嚴(yán)曉麗，汪 春，李 明，符少華，韋麗嬌，張 培，游 瀟，董學(xué)虎，何馮光1，

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；3.海南省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，?？?570100；4.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

南方紅壤旱作區(qū)包括廣東、廣西、云南等省區(qū)的旱作作物種植區(qū)域，土壤多為赤紅壤和磚紅壤，質(zhì)地黏重。此外，由于農(nóng)民長(zhǎng)期采用人畜力翻耕作業(yè)、就地焚燒秸稈、人工施用大量化肥等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，導(dǎo)致紅壤土地耕作層淺薄、犁底層增厚、保水能力差、暴雨季節(jié)徑流、表層板結(jié)等土壤劣化[1]，嚴(yán)重制約了南方紅壤旱作區(qū)旱作作物高產(chǎn)生產(chǎn)的發(fā)展。合理耕作、提高紅壤地力和保護(hù)紅壤耕地已成為南方旱作作物生產(chǎn)亟待解決的問(wèn)題。進(jìn)行以打破犁底層、加深耕作層、減少土壤水分無(wú)效蒸發(fā)、增加土壤蓄水能力[2-3]為目的機(jī)械化深松，是創(chuàng)造南方紅壤旱作區(qū)土壤合理耕層結(jié)構(gòu)的最直接、簡(jiǎn)單、有效的耕作方式。當(dāng)前，已有將國(guó)外及北方成熟的深松機(jī)具應(yīng)用于南方紅壤土地的探索研究，但出現(xiàn)土壤黏附鏟面嚴(yán)重、工作阻力大等問(wèn)題，因此進(jìn)行適應(yīng)紅壤土作業(yè)深松鏟的研究尤為重要。

歐美等國(guó)家對(duì)深松鏟的研究已經(jīng)相當(dāng)完善。按結(jié)構(gòu)分有直柄鏟、斜柄鏟、弧形鏟和側(cè)彎鏟等；按松土方式分有擠壓松土鏟及振動(dòng)松土鏟；按性質(zhì)分有機(jī)械鏟及仿生鏟。RASHID Qaisrani等設(shè)計(jì)了一種仿生柔性深松鏟，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少土壤黏結(jié)量15.85%[4]。振動(dòng)深松鏟和仿生鏟是我國(guó)近幾年的研究熱點(diǎn)，基于振動(dòng)和仿生原理設(shè)計(jì)的深松鏟，均能有效減小土壤黏附及牽引阻力，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜[5-13]。付俊峰等在振動(dòng)條件下設(shè)計(jì)半彎型深松鏟，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新型深松鏟的振動(dòng)深松機(jī)牽引阻力降低7%～17%[14]?，F(xiàn)有適用于北方土壤黏性較小(土壤單位黏結(jié)力平均值為1.05N/cm2[15])、土質(zhì)較松軟等良好條件的深松鏟，并不完全適用于南方紅壤旱作區(qū)強(qiáng)黏性(土壤單位黏結(jié)力平均值為3.51N/cm2[15])的紅壤土。此外，相關(guān)研究表明，土壤黏附使犁耕阻力增加30%以上，耕整機(jī)械能耗增加30%～50%。合理的深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于降低深松作業(yè)阻力及提高作業(yè)質(zhì)量[16]。因此，需對(duì)紅壤黏土條件下的深松鏟結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

本文針對(duì)紅壤耕作力學(xué)特征的特殊性，對(duì)深松鏟在強(qiáng)黏性的紅壤土中進(jìn)行受力分析，設(shè)計(jì)適用南方紅壤旱作區(qū)的鑿形深松鏟并進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，結(jié)合土槽和田間試驗(yàn)研究，探索深松鏟紅壤土黏附量及牽引阻力值，確定紅壤鑿形深松鏟的合理結(jié)構(gòu)，為紅壤深松鏟減黏減阻及優(yōu)化、南方紅壤旱作區(qū)耕作機(jī)具的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

1 紅壤鑿形深松鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 紅壤特征

紅壤土層深厚、質(zhì)地黏重、肥力差、呈酸性至強(qiáng)酸性，其膨脹性、流塑性及持水性能均比其他類型土壤的強(qiáng)，且具有特別高的膠結(jié)性能，質(zhì)地屬黏土，紅壤特征表現(xiàn)為強(qiáng)黏性、比阻大。此外，南方紅壤區(qū)屬于熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量大，雨季長(zhǎng)，因此紅壤土含水率高，易達(dá)到黏著極限，出現(xiàn)黏著力，使得土壤黏附耕作機(jī)具嚴(yán)重、耕作阻力大、耕作質(zhì)量差。3種旱地典型土壤的黏粒含量如表1所示。相關(guān)研究表明：含黏粒越多的土壤，與金屬表面的實(shí)際接觸面積越大，黏著力越大，因此黏土質(zhì)的紅壤表現(xiàn)出高黏著力。

表1 3種旱地典型土壤的黏粒含量Table 1 Cosmid content of three types typical soil in dry filed

1.2 紅壤條件下深松鏟受力分析

深松鏟在紅壤土地作業(yè)，應(yīng)考慮常規(guī)兩個(gè)方面的阻力：①鏟柄刃口和鏟頭鏟尖刃部切削土壤時(shí)的阻力[17]；②深松鏟運(yùn)動(dòng)擠壓土壤使土壤產(chǎn)生剪切破壞時(shí)的阻力[18]。由于紅壤土的強(qiáng)黏性和高黏著力，因此還需考慮第三方面的阻力，即因土壤黏附鏟面產(chǎn)生的切向黏附阻力。深松鏟在工作狀態(tài)下的受力情況復(fù)雜，為便于分析，將深松鏟牽引阻力分為鏟柄和鏟頭兩部分的受力。

深松鏟牽引阻力是指作業(yè)時(shí)作用在鏟上總阻力的縱向水平分力。鏟頭受力主要由黏附阻力、摩擦阻力、切削阻力和剪切破壞阻力構(gòu)成，如圖1所示。根據(jù)受力平衡條件，得出鏟頭阻力的平衡方程式為

Rx1=CS1cosβ+fN1cosβ+kB1cosα+N1sinβ

式中Rx1—鏟頭阻力(N)；

C—土壤對(duì)鏟面的單位黏附力(N/mm2)；

S1—鏟頭上端面的面積(mm2)；

β—入土角(°)；

f—土壤對(duì)深松鏟的摩擦因數(shù)，取f=0.75；

N1—土壤作用于鏟頭的正壓力(N)；

k—單位寬度土壤的純切削阻力(N/mm)；

B1—鏟尖寬度(mm)；

α—入土隙角(°)。

根據(jù)幾何關(guān)系可得

S1=lB1

式中l(wèi)—鏟尖長(zhǎng)度(mm)。

圖1 鏟頭受力分析示意圖Fig.1 Sketch of force analysis of shovel head

鏟柄在工作狀態(tài)下的受力分析如圖2所示，包括切削阻力、摩擦阻力、黏附阻力和剪切破壞阻力。根據(jù)受力平衡條件，可得鏟柄阻力的平衡方程式為

式中Rx2—鏟柄阻力；

L—鏟柄刃口長(zhǎng)度(mm)，L=θ+πR，θ為刃口弧形夾角(°)；

R—刃口弧形半徑(mm)；

N2—土壤作用于鏟柄刃口楔面的正壓力(N)；

γ—鏟柄刃口夾角(°)；

S2—鏟柄刃口面積(mm2)；

N3—土壤作用于鏟柄側(cè)面的正壓力(N)；

S3—鏟柄側(cè)面面積(mm2)。

根據(jù)幾何關(guān)系可得

S3=hB2

式中h—深松深度(mm)；

σ—鏟柄厚度(mm)；

B2—鏟柄側(cè)面寬度(mm)。

圖2 鏟柄受力分析示意圖Fig.2 Sketch of force analysis of share shaft

1.3 深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

為獲得較大的松土范圍和較高的松土系數(shù)，采用相對(duì)不易黏土的傾斜鏟柄，鏟柄傾角為33°[19]。為提高碎土性能和降低工作阻力，采用鑿形鏟頭，紅壤鑿形深松鏟結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅壤鑿形深松鏟結(jié)構(gòu)及幾何尺寸示意圖Fig.3 Sketch of structure and geometry size of chisel-shape deep-shovel

綜合以上的理論受力分析可知，鑿形深松鏟牽引阻力為

Rx=Rx1+Rx2

由于南方紅壤土的強(qiáng)粘性，土壤黏著力對(duì)鑿形深松鏟牽引阻力的影響比較大，當(dāng)土壤理化性狀等條件一致時(shí)，影響?zhàn)じ阶枇蜖恳枇Φ慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)有入土角β、入土隙角α、鏟尖長(zhǎng)度l、鏟尖寬度B1、鏟柄刃口長(zhǎng)度L、鏟柄刃口夾角γ、深松深度h、鏟柄厚度σ和為鏟柄側(cè)面寬度B2。

一般情況下，土壤的純切削是很小的，只有當(dāng)土壤中存在石塊或殘根或觸土部件的刃口變鈍時(shí)，土壤純切削阻力才顯得重要[20]。因此，忽略總牽引阻力中的切削阻力，即忽略入土隙角、鏟尖寬度和鏟柄刃口長(zhǎng)度這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)總牽引阻力的影響。為保證深松鏟在耕作時(shí)不壓實(shí)下部和側(cè)面的土壤，入土隙角α=8°；參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，取鏟尖寬度B1=40mm。

相關(guān)研究表明：鑿形深松鏟的鏟尖前伸量S與理論深松深度H的比值在S/H=0.64～1.04的范圍內(nèi)時(shí)具有較明顯的減阻效果，當(dāng)S/H=0.8時(shí)減阻效果為最佳狀態(tài)[21]。南方紅壤旱作區(qū)多種植甘蔗、木薯、菠蘿、香蕉等深根作物，根系較為發(fā)達(dá)。其中，種植面積最大的甘蔗，其根部入土深度可達(dá)3～4m，這些深根作物大部分的根系均集中在土表的150～400mm范圍內(nèi)。因此，為有利于深根作物在土表150～400mm范圍內(nèi)生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)紅壤鑿形深松鏟深松深度h=400mm；為達(dá)到最佳減阻效果，則取鏟尖前伸量S=320mm。此時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到鏟柄刃口長(zhǎng)度L=480mm，鏟尖長(zhǎng)度l=S-B2，即鏟尖長(zhǎng)度由鏟柄側(cè)面寬度決定。

因此，影響?zhàn)ぶ蜖恳枇Φ闹饕Y(jié)構(gòu)參數(shù)為入土角、鏟柄刃口夾角、鏟柄厚度和鏟柄側(cè)面寬度。研究表明：入土角在20°～45°的范圍內(nèi)時(shí)，耕作部件的耕作阻力最小。其中，深松深度較大、速度較高時(shí)，入土角趨向于較小值；反之，趨向于較大值。紅壤黏土條件的最小入土角為40[20]，所以設(shè)計(jì)入土角β的取值范圍為40°～44°。參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)，深松鏟柄鏟柄刃口夾角γ的取值范圍為30°～60°。為保證紅壤鑿形深松鏟在耕作阻力比較大的黏性紅壤土中正常作業(yè)而不易損壞，鏟柄厚度σ和鏟柄側(cè)面寬度B2分別取值范圍25～40mm和80～120mm[11，22]。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

以探索適用南方紅壤旱作區(qū)的鑿形深松鏟合理結(jié)構(gòu)為目的，研究最小牽引阻力及最小黏土量條件下的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合，確定紅壤鑿形深松鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)材料及方法

2.1.1 材料與設(shè)備

深松鏟，機(jī)架，東方紅LX904型拖拉機(jī)1臺(tái)，東方紅LX804型拖拉機(jī)1臺(tái)，SC-900型土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定儀、TK3-BASIC型土壤水分測(cè)定儀，毛刷，EL520A型電子天平，戴爾Inspiron 14-N4050筆記本電腦1臺(tái)，鎖緊環(huán)扣2個(gè)，鋼絲繩2條，米尺，標(biāo)記桿36根，自封袋9個(gè)。TX2-50K型工作測(cè)力儀由推拉力數(shù)顯器和外置S型傳感器組成，配套專用的工作測(cè)力儀測(cè)試軟件1.7，監(jiān)控和追溯測(cè)試曲線數(shù)據(jù)。

2.1.2 試驗(yàn)地條件

試驗(yàn)在廣東省湛江市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所的甘蔗基地試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間選擇在未種植甘蔗的春季。試驗(yàn)田長(zhǎng)185m，寬120m，土壤為典型的磚紅壤，黏粒含量45.3%，連年進(jìn)行甘蔗種植，地勢(shì)平坦。采用GB/T5262-2008五點(diǎn)法測(cè)量試驗(yàn)區(qū)域0～40cm土層的土壤堅(jiān)實(shí)度及土壤含水率，取平均值，如表2所示。

表2 0～40cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度及土壤含水率Table 2 Soil density and moisture in 0～40cm soil layer

2.1.3 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)田按試驗(yàn)要求劃分小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)60m、寬20m，插上標(biāo)記桿。東方紅LX904型拖拉機(jī)掛1檔在前面行走，東方紅LX804型拖拉機(jī)掛接深松鏟并空檔，由東方紅LX904型拖拉機(jī)拖曳在其后面行走。用鎖緊環(huán)扣、鋼絲繩將S型傳感器連接在兩臺(tái)拖拉機(jī)中間用于分別測(cè)量后臺(tái)拖拉機(jī)不掛接深松鏟時(shí)和掛接深松鏟時(shí)的牽引阻力，兩者之差即為試驗(yàn)牽引阻力, 如圖4所示。

圖4 測(cè)試深松牽引阻力系統(tǒng)Fig.4 Test system of traction resistance

將工作測(cè)力儀和筆記本電腦用USB數(shù)據(jù)線連接起來(lái)，通過(guò)測(cè)力程序軟件測(cè)量和記錄每次試驗(yàn)機(jī)車組在試驗(yàn)小區(qū)中間行走平穩(wěn)的25m內(nèi)牽引阻力的大小，計(jì)算平均值。每次試驗(yàn)行程結(jié)束后，用毛刷將黏附在深松鏟表面的土壤掃入自封袋，并檢測(cè)質(zhì)量。

2.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)上述分析，確定紅壤鑿形深松鏟入土角β、鏟柄刃口夾角γ、鏟柄厚度σ和為鏟柄側(cè)面寬度B2為試驗(yàn)因素，牽引阻力Rx和黏土量Y為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)深松深度為400mm，試驗(yàn)因素水平設(shè)置如表 3 所示。將紅壤鑿形深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)，選用 L9( 34) 正交表，共設(shè)計(jì)9種紅壤鑿形深松鏟，采用45鋼制造。試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素與水平Table 3 Factors and levels of experiment

表4 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Schemes and results of experiment

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

以牽引阻力、土壤黏附量為分析指標(biāo)，對(duì)入土角、鏟柄刃口夾角、鏟柄厚度和鏟柄側(cè)面寬度進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果極差分析Table 5 Analysis of experiment results

由表5可可知：影響紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量的分別為主次因素ADBC和ADCB，最佳組合方案分別為A1B3C3D2和A1B1C3D2，即入土角β=40°，鏟柄刃口夾角γ分別為60°和30°，鏟柄厚度σ=40mm，鏟柄側(cè)面寬度B2=100mm。

入土角是深松鏟的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。在允許的范圍內(nèi)，入土角越小，深松鏟的抬土能力越強(qiáng)。但是，此時(shí)以楔形入土的鏟頭就會(huì)趨向與地面平行入土，入土性能就會(huì)明顯降低；相反，隨著入土角增大，入土性能和推土性能均會(huì)提高，深松鏟的推土作用強(qiáng)于提升作用，抬起的土壤少，易引起牽引阻力增大和作業(yè)能耗增加。紅壤鑿式深松鏟的入土角β增大，紅壤土黏附鏟頭端面產(chǎn)生的黏附阻力、摩擦阻力、剪切破壞阻力等均增大，導(dǎo)致紅壤土黏附鏟頭端面嚴(yán)重，深松鏟鏟頭阻力Rx1增大。由表5可知：入土角對(duì)紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量最優(yōu)水平均為A1，即入土角β=40°?？梢姡?00mm屬于較深的深松深度，入土角取小值。

鏟柄刃口夾角的大小對(duì)鏟柄摩擦阻力影響不大，但是對(duì)鏟柄刃口的黏附阻力有較大影響。若鏟柄刃口夾角γ較小，刃口的摩擦阻力減小，刃口黏附阻力增加，導(dǎo)致鏟柄阻力增大，進(jìn)而引起深松鏟的牽引阻力增大。此外，若刃口夾角過(guò)小，刃部較鋒利，在作業(yè)過(guò)程中容易受沖擊載荷而損壞。反之，增加鏟柄刃口的大小有利于提高深松鏟的強(qiáng)度和降低深松牽引阻力。由表5可知：鏟柄刃口夾角對(duì)紅壤鑿形深松鏟牽引阻力最優(yōu)水平均為C3，即鏟柄刃口夾角γ=60°。

當(dāng)鏟柄厚度σ增加時(shí)，鏟柄刃口面積增大，但紅壤土黏附鏟柄刃口產(chǎn)生的黏附阻力同時(shí)受鏟柄刃口夾角γ影響：當(dāng)鏟柄刃口夾角γ增大時(shí)，紅壤土黏附鏟柄刃口產(chǎn)生的黏附阻力反而減小。由表5可知：鏟柄厚度對(duì)紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量最優(yōu)水平均為B3，即鏟柄厚度σ=40mm。

鏟柄的側(cè)面寬度是深松鏟一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。鏟柄側(cè)面寬度B2過(guò)大，不僅使得鏟柄側(cè)面面積增大，深松鏟側(cè)面黏附紅壤土增多，在潛土作業(yè)過(guò)程中整體形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致深松鼠道不規(guī)則，土壤擾動(dòng)大，牽引阻力增大，還造成深松鏟的制造材料浪費(fèi)；南方紅壤旱作區(qū)不僅存在土壤黏性大、地塊不平整、石塊多等土壤情況復(fù)雜問(wèn)題，鏟柄側(cè)面寬度B2過(guò)小易造成深松鏟不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，易損壞。由表5可知：鏟柄側(cè)面寬度對(duì)紅壤鑿形深松鏟牽引阻力和土壤黏附量最優(yōu)水平均為D2，即鏟柄側(cè)面寬度B2=100mm。

綜上所述，兩岸的流行音樂(lè)個(gè)人演唱會(huì)均起步于20世紀(jì)80年代，至21世紀(jì)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的狀態(tài)。1980年至2015年間，臺(tái)灣流行音樂(lè)一直盛行不衰，大陸流行音樂(lè)發(fā)展迅速，在兩岸流行樂(lè)壇占據(jù)了重要地位。兩岸流行音樂(lè)受眾的審美愈加多元化，“喜新”的同時(shí)又“懷舊”。各自對(duì)于“懷舊”呈現(xiàn)了不同的偏好：大陸受眾更為偏愛搖滾風(fēng)格，而臺(tái)灣受眾則對(duì)閩南語(yǔ)歌曲格外鐘情。

因此，根據(jù)試驗(yàn)及結(jié)果的分析，紅壤鑿形深松鏟的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：入土角β=40°，鏟柄刃口夾角γ=60°，鏟柄厚度σ=40mm，鏟柄側(cè)面寬度B2=100mm。設(shè)計(jì)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的紅壤鑿形深松鏟，并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合紅壤鑿形深松鏟的牽引阻力為10.16kN，黏土量為0.28kg。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

形狀影響著觸土部件對(duì)土壤的作用方式和作用效果[23]。鑿形深松鏟的工作性能除了受其結(jié)構(gòu)參數(shù)影響之外，還受鏟頭形狀影響[24]。為使紅壤鑿形深松鏟具有更好的入土性能、較小的牽引阻力及鏟面黏附土壤少，基于上述最佳組合條件對(duì)鏟頭形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了掘齒型鏟頭和半軸型鏟頭，如圖5所示。以入土性能、黏土量和牽引阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)JB/T9788-1999規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)研究，研究設(shè)計(jì)的紅壤鑿形深松鏟在田間的工作性能。

圖5 設(shè)計(jì)的兩種不同形狀鏟頭Fig.5 Two types of shovel head

3.1 試驗(yàn)材料及方法

3.1.1 材料與設(shè)備

HT農(nóng)機(jī)作業(yè)智能探測(cè)系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備1套，由深度測(cè)量傳感器組、作業(yè)信息顯示設(shè)備、作業(yè)信息傳輸和存儲(chǔ)設(shè)備等組成，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提供。

3.1.2 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)田劃分6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)60m、寬20m，插上標(biāo)記桿。機(jī)車組在每個(gè)小區(qū)往返行走1遍，每種深松鏟在2個(gè)小區(qū)內(nèi)試驗(yàn)，即試驗(yàn)4次。在深松試驗(yàn)系統(tǒng)中安裝HT農(nóng)機(jī)作業(yè)智能探測(cè)系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖6所示。從深松鏟在每個(gè)小區(qū)開始入土到系統(tǒng)設(shè)備顯示深松深度40cm時(shí)測(cè)量深松鏟的入土行程。

圖6 測(cè)試深松深度系統(tǒng)Fig.6 Test system of subsoiling depth

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 鏟頭形狀對(duì)入土行程的影響分析

由表6可知：當(dāng)深松深度為40cm時(shí)，半軸型鏟頭深松鏟的入土行程最小，掘齒型鏟頭深松鏟的入土行程比標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭深松鏟稍大。從形狀分析，標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭和掘齒型鏟頭則是以板體入土，對(duì)土壤是切的作用方式；而半軸型鏟頭的鏟尖刃口部分和后面圓柱結(jié)構(gòu)行成一個(gè)類似圓錐體的形狀，以錐體入土，對(duì)土壤是插的作用方式。顯然，插比切更易入土。因此，半軸型鏟頭深松鏟的入土性能最好。

表6 3種不同鏟頭形狀深松鏟的入土行程Table 6 Diving-stroke of three types subsoiler

3.2.2 鏟頭形狀對(duì)黏土量的影響分析

在作業(yè)過(guò)程中，潛土部件的形狀對(duì)土壤黏附量有較大影響，因此對(duì)試驗(yàn)后黏附深松鏟的土壤進(jìn)行采樣，檢測(cè)其質(zhì)量，結(jié)果如表7所示。

表7 3種不同鏟頭形狀深松鏟的黏土量Table 7 Soil adhesion amount of three types subsoiler

由表7可知：田間試驗(yàn)深松鏟黏土量整體平均值達(dá)1 000g，黏附較嚴(yán)重。其中，標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭和掘齒型鏟頭紅土壤黏附量較半軸型鏟紅土壤黏附量多25%。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：紅壤土的黏附主要部位為鏟頭、鏟柄刃口及鏟柄側(cè)面，黏附最多的則是鏟頭與鏟柄的連接處。半軸型鏟頭的圓柱體形狀使紅壤土與鏟頭的接觸面形成不連續(xù)的弧形面，減小了黏附；而標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭和掘齒型鏟頭與紅壤土的接觸面為連續(xù)的平面，黏著力較大，因此黏附的紅壤土較多。

3.2.3 鏟頭形狀對(duì)牽引阻力的影響分析

由于土壤地表不平而引起深松深度變化、土壤存在雜物、土壤理化性質(zhì)不均勻、牽引力系統(tǒng)振動(dòng)等原因，隨時(shí)間變化的試驗(yàn)牽引阻力成呈躍動(dòng)式曲線[4]。從工作測(cè)力儀測(cè)試軟件中導(dǎo)出各組數(shù)據(jù)及曲線，整理后得牽引阻力曲線如圖7所示。

由圖7可知：在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的截取段中，標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭深松鏟牽引阻力的躍動(dòng)區(qū)間為11～16kN，平均值為13.49kN；掘齒型鏟頭深松鏟牽引阻力的躍動(dòng)區(qū)間為13～17kN，平均值為14.90kN；半軸型鏟頭深松鏟牽引阻力的躍動(dòng)區(qū)間為9～12kN，平均值為10.91kN。通過(guò)計(jì)算，掘齒型鏟頭深松鏟的牽引阻力比標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭深松鏟的牽引阻力增加6.24%～15.15%，半軸型鏟頭深松鏟的牽引阻力比標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭深松鏟的牽引阻力減小18.21%～18.64%。半軸形狀使刃口觸土面積減小，所以減小了牽引阻力。

圖7 3種不同鏟頭形狀深松鏟的牽引阻力Fig.7 Traction resistance of of three types subsoiler

因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合條件下，半軸型鏟頭的紅壤鑿形深松鏟具有最佳的入土性能，紅壤土黏附量為0.54kg，較標(biāo)準(zhǔn)型減少25%，牽引阻力為10.91kN，較標(biāo)準(zhǔn)型降低18.21%～18.64%，鏟頭的設(shè)計(jì)為半軸型。

4 結(jié)論

1)基于南方紅壤旱作區(qū)紅壤土強(qiáng)黏性的物理特征，通過(guò)分析深松鏟的切削、黏附等的阻力情況，確定了紅壤鑿形深松鏟的入土角β的取值范圍為40°～44°、鏟柄刃口夾角γ的取值范圍為30°～60°、鏟柄厚度σ的取值范圍為25～40mm、鏟柄側(cè)面寬度B2為80～120mm。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了紅壤鑿形深松鏟的正交試驗(yàn)得出紅壤鑿形深松鏟的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：入土角β=40°，鏟柄刃口夾角γ=60°，鏟柄厚度σ=40mm，鏟柄側(cè)面寬度B2=100mm。在最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合試驗(yàn)下，得出紅壤鑿形深松鏟的牽引阻力和黏土量分別為10.16kN、0.28kg。土壤黏附不僅與深松鏟結(jié)構(gòu)有關(guān)系，還與材料有關(guān)，研究為進(jìn)一步深入探索材料對(duì)黏附情況的影響提供依據(jù)。

2)在紅壤鑿形深松鏟最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合條件下，設(shè)計(jì)了半軸型和掘齒型鏟頭，與標(biāo)準(zhǔn)型鏟頭進(jìn)行了田間對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：3種不同鏟頭形狀的紅壤鑿形深松鏟在田間試驗(yàn)中，紅壤土黏附量較大，平均均超過(guò)0.5kg，半軸型比另外兩種黏附減少25%；半軸型鏟頭深松鏟的入土性能最佳，平均入土行程為1.25m；標(biāo)準(zhǔn)型、掘齒型、半軸型鏟頭的紅壤鑿形深松鏟牽引阻力的躍動(dòng)區(qū)間分別為11～16kN、13～17kN、9～12kN；與標(biāo)準(zhǔn)型相比，半軸型的牽引阻力減小18.21%～18.64%，掘齒型的黏土量減少4.2%，牽引阻力的增加6.24%～15.15%，鏟頭形狀確定為半軸型?，F(xiàn)有深松機(jī)械難于滿足特定土壤類型的深松作業(yè)要求，因此該研究可為進(jìn)一步探索紅壤土黏附深松鏟的規(guī)律、南方紅壤旱作區(qū)耕作機(jī)具的設(shè)計(jì)及優(yōu)化等提供參考依據(jù)。