立式螺旋深松作業(yè)機(jī)具研制與試驗(yàn)

周飛科，李立君，高自成

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410004)

我國(guó)長(zhǎng)期以來的傳統(tǒng)耕作模式導(dǎo)致土壤表層結(jié)構(gòu)與內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)狀況不斷惡化，且由于各種化學(xué)物質(zhì)，如化肥、農(nóng)藥等帶來的土壤污染，致使土壤環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[1]。土壤深松作業(yè)是指在不破壞土壤原本耕層結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行土壤深度松弛的一種耕整地作業(yè)方式[2]，對(duì)提高土壤的透水性、透氣性及其自恢復(fù)能力具有重要意義[3]。

目前市場(chǎng)上絕大部分的深松松土刀具為鏟式松土刀具[4-5]，松土刀具沉入土壤內(nèi)部，其移動(dòng)深松作業(yè)動(dòng)力由牽引機(jī)具提供，通過松土刀具對(duì)土垡的切割使其斷裂，實(shí)現(xiàn)土壤的深松[6]。此類刀具深松后的土壤破碎程度低，且在土壤硬度較大區(qū)域會(huì)導(dǎo)致牽引力的急劇增加[7]。鑒于此，近年來，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Su等[8]研制出氣動(dòng)式深松機(jī)具并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和振動(dòng)測(cè)試；王賢斐等[9]研制出立旋式驅(qū)動(dòng)型聯(lián)合整地機(jī)并完成樣機(jī)的加工試制和田間試驗(yàn)；Zhou等[10]提出一種強(qiáng)迫振動(dòng)深松減阻降耗的方法并開展田間作業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了減阻降耗效果；孫文峰等[11]設(shè)計(jì)了一種帶狀少耕整地復(fù)式作業(yè)機(jī)具，對(duì)帶狀旋耕部件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了旋耕機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，研制出樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)；趙建國(guó)等[12]設(shè)計(jì)了聯(lián)合整地機(jī)的深松部件和碎土機(jī)構(gòu)，該整地機(jī)的深松鏟振動(dòng)形式為自激振動(dòng)，入土角可控，通過建立深松鏟的動(dòng)力學(xué)模型，確定了關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行了室內(nèi)土槽試驗(yàn)。

隨著我國(guó)的林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方向調(diào)整，南方丘陵地帶的土地利用率逐步增加[13]。由于現(xiàn)有大部分的深松作業(yè)機(jī)具在南方丘陵地區(qū)的適用性不強(qiáng)，因此南方林地、山地的大部分地區(qū)當(dāng)前的耕整作業(yè)方式以小型農(nóng)田旋耕機(jī)為主進(jìn)行松土作業(yè)[14]。但由于土壤硬度較大，林地內(nèi)植被根系較多，松土深度一般小于100 mm，無(wú)法滿足林地松土深度≥200 mm的需求[15]，因此研制出一種適用于南方丘陵地區(qū)的深松作業(yè)機(jī)具顯得尤為重要。為滿足以上需求，筆者設(shè)計(jì)了一種立式螺旋深松作業(yè)機(jī)具。

1 總體結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)深松作業(yè)需求：松土深度不小于200 mm、碎土率不小于90%、作業(yè)效率不小于1 000 m2/h，提出了立式螺旋土壤深松設(shè)計(jì)理念并設(shè)計(jì)出立式螺旋土壤深松機(jī)具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.傳動(dòng)箱(支架);2.換向器;3.平土裝置;4.傳動(dòng)系統(tǒng);5.深度調(diào)節(jié)裝置;6.深松刀具。注：為顯示傳動(dòng)箱(序號(hào)1)的內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，將其前密封板隱藏。圖1 深松機(jī)具總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of subsoiling machines

深松作業(yè)的旋轉(zhuǎn)作業(yè)動(dòng)力由牽引機(jī)具提供，通過萬(wàn)向聯(lián)軸器傳入換向器，經(jīng)換向器傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)深松刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行深松作業(yè)。其中，中間齒輪直接連接到換向器的輸出軸上，再通過齒輪的兩兩嚙合帶動(dòng)相鄰的兩個(gè)刀具相對(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；深松刀具上均布有大螺距螺旋掃葉且相鄰刀具的掃葉旋向相反，從而將深松后的土壤向后推放的同時(shí)向上翻動(dòng)。深松刀具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.驅(qū)動(dòng)盤;2.鍵;3.刀體;4.螺旋掃葉;5.刀頭。圖2 深松刀具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of subsoiling tool

驅(qū)動(dòng)盤和刀體的連接方式為螺栓連接，通過鍵連接傳遞深松力矩；刀體上均布有3片螺旋掃葉，刀頭焊接在刀體的螺旋掃葉上。當(dāng)機(jī)具進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)，刀頭先接觸土壤，繼而切割土壤使其斷裂，刀體上的螺旋掃葉再將土壤翻動(dòng)、攪拌，提高土塊的破碎程度。

深松機(jī)具的部分關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 深松機(jī)具關(guān)鍵參數(shù)表Table 1 Key parameters of the subsoiling machine

2 深松刀具動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)深松刀具初始狀態(tài)進(jìn)行定義。設(shè)刀具以速度v向前移動(dòng)，以角速度ω繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，以刀具回轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)，移動(dòng)方向作為X軸，移動(dòng)方向的垂直方向?yàn)閅軸，垂直于XOY平面為Z軸，建立坐標(biāo)系，得到刀具運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 深松刀具運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.3 Kinematic model of subsoiling tool

根據(jù)刀具的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可得A、B、C3處刀頭的位移方程為：

(1)

定義刀頭的切向速度與刀具前進(jìn)速度的比值為旋速比，即λ=Rω/v。當(dāng)λ<1和λ=1時(shí)，由于刀具的前進(jìn)速度大于或等于刀頭的切向速度，刀頭的運(yùn)動(dòng)軌跡分別為短擺線和滾擺線[16]，刀具對(duì)土壤均不產(chǎn)生切割作用；當(dāng)λ>1時(shí)，由于刀具的前進(jìn)速度小于刀頭的切向速度，刀頭的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線[17]，對(duì)土壤具備切割作用。故旋速比應(yīng)大于1才能滿足土壤切削作業(yè)需要。

根據(jù)刀具位移方程，構(gòu)建土壤切削吃刀量計(jì)算模型，如圖4所示。圖4中，刀頭C由C0點(diǎn)切入土壤，α為刀片切入角；由C1點(diǎn)切出土壤，β為刀片切出角，由刀具位移方程可求出刀具的切入角α和切出角β；θ為刀頭與回轉(zhuǎn)中心連線在任意時(shí)刻與Y軸的夾角。

圖4 吃刀量計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of cutting capacity

在刀頭切土軌跡上任取一點(diǎn)C3(xC3，yC3)并以其為圓心，刀具半徑R為半徑作圓，該圓與X軸的交點(diǎn)即為C3點(diǎn)的回轉(zhuǎn)中心OC3(xOC3，yOC3)。構(gòu)建直線OC3C3的方程為：

(2)

將式(1)與式(2)聯(lián)立，可以得到直線OC3C3與刀頭A軌跡的交點(diǎn)，再求解該交點(diǎn)與點(diǎn)C3的距離s即可得土壤切削的吃刀量方程為：

(3)

其約束條件為：

-α≤θ≤π+β

(4)

深松刀具作業(yè)過程中，土壤切削由刀頭完成，土壤的翻動(dòng)由螺旋掃葉完成，取單個(gè)螺旋掃葉及刀頭任意微段dH構(gòu)建受力分析模型如圖5所示。

圖5 螺旋掃葉任意截面受力分析模型Fig.5 Force analysis model of arbitrary section of spiral swept blade

其中：L0為掃葉外端距回轉(zhuǎn)中心距離；dl為翻動(dòng)的土壤微元尺寸；l為翻動(dòng)的土壤微元距回轉(zhuǎn)中心距離；s為土壤切削吃刀量；b0為掃葉厚度；D、d為刀體中心軸內(nèi)、外徑；δ為掃葉與主軸夾角；F為掃葉受到的土壤翻動(dòng)反作用力；FH、FV分別為力F在水平、垂直方向的分力；Ff為被翻動(dòng)土壤對(duì)掃葉的摩擦力；F1為土塊對(duì)刀頭的切削反力；F2為被切削土塊對(duì)刀頭的摩擦反力。

土壤對(duì)刀頭微段的切削反力方程[18-19]為：

F1=σsdH

(5)

式中，σ為土壤最大主應(yīng)力。

(6)

式中:Ch為土壤內(nèi)聚力;φ為土壤內(nèi)摩擦角。

刀頭處的微段長(zhǎng)度dH根據(jù)圓柱螺旋參數(shù)方程可求得：

(7)

式中，Φ為螺旋掃葉回旋角。

土壤對(duì)刀頭微段的摩擦反力方程為：

F2=μF1

(8)

式中，μ為土壤與金屬的動(dòng)摩擦系數(shù)。

則刀頭微元的土壤切削力矩為：

dM1=(F1cosδ+F2sinδ)L1

(9)

式中，L1為土塊中心距回轉(zhuǎn)中心距離，為L(zhǎng)1=R-s/2。

假設(shè)同一螺旋掃葉上的3個(gè)刀頭同時(shí)切削土壤時(shí)吃刀量相同，則土壤切削力矩為：

(10)

式中，ε為單個(gè)刀頭的回旋角。

由圖5中的A-A可得

(11)

圖6 力矩的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surface of torque

式中，msl為翻動(dòng)的土壤質(zhì)量，為：

(12)

其中，γ為土壤容重。

聯(lián)立式(11)、式(12)，可得土壤翻動(dòng)阻力方程為：

(13)

螺旋掃葉處的微段長(zhǎng)度dH根據(jù)圓柱螺旋參數(shù)方程可求得為：

(14)

則螺旋掃葉微段處的土壤翻動(dòng)阻力矩為：

dM2=(Fcosδ+Ffsinδ)l

(15)

對(duì)式(15)積分可得土壤翻動(dòng)力矩為：

(16)

式中，Ф為螺旋掃葉回旋角，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此處取Ф=4ε。

因此，單個(gè)螺旋掃葉的作業(yè)力矩為：

M=M1+M2

(17)

根據(jù)以上分析，發(fā)現(xiàn)作業(yè)力矩M的影響因素包括吃刀量s、夾角δ、刀具半徑R，而吃刀量與旋速比λ有關(guān)，刀具半徑R與掃葉長(zhǎng)度L0-D/2有關(guān)；因此，著重分析旋速比λ、夾角δ、掃葉長(zhǎng)度L0-D/2對(duì)作業(yè)力矩的影響。

利用MATLAB軟件[20]分別繪制刀具在一個(gè)切土周期內(nèi)，力矩對(duì)各影響因素的響應(yīng)曲面，如圖6所示。

可以看出：①隨著旋速比的增大，力矩逐漸減小。這是因?yàn)樵龃笮俦葴p小了土壤切削的吃刀量，進(jìn)而減小了切削力。②隨著掃葉長(zhǎng)度的增大，力矩逐漸增大。這是因?yàn)閽呷~長(zhǎng)度的增加既增大了切削力的有效力臂，又增加了土壤翻動(dòng)量。③力矩在夾角δ的取值范圍兩端均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著夾角δ的減小，土壤切削力在刀具切向的作用逐漸增大。隨著夾角δ的減小，土壤翻動(dòng)力在刀具切向的作用逐漸增大，夾角在45°附近力矩值較小。

深松刀具的作業(yè)功耗為：

(18)

式中，V為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s。

由式(18)可以看出，作業(yè)功耗P與旋速比、掃葉長(zhǎng)度、夾角δ相關(guān)，且隨掃葉長(zhǎng)度、夾角δ的變化規(guī)律與作業(yè)力矩M相同，故此處僅分析作業(yè)功耗P隨旋速比的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 功率的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface of power

由圖7可以看出，隨著旋速比的增大，作業(yè)功率隨之略有增大，但增幅較小；在旋速比λ=12時(shí)，最大功率為7.035 kW。

根據(jù)作業(yè)效率要求(不小于1 000 m2/h)和機(jī)具作業(yè)幅寬(1 200 mm)，可得機(jī)具前進(jìn)速度需滿足V≥0.23 m/s。結(jié)合上述動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，取旋速比λ≥10，夾角δ為45°，掃葉長(zhǎng)度為100 mm，可得刀具轉(zhuǎn)速范圍為n≥184 r/min；單個(gè)深松刀具在λ=12時(shí)的最大功率為7.035 kW，給予20%的裕度，單個(gè)刀具最大功率取8.5 kW，則深松機(jī)具的輸入功率需滿足Pin≥42.5 kW。

3 深松機(jī)具作業(yè)試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證立式螺旋深松作業(yè)機(jī)具的可行性，研制出了樣機(jī)一臺(tái)并開展深松試驗(yàn)。本次樣機(jī)作業(yè)試驗(yàn)在長(zhǎng)沙市雪峰山油茶林基地的部分山地開展，分別驗(yàn)證了樣機(jī)松土深度、松土效果(碎土率)和作業(yè)效率。試驗(yàn)樣機(jī)相關(guān)參數(shù)及土壤特性如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)與土壤特性Table 2 Parameters of test prototype and soil characteristics

在前進(jìn)速度770 m/h前提下，沿前進(jìn)方向進(jìn)行松土深度采樣，采樣點(diǎn)密度為2 m/個(gè)，檢測(cè)并記錄松土深度(見圖8)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖8 松土深度試驗(yàn)Fig.8 Measurement of subsoiling depth

表3 松土深度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Measurement results of subsoiling depths

在前進(jìn)速度770 m/h前提下，沿前進(jìn)方向進(jìn)行碎土率采樣，采樣點(diǎn)密度為1 m/個(gè)，采樣方法為抽取部分土壤并稱取質(zhì)量，將最大尺寸大于50 mm的土塊挑出后再次稱質(zhì)量，兩者的比值即為碎土率。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 碎土率試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of soil crushing rates

為驗(yàn)證深松機(jī)具的作業(yè)效率，取前進(jìn)速度分別為770，900 和1 465 m/h展開試驗(yàn)(圖9)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果按如下規(guī)則進(jìn)行綜合評(píng)分。

1)滿分100分，按照松土深度與松土效果的比重，兩者分別占40%與60%；

2)最小松土深度≤150 mm時(shí)得0分，≥200 mm時(shí)得滿分，介于150 ～200 mm時(shí)按下式計(jì)算得分:

3)平均碎土率≤90%得0分，≥95%得滿分，介于90%～95%時(shí)按下式計(jì)算得分:

4)總得分在80分以上，即代表作業(yè)效果滿足要求。

圖9 作業(yè)效率驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.9 Verification test of operation efficiency

作業(yè)效率驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與綜合評(píng)分情況如表5所示。

表5 作業(yè)效率驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Verification results of operation efficiency

由樣機(jī)深松作業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果可以得出：

1)在前進(jìn)速度770 m/h時(shí)，最大、最小松土深度分別為228和218 mm，平均松土深度223.7 mm，滿足松土深度≥200 mm的需求；

2)在前進(jìn)速度770 m/h時(shí)，最大、最小碎土率分別為97.9%和95.1%，平均碎土率為96.57%，碎土效果好；

3)在前進(jìn)速度分別為770和900 m/h時(shí)，綜合評(píng)分分別為100分和88.8分，作業(yè)效果滿足要求。在前進(jìn)速度1 465 m/h時(shí)，綜合評(píng)分19.2分，作業(yè)效果不滿足要求;因此，深松機(jī)具在山地環(huán)境下的作業(yè)效率可達(dá)1 080 m2/h。

4 結(jié) 論

1)通過對(duì)深松刀具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：增大旋速比能有效降低總力矩，減小螺旋掃葉長(zhǎng)度可有效降低總力矩，螺旋掃葉與刀軸的夾角在45°左右時(shí)力矩值最低；

2)研制樣機(jī)并開展深松作業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：山地環(huán)境作業(yè)時(shí)松土深度最大可達(dá)228 mm，碎土率可達(dá)97.9%，作業(yè)效率可達(dá)1 080 m2/h，滿足設(shè)計(jì)要求。