振动式深松机运动特性分析及试验研究

刘晓红，邱立春

(1.沈阳农业大学 工程学院，沈阳　110161；2.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



振动式深松机运动特性分析及试验研究

刘晓红1,2，邱立春1

(1.沈阳农业大学 工程学院，沈阳110161；2.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：为了深入研究深松机具作业过程中的牵引阻力、能量消耗及作业性能，首先对影响深松作业的结构参数振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度逐一进行分析；然后从运动特性入手，分别对3种不同振动角度下的运动轨迹进行了研究。结果表明：振动角等于0时，运动轨迹为一段锁扣波形，总功耗增加，深松效果增加不明显；当振动角大于0时，运动轨迹为一段沿运动方向倾斜的正弦波形，将其分为向前上方切削运动和后撤运动两段，前段功率消耗与非振动深松相当，但后撤阶段功率消耗增大使得降耗效果不明显；当振动角度小于0时，运动轨迹为一段沿运动方向相反倾斜的正弦波，将其分为向前下方切削运动和提升运动两段，同时，在提升阶段运动过程中，深松铲工作于已深松过的土壤中，因而功耗大大减小，可以实现减阻降耗目的。同时，在前进速度为0.2～1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80～-32.40和0～50Hz振动频率条件下，对振动式深松机具进行了单因素土槽试验研究，并分析了各因素与功率损耗之间的关系。

关键词：深松机；振动式；运动特性

0引言

在农业生产中，土壤深松是获取农作物高产必不可少的机械作业项目。深松作业能够打碎坚实的犁底层，增加耕作层深度，促进土壤小生态环境的形成，是实施农业保护性耕作的重要技术措施。土壤对机具的粘附作用使犁耕阻力增加约30%，造成燃料消耗增加，深耕部件磨损严重。用以降低土壤对耕作部件表面的粘附作用并克服相互之间的摩擦作用，所耗费的能量大约占整个深松作业过程消耗能量的三分之一或更多。据统计，耕作时土壤粘附和摩擦降低10%，我国每年可节省油耗0.7亿L。减少深松机具工作阻力、降低燃料消耗、提高能源利用率一直是国内外十分关注的问题。伴随着我国经济的迅速发展和人口激增，能源供需关系的日益紧张，农业机械化生产全面铺开，所需能源巨大，探索某种新的技术手段和研究方法，减少耕作阻力、降低能源消耗及机械化生产作业成本，耕作部件的减阻降耗的理论和试验研究工作意义重大。

减少深松机具耕作阻力是降低能耗的主要措施，一般通过改变土壤耕作部件的结构形式和工作参数，或改变耕作土壤的物理机械性质来实现。通常采用的减阻方法有电渗减阻、磁化减阻、振动减阻和仿生减阻等。对上述各种减阻方法综合分析比较，振动减阻耕作的减阻效果尤为明显，平均减少拖拉机牵引阻力15%～20%，节省能耗10%左右。

1国内外研究现状

T.Niya mapa和V.M.Salokhe等[1-2]的振动深松试验结果表明：深松机振动与无振动相比，牵引阻力之比为0.63:0.93，碎土效果明显改善，但拖拉机能耗增加41%～45%。E.P.Bandalan等[3]试验研究了振动耕作时深松机振动频率、振幅和前进速度因素对牵引阻力的影响，结果表明：当深松机振动幅值为36.5mm、振动频率为9.48Hz，机具前进速度为2.2km/h时，可降低33%的耕作阻力，但同时功耗增加24%。Szabo B，Barnes F，Sture S等[4]对推土铲、铧式犁、凿式犁等耕作部件进行振动试验的研究结果表明：当振动方向与机具前进方向一致时，可以减少犁耕阻力71%～93%；另一方面，在甜菜收获机中采用振动技术也获得了较为明显的节能降阻的效果，可平均节省能量消耗14%～18%[5]。Gholamhossein Shahgoli等[6-7]对振动耕作部件的振动角度和振动频率等试验研究表明：深松机振动耕作与一般耕作相比，拖拉机牵引阻力从25.8kN降至9.3kN，增大深松机的振动频率，拖拉机后悬挂动力输出的功率也随之增加；振动频率从1.9Hz增至8.8Hz时，功率从2.5kW增加到26.3kW。王俊发、魏天路、刘孝民等[8-9]应用二次正交旋转设计的试验方法对凿式振动深松铲进行了试验，试验结果表明：在深松作业过程中引入振动，大幅降低了牵引阻力，最大可降至不振动牵引阻力的30%；振动深松不能减少总功率消耗，相反功率会略有增加。振动频率越高，功耗越大，低频大幅度对于振动深松较合适。

国内外研制的振动式深松机具主要产品有罗马尼亚的MAS-60型振动深松铲、意大利的MORO型振动深松铲、法国APRON振动深松铲、德国生产的TLG-12型振动超深松机及匈牙利生产的FVA-3振动深松土犁等[10-13]。国内主要产品有河北华勤机械股份有限公司研制的1SZ型振动深松机、黑龙江龙润灌排技术开发有限责任公司的1SZ-210型多功能振动式深松机、西安大洋农林科技有限公司的大洋风1S-7型深松机、北京银华春翔农机有限公司的春翔1SQ-250型深松机等。振动式深松机具的工作原理大都是由拖拉机动力输出轴驱动偏心振子使深松机工作部件产生周期振动。本文以1SZ型振动深松机为原型，并在机架、铲柄做了相应改动，以完成不同参数试验。

2结构、工作参数分析

采用的振动式深松铲主要由支架、机架、激振器、开沟器、深松铲、杠杆式支架、三点悬挂和动力轴，以及限深轮等组成。其中，激振器是该试验机具的核心部件，该结构的优劣直接决定着机具工作性能和使用寿命，目前常见的结构形式包括曲轴滑槽、偏心振子及弹簧振动机构等[14-17]。所使用机具激振器选用了偏心轴摇杆结构，其能量从拖拉机的后悬挂动力输出轴通过万向传动轴接入，动力轴驱动偏心轴做圆周运动，与偏心轴挂接的杠杆式支架做相应的小角度摆动，固定在杠杆式支架上的深松铲产生振动，从而实现土壤的深松作业。振动式深松机结构如图1所示。图1中的坐标系是以振动深松销座为坐标原点而建立的直角坐标系。影响振动式深松铲深松作业效果和工作阻力的因素包含振动幅值、振动频率、振动角度和机具的前进速度。

2.1　振动幅值

深松机具的工作架在曲柄连杆机构的带动下绕着振动中心O摆动，摆动角为ε，可以推出

sinε=b/r=z/k

ε′=εsinωt

式中ε—工作架的摆动角度(°)；

b—工作架垂直摆动半径(m)；

k—工作架前段的摆动半径(m)；

z—曲轴的偏心尺寸(m)；

r—工作架后段的摆动半径(m)；

ε′—工作架的t时刻的摆动角度(°)；

ω—为深松机偏心轴的转动角速度(rad/s)。

工作架绕中心点O摆动并带动与其固定在一起的深松铲一起振动，深松铲铲尖绕着振动中心振动并可以得出

a=Rsinε

a′=R-Rcosε

式中a—深松铲水平方向的振幅(m)；

a′—深松铲垂直方向的振幅(m)；

R—振动深松铲的振动半径(m)。

1.偏心轴　2.轴承座　3.杠杆式支架

2.2　振动频率

深松铲的振动频率定义为深松铲每秒钟振动次数，其值与拖拉机后悬挂动力输出转速成正比。本文中所用动力由土槽台车中变频电机提供，转速0～3 000r/min可调。

f=n/60

式中f—深松铲的振动频率(Hz)；

n—后悬挂动力输出转速(r/min)。

2.3　振动角

深松铲的振动角定义为深松铲铲尖位于振动平衡位置时，深松铲铲尖与中心点连线与垂直方向的夹角。当深松铲铲尖位于振动中心前面时，振动角定义为正；当铲尖位于振动中心后面时，振动角定义为负，并可以推出

β=tan-1(-x/y)

式中β—深松铲的振动角度(°)；

x—深松铲铲尖到O的水平距离(m)；

y—深松铲铲尖到O的垂直距离(m)。

2.4　机具的前进速度

V0定义为振动深松机的前向运行速度，单位为m/s。本试验过程中，机具前进速度由土槽台车上的前进变频电机控制，精度为0.01m/s。

3运动特性分析

振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度是影响振动深松机的作业性能、工作阻力和功率消耗的重要参数，通过运动轨迹分析，可确定参数范围。

3.1　振动角β=0时运动特性分析

此时，深松铲铲尖位于振动原点O正下方，即振动角β=0时，深松铲的振动速度和位移可用余弦和正弦函数来描述，则

Zx(t)=V0t+Rsinε′

(1)

Zy(t)=-Rcosε′

(2)

深松铲的x轴方向位移、y方向位移及合成位移曲线如图2所示。水平方向上的位移曲线以a为振幅，振动频率为f=ω/(2π)。初始相位为0的正弦波形与斜率为V0的直线波形合成，如图2(a)所示。垂直方向上的位移曲线是以a′为振幅，振动频率为f=ω/(2π)的正弦波形在y轴方向向下平移R后的波形，如图2(b)所示。振动深松铲的运动轨迹为一段锁扣波形，锁扣频率为基础频率的1/2，幅值为a′，如图2(c)所示。对位移方程求导即可得出速度方程为

Vx(t)=V0+Rωεcosεcosωt

Vy(t)=Rωεsinε′cosωt

图2　振动式深松机水平速度V0≠0、β=0时位移

3.2　振动角β>0时运动特性分析

深松铲铲尖位于销座(坐标原点)左下方，即振动角β>0时，深松铲的振动速度和位移可用余弦和正弦函数来描述。其中，水平方向的振幅[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2，垂直方向的振幅为[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)

对位移方程求导，即可得出速度方程为

Vx(t)=V0+Rωεcos(β+ε′)cosωt

Vy(t)=Rωεsin(β+ε′)cosωt

深松铲的x轴方向位移、y方向位移及合成位移曲线如图3所示。水平方向上的位移曲线以[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2为振幅、振动频率为f=ω/(2π)，ω为后悬挂动力轴旋转角频率。初始相位为零的正弦波形与斜率为V0的直线波形合成，如图3(a)所示。垂直方向上的位移曲线以[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2为振幅，振动频率为f=ω/(2π)的正弦波形在y轴方向向下平移R后的波形，如图3(b)所示。振动深松铲的运动轨迹为向运动方向倾斜的正弦波形在y轴方向向下平移后得到波形，幅值为[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2，如图3(c)所示。

图3　振动式深松机水平速度V0≠0、β>00位移

3.3　振动角β<0时运动特性分析

深松铲铲尖位于销座(坐标原点)右下方，深松铲的振动速度和位移可用余弦和正弦函数来描述。其中，水平方向振幅[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2，垂直方向的振幅为[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)

深松铲的x轴方向位移、y方向位移及合成位移曲线如图4所示。由图4可见，振动角β<0。水平方向上的位移曲线以[Rsin(β+ε)-Rsin(β-ε)]/2为振幅，振动频率为f=ω/(2π)，ω为后悬挂动力轴旋转角频率。正弦波形与斜率为V0的直线波形合成，如图4(a)所示。垂直方向上的位移曲线以[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2为振幅，振动频率为f=ω/(2π)的正弦波形在y轴方向向下平移R后的波形，如图4(b)所示。振动深松铲的运动轨迹为一段向与运动方向相反方向倾斜的正弦波形在y轴方向向下平移后得到，频率为f=ω/(2π)，幅值为[Rcos(β+ε)-Rcos(β-ε)]/2，如图4(c)所示。对位移方程求导即可得出速度方程为

Vx(t)=V0+Rωεcos(β-ε′)cosωt

Vy(t)=-Rωεsin(β-ε′)cosωt

图4　振动式深松机水平速度时V0≠0、β>00位移

由上述3种运动形态可以得出如下结论：

1)当V0≠0、β=0时，振动式深松铲的运动轨迹为锁扣波形。与非振动式深松机运动轨迹-近似直线相对比，前者在已经深松过的土壤上额外做了圆周运动，从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，基本没有减阻效果。

2)当V0≠0、β>0时，振动式深松铲的运动轨迹为沿运动方向倾斜的正弦波形，深松过程可分为切削、后撤两部分。深松铲向前上方切削未深松土壤所消耗功率略小于非振动深松过程，但在后撤过程中深松铲依然要在未深松土壤中作业，消耗更多的功率，土壤深松效果有了很大改善；此时所消耗的功率由拖拉机的牵引力和后悬挂动力轴输出，从而使用较小拖拉机完成深松作业变为可能，土壤疏松效果好，但减阻效果较差。

3)当V0≠0、β<0时，振动式深松铲的运动轨迹为沿运动方向反方向倾斜的正弦波形，深松过程可分为切削、提升两部分。深松铲向前下方切削未深松土壤所消耗功率略小于非振动深松过程，在提升阶段深松铲在已经深松的土壤中作业，消耗功率较小，土壤深松效果明显；此时所消耗的功率由拖拉机的牵引力和后悬挂动力轴共同输出，而后悬挂动力输出效率高，合理配置两者比例，可以实现减阻降耗的目的。

4试验研究

试验是在青岛农业大学机电工程学院土槽实验平台上进行的，如图5所示。搭建的土槽试验台由土槽、轨道、试验台车、振动式深松机、无级调速牵引系统、无级调速动力驱动系统、自动控制系统、手动控制系统及测控系统等组成，能够模拟振动式深松机的田间工况和对各个参数进行采集和分析。试验机具通过T型螺栓固定在试验台车后三点悬架上，土槽试验台车上的两台变频电机分别为试验机具提供前进动力和旋转驱动力，台车上的控制系统可以精确地控制试验过程中前进速度、转速、耕作深度等工作参数。试验台车后侧动力输出轴经万向节传递至试验机具凸轮装置，凸轮的偏心距和铲的位置确定了深松机的振动幅度，改变与动力输出轴连接的无级变频电机的转速就可以改变振动频率。

1.土槽台车主控装置　2.自动控制系统　3.测控系统调理装置

试验台测试系统包括双电动机控制系统，由应变桥路、NI公司的PXI-6133同步数据采集卡组成的测试系统及上位机分析处理系统组成。电动机控制系统通过变频器实现振动式深松机频率调节，测量控制系统目的是检测并控制试验台车的前进速度、后悬挂输出转速及机具的耕深等工作参数，并可测定不同作业方式下的试验部件的牵引阻力、牵引功耗及旋转扭矩和旋转功耗。应变桥路产生的测试信号经信号调理系统放大、滤波、转换等处理后，再由上位机编制的基于LABVIEW的测试系统进行相关数据的分析和处理[18-21]。

振动式深松机测试试验土槽长35m，宽2.5m，深1.2m。为提高试验数据的可信度，试验过程中要求各次试验土壤的坚实度及含水率基本保持一致，且土壤表面平整。土壤整理工艺分碎土及初平、洒水、土壤分层压实4部分，由台车的自动控制系统分时自动完成。整个试验过程所用土壤类型单一、犁底层固定，因此试验中耕深固定，设为30cm。分别对前进速度为0.2～1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80°～-32.40°条件下，在0～50Hz振动频率下的一组工作部件进行土槽单因素试验研究，如图6～图8所示。由图6可见：深松作业过程中，功率消耗随着机具的前进速度提升而增加；但并非线性关系，其旋转功耗指后悬挂扭矩功耗。由图7可知：切削功耗和总功耗随着振动频率的增加而降低，在12Hz附近降至最低而后增加，旋转功耗随之振动频率增加而增加。由图8可以看出：振动角对整个深松作业过程中能耗影响很大，总功耗在-10°左后达最低，切削功耗随着振动角度增加而增加，旋转功耗随振动角度增加先减小后增加。

图6　振率12Hz、0°时，旋转功耗、切削功耗和总功耗曲线

图7　速度0.5m/s、0°时，旋转功耗、切削功耗和总功耗曲线

图8　速度0.5m/s、12Hz时，旋转功耗、切削功耗和总功耗曲线

5结论

1)通过对国外相关振动作业机具的研究，确定了振幅、振动频率、振动角和前进速度为影响振动深松机具作业的主要参数。

2)从机具运动特性入手，对3种不同振动角度的运动轨迹分别进行了研究分析，得出当振动角度为负值时功耗大大减小，能有效实现减阻降耗的目的。

3)对机具的前进速度、振动频率、振动角度分别进行单因素试验，分析得出了各因素与功率损耗之间的关系。

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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

中图分类号：S233.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0035-06

作者简介：刘晓红(1980-)，女，山东青岛人，博士研究生，(E-mail)lxh964@126.com。通讯作者：邱立春(1957-)，男，沈阳人，教授，博士生导师，(E-mail)qlccn@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51175354)

收稿日期：2015-11-15