深松鏟入土力學分析與振動減阻機理研究

張雷

摘要：對深松鏟入土時與土壤的力學作用進行分析，得出土壤的變形阻力是影響牽引阻力的主要因素，從而提出振動減阻機理，即利用振動使土壤從無結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪Y(jié)構(gòu)，達到減小耕作阻力、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;力學分析;振動減阻;牽引阻力

中圖分類號：S222 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1674-1161（2019）03-0023-04

我國耕地面積十分遼闊，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，研究如何減小機具耕作阻力對于提高耕作質(zhì)量、降低能源消耗、加速實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化具有十分重要的意義。

1 深松鏟入土力學分析

1.1 深松鏟類型

深松鏟作為深松機重要的工作機構(gòu)之一，其形狀、尺寸、材料影響著深松作業(yè)的許多指標如深松的深度、質(zhì)量及機具的牽引阻力等。所以，深松鏟的質(zhì)量直接決定了深松作業(yè)的效果。按照JB/T 9788—2014的規(guī)定，深松耕地機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。

深松鏟柄是深松機重要的受力部件，其質(zhì)量直接影響深松機具的壽命。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)計為下磨刃口，其優(yōu)點是制造簡單、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 深松鏟入土力學分析

深松過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前進速度、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：隨著拖拉機前進速度的增加，Px1增大，但增加幅度較小;由圖5b可以看出：摩擦角增加時，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，Px1線性遞增，增加幅度較大。

2 振動減阻機理

耕作中的振動減阻機理主要包括機具振動的參數(shù)和內(nèi)外部摩擦之間的關(guān)系，而摩擦作用主要表現(xiàn)為振動深松過程中土壤內(nèi)部散顆粒的運動與顆粒孔隙比的變化。顆?？紫侗茸兓瘯苯佑绊懲寥郎Ⅲw強度情況，當顆粒孔隙比變小時，散體變得密實，而原本在大顆?？紫吨械摹盁o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個數(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分子間的吸引力會急劇減小，同時由于咬合程度降低而使分子間的作用力下降。此外，當土壤松散時，散體間的摩擦力會變成滑動摩擦力大于流動摩擦力的結(jié)合形式。

在振動的載荷作用下，深松鏟將無結(jié)構(gòu)土壤破碎分離成有結(jié)構(gòu)土壤，從而使拖拉機的牽引阻力降低。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。在振動深松過程中，當土壤含水量較低時，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;而當含水量超過某一極限值時，土壤粘附性增大，深松鏟和土壤之間的作用力增加，導致牽引阻力增大，這是由于土壤粒子對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

在深松過程中，深松鏟對土壤進行切割、提升與破碎。對深松鏟入土與土壤間力學作用進行分析，得出土壤的變形阻力是影響牽引阻力的主要因素，從而提出耕作機具振動減阻機理，即利用振動使土壤從無結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪Y(jié)構(gòu)，減小拖拉機牽引阻力，達到比一般深松機耕作阻力更小、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

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