振动式深松机的研究进展

深松技术作为旱地保护性耕作体系的重要技术措施之 一，可打破犁 底 层，使 耕 作 层 加 深，形 成 虚 实 并 存 的 耕 层 构 造，从而改善土壤结构和生态环境，有利于蓄水保墒，提高耕 地质量和抗旱排涝能力，实现农业可持续发展，并以确保食 料安全为目的，越来越受到广泛的重视。但是由于机械化深 松过程中消耗大量能源，特别是随着深松深度和机器前进速 度的增加，机具牵引阻力显著增大，因此减少深松机耕作阻 力、降低能源消耗、提高耕作质量一直是国内外农机工作者 十分关注的问题。人们针对土壤耕作部件的结构特点和作 业条件开发了多种脱附减阻的经典方法，如改善黏附界面的 充气、充液和加热法、电渗法、机械法、表面改形与改性法等。 这些方法对触土部件的脱附减阻具有较好的效果，但仍满足 不了工程实际的需求。国内外对于将振动技术用于耕作机 械上已进行了很多尝试，对振动式深松机也进行了一定的研 究［1］。笔者对振动式深松机的研究现状进行综述，旨在为旱 地耕作提供科学依据。 1 振动式深松机减阻工作原理及特点
成为一项重要的研究课题。基于深松铲形状的变化来减少
深松阻力的研究已取得很大的进展，特别是目前随着仿生技
术的发展，仿生减阻技术也融入深松机的设计中。因此，将
斜、偏牵引等情况。
（ 4） 在保护性耕作条件下进行深松作业，作物残茬和杂
草极易产生缠绕和堵塞现象，而目前对作业中的防堵问题的
研究涉及很少。
3． 2 展望 深松作为保护性耕作技术越来越受到重视，而
深松作业时的工作阻力大是深松的一大缺点，如何在保证工
作质量的前提下减少深松阻力、节约能源、提高作业速度，已
邱立春等研制了一弹性振动元件，安装在深松机的上联 结点与拖拉机三点悬挂装置的上联结点之间，组成自激振动 式深松机机组，通过土壤阻力变化，使弹性元件受力后产生 弹性回复力的作用，带动整个深松机机架振动，从而达到振 动减阻的目的［1］。王雪艳设计了弹性元件作为振动控制阀， 安装在深松铲的每根振动臂与机架之间，通过弹性元件的回 复力使深松铲产生振动［16］。王瑞丽利用四杆仿形机构和弹 性元件设计了自激振动式深松机。当深松铲受到阻力时，铲 柄将力传到装有弹性元件的四杆机构上，迫使四杆机构变 形，弹性元件方向上对角线变长并受到拉伸的力，使四杆机 构有反方向变形的趋势，随着牵引阻力的变化，由弹簧和四 杆机构 组 成 的 系 统 会 产 生 一 定 的 频 率 和 振 幅 的 自 激 振 动［17］。Soeharsono 等用单自由度系统对振动式深松机的自 激振动进行了分析研究。这种由切削力的不同而引起的激 振可用一个可扩展为傅立叶级数的周期函数建立模型，该系 统的共振频率近似等于激发频率的 2 倍［18 －19］。随着铲机速 比的增加，牵引力所消耗功率占总功率的比重降低，当铲机 速比超过 4 时，牵引力所消耗功率的比重趋于常数 0． 45［20］。 3 存在的问题及展望
影响振动式深松机牵引力的因素有许多方面，如深松铲 的振动频率、振幅和深松机前进速度以及铲机速比（ 深松铲 尖振动的最大速率与深松机前进速率之比） 等。大量试验表 明，振动式深松机可减少牵引阻力，显著改善拖拉机的牵引 性能，提高发动机的功率利用率，但振动式深松机所消耗的 总功率却 比 普 通 深 松 机 更 高［6］。因 此，研 发 振 动 式 深 松 机 时，需要协调好功率消耗、发动机的功率利用率和深松效果 之间的关系［7］。Butson 等的研究表明，对于前进速度为 0． 54 ～ 1． 98 km / h 振动式深松机，如果工作部件振幅为 8 mm，频 率为 50 Hz，则消耗的总功率比不振动时增加 3 倍［8］。Aljubouri 等研究表明，当工作部件的振幅为 10 ～ 25 mm，频率为 7． 5 ～ 18． 0 Hz，前进速度为 3． 0 km / h 时，可以降低牵引力 50%［9］。Sakai 等研究表明，深松铲低频率高振幅的振动更 能有效降低拖拉机的牵引力，并设计了与功率为 30 ～ 45 kW 拖拉机配套的四铲振动式深松机，振幅为 50 mm，频率为 3． 4 Hz，振动 角 度 为 30°，与 普 通 深 松 机 相 比，其 牵 引 力 减 少 40% ，而总功率只增加 2% ，并且通过四铲之间的交替振动可 以降低驾驶座位的振动［10］。Bandalan 等发现，振幅为 36． 5 mm，频率为 9． 48 Hz，前进速度为 2． 20 km / h 的振动式深松机 牵引力的功率减少 33% ，牵引力和振动总功率为普通深松机 功率的 124% ，并且当铲机速比增大时，牵引力消耗的功率与 总功率之比也相应降低［11］。王俊发等研究表明，当深松铲 的振幅为 20 ～ 25 mm，频率为 2 ～ 3 Hz，铲机速比为 1． 7 ～ 2． 1
当深松机的工作部件为非振动普通深松铲时，工作部件 的切土、破碎和抬升土壤的过程是同时进行的。在工作部件 切削力的作用下，土壤沿剪切面周期性断裂，并被部件提升。 当深松机工作部件改为振动部件时，切土、破碎和抬升土壤 的过程被分为不同的阶段。由于振动作用，使工作部件上产 生较有利的切削条件及对土壤破碎有利的受力状态，其中部 分阻力由振动部件的振动作用所承担，降低了牵引阻力。当 工作部件刃口切开土壤后，由于垂直加速度的作用，使部件 上方的土壤向上做加速运动，使土壤从部件上浮起。这时作 用于部件上的力几乎与运动方向垂直，所产生的牵引阻力合 力很小［2］。振动碎土有利于减少坷垃形成，便于播种； 边深 松边振动，容易形成垂直方向上实下虚与水平方向虚实间隔 相结合的虚实并存格局，土壤膨松度增加更有利于增肥地
振动式深松机具有很好的深松效果，但振动深松技术的 发展还不完善，在动力和配套拖拉机方面还存在很Βιβλιοθήκη Baidu问题。 现有的振动式深松机由于结构复杂、造价偏高等原因，尚未 在我国广泛应用。
3． 1 存在的问题
（ 1） 强迫振动式深松机具虽然具有能减少耕作阻力，性
能稳定，碎土效果好，提高了深松质量及发动机功率的利用
基金项目 作者简介
收稿日期
国家科技支撑计划项目（ 2009BADB5B04） ； 国家科技支撑计 划项目（ 2011BAD20B09） 。 张璐（ 1988 － ） ，男，天津人，硕士研究生，研究方向： 农业机 械装备，E-mail： urgone@ 126． com。* 通讯作者，工程师，从 事农业工程研究，E-mail： llyu@ jlu． edu． cn。 2011-06-16
率等优点，但驱动振动部件使拖拉机发动机消耗的总功率有
所增加。
（ 2） 自激振动为降低机具耕作阻力提供了一种有效的
技术途径和方法，它消除了强迫振动式深松机具由于激振传 动系统而产生的能耗［21］。自激振动式深松机具虽有降阻节
能的优点，但减阻效果不如强迫振动的明显，同时也具有不
稳定的缺点。
（ 3） 工作部件入土时深度不一致，容易引起机架管梁倾
力、蓄水保墒、促进作物根系生长； 同等深松效果，振动深松 对地表土层翻动少，对土壤持续实施冲击切割，功率消耗明 显降低； 能够从根本上解决地表秸秆、柴草对深松作业的影 响，更适合在保护性耕作中运用［3］。 2 振动式深松机的研究现状 2． 1 强迫振动式深松机 1979 年以色列人 Wolf 等率先提 出了设计一种打破犁底层、实现蓄水、保肥、透气的振动式深 松机械［4］。之后许多国家相继研制出各种结构的振动式深 松机。它们的工作原理大都是利用拖拉机的动力输出轴作 为动力源，驱动与机架相连接的振动部件，使其上下振动，振 动部件又将振动传至安装在机架上的工作部件，使其按一定 频率和振幅振动［5］。
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安徽农业科学
2011 年
时，深 松 机 的 牵 引 阻 力 可 降 低 30% ，但 总 功 率 会 略 有 增 加［12］。Shahgoli 等研究表明，对于振动频率为 4． 9 Hz，振幅 为 60 ～ 69 mm，前进速度为 3 km / h 的振动式深松机，当深松 铲摆角为 － 22． 5°时所消耗的功率最低； 对于振幅为 69 mm， 深松铲摆角为 27°，前进速度为 3 km / h 的振动式深松机，当 振动频率为 3． 3 Hz 时，所消耗的功率最低，此时深松机所消 耗的总功率与不振动时相近，但深松机振动时的总功率的浪 费率低，如 果 考 虑 到 功 率 的 利 用 率，振 动 式 深 松 机 可 节 省 27% 的功率［13 － 14］。
Research Advances of the Vibrating Subsoiler ZHANG Lu et al （ Key Laboratory of Bionics Engineering of MOE，School of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University， Changchun，Jilin 130022） Abstract Through analyzing the resistance reduction mechanism and characteristics of the vibrating subsoiler，the paper introduces the research status of two types of subsoilers widely used at present，which are abroad-forced vibrating subsoiler and self-exciting vibrating subsoiler， then points out the existing problems and at last forecasts the development trend of future vibrating subsoiler． Key words Subsoiler； Vibrating subsoiler； Conservation tillage
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2011，39（ 27） ： 17079 － 17080，17083
责任编辑 张杨林 责任校对 卢瑶
振动式深松机的研究进展
张 璐，于路路 ，张 强 * （ 吉林大学生物与农业工程学院，工程仿生教育部重点实验室，吉林长春 130022）
目前形成批量生产的产品有罗马尼亚的 MAS-60 型振动 深松铲、意大利的 MORO 型振动深松铲、法国 ARPON 振动 深松铲及德国生产的 TLG-12 型振动超深松机、匈牙利的 FVA-3 型振动深松土犁等［2，15］。国内主要产品有河北华勤 机械股份有限公司研制的 1SZ － 360 型振动式深松机，黑龙 江省水利科学研究所研制的 1SZ － 140（ 210） 型多功能振动 式土壤改良机，中国农业大学与河北省农机修造站研制的双 航振动式深松机，沈阳农业大学研究设计的 1ZS － 2 型振动 式深松机，西安大洋农林科技公司的 1S － 7 型深松机，北京 银华春翔农机公司 1SQ － 250 型深松机等［2 －3］。 2． 2 自激振动式深松机 自激振动是机械振动的一种形 式，主要是利用弹性元件使深松机产生自激振动。自激振动 式深松机的激振因素主要包括工作部件在切削土壤产生的 自激振动、地表不平、土壤阻力变化激起的振动以及拖拉机 本身的振动［16］。其振动的大小取决于土壤的物理 － 机械性 能、土壤状态、机器的结构参数和技术状态以及拖拉机的前 进速度等［17］。对于自激式振动式深松机的研究目前尚处于 试验阶段。
摘要 在分析振动深松减阻机理及特点的基础上，介绍了目前国内外普遍采用的强迫振动式和自激振动式 2 种深松机的研究现状，并 指出存在的问题，展望了未来振动式深松机的发展趋势。 关键词 深松机； 振动深松； 保护性耕作 中图分类号 S 233． 1 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2011） 27 － 17079 － 02