條耕模式下變強度振動式鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計與試驗

圖分類號：S222.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0065-07

Abstract：In view of the problem that the suppression device suitable for the domestic strip tillge planting mode cannot adjust the suppression strength according tothe change ofsoil moisture content，avariable strength vibrationsuppressiondeviceisdesigned，sothat thevibration force can beadjusted quickly withina largerangeof vibrationdegree.Through the designof the main structure of the suppression device and the force analysis of the whole machine，the change range of the suppression pressure produced by the suppression device is 12.22-113.78N ANSYS softwareisused toverifythe feasibilityof the theoretical model，andthe maximumstress of the suppression device is 6.254MPa ，and the maximum deformation is 0.192mm ，which is less than the design standard value. The natural frequency is 100.85-197.77Hz ，which is quite different from the excitation frequency of the motor at （20 50Hz ，indicating that the strength of the suppression device meets the use requirements and does not resonate. The self-made breeding tank was used to simulate maize emergence experiment，and the resultsshowed that the factors affecting the emergence rateofcorn were from large tosmallas follows：soil moisture content，repression strength，soil covering thickness，and soil moisture content was extremely significant. Theoptimal scheme was soil covering thickness of 4cm ，soil moisture content of 20% and suppression strength of 20kPa .In addition，the influenceof thenumberof counterweightson theballst strengthandthe impactof the balast strengthon thesoil moisturecontent were tested.The resultsshowed that when the three counterweights were configured，the repression strength reached 22.1kPa ，which met the repression strength of about 22kPa in the soil situation of this experiment. When the suppression strength is 20kPa ，the soil moisture content change is minimized and the water storage and retention ability is good.According tothesoil moisture contentand the suppression strength，the controlsystemisdividedintothreelevels.Theresultsofthispapercanprovidetheoreticalbasisandtechnicalreferencefor theresearch and development of variable strength ballast.

Keywords：vibration suppression device； strip tilage mode；soil moisture；suppression strength；vibration force

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物，也是東北三大作物之一，玉米條耕技術(shù)屬于保護性耕作技術(shù)的一種，近幾年被廣泛應(yīng)用。條耕技術(shù)目前存在兩種模式：美國主要采用耙松式條耕技術(shù)，所使用的機具價格高、功耗大；我國普遍采用可以有效提高土壤松散度且更符合我國農(nóng)戶精細耕作種植習(xí)慣的旋松式條耕技術(shù)，但是該技術(shù)會破壞土壤微生物環(huán)境，不利于保持土壤肥力。

播種作業(yè)質(zhì)量對玉米產(chǎn)量有重要影響，在玉米種植過程中，仍存在播深一致性差、種床結(jié)構(gòu)不合理等問題。鎮(zhèn)壓作為整地作業(yè)中一個重要的環(huán)節(jié)，一般指種子落入種溝后對土壤壓實，改善土壤結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造土壤緊實程度適宜的生長環(huán)境[12]。鎮(zhèn)壓分為兩類，一種是播種前整地鎮(zhèn)壓，另一種是覆土后對土壤鎮(zhèn)壓[3，4]。鎮(zhèn)壓的作業(yè)質(zhì)量影響土壤的蓄水保能力，進而影響玉米的出苗質(zhì)量。

國內(nèi)外對鎮(zhèn)壓機具進行了大量研究，Altikat等[5]利用設(shè)計的橡膠鎮(zhèn)壓輪試驗，指出合理的土壤壓實程度有利于提升作物的出苗率與生長質(zhì)量。Rui等6以玉米為研究基礎(chǔ)，提出一種相對科學(xué)合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)最佳生長效果。佟金[7、張智泓[8.9]等研究的凸齒鎮(zhèn)壓器可以實現(xiàn)作業(yè)地表土壤表面形貌的加工，提高作業(yè)后地表的蓄水能力。康迪鑫等1°以ANSYS軟件為工具，以鎮(zhèn)壓輥為對象開展有限元分析工作，在提高鎮(zhèn)壓效果的同時也有效降低了土壤黏附性能，從而極大提升了作業(yè)效果。

上述機具的整地效果較好，但其價格昂貴、維護維修困難，且在實際作業(yè)中存在作業(yè)性能不穩(wěn)定等問題。這些因素導(dǎo)致國內(nèi)很少有人愿意購買進口機具[1]。而國內(nèi)鎮(zhèn)壓裝置在作業(yè)時，大多數(shù)無法根據(jù)土壤熵情的變化而調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓強度，其激振力難以在較大振動程度范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)。因此，研究適應(yīng)不同土壤情的鎮(zhèn)壓裝置，可以有效提高鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量。鎮(zhèn)壓作業(yè)可使作物種子和土壤接觸更加緊實，提高種植出苗率，適當?shù)逆?zhèn)壓不僅能保證最佳的種床環(huán)境，還能有效減少土壤侵蝕[12，13]。為解決以上問題，本文研制一種鎮(zhèn)壓強度可調(diào)式振動鎮(zhèn)壓裝置，并進行整機受力和仿真分析，確定鎮(zhèn)壓力變化范圍并驗證鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計效果。此外，研究育種槽玉米出苗試驗的影響因素，探究劃分鎮(zhèn)壓裝置控制系統(tǒng)擋位的方法，旨在為變強度鎮(zhèn)壓器研發(fā)提供參考依據(jù)。

1振動式鎮(zhèn)壓裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)玉米條耕技術(shù)種植模式的農(nóng)藝特點，設(shè)計的用于播種前鎮(zhèn)壓的變強度振動式鎮(zhèn)壓裝置主要由鎮(zhèn)壓板、驅(qū)動軸、配重塊、拉板、驅(qū)動電機及傳動機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1振動式鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)

Fig. 1 Structure of vibration suppression device 1.驅(qū)動電機及傳動機構(gòu)2.配重塊3.拉板4.驅(qū)動軸5.鎮(zhèn)壓板

選用 Y10012-4 三相異步交流電機作為驅(qū)動電機，并且在拖拉機上裝有發(fā)電機組為電機提供電能，驅(qū)動電機通過鎮(zhèn)壓板后端焊接的方形鋼固定。整個裝置的動力來源是依靠驅(qū)動電機帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因而控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓強度的目的。選用英威騰CHV100系列高性能矢量變頻器控制電機轉(zhuǎn)速。

作業(yè)時整個鎮(zhèn)壓裝置在拉板的帶動下滑動行進，由單片機控制變頻器調(diào)節(jié)后置的驅(qū)動電機帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，連接在驅(qū)動軸上的多個配重塊也隨之轉(zhuǎn)動，促使驅(qū)動軸產(chǎn)生離心力進而產(chǎn)生激振力，激振力使鎮(zhèn)壓裝置上下振動，以達到主動鎮(zhèn)壓的目的。通過人為增減配重塊數(shù)量來實現(xiàn)整個裝置的鎮(zhèn)壓強度在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，提高土壤堅實度和地表溫度，使土壤吸水能力增加，起到供、保和提作用，避免風(fēng)蝕危害。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1鎮(zhèn)壓板與支撐架連接設(shè)計

如圖2所示，鎮(zhèn)壓板前端折彎成長 100mm 呈 45^°角形狀，后端固定連接有對稱的兩個支撐架，支撐架下部與拉板連接，上部開通孔用于支撐驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。

圖2鎮(zhèn)壓板和支撐架連接圖

Fig.2 Connection diagram of the suppression plate and the support frame 1.支撐架2.鎮(zhèn)壓板

2.2 驅(qū)動軸和配重塊設(shè)計

圖3驅(qū)動軸與配重塊焊接圖 Fig.3Welding diagram of drive shaftand counterweightblock

圖3為驅(qū)動軸與配重塊焊接圖，驅(qū)動軸和配重塊作為鎮(zhèn)壓裝置的核心部件，驅(qū)動軸設(shè)計成總長375mm 、工作段長 240mm 、直徑為 32mm 的旋轉(zhuǎn)軸。在驅(qū)動軸周側(cè)面先焊接一個配重塊，配重塊設(shè)計成厚20mm 長 110mm 的 120^° 扇形鐵塊，與驅(qū)動軸焊接處留有半徑為 5mm 的圓角，扇形面上開設(shè)2個Φ20mm 的通孔，通孔間距為 98mm ，用于固定其他配重塊。通過人為增減配重塊的數(shù)量來實現(xiàn)整個裝置的鎮(zhèn)壓強度在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。

2.3振動式鎮(zhèn)壓裝置受力分析

鎮(zhèn)壓裝置在作業(yè)過程中的受力主要由配重塊的位置來確定，因此將其看作一個整體，其受力情況如圖4所示。鎮(zhèn)壓裝置在作業(yè)過程中受到土壤反作用力F_N 、土壤阻力 F_f ，自身重力 G （質(zhì)量 m_i ）、配重塊旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力 F₁ 和隨著機具前進在拉板上產(chǎn)生向前的拉力 F₂ 。土壤摩擦系數(shù)為 0.5?β 為拉板安裝角， θ 為驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)角度，由此可得鎮(zhèn)壓裝置在作業(yè)過程中的受力平衡方程如式（1）所示。

圖4鎮(zhèn)壓裝置受力分析Fig.4Force analysis of the suppression device

當鎮(zhèn)壓裝置穩(wěn)定作業(yè)時，拖拉機牽引力 F₂ 保持不變， 和 都為0，因而求得

（F_f-F₁sinθ）tanβ+F_N+F₁cosθ=m₁g

摩擦阻力計算如式（3）所示。

F_f=μF_N

式中： μ —滑動摩擦系數(shù)。

將式（3）代入式（2）并簡化得

m₁g=（μtanβ+1）F_N+F₁（cosθ-tanβsinθ）

圖5為某一時刻配重塊繞軸旋轉(zhuǎn)受力圖，配重塊質(zhì)心 c 與旋轉(zhuǎn)中心的距離為 r ，離心力 F₁ 時刻與運動軌跡相切，得到

F₁=m₂ω²r

式中： m₂ 配重塊質(zhì)量， kg ω 配重塊旋轉(zhuǎn)角速度， rad/s 。

圖5配重塊隨驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)受力圖 Fig. 5Force diagram of the counterweight rotating withthedriveshaft

已知驅(qū)動軸和驅(qū)動電機的傳動比 i=0.53 ，將式（5）代人式（4）中得

m₁g=（μtanβ+1）F_N+m₂ω²r（cosθ-tanβsinθ）

由式 （1）～ 式（6）可知，在安裝角度 β 固定不變且驅(qū)動電機處于額定轉(zhuǎn)速下，鎮(zhèn)壓力大小主要取決于配重塊的旋轉(zhuǎn)角度，將式（6）轉(zhuǎn)化為式（7）。

已知配重塊凈重 m₂ 為 1.35kg ，質(zhì)心 C 與旋轉(zhuǎn)中心的距離 r 為 0.055m ，通過式（6）得出驅(qū)動電機在額定轉(zhuǎn)速下，配置一個配重塊能產(chǎn)生的離心力為570.9N 。當安裝角度 β 為 30^°，40^°，50^° 時，由式（7）可得，當安裝角度 β 增大，鎮(zhèn)壓力則會減小。因此，為求該裝置能產(chǎn)生的最大鎮(zhèn)壓力范圍，在計算時將 β 定為30^° 。使用MATLAB軟件進行分析，得到鎮(zhèn)壓力隨驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系。

由圖6可知，鎮(zhèn)壓力呈現(xiàn)波形變化，當驅(qū)動電機處于額定轉(zhuǎn)速、驅(qū)動軸上只有一個配重塊且安裝角度 β 為 30^° 時，鎮(zhèn)壓裝置能產(chǎn)生的鎮(zhèn)壓力變化范圍為12.22～113.78N ，復(fù)數(shù)配重塊則在其基礎(chǔ)上增加 n× 570.9N 。

2.4振動式鎮(zhèn)壓裝置模態(tài)分析

鎮(zhèn)壓裝置的強度決定了在作業(yè)時的安全性和穩(wěn)定性，因此需要對該裝置進行靜力學(xué)分析。鎮(zhèn)壓作業(yè)中的振動類型為受迫振動且多為低頻振動，振幅較大。因而需要分析低頻振動是否對鎮(zhèn)壓裝置產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并取前6階振型對鎮(zhèn)壓裝置進行模態(tài)分析。

網(wǎng)格密度的高低將影響求解時間長短[14]。在此選用四面體網(wǎng)格劃分，在配重塊和驅(qū)動軸的螺栓孔處添加固定約束，在鎮(zhèn)壓板底部添加一個固定約束，當驅(qū)動電機以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，通過遙測儀測得鎮(zhèn)壓裝置受最大牽引力為 1337N 。因此，在拉板與機架固定通孔處施加向前的牽引力，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的求解器可更好地滿足求解要求[15]

由圖7可知，在拉板與機架固定通孔處出現(xiàn)了最大應(yīng)力值為 6.254MPa ，鎮(zhèn)壓裝置的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力。

由圖8可知，鎮(zhèn)壓裝置最大變形處在拉板上，最大變形量為 0.192mm ，小于設(shè)計值。因此，在作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓裝置的強度滿足使用要求。

圖9模態(tài)分析Fig.9Modal analysis

每階模態(tài)特有的數(shù)值可以通過計算求得，也可以通過試驗分析得到[16]。取前6階振型對鎮(zhèn)壓裝置進行模態(tài)分析，結(jié)果如圖9所示。

配重塊隨著驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力是引起鎮(zhèn)壓裝置振動的關(guān)鍵因素，表1中鎮(zhèn)壓裝置前6階振型的固有頻率為 100.85～197.77Hz ，均與驅(qū)動電機激勵頻率 50Hz 相差較大。因而得出鎮(zhèn)壓裝置在驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速下作業(yè)時不會產(chǎn)生共振。

表1鎮(zhèn)壓裝置前6階固有頻率 Tab.1First 6 natural frequencies of suppression device

3 出苗試驗

3.1試驗條件及方法

鎮(zhèn)壓作業(yè)最根本的自的是為玉米生長提供適合的環(huán)境，保證玉米出苗率。鎮(zhèn)壓裝置鎮(zhèn)壓強度調(diào)整首先是依據(jù)試驗獲得參數(shù)進行調(diào)節(jié)，進而通過田間試驗完善鎮(zhèn)壓參數(shù)的調(diào)節(jié)。選取覆土厚度、鎮(zhèn)壓強度和土壤含水率作為影響因素，研究其對玉米出苗率的影響。根據(jù)NY/T3491—2019《玉米免耕播種機適用性評價方法》，選取覆土厚度為 3cm.4cm.5cm ，將土壤含水率[17]控制在 14%17%20% ，鎮(zhèn)壓強度選取 12kPa 、16kPa.20kPa ，試驗方案如表2所示。利用自制土槽育種來模擬玉米出苗試驗，試驗槽做成長 80cm 、寬38cm 和深 21cm 方形槽，分為4個試驗區(qū)域，每個試驗區(qū)域底部開設(shè)9個小孔，起到透氣和排水作用。

表2出苗試驗因素水平 Tab.2Level of factors of seedling emergence test

試驗方法：先在測試區(qū)域內(nèi)裝填 10cm 的土層并進行壓實，并在每個區(qū)域內(nèi)均勻放置20粒玉米種子。覆土厚度的控制是通過人工澆水的方式，使含水率盡量控制在所需范圍內(nèi)，上下浮動 0.5% 。通過改變放置在20cm×19cm 鋼板上的定量重物來對土壤進行鎮(zhèn)壓強度的調(diào)節(jié)，從而模擬田間的鎮(zhèn)壓強度。共進行9組試驗，4組為一個周期，每個周期為10天，總計進行3個周期。

3.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)正交試驗方案及評價指標進行9組試驗，其結(jié)果如表3所示。

表3玉米出苗試驗極差分析Tab.3Range analysis of corn emergence test

影響玉米出苗率的因素從大到小依次為：土壤含水率、鎮(zhèn)壓強度、覆土厚度，且土壤含水率的影響極為顯著，因此，鎮(zhèn)壓裝置控制系統(tǒng)的擋位由土壤含水率確定。最優(yōu)方案為各因素最大值 K 所對應(yīng)的水平，極差分析得 A₂B₃C₃ 為最優(yōu)方案，即覆土厚度為 4cm ，土攘含水率為 20% ，鎮(zhèn)壓強度為 20kPa 。

4鎮(zhèn)壓裝置擋位確定

4.1配重塊數(shù)量對鎮(zhèn)壓強度影響測試

以配重塊數(shù)量為因素，鎮(zhèn)壓強度為指標，在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速恒定的條件下進行測試，配重塊數(shù)量分別取2、3、4、5、6塊，試驗測試配重塊數(shù)量變化對鎮(zhèn)壓強度的影響關(guān)系。根據(jù)測試條件人為增減配重塊數(shù)量并記錄鎮(zhèn)壓強度的變化，每組試驗測試3次，取其平均值。試驗時配重塊凈重 1.35kg ，鎮(zhèn)壓裝置自重為 70kg ，鎮(zhèn)壓強度大小通過拉壓力傳感器測定，通過計算得出鎮(zhèn)壓強度。

由表4可知，鎮(zhèn)壓裝置在3塊配重塊的情況下能產(chǎn)生 22.1kPa 的鎮(zhèn)壓強度。根據(jù)出苗試驗得到所需鎮(zhèn)壓強度為 22kPa 左右，因此確定本試驗土壤情況下的鎮(zhèn)壓裝置配置3塊配重塊可以滿足鎮(zhèn)壓強度需求。

表4配重塊數(shù)量對鎮(zhèn)壓強度影響試驗 Tab.4 Effect of the number of counterweight blocks on ballast strength

4.2土壤含水率對鎮(zhèn)壓強度影響測試

播前鎮(zhèn)壓的主要目的是壓實土壤，減少水分流失，因此需要對不同鎮(zhèn)壓強度下土壤的保水能力進行研究。根據(jù)出苗試驗最優(yōu)方案的鎮(zhèn)壓強度為 20kPa ，上下浮動 2kPa ，選取 18kPa?20kPa?22kPa 作為變量。將測試區(qū)分為試驗區(qū)和對照區(qū)共4組，其中一組為對照組，使用鎮(zhèn)壓輪進行鎮(zhèn)壓作業(yè)。土壤含水率采用國家規(guī)定的烘干法進行測量[18]。玉米的播種深度為30mm 左右，因此采取 0～30mm 和 30～60mm 深度的土樣，測量變強度鎮(zhèn)壓作業(yè)后的土壤含水率，3天后復(fù)測，對比分析土壤含水率的變化，結(jié)果如表5所示。

表5鎮(zhèn)壓強度對土壤含水率影響試驗 Tab.5Tests on the effect of ballast strength on soil water content

由表5可知，變強度鎮(zhèn)壓后的土壤含水率變化量均小于對照組，說明播前變強度鎮(zhèn)壓能起到保持土壤含水率的作用。當鎮(zhèn)壓強度為 20kPa 時，其土壤含水率變化量最小。由圖10可知，隨著鎮(zhèn)壓強度的增加，土壤含水率的變化量先降低，當鎮(zhèn)壓強度為 20kPa 時達到最低值，隨后土壤含水率的變化量又增加。

圖10鎮(zhèn)壓強度對土壤含水率的影響 Fig. 1o Effect of compaction intensity on soil water content

因此，確定土壤含水率在 20% ，鎮(zhèn)壓強度 20kPa 為控制系統(tǒng)中間擋位；當土壤含水率高于 20% 時，為降低含水率需要減小鎮(zhèn)壓強度，設(shè)定 18kPa 為控制系統(tǒng)的一擋；同理，當王壤含水率低于 20% 時，將鎮(zhèn)壓強度設(shè)置為 22kPa ，作為控制系統(tǒng)的三擋。

5 結(jié)論

1）在條耕種植模式下，為供、保和提，避免風(fēng)蝕危害，設(shè)計并研制鎮(zhèn)壓強度可調(diào)的振動式鎮(zhèn)壓裝置，其主要由鎮(zhèn)壓板、驅(qū)動軸、配重塊、拉板、驅(qū)動電機及傳動機構(gòu)組成。通過人為增減配重塊數(shù)量來實現(xiàn)整個裝置的鎮(zhèn)壓強度在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。對鎮(zhèn)壓裝置進行受力分析，得出鎮(zhèn)壓力呈現(xiàn)波形變化。在配置單個配重塊并設(shè)定額定轉(zhuǎn)速下，當安裝角度為 30^° 時，鎮(zhèn)壓裝置產(chǎn)生的鎮(zhèn)壓力變化范圍為 12.22～113.78N ，利用ANSYS仿真軟件對鎮(zhèn)壓裝置進行仿真分析，得到鎮(zhèn)壓裝置所受最大應(yīng)力 6.254MPa 、最大變形量 0.192mm 遠小于材料的許用應(yīng)力且變形量可忽略不計。固有頻率為 100.85～197.77Hz ，與驅(qū)動電機激勵頻率 50Hz 相差較大，表明鎮(zhèn)壓裝置強度滿足使用要求且不會發(fā)生共振。因此，該裝置設(shè)計滿足可行性要求。

2）利用自制的育種槽模擬玉米出苗試驗，結(jié)果表明，影響玉米出苗率的因素從大到小依次為土壤含水率、鎮(zhèn)壓強度、覆土厚度，且土壤含水率的影響極為顯著。獲得最優(yōu)參數(shù)組合：覆土厚度為 4cm 、土壤含水率為 20% 、鎮(zhèn)壓強度為 20kPa 。

3）進行配重塊數(shù)量對鎮(zhèn)壓強度的影響和鎮(zhèn)壓強度對土壤含水率的影響試驗，結(jié)果表明，當配置3塊配重塊時，鎮(zhèn)壓強度達到 22.1kPa ，滿足本試驗土壤情況下玉米出苗需要的鎮(zhèn)壓強度約為 22kPa 的需求。當鎮(zhèn)壓強度為 20kPa 時，土壤含水率變化量最小，土壤的蓄水保能力較好。鎮(zhèn)壓裝置控制系統(tǒng)擋位由土壤類型與土壤含水率來確定，當土壤含水率為 20% 時，鎮(zhèn)壓強度 20kPa 作為控制系統(tǒng)的中間擋位；當土攘含水率高于 20% 時，鎮(zhèn)壓強度設(shè)定為 18kPa ，作為控制系統(tǒng)的一擋；當土壤含水率低于 20% 時，將鎮(zhèn)壓強度設(shè)定為 22kPa ，作為控制系統(tǒng)的三擋。

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