王云霞，張東興，楊 麗，崔 濤，李玉環(huán)，劉彥偉

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

土壤耕整是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，耕整部件對土壤進(jìn)行有效疏松，能夠使作物獲得良好的生長條件，是作物產(chǎn)量的有效保證[1-3]。深松技術(shù)作為一種新型整地技術(shù)，因其具有土壤表層擾動(dòng)量少、有效打破犁底層、土壤改良效果顯著的優(yōu)勢，在國內(nèi)外得到大面積推廣應(yīng)用[4-6]。深松技術(shù)要求耕作深度在30 cm以上，作業(yè)阻力大，配套動(dòng)力要求較高[7-9]。因此，深松減阻技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

自激振動(dòng)深松減阻技術(shù)是借助土壤阻力與激振源的綜合作用，使深松鏟自發(fā)地產(chǎn)生振動(dòng)，不僅具有一定的減阻效果，還能較好的松動(dòng)土壤，增大底部土壤疏松面積[10-13]。目前，國內(nèi)外關(guān)于自激振動(dòng)減阻技術(shù)的研究主要集中于以彈簧為激振源的深松機(jī)具。Yow等[10]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，彈簧激振源的深松鏟能夠起到較好的減阻效果，與非振動(dòng)深松相比，減阻比可達(dá)28%。邱立春等[11]通過在全方位深松機(jī)上安裝彈簧，測試自激振動(dòng)深松的減阻效果。深松機(jī)安裝彈性元件后，耕作時(shí)減阻效果明顯，耕深27 cm時(shí)，牽引阻力平均減少10.81%，土壤疏松效果得到改善。

然而，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，彈簧激振源的自激振動(dòng)深松機(jī)由于彈簧剛度一定，應(yīng)對土壤阻力的范圍有限，在土壤阻力差異較大的不同地塊作業(yè)時(shí)，存在適應(yīng)性差、自激振動(dòng)間斷失效的問題，導(dǎo)致耕深穩(wěn)定性和減阻效果得不到保證。Berntsen[12]選擇不同剛度的彈簧，在已耕地與未耕地進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，深松鏟的減阻效果受彈簧剛度影響，同一彈簧在不同土壤條件下作業(yè)時(shí)，減阻效果、耕深穩(wěn)定性存在明顯差異。Mouazen等[13]指出，彈簧激振源的深松鏟作業(yè)時(shí)易受土壤類型、物理特性參數(shù)影響，作業(yè)效果無法得到很好地保證。為獲得穩(wěn)定耕深，提高彈簧激振源深松機(jī)具適應(yīng)性，張軍昌等[14]設(shè)計(jì)了一種入土角可控的自激式振動(dòng)深松機(jī)，通過增加上、下固定板限制彈簧伸縮范圍，使深松鏟在預(yù)定幅度范圍內(nèi)振動(dòng)，以此保證耕深。崔濤等[15]設(shè)計(jì)了一種彈簧預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置，通過改變彈簧預(yù)緊力增強(qiáng)深松鏟的適應(yīng)性。對于自激振動(dòng)深松機(jī)，激振源剛度相對于土壤阻力過大或過小都會導(dǎo)致激振源無法振動(dòng)，自激振動(dòng)失效。限定彈簧伸縮范圍只能穩(wěn)定耕深而無法避免自激振動(dòng)失效的情況，調(diào)節(jié)預(yù)緊力只能小范圍改善機(jī)具的適應(yīng)性，無法從根本上解決其適應(yīng)性差的問題。

考慮到現(xiàn)有自激振動(dòng)深松機(jī)作業(yè)時(shí)彈簧不易更換的問題，同時(shí)需要提高機(jī)具對不同作業(yè)條件的適應(yīng)性，本文提出了一種液壓激振源的自激振動(dòng)深松方法，設(shè)計(jì)了液壓激振源深松單體以及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)激振源剛度的快速調(diào)節(jié)，提高激振源對不同土壤阻力的應(yīng)對能力，從而解決自激振動(dòng)深松機(jī)具作業(yè)過程中出現(xiàn)的自激振動(dòng)失效和耕深穩(wěn)定性差的問題，達(dá)到改善機(jī)具適應(yīng)性的效果。

1 液壓激振深松單體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 深松單體結(jié)構(gòu)

液壓激振源深松單體結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要由固定架、液壓缸、深松鏟連接板、深松鏟、鎮(zhèn)壓輪連接臂、鎮(zhèn)壓輪組成。液壓缸傾斜安裝，兩端分別與固定架、深松鏟連接板鉸接，深松鏟振動(dòng)時(shí)，液壓缸隨之伸縮。鎮(zhèn)壓輪通過鎮(zhèn)壓輪連接臂與深松鏟連接板鉸接，實(shí)現(xiàn)隨地仿形。單體的整體尺寸為830 mm×200 mm× 880 mm（長×寬×高），質(zhì)量約50 kg，其中深松鏟長度為600 mm，液壓缸缸徑為40 mm、行程為130 mm。單體可耕作深度為200～400 mm，鎮(zhèn)壓輪橫向鎮(zhèn)壓寬度為200 mm。

圖1 液壓激振源深松單體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of hydraulically self-excited vibration subsoiler

1.2 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為方便調(diào)節(jié)液壓缸壓力，設(shè)計(jì)了壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由液壓部分和控制部分組成，如圖 2所示。液壓部分主要包括液壓源、蓄能器、手動(dòng)減壓閥、電磁比例減壓閥。液壓源可由拖拉機(jī)液壓輸出提供，蓄能器用于穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，電磁比例減壓閥可連續(xù)、成比例的調(diào)節(jié)液壓缸壓力。在蓄能器與電磁比例減壓閥之間增設(shè)手動(dòng)減壓閥，使進(jìn)入比例電磁閥的壓力與液壓缸壓力接近，減少比例電磁閥調(diào)節(jié)液壓缸壓力時(shí)引起的脈動(dòng)沖擊[16]。蓄能器選用質(zhì)量較輕、反應(yīng)靈敏的氣囊式蓄能器，容積為2.5 L，充氣壓力為16 MPa，可保證系統(tǒng)壓力不低于16 MPa。手動(dòng)減壓閥選用直動(dòng)型DR6DP-5X/210，閥前最大壓力為21 MPa，閥后壓力手動(dòng)可調(diào)。電磁比例減壓閥選用DRE61-1X/175，閥前最大壓力為17.5 MPa，閥后壓力可根據(jù)輸入電壓連續(xù)、成比例控制，輸入電壓為0～10 V。

圖2 液壓缸壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of pressure adjusting system for hydraulic cylinder

控制部分主要由控制器、觸摸屏組成，控制器核心部件選用STC125A60S2單片機(jī)，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換模塊（digital to analog converter）將設(shè)定壓力對應(yīng)的電壓值輸入到電磁比例減壓閥，調(diào)節(jié)液壓缸壓力到設(shè)定壓力，設(shè)定壓力可通過觸摸屏輸入。

1.3 工作原理

液壓激振源深松單體工作時(shí)，液壓缸內(nèi)具有一定壓力，保證深松鏟順利入土。土壤阻力增大至大于液壓缸提供的壓力時(shí)，深松鏟帶動(dòng)深松鏟連接板向上擺動(dòng)，液壓缸被壓縮；土壤阻力減小至小于液壓缸提供的壓力時(shí)，液壓缸推動(dòng)深松鏟連接板向下擺動(dòng)，深松鏟恢復(fù)到原始位置，液壓缸伸長。以上過程周而復(fù)始，形成深松鏟的自激振動(dòng)。鎮(zhèn)壓輪隨地仿行可實(shí)現(xiàn)對土壤的連續(xù)鎮(zhèn)壓，保水保墑。當(dāng)需要改變液壓缸工作壓力時(shí)，通過觸摸屏輸入設(shè)定壓力，控制器控制電磁比例減壓閥使液壓缸壓力達(dá)到設(shè)定值。

2 激振源關(guān)鍵參數(shù)確定

液壓缸作為深松單體的激振源，是深松單體的核心部件，其缸徑和行程是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的 2個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。液壓缸缸徑可根據(jù)負(fù)載選取，行程由深松鏟的運(yùn)動(dòng)軌跡決定，因此，需對深松鏟進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

2.1 深松單體力學(xué)分析

深松鏟在土壤中運(yùn)動(dòng)分析可簡化為二維平面運(yùn)動(dòng)模型[17]，如圖3所示，以O(shè)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，對深松單體受力進(jìn)行分析。

圖3 液壓深松單體受力分析Fig.3 Force analysis of hydraulically self-excited vibration subsoiler

深松鏟與深松鏟連接板之間的連接屬于剛性連接，為簡化受力分析，將兩者視為一體。深松鏟所受的作用力主要來自對土壤進(jìn)行提升、剪切過程中產(chǎn)生的反作用力以及底部土壤的摩擦力[18]，以上作用力可等效為土壤阻力FR。除此之外，深松鏟還受底部土壤支撐力FP、單體固定架的作用力、液壓缸產(chǎn)生的推力以及自身重力。單體固定架與深松鏟連接板鉸接，無法傳遞力矩，因此深松鏟連接板在O點(diǎn)的受力可等效為水平分力FOX和豎直分立FOY。液壓缸下端與深松鏟連接板鉸接于A點(diǎn)，對深松鏟連接板所產(chǎn)生的推力FW只能沿液壓缸伸長方向。自身重力主要考慮深松鏟連接板重力 m1g、深松鏟重力m2g。本系統(tǒng)中自身重力不是主要作用力，為簡化分析過程，將深松鏟連接板、深松鏟質(zhì)心等效為作用點(diǎn)C1、C2。由平面力系力矩方程可得式（1）～（3）[19]。

由（1）～（3）式整理得：

式中H為鏟尖距O點(diǎn)的垂直距離，mm；h為鏟尖與土壤阻力 FR等效作用點(diǎn)垂直距離，mm；lP為土壤支撐力 FP等效作用點(diǎn)到O點(diǎn)水平距離，mm；l1為深松鏟連接板質(zhì)心C1與O點(diǎn)水平距離，mm；l2為深松鏟質(zhì)心C2與O點(diǎn)水平距離，mm；l3為O點(diǎn)與A點(diǎn)距離，mm；α為AB方向與AO方向的夾角，（°）；β為BA方向與水平方向夾角，（°）。

液壓缸對深松鏟連接板的推力FW主要用于克服深松鏟由翹起恢復(fù)到原始位置過程中所受的土壤阻力 FR，此時(shí)底部土壤支撐力 FP=0。由于土壤阻力受土壤條件及深松深度影響，根據(jù)文獻(xiàn)[20]～[23]初步選定深松 250～300 mm時(shí)土壤阻力FR=3.5～4.5 kN，假定土壤阻力作用點(diǎn)位置處于深松深度的中間位置，則h=125～150 mm。深松鏟及深松鏟連接板質(zhì)量m1、m2稱質(zhì)量可得，H、α、l1、l2、l3為深松鏟的設(shè)計(jì)尺寸，其中：m1=22.5 kg；m2=13.6 kg；H=600 mm；a=29.0°；l1=251.2 mm；l2=408.3 mm; l3=412.5 mm。通過計(jì)算得出液壓缸對深松鏟連接板的推力FW的取值范圍為8.59～9.18 kN，即液壓缸負(fù)載為8.59～9.18 kN。根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊，選取液壓缸缸徑D=40 mm[16]。

2.2 深松單體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

深松鏟振動(dòng)過程中液壓缸隨之伸縮，深松鏟振動(dòng)的極限位置是確定活塞桿行程的依據(jù)。因此，需要對深松鏟運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。考慮到深松作業(yè)時(shí)會遇到尺寸較大的堅(jiān)硬土塊、石頭等，為使深松鏟有效避開，延長使用壽命，初定深松鏟最大縱向振動(dòng)幅度為100 mm。

如圖4所示，以O(shè)為圓心建立直角坐標(biāo)系，鏟尖C的軌跡為以O(shè)為圓心，R為半徑的圓周。設(shè)深松鏟到達(dá)上極限位置時(shí)，鏟尖縱向移動(dòng)距離k=100 mm；深松鏟對應(yīng)的振動(dòng)角為θ，滿足公式（5）～（8）：整理得式（9）。

圖4 液壓深松單體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.4 Kinematics analysis of hydraulically self-excited vibration subsoiler

整理得式（10）。

式中l(wèi)3為O點(diǎn)與A點(diǎn)距離，mm；3l′為O點(diǎn)與A′點(diǎn)距離，mm；l4為O點(diǎn)與B點(diǎn)距離，mm；l5為深松鏟非振動(dòng)狀態(tài)時(shí)A點(diǎn)與B點(diǎn)距離，mm；5l′為深松鏟振動(dòng)θ角度后A′點(diǎn)與B點(diǎn)距離，mm；b為OC方向與豎直方向夾角，（°）；θ為深松鏟的振動(dòng)角，即OA與OA′、OC與OC′方向的夾角，（°）；e為OA方向與OB方向夾角，（°）；k為鏟尖縱向移動(dòng)距離，k=100 mm。l3、3l′、l4、R、b、e為深松單體設(shè)計(jì)尺寸，其中：l4=264.2 mm；l3=3l′=412.5 mm；R=618.7 mm；b=8.5°；e=99.6°。最終求得s=130 mm，即液壓缸行程確定為130 mm。

3 深松單體工作性能試驗(yàn)

自激振動(dòng)深松作業(yè)時(shí)，作業(yè)效果主要受激振源剛度、土壤阻力、作業(yè)速度影響，其中土壤阻力主要通過土壤堅(jiān)實(shí)度體現(xiàn)[20]。為探究液壓缸壓力、土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度對液壓激振源深松單體工作性能的影響規(guī)律，選取耕深變異系數(shù)、牽引阻力為評價(jià)指標(biāo)，液壓缸壓力、土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，土槽尺寸30 m×2 m×1 m（長×寬×高），土壤深度約0.4 m。土槽臺車如圖5所示，主要包括牽引系統(tǒng)、三點(diǎn)懸掛裝置、升降電機(jī)、液壓輸出系統(tǒng)、牽引阻力檢測系統(tǒng)。土槽臺車的作業(yè)速度可設(shè)置為0～5 km/h，耕深設(shè)置為0～30 cm。液壓系統(tǒng)可提供一組恒壓油源，輸出壓力為16 MPa。本文設(shè)計(jì)的液壓激振源深松單體通過三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)掛接在土槽臺車上，耕深通過升降系統(tǒng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)，土槽臺車帶動(dòng)深松單體由右向左行駛，土槽臺車與深松單體之間裝有測力傳感器，可檢測深松單體的牽引阻力。試驗(yàn)時(shí)通過人工制備土壤模擬田間環(huán)境，制備土壤分為旋耕、平整、灑水、壓實(shí)4個(gè)步驟進(jìn)行，操作后土壤含水率為18.5%～20.0%之間。

圖5 土槽試驗(yàn)Fig.5 Soil bin test

為獲取不同的土壤堅(jiān)實(shí)度，需對土壤堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行標(biāo)定。含水率一定情況下，土壤堅(jiān)實(shí)度與壓實(shí)次數(shù)有關(guān)。為獲得壓實(shí)次數(shù)與土壤堅(jiān)實(shí)度的關(guān)系，設(shè)置不同壓實(shí)次數(shù)的試驗(yàn)，分別為2、4、6、8次。壓實(shí)后采集0～35 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，如圖 6所示。得到的回歸方程為y=0.03x+1.07，土壤堅(jiān)實(shí)度與鎮(zhèn)壓次數(shù)線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.96。

圖6 堅(jiān)實(shí)度標(biāo)定結(jié)果Fig.6 Calibration result of soil cone index

3.2 試驗(yàn)方案

以液壓缸壓力、作業(yè)速度、土壤堅(jiān)實(shí)度為試驗(yàn)因素，耕深變異系數(shù)、牽引力為評價(jià)指標(biāo)。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)深松鏟作業(yè)效果，選取液壓缸壓力為2.0～4.0 MPa；壓實(shí)次數(shù)選取2～8次，根據(jù)土壤堅(jiān)實(shí)度標(biāo)定結(jié)果，對應(yīng)土壤堅(jiān)實(shí)度取值范圍為1.12～1.33 MPa；作業(yè)速度選取1.0～3.0 km/h。由二次旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，確定編碼系數(shù)γ為1.682[24-26]，編碼結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼表Table.1 Code of test factors

3.3 評價(jià)指標(biāo)

3.3.1 耕深變異系數(shù)

耕深變異系數(shù)是評價(jià)耕深穩(wěn)定性的性能指標(biāo)，耕深變異系數(shù)越小，表明耕深變異越小，耕深越穩(wěn)定。試驗(yàn)過后，根據(jù)文獻(xiàn)[27]測量耕深式（11）～（13），并計(jì)算耕深變異系數(shù)V。

式中S為耕深標(biāo)準(zhǔn)差，cm；Dm為采樣點(diǎn)平均耕深，cm；Dn為第n個(gè)采樣點(diǎn)耕深，cm；n為采樣點(diǎn)數(shù)。

3.2.2 牽引力

自激振動(dòng)深松作業(yè)時(shí)，耕深滿足作業(yè)要求情況下，牽引力越小，表明自激振動(dòng)減阻效果越好。土槽臺車與深松單體掛接裝置之間裝有測力傳感器，試驗(yàn)過程中，測力傳感器實(shí)時(shí)獲取牽引力的數(shù)據(jù)并上傳到上位機(jī)，以報(bào)表形式顯示。

4 結(jié)果與分析

4.1 回歸分析

土槽試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Quadratic模型建立耕深變異系數(shù) V、牽引力 F的回歸模型，回歸模型的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 土槽試驗(yàn)結(jié)果Table.2 Results of soil bin test

根據(jù)耕深變異系數(shù)V的分析結(jié)果可知，X1、X3、X1X3、、項(xiàng)的系數(shù)達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），其余項(xiàng)不顯著?；貧w模型的P值小于 0.001，而失擬項(xiàng)的 P值為0.066，說明回歸模型極其顯著且失擬不顯著，回歸有效。同理，由牽引力 F統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，X1、X3、X1X2、X1X3、、、項(xiàng)的系數(shù)達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），其余項(xiàng)不顯著?；貧w模型的P值為0.001，失擬項(xiàng)的P值為0.648，說明回歸模型極其顯著，失擬不顯著，回歸有效。將不顯著項(xiàng)刪除后得到耕深變異系數(shù) V、牽引力 F的回歸方程如式（14）～（15）。

4.2 單因子對響應(yīng)值的影響效果分析

4.2.1 耕深變異系數(shù)

采用降維方法分析單因子對響應(yīng)值的影響效應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)值的回歸方程，將其它因子固定在零水平[26]，單因子效應(yīng)曲線如圖 7所示。土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度、液壓缸壓力對耕深變異系數(shù)的影響效果如圖7a所示，土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度對變異系數(shù)的影響為正效應(yīng)，而液壓缸壓力對變異系數(shù)的影響為負(fù)效應(yīng)。曲線斜率越高，表明該因素的變化對指標(biāo)的擾動(dòng)越大，而相對平緩的曲線則說明因素對指標(biāo)的擾動(dòng)較小。土壤堅(jiān)實(shí)度、液壓缸壓力對耕深變異系數(shù)擾動(dòng)較大，作業(yè)速度擾動(dòng)較小。

表3 回歸模型顯著性分析Table.3 Significant analysis of regression model

4.2.2 牽引力

土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度、液壓缸壓力對牽引力的影響效果如圖 7b，土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度、液壓缸壓力對牽引力的關(guān)系均為下凹曲線，在極值點(diǎn)以前為正效應(yīng)，極值點(diǎn)以后為負(fù)效應(yīng)，土壤堅(jiān)實(shí)度的極值點(diǎn)為0.9（實(shí)際值1.18 MPa），作業(yè)速度的極值點(diǎn)為0（實(shí)際值2.0 km/h），液壓缸壓力的極值點(diǎn)為0.4（實(shí)際值為3.2 MPa）。土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度、液壓缸壓力對牽引力的擾動(dòng)程度為土壤堅(jiān)實(shí)度＞液壓缸壓力＞作業(yè)速度。

圖7 單因子對耕深變異系數(shù)、牽引力影響效應(yīng)Fig.7 Effect of single test factor on variation index of tillage depth and draft

4.3 交互因子對響應(yīng)值的影響效果分析

土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度、液壓缸壓力任意 2因子作為交互因子對耕深變異系數(shù)、牽引力的響應(yīng)曲面及等高線圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 交互因子對耕深變異系數(shù)的影響Fig.8 Effects of interactive factors on variation index of tillage depth

圖9 交互因子對牽引力的影響Fig.9 Effects of interactive factors on traction

4.3.1 耕深變異系數(shù)

由圖8a可知，耕深變異系數(shù)隨土壤堅(jiān)實(shí)度的增大而增大，隨液壓缸壓力的增大而減小。土壤堅(jiān)實(shí)度在1.28～1.32 MPa、液壓缸壓力在2.0～2.4 MPa范圍內(nèi)，耕深變異系數(shù)變化明顯；土壤堅(jiān)實(shí)度在1.13～1.28 MPa、液壓缸壓力在2.6～4.0 MPa范圍內(nèi)，耕深變異系數(shù)變化不明顯。當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度在 1.18～1.24 MPa、液壓缸壓力在 3.3～3.6 MPa范圍內(nèi)時(shí)，耕深變異系數(shù)有較小值。方差分析結(jié)果中土壤堅(jiān)實(shí)度×液壓缸壓力（X1X3）項(xiàng)的P值為0.019，表明土壤堅(jiān)實(shí)度、液壓缸壓力對耕深變異系數(shù)的影響有交互作用。由等高線圖可知，耕深變異系數(shù)在土壤堅(jiān)實(shí)度方向的變化速率與液壓缸壓力方向的變化速率相近，表明土壤堅(jiān)實(shí)度、液壓缸壓力對耕深變異系數(shù)的影響程度相近。

由圖8b可知，耕深變異系數(shù)隨土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度的增大而增大，土壤堅(jiān)實(shí)度在1.26～1.32 MPa、作業(yè)速度在2.5～3.0 km/h范圍內(nèi)，耕深變異系數(shù)變化明顯；土壤堅(jiān)實(shí)度在1.14～1.23 MPa、作業(yè)速度在1.0～2.5 km/h范圍內(nèi)，耕深變異系數(shù)變化不明顯。當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度在1.14～1.20 MPa、作業(yè)速度在1.0～1.5 km/h范圍內(nèi)時(shí)，耕深變異系數(shù)有較小值。方差分析結(jié)果中堅(jiān)實(shí)度×速度（X1X2）項(xiàng)的P值為0.974，表明土壤堅(jiān)實(shí)度、液壓缸壓力對耕深變異系數(shù)的影響無交互作用。由等高線圖可知，耕深變異系數(shù)沿土壤堅(jiān)實(shí)度方向的變化速率較作業(yè)速度方向的變化速率大，表明土壤堅(jiān)實(shí)度對耕深變異系數(shù)的影響程度大于作業(yè)速度。

由圖8c可知，耕深變異系數(shù)隨液壓缸壓力的增大而減小，隨作業(yè)速度的增大而增大。液壓缸壓力在 2.0～2.8 MPa、作業(yè)速度在2.0～3.0 km/h范圍內(nèi)，耕深變異系數(shù)變化明顯；液壓缸壓力在 3.2～4.0 MPa、作業(yè)速度在1.0～1.5 km/h范圍內(nèi)，耕深變異系數(shù)變化不明顯。當(dāng)液壓缸壓力在3.4～4.0 MPa、作業(yè)速度在1.0～1.5 km/h范圍內(nèi)時(shí)，耕深變異系數(shù)有較小值。方差分析結(jié)果中壓力×速度（X3X2）項(xiàng)的P值為0.456，表明堅(jiān)實(shí)度、壓力對耕深變異系數(shù)的影響無交互作用。由等高線圖可知，耕深變異系數(shù)沿液壓缸壓力方向的變化速率較作業(yè)速度方向的變化速率大，表明壓力對耕深變異系數(shù)的影響程度大于速度。

4.3.2 牽引力

由圖9a可知，牽引力隨土壤堅(jiān)實(shí)度、液壓缸壓力的增大而增大。土壤堅(jiān)實(shí)度在1.13～1.20 MPa、液壓缸壓力在3.6～4.0 MPa范圍內(nèi)，牽引力具有較小值；當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度在1.24～1.34 MPa、液壓缸壓力在2.8～4.0 MPa范圍內(nèi)時(shí)，牽引力具有較大值。方差分析結(jié)果中土壤堅(jiān)實(shí)度×液壓缸壓力（X1X3）項(xiàng)的 P值為 0.004，表明土壤堅(jiān)實(shí)度、液壓缸壓力對牽引力的影響存在明顯交互作用。由等高線圖可知，牽引力沿土壤堅(jiān)實(shí)度方向的變化速率較液壓缸壓力方向的變化速率大，表明土壤堅(jiān)實(shí)度對牽引力的影響程度比液壓缸壓力大。

由圖9b可知，牽引力隨土壤堅(jiān)實(shí)度的增大而增大，隨作業(yè)速度的增大而減小。土壤堅(jiān)實(shí)度在 1.24～1.32 MPa、作業(yè)速度在1.0～2.8 km/h范圍內(nèi)，牽引力具有較大值；土壤堅(jiān)實(shí)度在 1.13～1.20 MPa、作業(yè)速度在1.2～2.0 km/h范圍內(nèi)，牽引力具有較小值。當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度在1.24～1.34 MPa、作業(yè)速度在1.2～2.4 km/h范圍內(nèi)時(shí)，牽引力具有較大值。方差分析結(jié)果中土壤堅(jiān)實(shí)度×作業(yè)速度（X1X2）項(xiàng)的P值為0.023，表明土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度對牽引力的影響存在明顯交互作用。由等高線圖可知，牽引力沿土壤堅(jiān)實(shí)度方向的變化速率較作業(yè)速度方向的變化速率大，表明土壤堅(jiān)實(shí)度對牽引力影響程度大于作業(yè)速度。

由圖9c可知，牽引力的響應(yīng)面隨液壓缸壓力、作業(yè)速度變化呈凸面狀，牽引力隨液壓缸壓力、作業(yè)速度的增大先增大后減小。液壓缸壓力在2.8～3.6 MPa、作業(yè)速度在1.5～2.0 km/h范圍內(nèi)，牽引力具有較大值。方差分析結(jié)果中液壓缸壓力×作業(yè)速度（X3X2）項(xiàng)的P值為0.404，表明液壓缸壓力、作業(yè)速度對牽引力的影響無交互作用。由等高線圖可知，牽引力沿液壓缸壓力方向的變化速率較作業(yè)速度方向的變化速率大，表明液壓缸壓力對牽引力影響程度大于作業(yè)速度。

4.4 回歸模型驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)獲得的回歸模型，利用Design-Expert 8.0.6求解出耕深變異系數(shù)、牽引力同時(shí)較小時(shí)對應(yīng)的參數(shù)組合為土壤堅(jiān)實(shí)度為1.18 MPa、作業(yè)速度為1.4 km/h、液壓缸壓力為3.6 MPa。利用求解獲得的參數(shù)組合對回歸模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，采用同樣的土壤制備方法，保證土壤含水率與前期試驗(yàn)條件相同。試驗(yàn)進(jìn)行 3次重復(fù)，結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of verification test

結(jié)果表明，求解獲得的參數(shù)組合得到的平均耕深變異系數(shù)為3.56%、平均牽引力為1 300.70 N，優(yōu)于組合試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了回歸模型的可靠性。

5 討 論

自激振動(dòng)深松作業(yè)能夠降低拖拉機(jī)牽引阻力，使拖拉機(jī)獲得相對穩(wěn)定的負(fù)荷，從而起到節(jié)能降耗的效果[11]。本文以增強(qiáng)自激振動(dòng)深松作業(yè)對不同土壤條件的適應(yīng)性為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了液壓激振源深松單體，其工作性能試驗(yàn)研究的評價(jià)指標(biāo)僅涉及牽引力與耕深變異系數(shù)，未涉及系統(tǒng)能耗。但應(yīng)考慮到，系統(tǒng)的供油來自拖拉機(jī)，系統(tǒng)工作時(shí)會引入拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中的液壓油，帶來部分能量損失，從而增加系統(tǒng)的發(fā)熱[28-30]。在液壓系統(tǒng)中，壓力損失是引起能量損失的主要部分，壓力損失又分為沿程損失和局部損失 2種。沿程損失是由于液壓油在較長管道中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，局部損失是由于液壓油在流經(jīng)閥口時(shí)因截面形狀突然發(fā)生變化或內(nèi)部具有阻尼器而導(dǎo)致的壓力損失。本文設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)，執(zhí)行元件僅有液壓缸，且無其他支路，管道連接相對簡短，沿程損失較小，因此應(yīng)著重從局部損失角度考慮系統(tǒng)的能量損失。在綜合考慮減阻效果減少的能耗與拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)增加的能耗情況下，結(jié)合試驗(yàn)研究，對液壓激振源深松單體的工作性能做出綜合評價(jià)，同時(shí)為液壓系統(tǒng)下一步優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)。

6 結(jié) 論

本文主要得出以下結(jié)論：

1）提出了以液壓為激振源的自激振動(dòng)深松方法，設(shè)計(jì)了液壓激振源的深松單體，設(shè)計(jì)了液壓缸壓力調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓缸壓力連續(xù)、成比例調(diào)節(jié)。

2）通過對液壓激振源深松單體進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了深松單體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確定了液壓缸的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，缸徑D=40 mm、行程S=130 mm。

3）設(shè)計(jì)了二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，探明了土壤堅(jiān)實(shí)度、作業(yè)速度、液壓缸工作壓力對液壓激振源深松單體作業(yè)效果的影響規(guī)律，并建立了以耕深變異系數(shù)、牽引力為響應(yīng)值的回歸方程。

4）通過建立的回歸方程求解出耕深變異系數(shù)、牽引力同時(shí)較小時(shí)對應(yīng)的參數(shù)組合并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得的耕深變異系數(shù)為3.56%，牽引力為1 300.70 N，優(yōu)于組合試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了回歸模型的可靠性。

[1] 鄭侃，何進(jìn)，李洪文，等. 中國北方地區(qū)深松對小麥玉米產(chǎn)量影響的Meta分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(22)：7－15.Zheng Kan, He Jin, Li Hongwen, et al. Meta-analysis on maize and wheat yield under subsoiling in Northern China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 7－15. (in Chinese with English abstract)

[2] 何進(jìn)，李洪文，高煥文. 中國北方保護(hù)性耕作條件下深松效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(10)：62－67.He Jin, Li Hongwen, Gao Huanwen. Subsoiling effect and economic benefit under conservation tillage mode in Northern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(10): 62－67. (in Chinese with English abstract)

[3] Romaneckas K, ?arauskis E, Avi?ienyt? D, et al. The main physical properties of planosol in maize (Zea mays L.)cultivation under different long-term reduced tillage practices in the Baltic region[J]. Journal of Integrative Agriculture,2015, 14(7): 1309－1320.

[4] Hamzei J, Seyyedi M. Energy use and input–output costs for sunflower production in sole and intercropping with soybean under different tillage systems[J]. Soil Tillage Research, 2016,157: 73－82.

[5] Wells L G, Stombaugh T S, Shearer S A. Crop yield response to precision deep tillage[J]. Transaction of the ASAE , 2005,48(3): 895－901.

[6] 齊華，劉明，張衛(wèi)建，等. 深松方式對土壤物理性狀及玉米根系分布的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2012，27(4)：191－196.Qi Hua, Liu Ming, Zhang Weijian, et al. Effect of deep loosening mode on soil physical characteristics and maize root distribution[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2012,27(4): 191－196. (in Chinese with English abstract)

[7] Williams J D, Wuest S B , Schillinger W F, et al. Rotary subsoiling newly planted winter wheat fields to improve infiltration in frozen soil[J]. Soil Tillage Research, 2006,86(2): 141－151.

[8] Raper R L, Reeves D W, Burt E C. Using in-row subsoiling to minimize soil compaction caused by traffic[J]. Journal of Cotton Science, 1998, 2(3): 130－135.

[9] Abu-Hamdeh N H. Compaction and subsoiling effects on corn growth and soil bulk density[J]. Soil Science Society of America, 2003, 67(4): 1213－1219.

[10] Yow J, Smith U J. Sinusoidal vibratory tillage[J]. Journal of Terramechanics, 1976, 13(4): 211－226.

[11] 邱立春，李寶筏. 自激式振動(dòng)深松機(jī)減阻試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16(6)：72－76.Qiu Lichun, Li Baofa. Experimental study on the self-excited vibration subsoiler for reducing draft force[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(6): 72－76. (in Chinese with English abstract)

[12] Bernsten R. Tine forces established by a two-level model and the draught requirement of rigid and flexible tines[J]. Soil Tillage Research, 2006, 90: 230－241.

[13] Mouazen A M, Duerinckx K, Ramon H, et al. Soil influences on the mechanical actions of a flexible spring tine during selective weed harrowing[J]. Biosystems Engineering, 2007,96(1): 7－18.

[14] 張軍昌，閆小麗，林澤坤，等. 自激振動(dòng)深松整地機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(9)：44－49.Zhang Junchang, Yan Xiaoli, Lin Zekun, et al. Design and experiment of self-exciting vibration deep-loosening and sub-soiling machine. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 44－49. (in Chinese with English abstract)

[15] 崔濤，史智棟，楊麗，等. 彈簧預(yù)緊力可調(diào)式振動(dòng)深松機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(9)：96－102.Cui Tao, Shi Zhidong, Yang Li, et al. Design and experiment of vibration subsoiler with adjustable spring pre-tightening force[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016，47(9): 96－102. (in Chinese with English abstract)

[16] 董偉亮. 液壓設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：256－372.

[17] Mouazen A M, Ramon H. A numerical–statistical hybrid modelling scheme for evaluation of draught requirements of a subsoiler cutting a sandy loam soil, as affected by moisture content, bulk density and depth[J]. Soil Tillage Research,2002, 63(3): 155－165.

[18] Mouazen A M, Duerinckx K, Ramon H, et al. Soil influences on the mechanical actions of a flexible spring tine during selective weed harrowing[J]. Biosystems Engineering, 2007,96(1): 7－18.

[19] 孫成奇. 理論力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2009：28－58.

[20] 李霞，付俊峰，張東興，等. 基于振動(dòng)減阻原理的深松機(jī)牽引阻力的試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1)：32－36.Li Xia, Fu Junfeng, Zhang Dongxing, et al. Experiment analysis on traction resistance of vibration subsoiler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 32－36. (in Chinese with English abstract)

[21] 李霞，張東興，王維新，等. 受迫振動(dòng)深松機(jī)性能參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(21)：17－24.Li Xia, Zhang Dongxing, Wang Weixin, et al. Performance parameter optimization and experiment of forced-vibration subsoiler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 17－24.(in Chinese with English abstract)

[22] 李艷龍，劉寶，崔濤，等. 1SZ-460 型杠桿式深松機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40：37－40.Li Yanlong, Liu Bao, Cui Tao, et al. Design and field experiment on 1SZ -460 lever-type subsoiler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40: 37－40. (in Chinese with English abstract)

[23] 趙佳樂，賈洪雷，郭明卓，等. 免耕播種機(jī)有支撐滾切式防堵裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(10)：18－28.Zhao Jiale, Jia Honglei, Guo Mingzhuo, et al. Design and experiment of supported roll-cutting anti-blocking mechanism with for no-till planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014,30(10): 18－28. (in Chinese with English abstract)

[24] 陶桂香，衣淑娟，汪春，等. 水稻缽盤精量播種機(jī)充種性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(8)：44－50.Tao Guixiang, Yi shujuan, Wang Chun, et al. Performance experiments of bowl dish precision seeder for rice in filling processing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 44－50. (in Chinese with English abstract)

[25] 孫亞朋，董向前，宋建農(nóng)，等. 振動(dòng)深松試驗(yàn)臺作業(yè)參數(shù)減阻減振優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(24)：43－49.Sun Yapeng, Dong Xiangqian, Song Jiannong, et al. Parameter optimization of vibration subsoiler test bed for reducing resistance and vibration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2016, 32(24): 43－49. (in Chinese with English abstract)

[26] 康建明，李樹君，楊學(xué)軍，等. 正弦指數(shù)曲線型開溝刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(11)：91－99.Kang Jianming, Li Shujun, Yang Xuejun, et al. Structure parameters optimization of sine exponential curve type ditching blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 91－99. (in Chinese with English abstract)

[27] 深松機(jī)作業(yè)質(zhì)量，NY/T 2845-2015[S]. 2015.

[28] 雷秀，趙凱亮，倪 萌，等. 液壓系統(tǒng)能量損失與節(jié)能對比分析[J]. 機(jī)床與液壓，2012，40(2)：30－34.Lei Xiu, Zhao Kailiang, Ni Meng, et al. Analysis of energy loss and energy-saving contrast on hydraulic system[J].Machine tool and Hydraulics, 2012, 40(2): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[29] 蘇華禮，徐銘，馬慧民. 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱與對策分析[J]. 機(jī)床與液壓，2008，36(6)：179－191.

[30] 姚靜，任旭輝，曹曉明，等. 開式變量泵控快鍛油壓機(jī)系統(tǒng)能耗特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國機(jī)械工程，2017，28(4)：462－469. (in Chinese with English abstract)Yao Jing, Ren Xuhui, Cao Xiaoming, et al. Experimental study on energy consumption characteristics of fast hydraulic foring press with open variable pump controller system[J].China Mechanical Engineering, 2017, 28(4): 462－469. (in Chinese with English abstract)