红壤凿形深松铲的设计与试验

严晓丽，汪 春，李 明，符少华，韦丽娇，张 培，游 潇，董学虎，何冯光1，

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；3.海南省农业机械研究所，海口 570100；4.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，广东 湛江 524091)

0 引言

南方红壤旱作区包括广东、广西、云南等省区的旱作作物种植区域，土壤多为赤红壤和砖红壤，质地黏重。此外，由于农民长期采用人畜力翻耕作业、就地焚烧秸秆、人工施用大量化肥等传统生产方式，导致红壤土地耕作层浅薄、犁底层增厚、保水能力差、暴雨季节径流、表层板结等土壤劣化[1]，严重制约了南方红壤旱作区旱作作物高产生产的发展。合理耕作、提高红壤地力和保护红壤耕地已成为南方旱作作物生产亟待解决的问题。进行以打破犁底层、加深耕作层、减少土壤水分无效蒸发、增加土壤蓄水能力[2-3]为目的机械化深松，是创造南方红壤旱作区土壤合理耕层结构的最直接、简单、有效的耕作方式。当前，已有将国外及北方成熟的深松机具应用于南方红壤土地的探索研究，但出现土壤黏附铲面严重、工作阻力大等问题，因此进行适应红壤土作业深松铲的研究尤为重要。

欧美等国家对深松铲的研究已经相当完善。按结构分有直柄铲、斜柄铲、弧形铲和侧弯铲等；按松土方式分有挤压松土铲及振动松土铲；按性质分有机械铲及仿生铲。RASHID Qaisrani等设计了一种仿生柔性深松铲，通过结构优化减少土壤黏结量15.85%[4]。振动深松铲和仿生铲是我国近几年的研究热点，基于振动和仿生原理设计的深松铲，均能有效减小土壤黏附及牵引阻力，但结构较复杂[5-13]。付俊峰等在振动条件下设计半弯型深松铲，试验结果表明，采用新型深松铲的振动深松机牵引阻力降低7%～17%[14]。现有适用于北方土壤黏性较小(土壤单位黏结力平均值为1.05N/cm2[15])、土质较松软等良好条件的深松铲，并不完全适用于南方红壤旱作区强黏性(土壤单位黏结力平均值为3.51N/cm2[15])的红壤土。此外，相关研究表明，土壤黏附使犁耕阻力增加30%以上，耕整机械能耗增加30%～50%。合理的深松铲结构参数有利于降低深松作业阻力及提高作业质量[16]。因此，需对红壤黏土条件下的深松铲结构进行深入研究。

本文针对红壤耕作力学特征的特殊性，对深松铲在强黏性的红壤土中进行受力分析，设计适用南方红壤旱作区的凿形深松铲并进行优化。同时，结合土槽和田间试验研究，探索深松铲红壤土黏附量及牵引阻力值，确定红壤凿形深松铲的合理结构，为红壤深松铲减黏减阻及优化、南方红壤旱作区耕作机具的设计研究提供依据。

1 红壤凿形深松铲的结构设计

1.1 红壤特征

红壤土层深厚、质地黏重、肥力差、呈酸性至强酸性，其膨胀性、流塑性及持水性能均比其他类型土壤的强，且具有特别高的胶结性能，质地属黏土，红壤特征表现为强黏性、比阻大。此外，南方红壤区属于热带、亚热带季风气候，年降水量大，雨季长，因此红壤土含水率高，易达到黏着极限，出现黏着力，使得土壤黏附耕作机具严重、耕作阻力大、耕作质量差。3种旱地典型土壤的黏粒含量如表1所示。相关研究表明：含黏粒越多的土壤，与金属表面的实际接触面积越大，黏着力越大，因此黏土质的红壤表现出高黏着力。

表1 3种旱地典型土壤的黏粒含量Table 1 Cosmid content of three types typical soil in dry filed

1.2 红壤条件下深松铲受力分析

深松铲在红壤土地作业，应考虑常规两个方面的阻力：①铲柄刃口和铲头铲尖刃部切削土壤时的阻力[17]；②深松铲运动挤压土壤使土壤产生剪切破坏时的阻力[18]。由于红壤土的强黏性和高黏着力，因此还需考虑第三方面的阻力，即因土壤黏附铲面产生的切向黏附阻力。深松铲在工作状态下的受力情况复杂，为便于分析，将深松铲牵引阻力分为铲柄和铲头两部分的受力。

深松铲牵引阻力是指作业时作用在铲上总阻力的纵向水平分力。铲头受力主要由黏附阻力、摩擦阻力、切削阻力和剪切破坏阻力构成，如图1所示。根据受力平衡条件，得出铲头阻力的平衡方程式为

Rx1=CS1cosβ+fN1cosβ+kB1cosα+N1sinβ

式中Rx1—铲头阻力(N)；

C—土壤对铲面的单位黏附力(N/mm2)；

S1—铲头上端面的面积(mm2)；

β—入土角(°)；

f—土壤对深松铲的摩擦因数，取f=0.75；

N1—土壤作用于铲头的正压力(N)；

k—单位宽度土壤的纯切削阻力(N/mm)；

B1—铲尖宽度(mm)；

α—入土隙角(°)。

根据几何关系可得

S1=lB1

式中l—铲尖长度(mm)。

图1 铲头受力分析示意图Fig.1 Sketch of force analysis of shovel head

铲柄在工作状态下的受力分析如图2所示，包括切削阻力、摩擦阻力、黏附阻力和剪切破坏阻力。根据受力平衡条件，可得铲柄阻力的平衡方程式为

式中Rx2—铲柄阻力；

L—铲柄刃口长度(mm)，L=θ+πR，θ为刃口弧形夹角(°)；

R—刃口弧形半径(mm)；

N2—土壤作用于铲柄刃口楔面的正压力(N)；

γ—铲柄刃口夹角(°)；

S2—铲柄刃口面积(mm2)；

N3—土壤作用于铲柄侧面的正压力(N)；

S3—铲柄侧面面积(mm2)。

根据几何关系可得

S3=hB2

式中h—深松深度(mm)；

σ—铲柄厚度(mm)；

B2—铲柄侧面宽度(mm)。

图2 铲柄受力分析示意图Fig.2 Sketch of force analysis of share shaft

1.3 深松铲结构参数确定

为获得较大的松土范围和较高的松土系数，采用相对不易黏土的倾斜铲柄，铲柄倾角为33°[19]。为提高碎土性能和降低工作阻力，采用凿形铲头，红壤凿形深松铲结构如图3所示。

图3 红壤凿形深松铲结构及几何尺寸示意图Fig.3 Sketch of structure and geometry size of chisel-shape deep-shovel

综合以上的理论受力分析可知，凿形深松铲牵引阻力为

Rx=Rx1+Rx2

由于南方红壤土的强粘性，土壤黏着力对凿形深松铲牵引阻力的影响比较大，当土壤理化性状等条件一致时，影响黏附阻力和牵引阻力的结构参数有入土角β、入土隙角α、铲尖长度l、铲尖宽度B1、铲柄刃口长度L、铲柄刃口夹角γ、深松深度h、铲柄厚度σ和为铲柄侧面宽度B2。

一般情况下，土壤的纯切削是很小的，只有当土壤中存在石块或残根或触土部件的刃口变钝时，土壤纯切削阻力才显得重要[20]。因此，忽略总牵引阻力中的切削阻力，即忽略入土隙角、铲尖宽度和铲柄刃口长度这3个结构参数对总牵引阻力的影响。为保证深松铲在耕作时不压实下部和侧面的土壤，入土隙角α=8°；参考设计标准，取铲尖宽度B1=40mm。

相关研究表明：凿形深松铲的铲尖前伸量S与理论深松深度H的比值在S/H=0.64～1.04的范围内时具有较明显的减阻效果，当S/H=0.8时减阻效果为最佳状态[21]。南方红壤旱作区多种植甘蔗、木薯、菠萝、香蕉等深根作物，根系较为发达。其中，种植面积最大的甘蔗，其根部入土深度可达3～4m，这些深根作物大部分的根系均集中在土表的150～400mm范围内。因此，为有利于深根作物在土表150～400mm范围内生长，设计红壤凿形深松铲深松深度h=400mm；为达到最佳减阻效果，则取铲尖前伸量S=320mm。此时，根据设计标准计算得到铲柄刃口长度L=480mm，铲尖长度l=S-B2，即铲尖长度由铲柄侧面宽度决定。

因此，影响黏着力和牵引阻力的主要结构参数为入土角、铲柄刃口夹角、铲柄厚度和铲柄侧面宽度。研究表明：入土角在20°～45°的范围内时，耕作部件的耕作阻力最小。其中，深松深度较大、速度较高时，入土角趋向于较小值；反之，趋向于较大值。红壤黏土条件的最小入土角为40[20]，所以设计入土角β的取值范围为40°～44°。参考设计标准和相关文献，深松铲柄铲柄刃口夹角γ的取值范围为30°～60°。为保证红壤凿形深松铲在耕作阻力比较大的黏性红壤土中正常作业而不易损坏，铲柄厚度σ和铲柄侧面宽度B2分别取值范围25～40mm和80～120mm[11，22]。

2 试验与结果分析

以探索适用南方红壤旱作区的凿形深松铲合理结构为目的，研究最小牵引阻力及最小黏土量条件下的各结构参数的最优组合，确定红壤凿形深松铲的结构设计参数。

2.1 试验材料及方法

2.1.1 材料与设备

深松铲，机架，东方红LX904型拖拉机1台，东方红LX804型拖拉机1台，SC-900型土壤坚实度测定仪、TK3-BASIC型土壤水分测定仪，毛刷，EL520A型电子天平，戴尔Inspiron 14-N4050笔记本电脑1台，锁紧环扣2个，钢丝绳2条，米尺，标记杆36根，自封袋9个。TX2-50K型工作测力仪由推拉力数显器和外置S型传感器组成，配套专用的工作测力仪测试软件1.7，监控和追溯测试曲线数据。

2.1.2 试验地条件

试验在广东省湛江市中国热带农业科学院农业机械研究所的甘蔗基地试验田进行，试验时间选择在未种植甘蔗的春季。试验田长185m，宽120m，土壤为典型的砖红壤，黏粒含量45.3%，连年进行甘蔗种植，地势平坦。采用GB/T5262-2008五点法测量试验区域0～40cm土层的土壤坚实度及土壤含水率，取平均值，如表2所示。

表2 0～40cm土层土壤坚实度及土壤含水率Table 2 Soil density and moisture in 0～40cm soil layer

2.1.3 试验方法

将试验田按试验要求划分小区，每个小区长60m、宽20m，插上标记杆。东方红LX904型拖拉机挂1档在前面行走，东方红LX804型拖拉机挂接深松铲并空档，由东方红LX904型拖拉机拖曳在其后面行走。用锁紧环扣、钢丝绳将S型传感器连接在两台拖拉机中间用于分别测量后台拖拉机不挂接深松铲时和挂接深松铲时的牵引阻力，两者之差即为试验牵引阻力, 如图4所示。

图4 测试深松牵引阻力系统Fig.4 Test system of traction resistance

将工作测力仪和笔记本电脑用USB数据线连接起来，通过测力程序软件测量和记录每次试验机车组在试验小区中间行走平稳的25m内牵引阻力的大小，计算平均值。每次试验行程结束后，用毛刷将黏附在深松铲表面的土壤扫入自封袋，并检测质量。

2.2 试验方案

通过上述分析，确定红壤凿形深松铲入土角β、铲柄刃口夹角γ、铲柄厚度σ和为铲柄侧面宽度B2为试验因素，牵引阻力Rx和黏土量Y为试验指标。试验时深松深度为400mm，试验因素水平设置如表 3 所示。将红壤凿形深松铲的结构参数设计四因素三水平的正交试验，选用 L9( 34) 正交表，共设计9种红壤凿形深松铲，采用45钢制造。试验方案和试验结果如表4所示。

表3 试验因素与水平Table 3 Factors and levels of experiment

表4 试验方案与试验结果Table 4 Schemes and results of experiment

2.3 试验结果分析

以牵引阻力、土壤黏附量为分析指标，对入土角、铲柄刃口夹角、铲柄厚度和铲柄侧面宽度进行极差分析，结果如表5所示。

表5 试验结果极差分析Table 5 Analysis of experiment results

由表5可可知：影响红壤凿形深松铲牵引阻力和土壤黏附量的分别为主次因素ADBC和ADCB，最佳组合方案分别为A1B3C3D2和A1B1C3D2，即入土角β=40°，铲柄刃口夹角γ分别为60°和30°，铲柄厚度σ=40mm，铲柄侧面宽度B2=100mm。

入土角是深松铲的关键结构参数之一，不宜过大也不宜过小。在允许的范围内，入土角越小，深松铲的抬土能力越强。但是，此时以楔形入土的铲头就会趋向与地面平行入土，入土性能就会明显降低；相反，随着入土角增大，入土性能和推土性能均会提高，深松铲的推土作用强于提升作用，抬起的土壤少，易引起牵引阻力增大和作业能耗增加。红壤凿式深松铲的入土角β增大，红壤土黏附铲头端面产生的黏附阻力、摩擦阻力、剪切破坏阻力等均增大，导致红壤土黏附铲头端面严重，深松铲铲头阻力Rx1增大。由表5可知：入土角对红壤凿形深松铲牵引阻力和土壤黏附量最优水平均为A1，即入土角β=40°。可见，400mm属于较深的深松深度，入土角取小值。

铲柄刃口夹角的大小对铲柄摩擦阻力影响不大，但是对铲柄刃口的黏附阻力有较大影响。若铲柄刃口夹角γ较小，刃口的摩擦阻力减小，刃口黏附阻力增加，导致铲柄阻力增大，进而引起深松铲的牵引阻力增大。此外，若刃口夹角过小，刃部较锋利，在作业过程中容易受冲击载荷而损坏。反之，增加铲柄刃口的大小有利于提高深松铲的强度和降低深松牵引阻力。由表5可知：铲柄刃口夹角对红壤凿形深松铲牵引阻力最优水平均为C3，即铲柄刃口夹角γ=60°。

当铲柄厚度σ增加时，铲柄刃口面积增大，但红壤土黏附铲柄刃口产生的黏附阻力同时受铲柄刃口夹角γ影响：当铲柄刃口夹角γ增大时，红壤土黏附铲柄刃口产生的黏附阻力反而减小。由表5可知：铲柄厚度对红壤凿形深松铲牵引阻力和土壤黏附量最优水平均为B3，即铲柄厚度σ=40mm。

铲柄的侧面宽度是深松铲一个重要的结构参数。铲柄侧面宽度B2过大，不仅使得铲柄侧面面积增大，深松铲侧面黏附红壤土增多，在潜土作业过程中整体形状发生变化，导致深松鼠道不规则，土壤扰动大，牵引阻力增大，还造成深松铲的制造材料浪费；南方红壤旱作区不仅存在土壤黏性大、地块不平整、石块多等土壤情况复杂问题，铲柄侧面宽度B2过小易造成深松铲不满足结构强度要求，易损坏。由表5可知：铲柄侧面宽度对红壤凿形深松铲牵引阻力和土壤黏附量最优水平均为D2，即铲柄侧面宽度B2=100mm。

综上所述，两岸的流行音乐个人演唱会均起步于20世纪80年代，至21世纪呈现蓬勃发展的状态。1980年至2015年间，台湾流行音乐一直盛行不衰，大陆流行音乐发展迅速，在两岸流行乐坛占据了重要地位。两岸流行音乐受众的审美愈加多元化，“喜新”的同时又“怀旧”。各自对于“怀旧”呈现了不同的偏好：大陆受众更为偏爱摇滚风格，而台湾受众则对闽南语歌曲格外钟情。

因此，根据试验及结果的分析，红壤凿形深松铲的最佳结构参数组合为：入土角β=40°，铲柄刃口夹角γ=60°，铲柄厚度σ=40mm，铲柄侧面宽度B2=100mm。设计最佳结构参数组合的红壤凿形深松铲，并进行试验，结果表明：最佳结构参数组合红壤凿形深松铲的牵引阻力为10.16kN，黏土量为0.28kg。

3 优化设计

形状影响着触土部件对土壤的作用方式和作用效果[23]。凿形深松铲的工作性能除了受其结构参数影响之外，还受铲头形状影响[24]。为使红壤凿形深松铲具有更好的入土性能、较小的牵引阻力及铲面黏附土壤少，基于上述最佳组合条件对铲头形状进行优化改进，设计了掘齿型铲头和半轴型铲头，如图5所示。以入土性能、黏土量和牵引阻力为试验指标，与标准JB/T9788-1999规定的标准型铲头进行田间对比试验研究，研究设计的红壤凿形深松铲在田间的工作性能。

图5 设计的两种不同形状铲头Fig.5 Two types of shovel head

3.1 试验材料及方法

3.1.1 材料与设备

HT农机作业智能探测系统的终端数据采集设备1套，由深度测量传感器组、作业信息显示设备、作业信息传输和存储设备等组成，哈尔滨工业大学提供。

3.1.2 试验方法

将试验田划分6个小区，每个小区长60m、宽20m，插上标记杆。机车组在每个小区往返行走1遍，每种深松铲在2个小区内试验，即试验4次。在深松试验系统中安装HT农机作业智能探测系统的终端数据采集设备，如图6所示。从深松铲在每个小区开始入土到系统设备显示深松深度40cm时测量深松铲的入土行程。

图6 测试深松深度系统Fig.6 Test system of subsoiling depth

3.2 试验结果分析

3.2.1 铲头形状对入土行程的影响分析

由表6可知：当深松深度为40cm时，半轴型铲头深松铲的入土行程最小，掘齿型铲头深松铲的入土行程比标准型铲头深松铲稍大。从形状分析，标准型铲头和掘齿型铲头则是以板体入土，对土壤是切的作用方式；而半轴型铲头的铲尖刃口部分和后面圆柱结构行成一个类似圆锥体的形状，以锥体入土，对土壤是插的作用方式。显然，插比切更易入土。因此，半轴型铲头深松铲的入土性能最好。

表6 3种不同铲头形状深松铲的入土行程Table 6 Diving-stroke of three types subsoiler

3.2.2 铲头形状对黏土量的影响分析

在作业过程中，潜土部件的形状对土壤黏附量有较大影响，因此对试验后黏附深松铲的土壤进行采样，检测其质量，结果如表7所示。

表7 3种不同铲头形状深松铲的黏土量Table 7 Soil adhesion amount of three types subsoiler

由表7可知：田间试验深松铲黏土量整体平均值达1 000g，黏附较严重。其中，标准型铲头和掘齿型铲头红土壤黏附量较半轴型铲红土壤黏附量多25%。试验中发现：红壤土的黏附主要部位为铲头、铲柄刃口及铲柄侧面，黏附最多的则是铲头与铲柄的连接处。半轴型铲头的圆柱体形状使红壤土与铲头的接触面形成不连续的弧形面，减小了黏附；而标准型铲头和掘齿型铲头与红壤土的接触面为连续的平面，黏着力较大，因此黏附的红壤土较多。

3.2.3 铲头形状对牵引阻力的影响分析

由于土壤地表不平而引起深松深度变化、土壤存在杂物、土壤理化性质不均匀、牵引力系统振动等原因，随时间变化的试验牵引阻力成呈跃动式曲线[4]。从工作测力仪测试软件中导出各组数据及曲线，整理后得牵引阻力曲线如图7所示。

由图7可知：在试验数据的截取段中，标准型铲头深松铲牵引阻力的跃动区间为11～16kN，平均值为13.49kN；掘齿型铲头深松铲牵引阻力的跃动区间为13～17kN，平均值为14.90kN；半轴型铲头深松铲牵引阻力的跃动区间为9～12kN，平均值为10.91kN。通过计算，掘齿型铲头深松铲的牵引阻力比标准型铲头深松铲的牵引阻力增加6.24%～15.15%，半轴型铲头深松铲的牵引阻力比标准型铲头深松铲的牵引阻力减小18.21%～18.64%。半轴形状使刃口触土面积减小，所以减小了牵引阻力。

图7 3种不同铲头形状深松铲的牵引阻力Fig.7 Traction resistance of of three types subsoiler

因此，根据试验结果，最佳结构参数组合条件下，半轴型铲头的红壤凿形深松铲具有最佳的入土性能，红壤土黏附量为0.54kg，较标准型减少25%，牵引阻力为10.91kN，较标准型降低18.21%～18.64%，铲头的设计为半轴型。

4 结论

1)基于南方红壤旱作区红壤土强黏性的物理特征，通过分析深松铲的切削、黏附等的阻力情况，确定了红壤凿形深松铲的入土角β的取值范围为40°～44°、铲柄刃口夹角γ的取值范围为30°～60°、铲柄厚度σ的取值范围为25～40mm、铲柄侧面宽度B2为80～120mm。在此基础上，进行了红壤凿形深松铲的正交试验得出红壤凿形深松铲的最佳结构参数组合为：入土角β=40°，铲柄刃口夹角γ=60°，铲柄厚度σ=40mm，铲柄侧面宽度B2=100mm。在最佳结构参数组合试验下，得出红壤凿形深松铲的牵引阻力和黏土量分别为10.16kN、0.28kg。土壤黏附不仅与深松铲结构有关系，还与材料有关，研究为进一步深入探索材料对黏附情况的影响提供依据。

2)在红壤凿形深松铲最佳结构参数组合条件下，设计了半轴型和掘齿型铲头，与标准型铲头进行了田间对比试验研究。试验结果表明：3种不同铲头形状的红壤凿形深松铲在田间试验中，红壤土黏附量较大，平均均超过0.5kg，半轴型比另外两种黏附减少25%；半轴型铲头深松铲的入土性能最佳，平均入土行程为1.25m；标准型、掘齿型、半轴型铲头的红壤凿形深松铲牵引阻力的跃动区间分别为11～16kN、13～17kN、9～12kN；与标准型相比，半轴型的牵引阻力减小18.21%～18.64%，掘齿型的黏土量减少4.2%，牵引阻力的增加6.24%～15.15%，铲头形状确定为半轴型。现有深松机械难于满足特定土壤类型的深松作业要求，因此该研究可为进一步探索红壤土黏附深松铲的规律、南方红壤旱作区耕作机具的设计及优化等提供参考依据。