袁洪印 張 穎

（長春光華學(xué)院 吉林 長春 130033）

保護(hù)性耕作是實(shí)現(xiàn)東北黑土區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。深松是保護(hù)性耕作重要一環(huán)。深松機(jī)具的重要部件是深松鏟。深松鏟的性能決定著深松機(jī)具的深松質(zhì)量和效率。研究深松鏟的設(shè)計(jì)方法，就是為了提高深松機(jī)具的性能和開發(fā)更好的深松鏟。

1 標(biāo)準(zhǔn)深松鏟

近二十年來，國家對深松機(jī)具的指導(dǎo)性文件是《深松鏟和深松鏟柄》機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。國家機(jī)械工業(yè)局2000年1月1日開始實(shí)施此標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了鑿形、箭形和雙翼形三種深松鏟尖，以及輕型和中型兩種深松鏟柄。

在深松作業(yè)時(shí)，深松鏟柄和深松鏟尖分工合作完成深松作業(yè)，保證深松作業(yè)質(zhì)量，因此，在進(jìn)行科學(xué)研究中，一般不分鏟柄和鏟尖，統(tǒng)稱為深松鏟。鏟尖的作用是打破犁底層和疏松作物根部土壤，標(biāo)準(zhǔn)中三種鏟尖基本滿足生產(chǎn)要求，研究者較少。鏟柄的作用是減少阻力和減少動(dòng)土量，標(biāo)準(zhǔn)中鏟柄形狀和觸土表面狀態(tài)有很大改變的空間來提升鏟柄的作用，研究者更多一些。實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還有曲面深松鏟和V型深松鏟。本文主要研究標(biāo)準(zhǔn)深松鏟的設(shè)計(jì)方法，不涉及曲面和V型深松鏟。

2 標(biāo)準(zhǔn)深松鏟的設(shè)計(jì)方法分析

如圖1所示，輕型標(biāo)準(zhǔn)深松鏟柄可以把鏟柄分成三段，1段為固定鏟柄段，這段為直線段有加工孔，目的是將鏟柄固定在機(jī)架上；2段為鏟刃段，圓孤形鏟柄內(nèi)孤有60°夾角鏟刃，起到滑切和掀起土壤達(dá)到省力的作用；3段為固定鏟尖段，有23°入土角和固定孔，便于鏟尖入土和平穩(wěn)松土運(yùn)行。

圖1 輕型標(biāo)準(zhǔn)深松鏟柄

固定鏟柄段根據(jù)深松機(jī)深松深度調(diào)節(jié)范圍和鏟柄受力情況設(shè)計(jì)其具體尺寸和固定孔。鏟刃段深入土壤里，它的形狀和表面狀態(tài)影響深松阻力的大小和深松質(zhì)量。近二十年的鏟柄研究，大多集中于此段。有改變形狀的研究，改變表面觸土狀態(tài)的研究，以及綜合性研究等。

固定鏟刃段，入土角基本是固定值23°，這是根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，不會(huì)有大改變。加之鏟尖形狀主要是選三種經(jīng)驗(yàn)鏟尖，所以，此段有其規(guī)定性，也不必改變。

綜合上述分析可知：標(biāo)準(zhǔn)深松鏟設(shè)計(jì)方法研究主要集中在深松鏟刃的結(jié)構(gòu)形狀和表面觸土狀態(tài)的研究方面；研究的目標(biāo)是減小深松阻力和改善深松質(zhì)量。

3 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)深松鏟的設(shè)計(jì)方法研究

3.1 深松鏟結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法。深松鏟結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法主要是鏟刃段結(jié)構(gòu)形狀的減阻和保證深松質(zhì)量的問題。

3.1.1 仿生結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法。張金波[2]研究高效挖掘土壤性能的家鼠爪趾結(jié)構(gòu)形狀是指數(shù)函數(shù)曲線，將此形狀曲線用于深松鏟柄鏟刃段，參見圖2。研制出的仿生減阻深松鏟與傳統(tǒng)深松鏟相比較，耕作阻力降低了8.5%～39.5%。

圖2 指數(shù)曲線型深松鏟

3.1.2 滑切結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法。周華[3]為獲得理想的鏟柄滑切角，通過建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，求解產(chǎn)生滑切的臨界條件。根據(jù)滑切角要大于鏟柄和滑切質(zhì)點(diǎn)間的摩擦角，合理選擇滑切角為45°，達(dá)到減阻的目的。如圖3所示，2段為滑切設(shè)計(jì)的鏟柄形狀。

圖3 滑切型鏟柄

楊超[4]運(yùn)用滑切減阻理論，得到不同深度范圍土壤、玉米秸稈與根茬的滑動(dòng)摩擦角，從而獲得了分段鏟柄滑切角，建立分段鏟柄曲線方程，設(shè)計(jì)出鏟刃段結(jié)構(gòu)形狀。如圖4所示，2段為分段滑切設(shè)計(jì)的鏟柄形狀。

圖4 分段滑切型鏟柄

3.1.3 擬合曲線結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法。趙淑紅[5]運(yùn)用離散元(EDEM)軟件仿真分析鏟尖對土壤的作用為依據(jù)，獲得鏟尖上方土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合曲線和擬合方程，采用線元設(shè)計(jì)法對線形進(jìn)行優(yōu)化，獲得鏟柄外形曲線，得到了阻力小和擾動(dòng)小的深松鏟柄形狀。

3.1.4 圓弧曲線優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法。陳坤[6]設(shè)計(jì)了一種新型圓弧型深松鏟。從圓弧曲線中得到靈感，圓弧上部滑切和壓土性能，下部起土性能。對不同半徑的圓弧曲線鏟柄，以深松阻力為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，獲得了松土、減阻效果均好的優(yōu)化鏟柄形狀。如圖5所示，鏟柄結(jié)構(gòu)形狀。

圖5 圓弧型鏟柄

3.2 深松鏟表面狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。深松鏟表面狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的目標(biāo)同樣是改進(jìn)深松鏟表面形狀、表面與土壤接觸狀態(tài)以減少深松阻力。

3.2.1 仿生表面狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。邱兆美[7]分析了蚯蚓的波紋體表和在土壤中很好的穿行能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)出深松鏟波紋形觸土表面，改變了土壤和鏟柄表面間的滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，減少了深松阻力，提高了土壤的蓬松度，改善了深松作業(yè)質(zhì)量。如圖6所示，鏟刃段橫向波紋結(jié)構(gòu)。

圖6 橫向波紋鏟柄

3.2.2 氣動(dòng)表面狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。屈通等[8]設(shè)計(jì)了深松鏟柄氣動(dòng)表面狀態(tài)，如圖7所示。用曲形鋼管布置在鏟刃段刃口，底部開數(shù)個(gè)孔，構(gòu)建氣動(dòng)力學(xué)模型，采用離散元法進(jìn)行仿真試驗(yàn)，優(yōu)化出減阻的開孔方案。

圖7 氣動(dòng)深松鏟柄

劉明財(cái)?shù)萚9]設(shè)計(jì)了氣壓噴槍布置在鏟尖上的氣壓式深松鏟，如圖8所示。推導(dǎo)出牽引阻力計(jì)算公式，對深松鏟整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化出氣動(dòng)減阻方案。

圖8 氣壓式深松鏟

3.3 深松鏟綜合設(shè)計(jì)方法。深松鏟綜合設(shè)計(jì)方法主要是通過基本理論研究和技術(shù)集成來設(shè)計(jì)深松鏟。

3.3.1 通過基本理論設(shè)計(jì)深松鏟。周桂霞等[10]對鑿尖加小雙翼形深松鏟的關(guān)鍵參數(shù)翼張角α、刃角δ、翼傾角β進(jìn)行多因素多水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)，以牽引阻力為觀測指標(biāo)，得出最優(yōu)的α、δ、β參數(shù)組合，從而設(shè)計(jì)出省力的優(yōu)化深松鏟。

3.3.2 通過技術(shù)集成設(shè)計(jì)深松鏟。楊超[4]設(shè)計(jì)了交互式分層深松鏟，如圖9所示。依據(jù)土壤、玉米秸稈和根茬的空間分布差異性，通過滑切理論得到不同深度的滑動(dòng)摩擦角，從而設(shè)計(jì)前鏟鏟柄四段曲線。依據(jù)前鏟仿真過程中土壤顆粒回流規(guī)律及土壤和根茬的空間分布差異性，利用線元法和Matlab設(shè)計(jì)后鏟鏟柄三段曲線。前后鏟組合分層深松。

圖9 交互分層深松鏟

周華等[3]設(shè)計(jì)了滑切自激振動(dòng)減阻深松裝置，如圖10所示。運(yùn)用滑切原理，設(shè)計(jì)深松鏟柄結(jié)構(gòu)形狀，并組合自激振動(dòng)裝置。自激振動(dòng)連接方式滑切型深松鏟在各速度下相對于傳統(tǒng)弧形深松鏟減阻15.45%～20.05%。

圖10 滑切自激振動(dòng)減阻深松裝置

4 分析與建議

近年來，深松鏟設(shè)計(jì)方法的研究不斷深入和全面，主要集中在深松鏟刃段的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)和表面狀態(tài)設(shè)計(jì)，由此產(chǎn)生了綜合設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)方法研究的目標(biāo)集中在減小深松阻力。由于深松的要求不同，提高深松質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法研究還不多。有限元法、離散元法、Matlab、滑切理論、流體力學(xué)、振動(dòng)減阻等一系列方法或軟件都應(yīng)用到了研究中，并能綜合運(yùn)用，這也促使設(shè)計(jì)方法研究向數(shù)字化設(shè)計(jì)方向深入。

隨著設(shè)計(jì)方法研究的深度和廣度不斷推進(jìn)，保護(hù)性耕作下的深松鏟設(shè)計(jì)方法應(yīng)該不斷規(guī)范。適合東北黑土區(qū)保護(hù)的深松鏟設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該加大力度研究和推廣。在保證減阻效果的前提下，達(dá)到各種耕作模式要求的深松質(zhì)量目標(biāo)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)的深松鏟設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該值得廣大研究者的重視。