鄒亮亮 劉 功 苑 進 辛振波 牛子孺

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271018；3.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

深松作業(yè)是解決田間土壤壓實和提高水利用率的有效手段，能夠切實提高農(nóng)作物產(chǎn)量[1-4]，已成為保護性耕作的重要組成部分。但深松作業(yè)時深松鏟切削和擠壓土壤產(chǎn)生的高阻力需要大功率拖拉機牽引，導(dǎo)致深松作業(yè)效率低。另一方面，深松作業(yè)常在春季與秋季進行，此時我國華北、西北等地區(qū)往往存在干旱少雨的情況，使得待耕作土地含水量較低，土壤緊實度高，增加了深松作業(yè)阻力，加劇了機具磨損。因此，改進傳統(tǒng)深松鏟設(shè)計，實現(xiàn)深松作業(yè)減阻，對深松作業(yè)的節(jié)本增效具有重要意義。

目前深松機具的減阻方式主要有振動減阻和仿生減阻兩種方式。研究證明振動減阻方式，特別是在砂土和壤土等土壤類型中，作業(yè)減阻效果良好，但該方式存在深松速度慢、作業(yè)效率低等問題，且振動深松作業(yè)中深松鏟與拖拉機、駕駛?cè)藛T之間的共振問題難以有效解決，導(dǎo)致駕駛?cè)藛T舒適性很差[5]。仿生減阻方式，如仿生棕熊爪趾底盤[6]和仿生鯊魚皮盾鱗結(jié)構(gòu)深松鏟[7-8]，具有一定減阻效果[9]。

試驗研究表明：液體潤滑可以有效降低摩擦副的摩擦力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通等領(lǐng)域[10]。閆國琦等[11]將仿生減阻結(jié)構(gòu)與液體潤滑減阻相結(jié)合，提出一種水田船仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于水田機械的作業(yè)減阻。劉國敏[12]研究了蚯蚓體表的潤滑機理，依據(jù)其仿生結(jié)構(gòu)，設(shè)計了仿生樣件，試驗證明仿生樣件在有潤滑和無潤滑條件下均有減阻效果，且最大減阻率達到79%。姚久元[13]將蚯蚓波紋潤滑體表結(jié)構(gòu)應(yīng)用于開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了開溝器的土壤粘附力和開溝阻力。鑒于深松作業(yè)牽引阻力大，應(yīng)用液體潤滑實現(xiàn)深松減阻具有重要意義。

針對深松作業(yè)阻力大、作業(yè)效率低、牽引能耗高等問題，本文將潤滑減阻方式應(yīng)用在大耕深的深松作業(yè)中，提出一種曲面深松鏟的主動潤滑減阻設(shè)計方案。通過離散元法分析該曲面深松鏟深松作業(yè)中深松鏟與土壤顆粒間的交互作用特性，確定鏟體最大摩擦接觸面。在曲面深松鏟的主要摩擦面上設(shè)計加工表面織構(gòu)和節(jié)流孔，表面織構(gòu)借鑒蚯蚓體表的仿生結(jié)構(gòu)，節(jié)流孔噴出潤滑介質(zhì)，形成潤滑液和泥土混合的減阻層，達到減小作業(yè)阻力的目的。

1 曲面深松鏟作業(yè)仿真與主要摩擦面分析

1.1 曲面深松鏟建模

針對黃淮海地區(qū)深松機產(chǎn)品開展市場調(diào)研，將市場占有率較高的曲面深松鏟作為研究對象。該種深松鏟可以對全耕層土壤進行疏松作業(yè)，在實現(xiàn)對深層土壤擾動的前提下不打亂土層的結(jié)構(gòu)，同時對土壤的擾動效果較好，另外其側(cè)面的曲面形狀結(jié)構(gòu)非常適合應(yīng)用液體潤滑模式。曲面深松鏟如圖1所示，由鏟柄、鏟面、鏟尖和底座組成，其深松深度可達50 cm。

圖1 曲面深松鏟Fig.1 Curved subsoiler1.底座 2.鏟尖 3.鏟面 4.鏟柄

應(yīng)用三維掃描法對曲面深松鏟完成結(jié)構(gòu)建模，使用三維掃描儀(掃描精度0.05 mm)拍攝鏟面、鏟柄，經(jīng)Geomagic studio軟件處理得到三維結(jié)構(gòu)的點云文件，對點云文件去噪、統(tǒng)一、補洞、封裝等命令，得到深松鏟鏟面和鏟柄的精確模型，使用三維設(shè)計軟件繪制曲面深松鏟的鏟尖和底座，與鏟柄、鏟面裝配后，得到曲面深松鏟的工程模型，模型如圖2b所示。

圖2 三維掃描曲面深松鏟建立的工程模型Fig.2 Engineering models of 3D scaning curved subsoiler

1.2 耕作土壤仿真參數(shù)標(biāo)定

為將主動潤滑減阻作業(yè)模式應(yīng)用到曲面深松鏟上，本文使用離散元法分析曲面深松鏟深松作業(yè)過程中對土壤的擾動和作業(yè)阻力，獲得深松鏟的最大摩擦接觸面。為了確保仿真中土壤參數(shù)的準(zhǔn)確性，標(biāo)定土壤的物性參數(shù)使之與試驗地區(qū)的耕作土壤一致。

通過調(diào)整仿真中恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)以及滾動摩擦因數(shù)，結(jié)合斜面試驗，標(biāo)定EDEM仿真中土壤的含水率[14]。經(jīng)過多次試驗，當(dāng)仿真中土壤與深松鏟之間的恢復(fù)系數(shù)為0.3、靜摩擦因數(shù)為0.5、動摩擦因數(shù)為0.05時，與大田中含水率為15%的土壤對應(yīng)。

選擇EDEM中的Hertz-Mindlin with bonding接觸模型作為土壤顆粒的粘結(jié)模型，顆粒之間存在法向與切向兩個方向的接觸力，粘結(jié)顆粒與壁面發(fā)生碰撞時，當(dāng)法向和切向的應(yīng)力達到一定程度時會導(dǎo)致顆粒之間的粘結(jié)力破裂，用以仿真深松鏟深松過程中的土壤擾動和土塊粉碎。

該過程首先生成土壤顆粒，并在其穩(wěn)定后為土壤顆粒間添加Hertz-Mindlin with bonding接觸模型，結(jié)合對土壤各參數(shù)的標(biāo)定并參考文獻[15-18]中的標(biāo)定參數(shù)。測量土壤耕作層與犁底層的土壤緊實度，并在EDEM中標(biāo)定土壤緊實度，通過調(diào)整EDEM中Hertz-Mindlin with bonding接觸模型的參數(shù)[19]，獲得土壤堅實度較高的仿真參數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)定值如表1所示。建立的土壤模型，法向剛度為2.43×106N/m，切向剛度為1.76×106N/m，法向臨界壓力為1.8×105Pa，切向臨界壓力為1.21×105Pa，粘結(jié)半徑為1.5 mm時，經(jīng)緊實度仿真試驗[19]測得，與試驗區(qū)域的土壤緊實度一致。

表1 EDEM主要仿真參數(shù)Tab.1 Main parameters of EDEM simulation

將曲面深松鏟的模型導(dǎo)入EDEM中，將其放置于土壤模型的正前方并調(diào)整至與真實大田作業(yè)時相同的角度，設(shè)置曲面深松鏟的前進速度為2 m/s。

1.3 曲面深松鏟土壤擾動與阻力分析

1.3.1土壤擾動仿真分析

圖3給出了曲面深松鏟深松作業(yè)中擾動土壤的速度分布圖，從圖中可以看到，在深松鏟的作用下，當(dāng)土壤開始出現(xiàn)擾動時，深松鏟的鏟尖與鏟面先接觸土壤顆粒，深松鏟對土壤的擾動開始于鏟尖與鏟面的迎土面上，在鏟尖的上端、鏟面的下部，其緊鄰的土壤顆粒速度最大，說明鏟尖與鏟面向其所接觸的土壤顆粒傳遞了較多動能，周圍的土壤顆粒獲得動力勢能發(fā)生運動，而鏟柄在工作狀態(tài)中時，其前側(cè)的大部分被鏟面遮擋，鏟柄前側(cè)不直接與土壤顆粒接觸，因此鏟柄所受土壤顆粒的阻力遠小于鏟面所受土壤顆粒的阻力。

圖3 深松鏟擾動土壤速度仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of subsoiler soil disturbance velocity

由圖3a可知，鏟尖擾動土壤的位置處，沿鏟尖的上層分布較多紅色顆粒，說明這部分位置的土壤受到深松鏟擾動獲得較多動力勢能，因此鏟尖此位置所受阻力較大。由圖3b可知，鏟面附近紅色顆粒的土壤基本緊貼鏟面，鏟面迎土側(cè)所受阻力最大。

1.3.2深松阻力分析與主要摩擦面確定

在EDEM的后處理模塊中，通過對土壤進行分層可以獲得深松鏟不同位置的阻力情況。本文將深松鏟分為10層后導(dǎo)出每一層的阻力，由圖4可得，在鏟面下端處的土壤阻力較大，第1、2、3、4層阻力的和占總阻力的85%。

圖4 深松鏟分層與阻力仿真結(jié)果Fig.4 Subsoiler layering and resistance simulation results

根據(jù)仿真中土壤擾動分析與阻力分析的結(jié)果，確定曲面鏟的前表面和鏟尖的上表面是主要摩擦面，是深松作業(yè)阻力的主要來源，所設(shè)計布置的表面織構(gòu)以及用于潤滑流體的孔均應(yīng)放置在主要摩擦表面上，以獲得更大的減阻效果。另一方面，運輸管道應(yīng)放置在非直接接觸土壤的區(qū)域，即布置在鏟面和鏟柄的背土側(cè)，以防止運輸管道被土壤或石塊損壞。

2 曲面深松鏟主動潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 深松鏟主動潤滑減阻方式

深松阻力的主要來源是土壤切割力、摩擦力以及慣性力[20]，由于土壤切割力和慣性力是深松鏟作用到土壤上、實現(xiàn)深松功能的不可或缺的作用力，而土壤與鏟面間的摩擦力是可以通過潤滑方式實現(xiàn)減阻的。

本文的主動潤滑減阻方式是通過在曲面深松鏟的主要摩擦面上設(shè)計潤滑面，再強制將潤滑介質(zhì)通過輸送管路和節(jié)流孔輸送到切割土壤和曲面深松鏟的界面之間。一方面，在土壤和鏟面相對運動中，由于潤滑介質(zhì)的介入，在深松鏟表面與土壤之間形成潤滑液和泥土混合的減阻層，比低含水率土壤與鏟面直接接觸形成更小摩擦因數(shù)的潤滑界面，從而部分降低土鏟間的摩擦阻力同時減少鏟面磨損。由于節(jié)流孔無法在鏟面上布置太多，因此曲面深松鏟的表面織構(gòu)借鑒了蚯蚓體液分布構(gòu)形與體表織構(gòu)，即溝槽形式的鏟面構(gòu)型用于儲存潤滑介質(zhì)并及時補充在土鏟界面中的潤滑介質(zhì)，使?jié)櫥橘|(zhì)更易進入摩擦表面，也有利于保持潤滑界面的潤滑面積。另一方面，土壤與鏟面相對運動中，潤滑面的表面構(gòu)型有利于降低土壤切割面在鏟面上的負壓吸附作用，同時表面織構(gòu)能降低土壤切割面的連續(xù)性，減小接觸面積，從而降低深松鏟面的摩擦力，達到減阻效果。

2.2 潤滑面織構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1潤滑面選擇

通過上述分析可以得出，曲面深松鏟在作業(yè)過程中，鏟面的前表面和鏟尖的上表面是主要摩擦面，是深松鏟作業(yè)阻力的重要來源之一。為了減小深松作業(yè)阻力，選擇鏟面的前表面和鏟尖的上表面作為潤滑面設(shè)計表面構(gòu)型和節(jié)流孔。

2.2.2潤滑面設(shè)計原理

蚯蚓是一種典型的土壤內(nèi)運動動物，蚯蚓體表上有多個背孔，背孔能夠在蚯蚓前進過程中分泌體表粘液，體表粘液與波紋結(jié)構(gòu)的體表構(gòu)型可以降低蚯蚓在土壤中前行時的阻力[21-22]。蚯蚓頭部屬于波紋型非光滑結(jié)構(gòu)，如圖5所示[21]。蚯蚓體表的體節(jié)與節(jié)間溝組成環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，形成一級宏觀波紋形非光滑結(jié)構(gòu)，體表含有大量交錯細紋，形成二級微觀波紋形非光滑結(jié)構(gòu)，蚯蚓的這種波紋形結(jié)構(gòu)對保留體表粘液具有積極作用。

圖5 蚯蚓體表波紋形非光滑結(jié)構(gòu)Fig.5 Corrugated non-smooth structure on earthworm surface

吳雪橋[23]以白頸參環(huán)毛蚓為研究對象，對蚯蚓三維激光掃描獲得其體表形貌和尺寸參數(shù)，根據(jù)體表的單元體節(jié)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，提取蚯蚓舒張態(tài)頭部波紋曲線，如圖6所示，擬合曲線公式為

y=0.151-0.149 8cos(1.298x)+0.083sin(1.298x)

(1)

式中x——單元體節(jié)沿x方向長度，mm

y——單元體節(jié)沿y方向高度，mm

圖6 蚯蚓舒張態(tài)頭部波紋曲線[23]Fig.6 Diastolic head ripple curve of earthworm

研究表明，波紋體表結(jié)構(gòu)能夠降低蚯蚓與土壤的接觸面積，并在蚯蚓體表與土壤之間形成空隙，降低空氣負壓達到減阻效果。其中蚯蚓體表單元體節(jié)的寬深比為

(2)

本文提出主動液體潤滑減阻思路，并借鑒蚯蚓體液分布構(gòu)形與體表織構(gòu)，將蚯蚓舒張態(tài)頭部波紋曲線簡化，將波紋結(jié)構(gòu)簡化為溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽的橫截面與蚯蚓波紋曲線一致，寬深比與蚯蚓波紋單元體節(jié)寬深比一致，將蚯蚓體表背孔簡化為節(jié)流孔，節(jié)流孔數(shù)量和位置布置保證潤滑介質(zhì)能夠?qū)︾P體最大面積地覆蓋。

2.2.3鏟面主動潤滑減阻結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的具有蚯蚓體表波紋單元體節(jié)尺寸寬深比特征的主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟面，如圖7所示。根據(jù)節(jié)流孔的加工條件確定第1條溝槽的位置，將第1條溝槽布置在鏟面迎土面前端，使節(jié)流孔在溝槽中均勻分布，保證潤滑介質(zhì)對鏟面最大面積地覆蓋。為避免節(jié)流孔在深松過程中出現(xiàn)堵塞狀況，設(shè)計了節(jié)流孔方向沿鏟面法線方向和前進反方向具有一定傾斜角度，減少發(fā)生堵塞的可能性，結(jié)合曲面深松鏟的結(jié)構(gòu)，選擇合適角度。通過離散元仿真分析，獲得主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟面的設(shè)計參數(shù)見表2。

圖7 主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟面設(shè)計結(jié)果Fig.7 Design drawings of active lubrication subsoiler surface1.鏟柄安裝孔 2.潤滑溝槽 3.潤滑節(jié)流孔 4.底座連接孔

2.2.4鏟尖主動潤滑減阻結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏟尖處于深松鏟最前端，作業(yè)過程中最先接觸土壤、擾動土壤，且鏟尖處的土壤堅實度較大，依據(jù)深松作業(yè)仿真分析，鏟尖深松作業(yè)中所受阻力較大。本文根據(jù)蚯蚓體表結(jié)構(gòu)特征設(shè)計鏟尖，在鏟尖上設(shè)計潤滑溝槽與潤滑介質(zhì)節(jié)流孔。

表2 鏟面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of subsoiler surface

結(jié)合鏟尖的實際尺寸，將鏟面溝槽結(jié)構(gòu)等比例縮放。加工鏟尖內(nèi)腔，使內(nèi)腔與節(jié)流孔相通，為節(jié)流孔提供潤滑介質(zhì)。主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟尖上表面與側(cè)表面的溝槽與節(jié)流孔設(shè)計見圖8，鏟尖的具體參數(shù)見表3。

圖8 主動潤滑減阻曲面深松鏟鏟尖設(shè)計結(jié)果Fig.8 Design drawing of subsoiler tip

2.3 潤滑液輸送系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1潤滑介質(zhì)選用

當(dāng)前國內(nèi)因不合理使用土壤，造成土壤污染情況日益嚴(yán)重，使得土壤酸化、鹽漬化、鹽堿化等問題日益突出。另一方面，土壤調(diào)理劑主要功能包括改良土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤鹽堿危害、調(diào)節(jié)土壤酸堿度、改善土壤水分狀況。因此本文提出的深松過程結(jié)合深層土壤改良作業(yè)，潤滑介質(zhì)可應(yīng)用灌溉水或水溶性肥料、土壤消毒、殺菌等兼具土壤改良功效的土調(diào)劑水溶液，例如腐殖酸配施鈣鎂土壤調(diào)理劑能夠減輕鹽堿土中養(yǎng)分淋洗影響[24]，具體施用量需要參考土壤調(diào)理農(nóng)藝需求，因而深松與深層土壤改良復(fù)合作業(yè)將具有更好的土壤殺菌、消毒，甚至降低鹽堿化的有益效果。

表3 鏟尖結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Structural parameters of subsoiler tip mm

2.3.2潤滑管路結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了將潤滑介質(zhì)通過管路輸送到鏟面和鏟尖的織構(gòu)表面，在土壤與織構(gòu)表面間形成潤滑界面，設(shè)計了一個具有多通結(jié)構(gòu)的潤滑介質(zhì)運輸管路。該運輸管路由1個主管道和4個分支管道組成，如圖9所示。部分潤滑介質(zhì)通過4個分支孔到達鏟面上的4個節(jié)流孔中，其余潤滑介質(zhì)到達管路底部，潤滑介質(zhì)需要進入鏟尖內(nèi)腔，因此在底座設(shè)計一個通孔，通孔連接潤滑管路的底端與鏟尖內(nèi)腔，底座通孔位置如圖10所示，圖中標(biāo)注處相通，通孔直徑8 mm。

圖9 潤滑管路設(shè)計結(jié)果Fig.9 Results of lubrication pipeline design

圖10 底座通孔設(shè)計結(jié)果Fig.10 Result of lubricating hole in base

2.3.3潤滑液流量計算

作業(yè)過程中水泵將潤滑介質(zhì)輸送至節(jié)流孔，節(jié)流孔噴出的潤滑介質(zhì)在鏟體表面形成潤滑界面，為了選擇適用的潤滑液水泵，需計算形成潤滑界面所需流量。

假定潤滑介質(zhì)在鏟面和鏟尖表面形成潤滑界面需分布厚度為p的液膜，液膜在鏟面垂直地面方向上有效面積的高度為h1，液膜在鏟尖上的有效高度為h2，初設(shè)液膜的厚度p為1 mm，深松鏟以速度v勻速作業(yè)，深松作業(yè)單位時間內(nèi)，鏟面與鏟尖所需流量W1、W2的計算式為

W1=h1pv

(3)

W2=h2pv

(4)

潤滑減阻系統(tǒng)所需流量為W=W1+W2，得到潤滑系統(tǒng)所需流量約為11.67 L/min。本文選擇24 V直流驅(qū)動的水泵(型號：ZQB-24)，最大流量為5 m3/h，聯(lián)接PWM調(diào)速器可實現(xiàn)深松作業(yè)過程中潤滑介質(zhì)的流量調(diào)節(jié)。

3 田間性能試驗

為了檢驗主動潤滑減阻深松鏟的減阻效果，對深松鏟的作業(yè)阻力進行試驗測量。分別在山東省濟寧市兗州區(qū)試驗田A(土壤質(zhì)地為褐土地)和山東省濱州市無棣縣試驗田B(土壤質(zhì)地為鹽堿地)開展深松樣機田間性能試驗，如圖11所示。

圖11 田間試驗Fig.11 Field trial

圖12 不同深度土壤緊實度變化曲線Fig.12 Changing curves of soil compaction at different depths

3.1 試驗方法

使用土壤緊實度儀測量兩處試驗田土壤0～40 cm深的緊實度，結(jié)果如圖12所示。采用環(huán)刀法對兩處試驗田土壤進行取樣，測得試驗田A、B土壤含水率分別為22.7%和10.8%，含鹽率分別為0.12 g/kg和0.31 g/kg。可以看出兩處試驗田土壤含水率均較低，土壤緊實度較高，屬于干旱少雨地區(qū)典型的土壤耕作類型。

選擇電阻式全橋連接應(yīng)變片阻力測量方法，將應(yīng)變片分別固定在普通深松鏟和潤滑深松鏟的鏟柄前面的非入土區(qū)，如圖13所示，實現(xiàn)深松作業(yè)阻力測量。

圖13 深松阻力測量應(yīng)變片安裝Fig.13 Strain gauge installation

試驗動力采用雷沃M1254-G型拖拉機，使用三點懸掛安裝方式掛接拖拉機與機架，使用限深輪控制深松鏟作業(yè)深度為45～50 cm。將水箱和水泵固定于機架上，連接水泵和潤滑管路，使用PWM調(diào)節(jié)水泵的供電電壓，實現(xiàn)不同潤滑介質(zhì)的流量調(diào)節(jié)。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1試驗結(jié)果單因素分析

在試驗田A中，選擇潤滑流量4、8、12 L/min，作業(yè)速度3、7、10 km/h。阻力曲線如圖14所示。在更高土壤緊實度的試驗田B中，控制作業(yè)速度為2 km/h左右，潤滑液流量為12 L/min，阻力曲線如圖15所示。

圖14 試驗田A阻力曲線Fig.14 Resistance curves of test field A

圖15 試驗田B阻力曲線Fig.15 Resistance curves of test field B

根據(jù)兩處試驗田試驗的阻力曲線，計算得到主動潤滑減阻曲面深松鏟的減阻率z為

(5)

式中Ft——普通曲面深松鏟作業(yè)過程中平均阻力，N

Fl——主動潤滑減阻曲面深松鏟作業(yè)過程中平均阻力，N

對比傳統(tǒng)曲面深松鏟，計算不同工況(速度和流量不同)下主動潤滑減阻深松鏟的減阻率。在試驗田A中，當(dāng)速度為3 km/h、流量為12 L/min時具有最佳的減阻效果，減阻率達到13.48%，如表4所示。在試驗田B中，當(dāng)流量為12 L/min時減阻率范圍為14.17%～19.87%，在流量為12 L/min、速度為1.87 km/h狀態(tài)下具有最為明顯的減阻效果，減阻率達到19.87%。

表4 不同工況下的減阻率Tab.4 Drag reduction rate under different conditions

分析兩處試驗田試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在不同速度、流量、土壤含水率條件下，主動潤滑減阻深松鏟的減阻率有較大的差異，為了分析試驗條件對減阻率的影響，對多個試驗因素進行單因素分析。

對速度因素進行分析發(fā)現(xiàn)：主動潤滑深松鏟的減阻率受到作業(yè)速度的影響。在相同流量下，機具作業(yè)速度越快，減阻率越低。其原因在于：深松鏟在高速作業(yè)狀態(tài)下，單位時間內(nèi)覆蓋在深松鏟鏟體上的潤滑液膜較少，導(dǎo)致減阻率較低；而低速的作業(yè)狀態(tài)中，單位時間內(nèi)有更多的潤滑液膜覆蓋在深松鏟的鏟體上，因而具有更好減阻率。

對流量因素的分析發(fā)現(xiàn)：由相同速度下不同流量的減阻率結(jié)果可知，減阻率是隨著流量的增加而增加的，但是在速度為10 km/h的試驗中，流量為8 L/min的減阻率比流量4 L/min的試驗減阻率低。分析原因在于：該組試驗中有較快的試驗速度，從鏟體上節(jié)流孔中噴出的潤滑介質(zhì)并沒有來得及在鏟體的潤滑面上覆蓋，鏟體就與部分潤滑介質(zhì)分離了，因此該組試驗減阻效果沒有達到應(yīng)有的程度。但從整體上來看，減阻率是隨流量的增加而增加的。

對比兩處試驗田的耕作土壤條件可以看出，試驗田B相比試驗田A具有更低含水率和更高的土壤緊實度，在相同流量和相近作業(yè)速度條件下，試驗田B的減阻率更高，減阻效果更好，說明這種主動潤滑的減阻作業(yè)模式受到耕作土壤自身含水率的影響。分析其原因在于：試驗田A在試驗前進行了灌溉，土壤含水率較高，土壤自身較為濕粘，深松鏟與濕粘土壤間容易形成負壓吸附狀態(tài)，土壤對鏟體的粘附作用增強；當(dāng)潤滑介質(zhì)從深松鏟鏟體噴出時，雖然潤滑介質(zhì)在鏟體與土壤之間形成一層隔離液膜，形成的潤滑減阻效果被濕粘土壤的黏附作用部分抵消。

綜上分析表明：單位時間內(nèi)潤滑液膜在深松鏟鏟體的覆蓋面積越大，減阻效果越好，即減阻率與潤滑介質(zhì)流量成正比，與作業(yè)速度成反比。并且土壤原有含水率越低，土壤緊實度越大，潤滑減阻效果越顯著。由此說明這種主動潤滑減阻的作業(yè)模式不但適用于褐土地，而且在鹽堿地上也適用，驗證了主動潤滑減阻作業(yè)模式的合理性和可行性。

3.2.2回歸模型與顯著性檢驗

應(yīng)用響應(yīng)面分析法分析主動潤滑減阻試驗結(jié)果，獲得減阻率與速度因素、流量因素的關(guān)系。使用Design-Expert軟件進行回歸擬合分析，建立速度、流量與減阻率的回歸模型，選擇速度和流量作為試驗因素，采用中心組合設(shè)計，選擇減阻率為響應(yīng)值，速度分別為3、7、10 km/h，流量分別為4、8、12 L/min。回歸模型為

z=8.42-0.62v+0.68W

(6)

由表5可知，響應(yīng)面模型P值、速度因素P值與流量因素P值均小于0.01，說明該回歸模型極顯著，回歸方程擬合度高，速度和流量兩個因素對模型影響也極顯著。其決定系數(shù)R2=0.80，表明模型可以解釋80%以上的評價指標(biāo)；信噪比(精密度)為10.95，代表在規(guī)定條件下所得獨立試驗結(jié)果間的符合程度，其值大于4，表明模型較優(yōu)。在減阻率的響應(yīng)面模型中，流量的F值比速度的F值大，流量對減阻率的貢獻度高于作業(yè)速度，意味著本模型中流量因素對減阻率的影響大于速度因素對減阻率的影響。由圖16可知，隨著作業(yè)速度的增大，減阻率降低；隨著潤滑介質(zhì)流量的增大，減阻率增大。

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis

圖16 作業(yè)速度與潤滑介質(zhì)流量對減阻率影響的響應(yīng)面Fig.16 Response surface of operating speed,lubricating flow rate and drag reduction rate

4 結(jié)論

(1)為減小耕作土壤深松作業(yè)條件下的作業(yè)阻力，提高作業(yè)效率，借鑒了蚯蚓體表結(jié)構(gòu)減阻與主動潤滑減阻思路，設(shè)計了主動潤滑減阻深松鏟，并結(jié)合土調(diào)劑水溶液等作為潤滑介質(zhì)，實現(xiàn)了深松和土壤改良的復(fù)合作業(yè)。

(2)建立了基于Hertz-Mindlin with bonding接觸模型的深松作業(yè)模型，并通過EDEM仿真分析得到曲面深松鏟的主要摩擦面，在主要摩擦面上設(shè)計表面構(gòu)型與節(jié)流孔，設(shè)計了潤滑液輸送系統(tǒng)方案。

(3)潤滑減阻深松試驗結(jié)果表明：在褐土地試驗條件下，當(dāng)行走速度3 km/h、潤滑液流量12 L/min時，減阻率可達13.48%；在鹽堿地試驗條件下，當(dāng)行走速度1.87 km/h、潤滑液流量12 L/min時，減阻率可達19.87%，并且減阻率與潤滑介質(zhì)流量成正比，與作業(yè)速度成反比。

(4)試驗結(jié)果表明針對低含水率、高緊實度耕作土壤的主動潤滑減阻深松鏟其減阻效果良好，但其減阻率會受到土壤物性參數(shù)影響，如土壤含水率、土壤緊實度等，例如在干旱少雨的黃淮海地區(qū)主動潤滑減阻作業(yè)模式具有可行性。