液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李明軍 于家川 王仁兵 邵蓉蓉 董 敏 張愛民

(濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600)

深松作業(yè)是實(shí)施農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)。深松作業(yè)能夠破壞犁底層，改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑、抗旱排澇能力，全面提升耕地質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力[1-3]。目前，在深松作業(yè)過程中普遍存在著牽引阻力較大的問題，嚴(yán)重制約著深松作業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用[4]。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)深松減阻技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的研究?，F(xiàn)階段，主要的深松減阻技術(shù)有振動(dòng)減阻、仿生減阻、電滲減阻、流體潤(rùn)滑減阻、磁化減阻等[5-6]。研究表明，在各種深松減阻技術(shù)中，振動(dòng)減阻技術(shù)的效果最為明顯[7-8]。按照振動(dòng)原理的不同，振動(dòng)式深松機(jī)可分為機(jī)械強(qiáng)迫式振動(dòng)深松機(jī)和自激式振動(dòng)深松機(jī)2種類型。機(jī)械強(qiáng)迫式振動(dòng)深松機(jī)因振動(dòng)部件需拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)，雖能減小牽引阻力，但存在著傳動(dòng)復(fù)雜等問題；自激式振動(dòng)深松機(jī)存在著穩(wěn)定性差、減阻效果不明顯等問題[9-10]。

針對(duì)上述問題，本研究擬設(shè)計(jì)一種液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體，將液壓振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于深松機(jī)械，降低深松作業(yè)時(shí)的牽引阻力，以期為今后深松機(jī)械的研究提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與作業(yè)過程

1.1 整體結(jié)構(gòu)及液壓振動(dòng)系統(tǒng)原理

液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體采用懸掛式結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)械部分和液壓振動(dòng)系統(tǒng)組成(圖1)。機(jī)械部分主要包括機(jī)架、深松鏟、變速箱、聯(lián)軸器等部件；液壓振動(dòng)系統(tǒng)主要包括液壓油箱、液壓閥組、液壓振動(dòng)器、振動(dòng)油缸、液壓泵、液壓油管等部件。液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體液壓振動(dòng)系統(tǒng)工作原理見圖2。

1.液壓油箱；2.變速箱；3.聯(lián)軸器；4.機(jī)架；5.液壓閥組；6.液壓泵；7.液壓振動(dòng)器；8.深松鏟；9.振動(dòng)油缸 1.Hydraulic tank； 2.Gearbox； 3.Coupling； 4.Frame； 5.Hydraulic valve group； 6.Hydraulic pump； 7.Hydraulic vibrator； 8.Subsoiling shovel； 9.Vibration oil cylinder
圖1 液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig.1 Structural sketch of hydraulic forced vibration subsoiling monomer

1.液壓油箱；2.過濾器；3.截止閥；4.液壓泵；5.電磁溢流閥；6.疊加式單向節(jié)流閥；7.電磁換向閥；8.液壓振動(dòng)器；9.振動(dòng)油缸；10.冷卻器 1.Hydraulic tank； 2.Filter； 3.Globe valve； 4.Hydraulic pump； 5.Electromagnetic relief valve； 6.Superimposed one-way throttle valve； 7.Electromagnetic reversing valve； 8.Hydraulic vibrator； 9.Vibrating cylinder； 10.Cooler
圖2 液壓振動(dòng)系統(tǒng)原理圖
Fig.2 Schematic diagram of hydraulic vibration system

1.2 作業(yè)過程

液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體將液壓振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于深松機(jī)械，采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)與變速箱連接，帶動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，為液壓振動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓振動(dòng)系統(tǒng)由液壓振動(dòng)器提供振動(dòng)源，并將產(chǎn)生的振動(dòng)作用于振動(dòng)油缸，能夠使振動(dòng)油缸的活塞桿產(chǎn)生快速的后退-前進(jìn)振動(dòng)，振動(dòng)油缸活塞桿的后退-前進(jìn)振動(dòng)使得深松鏟繞其前端進(jìn)行擺動(dòng)，進(jìn)而使深松鏟鏟尖產(chǎn)生快速振動(dòng)，從而達(dá)到振動(dòng)深松的效果。

2 關(guān)鍵部件的選型與理論分析

2.1 深松鏟選型

本深松單體選用雙翼鑿形組合式深松鏟(圖3)，該深松鏟主要由鏟柄護(hù)板、鏟柄、翼鏟、鑿形主鏟、碎土板、碎土刀組成，在深松作業(yè)時(shí)可有效避免土層的翻轉(zhuǎn)，增加土壤擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)表層全松，底層間隔松，使土壤得到高效的松碎。該深松鏟主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：深松鏟總高度h1=862 mm、鏟翼安裝高度h2=84 mm、碎土板高度h3=52 mm、碎土刀高度h4=60 mm、鏟翼寬度b1=310 mm、深松鏟長(zhǎng)度b2=750 mm、鏟尖寬度b3=85 mm、碎土板寬度b4=8 mm、鏟尖長(zhǎng)度n=145 mm、深松鏟入土角γ=23 °、鏟翼入土角δ=170 °。

1.鏟柄護(hù)板；2.鏟柄；3.翼鏟；4.鑿形主鏟；5.碎土板；6.碎土刀 1.Shovel shank guard plate； 2.Shovel shank； 3.Wing shovel； 4.Chisel main shovel；5.Soil crushing plate； 6. Soil crushing knifeh1為深松鏟總高度，mm；h2為鏟翼安裝高度，mm；h3為碎土板高度，mm；h4為碎土刀高度，mm；b1為鏟翼寬度，mm；b2為深松鏟長(zhǎng)度，mm；b3為鏟尖寬度，mm；b4為碎土板寬度，mm；n為鏟尖長(zhǎng)度，mm；γ為深松鏟入土角，(°)；δ為鏟翼入土角，(°)。h1is the total height of the subsoiling shovel，mm；h2is the installation height of the spade wing，mm；h3is the height of the crushing board，mm；h4is the height of the soil cutter，mm；b1is the width of the spade wing，mm；b2is the length of the subsoiling shovel，mm；b3is the width of the shovel tip，mm；b4is the width of the crushing board，mm；nis the length of the shovel tip，mm；γis the penetration angle of the deep loosening shovel， (°)；δis the penetration angle of the spade wing， (°)。
圖3 雙翼鑿形組合式深松鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig.3 Structural sketch of double-wing chisel combined subsoiling shovel

2.2 液壓振動(dòng)器的選型

液壓振動(dòng)器是液壓振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)源，可以將產(chǎn)生的振動(dòng)作用于振動(dòng)油缸，是液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體最關(guān)鍵的工作部件。本深松單體選用芬蘭丹納森公司生產(chǎn)的液壓振動(dòng)器，型號(hào)為HVB 350/9-40，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 HVB 350/9-40型液壓振動(dòng)器技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of HVB 350/9-40 hydraulic vibrator

2.3 振動(dòng)油缸的選型與參數(shù)分析

振動(dòng)油缸是液壓振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)執(zhí)行元件，振動(dòng)油缸選型的主要依據(jù)是其缸筒內(nèi)徑和行程[11]。

2.3.1振動(dòng)油缸缸筒內(nèi)徑的確定

對(duì)深松鏟進(jìn)行力學(xué)分析，從而確定振動(dòng)油缸的缸筒內(nèi)徑。將深松鏟簡(jiǎn)化為二維平面模型，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系XOY，對(duì)深松鏟進(jìn)行受力分析。在振動(dòng)深松作業(yè)過程中，深松鏟受到的作用力主要有：深松鏟自身重力G、振動(dòng)油缸對(duì)深松鏟的推力Ft、土壤阻力Fz以及深松鏟在O點(diǎn)受到的水平作用力FOX和豎直作用力FOY。其中，土壤阻力Fz為等效作用力，主要由深松鏟對(duì)土壤進(jìn)行提升、剪切過程中產(chǎn)生的反作用力、底部土壤對(duì)深松鏟的支持力以及土壤對(duì)深松鏟的摩擦力等效而來，受力分析見圖4。

Ft為振動(dòng)油缸對(duì)深松鏟的推力，N；Fz為土壤阻力，N；G為深松鏟重力，N；FOX、FOY為深松鏟在O點(diǎn)受到的水平作用力與豎直作用力，N；H為深松鏟鏟尖距O點(diǎn)的垂直距離，mm；h為深松鏟鏟尖與Fz等效作用點(diǎn)的垂直距離，mm；l1為O點(diǎn)與B點(diǎn)的距離，mm；l2為深松鏟質(zhì)心C與O點(diǎn)的水平距離，mm；α為BA方向與BO方向的夾角，(°)；β為AB方向與水平方向的夾角，(°)。Ftis the thrust of vibration cylinder to deep loosening shovel， N；Fzis soil resistance， N；Gis gravity of Subsoiling shovel， N；FOXandFOYare the horizontal and vertical forces on the Subsoiling shovel atOpoint， N；His the vertical distance between the tip of the Subsoiling shovel and theOpoint， mm；his the vertical distance between the tip of the Subsoiling shovel and the equivalent point of action ofFz， mm；l1is the distance betweenOpoint andBpoint， mm；l2is the horizontal distance between the center of massCandOof the subsoil shovel，mm；αis the angle betweenBAdirection andBOdirection， (°)；βis the angle betweenABdirection and horizontal direction， (°)。
圖4 深松鏟受力分析
Fig.4 Force analysis of subsoiling shovel

圖4中各力之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：

∑MO(F)=0

(1)

即

Ftl1sinα+Gl2-Fz(H-h)=0

(2)

整理得：

(3)

式中：Ft為振動(dòng)油缸對(duì)深松鏟的推力，N；Fz為土壤阻力，N；G為深松鏟重力，N；H為深松鏟鏟尖距O點(diǎn)的垂直距離，mm；h為深松鏟鏟尖與Fz等效作用點(diǎn)的垂直距離，mm；l1為O點(diǎn)與B點(diǎn)的距離，mm；l2為深松鏟質(zhì)心C與O點(diǎn)的水平距離，mm；α為BA方向與BO方向的夾角，(°)。

土壤阻力的計(jì)算較為復(fù)雜，目前常用式(4)進(jìn)行計(jì)算[12]：

Fz=Kab

(4)

式中：Fz為土壤阻力，N；a為深松深度，cm；b為擾動(dòng)寬度，cm；K為土壤的比阻，N/cm2。K是一個(gè)綜合性系數(shù)，可根據(jù)土壤類型確定：輕型土壤(沙壤土)，K取值為2～3 N/cm2；一般土壤(壤土)，K=4～5 N/cm2；粘重土壤(粘土)，K=6～8 N/cm2；特別粘重土壤(重粘土)，K=9～15 N/cm2[13]。

為確保液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體能夠滿足各種復(fù)雜的土壤工況，在此次力學(xué)分析中，土壤的比阻K取最大值15 N/cm2；本深松單體所采用的雙翼鑿形組合式深松鏟深松深度最大可達(dá)到45 cm，故深松深度a取值為45 cm；經(jīng)測(cè)量，由于翼鏟的存在，深松鏟的擾動(dòng)寬度可達(dá)31 cm，故擾動(dòng)寬度b取值為31 cm。將數(shù)值代入式(4)中，得到深松鏟所受土壤阻力Fz為20.93 kN。

式(3)中深松鏟的重力G可由稱重得出，深松鏟鏟尖距O點(diǎn)的垂直距離H、O點(diǎn)與B點(diǎn)的距離l1、深松鏟質(zhì)心C與O點(diǎn)的水平距離l2、BA方向與BO方向的夾角α可由測(cè)量得出，其數(shù)值分別為G=620 kg；H=712 mm；l1=514 mm；l2=248 mm；α=30 °。深松鏟鏟尖與Fz等效作用點(diǎn)的垂直距離h的數(shù)值與Fz等效作用點(diǎn)所在的位置有關(guān)，現(xiàn)假定Fz等效作用點(diǎn)位于深松深度的中間位置，h取值為225 mm，將數(shù)值帶入式(3)中，得到振動(dòng)油缸對(duì)深松鏟的推力Ft為39.05 kN，即振動(dòng)油缸負(fù)載為39.05 kN。

振動(dòng)油缸的缸筒內(nèi)徑可根據(jù)負(fù)載大小和工作壓力進(jìn)行計(jì)算[14]：

(5)

式中：D為振動(dòng)油缸的缸筒內(nèi)徑，m；F為振動(dòng)油缸負(fù)載，N；p為工作壓力，Pa。農(nóng)業(yè)機(jī)械液壓設(shè)備常用工作壓力為10～16 MPa[15]，本研究振動(dòng)油缸的工作壓力p取值為16 MPa，將數(shù)值帶入式(5)中，得到振動(dòng)油缸的缸筒內(nèi)徑D=55.75 mm。根據(jù)GB/T 2348—2018《流體傳動(dòng)系統(tǒng)及元件 缸徑及活塞桿直徑》[16]，將振動(dòng)油缸的缸筒內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)值為63 mm。

2.3.2振動(dòng)油缸行程的確定

振動(dòng)油缸的行程，主要是根據(jù)實(shí)際工作需要的長(zhǎng)度來確定[17]。本深松單體中振動(dòng)油缸行程的確定可從2個(gè)方面考慮，一方面是振動(dòng)油缸活塞桿的振動(dòng)幅度，另一方面是所需油缸的實(shí)際長(zhǎng)度，即圖4中A、B兩點(diǎn)的距離。

經(jīng)測(cè)量，本深松單體在振動(dòng)深松作業(yè)過程中，振動(dòng)油缸活塞桿的振動(dòng)幅度約為5 mm，振動(dòng)幅度較小，因此活塞桿的振動(dòng)幅度對(duì)振動(dòng)油缸行程的確定影響較小，可忽略不計(jì)；A、B兩點(diǎn)的實(shí)際距離為513 mm，即油缸在縮回狀態(tài)下耳環(huán)距離應(yīng)<513 mm，油缸在伸出狀態(tài)下耳環(huán)距離應(yīng)>513 mm。經(jīng)調(diào)查，市場(chǎng)上缸筒內(nèi)徑為63 mm、行程為200 mm的液壓缸，在縮回狀態(tài)下耳環(huán)距離大多為470 mm，在伸出狀態(tài)下耳環(huán)距離大多為670 mm，符合要求，故振動(dòng)油缸行程選定為200 mm。

綜上所述，所選振動(dòng)油缸的缸筒內(nèi)徑為63 mm，行程200 mm。

2.4 液壓泵的選型與參數(shù)分析

液壓泵的最大工作壓力和最大流量是選型的主要依據(jù)[18]。

2.4.1液壓泵的最大工作壓力

液壓泵的最大工作壓力Pp應(yīng)滿足：

Pp≥P1+∑ΔP

(6)

式中：Pp為液壓泵最大工作壓力，MPa；P1為液壓執(zhí)行元件最大工作壓力，MPa；∑ΔP為管路損失，MPa，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值為1 MPa。在液壓振動(dòng)系統(tǒng)的各液壓元件中，液壓振動(dòng)器的最大工作壓力為35 MPa，故P1取值為35 MPa，將數(shù)值帶入式(6)，得到液壓泵的最大工作壓力Pp=36 MPa。

2.4.2液壓泵的最大流量

液壓泵的最大流量Qp應(yīng)滿足：

Qp≥K1∑qmax

(7)

式中：Qp為液壓泵最大流量，L/min；K1為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取值為1.2；∑qmax為液壓系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)的最大總流量。

在液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體作業(yè)時(shí)，液壓振動(dòng)器與振動(dòng)油缸同時(shí)工作，液壓振動(dòng)器的流量為40 L/min；振動(dòng)油缸的流量Q應(yīng)滿足：

1)當(dāng)活塞桿前進(jìn)時(shí)

(8)

2)當(dāng)活塞桿后退時(shí)

(9)

式中：Q為液壓缸的流量，m3/s；D為液壓缸的缸筒內(nèi)徑，m；d為液壓缸的活塞桿直徑，m；L為動(dòng)作距離，m；t為動(dòng)作時(shí)間，s。

液壓缸的活塞桿直徑d可根據(jù)活塞桿受力狀況確定：p<5 MPa時(shí)，d取值(0.50～0.55)D；5 MPa≤p≤7 MPa時(shí)，d取值(0.60～0.70)D；p>7 MPa 時(shí)，d取值0.70D[17]。

本深松單體中振動(dòng)油缸的工作壓力為16 MPa，故振動(dòng)油缸的活塞桿直徑d取值0.7D，為44.1 mm，根據(jù)GB/T 2348—2018《流體傳動(dòng)系統(tǒng)及元件 缸徑及活塞桿直徑》[16]，將振動(dòng)油缸的活塞桿直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)值為45 mm。

經(jīng)測(cè)量，在液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體作業(yè)時(shí)，振動(dòng)油缸的振動(dòng)幅度約為5 mm，振動(dòng)頻率約為5 Hz，即一個(gè)振動(dòng)周期為0.2 s，假設(shè)一個(gè)振動(dòng)周期中活塞桿前進(jìn)與后退所需的時(shí)間相同，那么1個(gè)振動(dòng)周期中活塞桿前進(jìn)和后退的時(shí)間都是0.1 s，故動(dòng)作距離L=5 mm，動(dòng)作時(shí)間t=0.1 s。將數(shù)值帶入式(8)和式(9)中，得到活塞桿前進(jìn)時(shí)的流量為9.35 L/min，活塞桿后退時(shí)的流量為4.58 L/min。液壓系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)的最大總流量∑qmax為液壓振動(dòng)器流量與振動(dòng)油缸最大流量之和，值為49.35 L/min。

由液壓泵最大工作壓力和最大流量，同時(shí)考慮到受拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速以及變速箱速比的限制，液壓泵的最大工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，那么液壓泵的排量應(yīng)大于32.9 mL/r。參照液壓泵產(chǎn)品樣本參數(shù)信息，選取液壓泵型號(hào)為PV040L1L1T1NMMC的變量柱塞泵，最大工作壓力為42 MPa，理論排量為40 mL/r。

2.5 其他液壓元件選型

根據(jù)液壓振動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖，對(duì)液壓油箱、液壓閥等元件進(jìn)行選型，選型元件的主要參數(shù)與型號(hào)見表2。

表2 其他液壓元件主要參數(shù)與型號(hào)Table 2 Main parameters and models of other hydraulic components

2.6 深松單體機(jī)架的模態(tài)分析

機(jī)架的具體結(jié)構(gòu)根據(jù)農(nóng)藝要求的幅寬以及各工作部件在機(jī)架上相互配置的位置關(guān)系確定。本深松單體機(jī)架主要由機(jī)架主體、上下懸掛、液壓油箱支撐架以及支撐板等部件組成(圖5)。

深松單體機(jī)架主要是用于安裝深松鏟、固定液壓元件以及傳遞動(dòng)力。機(jī)架的模態(tài)特性對(duì)整個(gè)深松單體的動(dòng)態(tài)性能具有重要影響，容易受到外部激勵(lì)頻率的影響而發(fā)生共振現(xiàn)象，為避免本研究設(shè)計(jì)的機(jī)架在工作時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，現(xiàn)運(yùn)用SolidWorks simulation模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，研究其固有頻率和振型。

1.機(jī)架主體；2.下懸掛；3.支撐板；4.上懸掛；5.液壓油箱支撐架 1.Main frame； 2.Lower suspension； 3.Support plate； 4.Upper suspension； 5.Support frame of hydraulic oil tank
圖5 深松單體機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig.5 Structure diagram of subsoiling monomer frame

利用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)深松單體機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模，并對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，忽略掉小孔、倒角和圓角等次要因素。機(jī)架的材質(zhì)為Q235A，彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。在自由狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析，不考慮外部載荷，一般而言低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較高階振動(dòng)大，本研究提取機(jī)架的前6階非零固有頻率和振型進(jìn)行分析。深松單體機(jī)架的前6階非零固有頻率見表3，相應(yīng)的振型圖見圖6。

表3 深松單體機(jī)架的前6階非零固有頻率Table 3 The first six non-zero natural frequencies of the subsoiling monomer frame

圖6 深松單體機(jī)架的前6階振型圖
Fig.6 The first six order mode shapes of the subsoiling monomer frame

對(duì)深松單體機(jī)架進(jìn)行外部激勵(lì)頻率分析，使得機(jī)架的各階次固有頻率避開外部激勵(lì)頻率，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體機(jī)架的外部激勵(lì)主要來自于路面、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵和液壓振動(dòng)器等。各外部激勵(lì)頻率分析如下：

1)目前，在城市路面、鄉(xiāng)村土路及田地上，路面激勵(lì)頻率一般<3 Hz[19]。

2)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率計(jì)算公式[20]為：

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率=(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速× 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)×2)/(60×發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù))

本研究使用的拖拉機(jī)為福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)，該拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程柴油機(jī)，正常工作轉(zhuǎn)速為700～1 500 r/min，計(jì)算得該拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率為23～50 Hz。

3)液壓泵在深松單體工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速最高可達(dá)1 500 r/min，激振頻率f=n/60，其中f為頻率，Hz；n為回轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速，r/min，得到液壓泵的激振頻率為25 Hz。

4)液壓振動(dòng)器的輸出頻率為30 Hz。各外部激勵(lì)頻率與機(jī)架的前6階非零固有頻率對(duì)比分析可知，本研究設(shè)計(jì)的深松單體機(jī)架在工作時(shí)不會(huì)與外部激勵(lì)頻率發(fā)生共振現(xiàn)象。

3 田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體設(shè)計(jì)的可行性與合理性，對(duì)深松單體進(jìn)行了田間試驗(yàn)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)中選取土壤物理特性、深松深度、深松深度穩(wěn)定性、土壤膨松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)、牽引阻力等作為評(píng)價(jià)因素，綜合評(píng)價(jià)液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體的作業(yè)性能與減阻效果。

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

試驗(yàn)條件：于2018年10月30日，在山東省濱州市濱城區(qū)農(nóng)喜棉花專業(yè)合作社農(nóng)田進(jìn)行田間試驗(yàn)(圖7)，試驗(yàn)地總面積20 hm2，地勢(shì)平坦，坡度<5°，前茬作物為玉米，留茬平均高度為10 cm。土壤類型為輕粘土，年降水量450～686 mm。深松前土壤絕對(duì)含水率約15%，土壤容重約1.73 g/cm3，地表植被大多為玉米根茬和雜草。

試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)用拖拉機(jī)2臺(tái)，一臺(tái)為牽引機(jī)，另一臺(tái)為工作機(jī)，牽引機(jī)為約翰迪爾1204拖拉機(jī)，2輪驅(qū)動(dòng)，工作機(jī)為福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)，2輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；TYD-1型數(shù)顯式土壤硬度計(jì)，浙江拓普儀器有限公司生產(chǎn)；TD20002型電子天平，天津天馬衡基儀器有限公司生產(chǎn)；HF-20K型ALIYIQI艾力數(shù)顯式推拉力計(jì)，溫州一鼎儀器制造有限公司生產(chǎn)；液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體、土壤盒、取土環(huán)刀、牽引繩、牽引插銷、標(biāo)桿、卷尺、耕深尺等。

圖7 液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體田間試驗(yàn)
Fig.7 Field experiment of hydraulic forced vibration subsoiling monomer

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 24675.2—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 深松機(jī)》[21]規(guī)定的試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)農(nóng)田劃分為3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)為70 m，寬為作業(yè)幅寬10倍，并在小區(qū)兩端用標(biāo)桿做好標(biāo)記[21]。試驗(yàn)分深松前、深松中、深松后3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，在深松前按照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》[22]測(cè)定土壤絕對(duì)含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤容重等參數(shù)[21]，并畫出深松前地表曲線；深松過程中測(cè)定牽引阻力；深松后測(cè)定深松深度、土壤膨松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)等參數(shù)。

為保證試驗(yàn)的可靠性和穩(wěn)定性，在每個(gè)小區(qū)對(duì)深松單體進(jìn)行多次隨機(jī)重復(fù)試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)取中間30 m為有效行程。深松作業(yè)后，每個(gè)小區(qū)任取1個(gè)有效行程進(jìn)行深松深度、土壤膨松度、土壤擾動(dòng)系數(shù)等參數(shù)的測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)，拖拉機(jī)及深松單體相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：

1)深松深度測(cè)定試驗(yàn)：福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)擋位為慢2擋，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，深松鏟入土角度為23°。

2)土壤膨松度及土壤擾動(dòng)系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)：福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)擋位為慢2擋，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，深松鏟入土角度為23°。

3)牽引阻力測(cè)定試驗(yàn)：福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)擋位為空擋，約翰迪爾1204拖拉機(jī)擋位為B1擋，深松鏟入土角度為23 °，深松深度為40 cm，振動(dòng)深松作業(yè)時(shí)福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，常規(guī)深松作業(yè)時(shí)福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 土壤物理特性測(cè)定及結(jié)果分析

深松作業(yè)是一種破壞土壤物理特性和地表狀況的土壤耕作過程，深松前后對(duì)土壤物理特性的測(cè)定，對(duì)研究深松減阻機(jī)理具有極其重要的意義[23]。土壤物理特性的測(cè)定采用五點(diǎn)取樣法確定測(cè)量區(qū)域內(nèi)的取樣點(diǎn)位，每個(gè)取樣點(diǎn)位在土壤表層以下進(jìn)行分層取樣，各層測(cè)定結(jié)果取算術(shù)平均值作為該測(cè)量區(qū)域的土壤物理特性。深松前后不同土層土壤物理特性測(cè)定結(jié)果見表4：深松后土壤各分層的物理特性數(shù)值均呈下降狀態(tài)，土壤堅(jiān)實(shí)度平均降幅為96.63%，土壤容重平均降幅為17.61%，可達(dá)到疏松土壤，破壞犁底層，改善耕層結(jié)構(gòu)的效果，土壤絕對(duì)含水率平均降幅為8.88%，其原因是深松后會(huì)出現(xiàn)跑墑現(xiàn)象，在深松作業(yè)后應(yīng)注意蓄水保墑。

表4 深松前后不同土層土壤物理特性測(cè)定結(jié)果Table 4 Measurement results of soil physical properties of different soil layers before and after subsoiling

3.4 深松深度測(cè)定及深度穩(wěn)定性分析

在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，對(duì)角線上取5點(diǎn)，用耕深尺或其他測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定方法：平作地，測(cè)出深松溝底到地表面的垂直距離，即為深松深度；壟作地，則是深松溝底至某一水平基準(zhǔn)線垂直距離，減去該點(diǎn)地表至水平基準(zhǔn)線的垂直距離，即為深松深度，分別計(jì)算出每一行程的深松深度、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和深度穩(wěn)定性系數(shù)。深松后深松深度測(cè)定及深度穩(wěn)定性分析結(jié)果見表5：液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體深松深度平均值為42.49 cm，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為1.51 cm，變異系數(shù)平均值為3.56%，深度穩(wěn)定性系數(shù)平均值為96.44%，滿足GB/T 24675.2—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 深松機(jī)》[21]規(guī)定的深松深度≥30 cm，深度穩(wěn)定性系數(shù)≥85%的作業(yè)性能質(zhì)量指標(biāo)。

3.5 土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)測(cè)定及結(jié)果分析

深松前，用耕層斷面測(cè)繪儀或自制測(cè)繪設(shè)備在垂直于機(jī)組前進(jìn)方向畫出深松前地表線，深松后，在同一位置畫出深松后地表線和深松溝底線。求出深松前地表至理論深松溝底(深松鏟尖處形成的溝底線)的橫斷面積Aq和深松后地表至理論深松溝底的橫斷面積Ah，按式(10)計(jì)算出土壤膨松度P；測(cè)定完深松前地表線、深松后地表線和深松溝底線后，求出深松前地表至理論深松溝底的橫斷面積Aq和深松前地表至實(shí)際深松溝底的橫斷面積As，按式 (11)計(jì)算出土壤擾動(dòng)系數(shù)y，每一行程測(cè)定1點(diǎn)。

(10)

(11)

式中：P為土壤膨松度，%；y為土壤擾動(dòng)系數(shù)，%；Ah為深松后地表至理論深松溝底的橫斷面積，cm2；Aq為深松前地表至理論深松溝底的橫斷面積，cm2；As為深松前地表至實(shí)際深松溝底的橫斷面積，cm2。

液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體3個(gè)行程深松前后地表線和溝底線見圖8，形狀呈倒三角形，上層土壤擾動(dòng)區(qū)域較寬，底層土壤擾動(dòng)區(qū)域較窄，可大范圍疏松上層土壤，破壞犁底層，有利于土壤蓄水保墑和作物根系生長(zhǎng)。

1.深松前地表線；2.深松后地表線；3.深松后溝底線；4.理論深松溝底線 1.Surface line before subsoiling； 2.Surface line after subsoiling； 3.Trench bottom line after subsoiling； 4.Theoretical trench bottom line after subsoiling
圖8 不同行程深松前后地表線和溝底線
Fig.8 Surface line and trench bottom line before and after subsoiling in different itinerary

利用Origin軟件中的積分功能計(jì)算出深松后地表至理論深松溝底的橫斷面積Ah、深松前地表至理論深松溝底的橫斷面積Aq、深松前地表至實(shí)際深松溝底的橫斷面積As，土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)測(cè)定結(jié)果見表6?？芍簤簭?qiáng)迫式振動(dòng)深松單體土壤膨松度平均值為20.29%，土壤擾動(dòng)系數(shù)平均值為52.59%，滿足GB/T 24675.2—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 深松機(jī)》[21]規(guī)定的土壤膨松度≤40%，土壤擾動(dòng)系數(shù)≥50%的作業(yè)性能質(zhì)量指標(biāo)。

3.6 牽引阻力測(cè)定及結(jié)果分析

在測(cè)定牽引阻力時(shí)，福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)懸掛液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體，約翰迪爾1204拖拉機(jī)使用牽引繩牽引福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)，HF-20K型ALIYIQI艾力數(shù)顯式推拉力計(jì)安裝在兩臺(tái)拖拉機(jī)之間，深松牽引阻力的大小即為深松時(shí)整個(gè)機(jī)組所受牽引阻力減去福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)所受牽引阻力，并將常規(guī)深松作業(yè)所受牽引阻力作為對(duì)照試驗(yàn)。

經(jīng)測(cè)定，福田雷沃歐豹820拖拉機(jī)所受牽引阻力約為2.99 kN，振動(dòng)深松與常規(guī)深松牽引阻力測(cè)定結(jié)果見表7。與常規(guī)深松作業(yè)相比，振動(dòng)深松作業(yè)牽引阻力最小值降幅為63.76%，最大值降幅為15.08%，平均降幅為31.18%，減阻效果明顯。

表6 土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 6 Measurement results of soil bulkiness and soil disturbance coefficient

注：Ah為深松后地表至理論深松溝底的橫斷面積；Aq為深松前地表至理論深松溝底的橫斷面積；As為深松前地表至實(shí)際深松溝底的橫斷面積；P為土壤膨松度；y為土壤擾動(dòng)系數(shù)。

Note：Ahis the cross sectional area of from the surface to theoretical subsoiling ditch bottom after subsoiling；Aqis the cross sectional area of from the surface to theoretical subsoiling ditch bottom before subsoiling；Asis the cross sectional area of from the surface to actual subsoiling ditch bottom before subsoiling；Pis soil bulkiness；yis soil disturbance coefficient。

表7 振動(dòng)深松與常規(guī)深松牽引阻力測(cè)定結(jié)果Table 7 Test results of traction resistance of vibration subsoiling and conventional subsoiling

振動(dòng)深松與常規(guī)深松牽引阻力的變化曲線見圖9。由于試驗(yàn)田地表不平整、土壤力學(xué)性質(zhì)不均

圖9 振動(dòng)深松與常規(guī)深松牽引阻力變化曲線
Fig.9 Change curve of traction resistance of vibration subsoiling and conventional subsoiling

勻、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等原因，使得牽引阻力的變化曲線呈現(xiàn)出無規(guī)律的上下浮動(dòng)，總體而言，振動(dòng)深松時(shí)的牽引阻力要小于常規(guī)深松時(shí)的牽引阻力。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)目前深松作業(yè)過程中牽引阻力較大的問題，本研究將液壓振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于深松機(jī)械，設(shè)計(jì)了一種液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體，對(duì)深松單體的關(guān)鍵部件進(jìn)行選型與參數(shù)分析，并運(yùn)用SolidWorks simulation模塊對(duì)深松單體機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明：本研究設(shè)計(jì)的深松單體機(jī)架在工作時(shí)不會(huì)與外部激勵(lì)頻率發(fā)生共振現(xiàn)象。

2)為驗(yàn)證液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體設(shè)計(jì)的可行性與合理性，對(duì)液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：深松后，土壤絕對(duì)含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤容重均呈下降狀態(tài)；深松深度平均值為42.49 cm，標(biāo)準(zhǔn)差平均值1.51 cm，變異系數(shù)平均值3.56%，深度穩(wěn)定性系數(shù)平均值96.44%，土壤膨松度平均值20.29%，土壤擾動(dòng)系數(shù)平均值52.59%，滿足GB/T 24675.2—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 深松機(jī)》[21]規(guī)定的作業(yè)性能質(zhì)量指標(biāo)。

3)為驗(yàn)證液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體的減阻效果，與常規(guī)深松作業(yè)進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn),結(jié)果表明，液壓強(qiáng)迫式振動(dòng)深松單體牽引阻力平均降幅為31.18%，減阻效果明顯。