1SZ—180型偏心式振动深松机的设计与试验

刘从京 李传友 李问盈 王宪良 郑侃 李留明 胡宏男

摘要：设计一种偏心四杆机构式振动深松机，优化整机参数，并进行田间对比试验。结果表明，深松深度超过 35 cm 时，与非振动深松机相比，拖拉机滑转率减少23%～37%，振动深松可有效降低机具牵引阻力。

关键词：振动深松；偏心式振动；深松降阻；深松铲；偏心四杆机构；机具牵引阻力；降低

中图分类号： S222文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）10-0193-03

深松整地有利于农田土壤改良、提高粮食综合生产能力、实现生产和生态双赢，是促进农业可持续发展的重要举措[1-2]。2015年，国务院总理李克强在《求实》杂志上发表文章，要求大力推广深松作业。我国在深松方面已有多年的研究经验，获得了一批先进技术成果，研发了全方位、凿式、翼铲式、振动式、鹅掌式等多种类型深松机，不同深松机具因结构、特点不同，作业性能也存在一定差异，这些深松机在市场上很常见。部分深松装备虽然结构、外形先进，但存在作业质量不高、可靠性较低、区域适应性较差等问题[3-5]。本研究针对上述问题，结合华北一年两熟区农业特点，研制出一种基于偏心四杆机构的振动深松机。

1整机结构与工作原理

1.1整机结构

偏心式振动深松机主要由机架、变速箱、偏心机构、深松铲、限深轮和切土轮等组成（图1），其与传统深松机最大区别在于通过周期性机械振动驱动深松，可有效降低深松阻力，并能减小土壤扰动，提高作业速度[6-7]。

偏心式振动深松机主要技术参数：配套动力50～70 kW，整机质量260 kg，最大作业幅宽1 800 mm，作业行数为4行，行距为450 mm，最大入土深度450 mm，深松铲入土角23°，作业效率0.4～0.8 hm2/h，外形尺寸（长×宽×高）1 200 mm×1 950 mm×15 500 mm。

1.2工作原理

振动深松机通过装在前部的切土轮切断作物秸秆、杂草或板结的地表，既可防止深松时板结的表层土壤翻转，减少水分蒸发，又能防止杂草和秸秆缠绕堵塞铲柄，减小深松铲铲柄的前进阻力[8]。动力经变速箱传到从动轴，从动轴的转动带动与从动轴通过花键配合的偏心花键套的转动，偏心花键套的转动使得大连杆中心绕从动轴转动，偏心花键套的周期性转动带动大连杆、连杆支撑架及中间铲柄周期性振动，从而使得安装在铲柄上的深松铲产生周期性振动。偏心轴与从动轴通过中间双排链联轴器联接，将动力由从动轴传到偏心轴，偏心轴的周期性转动引起小连杆中心绕从动轴作周期性转动，偏心轴的转动带动小连杆、连杆支撑架及两侧深松铲作周期性振动[9-10]。

2关键部件的设计

2.1偏心机构的设计

偏心式振动深松机采用将由变速箱沿水平横向输出的转动转变成深松铲沿竖直方向上的周期性振动（图2），深松机所需要的牵引力F较大，且牵引拖拉机工作时输出的转矩T在额定转矩范围内基本恒定，由T=FL得知，曲柄杆长L应尽可能取短些，才能保持曲柄的动力足够大。为了增加机构的可靠性及制造精度，由发动机曲柄连杆机构启发，所以将曲柄机构优化为偏心机构，偏心距取8 mm[11-12]。

2.1.1偏心轴的设计

振动深松机左右两侧深松铲由变速箱通过从动轴和中间的双排链联轴器将动力传递到偏心轴（图3），偏心轴的周期性转动带动小连杆中心绕偏心轴中心作周期性回转运动，使得小连杆、连杆支撑架及铲柄产生周期性振动。本机设计的偏心距为8 mm，由于偏心轴所受由深松阻力产生的径向载荷和振动载荷较大，所以采用两端轴承座支撑，轴承采用单列深沟球轴承。

2.1.2偏心花键套的设计

振动深松机中间两深松铲直接由变速箱从动轴通过偏心套（图4）带动大连杆，从动轴的转动带动偏心套中心轴的周期性回转运动，偏心套中心轴的转动引起大连杆中心的转动，从而带动大连杆支撑架和中间铲柄的周期性振动，将动力通过连杆支撑架传递到中间两深松铲上。

2.2传动系统设计

2.2.1中间两深松铲

本机是将动力从变速箱传到从动轴，由从动轴带动从动轴上的偏心套（图5中的杆1）转动，偏心套的转动引起大连杆（图5中的杆2）的中心的回转运动，大连杆自身又绕着偏心套转动，从而使得深松铲连接架（图5中的杆3）摆动，从而引起固联在深松铲连接架上中间两深松铲（图5中的杆4）的运动[6，13-14]。

2.2.2两侧深松铲

变速箱从动轴的转动，带动从动轴上内花键链轮的转动，通过双排链联轴器将动力传递到偏心轴上，通过偏心轴（图5中的杆6）的转动，带动偏心轴上小连杆（图5中的杆7）中心的回转运动，同时小连杆又绕偏心轴偏心处的中心回转，从而带动深松铲连接架（图5中的杆8）的运动，然后将动力传递到铲柄上，最终使得两侧的深松铲产生周期性振动。

2.3深松铲

深松铲是深松机的核心部件，深松铲的工作性能直接决定深松效果。本机选用深松铲为尖头凿型铲，因深松作业耕作土层坚硬，深松铲所受土壤摩擦力大，深松铲易因磨损而影响工作效果，为了便于深松铲因磨损失效进行更换，采用螺栓将深松铲固定到铲柄上。影响深松铲工作的主要参数为深松铲的入土角α、深松铲的翼张角及深松铲的幅宽，深松铲的入土角越大、翼张角越大、深松铲的幅宽越大，深松阻力越大，松土效果越好，功耗越大。本机选用深松铲入土角为23°，翼张角为70°，铲翼宽度为70 mm（图6）[2，4]。

[JP+1]铲柄为板式中型深松铲柄，铲柄上端均匀分布有8个间距为40 mm的等距通孔，通過螺栓与连杆支撑架相连接，与限深轮一起配合可调节耕深。为了减小前进阻力，此处将深松铲柄前端设计为楔形，楔形面夹角为45°，增加入土性能。

3试验设计与田间试验

田间试验地位于山东省郓城县工业园区水浒东路南 3 km 处，试验地经玉米秸秆粉碎还田，秸秆覆盖量3.4～41 kg/m2，地表平坦。拖拉机为雷沃950，主要测定振动与非振动牵引下深松沟形的差异并观察拖拉机的滑转现象。拖拉机牵引速度为2.69 km/h，输出转速为750 r/min，耕深为 25～38 cm依次递增，通过控制拖拉机后输出轴是否转动，测取振动深松机较非振动深松机沟形的差异及拖拉机的滑转率（图7）[15-18]。

4结果与分析

振动深松和非振动深松机的沟形的差异很大，随着沟槽深度的减小，沟槽宽度差异逐渐增大，振动深松和非振动深松沟槽的宽度都随着沟槽深度减小逐渐加大，但在同等深度时，非振动深松较振动深松沟槽宽度大，且振动深松表层土壤扰动较非振动深松明显减小，地表相对平整，没有翻土现象，沟底形成鼠道，有利于保存水分，蓄水保墒。

在耕深为38 cm时，振动深松机出现轻微滑转，而非振动深松机则出现明显“趴窝”滑转现象，加大油门时，伴有浓烈的黑烟，拖拉机无法正常工作；提升机具，再次试验时，“趴窝”滑转现象依旧明显（表2）。

5结论

偏心式振动深松机结构简单紧凑，深松效果较传统深松机得到进一步提升。本机通过振动进行深松，与非振动深松机相比，可有效降低牵引阻力，较非振动深松机阻力缩小。振动深松机较非振动深松机土壤扰动小，保水保墑效果更好。

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