振動深松機的研究進展與展望

湯明軍，王維新，李　霞，李文春，魏曉玲，黃　蒙，戚慶偉

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000；2.阿拉爾萬達有限公司，新疆 阿拉爾　834000)

?

振動深松機的研究進展與展望

湯明軍1，王維新1，李霞1，李文春2，魏曉玲1，黃蒙1，戚慶偉1

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000；2.阿拉爾萬達有限公司，新疆 阿拉爾834000)

摘要：連續(xù)多年的淺層翻耕或旋耕，造成我國土壤耕層淺、耕層內(nèi)有效土壤少及犁底層堅實等嚴重問題。針對這些問題，深松技術(shù)及深松機具的研制在近年得到快速發(fā)展。 為此，簡要介紹了振動深松機的減阻原理，并從已有深松機的專利重點分析闡述了振動深松機關(guān)鍵部件的工作原理及設(shè)計應(yīng)用，指出了存在的問題，并展望了振動深松機的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：土壤耕作；振動深松機；振動關(guān)鍵機構(gòu)

0引言

耕作機械的載重和碾壓造成了嚴重的土壤壓實，而在相同深度土壤下進行的連年淺層翻耕、旋耕，使耕地形成了堅實的犁底層。深松是在翻耕基礎(chǔ)上總結(jié)出來的利用深松鏟疏松土壤、加深耕層而不翻轉(zhuǎn)土壤、適合于旱地的保護性耕作方法。深松可以打破犁底層、調(diào)節(jié)土壤三相比、創(chuàng)造虛實并存的耕層結(jié)構(gòu)、減輕土壤侵蝕、提高土壤蓄水抗旱能力[1]。2009年12月，深松補貼被納入2009年中央財政新增農(nóng)資補貼資金支持范圍。

長期以來，提高農(nóng)業(yè)機械的能量利用率、降低耕作阻力、提高耕作質(zhì)量等都是國內(nèi)外農(nóng)機研究人員致力解決的問題。1953年，Mogami等人最早將本屬于機械加工領(lǐng)域的振動切削理論運用于土壤切削中[2]。1979年，Wolf和Luth設(shè)計出了第1臺振動式深松機[3]。目前，振動深松機按照工作原理可以分為強迫式振動深松機和自激式振動深松機。Shahgoli等人設(shè)計的振動深松機試驗證明：相較于非振動深松機，振動深松機在達到更好深松效果的情況下，在控制振鏟的振幅、深松鏟擺角、前進速度和振動頻率時總功率相近，但功率利用率更高，可節(jié)省27%的功率[4]。有研究表明：振動深松機除牽引力消耗功率外，還有深松鏟振動消耗的功率。因此，當深松鏟振動頻率較高時，振動深松機消耗總功率比非振動深松機高，而自激振動深松機可消除強迫式振動深松機由于激振傳動系統(tǒng)而產(chǎn)生的能耗[5]。大量研究表明，振動式深松機能有效減小深松鏟的工作阻力，從而減小拖拉機的牽引阻力、提高生產(chǎn)效率[6]。振動深松機功率消耗影響因素眾多，如深松機行進速度、耕深、是否帶鏟翼[7]、振幅、振動頻率等。王瑞麗等人研究表明：強迫式振動深松機可以大大降低牽引阻力，但不能減少總功耗[8]，甚至存在總功率增加的問題;而自激振動深松機雖然能降耗，但存在耕深不穩(wěn)定、機架易偏斜及機構(gòu)復雜等問題。

筆者從已有專利入手，對振動式深松機的振動關(guān)鍵部件和其余關(guān)鍵部件的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了總結(jié)分析，旨在分析振動深松機的發(fā)展趨勢，并為振動深松機具和旱地耕作機具的研制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的科考依據(jù)。

1振動深松機減阻原理及特點

Spektor運用分段線性近似的方法較為充分地分析了切削方向振動減阻機理[9-10]。Eggenmuller運用力學分析法分析了振動方向垂直于切削方向的振動犁振動減阻機理[11]。在我國，1992年殷涌光等人提出了振動式二維切削土壤減阻機理，研究表明：普通切削屬于一維切削，而振動切削屬于二維切削,即機具推進方向和推進垂直方向；振動時減薄了當量鏟刃厚度和斗底阻力，從而減小了阻力[12-13]。 2000年，邱立春等人對ISQ-127型全方位深松機的自激振動系統(tǒng)進行研究，結(jié)果表明：耕作時，隨著深松工作部件的前進，剪切面不斷形成；在每一個剪切面形成的過程中，土壤阻力先是增加，達到土壤屈服極限時迅速下降，以此重復；由于土壤質(zhì)地的不均勻性，土壤阻力在不斷變化，從而引起深松機工作部件隨著土壤阻力的變化而振動。由于振動作用使工作部件上產(chǎn)生較有利的切削條件及對土壤破碎有利的受力狀態(tài)，其中部分阻力由振動部件的振動作用所承擔，使牽引阻力減小。當工作部件刃口切開堅硬的土壤后，由于垂直加速度的作用，使處于部件上方的土壤向上加速運動并使土壤部件上浮起，這時作用于部件上的力幾乎與運動方向垂直，所產(chǎn)生的牽引阻力合力很小[14]。

2我國振動深松機研究現(xiàn)狀

2.1強迫式振動深松機的研究現(xiàn)狀

強迫式振動深松機工作原理為將拖拉機動力輸出軸動力轉(zhuǎn)化為與機架連接振動部件的上下振動，最終將振動傳至工作部件，使其按一定的頻率和振幅振動[15]。在我國已發(fā)表的專利中強迫式振動深松機中的主要振動轉(zhuǎn)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理可以總結(jié)如下。

2.1.1偏心軸與十字聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，張東興、李艷龍等人[16]發(fā)明一種振動深松機的振動結(jié)構(gòu)，該振動機構(gòu)將偏心軸的圓周運動最終轉(zhuǎn)變成深松鏟在豎直方向上的上下振動，振動機構(gòu)主要由偏心軸、十字聯(lián)軸器和杠桿構(gòu)成。其工作過程：拖拉機的動力輸出軸通過聯(lián)軸器帶動偏心軸轉(zhuǎn)動，偏心軸將圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)槠渖蠏旖拥氖致?lián)軸器振動，從而十字軸的中心位置做上下振動，帶動十字軸聯(lián)接器下端交接的杠桿在縱向平面繞著平衡位置做小圓振動，最終帶動深松鏟振動。

1.軸承座　2.偏心軸　3.十字聯(lián)軸器　4.杠桿　5.深松鏟

中國農(nóng)業(yè)大學申請的其他發(fā)明專利(如一種振動深松施肥精量播種機[17]和一種振動深松施肥機[18])等多功能一體機中的振動結(jié)構(gòu)均為該偏心軸和十字聯(lián)軸器形式。李霞等人試驗研究表明，其發(fā)明的一種振動深松機的振動牽引阻力比不振動降低6.9%～17%[19]。

2.1.2偏心輪與連桿結(jié)構(gòu)

如圖2所示，鄧衍夫、鄧傳虎和鄧傳林發(fā)明一種采用偏心輪—連桿結(jié)構(gòu)的振動機構(gòu)[20]，由偏心輪、偏心軸、連桿、連接臂、轉(zhuǎn)動軸、長傳動臂和短傳動臂組成。其工作過程：偏心輪隨輸出軸轉(zhuǎn)動帶動偏心軸上連桿往復擺動，進而通過長傳動臂帶動轉(zhuǎn)動軸在一定圓周區(qū)間內(nèi)往復轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動通過短傳動臂傳遞給傳動桿，從而可產(chǎn)生振動效果。

1.轉(zhuǎn)動軸　2.短傳動臂　3.長傳動臂

2.1.3偏心塊結(jié)構(gòu)

如圖3所示，徐名齊、劉彬和劉玉芝等人[21]發(fā)明一種采用偏心塊機構(gòu)的振動器，包括箱體、主動軸 、從動軸、偏心塊和齒輪。其工作過程：箱體上轉(zhuǎn)動連接有主動軸和從動軸，主動軸用于與拖拉機的后動力輸出軸的動力連接，主動軸和從動軸上各固裝有齒輪，主動軸和從動軸通過兩齒輪的嚙合實現(xiàn)動力連接；主動軸和從動軸上各固接有重心偏離各自軸心的偏心塊，兩偏心塊的偏心相位一致，即兩偏心塊隨軸轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生激振力，使深松鏟在垂直方向上產(chǎn)生強迫振動。

2.1.4凸輪機構(gòu)

如圖4所示，呂建強、呂宸和劉正剛等人發(fā)明一種采用凸輪—擺桿機構(gòu)的振動機構(gòu)，該機構(gòu)由盤形凸輪和擺桿組成。其工作原理：盤形凸輪的轉(zhuǎn)動迫使相應(yīng)的擺桿擺動，擺桿擺動帶動深松鏟擺動，實現(xiàn)對土壤的振動深松作業(yè)[22]。

1．從動軸　2.主動軸　3.偏心塊　4.齒輪　5.箱體

1.盤形凸輪　2.擺桿

另外，陳素英、胡春勝和張西群等人發(fā)明一種采用凸輪機構(gòu)的振動機構(gòu)，包括振動變速箱、凸輪機構(gòu)和振動臂。其工作過程：通過鏈傳動，將與振動變速箱的輸出軸相連的凸輪機構(gòu)中凸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為振動臂和固定在振動臂末端的深松鏟的自身振動[23]。

多發(fā)性骨髓瘤發(fā)病率已超過急性白血病，多見于40～70歲，特別是60歲以上的老年人，隨著年齡增長，發(fā)病率逐漸升高。

2011年，孫永發(fā)明一種采用凸輪擺動機構(gòu)的振動機構(gòu)，包括凸輪擺動機構(gòu)、軸承和機殼。其工作原理：振動源的凸輪擺動機構(gòu)產(chǎn)生的激振力通過軸承、機殼等傳給機架，傳給松土鏟，使其沿垂直方向產(chǎn)生強迫振動[24]。

2.1.5曲軸連桿機構(gòu)

如圖5所示，馬利民、劉銀栓和于芳珍等人發(fā)明一種采用曲軸連桿機構(gòu)的振動機構(gòu)，包括傳動曲軸、連接板和振動杠桿牽引臂。其工作過程：作業(yè)時，拖拉機動力輸出軸帶動振動深松機的傳動曲軸使連接板上下擺動，即帶動振動杠桿牽引臂上下擺動，其后的深松犁隨之上下振動；同時，連接板帶動橫向雙振軸上下擺動，并經(jīng)內(nèi)曲軸、曲柄轉(zhuǎn)軸、外曲軸及連軸板，使左右兩根振動牽引臂同步上下振動，其后的深松犁也同步振動[25]。

1.振動杠桿牽引臂　2.連接板　3.傳動曲軸

另外, 左淑珍,遲仁立和劉銀栓等人發(fā)明一種采用雙振動杠桿機構(gòu)的振動機構(gòu)[26]，、2013年辛麗麗、梁繼輝和邱立春發(fā)明一種采用曲柄套—連桿機構(gòu)的振動機構(gòu)[27]，均與上述結(jié)構(gòu)相似。

通過對上述強迫式振動深松機中振動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作過程的分析可知：強迫式振動深松機的振動機構(gòu)主要是通過具有偏心性質(zhì)的機構(gòu)經(jīng)過鏈條或齒輪傳動，再經(jīng)過桿件將拖拉機輸出軸的圓周運動轉(zhuǎn)化為深松鏟柄的直線運動，從而將拖拉機的輸出動力轉(zhuǎn)化為振動深松鏟的在深松機行進垂直方向的振動。

2.2自激式振動深松機的研究現(xiàn)狀

自激式振動深松機是利用土壤地表不平和土壤阻力等變化激起彈簧和彈性材料等彈性元件振動，完成振動深松作業(yè)[14]。

如圖6所示，蔣立軍發(fā)明一種采用振動彈簧的振動機構(gòu)，包括振動彈簧、彈簧支桿、支桿銷、犁柱、犁柱和犁臂。其工作原理：彈簧支桿一端通過支桿銷活動連接在在機架上，另一端連接在犁柱末端上；振動彈簧套裝在彈簧支桿上，一端抵在機架上，一端抵在犁柱上；犁臂一端通過犁臂銷活動連接在機架下方，位于地輪支桿后，犁臂另一端固定在犁柱上；利用土壤阻力的變動而推動彈簧往復運動，在振動彈簧的作用下驅(qū)動深松犁臂作前后振動[28]。

2012年，慶春、付海明和楊井華發(fā)明一種旋耕深松機伸縮臂裝置[29]；2014年，黃玉祥、劉彬和張鵬鵬等人也發(fā)明一種采用自激振動彈性元件的振動機構(gòu)[30]。這些裝置和振動機構(gòu)也是利用振動彈簧遇到堅硬土質(zhì)時產(chǎn)生振動，從而振松硬土完成深松作業(yè)。

1.支桿銷　2.振動彈簧　3.彈簧支桿　4.犁臂　5.犁柱

2.2.2利用彈齒耙

如圖7所示，2011年李洋等人[31]發(fā)明一種新型馬鈴薯中耕機，其利用彈齒耙完成松土作業(yè)。作業(yè)時，中耕機在拖拉機牽引下行進，仿形彈齒在壟溝內(nèi)開出淺溝，達到松土目的，同時便于除草及犁鏵進行后續(xù)作業(yè)。LEMKEN公司的苗床(播前)整地機系列下的“彈齒耙Quarz”整地機(如圖8所示)上安裝有可承受巨大阻力的一體式緊湊設(shè)計彈齒耙，實現(xiàn)對土壤的深松，該機構(gòu)還可以與其它機械如播種機聯(lián)合作業(yè)。2012年，Geer Vladimir A’bertovich 等人[32]發(fā)明了一種寬幅重型彈齒耙，通過桁架結(jié)構(gòu)增加耕作面積。2012年，余家華等人[33]對彈齒犁鏟總成進行了研究，而日本學者松本健太等人[34]則對彈齒安裝機構(gòu)進行了研究。

1.右側(cè)S型彈齒　2.高度調(diào)節(jié)板a　3.中間S型彈齒

圖8　LEMKEN彈齒耙Quarz

目前，我國的成型深送機主要是強迫式振動深送機，自激式振動深松機尚處于研制階段；但國外自激式振動深送機卻發(fā)展得十分成熟。在我國，自激式振動深送機的振動機構(gòu)主要是利用振動彈簧，機構(gòu)比較單一、穩(wěn)定性較差；而且所有振動彈簧的伸縮量不能保證，從而影響振動振幅和頻率，導致耕深一致性難以保證，也增加了深松鏟所受阻力，進而增加拖拉機的牽引阻力。

3問題及展望

1)目前，振動技術(shù)已經(jīng)較為成熟地廣泛應(yīng)用于各類工程機械中，如液壓挖掘機、振動壓路機、沉樁機等[35]。振動深松機研制可以借鑒以上機械，且振動深松機的振動系統(tǒng)應(yīng)該由機械化向機電液一體化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。東北農(nóng)業(yè)大學孔德剛等人發(fā)明了一種機械式氣壓深松機[36]，該機包括車架、固定于車架前部的高壓氣泵、氣壓控制系統(tǒng)總成、機電液控制系統(tǒng)總成、液壓馬達和減速箱。其工作原理是：通過對耕地土壤深層注入高壓空氣打破耕地犁底層，實現(xiàn)對耕地的深松。這種深松方式可以不翻動土壤完成對不同深度、不同硬度犁底層的深松作業(yè)，這一發(fā)明是對深松技術(shù)的拓展，為深松機機具的研制提供了新思路和新方向。

2)目前，自激式振動深松機作為耕地機具節(jié)能降耗的一條有效技術(shù)途徑，其自激振動機理研究還有待突破和完善，以便為自激振動深松機的研制提供有力的理論支撐和指導。

3)目前，精準農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)下一步發(fā)展大趨勢，振動深松機機具研制和深松技術(shù)體系的發(fā)展應(yīng)該與精準農(nóng)業(yè)相配套。

參考文獻：

[1]時均蓮,邱立春. 國內(nèi)外深松技術(shù)及深松機具概況[J]. 農(nóng)業(yè)機械,2005(3):58-59.

[2]Mogami T, Kubo K. The behavior of soil during vibration[J].In Proceedings of the Third International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering,1953(1):152-155.

[3]Wolf D,Luth H J.Tillage equipment for clod forming soils[J]. Transaction of the ASAE, 1979, 22(5):1029-1032.

[4]Shahgoli G, Fielke J, Desbiolles J, et al. Optimising oscillation frequency in oscillator tillage[J]. Soil & Tillage Research, 2010,106:202-210.

[5]?？品澹跣窈?土壤深松自激振動彈性元件的設(shè)計[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè), 2008(11):29-30.

[6]李時昀，王雪艷，畢進德.振動深松機技術(shù)經(jīng)濟論證[J].農(nóng)機化研究，2006(5)：60-62.

[7]韓樹明.深松機功率消耗影響因素及其關(guān)系的試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2008(5):128-130.

[8]王瑞麗,李寶筏,邱立春,等.1ZS-2型振動深松機的研究設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2004(5):134-135.

[9]Spektor M. Principles of Soil-Tool Interaction[J].Journal of Terranechanics, 1981, 18(1):51-65.

[10]Spektor M, Hirsch. Working Processes of Cyclic-Action Machinery for Soil Deformation-Part Ⅱ[J].Journal of Terramechanics, 1984, 21(4):361-379.

[11]Eggenmuler A. Feild Experiment with An Oscillating Plow Body[J]. Grundlagender Landtechnik, 1958(10):89-95.

[12]殷涌光，李俊明，王國強.二維振動鏟裝的實驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 1994, 25(2):18-23.

[13]殷涌光，陳悅蓀，李俊明.振動式二維切削土壤減小阻力機理[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 1992, 23(2): 11-16.

[14]邱立春，李寶筏.自激振動深松機減阻試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2000, 16(6)：72-75.

[15]徐宗保,董欣,李紫輝,等. 振動式深松中耕作業(yè)機的研制與試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2010,32(1):182-184.

[16]張東興,李艷龍,劉寶. 一種振動深松機的振動機構(gòu)：中國，200910078311.9[P].2009-07-15.

[17]張東興,李霞,楊麗,等.一種振動深松施肥精量播種機：中國，201110284489.6[P].2012-04-11.

[18]張東興,李霞,付俊峰,等.一種振動深松施肥機：中國，201010621161.4[P].2011-07-27.

[19]李霞,付俊峰,張東興,等.基于振動減阻原理的深松機牽引阻力試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2012, 28(1):32-36.

[20]鄧衍夫,鄧傳虎,鄧傳林.振動式旋耕、深松一體機：中國，201210286100.6[P].2012-11-07.

[21]徐名齊,劉彬,劉玉芝，等.全方位振動深松機：中國，201020189592.3[P].2011-01-05.

[22]呂建強，呂宸，劉正剛,等.可調(diào)頻振動深松機：中國，201310590488.3[P].2014-02-26.

[23]陳素英,胡春勝,張西群，等.一種可調(diào)式深松施肥播種一體機：中國，201020139976.4[P].2010-11-24.

[24]孫永.振動深松機：中國，201120251222.2[P].2012-03-07.

[25]馬利民,劉銀栓,于芳珍，等.三行振動深松機：中國，03250969.3[P].2004-06-02.

[26]左淑珍,遲仁立,劉銀栓,等.雙行振動深松機：中國，03239859.X[P].2004-04-14.

[27]辛麗麗,梁繼輝,邱立春.振動式深松機：中國，201310081489.5[P].2013-05-22.

[28]蔣立軍.一種振動式深松機：中國，201210196080.3[P].2012-09-19.

[29]史慶春,付海明,楊井華.一種旋耕深松機伸縮臂裝置：中國，201210331965.X[P].2012-12-12.

[30]黃玉祥,劉彬,張鵬鵬,等.一種新型自激振動式深松機：中國，201420288196.4[P].2014-11-05.

[31]李洋，王澤群，楊德秋，等.一種新型馬鈴薯中耕機：中國，201110364409.8[P].2012-06-20.

[32]Geer Vladimir Al’bertovich, Geer Sergej Vladimirovich, Il’ichev Aleksandr Borisovich. Wide-cut heavy spring-tooth harrow：俄羅斯，2012108657/13[P].2013-10-08.

[33]余家華，王波，王興軍，等.一種彈齒犁鏟總成：中國，201410358113.9[P].2014-11-26.

[34]松本健太，日田定范，熊谷雅行，等.彈齒安裝結(jié)構(gòu)：中國，201320266728.X[P].2013-11-06.

[35]莊凱,郭志軍.振動減阻技術(shù)應(yīng)用于土壤耕作機具的研究[J].農(nóng)機化研究,2014,36(5):212-217.

[36]孔德剛,左勝甲,李紫輝,等.一種機械式氣壓深松機：中國，201410456941.6[P].2014-12-10.

Research Progress and Prospect of Vibrating Subsoiler

Tang Mingjun1, Wang Weixin1, Li Xia1, Li Wenchun2, Wei Xiaoling1, Huang Meng1, Qi Qingwei1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China；2.Ala’er Wan Da Limited Company, Ala’er 834000, China)

Abstract：After successive years of shallow ploughing and rotary tillage, the effective soil has become less in the soil plough layer which has become shallow and the plowpan has become hard. For these problems, the development of subsoiling technology and subsoiler has become rapid in recent years. This paper provide a brief introduction of the principle on drag reduction of vibrating susboiler, and the working principle and design application of the key mechanism of the vibrating subsoiler carry on the selective analysis elaboration from the existing patent. Finally, this paper points out the existing problems and forecasts the development trend of vibrating subsoiler.

Key words：soil cultivation; vibrating subsoiler; the key mechanism of vibration

文章編號：1003-188X(2016)04-0258-06

中圖分類號：S233.1

文獻標識碼：A

作者簡介：湯明軍(1992-)，男，湖北孝感人，碩士研究生，(E-mail) 1363716355@qq.com。通訊作者：李霞(1978-)，女，河北衡水人，副教授，(E-mail)lixia0415@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(5136505)；新疆兵團科技人員服務(wù)南疆專項(2014BA058)；石河子大學高層次人才啟動項目(RCZX201307)

收稿日期：2015-03-23