自激振动深松机的设计与试验

2017-08-12汤明军王维新李霞张思远

江苏农业科学 2017年11期

汤明军　王维新+李霞+张思远

摘要：为减小深松阻力，提高深松质量，设计一种弹簧可更换的自激振动深松机。通过建立自激振动深松单体力学模型，确定自激振动深松装置的弹簧参数，并通过田间试验对自激振动减阻效果进行测试，田间试验结果表明，相对于非振动深松，自激振动深松可降低深松牵引阻力，但弹簧类型对减阻效果有影响。其中，相对于非振动状态，弹簧刚度为185.3 N/mm时，可使牵引阻力下降最大达到58.71%。深松后各耕层土壤容重下降，在15～30 cm耕层，自激振动深松时土壤容重相较于耕前土壤容重下降达18.01%，土壤蓬松度平均值为16.47%，土壤扰动系数平均值为 55.49%，深松效果良好，该研究可为自激振动深松机的设计提供一定的理论基础与依据。

关键词：农业机械；振动；深松；减阻

中图分类号： S222.19文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）11-0150-03[HS）][HT9.SS]

长期采用翻耕或旋耕方式整地，导致耕层变薄、土壤板结，土壤比阻逐年增加[1-3]。研究表明，深松可以打破坚硬的犁底层，加深耕层，改善土壤的结构；可以疏松土壤，增强土壤蓄水保墒和抗旱防涝能力；在疏松土壤的同时提高土壤通透性，便于与外界交换气体，改善作物根系生长环境，增强作物抗倒伏能力[4-7]。振动深松机按照工作原理分为强制振动深松机和自激振动深松机，前者工作原理为将拖拉机动力输出轴动力转化为与机架连接振动部件的上下振动，最终将振动传至工作部件，使该工作部件按一定的频率和振幅振动，土壤在不同频率和振幅振动激励下发生破裂、破碎和崩塌[8]；自激振动深松机利用土壤地表不平和土壤阻力等变化激起弹簧和弹性材料等弹性元件振动，完成振动深松作业[9]。邱立春等对ISQ-127型全方位深松机的自激振动系统进行研究，研究显示，耕作时，由于振动作用使工作部件上产生较有利的切削条件及对土壤破碎有利的受力状态，其中部分阻力由振动部件的振动作用所承担，使牵引阻力减小[9]。强制振动深松机能显著降低土壤牵引阻力，但能耗降低不明显，且振动降低深松机可靠性，易使驾驶员产生不适[10-13]。张军昌等设计了一种入土角可控自激式振动深松整地机并进行田间试验，结果表明，相较于入土角不可控情况，入土角可控自激振动深松使牵引阻力下降8.9%[14]。

为解决深松阻力大、耗能高的问题，基于自激振动深松原理，采用弹簧实现深松铲振动的自激振动深松机，并通过田间试验，对非振动和自激振动下深松机所受的牵引阻力进行比较，选取土壤容重、土壤蓬松度和土壤扰动系数综合评价自激振动深松效果。

1自激式振动深松机工作原理

如图1所示，自激振动深松装置对称分布在机架后梁上。自激振动深松装置由前固定板、振动固定梁、后固定板、深松机构、自激振动机构构成，深松机构由深松铲柄、深松铲翼、深松铲尖构成，前固定板与机架后梁连接，振动固定梁与前固定板固接，后固定板与深松机构的深松铲柄固接，深松铲柄前设有深松铲尖，其两侧设有深松铲翼，前固定板与后固定板之间设有自激振动机构，自激振动机构由预紧端盖、自激振动弹簧、弹簧端盖、弹簧心轴固定销轴、弹簧心轴构成，弹簧端盖通过弹簧销轴与弹簧心轴连接，弹簧心轴外设振动弹簧，预紧端盖通过螺纹与弹簧心轴连接。自激式振动深松机基于振动原理实现深松减阻，整机行进动力来源于拖拉机，由于耕作阻力，深松铲柄绕振动固定梁上的销轴转动，从而使自激振动弹簧压缩，由于土壤地表不平和土壤阻力等变化，自激振动弹簧压缩量发生变化，带动深松铲振动，完成自激振动深松作业。

2自激振动机构设计与弹簧选型

2.1自激振动机构设计

自激振动机构由预紧端盖、自激振动弹簧、弹簧端盖、弹簧心轴固定销轴、弹簧心轴构成，弹簧端盖通过弹簧销轴与弹簧心轴连接，弹簧心轴外设自激振动弹簧，弹簧端盖通过螺纹与弹簧心轴连接。在安装时，通过弹簧端盖与弹簧心轴后端的螺纹连接，将弹簧心轴固定销轴旋转到安装位置，并调整弹簧预紧力；在运动过程中，当深松铲受力使弹簧发生压缩时，弹簧心轴固定销轴在弹簧心轴中往复移动，自激振动机构剖视图如图2所示。

2.2弹簧参数选型

自激振动深松机所受的牵引阻力与弹簧的固有频率、刚度和振动有关。自激振动弹簧作为自激振动深松单体的核心部件，通过耕作阻力可以确定弹簧初始载荷和弹簧最大载荷，并确定自激振动弹簧各参数。通过参考文献以及笔者所在实验室前期无振动深松时的深松试验[15-16]，可以确定耕作过程中，土壤对深松铲柄及铲尖的阻力F范围为3 000～5 000 N，受力的主要部位为铲柄及铲尖。图3为自激振动深松装置的二维图，为简化其受力模型，将受力位置选为深松铲尖。图3中，A点为自激振动装置中弹簧心轴固定销轴的中心，B点为深松铲旋转点中心，C点为深松铲尖，r为A点和B点之间的距离，m；R为B点和C点之间的距离，m。根据杠杆原理，可得深松牵引阻力F1计算公式：

可以得到弹簧的初始载荷和最大工作载荷为12 000～20 000 N，由于弹簧最大工作载荷超出拉伸弹簧承载，依据设计要求，弹簧选择压缩弹簧。在自激振动深松装置中应保证弹簧在受压时不致发生歪斜，因此弹簧支承端面与弹簧的轴线应该垂直，故选用YI型压缩弹簧，即弹簧2个端面圈均与领圈并紧且磨平，并根据GB/T 2089—1994《标准圆柱螺旋压缩弹簧（两端圈并紧磨平或锻平型）的尺寸参数》[17]，得出压缩弹簧参数如表1。[FL）]

3田间试验及结果分析

3.1试验设备与方法

2016年9月8日，在新疆石河子市石河子大学教学试验场二连新疆农垦科学院试验田进行田间试验，试验田前茬作物为打瓜，试验时田間滴灌带已回收，残膜未回收，有打瓜收获后的残留打瓜皮。

在试验田内选择一块地势比较平坦的未耕作土地，选取长60 m、宽50 m的平坦土地作为试验区，并在长度方向两侧各留出10 m长的区域作为拖拉机工作状态调整区，并插上标杆作为标记，来保证拖拉机在规划的区域内行驶[18]，测点按照平行四边形对角线等距取点法选取，以消除取点的随意性[19-20]。

试验时，使用天拖TN854型拖拉机（山东潍柴华丰动力有限公司）作为自激振动深松机的动力源以慢1档作业，在自激振动深松机与拖拉机之间安装田间机械动力学参数遥测仪，遥测仪测力装置主要由带传感器的上拉杆和带传感器的下悬挂销组成，试验时自激振动深松机牵引力为测得的上拉杆传感器与2个悬挂销传感器3处牵引力分力矢量之和。试验测定3种不同弹簧下自激振动深松机所受的牵引阻力，并以无弹簧情况作为对照组，田间试验如图4所示。

3.2自激振动深松机牵引阻力的测定及分析

由表2可知，弹簧Ⅲ的减阻效果比较明显，牵引阻力下降最大，达58.71%，原因是弹簧Ⅲ在振动全程中弹簧均起作用；弹簧Ⅰ和弹簧Ⅱ对牵引阻力的减小程度比较接近，分别为25.87%、23.20%，但弹簧Ⅰ的标准差比弹簧Ⅱ的大，说明弹簧Ⅰ在振动过程中牵引阻力大小变化幅度比较大，原因是弹簧Ⅰ的刚度较大，在深松作业时出现弹簧压缩不明显且耕深不稳定的现象，减阻效果下降，但弹簧Ⅱ刚度较弹簧Ⅰ小，因此弹簧Ⅱ的减阻效果比较均匀。

如图5所示，相对于非振动深松，安装弹簧的自激振动深松作业的减阻效果都比较明显，说明自激振动对于深松减阻是可行的。不同刚度的弹簧情况下，深松减阻效果差异较大，说明弹簧刚度对减阻效果有影响。

[FK（W11][TPTMJ5.tif][FK）]

3.3深松效果参数测定及分析

3.3.1土壤容重的测定及分析

用一定容积的钢制环刀，切割未搅动的自然状态下的土壤，使土壤恰好充满环刀容积，将盛有土样的环刀除去顶盖，然后放入烘箱中，在105 ℃下烘24 h，再在干燥器中冷却至恒质量（精确至0.01 g），称量计算每单位体积的烘干土质量即土壤容重[21]。

土壤容重：

[JZ（]ρb=[SX（]m2-m1V[SX）]；[JZ）][JY]（2）

环刀容积：

[JZ（]V=πr2h。[JZ）][JY]（3）

式中：ρb为土壤容重，g/cm3；m1为环刀的质量，g；m2为环刀+烘干土质量，g；V为环刀容积，cm3；r为环刀底面半径，cm；h为环刀高度，cm。

由表3可知，相较于耕前各耕层，非振动和弹簧Ⅲ均能减小土壤容重，但自激振动情况下的弹簧Ⅲ降低土壤容重效果更明显。其中，在15～30 cm耕层，弹簧Ⅲ土壤容重相较于耕前土壤容重下降18.01%，相较于非振动土壤容重下降 13.73%，而0～15 cm下降百分比分别是9.68%、4.11%，但对于30～45 cm，弹簧Ⅲ处理较非振动处理土壤容重下降百分比不大。原因是深层深松时，耕深最多达到40 cm，由于拖拉机动力及牵引阻力的急剧增加，耕深稳定性下降，弹簧被完全压缩，深松效果下降且与非振动效果相近。

深松整地联合作业机工作性能质量评定标准规定，耕作后土壤蓬松度应该≤40%，土壤蓬松系数应该≥50%[22]。由表4可知，3个行程的土壤蓬松度平均值为16.47%，土壤扰动系数平均值为55.49%，2项指标均满足要求，表明自激振动深松机深松整地作业效果良好。

4结论

设计一种弹簧可更换的自激振动深松机，并对自激振动弹簧进行选型，对深松机牵引阻力测定结果表明，弹簧刚度为185.3 N/mm时，相对于非振动深松，牵引阻力下降58.71%，弹簧參数对深松作业牵引阻力减小程度有一定影响。

田间试验后，通过测定土壤容重、坚实度、土壤蓬松度和土壤扰动系数评定深松效果，结果表明，自激振动深松相较于非振动深松，能使土壤容重下降更加明显，试验中容重下降最明显在15～30 cm耕层，达18.01%，土壤蓬松度平均值为 16.47%，土壤扰动系数平均值为55.49%，满足深松耕作质量要求。

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