1SZ—180型偏心式振動(dòng)深松機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉從京 李傳友 李問(wèn)盈 王憲良 鄭侃 李留明 胡宏男

摘要：設(shè)計(jì)一種偏心四桿機(jī)構(gòu)式振動(dòng)深松機(jī)，優(yōu)化整機(jī)參數(shù)，并進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，深松深度超過(guò) 35 cm 時(shí)，與非振動(dòng)深松機(jī)相比，拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率減少23%～37%，振動(dòng)深松可有效降低機(jī)具牽引阻力。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)深松；偏心式振動(dòng)；深松降阻；深松鏟；偏心四桿機(jī)構(gòu)；機(jī)具牽引阻力；降低

中圖分類(lèi)號(hào)： S222文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0193-03

深松整地有利于農(nóng)田土壤改良、提高糧食綜合生產(chǎn)能力、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和生態(tài)雙贏，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1-2]。2015年，國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在《求實(shí)》雜志上發(fā)表文章，要求大力推廣深松作業(yè)。我國(guó)在深松方面已有多年的研究經(jīng)驗(yàn)，獲得了一批先進(jìn)技術(shù)成果，研發(fā)了全方位、鑿式、翼鏟式、振動(dòng)式、鵝掌式等多種類(lèi)型深松機(jī)，不同深松機(jī)具因結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)不同，作業(yè)性能也存在一定差異，這些深松機(jī)在市場(chǎng)上很常見(jiàn)。部分深松裝備雖然結(jié)構(gòu)、外形先進(jìn)，但存在作業(yè)質(zhì)量不高、可靠性較低、區(qū)域適應(yīng)性較差等問(wèn)題[3-5]。本研究針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合華北一年兩熟區(qū)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，研制出一種基于偏心四桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)深松機(jī)。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

偏心式振動(dòng)深松機(jī)主要由機(jī)架、變速箱、偏心機(jī)構(gòu)、深松鏟、限深輪和切土輪等組成（圖1），其與傳統(tǒng)深松機(jī)最大區(qū)別在于通過(guò)周期性機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)深松，可有效降低深松阻力，并能減小土壤擾動(dòng)，提高作業(yè)速度[6-7]。

偏心式振動(dòng)深松機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：配套動(dòng)力50～70 kW，整機(jī)質(zhì)量260 kg，最大作業(yè)幅寬1 800 mm，作業(yè)行數(shù)為4行，行距為450 mm，最大入土深度450 mm，深松鏟入土角23°，作業(yè)效率0.4～0.8 hm2/h，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）1 200 mm×1 950 mm×15 500 mm。

1.2工作原理

振動(dòng)深松機(jī)通過(guò)裝在前部的切土輪切斷作物秸稈、雜草或板結(jié)的地表，既可防止深松時(shí)板結(jié)的表層土壤翻轉(zhuǎn)，減少水分蒸發(fā)，又能防止雜草和秸稈纏繞堵塞鏟柄，減小深松鏟鏟柄的前進(jìn)阻力[8]。動(dòng)力經(jīng)變速箱傳到從動(dòng)軸，從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與從動(dòng)軸通過(guò)花鍵配合的偏心花鍵套的轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心花鍵套的轉(zhuǎn)動(dòng)使得大連桿中心繞從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心花鍵套的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大連桿、連桿支撐架及中間鏟柄周期性振動(dòng)，從而使得安裝在鏟柄上的深松鏟產(chǎn)生周期性振動(dòng)。偏心軸與從動(dòng)軸通過(guò)中間雙排鏈聯(lián)軸器聯(lián)接，將動(dòng)力由從動(dòng)軸傳到偏心軸，偏心軸的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)引起小連桿中心繞從動(dòng)軸作周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小連桿、連桿支撐架及兩側(cè)深松鏟作周期性振動(dòng)[9-10]。

2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1偏心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

偏心式振動(dòng)深松機(jī)采用將由變速箱沿水平橫向輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成深松鏟沿豎直方向上的周期性振動(dòng)（圖2），深松機(jī)所需要的牽引力F較大，且牽引拖拉機(jī)工作時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩T在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)基本恒定，由T=FL得知，曲柄桿長(zhǎng)L應(yīng)盡可能取短些，才能保持曲柄的動(dòng)力足夠大。為了增加機(jī)構(gòu)的可靠性及制造精度，由發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)啟發(fā)，所以將曲柄機(jī)構(gòu)優(yōu)化為偏心機(jī)構(gòu)，偏心距取8 mm[11-12]。

2.1.1偏心軸的設(shè)計(jì)

振動(dòng)深松機(jī)左右兩側(cè)深松鏟由變速箱通過(guò)從動(dòng)軸和中間的雙排鏈聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到偏心軸（圖3），偏心軸的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小連桿中心繞偏心軸中心作周期性回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得小連桿、連桿支撐架及鏟柄產(chǎn)生周期性振動(dòng)。本機(jī)設(shè)計(jì)的偏心距為8 mm，由于偏心軸所受由深松阻力產(chǎn)生的徑向載荷和振動(dòng)載荷較大，所以采用兩端軸承座支撐，軸承采用單列深溝球軸承。

2.1.2偏心花鍵套的設(shè)計(jì)

振動(dòng)深松機(jī)中間兩深松鏟直接由變速箱從動(dòng)軸通過(guò)偏心套（圖4）帶動(dòng)大連桿，從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心套中心軸的周期性回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，偏心套中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)引起大連桿中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)大連桿支撐架和中間鏟柄的周期性振動(dòng)，將動(dòng)力通過(guò)連桿支撐架傳遞到中間兩深松鏟上。

2.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1中間兩深松鏟

本機(jī)是將動(dòng)力從變速箱傳到從動(dòng)軸，由從動(dòng)軸帶動(dòng)從動(dòng)軸上的偏心套（圖5中的桿1）轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心套的轉(zhuǎn)動(dòng)引起大連桿（圖5中的桿2）的中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大連桿自身又繞著偏心套轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得深松鏟連接架（圖5中的桿3）擺動(dòng)，從而引起固聯(lián)在深松鏟連接架上中間兩深松鏟（圖5中的桿4）的運(yùn)動(dòng)[6，13-14]。

2.2.2兩側(cè)深松鏟

變速箱從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)軸上內(nèi)花鍵鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)雙排鏈聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到偏心軸上，通過(guò)偏心軸（圖5中的桿6）的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)偏心軸上小連桿（圖5中的桿7）中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小連桿又繞偏心軸偏心處的中心回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)深松鏟連接架（圖5中的桿8）的運(yùn)動(dòng)，然后將動(dòng)力傳遞到鏟柄上，最終使得兩側(cè)的深松鏟產(chǎn)生周期性振動(dòng)。

2.3深松鏟

深松鏟是深松機(jī)的核心部件，深松鏟的工作性能直接決定深松效果。本機(jī)選用深松鏟為尖頭鑿型鏟，因深松作業(yè)耕作土層堅(jiān)硬，深松鏟所受土壤摩擦力大，深松鏟易因磨損而影響工作效果，為了便于深松鏟因磨損失效進(jìn)行更換，采用螺栓將深松鏟固定到鏟柄上。影響深松鏟工作的主要參數(shù)為深松鏟的入土角α、深松鏟的翼張角及深松鏟的幅寬，深松鏟的入土角越大、翼張角越大、深松鏟的幅寬越大，深松阻力越大，松土效果越好，功耗越大。本機(jī)選用深松鏟入土角為23°，翼張角為70°，鏟翼寬度為70 mm（圖6）[2，4]。

[JP+1]鏟柄為板式中型深松鏟柄，鏟柄上端均勻分布有8個(gè)間距為40 mm的等距通孔，通過(guò)螺栓與連桿支撐架相連接，與限深輪一起配合可調(diào)節(jié)耕深。為了減小前進(jìn)阻力，此處將深松鏟柄前端設(shè)計(jì)為楔形，楔形面夾角為45°，增加入土性能。

3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)地位于山東省鄆城縣工業(yè)園區(qū)水滸東路南 3 km 處，試驗(yàn)地經(jīng)玉米秸稈粉碎還田，秸稈覆蓋量3.4～41 kg/m2，地表平坦。拖拉機(jī)為雷沃950，主要測(cè)定振動(dòng)與非振動(dòng)牽引下深松溝形的差異并觀察拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。拖拉機(jī)牽引速度為2.69 km/h，輸出轉(zhuǎn)速為750 r/min，耕深為 25～38 cm依次遞增，通過(guò)控制拖拉機(jī)后輸出軸是否轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)取振動(dòng)深松機(jī)較非振動(dòng)深松機(jī)溝形的差異及拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率（圖7）[15-18]。

4結(jié)果與分析

振動(dòng)深松和非振動(dòng)深松機(jī)的溝形的差異很大，隨著溝槽深度的減小，溝槽寬度差異逐漸增大，振動(dòng)深松和非振動(dòng)深松溝槽的寬度都隨著溝槽深度減小逐漸加大，但在同等深度時(shí)，非振動(dòng)深松較振動(dòng)深松溝槽寬度大，且振動(dòng)深松表層土壤擾動(dòng)較非振動(dòng)深松明顯減小，地表相對(duì)平整，沒(méi)有翻土現(xiàn)象，溝底形成鼠道，有利于保存水分，蓄水保墑。

在耕深為38 cm時(shí)，振動(dòng)深松機(jī)出現(xiàn)輕微滑轉(zhuǎn)，而非振動(dòng)深松機(jī)則出現(xiàn)明顯“趴窩”滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，加大油門(mén)時(shí)，伴有濃烈的黑煙，拖拉機(jī)無(wú)法正常工作；提升機(jī)具，再次試驗(yàn)時(shí)，“趴窩”滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象依舊明顯（表2）。

5結(jié)論

偏心式振動(dòng)深松機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，深松效果較傳統(tǒng)深松機(jī)得到進(jìn)一步提升。本機(jī)通過(guò)振動(dòng)進(jìn)行深松，與非振動(dòng)深松機(jī)相比，可有效降低牽引阻力，較非振動(dòng)深松機(jī)阻力縮小。振動(dòng)深松機(jī)較非振動(dòng)深松機(jī)土壤擾動(dòng)小，保水保墑效果更好。

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