超聲波振動下農(nóng)機觸土部件-土壤相互作用力學(xué)特性

王家勝，王東偉，趙智豪

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，青島 266109）

0 引 言

農(nóng)機觸土部件降阻技術(shù)一直是農(nóng)機領(lǐng)域工作者研究的重點，工作阻力降低不僅節(jié)能降耗，還可降低對大功率配套動力要求，減輕對土壤壓實[1-3]。因土壤本身同時具有粘、彈、塑復(fù)雜力學(xué)特性，觸土部件與其相互作用時將會產(chǎn)生剪切力、壓力、彈性力、摩擦力、粘附力以及動態(tài)阻尼力和慣性力等多種力學(xué)復(fù)合作用，受力關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜[4]。當(dāng)前諸多學(xué)者分別采用先進(jìn)材料、仿生技術(shù)、輔助振動等不同方式來降低觸土部件的工作阻力。其中，振動降阻技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中在頻率小于30 Hz的低頻振動。研究表明，振動觸土部件能夠有效降低工作阻力[5-9]，但缺點是激振力會同時引起關(guān)聯(lián)部件甚至整機的振動沖擊，導(dǎo)致部件壽命急劇下降，另外，振動和噪聲也嚴(yán)重影響了農(nóng)機操作人員的身心健康。用高頻低幅振動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低頻振動是避免以上問題的解決方案。其中，超聲波振動頻率超過20 kHz，目前在金屬材料的車削、磨削和鉆削等加工中研究應(yīng)用較多，特別是在硬脆的合金材料加工中，表現(xiàn)出了切削阻力大幅降低、表面質(zhì)量提高等優(yōu)越特性[10-12]。此外，超聲波高頻振動技術(shù)用于食品[13-16]、蜂窩狀材料[17]、木質(zhì)材料[18-19]等切割研究中均證實了顯著的降阻特性。超聲波振動在土壤切削方面的研究還較少，Koc 等利用萬能試驗機研究了超聲波振動鏟刀切削圓柱土壤試樣，發(fā)現(xiàn)在土壤含水率15%狀態(tài)下切削阻力下降明顯[20]。王東偉等以三角形寬韌鏟為研究對象，基于振動耦合原理設(shè)計了超聲振動土壤切削挖掘裝置，并進(jìn)行了試驗驗證[21]。

已有研究中，超聲波振動金屬材料切削技術(shù)相對較成熟，但關(guān)于超聲波振動土壤切削力學(xué)研究還很不充分，降阻機理、碎土特性等研究還處于空白。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建超聲波振動觸土部件運動模型，解析超聲波振動觸土部件與土壤互作機理，通過試驗的方法深入研究超聲波振動條件下農(nóng)機觸土部件與土壤相互作用過程中的降阻特性與碎土效應(yīng)，分析不同土壤條件因素對降阻特性的影響關(guān)系，擬為高頻低幅振動農(nóng)機觸土部件應(yīng)用方案的實施提供技術(shù)支撐。

1 超聲波振動觸土部件理論分析

1.1 超聲波振動觸土部件結(jié)構(gòu)原理

超聲波振動觸土部件結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1 所示，它是在傳統(tǒng)觸土部件基礎(chǔ)上增加了超聲波振動激勵裝置，整個部件主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及觸土部件組成。超聲波發(fā)生器將普通電源信號轉(zhuǎn)換為頻率超過20 kHz 的高頻率振蕩電信號，高頻電信號首先傳遞到換能器部件，利用逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動波，即超聲波。根據(jù)換能器的結(jié)構(gòu)型式不同，轉(zhuǎn)換超聲波的振動方向可分為縱振、徑振和扭振等類型，其中，產(chǎn)生縱振的壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)相對簡單，在觸土部件中容易布置，而且縱振方向換能器更易實現(xiàn)大功率振源[22]，本文主要討論縱振方向。換能器轉(zhuǎn)換后的超聲波振幅比較小，通常為5～10μm，需要先經(jīng)換能器傳遞給變幅桿，變幅桿利用其截面積變化產(chǎn)生的聚能作用，將微小振幅的超聲振動波進(jìn)一步放大后再傳遞給觸土部件，并激勵觸土部件發(fā)生共振。高頻振動的觸土部件在與土壤接觸作用的過程中，可實現(xiàn)降低工作阻力的作用。

1.2 超聲波振動觸土部件運動模型

根據(jù)圖1 所示，觸土部件在工作狀態(tài)下，與土壤平面保持一定入土角θ，并以水平速度v前進(jìn)。超聲波傳遞到觸土部件會激勵部件沿軸向發(fā)生縱振，其振動位移可表示為

1.3 超聲波振動觸土部件與土壤互作機理分析

觸土部件工作過程中與土壤間的相互力學(xué)作用包括觸土部件對土壤的剪切和擠壓作用力、土壤與部件觸土面間的摩擦力和粘滯力以及觸土部件改變土壤運動狀態(tài)的動態(tài)作用力等。在高頻振動激勵下，觸土部件與土壤間互作效應(yīng)會發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在工作阻力的降低和土壤的沖擊破壞與碎裂效應(yīng)。

由式（3）可知，觸土部件的合速度存在動態(tài)速度項v' =2πfAcosθcos(2πft)，則觸土部件合速度va的取值范圍為（v?2πfA，v+2πfA）。這表明觸土部件與土壤的相對接觸狀態(tài)受到振動參數(shù)的影響而變化。當(dāng)v≤2πfA時，在（v?2πfA，0）區(qū)間，觸土部件與土壤處于分離狀態(tài)，此時兩者間的摩擦力、粘滯力和擠壓力均為0。這是降低觸土部件的綜合工作阻力的因素之一。影響部件與土壤有效分離時間的因素是部件的振幅、頻率和前進(jìn)速度。超聲波振動頻率在20 kHz 以上，為滿足部件土壤分離條件，需要足夠大的振幅，使振動速度大于前進(jìn)速度。換能器轉(zhuǎn)換后超聲波經(jīng)變幅桿放大后，觸土部件振幅能達(dá)到20μm 以上，在入土角為20°時，前進(jìn)速度v≤2.3 m/s范圍內(nèi)，均滿足分離條件。

影響觸土部件與土壤互作效應(yīng)的另一因素是高頻振動沖擊。由式（4）可知，觸土部件在水平方向上的沖擊加速度最大達(dá)到(2 πf)2Acosθ，例如，將f=20 kHz，A=20μm，θ=20°代入可得最大加速度為2.9×105m/s2。由此可見，盡管部件振幅非常小，但因振動頻率高，在觸土面微小范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的沖擊加速度，致使土壤特別是硬質(zhì)土塊受到?jīng)_擊破壞而產(chǎn)生碎裂或疏松，一方面有助于降低觸土部件對土壤的剪切作用力，從而降低工作阻力；另一方面高加速度的沖擊效應(yīng)可增強碎土效果。

2 試驗設(shè)備及方法

2.1 試驗裝置與材料

2.1.1 試驗裝置整體結(jié)構(gòu)與原理

為了開展超聲波高頻振動激勵下觸土部件與土壤相互作用力的影響，設(shè)計構(gòu)建了超聲波振動觸土部件土槽試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由超聲波振動觸土部件、土槽（0.8 m×3.0 m）、伺服驅(qū)動裝置、運動導(dǎo)軌、S 型拉壓力傳感器（量程0～1 000 N，靈敏度(2±0.02) mV/V）、信號采集卡、計算機等部件組成。

超聲波振動觸土部件由伺服驅(qū)動部件帶動沿導(dǎo)軌在土槽內(nèi)做往復(fù)運動，其運動速度可通過電腦伺服驅(qū)動部件實時設(shè)置調(diào)整。觸土部件的驅(qū)動力由力學(xué)傳感器測試經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理后傳給計算機。軟件測控程序由基于LABVIEW 軟件環(huán)境自行開發(fā)，能夠完成試驗數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲，并能對試驗臺伺服驅(qū)動部件進(jìn)行控制，實現(xiàn)觸土部件運動狀態(tài)的實時控制及運動參數(shù)的采集等功能。

2.1.2 超聲波振動觸土部件

超聲波振動觸土部件由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、觸土鏟刀組成。針對試驗工作條件與要求，分別選用技術(shù)比較成熟的他激式振蕩電路超聲波發(fā)生器和夾心壓電式換能器作為超聲波電信號產(chǎn)生和電聲能轉(zhuǎn)換的器件[23]，超聲波頻率設(shè)定為20 kHz。換能器4 片壓電陶瓷選諧振性能優(yōu)越的PZT-8 材料，前、后板材料分別選能有效傳遞振動能量且機械損耗比較小的鋁合金材料LY12 和45 號鋼。為實現(xiàn)換能器與振動頻率的高度耦合，通過頻率方程[21,23-24]計算確定壓電陶瓷直徑為40 mm、每片厚度為5 mm、前后蓋板長度分別為30 和58 mm。

變幅桿按結(jié)構(gòu)可分為錐型、階梯狀型、指數(shù)型等。針對土壤切削的特點，選抗彎強度好、穩(wěn)定性高且易加工的45 號鋼錐形變幅桿。為了獲得較大振幅，基于金屬材料在超聲波激勵下的諧振條件[21,25]，計算獲得變幅桿長度為137 mm，大、小頭直徑分別為40 與20 mm。因本試驗裝置目的是為了測試觸土部件與土壤共性力學(xué)相互作用關(guān)系，其鏟刀選用結(jié)構(gòu)簡單的鑿型鏟。

2.1.3 試驗材料

試驗用土壤從農(nóng)田中采集，土質(zhì)類型為中壤土。將試驗土壤裝入土槽后，利用專制工具進(jìn)行整備，整備流程分為翻松碎土-整平-噴灑水-壓實-晾干等5 道工序。利用SL-TSC 型土壤硬度濕度儀經(jīng)土壤硬度和濕度測試儀（硬度范圍0～500 MPa，濕度范圍0～100%，精度±2%）測定，測定時，在土槽選擇分布均勻的5 個測試點，將測試插桿插入各測試點土下150 mm 處檢驗是否達(dá)到預(yù)期硬度與濕度值，根據(jù)測試結(jié)果，按照以上工序?qū)ν寥烙?、濕度進(jìn)行反復(fù)整備，直到達(dá)到試驗預(yù)期要求。

2.2 試驗方案

為了揭示超聲波高頻振動對觸土部件阻力特性和碎土特性的影響，以觸土部件工作阻力的均值、降阻率、標(biāo)準(zhǔn)差、阻力波動度降低率以及作業(yè)后土壤碎裂顆粒尺寸和土壤粒徑比率作為試驗指標(biāo)，進(jìn)行有、無超聲振動觸土部件土壤切削挖掘?qū)Ρ仍囼?。除了振動外，影響觸土部件工作阻力和碎土效應(yīng)的土壤條件因素還包括土壤的硬度和含水率。適合旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的耕作、播種開溝等土壤作業(yè)的土壤硬度和濕度條件通常分別在1.5～3 MPa和15%～40%范圍內(nèi)，以此為基礎(chǔ)，設(shè)置試驗因素分別取土壤硬度1～4 MPa、土壤含水率15%～45%，取值范圍覆蓋傳統(tǒng)作業(yè)條件，以此考察超聲波針對對更大范圍作業(yè)條件下影響對比。

每組試驗前，首先對土槽內(nèi)土壤進(jìn)行整備，達(dá)到預(yù)設(shè)的土壤硬度和含水率條件后開始試驗。用于農(nóng)業(yè)土壤耕作、播種開溝、根莖類作物挖掘等農(nóng)機觸土部件作業(yè)時，入土角通常為18°～25°、挖掘深度為100～300 mm、前進(jìn)速度為0～1 m/s[26]。因此，試驗過程中，設(shè)置觸土部件入土角為20°、入土深度150 mm、前進(jìn)速度0.5 m/s。在相同土壤條件下，通過開、閉超聲波發(fā)生器可完成有、無超聲波振動的觸土部件工作阻力和碎土對比試驗。工作阻力數(shù)據(jù)由試驗裝置力學(xué)測試系統(tǒng)采集傳入電腦后存儲。相同試驗重復(fù)3 次，取平均值。

對試驗采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算得到每次試驗工作阻力均值計算式為

式中S為工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差，N；U為阻力波動度降低率，%；So為無振動觸土部件工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差，N；Sv為有振動觸土部件工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差，N。

在每組試驗完成后，采集觸土部件切削挖掘的定量土壤，晾干后利用多級土壤篩將土壤顆粒按粒徑尺寸大小不同篩分為1～6 個級別，稱量出每個級別土壤的質(zhì)量，計算各級別的土壤粒徑比率。粒徑比率計算式為

式中P為土壤粒徑比率，%；wj為第j級土壤質(zhì)量，kg；W為采樣土壤總質(zhì)量，kg。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土壤硬度-工作阻力特性

表1 列舉了有、無超聲振動的觸土部件在不同土壤硬度條件下工作阻力和降阻率值。從表1 中數(shù)據(jù)可知，在無論有或無超聲波振動激勵，土壤硬度越大，觸土部件的工作阻力也越大，且土壤硬度超過2.5 MPa 后，工作阻力的增長率變得更高。由降阻率數(shù)值的變化可以看出，超聲波振動激勵下的觸土部件降阻率隨土壤硬度的增大而增大，在土壤硬度為1 MPa，其降阻率為22%，當(dāng)土壤硬度增加到4 MPa 時，降阻率達(dá)到43%。這表明，土壤硬度增加后，因其脆性增加，抵抗動載荷與沖擊能力變差，超聲波振動觸土部件對土壤微觀上產(chǎn)生的極大加速度高頻沖擊加劇了堅硬土壤的碎裂破壞，從而有效降低工作阻力。因此，超聲波振動觸土部件在較硬的土壤作業(yè)中，其降阻效果愈加顯著。

表1 不同土壤硬度下的有無振動工作阻力和降阻率Table 1 Operating resistance with and without vibration and resistance reduction rate under different soil hardness

3.2 土壤含水率-工作阻力特性

觸土部件在有、無超聲波振動下工作阻力隨含水率及對應(yīng)的降阻率如表2 所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在土壤含水率15%～45%區(qū)間，超聲波振動觸土部件工作阻力比無振動狀態(tài)觸土部件工作阻力下降37%～47%，其中土壤含水率為15%時，工作阻力最高，降阻率也最高，隨含水率增加，工作阻力和降阻率均隨之降低，當(dāng)含水率超過30%后，工作阻力與降阻率又略有升高。這表明，土壤含水率在25%～30%間，是有利于觸土部件低阻力作業(yè)的土壤條件，這與適于旱作農(nóng)業(yè)土壤耕作的濕度條件較為一致。而在較干燥的土壤條件下，顆粒間的內(nèi)聚力較大，導(dǎo)致需要觸土部件更大的剪切破壞力才能將其分離，此時在超聲波振動激勵下，干脆的土壤更容易發(fā)生碎裂疏松，剪切力迅速降低，所以降阻率也高。在含水率超過30%后，觸土部件工作阻力又有增加的趨勢，是由于土壤與部件觸土面間的粘滯力隨含水率增加而增大所致，而在高頻振動的作用下，土與部件的接觸時間減少，粘滯力下降，致使降阻率略有回升?？偟膩碚f，在該濕度范圍內(nèi)，超聲波振動對工作阻力的降低均較為顯著。

表2 不同土壤含水率下有無振動工作阻力和降阻率Table 2 Operating resistance with and without vibration and resistance reduction rate under different soil moisture content

3.3 工作阻力波動穩(wěn)定性

由于土壤內(nèi)部堅實度的不均勻性以及土壤碎裂破壞的間隔沖擊，農(nóng)機觸土部件與土壤的相互作用力在時域上是一直處于波動變化的，其瞬時接觸力波動越大，工作狀態(tài)的穩(wěn)定性就越差，越不利于農(nóng)機部件及整機的穩(wěn)定作業(yè)，甚至影響關(guān)聯(lián)部件壽命。圖3 分別顯示了1、2.5和4 MPa 3 種不同土壤硬度下，在有、無超聲波振動作用的觸土部件連續(xù)重復(fù)試驗工作阻力時域變化比較。比較圖中的工作阻力曲線可以看出，在無超聲波振動作用下，土壤硬度越大，工作阻力的波動度越大，而在超聲波振動激勵下工作的觸土部件，其工作阻力的波動穩(wěn)定性能夠得到改善。

反映相互作用力穩(wěn)定性的特征指標(biāo)可用工作阻力的標(biāo)準(zhǔn)差來表征，經(jīng)計算，在不同工作條件下工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差比較如表3 所示。表中數(shù)據(jù)顯示，土壤硬度為1 MPa時，無論有無振動，工作阻力的標(biāo)準(zhǔn)差都不大，工作阻力波動度降低率為16.7%。這是因為在土壤較松軟的狀態(tài)下，土壤碎裂破壞沖擊力較小，部件作業(yè)狀態(tài)比較緩和，振動與非振動觸土部件工作阻力的波動度相差不大。而當(dāng)土壤硬度變大后，無振動觸土部件的瞬時工作阻力變得不穩(wěn)定，其對應(yīng)的工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。此時，超聲波高頻振動觸土部件工作阻力的波動穩(wěn)定性能夠顯著改善，在2.5 和4 MPa 土壤硬度下，相比無振動觸土部件，其對應(yīng)工作阻力波動度降低率分別達(dá)到37.1%和54.3%。這表明，觸土部件工作過程中，對觸土面超高頻率振動沖擊和振動能量的傳遞，使土壤的內(nèi)聚力變小，疏松度變大，從而使得瞬時工作阻力變得更加平穩(wěn)緩和，尤其是在較高土壤硬度條件下，超聲波振動觸土部件的穩(wěn)定作用表現(xiàn)的更加突出。

表3 工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差及波動度降低率Table 3 Standard deviation and volatility reduction rate of operating resistance

3.4 土壤振動碎裂特性

觸土部件工作后的土壤碎裂特性可以用土壤顆粒尺寸來衡量。按照粒徑不同分為6 級土壤破碎顆粒如圖4所示。

對分級后的試驗土壤樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到各級土壤粒徑比率分布。根據(jù)適于傳統(tǒng)旱作農(nóng)田耕作土壤條件范圍，選擇土壤含水率25%、土壤硬度2.5 MPa條件下， 有、無超聲波振動激勵下觸土部件作用后的土壤顆粒尺寸分布進(jìn)行比較（如圖5 所示）?？梢钥闯?，相比無振動觸土部件，超聲波振動觸土部件作用后的土壤顆粒分布更偏向于小尺寸方向，在土壤粒徑≤15 mm范圍內(nèi)，有振動作用的土壤質(zhì)量比例占55%，而無振動作用下土壤的質(zhì)量比例為39%。這也驗證了前述高頻振動的觸土部件對土壤的碎裂效應(yīng)導(dǎo)致其碎土性能更強。

4 結(jié) 論

1）建立了超聲波高頻振動農(nóng)機觸土部件運動模型，基于所建模型，分析了高頻振動觸土部件與土壤間相互作用中的接觸分離條件和沖擊碎裂效應(yīng)，理論上解析了超聲波振動觸土部件碎土與降阻機理。

2）設(shè)計構(gòu)建了超聲波振動觸土部件土槽試驗系統(tǒng)，試驗研究了超聲波高頻振動觸土部件工作阻力特性和碎土特性，結(jié)果表明，超聲波振動激勵下，觸土部件工作阻力比無振動狀態(tài)明顯降低。土壤硬度越大，其降阻率越高，當(dāng)土壤硬度由1 MPa 增加到4 MPa 時，降阻率從22%上升到43%；在土壤含水率15%～30%范圍內(nèi)，含水率越低，降阻率越大，當(dāng)含水率超過30%后，隨含水率的增加，降阻率略有增大。

3）由于超聲波高頻振動激勵下工作的觸土部件對土壤的沖擊碎裂和能量傳遞作用，能夠使其瞬時工作阻力的波動穩(wěn)定性得到改善和獲得更強的碎土作用。在土壤硬度為1 MPa 時，工作阻力的波動穩(wěn)定性改善不顯著，隨土壤硬度的增大，工作阻力波動度降低率明顯增加，當(dāng)土壤硬度為2.5 和4 MPa 時，對應(yīng)工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差降低率達(dá)37.1%和54.3%。