勻放置20粒玉米種子。覆土厚度的控制是通過人工澆水的方式，使含水率盡量控制在所需范圍內，上下浮動 0.5% 。通過改變放置在20cm×19cm 鋼板上的定量重物來對土壤進行鎮壓強度的調節，從而模擬田間的鎮壓強度。共進行9組試驗，4組為一個周期，每個周期為10天，總計進行3個周期。

3.2 試驗結果及分析

根據正交試驗方案及評價指標進行9組試驗，其結果如表3所示。

表3玉米出苗試驗極差分析Tab.3Range analysis of corn emergence test

影響玉米出苗率的因素從大到小依次為：土壤含水率、鎮壓強度、覆土厚度，且土壤含水率的影響極為顯著，因此，鎮壓裝置控制系統的擋位由土壤含水率確定。最優方案為各因素最大值 K 所對應的水平，極差分析得 A₂B₃C₃ 為最優方案，即覆土厚度為 4cm ，土攘含水率為 20% ，鎮壓強度為 20kPa 。

4鎮壓裝置擋位確定

4.1配重塊數量對鎮壓強度影響測試

以配重塊數量為因素，鎮壓強度為指標，在驅動電機轉速恒定的條件下進行測試，配重塊數量分別取2、3、4、5、6塊，試驗測試配重塊數量變化對鎮壓強度的影響關系。根據測試條件人為增減配重塊數量并記錄鎮壓強度的變化，每組試驗測試3次，取其平均值。試驗時配重塊凈重 1.35kg ，鎮壓裝置自重為 70kg ，鎮壓強度大小通過拉壓力傳感器測定，通過計算得出鎮壓強度。

由表4可知，鎮壓裝置在3塊配重塊的情況下能產生 22.1kPa 的鎮壓強度。根據出苗試驗得到所需鎮壓強度為 22kPa 左右，因此確定本試驗土壤情況下的鎮壓裝置配置3塊配重塊可以滿足鎮壓強度需求。

表4配重塊數量對鎮壓強度影響試驗 Tab.4 Effect of the number of counterweight blocks on ballast strength

4.2土壤含水率對鎮壓強度影響測試

播前鎮壓的主要目的是壓實土壤，減少水分流失，因此需要對不同鎮壓強度下土壤的保水能力進行研究。根據出苗試驗最優方案的鎮壓強度為 20kPa ，上下浮動 2kPa ，選取 18kPa?20kPa?22kPa 作為變量。將測試區分為試驗區和對照區共4組，其中一組為對照組，使用鎮壓輪進行鎮壓作業。土壤含水率采用國家規定的烘干法進行測量[18]。玉米的播種深度為30mm 左右，因此采取 0～30mm 和 30～60mm 深度的土樣，測量變強度鎮壓作業后的土壤含水率，3天后復測，對比分析土壤含水率的變化，結果如表5所示。

表5鎮壓強度對土壤含水率影響試驗 Tab.5Tests on the effect of ballast strength on soil water content

由表5可知，變強度鎮壓后的土壤含水率變化量均小于對照組，說明播前變強度鎮壓能起到保持土壤含水率的作用。當鎮壓強度為 20kPa 時，其土壤含水率變化量最小。由圖10可知，隨著鎮壓強度的增加，土壤含水率的變化量先降低，當鎮壓強度為 20kPa 時達到最低值，隨后土壤含水率的變化量又增加。

圖10鎮壓強度對土壤含水率的影響 Fig. 1o Effect of compaction intensity on soil water content

因此，確定土壤含水率在 20% ，鎮壓強度 20kPa 為控制系統中間擋位；當土壤含水率高于 20% 時，為降低含水率需要減小鎮壓強度，設定 18kPa 為控制系統的一擋；同理，當王壤含水率低于 20% 時，將鎮壓強度設置為 22kPa ，作為控制系統的三擋。

5 結論

1）在條耕種植模式下，為供、保和提，避免風蝕危害，設計并研制鎮壓強度可調的振動式鎮壓裝置，其主要由鎮壓板、驅動軸、配重塊、拉板、驅動電機及傳動機構組成。通過人為增減配重塊數量來實現整個裝置的鎮壓強度在一定范圍內的調節。對鎮壓裝置進行受力分析，得出鎮壓力呈現波形變化。在配置單個配重塊并設定額定轉速下，當安裝角度為 30^° 時，鎮壓裝置產生的鎮壓力變化范圍為 12.22～113.78N ，利用ANSYS仿真軟件對鎮壓裝置進行仿真分析，得到鎮壓裝置所受最大應力 6.254MPa 、最大變形量 0.192mm 遠小于材料的許用應力且變形量可忽略不計。固有頻率為 100.85～197.77Hz ，與驅動電機激勵頻率 50Hz 相差較大，表明鎮壓裝置強度滿足使用要求且不會發生共振。因此，該裝置設計滿足可行性要求。

2）利用自制的育種槽模擬玉米出苗試驗，結果表明，影響玉米出苗率的因素從大到小依次為土壤含水率、鎮壓強度、覆土厚度，且土壤含水率的影響極為顯著。獲得最優參數組合：覆土厚度為 4cm 、土壤含水率為 20% 、鎮壓強度為 20kPa 。

3）進行配重塊數量對鎮壓強度的影響和鎮壓強度對土壤含水率的影響試驗，結果表明，當配置3塊配重塊時，鎮壓強度達到 22.1kPa ，滿足本試驗土壤情況下玉米出苗需要的鎮壓強度約為 22kPa 的需求。當鎮壓強度為 20kPa 時，土壤含水率變化量最小，土壤的蓄水保能力較好。鎮壓裝置控制系統擋位由土壤類型與土壤含水率來確定，當土壤含水率為 20% 時，鎮壓強度 20kPa 作為控制系統的中間擋位；當土攘含水率高于 20% 時，鎮壓強度設定為 18kPa ，作為控制系統的一擋；當土壤含水率低于 20% 時，將鎮壓強度設定為 22kPa ，作為控制系統的三擋。

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（上接第47頁）

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