深松铲入土力学分析与振动减阻机理研究

张雷

摘要：对深松铲入土时与土壤的力学作用进行分析，得出土壤的变形阻力是影响牵引阻力的主要因素，从而提出振动减阻机理，即利用振动使土壤从无结构转变为有结构，达到减小耕作阻力、提高作业质量、降低能源消耗、提高生产效率的效果。

关键词：深松铲;力学分析;振动减阻;牵引阻力

中图分类号：S222    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2019）03-0023-04

我国耕地面积十分辽阔，每年在土壤耕作方面消耗能源巨大，而耕作机具的能源消耗主要是用于克服土壤耕作阻力，因此，研究如何减小机具耕作阻力对于提高耕作质量、降低能源消耗、加速实现农业机械化具有十分重要的意义。

1 深松铲入土力学分析

1.1 深松铲类型

深松铲作为深松机重要的工作机构之一，其形状、尺寸、材料影响着深松作业的许多指标如深松的深度、质量及机具的牵引阻力等。所以，深松铲的质量直接决定了深松作业的效果。按照JB/T 9788—2014的规定，深松耕地机械上使用的深松铲可分为箭型深松铲、双翼深松铲、凿型深松铲3种类型，如图1所示。

深松铲柄是深松机重要的受力部件，其质量直接影响深松机具的寿命。深松铲柄按质量划分为中型深松铲柄和轻型深松铲柄。另外，河南农业大学研制出立柱深松铲，其铲柄为一立柱，铲面为一平面梯形，刃口设计为下磨刃口，其优点是制造简单、便于安装，可以降低偏牵引，使受力平衡，深松效果稳定。3种类型的铲柄如图2所示。

1.2 深松鏟入土力学分析

深松过程中土壤的变形特征是由深松铲的切割角β值及土壤的特性所决定的。

由式（19）可知，由于土壤变形阻力RBx在某一区间范围内周期性变化，使得牵引阻力的变化较为复杂。下面探讨牵引阻力组成的前3项土壤作用力Px1与其影响因素间的关系。

深松铲刃口的土壤阻力、垡片的质量及土垡的惯性力与拖拉机前进速度、摩擦角及土垡提升高度间的关系曲线如图5所示。

由图5a可以看出：随着拖拉机前进速度的增加，Px1增大，但增加幅度较小;由图5b可以看出：摩擦角增加时，Px1增大，增加幅度较大;由图5c可以看出：土垡的提升高度增加时，Px1线性递增，增加幅度较大。

2 振动减阻机理

耕作中的振动减阻机理主要包括机具振动的参数和内外部摩擦之间的关系，而摩擦作用主要表现为振动深松过程中土壤内部散颗粒的运动与颗粒孔隙比的变化。颗粒孔隙比变化会直接影响土壤散体强度情况，当颗粒孔隙比变小时，散体变得密实，而原本在大颗粒孔隙中的“无效”颗粒在这种高密度的情况下又由于受力作用变成了“有效”颗粒，土壤颗粒间的作用咬合点个数与咬合深度均增多，使颗粒之间更加紧密接触，颗粒间的距离增加时分子间的吸引力会急剧减小，同时由于咬合程度降低而使分子间的作用力下降。此外，当土壤松散时，散体间的摩擦力会变成滑动摩擦力大于流动摩擦力的结合形式。

在振动的载荷作用下，深松铲将无结构土壤破碎分离成有结构土壤，从而使拖拉机的牵引阻力降低。含水量和颗粒间内摩擦系数密切相关，在振动条件下土中水的存在形式发生变化，颗粒间内摩擦系数随之变化，内摩擦力发生变化使得土的结构发生改变，从而影响土壤与深松铲间的作用力。在振动深松过程中，当土壤含水量较低时，随着含水量的增加形成具有水稳定性土壤，土壤硬度近似线性降低，牵引阻力逐渐减小;而当含水量超过某一极限值时，土壤粘附性增大，深松铲和土壤之间的作用力增加，导致牵引阻力增大，这是由于土壤粒子对钢表面的分子吸引力增加，使粘土之间摩擦系数增大。

3 结论

在深松过程中，深松铲对土壤进行切割、提升与破碎。对深松铲入土与土壤间力学作用进行分析，得出土壤的变形阻力是影响牵引阻力的主要因素，从而提出耕作机具振动减阻机理，即利用振动使土壤从无结构转变为有结构，减小拖拉机牵引阻力，达到比一般深松机耕作阻力更小、耗能更低、作业质量更好、生产效率更高的效果。

参考文献

[1] 闻邦椿，李以农，张义民，等.振动利用工程[M].北京：科学出版社，2005.

[2] 许万同.深松机深松铲的碎土方式及受力分析[J].中国新技术新产品，2010（8）：11-12.

[3] 吴爱祥.振动作用下散体内外摩擦特性的研究[J].中南大学学报，1993，24（4）：459-465.