作业速度比对草地振动松土机作业性能的影响

董向前，宋建农，王继承，康小军

(中国农业大学农业部土壤-机器-植物系统技术重点实验室，北京100083)

针对我国草场土壤坚实度大的特点［1-3］，研究开发了草地振动式间隔松土机，实现对高坚实度草原土壤的疏松作业，达到草原改良和草场生态恢复的目的［4-5］.为了进一步提升机具的作业性能，减小作业过程中的耕作阻力，需要对机具的振动松土工作单体进行研究，对影响机具作业性能的因素进行分析.

目前国内外对振动松土机的作业性能已经开展了大量的研究工作［6-8］，前进速度、振动频率、振幅和振动角是影响机具作业性能的因素，这4个因素对作业性能的影响可以通过速度比λ联系起来，其中λ是松土铲的最大振动水平分速度与机具前进速度之比:

式中:Vx(max)为松土铲的最大振动水平分速度，m·s-1;V0为机具的前进速度，m·s-1;a为振幅，m;ω 为曲轴的角速度，rad·s-1，ω =2πf;β 为机具的振动角，(°);f为振动频率，Hz.

通过对振动松土工作单体的速度特性、轨迹特性进行分析，探讨不同速度比条件下的机具作业过程，结合土槽试验确定振动松土作业的最佳作业速度比.

1 工作特性分析

图1为草地振动松土机振动松土工作单体的结构间图，工作架前端通过销轴与机架相连，后端连接偏心轴连杆式振动装置，在该装置的作用下，工作架绕销座做上下摆动，使固定在其上的松土铲产生振动作用，完成对耕层土壤的振动松土作业.图中V0为机具的前进速度，b为曲轴的偏心尺寸，ω为曲轴转动的角速度，r为铲架的摆动半径，ε为摆动角，R为松土铲的振动半径，β为振动角，以松土铲铲尖为中心建立直角坐标系.

图1 工作参数定义图

1.1 速度特性

当机具对沿着水平方向(β=0°)振动作业时可以用正弦函数来描述机具的振动速度、水平位移、振幅和角速度之间的关系［7-8］:

当振动角β≠0°时，方程(1)和(2)仍然适用，只不过此时的位移要分解为水平方向和竖直方向2个分量，速度也随着分解为水平速度和竖直速度2个分量，分别为

当机具以速度V0前进时，方程(3)和(4)变成:

把上述方程对时间取导数，得出速度方程:

松土铲的振动水平速度和合水平速度变化曲线见图 2(β =28°，a=12.67 mm，f=7.8 Hz).

图2 松土铲的速度变化曲线

从图2可以看出，松土铲的水平速度在2种不同前进速度下均出现周期变化.在前进速度V0=0时，在1个振动周期内，其振动水平速度呈现出正弦曲线的变化趋势，其峰值的绝对值在正负方向上相等，说明在该状态下，松土铲沿着振动方向，在平衡位置附近做往复的切削运动.当前进速度V0=0.28 m·s-1时，在1个振动周期内，其合速度的变化曲线与V0=0时具有一致性，所不同的是此时速度曲线整体上升平移了0.28 m·s-1.在这个条件下，可以将一个振动周期分为3个阶段，图中ab为切削阶段，bc为后退阶段，cd为追赶阶段.

在1个振动周期内松土铲各个阶段持续时间随着速度比λ的变化关系见图3.从图3可以看出，随着λ的增大在1个振动周期内切削阶段和追赶阶段持续的时间逐渐减小，后退阶段持续的时间逐渐增大;切削阶段在1个振动周期所占的比例为25% ～75%，后退阶段在1个振动周期所占的比例为0～50%，追赶阶段在1个振动周期所占的比例为0～25%;随着速度比的进一步增大，追赶阶段持续时间趋向于0，在1个振动周期作业过程分为切削和追赶2个阶段.

图3 不同作业阶段持续时间随速度比的变化

1.2 轨迹特性

当振动方向为水平方向(β=0°)，振动速度变化成正弦曲线时，工作铲的振动轨迹变为由振动运动和前进运动相加合成的是一个斜置的正弦曲线［9-10］，见图 4.

振动长度为l，即振动周期长度可由机具的前进速度V0和振动频率f求出:

在提升阶段部件垂直运动的振动高度为h，可由振动角β及振幅a得

通过振动长度l和振动高度h之比Z来判断和描绘振动轨迹的特点，则

为了准确地判定振动轨迹，除了振动长度l及振动高度h，还有在p0和p4点切削运动的切削角及在p2点提升运动的提升角，切削运动的切削角α为

在p2点提升运动的提升角γ为

图4 振动轨迹的定义

不同参数下(前进速度V0、振动频率f、振幅a和振动角β)松土铲振动轨迹的描述如图5所示.

图5 不同参数下振动轨迹图

任意改变4个参数之一对振动轨迹的影响都反应在速度比λ上，速度比λ不同，松土铲的振动轨迹是不同的.当λ ＜1.00时，松土铲是持续向前运动，此时松土铲是持续的切削作业;当λ=1.00时，在1个振动周期内会出现暂时的相对静止状态;当λ＞1.00时，其运动轨迹逐渐出现重叠，λ越大，重叠的轨迹越多，此时的作业过程分为切削、后退和追赶3个连续的作业阶段，不同作业阶段持续的时间如图3所示.

随参数改变，特征点角度的变化如下:切削角α范围为0＜α＜π/2，提升角γ范围是0＜λ＜1.00，π/2＜γ ＜π;λ =1.00，γ=π/2;λ ＞1.00，0＜γ ＜π.

2 土槽试验

为了进一步研究速度比对机具作业性能的影响，需要在土槽试验台开展不同速度比下的室内试验，试验的机具选择振动松土单体，试验指标为牵引力特性和功率特性.各个试验参数的水平域范围分别为前进速度V0(0.5～3.0 km·h-1)、振动频率f(1.1 ～10.0 Hz)、振幅a(12 ～16 mm)、振动角β(28°～48°)，试验中保持耕深H=200 mm不变.

3 结果分析

尽管一定的λ值是由完全不同工作参数(前进速度V0、振动频率f、振幅a和振动角β)组合得到的，但是一组振动松土铲在振动和非振动条件下的牵引力比值却呈现出一定的规律性，见图6.

从图6中可以看出，随着速度比λ的增大，牵引力比值是逐渐减小的.当λ很小时(小于0.50)，牵引力比值变化很小，其变化范围在5% ～10%;当0.50＜λ ＜1.00时，牵引力比值变化范围为10% ～25%，说明在此范围内改变振动参数对牵引力特性的影响应很显著;当λ=1.50时，牵引力可以减小达到40%左右，当λ=3.00时，牵引力最大可以到60%.

图7为总功率特性随速度比的变化图，随着速度比的增大，振动部件作业所消耗的总功率是逐渐增大的;当λ很小时(小于1.00)，总功率变化曲线很平缓，总功耗的最大增量在20%左右;当λ＞1.50时，总功耗变化很显著，总功耗的增量大于30%.

图7 功率随速度比变化曲线

对不同速度比下振动松土单体作业过程分析可知，当速度比λ＞1.00时，松土铲的作业过程分为3个阶段，即是切削、后退和追赶3个过程，在切削阶段，松土铲持续切削紧实的土壤，在后退阶段松土铲对已作业的土壤产生作用，这个阶段的土壤是已疏松的土壤，作业的阻力小，随着速度比λ的增大，后退作业阶段的持续时间越来越长，振动减阻的作用就越好，而且由于振动轨迹出现重叠，松土铲碎土的效果也越好.当λ＜1.00时，松土铲对土壤是持续的切削作业过程，作业阻力相对于3个阶段的作业条件要大;当λ＜0.50时，振动减阻的作用很小，松土铲对土壤的作业近乎刚性切削作业(非振动)，而且松土碎土能力较差，作业效果不佳，见图8.

图8 不同速度比下的松土效果对比图

综合考虑牵引力特性、总功率特性及松土作业效果，速度比λ在1.00～1.50范围内时，各个作业阶段的时间变化最为明显，认定这个速度比区间是适宜作业的最佳条件.

4 结论

1)通过振动松土工作单体的速度特性分析，提出影响机具作业性能最重要的因素是速度比λ，当λ＜1.00时，松土铲是持续切削的作业过程，当λ＞1.00时，松土铲的作业过程分为切削、后退和追赶3个连续的阶段.

2)振动松土作业最佳的速度比为1.00～1.50.在这个条件下，可以减少20% ～40%的牵引阻力而且振动碎土能力强，松土作业效果好.

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