劉宏俊 趙淑紅 譚賀文 楊悅乾 張先民

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

鎮(zhèn)壓裝置是播種機(jī)的關(guān)鍵配套裝置[1-5]，其作業(yè)性能影響種子的生長環(huán)境[6-10]。傳統(tǒng)的鎮(zhèn)壓裝置采用剛性鎮(zhèn)壓輪，實際鎮(zhèn)壓作業(yè)時，剛性鎮(zhèn)壓輪表面光滑易粘附土壤，影響鎮(zhèn)壓后土壤表面平整度和牽引阻力，導(dǎo)致鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量大幅度下降[11-12]。故有必要針對鎮(zhèn)壓作業(yè)時存在的問題，設(shè)計出一種減粘降阻效果較好的鎮(zhèn)壓裝置，對提高播種配套裝置技術(shù)水平具有重要意義。

目前機(jī)械式減粘降阻方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中應(yīng)用廣泛[13-14]。蔣建東等[15]提出了一種對旋耕機(jī)具施加振動載荷進(jìn)行壓實土壤切削減阻的方法；邱立春等[16]研究在土壤深松過程中深松機(jī)產(chǎn)生自激振動的原因及振動減阻機(jī)理；李霞等[17]采用振動減阻原理研制了受迫振動深松機(jī)，解決深松作業(yè)機(jī)具耕作阻力大、深松深度不穩(wěn)定、耕作質(zhì)量不高的問題。研究人員往往僅僅采用一種機(jī)械式減粘降阻方法(振動法)提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)性能。而賈洪雷等[18]將仿生學(xué)與振動、彈性等方法結(jié)合，設(shè)計出仿形彈性鎮(zhèn)壓輥減粘防滑結(jié)構(gòu)，解決仿形彈性鎮(zhèn)壓輥粘附土壤和滑移率較大的問題。由上述可知，將多種機(jī)械式減粘降阻法應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中，可提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)性能。

為解決土壤粘附和牽引阻力大等問題，本文應(yīng)用機(jī)械式減粘降阻方法，即刮削法和振動法[19-20]，設(shè)計一種機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置，使其具有一定的減粘降阻效果，提高鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置主要由機(jī)架、橫向仿形板連接板、橫向支架、彈簧、調(diào)節(jié)絲杠、縱向支架、鎮(zhèn)壓輪、刮削板等組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of press device in mechanical type reducing adhesion and resistance1.機(jī)架 2.橫向仿形板連接板 3.橫向支架 4.彈簧 5.調(diào)節(jié)絲杠 6.縱向支架 7.鎮(zhèn)壓輪 8.刮削板

實際作業(yè)前，需根據(jù)土壤狀態(tài)和作物壓實要求，改變彈簧的變形量和刮削板的刮削角，保證鎮(zhèn)壓裝置鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量。作業(yè)時，在有預(yù)緊力的彈簧作用下，鎮(zhèn)壓輪接地強(qiáng)度能滿足作物生長環(huán)境要求，同時鎮(zhèn)壓輪與土壤始終緊密接觸，縱向支架與橫向支架相鉸接，且橫向支架無縱向自由度，保證鎮(zhèn)壓裝置隨地形運動，即縱向仿形。鎮(zhèn)壓輪中心水平基線處的刮削板也能清除一部分粘附土壤。通過上述一系列動作，保證鎮(zhèn)壓裝置有減粘降阻的能力，提高鎮(zhèn)壓裝置的作業(yè)性能。

2 作業(yè)過程與脫土機(jī)理分析

首先定量分析鎮(zhèn)壓裝置的運動過程，并在此基礎(chǔ)上對鎮(zhèn)壓輪表面脫土和刮削脫土進(jìn)行機(jī)理分析，確定鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)減粘降阻能力，為機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

2.1 鎮(zhèn)壓裝置運動過程分析

借鑒振動法[13-14]在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，本文在鎮(zhèn)壓裝置中加入彈簧元件，使鎮(zhèn)壓裝置與土壤構(gòu)成動態(tài)振動系統(tǒng)。

圖2 運動示意圖Fig.2 Diagram of motion

作為周期激勵力的土壤阻力可近似看作諧和力[21]R0+Rsin(ω1t)，其中R0為波動時間平均值，R為最大波動幅值，ω1為激勵頻率，t為作業(yè)時間。圖2中，土壤阻力和OA線垂直；θ1為線AO與線AB的夾角；θ2為彈簧與縱向支架的夾角；P0為彈簧預(yù)緊力；k為彈簧剛度。由動量矩定理得系統(tǒng)振動微分方程

(1)

式中J0——系統(tǒng)相對鉸接點A的轉(zhuǎn)動慣量θ——鎮(zhèn)壓輪的角擺動位移

系統(tǒng)平衡狀態(tài)時系統(tǒng)振動微分方程

P0sinθ2lAB=R0lOA

(2)

由文獻(xiàn)[22-23]可知，系統(tǒng)固有振動對系統(tǒng)影響不大，且系統(tǒng)頻率與激勵頻率相同，系統(tǒng)振動微分方程解可近似為

θ=Xsin(ω1t)

(3)

式中X——振幅

聯(lián)立式(1)～(3)得

(4)

由式(4)可知，鎮(zhèn)壓作業(yè)時，鎮(zhèn)壓輪處于振動狀態(tài)，這樣可使觸土面處土壤的水分和空氣易于逸出，從而改善鎮(zhèn)壓輪表面潤滑，實現(xiàn)減粘降阻的效果[19]。同時還能減輕土壤對鎮(zhèn)壓輪表面粘附，即振幅越大，脫土性能越好[23]。當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和土壤特性一定時，可減小彈簧剛度，增大振幅，從而提高裝置脫土性能，但彈簧剛度過小，則影響裝置工作穩(wěn)定性。由上述可知，鎮(zhèn)壓裝置具有減粘降阻效果，彈簧剛度影響鎮(zhèn)壓裝置的減粘降阻性能，同時需要通過試驗測試進(jìn)一步確定彈簧剛度對鎮(zhèn)壓輥脫土性能的影響及最優(yōu)彈簧剛度。

2.2 鎮(zhèn)壓輪表面脫土機(jī)理分析

粘附土壤隨無振動的鎮(zhèn)壓輪運動的過程中會發(fā)生自然脫落，同時在地面與水平基線之間運動過程中粘附土壤脫附可能性大[19]，考慮到本文的鎮(zhèn)壓輪處于振動狀態(tài)，重點分析該階段粘附土壤運動過程中的受力，旨在找出影響脫附的主要因素。

由理論力學(xué)運動學(xué)可知，圖3中的粘附土壤隨著鎮(zhèn)壓輪作平面運動，即相對輪心O點的相對運動和繞著O點的平行移動。FAτ、FAn為相對鉸接點A擺動法向、切向慣性力；θ3為OA線和水平基線的夾角；θ4為粘附土壤徑向位置與法向間夾角。由達(dá)朗貝爾原理[24]及平面運動加速度分析，土壤運動過程不脫附的條件為

(5)

式中F——粘附力Fb——剝離力v——工作速度r——鎮(zhèn)壓輪半徑m——刮削粘附土壤質(zhì)量G——重力

由系統(tǒng)振動方程解，可確定

(6)

(7)

聯(lián)立式(4)～(7)可得

(8)

由式(8)可知，在結(jié)構(gòu)參數(shù)和土壤特性一定時，可控制工作速度v、彈簧剛度k來增加剝離力Fb，增加鎮(zhèn)壓裝置的脫土性能，同時需要通過試驗測試進(jìn)一步確定作業(yè)速度對鎮(zhèn)壓輪脫土性能的影響及最優(yōu)作業(yè)速度。

圖3 粘附土壤運動受力分析圖Fig.3 Force analysis of adhesive soil movement

2.3 刮削板脫土機(jī)理分析

粘附土壤在首次離開水平基線后，其脫附可能性降低[20]。在水平基線處加入刮削板，旨在進(jìn)一步清除鎮(zhèn)壓輪表面粘附土壤量，如圖4所示。圖4中，δ為刮削角；φ為刮削板的刃口角；vz為粘附土壤的絕對速度；vzn、vzτ為vz沿刮削板刃口面的法向速度、切向速度；α為粘附土壤速度方向與刃口面切向夾角，且α=δ+φ；刮削板對粘附土壤作用力沿刃口面的法向分力為Fn，且忽略切向分力。由圖4a中的放大圖可知，刮削角度越大，破壞線上方的面積越大，即刮削粘附土壤質(zhì)量m越大。刮削板與粘附土壤相互作用前后，vzτ大小、方向均不變，而vzn變?yōu)?。力引起速度變化，故可由沖量定理[24]求得Fn為

(9)

由式(9)可知，在切削時間t和粘附土壤絕對速度vz一定時，刮削角δ越大，則Fn越大，而Fn越大，刮削板有可能發(fā)生變形，同時刮削板與粘附土壤的作用方式為刮削，則δ+φ<90°，故選擇刮削角δ范圍為0°～60°，同時需要通過試驗測試進(jìn)一步確定刮削角對鎮(zhèn)壓輪脫土性能的影響及最優(yōu)刮削角。

圖4 刮削脫土機(jī)理分析圖Fig.4 Mechanism analysis diagram of soil scraping

3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)確定

刮削角、預(yù)緊力和縱向仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。由鎮(zhèn)壓裝置運動過程分析和脫土機(jī)理分析可知，裝置的結(jié)構(gòu)尺寸和彈簧剛度等對鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能影響較大，故有必要進(jìn)行合理設(shè)計，以期保證鎮(zhèn)壓作業(yè)性能。

3.1 刮削角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

刮削機(jī)構(gòu)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用廣泛，其可很好的清除粘附土壤，但刮削機(jī)構(gòu)剛性地固定在輪軸或機(jī)架上，不能根據(jù)土壤墑情進(jìn)行調(diào)節(jié)。在現(xiàn)有刮削機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計出刮削角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，不影響鎮(zhèn)壓裝置正常運行，屬于理想減粘降阻的機(jī)構(gòu)[20]。

刮削角可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由刮削板、刮削固定板、連接軸等組成，如圖5所示。刮削板是機(jī)構(gòu)的核心部件，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：刮削板厚度，刮削板厚度過大，易造成材料浪費，反之，易發(fā)生刮削板變形，由預(yù)試驗確定刮削板厚為5 mm；同時最大刮削角(60°)和刃口角之和越小越好，且最大不能超過90°，同時保證刃口角不小于土壤內(nèi)摩擦角23°，由此確定刃口角為23°。考慮到鎮(zhèn)壓輪表面有焊縫和刃口與輪邊緣土壤堵塞問題，由預(yù)實驗確定刮削板安裝刃口與輪邊緣間的間隙長度L4為5 mm，如圖5a中局部放大圖所示；為了保證刮削板工作穩(wěn)定性，由加工經(jīng)驗確定連接軸的間距L3為30 mm。為了保證作業(yè)時刮削板不發(fā)生移動，需要先將內(nèi)側(cè)螺母擰至自然狀態(tài)時刮削固定板內(nèi)側(cè)面，再擰外側(cè)螺母直至刮削固定板外側(cè)面，如圖5b所示。

圖5 刮削角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Diagrams of scraping angle adjusting mechanism1.連接軸 2.刮削板 3.刮削固定板

3.2 預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由調(diào)節(jié)絲杠、調(diào)節(jié)螺母、調(diào)節(jié)板、調(diào)節(jié)銷軸等組成，如圖6所示。彈簧預(yù)緊力的調(diào)節(jié)通過扭轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母來控制調(diào)節(jié)絲杠水平移動，帶動調(diào)節(jié)銷軸在凹槽內(nèi)移動，改變彈簧拉伸量。同時調(diào)節(jié)絲杠還可以限制彈簧橫向移動，保證鎮(zhèn)壓均勻。

彈簧剛度參數(shù)影響鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能，在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，本文選擇3種相同材料(65Mn)的圓鉤螺旋拉伸彈簧，其具體參數(shù)如表1所示。

圖6 彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維圖Fig.6 Diagrams of spring adjusting device1.凹槽 2.橫向支架 3.調(diào)節(jié)絲杠 4.調(diào)節(jié)螺母 5.固定板 6.縱向支架 7.調(diào)節(jié)銷軸 8.彈簧

序號材料直徑/mm彈簧中徑/mm彈簧剛度/(N·mm-1)圈數(shù)1412.330452517.035363622.04030

3.3 縱向仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

縱向仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由橫向支架和縱向支架組成。運動過程中，縱向支架繞鉸接點A轉(zhuǎn)動，使鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)隨地形上下運動，實現(xiàn)仿形。由圖7可知，鉸接點A與邊MN的距離為l1，其與仿形角θ4正相關(guān)，l1越長，仿形角θ4越大?？紤]到結(jié)構(gòu)緊湊，為保證工作重心低，進(jìn)而增加作業(yè)穩(wěn)定性，本文取上下仿形角范圍在-30°～30°之間。

(10)

當(dāng)θ4=30°時，l1為32 mm。

圖7 仿形運動分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.7 Diagram of profiling motion analysis and structural parameters

4 試驗材料與方法

4.1 試驗設(shè)備及條件

2016年10月在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院的室內(nèi)土槽中進(jìn)行試驗，如圖8所示。

圖8 土槽試驗Fig.8 Soil bin test

試驗設(shè)備：TCC-3型土槽試驗車(0～8 km/h)；土槽(長70 m、寬3 m、土壤厚度1 m)；六分力測試裝置；SC-900型土壤堅實度儀；環(huán)刀組件(容積100 cm3)；JD1000-2型電子天平；干燥箱。

試驗條件：土壤為典型東北黑土；土壤容重為1.23 kg/m3；土壤平均含水率為17%；土壤內(nèi)摩擦角為15°。

4.2 正交試驗設(shè)計

由鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)過程與脫土機(jī)理分析可知，需要通過試驗測試進(jìn)一步確定彈簧剛度、前進(jìn)速度和刮削角對鎮(zhèn)壓輥脫土性能的影響及最優(yōu)水平組合。選擇彈簧剛度、前進(jìn)速度和刮削角作為試驗因素，因素水平如表2所示。選擇牽引阻力和土壤粘附量來衡量鎮(zhèn)壓裝置作業(yè)性能，并且試驗指標(biāo)值越小越好。選擇L9(34)正交表來安排試驗，為了控制試驗誤差，保證試驗精度，每次試驗前鎮(zhèn)壓強(qiáng)度相同，進(jìn)行9組試驗，結(jié)果如表3所示。A、B、C為因素水平值。

表2 正交試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 試驗因素對作業(yè)性能的影響

通過對試驗結(jié)果的極差分析，得到影響牽引阻力的主次順序為A、C、B，各因素的最優(yōu)水平分別為A3、B2、C2，則最優(yōu)組合為A3B2C2。同理，影響土壤粘附量的主次順序為A、C、B，各因素的最優(yōu)水平分別為A3、B3、C2，則最優(yōu)組合為A3B3C2。

表3 正交試驗結(jié)果與極差分析Tab.3 Results of orthography experiment and range analysis

通過方差分析，對各因素影響牽引阻力和土壤粘附量進(jìn)行顯著性檢驗，如表4和表5所示。

表4 牽引阻力方差分析Tab.4 Variance analysis of traction resistance

注：*** 表示極為顯著，** 表示顯著，下同。

表5 土壤粘附量方差分析Tab.5 Variance analysis of soil adhesive quality

由表4、5可知，彈簧剛度和刮削角對牽引阻力和土壤粘附量影響均極為顯著；前進(jìn)速度對牽引阻力和土壤粘附量影響均顯著；這與極差分析的主次因素結(jié)論一致。因此，對于牽引阻力和土壤粘附量而言，彈簧剛度和刮削角的選擇至關(guān)重要。

5.2 試驗因素的綜合優(yōu)化

(1)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由表3可知，2個試驗指標(biāo)的度量單位不同，在綜合加權(quán)分析前，需要對試驗指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(11)

式中Rin——第i項指標(biāo)的第n次試驗標(biāo)準(zhǔn)值Tin——第i項指標(biāo)的第n次試驗值Tid——第i項指標(biāo)的均值TiM、TiN——第i項指標(biāo)的最大、最小值

由式(11)可得到各指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，如表6所示，由其構(gòu)成的關(guān)系矩陣為

(12)

(2)各指標(biāo)權(quán)重

在鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中，牽引力并不是主要考慮因素，但土壤粘附量對作業(yè)質(zhì)量會產(chǎn)生明顯的影響，根據(jù)專家經(jīng)驗法[25]，確定2項指標(biāo)的主權(quán)權(quán)重分別為U1=[0.3,0.7]。由公式Y(jié)=UR得最后的綜合評分見表6?？傻酶髦笜?biāo)的綜合評分值中分值越小越好。

表6 綜合評分值Tab.6 Value of comprehensive evaluation

由表7可知，在95%和99%的置信度下，A和C對鎮(zhèn)壓作業(yè)性能影響極顯著，B對鎮(zhèn)壓作業(yè)性能影響較顯著。

對表6的綜合評分值進(jìn)行圖形化處理，研究單獨考慮3個試驗因素時，各個水平下試驗因素對工作性能的影響，見圖9。由圖9可知，A3B3C2綜合評分值最小，即工作性能最優(yōu)，該結(jié)果與表8的極差分析結(jié)果相同，進(jìn)一步證明最優(yōu)水平組合為A3B3C2，彈簧剛度為40 N/mm、前進(jìn)速度為7 km/h、刮削角為30°。

5.3 驗證及對比試驗

由于綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平組合并不在正交試驗方案中，為了驗證該組合對鎮(zhèn)壓裝置的實際工作性能的影響情況，同時進(jìn)行與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置的的對比試驗，將最優(yōu)組合A3B3C2進(jìn)行3次重復(fù)試驗，試驗結(jié)果見表9。將機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置的試驗結(jié)果與正交試驗結(jié)果對比可知，鎮(zhèn)壓裝置采用A3B3C2組合作業(yè)性能最優(yōu)，故最優(yōu)水平組合：彈簧剛度為40 N/mm、前進(jìn)速度為7 km/h、刮削角為30°。根據(jù)對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置的牽引阻力和土壤粘附量均高于機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置，且牽引阻力和土壤粘附量分別降低了17.8%和34.8%，由此可知機(jī)械式減粘降阻機(jī)構(gòu)有減粘降阻的作用。

表7 綜合評分方差分析Tab.7 Variance analysis of comprehensive scores

圖9 試驗因素與綜合加權(quán)評分值的關(guān)系Fig.9 Relationship of test factors and comprehensive weighted score value

綜合加權(quán)值A(chǔ)BCk10.350.040.10k2-0.020.00-0.19k3-0.33-0.050.10R0.680.090.29主次因素A>C>B最優(yōu)水平A3B3C2

表9 驗證及對比試驗結(jié)果Tab.9 Validation and comparison tests results

6 結(jié)論

(1)借鑒地面機(jī)械觸土部件減粘降阻法，設(shè)計了一種機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置，其具有減粘降阻的能力，滿足作物鎮(zhèn)壓作業(yè)要求。

(2)利用統(tǒng)計分析軟件對正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到：彈簧剛度和刮削角對牽引阻力和土壤粘附量影響均極為顯著，前進(jìn)速度對牽引阻力和土壤粘附量影響均顯著。

(3)由綜合加權(quán)評分法確定機(jī)械式減粘降阻鎮(zhèn)壓裝置的最優(yōu)水平組合為：彈簧剛度為40 N/mm，前進(jìn)速度為7 km/h，刮削角為30°，并進(jìn)行試驗驗證，得到牽引阻力為39.6 N，土壤粘附量為43.24 g。通過與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行對比，驗證了鎮(zhèn)壓裝置減粘降阻的能力。

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