淺談全方位深松機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

康寶會(huì)

[摘 ?要]深松技術(shù)是保護(hù)性耕作的重要內(nèi)容，保護(hù)性耕作是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)未來發(fā)展方向，深松技術(shù)是保護(hù)性耕作技術(shù)的重要組成部分。它不僅可以打破多年傳統(tǒng)耕作所形成的堅(jiān)硬犁底層，而且深松后在土壤鉛垂面形成上松下實(shí)、水平面形成虛實(shí)相間的土體結(jié)構(gòu)。因此，深松技術(shù)可以大幅度增加作物，尤其是深根系作物的產(chǎn)量，是一項(xiàng)重要的增產(chǎn)技術(shù)。本文針對(duì)目前深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)阻塞嚴(yán)重、阻力大等問題，設(shè)計(jì)一種振動(dòng)式深松機(jī)與破茬圓盤及鎮(zhèn)壓碎土輥相結(jié)合的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)，并對(duì)其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

[關(guān)鍵詞]農(nóng)業(yè) ?深松技術(shù) ?參數(shù)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）27-0025-01

土壤深松作業(yè)是指運(yùn)用大型拖拉機(jī)牽引深松機(jī)具進(jìn)行行間（行間距為40～60cm）或全方位深層土壤耕作的機(jī)械化整地技術(shù)。土壤深松作業(yè)是農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)領(lǐng)域的一種全新的耕作模式，深松機(jī)是保護(hù)性耕作機(jī)具之一， 深松后的土壤具有明顯的蓄水保墑和增產(chǎn)增收效果。采用深松技術(shù)是我國旱作地區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要途徑， 但國內(nèi)現(xiàn)有的深松機(jī)工作阻力和能耗都較大。

1.研究的背景和意義

1.1 我國耕作現(xiàn)狀

我國是人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，傳統(tǒng)的耕作方式越來越不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的耕作制度下，旱作農(nóng)業(yè)耕地的土壤侵蝕嚴(yán)重，耕地退化、沙化嚴(yán)重，從而造成土壤蓄水、儲(chǔ)肥等能力降低，進(jìn)而造成農(nóng)作物產(chǎn)量的大幅度降低。特別是近年來，伴隨著氣候的變化、反常，如沙塵暴、厄爾尼諾現(xiàn)象、拉尼娜現(xiàn)象等，在很大程度上限制了我國旱作農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及該地區(qū)農(nóng)作物的產(chǎn)量，造成了巨大的損失。另外，由于受不同地區(qū)土壤濕度、容重、硬度等土質(zhì)因素及地表植物的影響，造成土壤比阻不同，而且犁底層深度也不盡相同，這就使得同一種機(jī)具無法在不同地區(qū)通用。

1.2 深松機(jī)研究現(xiàn)狀

相比較發(fā)達(dá)國家而言，國內(nèi)深松機(jī)具的研制起步較晚，主要研究領(lǐng)域?yàn)檎駝?dòng)式深松機(jī)振動(dòng)機(jī)理及應(yīng)用效果的研究、深松鏟鏟形的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、對(duì)于深松機(jī)纏繞堵塞問題的解決、深松機(jī)工作狀態(tài)與受力分析等。目前，國內(nèi)的深松技術(shù)也取得了很大進(jìn)展。全方位深松技術(shù)是在傳統(tǒng)耕作技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的一種新的耕作方法，它能夠增加土壤的孔隙度，加快土壤空氣和大氣的交換，使土壤微生物活動(dòng)旺盛，達(dá)到作物增產(chǎn)的顯著效果。在設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)也開始采用現(xiàn)代優(yōu)化手段對(duì)深松整地作業(yè)機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化，并取得了較好的效果。但這些設(shè)計(jì)大多是針對(duì)某一部件（如深松鏟）或某些運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，沒有一種針對(duì)保護(hù)性耕作的深松整地機(jī)械的整體設(shè)計(jì)，也沒有形成系列化和參數(shù)化，應(yīng)用范圍較窄。

1.3 研究內(nèi)容及方法

本研究采用理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種加裝碎土輥和圓盤刀的振動(dòng)式深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)。借助于CAD和Pro/E技術(shù)完成二維圖形的繪制和三維建模，運(yùn)用有限元理論，借助有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬和仿真，并利用Pro/E軟件的二次開發(fā)技術(shù)完成關(guān)鍵部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用與軟件的迅猛發(fā)展，可以直接進(jìn)行三維建模，然后對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行仿真、虛擬裝配、形態(tài)和模態(tài)分析等，確定設(shè)計(jì)是否滿足要求。然后，再通過三維建模軟件直接生成二維平面視圖。

2.深松部件總體方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 需求分析

隨著國家對(duì)深松作業(yè)的扶持政策力度不斷加大。深松技術(shù)越來越得到國家的重視，深松機(jī)械將有著廣闊的市場。傳統(tǒng)鏵式犁翻耕使得土壤結(jié)構(gòu)和地表植被遭到破壞，從而使其缺乏抵抗災(zāi)害的能力。深松是傳統(tǒng)翻耕的替代技術(shù)。傳統(tǒng)的鏵式犁翻耕作業(yè)后土壤裸露，地表無覆蓋物，在遇到雨水沖刷時(shí)會(huì)形成地表徑流，造成水土流失，遇到大風(fēng)時(shí)會(huì)形成揚(yáng)沙等環(huán)境危害。而深松作業(yè)則很好地避免了上述缺點(diǎn)，深松后地表覆蓋良好，犁底層被打破，在耕層和犁底層形成了虛實(shí)相間的土壤構(gòu)造，能起到“通水通氣”的作用，有利于作物根部向下生長，促進(jìn)作物早熟高產(chǎn)。但與深松機(jī)不斷增長的市場需求相比，國內(nèi)深松機(jī)種類較少，機(jī)型較為陳舊。深松由于存在上述需求，設(shè)計(jì)一種高效節(jié)能，符合保護(hù)性農(nóng)業(yè)作業(yè)要求的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)，既是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)發(fā)展的需要，也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要。

2.2 深松機(jī)鏟柄的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鏟柄存在的主要問題是下端螺孔處受力較大，有失效的可能性，所以優(yōu)化的目的是在螺孔處的受力突然增大時(shí)，不會(huì)對(duì)深松鏟柄造成破壞。

優(yōu)化方案1：考慮到螺栓組聯(lián)接將減少單個(gè)螺栓的受力，決定增加固定孔個(gè)數(shù)，將深松鏟柄固定孔個(gè)數(shù)有兩個(gè)增加到六個(gè)。這種改進(jìn)方法部分減少了深松鏟柄最下端螺栓孔的受力，但距離鏟柄旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的兩個(gè)螺栓受力依然很大，較多的螺栓孔也降低了深松鏟柄的強(qiáng)度，無法有效保證鏟柄的失效。

優(yōu)化方案2：為了避免鏟柄上某處應(yīng)力出現(xiàn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域的情況，將深松鏟柄采：用無孔固定的方式。這種固定方式下深松鏟柄的受力會(huì)有所減小，最大應(yīng)力為下端 U 型螺栓處所受到的壓應(yīng)力，其大小為 194MPa，這種受力方式仍然不能保證鏟柄在受到較大沖擊載荷的情況下不發(fā)生變形、斷裂等破壞。

優(yōu)化方案3：這種方案改變了前兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)的思路，將改進(jìn)的重點(diǎn)脫離了鏟柄本身，即將原設(shè)計(jì)的深松鏟柄下端的緊固螺栓改為安全銷。同時(shí)為了保證深松機(jī)在工作過程中不會(huì)因機(jī)座對(duì)鏟柄的夾持不牢而產(chǎn)生橫向晃動(dòng)，可將機(jī)座護(hù)板與鏟柄的重合面積適當(dāng)增大。綜合比較以上三種優(yōu)化形式，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案3對(duì)深松鏟的結(jié)構(gòu)改變不大，卻能夠有效的避免深松鏟柄因受到載荷過大而損壞。

3.深松機(jī)機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)機(jī)架的優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：增加斜拉桿的厚度，以減小接觸點(diǎn)的拉應(yīng)力。將斜拉桿厚度由30mm增加到50mm，使得斜拉桿與上懸掛點(diǎn)之間的接觸面積有較大的增加，從而增加受力最大點(diǎn)的強(qiáng)度。適當(dāng)減小機(jī)架前后橫梁的管壁厚度。機(jī)架管壁厚度過大，不僅使得機(jī)械笨重，而且造成一定的資源浪費(fèi)，再考慮到載荷的情況下，將原機(jī)架管壁厚度由10mm減小到8mm。優(yōu)化后機(jī)架的受力更加均勻，最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力由 226MPa減小為136MPa，有效地避免了在載荷增大的情況下危險(xiǎn)點(diǎn)斷裂的可能性。

4.結(jié)論

論文以深松機(jī)關(guān)鍵部件——深松鏟鏟頭、鏟柱和連接裝置為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，將經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、三維造型與有限元方法有機(jī)結(jié)合?；谙嚓P(guān)經(jīng)驗(yàn)和理論，通過多方案比較，確定了整機(jī)方案：深松類型為行間深松，減阻方案為自激振動(dòng);防堵方案：安裝破茬裝置，深松鏟均勻安裝在單梁上。確定了關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方案。依據(jù)有限元分析結(jié)果，對(duì)深松鏟柄和機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，縮小鏟柄下端固定孔徑，增加機(jī)架斜拉桿強(qiáng)度。并針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中鏟柄易損壞、入土角不可調(diào)節(jié)等問題，對(duì)深松鏟固定裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其具有了入土角調(diào)節(jié)和過載保護(hù)功能。

參考文獻(xiàn)

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