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        作業(yè)速度比對草地振動松土機作業(yè)性能的影響

        2014-12-23 07:14:32董向前宋建農王繼承康小軍
        江蘇大學學報(自然科學版) 2014年3期
        關鍵詞:牽引力松土機具

        董向前,宋建農,王繼承,康小軍

        (中國農業(yè)大學農業(yè)部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術重點實驗室,北京100083)

        針對我國草場土壤堅實度大的特點[1-3],研究開發(fā)了草地振動式間隔松土機,實現對高堅實度草原土壤的疏松作業(yè),達到草原改良和草場生態(tài)恢復的目的[4-5].為了進一步提升機具的作業(yè)性能,減小作業(yè)過程中的耕作阻力,需要對機具的振動松土工作單體進行研究,對影響機具作業(yè)性能的因素進行分析.

        目前國內外對振動松土機的作業(yè)性能已經開展了大量的研究工作[6-8],前進速度、振動頻率、振幅和振動角是影響機具作業(yè)性能的因素,這4個因素對作業(yè)性能的影響可以通過速度比λ聯系起來,其中λ是松土鏟的最大振動水平分速度與機具前進速度之比:

        式中:Vx(max)為松土鏟的最大振動水平分速度,m·s-1;V0為機具的前進速度,m·s-1;a為振幅,m;ω 為曲軸的角速度,rad·s-1,ω =2πf;β 為機具的振動角,(°);f為振動頻率,Hz.

        通過對振動松土工作單體的速度特性、軌跡特性進行分析,探討不同速度比條件下的機具作業(yè)過程,結合土槽試驗確定振動松土作業(yè)的最佳作業(yè)速度比.

        1 工作特性分析

        圖1為草地振動松土機振動松土工作單體的結構間圖,工作架前端通過銷軸與機架相連,后端連接偏心軸連桿式振動裝置,在該裝置的作用下,工作架繞銷座做上下擺動,使固定在其上的松土鏟產生振動作用,完成對耕層土壤的振動松土作業(yè).圖中V0為機具的前進速度,b為曲軸的偏心尺寸,ω為曲軸轉動的角速度,r為鏟架的擺動半徑,ε為擺動角,R為松土鏟的振動半徑,β為振動角,以松土鏟鏟尖為中心建立直角坐標系.

        圖1 工作參數定義圖

        1.1 速度特性

        當機具對沿著水平方向(β=0°)振動作業(yè)時可以用正弦函數來描述機具的振動速度、水平位移、振幅和角速度之間的關系[7-8]:

        當振動角β≠0°時,方程(1)和(2)仍然適用,只不過此時的位移要分解為水平方向和豎直方向2個分量,速度也隨著分解為水平速度和豎直速度2個分量,分別為

        當機具以速度V0前進時,方程(3)和(4)變成:

        把上述方程對時間取導數,得出速度方程:

        松土鏟的振動水平速度和合水平速度變化曲線見圖 2(β =28°,a=12.67 mm,f=7.8 Hz).

        圖2 松土鏟的速度變化曲線

        從圖2可以看出,松土鏟的水平速度在2種不同前進速度下均出現周期變化.在前進速度V0=0時,在1個振動周期內,其振動水平速度呈現出正弦曲線的變化趨勢,其峰值的絕對值在正負方向上相等,說明在該狀態(tài)下,松土鏟沿著振動方向,在平衡位置附近做往復的切削運動.當前進速度V0=0.28 m·s-1時,在1個振動周期內,其合速度的變化曲線與V0=0時具有一致性,所不同的是此時速度曲線整體上升平移了0.28 m·s-1.在這個條件下,可以將一個振動周期分為3個階段,圖中ab為切削階段,bc為后退階段,cd為追趕階段.

        在1個振動周期內松土鏟各個階段持續(xù)時間隨著速度比λ的變化關系見圖3.從圖3可以看出,隨著λ的增大在1個振動周期內切削階段和追趕階段持續(xù)的時間逐漸減小,后退階段持續(xù)的時間逐漸增大;切削階段在1個振動周期所占的比例為25% ~75%,后退階段在1個振動周期所占的比例為0~50%,追趕階段在1個振動周期所占的比例為0~25%;隨著速度比的進一步增大,追趕階段持續(xù)時間趨向于0,在1個振動周期作業(yè)過程分為切削和追趕2個階段.

        圖3 不同作業(yè)階段持續(xù)時間隨速度比的變化

        1.2 軌跡特性

        當振動方向為水平方向(β=0°),振動速度變化成正弦曲線時,工作鏟的振動軌跡變?yōu)橛烧駝舆\動和前進運動相加合成的是一個斜置的正弦曲線[9-10],見圖 4.

        振動長度為l,即振動周期長度可由機具的前進速度V0和振動頻率f求出:

        在提升階段部件垂直運動的振動高度為h,可由振動角β及振幅a得

        通過振動長度l和振動高度h之比Z來判斷和描繪振動軌跡的特點,則

        為了準確地判定振動軌跡,除了振動長度l及振動高度h,還有在p0和p4點切削運動的切削角及在p2點提升運動的提升角,切削運動的切削角α為

        在p2點提升運動的提升角γ為

        圖4 振動軌跡的定義

        不同參數下(前進速度V0、振動頻率f、振幅a和振動角β)松土鏟振動軌跡的描述如圖5所示.

        圖5 不同參數下振動軌跡圖

        任意改變4個參數之一對振動軌跡的影響都反應在速度比λ上,速度比λ不同,松土鏟的振動軌跡是不同的.當λ <1.00時,松土鏟是持續(xù)向前運動,此時松土鏟是持續(xù)的切削作業(yè);當λ=1.00時,在1個振動周期內會出現暫時的相對靜止狀態(tài);當λ>1.00時,其運動軌跡逐漸出現重疊,λ越大,重疊的軌跡越多,此時的作業(yè)過程分為切削、后退和追趕3個連續(xù)的作業(yè)階段,不同作業(yè)階段持續(xù)的時間如圖3所示.

        隨參數改變,特征點角度的變化如下:切削角α范圍為0<α<π/2,提升角γ范圍是0<λ<1.00,π/2<γ <π;λ =1.00,γ=π/2;λ >1.00,0<γ <π.

        2 土槽試驗

        為了進一步研究速度比對機具作業(yè)性能的影響,需要在土槽試驗臺開展不同速度比下的室內試驗,試驗的機具選擇振動松土單體,試驗指標為牽引力特性和功率特性.各個試驗參數的水平域范圍分別為前進速度V0(0.5~3.0 km·h-1)、振動頻率f(1.1 ~10.0 Hz)、振幅a(12 ~16 mm)、振動角β(28°~48°),試驗中保持耕深H=200 mm不變.

        3 結果分析

        盡管一定的λ值是由完全不同工作參數(前進速度V0、振動頻率f、振幅a和振動角β)組合得到的,但是一組振動松土鏟在振動和非振動條件下的牽引力比值卻呈現出一定的規(guī)律性,見圖6.

        從圖6中可以看出,隨著速度比λ的增大,牽引力比值是逐漸減小的.當λ很小時(小于0.50),牽引力比值變化很小,其變化范圍在5% ~10%;當0.50<λ <1.00時,牽引力比值變化范圍為10% ~25%,說明在此范圍內改變振動參數對牽引力特性的影響應很顯著;當λ=1.50時,牽引力可以減小達到40%左右,當λ=3.00時,牽引力最大可以到60%.

        圖7為總功率特性隨速度比的變化圖,隨著速度比的增大,振動部件作業(yè)所消耗的總功率是逐漸增大的;當λ很小時(小于1.00),總功率變化曲線很平緩,總功耗的最大增量在20%左右;當λ>1.50時,總功耗變化很顯著,總功耗的增量大于30%.

        圖7 功率隨速度比變化曲線

        對不同速度比下振動松土單體作業(yè)過程分析可知,當速度比λ>1.00時,松土鏟的作業(yè)過程分為3個階段,即是切削、后退和追趕3個過程,在切削階段,松土鏟持續(xù)切削緊實的土壤,在后退階段松土鏟對已作業(yè)的土壤產生作用,這個階段的土壤是已疏松的土壤,作業(yè)的阻力小,隨著速度比λ的增大,后退作業(yè)階段的持續(xù)時間越來越長,振動減阻的作用就越好,而且由于振動軌跡出現重疊,松土鏟碎土的效果也越好.當λ<1.00時,松土鏟對土壤是持續(xù)的切削作業(yè)過程,作業(yè)阻力相對于3個階段的作業(yè)條件要大;當λ<0.50時,振動減阻的作用很小,松土鏟對土壤的作業(yè)近乎剛性切削作業(yè)(非振動),而且松土碎土能力較差,作業(yè)效果不佳,見圖8.

        圖8 不同速度比下的松土效果對比圖

        綜合考慮牽引力特性、總功率特性及松土作業(yè)效果,速度比λ在1.00~1.50范圍內時,各個作業(yè)階段的時間變化最為明顯,認定這個速度比區(qū)間是適宜作業(yè)的最佳條件.

        4 結論

        1)通過振動松土工作單體的速度特性分析,提出影響機具作業(yè)性能最重要的因素是速度比λ,當λ<1.00時,松土鏟是持續(xù)切削的作業(yè)過程,當λ>1.00時,松土鏟的作業(yè)過程分為切削、后退和追趕3個連續(xù)的階段.

        2)振動松土作業(yè)最佳的速度比為1.00~1.50.在這個條件下,可以減少20% ~40%的牽引阻力而且振動碎土能力強,松土作業(yè)效果好.

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