帶翼振動深松鏟運動特性分析及試驗研究

韋鐘繼，鄭丁科，楊丹彤，孫芳媛

(華南農業(yè)大學 南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642)

帶翼振動深松鏟運動特性分析及試驗研究

韋鐘繼，鄭丁科，楊丹彤，孫芳媛

(華南農業(yè)大學 南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642)

為解決目前深松作業(yè)機具在南方大粘性、易板結及壓實特別嚴重的土壤特性下，機具耕作阻力大、深松質量不高的問題，對帶翼振動深松鏟深松機理進行研究。通過對機具深松部件進行運動仿真，對速度、加速度、運動軌跡進行分析表明：鏟翼和鏟尖的切削和抬升土壤過程同步交替進行；鏟尖水平方向速度和加速度幅值很大，主要切削土壤,鏟翼垂直速度和加速度幅值很大，主要抬升土壤；鏟翼對土壤進行二次的破碎疏松，以較小的耕作阻力有效提高了土壤疏松質量。田間試驗結果表明：振動深松后在10～20cm和20～30cm土層的堅實度降低了54.2%和53.7%，不振動深松10～20cm和20～30cm土層的堅實度降低了41.6%和48.8%；特別是在0～10cm土層振動深松使土壤堅實度比深松前降低了70.1%，遠大于不振動深松的42.7%；帶翼深松鏟振動深松相比不振動深松可以減少3.2%～27.2%的牽引力阻力，減阻效果明顯。由此可為帶翼深松鏟結構優(yōu)化和提高深松機具在南方的作業(yè)性能提供理論參考。

深松鏟；鏟翼；振動；減阻

0 引言

長期傳統(tǒng)淺層耕作、單一施用化肥、輪式機具的反復碾壓及南方豐富降雨使土壤自然沉降，水土流失造成耕層淺和土壤板結嚴重。研究表明，深松整地能提高土壤蓄水保墑能力[1]、打破板結土壤、降低土壤硬度[2]，促進了作物根系生產，從而提高產量[3-4]。2016年2月，農業(yè)部辦公廳印發(fā)的《全國農機深松整地作業(yè)實施規(guī)劃(2016-2020)》中提出加強各級財政支持，落實農機深松整地作業(yè)補助，積極研發(fā)生產先進適用、安全可靠的深松整地機械。由于深松阻力大，能耗是作物種植或收獲機具能耗的3～5倍[5-7]，因此深松減阻是推廣深松技術的關鍵問題之一。

國內外專家學者對深松減阻技術進行了大量研究，主要有仿生減阻和振動減阻。仿生減阻主要對仿生鏟、可調翼鏟、符合形態(tài)鏟等松土部件進行研究[8-11]。針對自激振動[12-13]，系統(tǒng)地研究了“拖拉機—深松機—土壤”系統(tǒng)的動態(tài)特性，指出工作部件切土、破碎和提升過程是同時進行的,振動能有效減小耕作阻力。對于強迫振動大量研究[14-16]發(fā)現振動對牽引阻力和功率消耗的影響，土壤剪切力的波動主要是振動過程中垂直方向上的加速度引起的。辛麗麗等[15]根據深松鏟對土壤的切削、提升、再切削，建立考慮分段土壤作用力的振動深松機—土壤系統(tǒng)的力學模型，采用漸近法與數值積分求解分析該模型。

本文針對南方旱地耕作土壤板結、堅實度高及耕作阻力大的問題，采用運動仿真技術，對帶翼深松鏟振動松土和振動減阻機理進行研究，了解其深松過程的運動特性，并進行田間試驗，為進一步優(yōu)化帶翼鏟機械結構、作業(yè)參數及提高整機性能提供理論依據。

1 振動深松機的結構與技術參數

1.1 整機結構及其工作原理

本試驗使用的受迫式振動深松機主要由機架、變速箱、振動偏心軸連桿式機構、偏心振動傳遞桿、帶翼振動深松部件、限深輪及切割圓盤刀等組成，如圖1所示。機架通過三點懸掛裝置與拖拉機掛接，振動深松機的變速箱通過萬向傳動軸與拖拉機的動力輸出軸連接輸入動力。變速箱的輸出端為偏心軸，與振動偏心連桿機構連接，做往復運動，將相應動力傳遞給偏心振動傳遞桿，帶動深松鏟產生振動。該機具主要技術參數：外形尺寸1 500mm×2 520mm×1 400mm；配套動力44.1～58.8kW；偏心距13.5mm；松土深度250～450mm；作業(yè)寬度2 000mm；作業(yè)效率0.4～0.6hm2/h；深松鏟數量4個；振動頻率500～650次/min。

1.2 帶翼深松鏟的結構參數

振動深松鏟主要由鏟柄、鏟翼、鏟尖等組成, 結構如圖2所示。振動深松鏟結構參數主要包括深松鏟總高度h1、鏟翼安裝高度h2、鏟柄長度b1、鏟翼寬度b2、深松鏟長度b3、鏟尖寬度b4、鏟尖長度n、振動深松鏟入土角γ、鏟柄后角λ、鏟翼入土角α及鏟翼刃傾角ψ。入土角指振動深松鏟鏟尖或鏟翼觸土處與土壤水平面的夾角，對耕作阻力和入土性能有很大影響。入土角越小，耕作阻力也就越小，但入土角過小會影響入土性能。碎土角是指鏟翼面與土壤水平面的夾角，其作用是松碎土壤，碎土角越大碎土能力越強，耕作阻力也越大，碎土角過大時會使土層發(fā)生錯亂引起跑墑。鏟翼刃傾角ψ為鏟翼刃與鏟翼前后觸土面的夾角，主要影響鏟翼刃的鋒利和鏟翼強度[16]。深松鏟鏟翼安裝高度h2是指鏟翼到鏟尖的距離，決定了鏟翼在耕作是的入土深度。鏟翼寬度b2是指兩個鏟翼的翼尖水平距離，影響深松鏟的松土范圍。

1.機架 2.變速箱 3.振動偏心軸連桿式機構 4.偏心振動傳遞桿 5.帶翼深松部件 6.限深輪 7.切割圓盤刀圖1 1ZTS-200振動深松機結構簡圖Fig.1 Structure of 1ZTS-200 vibrating subsoiler

2 帶翼振動深松鏟運動特性分析

影響帶翼振動深松機耕作阻力、松土性能及功率消耗的主要參數有機具前進速度、振動頻率、振動角度和振動幅值，可以用數學方法描述他們之間的關系，分析速度和加速度特性，如圖3所示。

2.1 運動特性模型

使用正弦和余弦函數來描述帶翼振動深松鏟的位移、振動速度和振幅之間的關系。振動深松鏟的位移分解為水平方向和豎直方向兩個分量。當前進速度為零、振動角β=0°(即振動深松鏟鏟尖位于原點O正下方)時，則

Sx(t)=Rsinβ′

(1)

Sy(t)=-Rcosβ′

(2)

其中，β′=β+ε′，ε′=εsinωt。

當振動深松機以速度V0作業(yè)前進、振動角β≠0時，方程(1)、(2)變?yōu)?/p>

Sx(t)=V0+Rsinβ′

(3)

Sy(t)=-Rcosβ′

4)

把上述位移方程對時間t求導數，得出速度的方程為

Vx=V0+Rωεcosβ′cosωt

(5)

Vy=Rωεsinβ′cosωt

(6)

把上述速度方程對時間t求導數，得出加速度的方程為

ax=-Rω2ε2sinβ′cos2ωt-Rω2εcosβ′sinωt

(7)

ay=Rω2ε2cosβ′cos2ωt-Rω2εsinβ′sinωt

(8)

其中，Sx(t)和Sy(t)分別為深松鏟的水平位移和豎直位移(m)；Vx和Vy分別為深松鏟的水平速度分量和豎直速度分量(m/s)；ax和ay分別為深松鏟的水平方向加速度和豎直方向加速度(m/s2)；V0為機具在拖拉機牽引下的前進速度(m/s)；ω為偏心軸轉動的角速度(rad/s)；ε為偏心振動傳遞桿的擺動角(°)；ε′為偏心振動傳遞桿的瞬時擺動角(°)；R為擺動半徑(mm)。

1.鏟柄 2.振動深松鏟鏟翼 3．鏟尖圖2 振動深松鏟結構與參數示意圖Fig.2 Vibration subsoiler schematic structure and parameters

1.偏心軸連接套 2.振動發(fā)生偏心軸 3.振動擺柄 4.連桿 5.振動傳遞桿 6.鏟柄 7.鏟翼 8.鏟尖圖3 帶翼振動深松鏟運動分析Fig.3 Winged vibration subsoiler motion analysis

2.2 仿真分析

把鏟尖F點和鏟翼E點的擺動半徑R1和R2、振動角β1和β2帶入上述位移、速度、加速度方程，設定初始值，運用運動仿真軟件進行運算仿真分析，求出運動軌跡、速度和加速度曲線。

設定拖拉機牽引振動深松機以速度V0=0.8m/s沿x軸正向前進，偏心軸的振動旋轉角速度ω=554r/min，得到鏟尖F點和鏟翼E點的絕對運動軌跡如圖4所示。

圖4 絕對運動軌跡Fig.4 Absolute trajectory

圖4中，軌跡為波浪形周期變化，鏟尖和鏟翼的深松過程都可以分為切削土壤和抬升土壤兩個階段：在切削階段，鏟尖和鏟翼沿前進方向的斜下方切削土壤，土壤先被壓緊然后發(fā)生沿剪切面周期性剪切破裂；在抬升階段，土壤被鏟尖和鏟翼沿鏟面向上掀起，深松鏟對土壤的抬升增加了剪切和彎曲破裂，提高對土壤的破碎質量。鏟翼是在被鏟尖振動剪切疏松過的土壤中運動，進行二次破碎疏松，可以較小的耕作阻力提高土壤的破碎疏松質量。在振動作用下，深松鏟的抬升和下降切削運動呈周期性交替進行。

圖5和圖6分別為鏟尖和鏟翼的速度、加速度特性。在鏟向下切削階段，開始時兩個方向的速度都為零，但加速度值都最大，進行加速運動。

圖5 鏟尖速度和加速度特性Fig.5 Shovel tip speed and acceleration characteristics

圖6 鏟翼速度與加速度特性Fig.6 Shovel wing velocity and acceleration characteristics

在切削中段，水平速度分量達到最大時振動方向的速度分量也達到最大值，此時合成切削速度達到最大，加速度變?yōu)榱?。這時，深松鏟切削力最大對土壤的切削作用最強，有利于打破堅硬的板結層。當水平和豎直方向的速度減小到零時，水平方向加速度達到負值最大值，豎直方向也達到最大值，開始進入抬升土壤階段，合成振動方向的速度斜向上。此時，豎直方向上對土壤有最大的抬升力，在切削階段已被剪切破壞的土壤被迅速抬升，增加鏟尖和鏟翼對土壤的彎曲和剪切破壞作用。

對鏟尖和鏟翼的速度和加速度分量幅值進行對比分析表明：鏟翼水平方向速度、加速度幅值比鏟尖分別減小了17.9%和45.2%，但鏟翼豎直方向速度、加速度幅值比鏟尖分別增加了71.9%和80.2%。鏟尖較大的水平速度和加速度有利于深松鏟在堅硬的犁底層中的切土性能，打破犁底層，減小作業(yè)阻力。鏟翼是在已經深松過的表層耕作層土壤中進行二次切削，較大豎直方向的速度和加速度增加了對土壤的彎曲和剪切破壞，有利于破碎土壤提高深松效果，減小耕作阻力。

3 田間試驗研究

3.1 試驗條件和儀器設備

1)試驗條件：2015年9月1號，在廣東世界銀行農業(yè)面源污染治理項目廣東省河源市連平縣保護性耕作試點區(qū)農田中進行，為丘陵地形，田塊地勢平擔坡度小于5°，春種玉米冬種綠葉菜類等作物，地表有雜草和少量收獲后殘留的作物秸稈。土壤類型為磚紅壤壤質黏土，年均降雨量1 880～2 000mm。由于長期旋耕、單一施用化肥、輪式機具的反復碾壓及豐富降雨，使土壤自然沉降水、土流失造成試驗地塊耕層淺土壤板結嚴重。土壤含水率為24.09%，土壤堅實度為4.92×103Pa。

2)試驗儀器設備：試驗使用東方紅-LX1204和常發(fā)CFG804A兩臺4輪驅動的拖拉機，動力輸出軸轉速為540/1 000r/min。TYD-2土壤堅實度儀；XATB數顯調節(jié)恒溫202-A臺式干燥箱；SF-400A型電子稱，量程5kg，精度0.1g；70mm×40mm(R×H)規(guī)格的取土鋁盒20個；AKS-02奧克斯50M卷尺；廣測YZC-528型3噸S型拉壓傳感器；美國國家儀器NATIONAL INSTRUMENTS數據采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包含NI cRIO-9073機箱、NI 9205、NI 9411、NI 9401、NI 9802、NI 9234板卡；兩條5m5t強拖車繩；4個U型鉤等。另外，還有1個秒表(Iphone6s內置計時器)、1臺宏碁4741G筆記本電腦、1臺1ZTS-200振動深松施肥多用機整機。

3.2 試驗方法

廣東省河源市連平縣保護性耕作試點區(qū)農田原先已被劃分為長60～80m、寬20～35m的長方形田塊，直接以每一塊田作為一個試驗小區(qū),試驗小區(qū)中間20m作為測量區(qū)域。試驗分為3個環(huán)節(jié)進行，根據國家標準GB/T 5262-2008 《農業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定》和GB/T 24675.2-2009 《保護性耕作機械 深松機》的試驗方法和檢測指標，深松前測量土壤特性：土壤堅實度和土壤含水率，深松過程中測量耕作阻力、作業(yè)速度及機組滑轉率；深松完成后，測量深松深度、土壤堅實度等參數。試驗時，東方紅-LX1204作為牽引機，常發(fā)CFG804A懸掛振動深松機、拉力傳感器安裝在兩個拖拉機之間，如圖7(a)所示。試驗作業(yè)時，東方紅-LX1204拖拉機掛高速1擋，常發(fā)CFG804A拖拉機掛空擋動力輸出軸轉速為540rad/min使深松機產生振動。另外，設有常發(fā)CFG804A拖拉機動力輸出軸停止使深松機不振動的對照試驗組和深松機不深松的空載試驗組。前面兩試驗組牽引阻力減去空載試驗組的牽引阻力就是深松機的耕作阻力。試驗時拉力傳感器和NI數據采集系統(tǒng)連接，連續(xù)采集數據。振動深松后地表如圖7 (b)所示。

圖7 田間試驗Fig.7 Field experiment

3.3 田間試驗結果分析

3.3.1 土壤堅實度測定結果分析

利用圓錐桿為直徑12mm的堅實度儀測定深松前后土壤堅實度，如表1所示。

表1 土壤堅實度對比

由表1可知：深松可以對土壤進行疏松破碎，有效降低了土壤堅實度，疏松土壤，提高了土壤透氣和保墑蓄水的能力，且振動深松比不振動深松更能疏松土壤、降低堅實度。深松后10～30cm土層的堅實度降低在40%～54%之間，特別是在0～10cm土層振動深松使土壤堅實度比深松前降低了70.1%，遠大于不振動深松的42.7%。這和前面的分析鏟翼是在已經深松過的表層耕作層土壤中進行二次切削能增加對土壤的彎曲和剪切破壞有利于破碎土壤，提高深松效果相符合。

3.3.2 耕作牽引力測定結果分析

振動組的試驗參數：深松深度30cm，前進速度為0.8m/s，振幅為13.5mm，振動角為5°，振動頻率為9.2Hz，拉壓傳感器數據采樣頻率為50Hz。不振動和空載的試驗參數：前進速度0.8m/s，拉壓傳感器數據采樣頻率50Hz。只掛載中間兩把深松鏟在田間試驗，得到振動、不振動和空載的牽引力對比，如圖8所示。

圖8 牽引力對比Fig.8 Compare traction force

從圖8可以看出：牽引力隨時間而變化，曲線為不規(guī)則的波浪形。這主要由于土壤質地不均勻、土壤地表不平及地表雜草和作物殘茬變化引起阻力不斷變化；振動深松的牽引阻力比不振動深松的牽引阻力要小，通過計算得出振動深松相比不振動深松可以減少3.2%～ 27.2%的牽引力。結果表明，振動深松減阻效果還比較明顯。

4 結論

1) 根據帶翼振動深松鏟的運動特性，鏟翼在振動深松過程包括切削土壤和提升土壤兩個階段，這兩個階段交替進行且和鏟尖同步。鏟翼在已經深松過的表層耕作層土壤中進行二次切削，可以較小的耕作阻力增加對土壤的彎曲和剪切破壞，有利于破碎土壤、提高深松效果。

2) 根據田間試驗結果分析得出：振動深松后在10～20cm和20～30cm土層的堅實度降低了54.2%和53.7%，不振動深松10～20cm和20～30cm土層的堅實度降低了41.6%和48.8%。特別是在0～10cm土層，振動深松使土壤堅實度比深松前降低了70.1%，遠大于不振動深松的42.7%。由此說明：振動深松的松土效果好于不振動深松，且鏟翼對于表層土壤的疏松效果特別好，與運動特性分析結果相符合。

3)不振動深松作業(yè)為對照組的試驗結果表明，振動能使帶翼深松鏟牽引阻力降低3.2%～ 27.2%。

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Kinetic Characteristic Analysis and Experimental Study for Subsoiler with Wing

Wei Zhongji, Zheng Dingke, Yang Dantong, Sun Fangyuan

(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Southern soil is viscosity, easily compacted and compaction. In order to solve the problems of deep loosening of machine-cultivated resistance and poor quality of deep loosening. This paper studied mechanism of Winged subsoiler vibrational subsoiling. Through emulated motion of machine deep loose parts and analyzed the velocity, acceleration, trajectory, could learn that cutting and lifting soil processes of Shovel and Shovel wing tip were synchronized alternately. Shovel sharp have large horizontal acceleration amplitude and main cutting soil,Wings shovel have large vertical acceleration amplitude and main lift the soil. Shovel wing secondary crushing loose for soil, farming resistance can be reduced and the loosing soil quality can be improved. Field test results show: After vibrational deep loosening, in 10-20cm and 20-30cm soil strength was reduced by 54.2% and 53.7%. Not vibrational deep loosening, in 10-20 cm and 20-30cm soil strength was reduced by 41.6% and 48.8%. Especially in 0～10cm soil vibration subsoiling soil firmness than before subsoiling decreased 70.1%, is greater than 42.7% of not deep loosening vibration. Winged subsoiler vibration subsoiling compared to no vibration can be reduced by 3.2%-27.2% of the traction force resistance, drag reduction effect is obvious. The study can provide a reference basis for futher optimization of the mechanical structure and to improve the working performance of the deep loosening machine in the south.

subsoiler; shovel wing; vibrations; resistance reduction

2016-09-25

世界銀行全球環(huán)境基金贈款廣東保護性耕作項目(2014-2018)

韋鐘繼(1991-)，男，廣西柳州人，碩士研究生，(E-mail)214886161@qq.com。

鄭丁科(1971-)，男，廣東連平人，副教授，碩士生導師，(E-mail)dkzheng@scau.edu.cn。

S222.19

A

1003-188X(2017)12-0032-06