周 華 張文良 楊全軍 李東東 夏俊芳
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室, 武漢 430070)
傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)旋耕作業(yè)耕深一般不超過15 cm,多年的作業(yè)碾壓使土壤形成堅硬的犁底層,不利于土壤的蓄水保墑和作物的根系發(fā)展[1-3],深松是解決上述問題的主要措施。深松作業(yè)不但可以有效改良土壤的物理狀況,還對提高作物產(chǎn)量具有明顯的促進(jìn)作用[4-8],已經(jīng)成為國家重點推行的保護(hù)性耕作方式。由于深松部件作業(yè)時牽引阻力較大,對拖拉機(jī)的動力配備要求較高,因此通過對深松部件及其連接方式的優(yōu)化及改進(jìn)來降低其牽引阻力,成為深松技術(shù)發(fā)展的主要方向[9-11]。
當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者對深松作業(yè)的減阻問題進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[12-13]利用仿生學(xué)原理對深松鏟進(jìn)行了設(shè)計,并與傳統(tǒng)深松鏟進(jìn)行了對比試驗和分析。文獻(xiàn)[14-15]以離散元為基礎(chǔ)對深松鏟的刃口曲線進(jìn)行了設(shè)計,并證明減阻效果明顯。研究表明,振動深松可有效降低深松作業(yè)阻力,主要包括強(qiáng)迫振動[16-18]和自激振動[19-22]兩種方式。強(qiáng)迫振動雖然可以降低深松作業(yè)阻力,但需拖拉機(jī)動力輸出軸額外提供振動源;自激振動靠彈簧的伸長與壓縮使深松鏟產(chǎn)生振動,不需額外提供動力。
不同地區(qū)的土壤條件相差較大,因而適用于不同地區(qū)的深松方式也不盡相同,一些學(xué)者對深松減阻的研究均為對刃口或連接方式的單一設(shè)計,研究方式較為單一。目前,對長江中下游地區(qū)黏重土壤的深松研究不多,該地區(qū)土壤黏性較大,導(dǎo)致深松作業(yè)牽引阻力較大。針對上述存在的問題,本文結(jié)合滑切和自激振動兩種方法設(shè)計滑切型自激振動深松裝置,滑切型鏟柄可通過滑切土壤起到減阻的作用,同時彈簧預(yù)緊力可調(diào)的自激振動裝置可進(jìn)一步降低牽引阻力,達(dá)到雙重減阻的目的。為測試滑切型自激振動深松裝置的減阻效果和作業(yè)效果,在土槽實驗室中與傳統(tǒng)弧形深松鏟進(jìn)行牽引力對比試驗,并在黏重土壤條件下進(jìn)行田間性能試驗,以期為深松減阻研究提供參考。
滑切型自激振動深松裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由滑切型鏟柄、自激振動裝置及連接調(diào)節(jié)裝置組成。其中自激振動裝置主要包括外部的彈簧套筒、緊定螺母和預(yù)緊螺栓,以及內(nèi)部的大小兩個彈簧、限位管、連接銷和滑塊(如圖2所示),連接調(diào)節(jié)裝置主要包括1個前連接板和2個后連接板,滑切型自激振動深松裝置通過固定塊連接在機(jī)架上。
圖1 滑切型自激振動深松裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of sliding cutting self-excited vibration subsoiling device1.彈簧套筒 2.緊定螺母 3.預(yù)緊螺栓 4.鉸接銷 5.滑切型鏟柄 6.后連接板 7.前連接板 8.固定塊
圖2 自激振動裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure diagram of self-excited vibration device1.蓋板 2.大彈簧 3.小彈簧 4.限位管 5.連接銷 6.滑塊
深松裝置作業(yè)之前,通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓對滑塊產(chǎn)生推動作用,進(jìn)而對自激彈簧進(jìn)行壓縮,產(chǎn)生所需的預(yù)緊力,同時擰緊緊定螺母,防止作業(yè)過程中的振動使預(yù)緊螺栓產(chǎn)生松動,然后根據(jù)所需的耕深選擇滑切型鏟柄上合適的孔位與后連接板進(jìn)行鉸接,同時通過螺栓將前后連接板固定在一起。深松裝置作業(yè)時,隨深松深度的增加,牽引阻力逐漸增大,通過鉸接銷的杠桿作用,牽引阻力從深松鏟傳遞到滑塊,進(jìn)而傳遞到自激彈簧,使彈簧產(chǎn)生壓縮,由于土壤物理性質(zhì)的不均勻性及拖拉機(jī)的振動等原因令深松鏟產(chǎn)生變化的耕作阻力,由此彈簧產(chǎn)生振動,而限位管則限制了彈簧的最大壓縮量,當(dāng)彈簧所受載荷快要達(dá)到彈簧的承受極限時,滑塊與限位管接觸,形成剛性連接,從而阻止彈簧進(jìn)一步壓縮,防止彈簧因變形過大而產(chǎn)生不可逆性的損壞。若深松鏟突遇較大阻力,超過了鉸接銷的承受極限,則鉸接銷被剪斷,從而起到保護(hù)深松鏟的作用。
2.1.1鏟柄滑切角
深松鏟柄有弧形深松鏟、立柱型深松鏟等結(jié)構(gòu)形式,不同的鏟柄各有優(yōu)缺點,可適應(yīng)不同的耕作環(huán)境,針對長江中下游地區(qū)土壤質(zhì)地黏重、雜草秸稈多的特點需設(shè)計適合的深松鏟柄。為此,以滑切原理為基礎(chǔ)設(shè)計了滑切型深松鏟柄,以便于鏟柄對雜草和土壤具有滑切效應(yīng),從而可以減少雜草纏繞和牽引阻力。
鏟柄刃口曲線上任意一點的法線與該點運動速度方向之間的夾角定義為滑切角,而滑切作用的大小主要取決于滑切角的選取[23-24]。因此,為獲得理想的鏟柄滑切角,通過建立運動學(xué)和動力學(xué)模型,求解產(chǎn)生滑切的臨界條件。
如圖3所示,以鏟柄前進(jìn)方向為x軸正方向,以耕深反方向為y軸正方向建立平面坐標(biāo)系,以滑切質(zhì)點G為研究對象,并將其置于鏟柄刃口SS′與地面交接處。當(dāng)鏟柄前行時,滑切質(zhì)點G的運動由鏟柄對其產(chǎn)生的沿x軸的牽連運動和沿鏟柄刃口向下的運動復(fù)合而成,由此可建立滑切質(zhì)點G的動力學(xué)方程
(1)
式中FN——滑切質(zhì)點受到鏟柄刃口的法向力,N
Ffx——土壤對滑切質(zhì)點沿x軸的摩擦力,N
θ——鏟柄滑切角,(°)
m——滑切質(zhì)點G的質(zhì)量,kg
ae——沿x軸方向的牽連加速度,m/s2
Ffτ——滑切質(zhì)點沿鏟柄刃口切線方向的摩擦力,N
aτ——滑切質(zhì)點沿鏟柄刃口切線方向的加速度,m/s2
圖3 鏟柄滑切受力圖Fig.3 Sliding cutting force diagram of shovel handle
滑切質(zhì)點G在鏟柄刃口SS′的作用下有沿x軸反方向運動的趨勢,而地面則對其具有反方向的摩擦力,若鏟柄和滑切質(zhì)點之間要產(chǎn)生相對滑動,則二者之間必有相對運動趨勢,即
FNtanφ=Ffτ
(2)
式中φ——滑切質(zhì)點與鏟柄刃口的摩擦角,(°)
將式(2)代入式(1)化簡可得
FN(tanθ-tanφ)=maτ
(3)
由式(3)可知,正常工作狀態(tài)下法向力FN>0,要使鏟柄和滑切質(zhì)點之間產(chǎn)生相對滑動,則滑切質(zhì)點的切向加速度必然大于零,即aτ>0,由此可得θ>φ,即滑切角要大于鏟柄和滑切質(zhì)點間的摩擦角。該摩擦角可能是鏟柄和土壤的摩擦角,也可能是鏟柄與雜草或秸稈的摩擦角,而其摩擦因數(shù)一般不超過0.6,對應(yīng)的摩擦角約為31°,因此,鏟柄的設(shè)計滑切角需大于該摩擦角??紤]到滑切角過小滑切效應(yīng)不明顯,滑切角過大會引起鏟柄整體尺寸過大以及由此引發(fā)的強(qiáng)度不足和干涉等問題,因此設(shè)計滑切角θ=45°。
2.1.2鏟柄刃口角
鏟柄刃口角是影響鏟柄切割土壤及雜草的另一重要因素,刃口角過大會增大耕作阻力,降低鏟柄的切割能力,過小會導(dǎo)致刃口易磨損,較優(yōu)的刃口角范圍為40°~45°[14,25]。如圖4所示,滑切型鏟柄作業(yè)過程中實際的切土刃口角是水平刃口角,即鏟柄法向刃口角在水平面內(nèi)的投影角,而該水平刃口角也與上述所求的滑切角有重要關(guān)系,當(dāng)滑切角θ=0°時,實際切土的水平刃口角即為法向刃口角,由圖4的幾何關(guān)系可得
(4)
式中β0——法向刃口角,(°)
β——水平刃口角,(°)
lAB、lAC、lCD、lFB——兩點之間的距離,mm
將式(4)化簡可得
(5)
設(shè)計法向刃口角β0=60°,代入式(5)可求得水平刃口角β為44.42°,符合刃口角取值要求。
彈簧的參數(shù)設(shè)計須根據(jù)工作時所受載荷來進(jìn)行,而深松作業(yè)時彈簧所受載荷并非直接等于深松鏟的牽引阻力,作業(yè)時深松裝置受力簡圖如圖5所示。
圖5 深松裝置受力簡圖Fig.5 Force diagram of subsoiling device
M、N、P為鉸接點,可自由轉(zhuǎn)動,由理論力學(xué)分析可得
(6)
式中F′——彈簧所受載荷,N
F——深松鏟的牽引阻力,N
h1——深松鏟牽引阻力作用點Q到鉸接點P的垂直距離,mm
h2——彈簧所受載荷作用點N到鉸接點P的垂直距離,mm
α——彈簧軸線與水平面的夾角,(°)
由于不同的安裝孔位對h1、h2及α都有影響,因此以最大的受力來計算彈簧所受載荷是可行的。深松鏟的牽引阻力計算公式為
F=k0ab
(7)
式中k0——土壤比阻,N/cm2
a——深松深度,cm
b——擾動寬度,cm
取土壤比阻為5 N/cm2,深松深度為30 cm,擾動寬度為60 cm,計算得F=9 000 N,h1取值為510 mm,h2取值為280 mm,此時α為4.36°,代入式(6)可得彈簧所受最大載荷F′=16 440 N,因此,彈簧的受力極限應(yīng)超過該值。
參照文獻(xiàn)[26],自激彈簧的設(shè)計采用了大小雙彈簧設(shè)計,大彈簧在外,小彈簧在內(nèi),大彈簧直接靠彈簧套筒定位,小彈簧則靠蓋板和滑塊上的階梯軸定位,以保證二者工作過程中互不干擾,彈簧兩端均并緊磨平。2種彈簧的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1 自激彈簧參數(shù)Tab.1 Parameters of self excited springs
為了檢測鏟柄的強(qiáng)度,利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對鏟柄進(jìn)行了靜力學(xué)分析,結(jié)果如圖6所示。深松鏟所受載荷采用前文計算出的最大載荷9 000 N。深松鏟柄最大位移為4.68 mm,發(fā)生在鏟尖連接部位,最小位移發(fā)生在鏟柄頂部。鏟柄的最大應(yīng)力位于鏟柄連接部分與刃口交接處,為269.56 MPa,小于材料的屈服極限784 MPa,最小應(yīng)力同樣位于鏟柄頂部,鏟柄強(qiáng)度符合設(shè)計要求。
圖6 滑切型鏟柄有限元分析結(jié)果Fig.6 Results of finite element analysis of sliding cutting shovel handle
為了檢測滑切型自激振動深松裝置的作業(yè)性能及減阻效果,以牽引阻力為試驗指標(biāo),對滑切型深松鏟自激振動連接與滑切型深松鏟固定連接、弧形深松鏟進(jìn)行了對比試驗,試驗在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)室內(nèi)土槽實驗室進(jìn)行。
室內(nèi)土槽長度為40 m,寬度為2.5 m,試驗臺車由22 kW變頻電動機(jī)驅(qū)動,臺車運動速度范圍為0.3~10 km/h。試驗開始前5天對土壤進(jìn)行灑水滲透,之后對其進(jìn)行旋耕破碎并用刮土板將土壤刮平,最后由鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行鎮(zhèn)壓,以保證土壤各處物理性質(zhì)基本相同,每次進(jìn)行試驗前都需重復(fù)旋耕、刮平及鎮(zhèn)壓操作,以減小試驗條件引起的試驗誤差。試驗實際測得土壤含水率為17.71%,每次試驗取土槽中間20 m作為穩(wěn)定測量區(qū),前后10 m為緩沖區(qū)。
牽引阻力由BK-5型牽引力負(fù)荷傳感器(中國航天空氣動力技術(shù)研究院,單個量程30 kN,精度等級:0.3級)進(jìn)行測量,如圖7所示,試驗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集箱采集,并由無線發(fā)射裝置發(fā)送到接收計算機(jī)。每種形式的深松鏟分別進(jìn)行3個速度的測試,分別為2.0、2.5、3.0 km/h,深松深度固定為30 cm,每個作業(yè)工況進(jìn)行3次重復(fù),取3次平均值作為每個工況的試驗結(jié)果。
圖7 土槽測試裝置Fig.7 Testing device in soil bin1.數(shù)據(jù)采集箱 2.試驗臺車 3.BK-5型牽引力負(fù)荷傳感器 4.深松鏟
土槽對比試驗所得牽引阻力、垂直阻力及相比于弧形深松鏟減阻比如表2所示。
表2 不同速度下牽引阻力對比Tab.2 Comparison of traction resistance at different speeds
由表2可知,不同深松方式下,隨速度的增加,牽引阻力逐漸增加,其中弧形深松鏟增加量最大?;行蜕钏社P(固定連接方式)在各速度下相比于弧形深松鏟減阻7.79%~8.81%,減阻效果穩(wěn)定;滑切型深松鏟(自激振動連接方式)在各速度下相比于弧形深松鏟減阻15.45%~20.05%,減阻效果明顯,且隨速度的增加,減阻比有增大的趨勢。
不同深松方式下,垂直阻力受速度影響不大。固定連接方式滑切型深松鏟垂直阻力在各速度下相比于弧形深松鏟減阻24.27%~34.94%,自激振動連接方式滑切型深松鏟垂直阻力在各速度下相比于弧形深松鏟減阻30.47%~41.80%,滑切型深松鏟的垂直阻力明顯小于弧形深松鏟,其主要原因為滑切型鏟柄對土壤有向前向下的滑切作用,因而土壤對鏟柄有部分向上的反作用力,該反作用力抵消了部分垂直阻力,因此滑切型深松鏟的垂直阻力較小。
弧形鏟柄與滑切型鏟柄深松后鏟柄前的土壤堆積角如圖8所示,弧形鏟柄的土壤堆積角約為45°,而滑切型鏟柄的土壤堆積角為29°,這也進(jìn)一步證明了滑切型鏟柄對土壤向下的滑切作用。
圖8 鏟柄前土壤堆積角Fig.8 Soil accumulation angle before shovel handle
為了檢測滑切型自激振動深松裝置的田間作業(yè)性能,探究滑切型自激振動深松裝置對土壤不同深度層級的堅實度、容重、含水率等物理特性的影響,以及對土壤的擾動情況,于2018年6月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地進(jìn)行了深松單鏟田間試驗。
試驗田為冬閑置雜草田,田塊長度為60 m,土壤為典型的長江中下游黏性土,土壤堅實度及容重等較大,具體參數(shù)如表3所示。試驗主要測量儀器包括BK-5型牽引力負(fù)荷傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、帶有動力學(xué)參數(shù)遙測軟件的接收計算機(jī)、TJSD-750型土壤緊實度測定儀、環(huán)刀、干燥箱、電子秤、水平尺、卷尺、直尺等。
表3 作業(yè)前土壤參數(shù)Tab.3 Soil parameters before operation
深松裝置由拖拉機(jī)牽引,深松深度30 cm,由限深輪控制,調(diào)整好合適的彈簧預(yù)緊力后,拖拉機(jī)以2.5 km/h的速度前進(jìn)。試驗進(jìn)行3個行程,每個行程取中間20 m作為穩(wěn)定測量區(qū),田間作業(yè)情況如圖9所示。
圖9 田間試驗Fig.9 Field experiment
4.2.1牽引阻力
各行程牽引阻力對比如圖10所示。由圖10可知,各行程牽引阻力均在一定范圍內(nèi)波動,其中行程1、2、3的牽引阻力均值分別為3.59、3.90、3.64 kN。田間試驗的牽引阻力明顯比土槽試驗所得牽引阻力大,其主要原因為試驗田塊土壤類型為黏性土壤,且一段時間內(nèi)沒有種植作物,田塊土壤堅實度及容重較大,而土槽中的土壤每次作業(yè)均需翻耕等操作,雖然對土壤進(jìn)行了鎮(zhèn)壓,但仍達(dá)不到自然狀態(tài)下土壤的狀態(tài),因此,田間試驗牽引阻力大于土槽試驗牽引阻力。
圖10 各行程牽引阻力變化曲線Fig.10 Variation curves of traction resistance in each run
4.2.2土壤堅實度
土壤堅實度是土壤強(qiáng)度的一個綜合指標(biāo),土壤堅實度過大影響土壤的透氣透水和作物的根系發(fā)展,因此將土壤堅實度的降低率作為本次深松作業(yè)的一個重要指標(biāo)。
各行程后由于深松溝中心部位土壤被鏟柄擠到兩邊,雖有部分土壤回填,但基本上測不出土壤堅實度,因此以距離深松溝10 cm處作為土壤堅實度測量點,每個測量點同樣測0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 3個深度,各深度深松后土壤堅實度變化如圖11所示。由圖11可知,土壤堅實度在各深度下明顯減小。
圖11 各深度土壤堅實度變化曲線Fig.11 Changing curves in soil hardness at various depths
各深度下3個行程的土壤堅實度降低率如表4所示。由表4可知,在深松作業(yè)后0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 3個深度的土壤堅實度降低率均超過50%。其中0~10 cm的土壤堅實度降低率最大,3個行程的平均降低率為78.18%;10~20 cm的土壤堅實度降低率最小,3個行程的平均降低率為56.08%;20~30 cm的土壤堅實度降低率在3個行程的平均值為62.72%。3個深度的土壤堅實度降低率有先減小后增大的趨勢,其主要原因是由于滑切型自激振動深松裝置所用鏟尖為雙翼型鏟尖,對下部分土壤擾動較大,因此,20~30 cm的土壤堅實度降低率大于10~20 cm,又由于20~30 cm為犁底層區(qū),初始土壤堅實度較大,所以深松后的土壤堅實度仍大于10~20 cm。
表4 土壤堅實度降低率Tab.4 Reduction rate of soil hardness
4.2.3土壤容重與含水率
土壤容重和含水率的變化率是深松作業(yè)的另一項重要指標(biāo),各深度深松后土壤容重和含水率的變化情況如表5所示。由表5可知,深松作業(yè)后各深度土壤容重變化明顯,其中0~10 cm、10~20 cm土壤容重下降較大,分別為20.81%和20.51%,20~30 cm土壤容重下降較小,為14.66%,深松作業(yè)對土壤容重有較好的調(diào)節(jié)作用。各深度土壤含水率變化不大,0~10 cm土壤含水率略有下降,10~20 cm、20~30 cm土壤含水率略有上升,其主要原因為深松令表層土壤產(chǎn)生裂縫,以及深松溝的存在導(dǎo)致土壤走墑。
表5 土壤容重與含水率變化Tab.5 Changes of soil bulk density and moisture content
4.2.4土壤擾動系數(shù)及土壤蓬松度
土壤擾動系數(shù)和土壤蓬松度的計算需要測繪出耕前的地表線和耕后土壤的擾動輪廓曲線,測量方式為將水平尺架在兩邊等高的支架上,水平尺中間對準(zhǔn)深松溝中心位置,并令水平尺氣泡處于中間位置,用鋼直尺從水平尺中間位置開始向兩邊測量,每隔2 cm測量一個點,分別測量深松前和深松后的地表輪廓線,然后將松動的土壤完全扒出繼續(xù)測量深松溝底輪廓,如圖12a所示。在二維繪圖軟件中將所測數(shù)據(jù)還原成輪廓曲線,并以2 cm為單位畫出網(wǎng)格,以網(wǎng)格所占面積近似代替擾動面積,由此計算土壤擾動系數(shù)和土壤蓬松度,如圖12b所示。3個行程的土壤擾動系數(shù)均值為60.8%,土壤蓬松度均值為11.9%,根據(jù)作業(yè)要求,土壤擾動系數(shù)應(yīng)大于50%,土壤蓬松度應(yīng)小于40%,因此,深松作業(yè)質(zhì)量滿足要求。
圖12 土壤擾動系數(shù)及蓬松度測量Fig.12 Measurement of soil disturbance coefficient and fluffiness
4.2.5深松深度及穩(wěn)定性
3個行程下的深松深度均值為30.4 cm,變異系數(shù)均值為3.28%,深松深度穩(wěn)定性系數(shù)均值為96.72%,深松深度符合要求,深松深度穩(wěn)定性系數(shù)較高,可實現(xiàn)穩(wěn)定耕深作業(yè)。
(1)設(shè)計了一種滑切型自激振動減阻深松裝置,主要包括利用滑切原理設(shè)計的滑切型鏟柄及相應(yīng)的自激振動裝置,該深松裝置具有滑切及自激振動雙重減阻的效果。通過建立動力學(xué)方程對滑切型鏟柄的重要參數(shù)滑切角進(jìn)行了理論分析及參數(shù)設(shè)計,通過建立幾何方程對鏟柄的實際切土刃口角進(jìn)行了分析及計算,自激振動裝置采用了大小雙彈簧的設(shè)計,該設(shè)計能有效減小自激振動裝置及整個深松裝置的尺寸,利用有限元分析軟件對鏟柄強(qiáng)度進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,設(shè)計滿足要求。
(2)以牽引阻力為試驗指標(biāo),對自激振動連接滑切型深松鏟與固定連接滑切型深松鏟、弧形深松鏟進(jìn)行了土槽對比試驗,其中固定連接滑切型深松鏟在各速度下相比于弧形深松鏟減阻7.79%~8.81%,自激振動連接滑切型深松鏟在各速度下相比于弧形深松鏟減阻15.45%~20.05%,減阻效果明顯。
(3)田間性能試驗表明,深松牽引阻力大于土槽試驗牽引阻力;深松后各深度下土壤堅實度下降顯著,0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm深度下土壤堅實度降低率分別為78.18%、56.08%和62.72%;深松后各深度下土壤容重下降明顯,減小范圍為14.66%~20.81%,土壤含水率在0~10 cm略有下降,在10~20 cm和20~30 cm略有上升;土壤擾動系數(shù)均值為60.8%,土壤蓬松度均值為11.9%;深松深度及其穩(wěn)定性系數(shù)符合指標(biāo),滑切型自激振動深松裝置作業(yè)質(zhì)量總體滿足作業(yè)要求。