深松鏟入土力學(xué)分析與振動(dòng)減阻機(jī)理研究

張雷

摘要：對(duì)深松鏟入土?xí)r與土壤的力學(xué)作用進(jìn)行分析，得出土壤的變形阻力是影響牽引阻力的主要因素，從而提出振動(dòng)減阻機(jī)理，即利用振動(dòng)使土壤從無(wú)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪Y(jié)構(gòu)，達(dá)到減小耕作阻力、提高作業(yè)質(zhì)量、降低能源消耗、提高生產(chǎn)效率的效果。

關(guān)鍵詞：深松鏟;力學(xué)分析;振動(dòng)減阻;牽引阻力

中圖分類號(hào)：S222 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1674-1161（2019）03-0023-04

我國(guó)耕地面積十分遼闊，每年在土壤耕作方面消耗能源巨大，而耕作機(jī)具的能源消耗主要是用于克服土壤耕作阻力，因此，研究如何減小機(jī)具耕作阻力對(duì)于提高耕作質(zhì)量、降低能源消耗、加速實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化具有十分重要的意義。

1 深松鏟入土力學(xué)分析

1.1 深松鏟類型

深松鏟作為深松機(jī)重要的工作機(jī)構(gòu)之一，其形狀、尺寸、材料影響著深松作業(yè)的許多指標(biāo)如深松的深度、質(zhì)量及機(jī)具的牽引阻力等。所以，深松鏟的質(zhì)量直接決定了深松作業(yè)的效果。按照J(rèn)B/T 9788—2014的規(guī)定，深松耕地機(jī)械上使用的深松鏟可分為箭型深松鏟、雙翼深松鏟、鑿型深松鏟3種類型，如圖1所示。

深松鏟柄是深松機(jī)重要的受力部件，其質(zhì)量直接影響深松機(jī)具的壽命。深松鏟柄按質(zhì)量劃分為中型深松鏟柄和輕型深松鏟柄。另外，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出立柱深松鏟，其鏟柄為一立柱，鏟面為一平面梯形，刃口設(shè)計(jì)為下磨刃口，其優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單、便于安裝，可以降低偏牽引，使受力平衡，深松效果穩(wěn)定。3種類型的鏟柄如圖2所示。

1.2 深松鏟入土力學(xué)分析

深松過(guò)程中土壤的變形特征是由深松鏟的切割角β值及土壤的特性所決定的。

由式（19）可知，由于土壤變形阻力RBx在某一區(qū)間范圍內(nèi)周期性變化，使得牽引阻力的變化較為復(fù)雜。下面探討牽引阻力組成的前3項(xiàng)土壤作用力Px1與其影響因素間的關(guān)系。

深松鏟刃口的土壤阻力、垡片的質(zhì)量及土垡的慣性力與拖拉機(jī)前進(jìn)速度、摩擦角及土垡提升高度間的關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5a可以看出：隨著拖拉機(jī)前進(jìn)速度的增加，Px1增大，但增加幅度較小;由圖5b可以看出：摩擦角增加時(shí)，Px1增大，增加幅度較大;由圖5c可以看出：土垡的提升高度增加時(shí)，Px1線性遞增，增加幅度較大。

2 振動(dòng)減阻機(jī)理

耕作中的振動(dòng)減阻機(jī)理主要包括機(jī)具振動(dòng)的參數(shù)和內(nèi)外部摩擦之間的關(guān)系，而摩擦作用主要表現(xiàn)為振動(dòng)深松過(guò)程中土壤內(nèi)部散顆粒的運(yùn)動(dòng)與顆?？紫侗鹊淖兓ｎw?？紫侗茸兓瘯?huì)直接影響土壤散體強(qiáng)度情況，當(dāng)顆?？紫侗茸冃r(shí)，散體變得密實(shí)，而原本在大顆?？紫吨械摹盁o(wú)效”顆粒在這種高密度的情況下又由于受力作用變成了“有效”顆粒，土壤顆粒間的作用咬合點(diǎn)個(gè)數(shù)與咬合深度均增多，使顆粒之間更加緊密接觸，顆粒間的距離增加時(shí)分子間的吸引力會(huì)急劇減小，同時(shí)由于咬合程度降低而使分子間的作用力下降。此外，當(dāng)土壤松散時(shí)，散體間的摩擦力會(huì)變成滑動(dòng)摩擦力大于流動(dòng)摩擦力的結(jié)合形式。

在振動(dòng)的載荷作用下，深松鏟將無(wú)結(jié)構(gòu)土壤破碎分離成有結(jié)構(gòu)土壤，從而使拖拉機(jī)的牽引阻力降低。含水量和顆粒間內(nèi)摩擦系數(shù)密切相關(guān)，在振動(dòng)條件下土中水的存在形式發(fā)生變化，顆粒間內(nèi)摩擦系數(shù)隨之變化，內(nèi)摩擦力發(fā)生變化使得土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響土壤與深松鏟間的作用力。在振動(dòng)深松過(guò)程中，當(dāng)土壤含水量較低時(shí)，隨著含水量的增加形成具有水穩(wěn)定性土壤，土壤硬度近似線性降低，牽引阻力逐漸減小;而當(dāng)含水量超過(guò)某一極限值時(shí)，土壤粘附性增大，深松鏟和土壤之間的作用力增加，導(dǎo)致?tīng)恳枇υ龃?，這是由于土壤粒子對(duì)鋼表面的分子吸引力增加，使粘土之間摩擦系數(shù)增大。

3 結(jié)論

在深松過(guò)程中，深松鏟對(duì)土壤進(jìn)行切割、提升與破碎。對(duì)深松鏟入土與土壤間力學(xué)作用進(jìn)行分析，得出土壤的變形阻力是影響牽引阻力的主要因素，從而提出耕作機(jī)具振動(dòng)減阻機(jī)理，即利用振動(dòng)使土壤從無(wú)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪Y(jié)構(gòu)，減小拖拉機(jī)牽引阻力，達(dá)到比一般深松機(jī)耕作阻力更小、耗能更低、作業(yè)質(zhì)量更好、生產(chǎn)效率更高的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 聞邦椿，李以農(nóng)，張義民，等.振動(dòng)利用工程[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 許萬(wàn)同.深松機(jī)深松鏟的碎土方式及受力分析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（8）：11-12.

[3] 吳愛(ài)祥.振動(dòng)作用下散體內(nèi)外摩擦特性的研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，24（4）：459-465.