作業(yè)速度比對草地振動松土機作業(yè)性能的影響

董向前，宋建農(nóng)，王繼承，康小軍

(中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，北京100083)

針對我國草場土壤堅實度大的特點［1-3］，研究開發(fā)了草地振動式間隔松土機，實現(xiàn)對高堅實度草原土壤的疏松作業(yè)，達到草原改良和草場生態(tài)恢復的目的［4-5］.為了進一步提升機具的作業(yè)性能，減小作業(yè)過程中的耕作阻力，需要對機具的振動松土工作單體進行研究，對影響機具作業(yè)性能的因素進行分析.

目前國內(nèi)外對振動松土機的作業(yè)性能已經(jīng)開展了大量的研究工作［6-8］，前進速度、振動頻率、振幅和振動角是影響機具作業(yè)性能的因素，這4個因素對作業(yè)性能的影響可以通過速度比λ聯(lián)系起來，其中λ是松土鏟的最大振動水平分速度與機具前進速度之比:

式中:Vx(max)為松土鏟的最大振動水平分速度，m·s-1;V0為機具的前進速度，m·s-1;a為振幅，m;ω 為曲軸的角速度，rad·s-1，ω =2πf;β 為機具的振動角，(°);f為振動頻率，Hz.

通過對振動松土工作單體的速度特性、軌跡特性進行分析，探討不同速度比條件下的機具作業(yè)過程，結(jié)合土槽試驗確定振動松土作業(yè)的最佳作業(yè)速度比.

1 工作特性分析

圖1為草地振動松土機振動松土工作單體的結(jié)構(gòu)間圖，工作架前端通過銷軸與機架相連，后端連接偏心軸連桿式振動裝置，在該裝置的作用下，工作架繞銷座做上下擺動，使固定在其上的松土鏟產(chǎn)生振動作用，完成對耕層土壤的振動松土作業(yè).圖中V0為機具的前進速度，b為曲軸的偏心尺寸，ω為曲軸轉(zhuǎn)動的角速度，r為鏟架的擺動半徑，ε為擺動角，R為松土鏟的振動半徑，β為振動角，以松土鏟鏟尖為中心建立直角坐標系.

圖1 工作參數(shù)定義圖

1.1 速度特性

當機具對沿著水平方向(β=0°)振動作業(yè)時可以用正弦函數(shù)來描述機具的振動速度、水平位移、振幅和角速度之間的關(guān)系［7-8］:

當振動角β≠0°時，方程(1)和(2)仍然適用，只不過此時的位移要分解為水平方向和豎直方向2個分量，速度也隨著分解為水平速度和豎直速度2個分量，分別為

當機具以速度V0前進時，方程(3)和(4)變成:

把上述方程對時間取導數(shù)，得出速度方程:

松土鏟的振動水平速度和合水平速度變化曲線見圖 2(β =28°，a=12.67 mm，f=7.8 Hz).

圖2 松土鏟的速度變化曲線

從圖2可以看出，松土鏟的水平速度在2種不同前進速度下均出現(xiàn)周期變化.在前進速度V0=0時，在1個振動周期內(nèi)，其振動水平速度呈現(xiàn)出正弦曲線的變化趨勢，其峰值的絕對值在正負方向上相等，說明在該狀態(tài)下，松土鏟沿著振動方向，在平衡位置附近做往復的切削運動.當前進速度V0=0.28 m·s-1時，在1個振動周期內(nèi)，其合速度的變化曲線與V0=0時具有一致性，所不同的是此時速度曲線整體上升平移了0.28 m·s-1.在這個條件下，可以將一個振動周期分為3個階段，圖中ab為切削階段，bc為后退階段，cd為追趕階段.

在1個振動周期內(nèi)松土鏟各個階段持續(xù)時間隨著速度比λ的變化關(guān)系見圖3.從圖3可以看出，隨著λ的增大在1個振動周期內(nèi)切削階段和追趕階段持續(xù)的時間逐漸減小，后退階段持續(xù)的時間逐漸增大;切削階段在1個振動周期所占的比例為25% ～75%，后退階段在1個振動周期所占的比例為0～50%，追趕階段在1個振動周期所占的比例為0～25%;隨著速度比的進一步增大，追趕階段持續(xù)時間趨向于0，在1個振動周期作業(yè)過程分為切削和追趕2個階段.

圖3 不同作業(yè)階段持續(xù)時間隨速度比的變化

1.2 軌跡特性

當振動方向為水平方向(β=0°)，振動速度變化成正弦曲線時，工作鏟的振動軌跡變?yōu)橛烧駝舆\動和前進運動相加合成的是一個斜置的正弦曲線［9-10］，見圖 4.

振動長度為l，即振動周期長度可由機具的前進速度V0和振動頻率f求出:

在提升階段部件垂直運動的振動高度為h，可由振動角β及振幅a得

通過振動長度l和振動高度h之比Z來判斷和描繪振動軌跡的特點，則

為了準確地判定振動軌跡，除了振動長度l及振動高度h，還有在p0和p4點切削運動的切削角及在p2點提升運動的提升角，切削運動的切削角α為

在p2點提升運動的提升角γ為

圖4 振動軌跡的定義

不同參數(shù)下(前進速度V0、振動頻率f、振幅a和振動角β)松土鏟振動軌跡的描述如圖5所示.

圖5 不同參數(shù)下振動軌跡圖

任意改變4個參數(shù)之一對振動軌跡的影響都反應在速度比λ上，速度比λ不同，松土鏟的振動軌跡是不同的.當λ ＜1.00時，松土鏟是持續(xù)向前運動，此時松土鏟是持續(xù)的切削作業(yè);當λ=1.00時，在1個振動周期內(nèi)會出現(xiàn)暫時的相對靜止狀態(tài);當λ＞1.00時，其運動軌跡逐漸出現(xiàn)重疊，λ越大，重疊的軌跡越多，此時的作業(yè)過程分為切削、后退和追趕3個連續(xù)的作業(yè)階段，不同作業(yè)階段持續(xù)的時間如圖3所示.

隨參數(shù)改變，特征點角度的變化如下:切削角α范圍為0＜α＜π/2，提升角γ范圍是0＜λ＜1.00，π/2＜γ ＜π;λ =1.00，γ=π/2;λ ＞1.00，0＜γ ＜π.

2 土槽試驗

為了進一步研究速度比對機具作業(yè)性能的影響，需要在土槽試驗臺開展不同速度比下的室內(nèi)試驗，試驗的機具選擇振動松土單體，試驗指標為牽引力特性和功率特性.各個試驗參數(shù)的水平域范圍分別為前進速度V0(0.5～3.0 km·h-1)、振動頻率f(1.1 ～10.0 Hz)、振幅a(12 ～16 mm)、振動角β(28°～48°)，試驗中保持耕深H=200 mm不變.

3 結(jié)果分析

盡管一定的λ值是由完全不同工作參數(shù)(前進速度V0、振動頻率f、振幅a和振動角β)組合得到的，但是一組振動松土鏟在振動和非振動條件下的牽引力比值卻呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，見圖6.

從圖6中可以看出，隨著速度比λ的增大，牽引力比值是逐漸減小的.當λ很小時(小于0.50)，牽引力比值變化很小，其變化范圍在5% ～10%;當0.50＜λ ＜1.00時，牽引力比值變化范圍為10% ～25%，說明在此范圍內(nèi)改變振動參數(shù)對牽引力特性的影響應很顯著;當λ=1.50時，牽引力可以減小達到40%左右，當λ=3.00時，牽引力最大可以到60%.

圖7為總功率特性隨速度比的變化圖，隨著速度比的增大，振動部件作業(yè)所消耗的總功率是逐漸增大的;當λ很小時(小于1.00)，總功率變化曲線很平緩，總功耗的最大增量在20%左右;當λ＞1.50時，總功耗變化很顯著，總功耗的增量大于30%.

圖7 功率隨速度比變化曲線

對不同速度比下振動松土單體作業(yè)過程分析可知，當速度比λ＞1.00時，松土鏟的作業(yè)過程分為3個階段，即是切削、后退和追趕3個過程，在切削階段，松土鏟持續(xù)切削緊實的土壤，在后退階段松土鏟對已作業(yè)的土壤產(chǎn)生作用，這個階段的土壤是已疏松的土壤，作業(yè)的阻力小，隨著速度比λ的增大，后退作業(yè)階段的持續(xù)時間越來越長，振動減阻的作用就越好，而且由于振動軌跡出現(xiàn)重疊，松土鏟碎土的效果也越好.當λ＜1.00時，松土鏟對土壤是持續(xù)的切削作業(yè)過程，作業(yè)阻力相對于3個階段的作業(yè)條件要大;當λ＜0.50時，振動減阻的作用很小，松土鏟對土壤的作業(yè)近乎剛性切削作業(yè)(非振動)，而且松土碎土能力較差，作業(yè)效果不佳，見圖8.

圖8 不同速度比下的松土效果對比圖

綜合考慮牽引力特性、總功率特性及松土作業(yè)效果，速度比λ在1.00～1.50范圍內(nèi)時，各個作業(yè)階段的時間變化最為明顯，認定這個速度比區(qū)間是適宜作業(yè)的最佳條件.

4 結(jié)論

1)通過振動松土工作單體的速度特性分析，提出影響機具作業(yè)性能最重要的因素是速度比λ，當λ＜1.00時，松土鏟是持續(xù)切削的作業(yè)過程，當λ＞1.00時，松土鏟的作業(yè)過程分為切削、后退和追趕3個連續(xù)的階段.

2)振動松土作業(yè)最佳的速度比為1.00～1.50.在這個條件下，可以減少20% ～40%的牽引阻力而且振動碎土能力強，松土作業(yè)效果好.

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