基于狗獾爪趾的仿生深松鏟振動減阻研究

白景峰，李　博，呂秀婷，陳　軍，史江濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100；2.西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司，西安　710300)

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基于狗獾爪趾的仿生深松鏟振動減阻研究

白景峰1，李博1，呂秀婷1，陳軍1，史江濤2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司，西安710300)

摘要：為降低深松作業(yè)的耕作阻力，對基于狗獾爪趾的仿生深松鏟進(jìn)行了振動減阻性能的研究，將仿生減阻技術(shù)與振動減阻技術(shù)相結(jié)合，研究減阻效果。同時，在耕作速度為0.6、1.0m/s和耕作深度為250、300mm的條件下進(jìn)行仿生深松鏟的振動減阻試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：振動式深松鏟的耕作阻力隨著耕作深度和耕作速度的不斷增大而增大；在相同的試驗(yàn)條件下，仿生深松鏟振動耕作方式的耕作阻力比未帶振動耕作方式的耕作阻力減小13.05%～18.94%，減阻效果明顯。

關(guān)鍵詞：振動減阻；深松作業(yè)；仿生；土槽試驗(yàn)

0引言

近年來，隨著地球生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化，世界各國面臨嚴(yán)重的生存問題，人們的生態(tài)環(huán)境意識逐漸增強(qiáng)，便提出了一種新型耕作方法——保護(hù)性耕作技術(shù)。即通過免耕、少耕的方法，用植物殘茬覆蓋表層土壤，增加土壤含水量，減少土壤流失，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。深松作業(yè)作為土壤保護(hù)性耕作的四大支柱技術(shù)之一[4]，近年受到了越來越多的重視。深松主要是在不翻轉(zhuǎn)土壤的情況下利用深松鏟打破土壤堅(jiān)硬的底層，能有效改善耕層土壤的結(jié)構(gòu)，提高土壤整體的疏松度，增大土壤內(nèi)水和空氣的含量，使作物具有更強(qiáng)的抗旱能力，改善農(nóng)作物的生長環(huán)境，提高作物的產(chǎn)量[5-8]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過對某些有挖掘功能的動物爪趾進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熊、穿山甲、老鼠、達(dá)烏爾黃鼠、公雞和螻蛄等動物挖掘的過程中爪趾遇到的阻力較小。因此，學(xué)者根據(jù)動物爪趾特點(diǎn)提出了鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿生學(xué)思路[9-11]。隨著對深松作業(yè)研究的不斷加深，振動式深松方式被許多專家學(xué)者提出并進(jìn)行研究。眾多研究成果表明[12-14]：振動深松作業(yè)的耕作阻力明顯小于未進(jìn)行振動的深松作業(yè)，且振動深松之后，土壤的體積質(zhì)量明顯變小。

本文采用自激式振動機(jī)構(gòu)，針對基于狗獾爪趾所設(shè)計(jì)的仿生深松鏟進(jìn)行振動減阻研究，研究其振動減阻的效果。

1仿生深松鏟振動減阻結(jié)構(gòu)

1.1試驗(yàn)機(jī)構(gòu)

振動式深松作業(yè)利用振動機(jī)構(gòu)的振動作用，可以有效地降低深松作業(yè)的耕作阻力，減小牽引機(jī)具的能耗，同時能夠提高深松作業(yè)的耕作質(zhì)量，目前常用的振動式深松機(jī)構(gòu)可分為強(qiáng)迫式振動深松機(jī)構(gòu)與自激式振動深松機(jī)構(gòu)。

強(qiáng)迫式振動深松是指由牽引機(jī)具的動力輸出軸或者驅(qū)動電機(jī)提供動力，通過振動深松機(jī)構(gòu)(偏心裝置、凸輪或者曲柄連桿結(jié)構(gòu)等)使深松鏟產(chǎn)生周期性振動，并將振動所產(chǎn)生的能量作用在深松鏟上，減小土壤的剪切與摩擦阻力，從而降低深松鏟的耕作阻力。自激式振動深松是指通過彈簧等振動源，在土壤阻力的作用下使深松鏟被迫發(fā)生振動，其減阻效果主要取決于振動機(jī)構(gòu)的參數(shù)、土壤物理性能、土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及牽引機(jī)械的耕作速度等。在工作時，彈簧等彈性元件可以將土壤作用在深松機(jī)構(gòu)的耕作阻力轉(zhuǎn)化為彈性元件的彈性勢能并帶動深松結(jié)構(gòu)振動。

通過對強(qiáng)迫式振動深松機(jī)構(gòu)與自激式振動深松機(jī)構(gòu)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)性能分析，本次仿生深松鏟振動減阻性能試驗(yàn)確定振動方式為自激式振動深松機(jī)構(gòu)。本次試驗(yàn)所采用的自激式振動深松機(jī)構(gòu)(見圖1)由陜西西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司提供，主要由壓力彈簧、深松鏟固定架、銷軸和主機(jī)架等構(gòu)成。

圖1　自激式振動深松機(jī)構(gòu)

1.2自激式振動來源

自激式振動深松是指通過壓力彈簧，在土壤耕作阻力的作用下使深松鏟被迫發(fā)生振動，從而減小耕作阻力，主要來源于以下幾方面[15]：

1)自激振動。深松作業(yè)時，由于土壤耕作阻力的影響，使深松鏟產(chǎn)生欠阻尼特性，進(jìn)而發(fā)生自激振動。

2)土壤表層波動引起的振動。土壤表面凹凸不平，深松作業(yè)過程中，深松鏟及其固定機(jī)架以下懸掛銷銷軸為中心發(fā)生小幅度的擺動，從而造成深松鏟的振動。

3)土壤內(nèi)部阻力分布不均造成的振動。由于土壤內(nèi)部各個地方的硬度與含水率的不同而造成其內(nèi)部耕作阻力分布不均勻，深松鏟在進(jìn)行深松作業(yè)的時候，土壤會對深松鏟的作用力實(shí)時變化，作用力的不斷變化會對深松鏟產(chǎn)生隨機(jī)振動。

4)牽引機(jī)械自身激振所造成的振動。牽引機(jī)械在工作過程中，由于行駛地面的高低不平、發(fā)動機(jī)與液壓懸掛系統(tǒng)的工作及三點(diǎn)懸掛裝置的間隙配合，會使?fàn)恳龣C(jī)械自身發(fā)生一定的激振，從而帶動固定機(jī)架與深松鏟的振動。

2仿生深松鏟振動減阻試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

仿生深松鏟的振動減阻試驗(yàn)可以采用田間試驗(yàn)與土槽試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方式。田間試驗(yàn)土壤環(huán)境多變，且受到天氣等因素的限制，增加了試驗(yàn)難度與試驗(yàn)成本；而室內(nèi)土槽試驗(yàn)可以根據(jù)需要對土壤環(huán)境進(jìn)行控制，且不受到天氣等因素的限制，且能夠更加合理的完成振動與未振動深松對比試驗(yàn)。本次試驗(yàn)選擇在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院農(nóng)機(jī)化實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的土槽內(nèi)進(jìn)行。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模捍_定本次試驗(yàn)的深松方式為帶振動與不帶振動兩種工作方式，耕作速度為0.6m/s和1.0m/s，耕作深度為250mm和300mm，試驗(yàn)安排如表1所示。

表1　仿生深松鏟振動減阻試驗(yàn)方案

2.2試驗(yàn)條件與裝置

試驗(yàn)所采用的土壤是陜西關(guān)中農(nóng)田土壤，屬于黃土母質(zhì)上發(fā)育的農(nóng)業(yè)土壤[16]，其含水率為17%。以土槽試驗(yàn)車為試驗(yàn)平臺，安裝所需的試驗(yàn)裝置與儀器(見圖2)，試驗(yàn)中選用的傳感器包括下懸掛銷傳感器(型號CYB-601S)、上拉桿傳感器(型號CYB-602S)。深松鏟耕作阻力分力的動態(tài)數(shù)據(jù)由信號采集箱采集，并通過無線傳輸設(shè)備(SZ02-USB-2K)將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)射出來，由無線接收設(shè)備將數(shù)據(jù)接收；通過電腦中的遙測儀采集程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成深松鏟的耕作阻力合力，并將其保存。

圖2　帶振動的固定及懸掛裝置

在試驗(yàn)過程中用到的其他設(shè)備包括：室內(nèi)土槽試驗(yàn)車、土壤平整壓實(shí)設(shè)備、卷尺、丁字尺及數(shù)碼照相機(jī)等。

2.3試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)所采用的室內(nèi)土槽長度為23mm、寬度為1.8m，在進(jìn)行試驗(yàn)之前需對試驗(yàn)土壤進(jìn)行滲水、平整、壓實(shí)及區(qū)域劃分等準(zhǔn)備工作。為得到相對較準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將有效長度分為3部分：前6m為深松鏟入土階段和試驗(yàn)車加速階段，中間11m為試驗(yàn)穩(wěn)定測量階段，后6m為深松鏟出土階段和試驗(yàn)車減速階段。此次試驗(yàn)的有效寬度為1.8m，為保證深松鏟之間的對比性和對土槽試驗(yàn)空間的有效利用，每次在土槽內(nèi)進(jìn)行2次深松試驗(yàn)，每次試驗(yàn)深松鏟距離土槽導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)為500mm，縮短了試驗(yàn)時間，提高了試驗(yàn)效率。

3結(jié)果與分析

仿生深松鏟在振動與未振動兩種形式在不同試驗(yàn)條件下的耕作阻力如圖3所示。

(a)　耕作速度：0.6m/s，耕作深度：250mm

(b)　耕作速度：1.0m/s，耕作深度：250mm

(c)　耕作速度：0.6m/s，耕作深度：300mm

(d)　耕作速度：1.0m/s，耕作深度：300mm

在試驗(yàn)過程中，由于土壤內(nèi)存在一些小石塊、堅(jiān)硬的土塊或者某一地區(qū)的緊實(shí)度較低，會造成耕作阻力檢測的時候出現(xiàn)一些奇異點(diǎn)(數(shù)據(jù)突然變大或者變小)，在進(jìn)行試驗(yàn)處理時應(yīng)將奇異點(diǎn)去除之后在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表2為仿生深松鏟在振動與未振動兩種工作形式下，在耕作速度為0.6m/s與1.0m/s和耕作深度為250mm與300mm試驗(yàn)條件下耕作阻力的平均值。

表2　仿生深松鏟振動減阻試驗(yàn)結(jié)果

通過表2中的對比結(jié)果可知：當(dāng)耕作深度為250mm、耕作速度由0.6m/s增大到1.0m/s時，振動式仿生深松鏟的耕作阻力增大了28.42%；當(dāng)耕作深度為300mm、耕作速度由0.6m/s增大到1.0m/s時，振動式仿生深松鏟的耕作阻力增大了25.97%；當(dāng)耕作速度為0.6m/s、耕作深度由250mm增大到300mm時，振動式仿生深松鏟的耕作阻力增大了35.52%；當(dāng)耕作速度為1.0m/s、耕作深度由250mm增大到300mm時，振動式仿生深松鏟的耕作阻力增大了32.94%。

對上述結(jié)果進(jìn)行分析可知：深松作業(yè)的耕作速度與耕作深度均對振動式仿生深松鏟的耕作阻力產(chǎn)生了顯著影響，其耕作阻力的變化決定于耕作速度與耕作深度的雙重作用，而且耕作深度的影響相比較耕作速度的影響更加顯著。

對表2中所示的結(jié)果進(jìn)行分析可知：當(dāng)速度v=0.6m/s、耕深d=250mm時，仿生深松鏟振動深松方式的耕作阻力比未進(jìn)行振動深松方式的耕作阻力減小了18.94%；當(dāng)v=0.6m/s、d=300mm時，仿生深松鏟振動深松方式的耕作阻力比未振動深松方式的耕作阻力減小了13.05%；當(dāng)v=1.0m/s、d=250mm時，仿生深松鏟振動深松方式的耕作阻力比未振動深松方式的耕作阻力減小了16.62%；當(dāng)v=1.0m/s、d=300mm時，仿生深松鏟振動深松方式的耕作阻力比未振動深松方式的耕作阻力減小了14.22%。

通過對上述結(jié)果進(jìn)行分析可知，仿生深松鏟振動耕作方式的耕作阻力比未帶振動耕作方式的耕作阻力減小13.05%～18.94%，減阻效果明顯。

4結(jié)論

1)自激式振動減阻方式的振動來源主要來自自激振動、土壤表層土壤凹凸不平、土壤內(nèi)部緊實(shí)度含水率不同與牽引機(jī)械自身振動等4方面。其中，自激振動為自激式振動的最主要來源。

2)振動式仿生深松鏟的耕作阻力隨著耕作深度與耕作速度的不斷增大而增大，并由兩者共同影響，且耕作深度的影響比耕作速度的影響更加明顯。

3)振動式仿生深松鏟的耕作阻力明顯小于未經(jīng)振動的仿生深松鏟，且減阻效果可達(dá)到13.05%～18.94%，平均減阻15.71%，減阻效果明顯。

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Study on Vibration Anti-drag of the Badger Claws Bionic Subsoiler

Bai Jingfeng1，Li Bo1，Lv Xiuting1，Chen Jun1， Shi Jiangtao2

(1.Collage of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2.Xi’an Yaao Agricultural Machinery Co.Ltd.,Xi’an 710300,China)

Abstract：To reduce tillage resistance, this paper research the vibration anti-drag of the bionic subsoiler based on the badger claws, and study the anti-drag effect that the bionic anti-drag technology combined with the vibration anti-drag technology. And the bionic subsoiler vibration anti-drag test condition was working as the speed of 0.6m/s and 1.0m/s, the tillage depth of 250mm and 300mm.The result shows that the tillage resistance of the vibration subsoiler increased with the increasing of tillage depth and speed.The tillage resistance of the bionic subsoiler with the condition of vibration was reduced by 13.05%～18.84% and the anti-drag effect was obvious in comparison to the bionic subsoiler with no vibration under the same test conditions.

Key words：vibration anti-drag; subsoiler; bionic; soil-bin test

文章編號：1003-188X(2016)05-0224-04

中圖分類號：S222.12+9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：白景峰(1989-)，男，河北滄州人，碩士研究生,(E-mail)541522260@qq.com。通訊作者：陳軍(1970-)，男，寧夏固原人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)chenjun_jdxy@nwsuaf.edu.cn。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD29B08)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014K02-09-03)

收稿日期：2015-04-24