标准深松铲设计方法研究

袁洪印 张 颖

（长春光华学院 吉林 长春 130033）

保护性耕作是实现东北黑土区可持续发展的主要措施之一。深松是保护性耕作重要一环。深松机具的重要部件是深松铲。深松铲的性能决定着深松机具的深松质量和效率。研究深松铲的设计方法，就是为了提高深松机具的性能和开发更好的深松铲。

1 标准深松铲

近二十年来，国家对深松机具的指导性文件是《深松铲和深松铲柄》机械行业标准[1]。国家机械工业局2000年1月1日开始实施此标准。标准中规定了凿形、箭形和双翼形三种深松铲尖，以及轻型和中型两种深松铲柄。

在深松作业时，深松铲柄和深松铲尖分工合作完成深松作业，保证深松作业质量，因此，在进行科学研究中，一般不分铲柄和铲尖，统称为深松铲。铲尖的作用是打破犁底层和疏松作物根部土壤，标准中三种铲尖基本满足生产要求，研究者较少。铲柄的作用是减少阻力和减少动土量，标准中铲柄形状和触土表面状态有很大改变的空间来提升铲柄的作用，研究者更多一些。实际农业生产中，还有曲面深松铲和V型深松铲。本文主要研究标准深松铲的设计方法，不涉及曲面和V型深松铲。

2 标准深松铲的设计方法分析

如图1所示，轻型标准深松铲柄可以把铲柄分成三段，1段为固定铲柄段，这段为直线段有加工孔，目的是将铲柄固定在机架上；2段为铲刃段，圆孤形铲柄内孤有60°夹角铲刃，起到滑切和掀起土壤达到省力的作用；3段为固定铲尖段，有23°入土角和固定孔，便于铲尖入土和平稳松土运行。

图1 轻型标准深松铲柄

固定铲柄段根据深松机深松深度调节范围和铲柄受力情况设计其具体尺寸和固定孔。铲刃段深入土壤里，它的形状和表面状态影响深松阻力的大小和深松质量。近二十年的铲柄研究，大多集中于此段。有改变形状的研究，改变表面触土状态的研究，以及综合性研究等。

固定铲刃段，入土角基本是固定值23°，这是根据研究经验数据统计的结果，不会有大改变。加之铲尖形状主要是选三种经验铲尖，所以，此段有其规定性，也不必改变。

综合上述分析可知：标准深松铲设计方法研究主要集中在深松铲刃的结构形状和表面触土状态的研究方面；研究的目标是减小深松阻力和改善深松质量。

3 国内标准深松铲的设计方法研究

3.1 深松铲结构形状设计方法。深松铲结构形状设计方法主要是铲刃段结构形状的减阻和保证深松质量的问题。

3.1.1 仿生结构形状设计方法。张金波[2]研究高效挖掘土壤性能的家鼠爪趾结构形状是指数函数曲线，将此形状曲线用于深松铲柄铲刃段，参见图2。研制出的仿生减阻深松铲与传统深松铲相比较，耕作阻力降低了8.5%～39.5%。

图2 指数曲线型深松铲

3.1.2 滑切结构形状设计方法。周华[3]为获得理想的铲柄滑切角，通过建立运动学和动力学模型，求解产生滑切的临界条件。根据滑切角要大于铲柄和滑切质点间的摩擦角，合理选择滑切角为45°，达到减阻的目的。如图3所示，2段为滑切设计的铲柄形状。

图3 滑切型铲柄

杨超[4]运用滑切减阻理论，得到不同深度范围土壤、玉米秸秆与根茬的滑动摩擦角，从而获得了分段铲柄滑切角，建立分段铲柄曲线方程，设计出铲刃段结构形状。如图4所示，2段为分段滑切设计的铲柄形状。

图4 分段滑切型铲柄

3.1.3 拟合曲线结构形状设计方法。赵淑红[5]运用离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据，获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程，采用线元设计法对线形进行优化，获得铲柄外形曲线，得到了阻力小和扰动小的深松铲柄形状。

3.1.4 圆弧曲线优化结构形状设计方法。陈坤[6]设计了一种新型圆弧型深松铲。从圆弧曲线中得到灵感，圆弧上部滑切和压土性能，下部起土性能。对不同半径的圆弧曲线铲柄，以深松阻力为目标进行优化，并进行了田间试验，获得了松土、减阻效果均好的优化铲柄形状。如图5所示，铲柄结构形状。

图5 圆弧型铲柄

3.2 深松铲表面状态设计方法。深松铲表面状态设计方法的目标同样是改进深松铲表面形状、表面与土壤接触状态以减少深松阻力。

3.2.1 仿生表面状态设计方法。邱兆美[7]分析了蚯蚓的波纹体表和在土壤中很好的穿行能力，优化设计出深松铲波纹形触土表面，改变了土壤和铲柄表面间的滑动摩擦状态，减少了深松阻力，提高了土壤的蓬松度，改善了深松作业质量。如图6所示，铲刃段横向波纹结构。

图6 横向波纹铲柄

3.2.2 气动表面状态设计方法。屈通等[8]设计了深松铲柄气动表面状态，如图7所示。用曲形钢管布置在铲刃段刃口，底部开数个孔，构建气动力学模型，采用离散元法进行仿真试验，优化出减阻的开孔方案。

图7 气动深松铲柄

刘明财等[9]设计了气压喷枪布置在铲尖上的气压式深松铲，如图8所示。推导出牵引阻力计算公式，对深松铲整体结构进行静力学和动力学分析，优化出气动减阻方案。

图8 气压式深松铲

3.3 深松铲综合设计方法。深松铲综合设计方法主要是通过基本理论研究和技术集成来设计深松铲。

3.3.1 通过基本理论设计深松铲。周桂霞等[10]对凿尖加小双翼形深松铲的关键参数翼张角α、刃角δ、翼倾角β进行多因素多水平二次正交旋转回归试验，以牵引阻力为观测指标，得出最优的α、δ、β参数组合，从而设计出省力的优化深松铲。

3.3.2 通过技术集成设计深松铲。杨超[4]设计了交互式分层深松铲，如图9所示。依据土壤、玉米秸秆和根茬的空间分布差异性，通过滑切理论得到不同深度的滑动摩擦角，从而设计前铲铲柄四段曲线。依据前铲仿真过程中土壤颗粒回流规律及土壤和根茬的空间分布差异性，利用线元法和Matlab设计后铲铲柄三段曲线。前后铲组合分层深松。

图9 交互分层深松铲

周华等[3]设计了滑切自激振动减阻深松装置，如图10所示。运用滑切原理，设计深松铲柄结构形状，并组合自激振动装置。自激振动连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻15.45%～20.05%。

图10 滑切自激振动减阻深松装置

4 分析与建议

近年来，深松铲设计方法的研究不断深入和全面，主要集中在深松铲刃段的结构形状设计和表面状态设计，由此产生了综合设计方法。设计方法研究的目标集中在减小深松阻力。由于深松的要求不同，提高深松质量的设计方法研究还不多。有限元法、离散元法、Matlab、滑切理论、流体力学、振动减阻等一系列方法或软件都应用到了研究中，并能综合运用，这也促使设计方法研究向数字化设计方向深入。

随着设计方法研究的深度和广度不断推进，保护性耕作下的深松铲设计方法应该不断规范。适合东北黑土区保护的深松铲设计方法，应该加大力度研究和推广。在保证减阻效果的前提下，达到各种耕作模式要求的深松质量目标，并可实现数字化设计的深松铲设计方法，应该值得广大研究者的重视。