基于振動減阻的深松機(jī)自激振動裝置設(shè)計(jì)與研究*

陳同浩，白育福，李守太，楊明金

（1.西南大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400715；2.周至縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，陜西 西安 710400；3.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

0 引言

我國分布在丘陵、山地和高原地區(qū)的耕地占總耕地面積的69.3%[1]。不同于平原地區(qū)，丘陵山地不適宜大型機(jī)械作業(yè)，大都采用微耕機(jī)進(jìn)行淺層的旋耕翻土作業(yè)[2]。長期的淺層旋耕形成了質(zhì)地堅(jiān)硬的犁地層，極大地影響了土地的生產(chǎn)能力，極大地阻礙了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深松是解決上述問題的關(guān)鍵[3-4]。

深松機(jī)主要分為振動式和非振動式兩大類[5]。實(shí)驗(yàn)表明，相較于非振動式深松機(jī)，振動式深松機(jī)能夠大大減少深松機(jī)具的牽引阻力。目前，大多數(shù)振動式深松機(jī)的深松裝置依靠深松機(jī)動力裝置提供的能量實(shí)現(xiàn)振動深松的功能，這樣雖然可以大大降低牽引阻力，但不能減少深松機(jī)的總功耗，甚至存在總功率增加的問題。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種小型深松機(jī)自激振動裝置。

1 自激振動深松裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

自激振動裝置采用滑塊連接雙彈簧振動方案，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由固定架、鑿型深松鏟、滑槽、彈簧、彈簧導(dǎo)向桿、滑塊、滾珠、回轉(zhuǎn)銷以及預(yù)緊調(diào)節(jié)螺母等組成。彈簧1、2分別套在組合導(dǎo)向桿上，可以沿導(dǎo)向桿方向壓縮運(yùn)動，彈簧1組合通過回轉(zhuǎn)銷連接于固定架和滑塊；彈簧2通過導(dǎo)向桿連接滑槽和滑塊；深松鏟和滑槽通過固定螺栓連結(jié)并通過回轉(zhuǎn)銷連接于固定架，其中深松鏟可以通過調(diào)整安裝位置來控制耕深。

圖1 自激振動深松裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行深松作業(yè)前，需要通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓使滑塊移動壓縮彈簧2產(chǎn)生合適的預(yù)緊力。在作業(yè)過程中，隨著作業(yè)深度的增加，深松鏟受到的切削阻力逐漸增大。當(dāng)切削阻力大于系統(tǒng)預(yù)緊力時(shí)，深松鏟和滑槽繞回轉(zhuǎn)銷逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，彈簧1因滑塊的空間位置發(fā)生改變被壓縮，同時(shí)反作用力推動滑塊沿滑槽方向壓縮彈簧2，當(dāng)切削阻力等于彈簧壓力時(shí)，彈簧無法被進(jìn)一步壓縮。土壤物理特性的不均勻性與動力源自身的振動使切削阻力時(shí)刻發(fā)生變化，隨著阻力的變化，整個系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡，即實(shí)現(xiàn)往復(fù)自激振動。

2 彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)與選型

彈簧是關(guān)鍵工作部件，因此需根據(jù)工作過程中所承受的載荷進(jìn)行彈簧的參數(shù)設(shè)計(jì)與選型。作業(yè)過程中彈簧承受的載荷并不直接等于切削阻力，為方便計(jì)算將裝置的受力狀態(tài)進(jìn)行簡化，受力簡圖如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)受力簡圖

根據(jù)圖2可得彈簧受力平衡方程和力矩平衡方程。

豎直方向力平衡方程：

水平方向力平衡方程：

力矩平衡方程：

式中：Fy——機(jī)架對深松鏟豎直向上的作用力，N；

Fx——機(jī)架對深松鏟水平向前的拉力，N；

F——切削阻力，N；

L——鏟尖到旋轉(zhuǎn)中心的水平距離，mm；

H——鏟尖到選擇中心的豎直距離，mm；

L1——滑槽受力點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm；

FG——土壤對鏟尖作用力沿豎直方向的分力，N。

牽引阻力的計(jì)算公式為：

式中：K0——切削阻力系數(shù)，N/mm2；

a——理論深松深度，mm；

b——理論擾動寬度，mm。

基于文獻(xiàn)[6]，取切削阻力系數(shù)0.05 N/mm2，理論深松深度300 mm，理論擾動寬度500 mm，計(jì)算得F=7 500 N，H=600 mm，L=400 mm，L1=320 mm，F(xiàn)G=9 N。代入公式（3）求得F1=14 073.75 N，即豎直彈簧受力極限最小值。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動角度為10°，根據(jù)極限位置的幾何關(guān)系可以求得水平彈簧的極限壓力為F2=3 472.68 N。為保證安裝穩(wěn)定彈簧兩端均并緊磨平，查閱設(shè)計(jì)手冊確定兩種彈簧的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 振動彈簧參數(shù)

3 切土仿真對比試驗(yàn)

為檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的作業(yè)性能，本研究通過建立自激振動裝置與土壤耦合的動力學(xué)模型，利用LS-DYNA對深松鏟振動和非振動兩種工況進(jìn)行仿真對照試驗(yàn)，并以切削阻力和功率為試驗(yàn)指標(biāo)來評價(jià)本次設(shè)計(jì)的自激振動裝置。本次試驗(yàn)土壤對象為重慶地區(qū)的紅壤土，選擇LS-PrePost中內(nèi)置的MAT147作為土壤模型材料[7]。兩種工況的仿真試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況如表2所示。

表2 仿真試驗(yàn)工況參數(shù)

將振動與非振動兩種工況的k文件導(dǎo)入LS-DYNA971求解器進(jìn)行計(jì)算，求解得到文件d3plot，在LS-PrePost中運(yùn)行得到的d3polt并提取切削阻力曲線以及功率曲線，分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 非振動狀態(tài)切削阻力曲線

圖4 振動狀態(tài)切削阻力曲線

圖5 非振動狀態(tài)功率曲線

圖6 振動狀態(tài)功率曲線

根據(jù)求解結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求解兩種工況下的平均切削阻力、平均能耗以及平均功率，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種工況下仿真結(jié)果對比

根據(jù)仿真結(jié)果，本研究設(shè)計(jì)的自激振動裝置在振動工況下可以有效降低切削阻力，降低深松機(jī)作業(yè)動力的功率需求。由仿真曲線可知，振動工況較非振動工況切削阻力波動范圍更小，峰值阻力更低，降低對機(jī)構(gòu)與牽引動力的沖擊，在延長自激振動裝置使用壽命的同時(shí)也可以增強(qiáng)駕駛員的舒適感，降低作業(yè)人員的操作難度；由功率曲線可知，作業(yè)過程中振動工況的功率曲線波動小，功耗低，可以有效減少作業(yè)成本，節(jié)約能耗。

4 結(jié)論

1）本研究設(shè)計(jì)了一種全新的小型自激振動裝置，采用雙方向振動彈簧布置方案，本裝置可以有效發(fā)生振動，縮小整個裝置尺寸大小。

2）對彈簧的選型計(jì)算提供了思路與參考，同時(shí)仿真驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的可行性，為后續(xù)方案的改進(jìn)與研究奠定了基礎(chǔ)。

3）以切削阻力和工作功率為試驗(yàn)指標(biāo)，對自激振動深松裝置進(jìn)行振動與非振動仿真對比試驗(yàn)，其中在自激振動工況下相較于非振動工況減阻4.79%，功率消耗平均減小18.49%。