劉曉紅，邱立春

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110161；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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振動式深松機運動特性分析及試驗研究

劉曉紅1,2，邱立春1

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽110161；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：為了深入研究深松機具作業(yè)過程中的牽引阻力、能量消耗及作業(yè)性能，首先對影響深松作業(yè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)振動幅值、振動頻率、振動角度和機具前進速度逐一進行分析；然后從運動特性入手，分別對3種不同振動角度下的運動軌跡進行了研究。結(jié)果表明：振動角等于0時，運動軌跡為一段鎖扣波形，總功耗增加，深松效果增加不明顯；當振動角大于0時，運動軌跡為一段沿運動方向傾斜的正弦波形，將其分為向前上方切削運動和后撤運動兩段，前段功率消耗與非振動深松相當，但后撤階段功率消耗增大使得降耗效果不明顯；當振動角度小于0時，運動軌跡為一段沿運動方向相反傾斜的正弦波，將其分為向前下方切削運動和提升運動兩段，同時，在提升階段運動過程中，深松鏟工作于已深松過的土壤中，因而功耗大大減小，可以實現(xiàn)減阻降耗目的。同時，在前進速度為0.2～1.78m/s、振幅為10mm、振動角為10.80～-32.40和0～50Hz振動頻率條件下，對振動式深松機具進行了單因素土槽試驗研究，并分析了各因素與功率損耗之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：深松機；振動式；運動特性

0引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤深松是獲取農(nóng)作物高產(chǎn)必不可少的機械作業(yè)項目。深松作業(yè)能夠打碎堅實的犁底層，增加耕作層深度，促進土壤小生態(tài)環(huán)境的形成，是實施農(nóng)業(yè)保護性耕作的重要技術(shù)措施。土壤對機具的粘附作用使犁耕阻力增加約30%，造成燃料消耗增加，深耕部件磨損嚴重。用以降低土壤對耕作部件表面的粘附作用并克服相互之間的摩擦作用，所耗費的能量大約占整個深松作業(yè)過程消耗能量的三分之一或更多。據(jù)統(tǒng)計，耕作時土壤粘附和摩擦降低10%，我國每年可節(jié)省油耗0.7億L。減少深松機具工作阻力、降低燃料消耗、提高能源利用率一直是國內(nèi)外十分關(guān)注的問題。伴隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口激增，能源供需關(guān)系的日益緊張，農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)全面鋪開，所需能源巨大，探索某種新的技術(shù)手段和研究方法，減少耕作阻力、降低能源消耗及機械化生產(chǎn)作業(yè)成本，耕作部件的減阻降耗的理論和試驗研究工作意義重大。

減少深松機具耕作阻力是降低能耗的主要措施，一般通過改變土壤耕作部件的結(jié)構(gòu)形式和工作參數(shù)，或改變耕作土壤的物理機械性質(zhì)來實現(xiàn)。通常采用的減阻方法有電滲減阻、磁化減阻、振動減阻和仿生減阻等。對上述各種減阻方法綜合分析比較，振動減阻耕作的減阻效果尤為明顯，平均減少拖拉機牽引阻力15%～20%，節(jié)省能耗10%左右。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

T.Niya mapa和V.M.Salokhe等[1-2]的振動深松試驗結(jié)果表明：深松機振動與無振動相比，牽引阻力之比為0.63:0.93，碎土效果明顯改善，但拖拉機能耗增加41%～45%。E.P.Bandalan等[3]試驗研究了振動耕作時深松機振動頻率、振幅和前進速度因素對牽引阻力的影響，結(jié)果表明：當深松機振動幅值為36.5mm、振動頻率為9.48Hz，機具前進速度為2.2km/h時，可降低33%的耕作阻力，但同時功耗增加24%。Szabo B，Barnes F，Sture S等[4]對推土鏟、鏵式犁、鑿式犁等耕作部件進行振動試驗的研究結(jié)果表明：當振動方向與機具前進方向一致時，可以減少犁耕阻力71%～93%；另一方面，在甜菜收獲機中采用振動技術(shù)也獲得了較為明顯的節(jié)能降阻的效果，可平均節(jié)省能量消耗14%～18%[5]。Gholamhossein Shahgoli等[6-7]對振動耕作部件的振動角度和振動頻率等試驗研究表明：深松機振動耕作與一般耕作相比，拖拉機牽引阻力從25.8kN降至9.3kN，增大深松機的振動頻率，拖拉機后懸掛動力輸出的功率也隨之增加；振動頻率從1.9Hz增至8.8Hz時，功率從2.5kW增加到26.3kW。王俊發(fā)、魏天路、劉孝民等[8-9]應(yīng)用二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計的試驗方法對鑿式振動深松鏟進行了試驗，試驗結(jié)果表明：在深松作業(yè)過程中引入振動，大幅降低了牽引阻力，最大可降至不振動牽引阻力的30%；振動深松不能減少總功率消耗，相反功率會略有增加。振動頻率越高，功耗越大，低頻大幅度對于振動深松較合適。

國內(nèi)外研制的振動式深松機具主要產(chǎn)品有羅馬尼亞的MAS-60型振動深松鏟、意大利的MORO型振動深松鏟、法國APRON振動深松鏟、德國生產(chǎn)的TLG-12型振動超深松機及匈牙利生產(chǎn)的FVA-3振動深松土犁等[10-13]。國內(nèi)主要產(chǎn)品有河北華勤機械股份有限公司研制的1SZ型振動深松機、黑龍江龍潤灌排技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司的1SZ-210型多功能振動式深松機、西安大洋農(nóng)林科技有限公司的大洋風(fēng)1S-7型深松機、北京銀華春翔農(nóng)機有限公司的春翔1SQ-250型深松機等。振動式深松機具的工作原理大都是由拖拉機動力輸出軸驅(qū)動偏心振子使深松機工作部件產(chǎn)生周期振動。本文以1SZ型振動深松機為原型，并在機架、鏟柄做了相應(yīng)改動，以完成不同參數(shù)試驗。

2結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)分析

采用的振動式深松鏟主要由支架、機架、激振器、開溝器、深松鏟、杠桿式支架、三點懸掛和動力軸，以及限深輪等組成。其中，激振器是該試驗機具的核心部件，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定著機具工作性能和使用壽命，目前常見的結(jié)構(gòu)形式包括曲軸滑槽、偏心振子及彈簧振動機構(gòu)等[14-17]。所使用機具激振器選用了偏心軸搖桿結(jié)構(gòu)，其能量從拖拉機的后懸掛動力輸出軸通過萬向傳動軸接入，動力軸驅(qū)動偏心軸做圓周運動，與偏心軸掛接的杠桿式支架做相應(yīng)的小角度擺動，固定在杠桿式支架上的深松鏟產(chǎn)生振動，從而實現(xiàn)土壤的深松作業(yè)。振動式深松機結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中的坐標系是以振動深松銷座為坐標原點而建立的直角坐標系。影響振動式深松鏟深松作業(yè)效果和工作阻力的因素包含振動幅值、振動頻率、振動角度和機具的前進速度。

2.1　振動幅值

深松機具的工作架在曲柄連桿機構(gòu)的帶動下繞著振動中心O擺動，擺動角為ε，可以推出

sinε=b/r=z/k

ε′=εsinωt

式中ε—工作架的擺動角度(°)；

b—工作架垂直擺動半徑(m)；

k—工作架前段的擺動半徑(m)；

z—曲軸的偏心尺寸(m)；

r—工作架后段的擺動半徑(m)；

ε′—工作架的t時刻的擺動角度(°)；

ω—為深松機偏心軸的轉(zhuǎn)動角速度(rad/s)。

工作架繞中心點O擺動并帶動與其固定在一起的深松鏟一起振動，深松鏟鏟尖繞著振動中心振動并可以得出

a=Rsinε

a′=R-Rcosε

式中a—深松鏟水平方向的振幅(m)；

a′—深松鏟垂直方向的振幅(m)；

R—振動深松鏟的振動半徑(m)。

1.偏心軸　2.軸承座　3.杠桿式支架

2.2　振動頻率

深松鏟的振動頻率定義為深松鏟每秒鐘振動次數(shù)，其值與拖拉機后懸掛動力輸出轉(zhuǎn)速成正比。本文中所用動力由土槽臺車中變頻電機提供，轉(zhuǎn)速0～3 000r/min可調(diào)。

f=n/60

式中f—深松鏟的振動頻率(Hz)；

n—后懸掛動力輸出轉(zhuǎn)速(r/min)。

2.3　振動角

深松鏟的振動角定義為深松鏟鏟尖位于振動平衡位置時，深松鏟鏟尖與中心點連線與垂直方向的夾角。當深松鏟鏟尖位于振動中心前面時，振動角定義為正；當鏟尖位于振動中心后面時，振動角定義為負，并可以推出

β=tan-1(-x/y)

式中β—深松鏟的振動角度(°)；

x—深松鏟鏟尖到O的水平距離(m)；

y—深松鏟鏟尖到O的垂直距離(m)。

2.4　機具的前進速度

V0定義為振動深松機的前向運行速度，單位為m/s。本試驗過程中，機具前進速度由土槽臺車上的前進變頻電機控制，精度為0.01m/s。

3運動特性分析

振動幅值、振動頻率、振動角度和機具前進速度是影響振動深松機的作業(yè)性能、工作阻力和功率消耗的重要參數(shù)，通過運動軌跡分析，可確定參數(shù)范圍。

3.1　振動角β=0時運動特性分析

此時，深松鏟鏟尖位于振動原點O正下方，即振動角β=0時，深松鏟的振動速度和位移可用余弦和正弦函數(shù)來描述，則

Zx(t)=V0t+Rsinε′

(1)

Zy(t)=-Rcosε′

(2)

深松鏟的x軸方向位移、y方向位移及合成位移曲線如圖2所示。水平方向上的位移曲線以a為振幅，振動頻率為f=ω/(2π)。初始相位為0的正弦波形與斜率為V0的直線波形合成，如圖2(a)所示。垂直方向上的位移曲線是以a′為振幅，振動頻率為f=ω/(2π)的正弦波形在y軸方向向下平移R后的波形，如圖2(b)所示。振動深松鏟的運動軌跡為一段鎖扣波形，鎖扣頻率為基礎(chǔ)頻率的1/2，幅值為a′，如圖2(c)所示。對位移方程求導(dǎo)即可得出速度方程為

Vx(t)=V0+Rωεcosεcosωt

Vy(t)=Rωεsinε′cosωt

圖2　振動式深松機水平速度V0≠0、β=0時位移

3.2　振動角β>0時運動特性分析

深松鏟鏟尖位于銷座(坐標原點)左下方，即振動角β>0時，深松鏟的振動速度和位移可用余弦和正弦函數(shù)來描述。其中，水平方向的振幅[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2，垂直方向的振幅為[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2，sinε=b/r=z/k，ε′=εsinωt。

Zx(t)=V0t+Rsin(β+ε′)

(3)

Zy(t)=-Rcos(β+ε′)

(4)

對位移方程求導(dǎo)，即可得出速度方程為

Vx(t)=V0+Rωεcos(β+ε′)cosωt

Vy(t)=Rωεsin(β+ε′)cosωt

深松鏟的x軸方向位移、y方向位移及合成位移曲線如圖3所示。水平方向上的位移曲線以[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2為振幅、振動頻率為f=ω/(2π)，ω為后懸掛動力軸旋轉(zhuǎn)角頻率。初始相位為零的正弦波形與斜率為V0的直線波形合成，如圖3(a)所示。垂直方向上的位移曲線以[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2為振幅，振動頻率為f=ω/(2π)的正弦波形在y軸方向向下平移R后的波形，如圖3(b)所示。振動深松鏟的運動軌跡為向運動方向傾斜的正弦波形在y軸方向向下平移后得到波形，幅值為[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2，如圖3(c)所示。

圖3　振動式深松機水平速度V0≠0、β>00位移

3.3　振動角β<0時運動特性分析

深松鏟鏟尖位于銷座(坐標原點)右下方，深松鏟的振動速度和位移可用余弦和正弦函數(shù)來描述。其中，水平方向振幅[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2，垂直方向的振幅為[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2，sinε=b/r=z/k，ε′=εsinωt。

Zx(t)=V0t-Rsin(β-ε′)

(5)

Zy(t)=-Rcos(β-ε′)

(6)

深松鏟的x軸方向位移、y方向位移及合成位移曲線如圖4所示。由圖4可見，振動角β<0。水平方向上的位移曲線以[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2為振幅，振動頻率為f=ω/(2π)，ω為后懸掛動力軸旋轉(zhuǎn)角頻率。正弦波形與斜率為V0的直線波形合成，如圖4(a)所示。垂直方向上的位移曲線以[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2為振幅，振動頻率為f=ω/(2π)的正弦波形在y軸方向向下平移R后的波形，如圖4(b)所示。振動深松鏟的運動軌跡為一段向與運動方向相反方向傾斜的正弦波形在y軸方向向下平移后得到，頻率為f=ω/(2π)，幅值為[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2，如圖4(c)所示。對位移方程求導(dǎo)即可得出速度方程為

Vx(t)=V0+Rωεcos(β-ε′)cosωt

Vy(t)=-Rωεsin(β-ε′)cosωt

圖4　振動式深松機水平速度時V0≠0、β>00位移

由上述3種運動形態(tài)可以得出如下結(jié)論：

1)當V0≠0、β=0時，振動式深松鏟的運動軌跡為鎖扣波形。與非振動式深松機運動軌跡-近似直線相對比，前者在已經(jīng)深松過的土壤上額外做了圓周運動，從而消耗了更多的功率，土壤深松效果略有改善；但增加了功率消耗，基本沒有減阻效果。

2)當V0≠0、β>0時，振動式深松鏟的運動軌跡為沿運動方向傾斜的正弦波形，深松過程可分為切削、后撤兩部分。深松鏟向前上方切削未深松土壤所消耗功率略小于非振動深松過程，但在后撤過程中深松鏟依然要在未深松土壤中作業(yè)，消耗更多的功率，土壤深松效果有了很大改善；此時所消耗的功率由拖拉機的牽引力和后懸掛動力軸輸出，從而使用較小拖拉機完成深松作業(yè)變?yōu)榭赡埽寥朗杷尚Ч?，但減阻效果較差。

3)當V0≠0、β<0時，振動式深松鏟的運動軌跡為沿運動方向反方向傾斜的正弦波形，深松過程可分為切削、提升兩部分。深松鏟向前下方切削未深松土壤所消耗功率略小于非振動深松過程，在提升階段深松鏟在已經(jīng)深松的土壤中作業(yè)，消耗功率較小，土壤深松效果明顯；此時所消耗的功率由拖拉機的牽引力和后懸掛動力軸共同輸出，而后懸掛動力輸出效率高，合理配置兩者比例，可以實現(xiàn)減阻降耗的目的。

4試驗研究

試驗是在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院土槽實驗平臺上進行的，如圖5所示。搭建的土槽試驗臺由土槽、軌道、試驗臺車、振動式深松機、無級調(diào)速牽引系統(tǒng)、無級調(diào)速動力驅(qū)動系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、手動控制系統(tǒng)及測控系統(tǒng)等組成，能夠模擬振動式深松機的田間工況和對各個參數(shù)進行采集和分析。試驗機具通過T型螺栓固定在試驗臺車后三點懸架上，土槽試驗臺車上的兩臺變頻電機分別為試驗機具提供前進動力和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，臺車上的控制系統(tǒng)可以精確地控制試驗過程中前進速度、轉(zhuǎn)速、耕作深度等工作參數(shù)。試驗臺車后側(cè)動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳遞至試驗機具凸輪裝置，凸輪的偏心距和鏟的位置確定了深松機的振動幅度，改變與動力輸出軸連接的無級變頻電機的轉(zhuǎn)速就可以改變振動頻率。

1.土槽臺車主控裝置　2.自動控制系統(tǒng)　3.測控系統(tǒng)調(diào)理裝置

試驗臺測試系統(tǒng)包括雙電動機控制系統(tǒng)，由應(yīng)變橋路、NI公司的PXI-6133同步數(shù)據(jù)采集卡組成的測試系統(tǒng)及上位機分析處理系統(tǒng)組成。電動機控制系統(tǒng)通過變頻器實現(xiàn)振動式深松機頻率調(diào)節(jié)，測量控制系統(tǒng)目的是檢測并控制試驗臺車的前進速度、后懸掛輸出轉(zhuǎn)速及機具的耕深等工作參數(shù)，并可測定不同作業(yè)方式下的試驗部件的牽引阻力、牽引功耗及旋轉(zhuǎn)扭矩和旋轉(zhuǎn)功耗。應(yīng)變橋路產(chǎn)生的測試信號經(jīng)信號調(diào)理系統(tǒng)放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理后，再由上位機編制的基于LABVIEW的測試系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和處理[18-21]。

振動式深松機測試試驗土槽長35m，寬2.5m，深1.2m。為提高試驗數(shù)據(jù)的可信度，試驗過程中要求各次試驗土壤的堅實度及含水率基本保持一致，且土壤表面平整。土壤整理工藝分碎土及初平、灑水、土壤分層壓實4部分，由臺車的自動控制系統(tǒng)分時自動完成。整個試驗過程所用土壤類型單一、犁底層固定，因此試驗中耕深固定，設(shè)為30cm。分別對前進速度為0.2～1.78m/s、振幅為10mm、振動角為10.80°～-32.40°條件下，在0～50Hz振動頻率下的一組工作部件進行土槽單因素試驗研究，如圖6～圖8所示。由圖6可見：深松作業(yè)過程中，功率消耗隨著機具的前進速度提升而增加；但并非線性關(guān)系，其旋轉(zhuǎn)功耗指后懸掛扭矩功耗。由圖7可知：切削功耗和總功耗隨著振動頻率的增加而降低，在12Hz附近降至最低而后增加，旋轉(zhuǎn)功耗隨之振動頻率增加而增加。由圖8可以看出：振動角對整個深松作業(yè)過程中能耗影響很大，總功耗在-10°左后達最低，切削功耗隨著振動角度增加而增加，旋轉(zhuǎn)功耗隨振動角度增加先減小后增加。

圖6　振率12Hz、0°時，旋轉(zhuǎn)功耗、切削功耗和總功耗曲線

圖7　速度0.5m/s、0°時，旋轉(zhuǎn)功耗、切削功耗和總功耗曲線

圖8　速度0.5m/s、12Hz時，旋轉(zhuǎn)功耗、切削功耗和總功耗曲線

5結(jié)論

1)通過對國外相關(guān)振動作業(yè)機具的研究，確定了振幅、振動頻率、振動角和前進速度為影響振動深松機具作業(yè)的主要參數(shù)。

2)從機具運動特性入手，對3種不同振動角度的運動軌跡分別進行了研究分析，得出當振動角度為負值時功耗大大減小，能有效實現(xiàn)減阻降耗的目的。

3)對機具的前進速度、振動頻率、振動角度分別進行單因素試驗，分析得出了各因素與功率損耗之間的關(guān)系。

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Movement Characteristics Analysis and ExperimentalStudy of the Oscillating Subsoiler

Liu Xiaohong1,2, Qiu Lichun1

(1．Shenyang Agricultural University, College of Engineering, Shenyang 110161, China; 2. Qingdao Agricultural University, Mechanical and Electrical Engineering College, Qingdao 266109, China)

Abstract：In order to study the traction resistance,the energy consumption and the improvement of operation performance,some parameters were analyzed that affect the operation of deep loosening including vibration amplitude, vibration frequency, vibration angle and speed of the machine in this paper at first. Then, the movement track of three kinds of different vibration angle was studied from the motion characteristic, and the conclusion was obtained. When the vibration angle was equal to zero, the trajectory was a locking waveform, the total power consumption increased, and the effect of deep loosening was not obviously increased. when the vibration angle was greater than zero, the motion trajectory was a tilt sinusoidal waveform along the moving direction. It could be divided into forward and upward movement of cutting and retreat movement. The power consumption in front stage and the non oscillating subsoiler were about the same, but power consumption in retreat stage was increased greatly, the energy saving effect was not obvious. When the vibration angle was less than zero, the motion trajectory was a tilt sinusoidal waveform along the opposite direction of motion. It could be divided into forward and downward movement of cutting and ascension movement.During the process of ascension movement stage, the subsoiler worked in the soil which had been deeply loosened, and then the power consumption was greatly reduced. Under the condition of the forward speed of 0.2～1.78m/s, the vibration amplitude of 10mm, the vibration angle of 10.800～-32.400and the vibration frequency of 0～50Hz, the single factor experiments of the oscillating subsoiler were researched, and the relationship between the factors and the power consumption were analyzed.

Key words：subsoiler; oscillating; motion characteristic

中圖分類號：S233.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0035-06

作者簡介：劉曉紅(1980-)，女，山東青島人，博士研究生，(E-mail)lxh964@126.com。通訊作者：邱立春(1957-)，男，沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)qlccn@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51175354)

收稿日期：2015-11-15