毕业设计（论文）-振动深松机的研究设计

PAGE24振动深松机设计目录TOC\o"1-2"\h\u18085摘要： 1157441农业机械化概述 2324601.1发展农业机械化的重要意义 2167041.2农业机械以及耕作方式的简介 3161401.3农业机械化的发展阶段 4116812虚实并存理论 4173142.1虚实并存理论的原理与应用 4203042.2虚实并存理论国内外发展 5108542.3虚实并存理论的研究意义 6105483振动深松技术以及应用 674963.1振动深松意义 6198403.2国内外研究现状分析 7157903.3几种新型振动深松机及相关机型概况 8143583.4小结 8163104振动深松机工作原理 9320584.1振动深松机的运动分析 9237314.2振动深松部件的受力分析 12303765总体结构的设计 18159615.1总体设计 18108875.2深松铲的设计 18205905.3深松铲柄的设计 19171075.4基于solidworks的总装配图 2053845.5翻滚轮的设计 20248805.6减速器前撑的设计 21142275.7减速箱 21149216总结 2115673致谢 2232035参考文献 23振动深松机设计摘要：本文首先研究了国内外农业机械化的发展现状和重要意义，重点说明了耕地机械的类型，并阐述了土壤的虚实并存的原理(讲述如何使土壤中的水。肥、气、热如何的循环利用)，参考国内外振动深松机结构，设计出一种符合中国国情的新型耕作机械——振动深松机。在设计振动深松机的过程中，首先研究了振动深松机的运动过程和受力情况。振动是为了减少耕作阻力，而深松则是为了打破犁底层。在振动深松机的设计过程中，首先是构思整机结构，使用solidworks进行三维实体建模并进行强度硬度校合，设计出主要的零部件，其次进行关键零部件的自底向上的装配方式和干涉分析，振动深松机主要包括机架、深松铲等子装配，最后进行整机的三维装配，在整机装配过程中又采用自顶而下的装配方式，设计出一些连接件。考虑到农艺上因素，进行了结构的修改设计，重新设计了深松铲的尺寸，是深松铲设计生产符合标准化要求。达到优化设计的目的。关键词：振动深松机，虚实并存，自上而下，三维建模1农业机械化概述1.1发展农业机械化的重要意义农业现代化，既是指由传统农业向现代农业转化的过程，也是指农业综合能力实现现代化目标的过程。一般认为，农业现代化是在一定的生产条件下，具有现代素质的农业劳动力，利用现代农业生产手段，高效地生产出能够满足社会需求的，可持续发展的高质量农产品。农业机械化是农业现代化的基础内容和主要标志之一，可以说，没有机械化就没有现代化。在我国现代化建设过程中，农业机械化就有相当重要的地位和作用。但时至今日，我国的农业现代化水平仍然比较低，农产品的国际竞争力不强，与国外发达的农业机械化的差距仍较大。农业机械化依靠大工业生产出的劳动工具，按照自然科学的研究成果，必然会大大提高农业劳动生产率，提高资源的利用率，提升农产品的市场竞争力，增加农民收入，实现可持续发展。20世纪末，美国在评价20世纪什么工程技术对人类社会进步起巨人推动作用时，把农业机械化”列为二十项最伟大的工程技术成就之一。千百年来，农业机械作为先进农业生产力的代表，引发了农业生产方式的根本变革和农民生活方式的改变。农业机械化的源头可以追溯到原始农业生产工具的使朋。我国古代创造发明的风车，水车、水碾，谷粒清选扇车以及播种用的耧、牛、马车等，都是领先的农业生产工具，代表着当时世界较高的“农业机械化”水平。但明代中期以后，专制社会的禁锢，外强的入侵，加上时常发生的战乱阻碍了农业生产工具的发展。在我们停滞不前时，西方的农业机械却发展微快，耕整机、播种施肥机、中耕除草机，以及后来的动力配套机械等相继发明并投入使用。自新中国成立以来，我国的农业机械化进入新的发展时期，20世纪50年代的新式畜力农机具，60年代的手扶拖拉机，70年代的自走式水稻插秧机、立式割台收割机，以及80年代以后的联合收割机等等都是我国发展农业机械化的成果。然而，这些与发达国家的农业机械化水平仍然有很大差距。大力推进农业机械化的作用和重要性具体表现在：(1)农业机械化可增加农产品的产量。先进的机械化耕作技术和畜牧方式、高效的现代耕作方法必将比传统农业生产技术有助于生产更多的粮食。(2)农业机械化可改善农业生产条件。农机化可为大宗连片，规模化经营的作物提供良好的条件，降低劳动强度，节省劳作时间，从而降低受自然灾害影响的概率；良好的机械化耕作有利于保护土壤，促进作物生产发育；机械化化肥深施既可提高化肥使用的效率，又可保护生态环境。(3)机械化可增加农民收入。推进农机化有利于发展外向型刨新农业，提高农产品的生产加工、保鲜、储运能力，增加农产品的附加值，促进农业生产综合能力的提高，增加农产品的竞争力，使农业增效、农民增收。当前，北京和上海代表我国农业机械化的最高水平，这两地的农民人均纯收入都高于全国人均水平。2003年，北京农村住户每人平均年收入为5601.55元，上海为6653.92元，均高于当年全国2622.24元的平均水平。(4)农业机械化有利于减少农业人口。农机化使耕地、栽种、施肥、植保、灌溉以及收获等主要生产环节更高效、高质地完成，畜牧饲养设备使畜牧生产工业化。让更多的农业劳动力转移到第二、第三产业。(5)农业机械化有助于促进农村文明进步。农机化改变了农民的生活方式，更新了农民的思想观念，提高了劳动者的技术水平，增加了资金积累，促进了农村文明进步和小城镇的建设。1.2农业机械以及耕作方式的简介1.2.1常用农业机械的简介拖拉机拖拉机是农业生产的基本动力，也是农业机械中最常用、最普遍的机械，各国的农业机械化也几乎都是从拖拉机的使用，改良和普及开始。随着拖拉机所牵引的配套农机具日益增多。农民操作拖拉机的时间也在增加。今天对拖拉机的要求不仅仅是功率大、实用而且更多地最求操作更便捷舒适，要求拖拉机快速、灵活、噪音低、振动小、污染少。铧式犁铧式犁是土壤耕作最为常用的机具，它的主要工作部件是由犁铧、犁臂等组成的犁体。犁铧和犁壁的工作面为连续、光滑的犁体曲面，其形状和参数根据不同的土壤和耕作要求选取，并碎土和覆盖杂草残茬等作用。双向犁是铧式犁的一种改进形式，带有左翻和右翻两纽犁体(普通铧式犁都是右翻犁体)，或带有翻垡方向可以变换的一组犁体，使犁在耕作的来回行程都向同侧翻土，耕后地表不留沟埂。圆盘犁圆盘犁的工作部件是与铅垂面(即和水平面垂直的平面)约成20°倾角、与前进方向成40°～50°骗角的凹面圆盘，作业时，圆盘在土壤的反作用力的作用下转动前进，由圆盘刃口切下的土垡沿凹面升起并翻转下落。圆盘犁能切碎干硬土块，切断草根和小树根。它适用于多石、多草和潮湿粘重的士壤以及高产绿肥田的秸秆还田后的翻耕作业。圆盘耙圆盘耙是由成排排列的凹面圆盘配置而成。作业时，圆盘的刃口平面与地面乖直，而与前进方向成一偏角。它用于翻耕后的碎土平整、收获后的浅耕灭茬等。中耕机中耕机用于作物生跃期问的松土、除草、开沟和培土等项作业，常用的工作部件有除草铲、松土铲、通用铲和培土器等。旋耕机旋耕机的工作部件旋耕刀装在一根水平横轴上，并且均匀配置一组切土刀片。有拖拉机动力输出轴通过传动装置驱动，旋转切土和碎土。旋耕机是和拖拉机配套作业的机具，按配套动力分为手扶拖拉机配套旋耕机和轮式拖拉机配套旋耕机两大类。与犁耕和耙耕作业相比，旋耕作业具有碎土性能好、适应性广、作业效率高等优点、在我国大江南北，无论水田，旱土，旋耕机的应用十分广泛。此外，联合收割机、播种机、喷雾枝保机等也是重要的农业机械，这些机械常见而且常用，在此不再详述。1.2.2先进的耕作方式简介先进的农业机械是与先进的耕作方式紧密联系的。在近几年的农业生产中，常提及的耕作方式主要包括以下几种：保护性耕作它的定义是：用大量的秸秆残茬覆盖地表，将耕作减少到只要保证种子发芽即可，并主要用农药来控制杂草和病虫害。保护性耕作的基本要点可以概括为：秸秆覆盖、免耕播种、以松代翻、化学除草。免耕是指完全取消铧式犁翻，并且不进行其它突然作业。实行免耕的农场使用的机械仅有三种，即播种机、喷雾枝保机械和联合收割机。少耕取消犁耕的基础上，为保证播种、疏松土壤和除草等农事而保留少量的土壤作业，其要点是减少耕作次数和强度。少耕主要包括深松、浅松和浅旋、浅耙等播种前的表土整备耕作等。1.2.3高科技的现代农业机械当前，以全球卫星定位系统(简称GPS)、地理信息系统(简称GIS)等为代表的高科技设备应用到农业机械中，它们代表着当前世界农业机械化的最高水平，极大提高了农业生产水平。1.3农业机械化的发展阶段1.3.1农业机械化的发展阶段农业机械化的实现不是一蹴而就的，而是随着社会经济的发展步步推进。对于农业机械化已经全面实现的国家，它们的起步到基本实现农业机械化少则经历20余年。多则经历了40余年的时问。归纳国外已经全面实现农业机械化的国家的农业机械化历程，他们的发展大致可以分为三个阶段：初步的农业机械化、基本的农业机械化和全面的农业机械化。(1)初步的农业机械化特点：农田耕整地，主要粮食作物的播种和收获、脱粒、加工、捧灌等固定作业及运输机械化程度到80％～90％；役备逐年下降，将近一半为机械动力所替代：农业人口、农业劳动力占总人口的比重较小，约为20％～30％；农业劳动生产率高，农畜产品高；基本形成区域化、专业化种植和经营。(2)基本农业机械化特征为：各种农机动力不断增氏，特别是拖拉机及配套机具联合收割机，基本上趋于饱和；役畜进一步减少，变为食用音，畜牧业在农牧业产值中的比例逐步增长；配套农机具品种繁多，机械作业项目迅速增加，除难度较大的作业项目外，都基本上实现了机械化作业；与农艺的结合更加密切和广泛，相互适应，协调发展。(3)全面农业机械化特征有：农机农艺进一步结合，新的作业项目不断出现，如棉花、蔬菜和水果等较难作业项目也实现了机械化作业，作业机具幅宽也增加，工作速度快，作业效率高；农业机械趋于自动化，液压传动技术、电子技术广泛应用于各种农业机械，许多机械如播种机、榷保喷雾机，施肥机等与微电脑结合，自动控制、无人操纵的农业机械也已出现；设施农业不断发展，农业工厂化已逐步实现；农业资源配置更加合理；新能源的开发利用受到重视，提倡无机农业，如节约油耗，少耕免耕，太阳能、风能，地热的利用，用农业废物开发沼气等。当然，由于各国农业发展历程的道路不同，农业机械化的推进进程不同，各国不一定都表现出明显的农机化三阶段。2虚实并存理论2.1虚实并存理论的原理与应用虚实并存耕作是农学中土壤耕作和农业机械化学科交叉，农机农艺相结合的机械化耕作技术，是一种全新的耕作方式。虚实并存耕作是指土壤耕作机具作业时，根据农艺的需要在拖拉机牵引耕具动土作业时，耕具之间留有朱耕的空白地面。也就是在耕地后耕层中有纵向耕和不耕土壤同时存在。也称局部耕作，或非全面耕作，属于少耕范畴。在全国各地的试验示范推广中都取得了很好的效果。虚实并存耕作是以虚实并存效应为核心，按照不同地域的风土条件，在不同部位、深度、间隔，以及不同作物、不同时期采用配套机具进行的土壤基本耕作作业。它可以与覆盖，浅翻、旋耕、耙茬等表土作业相结合，进行复式作业；可以带苗作业，减缓农时季节紧张期；也可与播种、收获等其他农业措施相结合，耕种结合、耕管结合、耕收结合，形成一整套纳入耕作制度中的、建立在试验示范基础上的、可初步定量指导生产的土壤机械化耕作技术体系。经过对土壤水肥气热、作物生理生态、微生物区系，技术经济，以及近地小气候和耕作农田环境进行的连续测试而积累的系统数据的分析，并在十余省区，百余县市和国外欧、亚、非、澳数国的试验验证，揭示了当耕作的琉松土壤(虚，好气环境)与朱扰动的紧实土壤(实，嫌气环境)，孔隙度差值达到一定量，并以一定距离(间隔)和深度同时并列存在予同一耕层中，就会改变二者土壤水、热、养分通常的上、下垂直运移规律，出现侧向的水平运移。从而改变其分布状况，创造出一种同时存在水库、热库、肥库三种土壤状态独特的耕层土壤环境，促使生活在其中的微生物和作物根系产生一系列生理、生态变化。在提高作物产量的同时，可在实部提高腐殖质相对含量，培肥土壤，在耕作范畴内达到用养结合，被称之为“虚实并存效应”，是人工创造的农田土壤环境。试验研究表明，它是节能改土型、节水型、节本增效型、优质高产高效型耕作具备多功能，适应大田农业生产的实用技术，是一种全新的耕作方式。但是能量守恒，物质不灭定律决定了，单靠物理手段提高作物产量是在土地中掠夺资源，是行不通的。多年来，明显的可以看出土壤肥力一F降。甚至有完全依靠自然肥力维持生产，啃地力“老本”的“竭泽而渔”的方法。黑龙江省二十世纪九十年代曾集农学、土壤、耕作、水利、农机、生态六学会之专家多年经验与研讨提出，全省1.3亿亩耕地，每年只有14.8％产出投入比平衡；40.4％投少产多，肥力下降，34.8％投入极少，10％只取不投。也就是有85.2％耕地入不敷出，越种越瘦。1986年全省从土壤中带走的氮、磷养分，加上水土流失的总量为21.6亿亩和13亿亩，归还率只有53.9％和5l％。有机质和钾归还率只有50％和10％。这在北方早地具有一定的代表性。投入不足只是土壤退化作用的一个方面，实际上土壤方面包括了物理、化学、生物三个方面。土壤物理方面：地面板结、结构恶化、硬结、风蚀、沙化；化学土壤方面：酸化、盐碱化，有机质减少、化学污染；生物方面：肥力衰退、动植物微生物区系数量减少、活性减退。解决土壤褪化是指土壤用养结合，永续利用，关系到农业生产能够保持后劲，保持持续发展的百年、万年大计。虚实并存耕作一方面消灭和减少地表径流，使雨水保留在农田中，防止除草剂和化肥因径流进入地面水体而污染江河湖泊；另一方面由于虚部只占耕地的1／3～1／4，且渗透能力比实部增加40％以上，因此改变雨水渗入土壤中全面淋洗耕层，将活动性强的污染物溶解于水中带地下水的方式，成为只淋溶1／3～l／4局部土壤。大大减少了携带的可溶性污染物。另外由于从全面缓慢渗入变成集中水量单点渗入，加快了渗透速度，减少了淋洗溶解化肥、农药的时间，从而也减轻了污染。这样就保护了地面和地下水源，改善了生态环境。美国土壤学家威廉·爱德化兹30年的研究也支持了虚实并存耕作课题组的这一观点。2.2虚实并存理论国内外发展当前世界有三大耕作体系；前苏联著名土壤专家威廉斯，根据北方土壤团粒结构理论，认为土地要全面翻耕；1934年在美国暴发震惊世界的黑风暴(dustbowl)，刮去了大量地表沃土，基于黑风暴的教训，创立了免耕法；而我国具有数千年精耕细作的优良传统，也孕育并产生了虚实并存耕作的理论和方法。(1)国内现状耕作界研究耕作方法从应用技术，配套机具三方面进行。从应用技术方面看，有“吕和三定三看耕作法”，结合经验，看天、看地、看墒情定具体耕作法，起到保苗增产作用。还有水平沟种植法，沟垄种植法、山西大寨的“三深耕种法”。从配套机具方面看，黑龙江农机研究所从传统机具改进中对凿形铲作了系统研究提山了深松铲标准，研制了一系列深松机具。例如深松机I、Ⅱ、Ш型，83一整地机等。1972年黑龙江省农机科技人员在分析了黑龙江省同有垅作几个基本问题的分析与探讨研究国内外各种耕法，提山了“三五耕法”，其中“三”是指浅翻深松，轮沟深松和深中耕；“五”是指保水，保土，保肥。保苗，保产。与克山县第二良种物农业科技人员提出的“立体耕法”合并成为深松耕法。1976年在《深松法耕法名词解释》中提出了“秋后垄沟施肥，可以隔垄深松垄沟使肥土相融，松后耢平成为两垄一平台，达到密植，增加绿色面积”，深松耕法的轮廓基本形成。黑龙江八一农人和省农机科研人员在省内耕作效应研究基础上设计提出了“大豆垅三藏培法”和“三深精播耕地法”，以及相应的配套机具(杨方仁，梁恒录。1988)。西北农大、河托省农机局也根据东北耕作研究结果，引进机具改装，提出了“渭北草原深松覆盖技术”和“华北虚实并存耕作技术”，都取得了显著的效果。(2)国外现状从国外看，最早提山耕作学原理，从耕作效应的理论与实践来指导土壤机械耕作的是前苏联的±壤学和农业生物学者威廉斯，在19世纪后期他提山的团粒结构理论以及有结构、无结构土壤为核心的平翻耕作在世界上影响相当广泛。20世纪30年代美国等西方国家鉴于黑风暴的教训，提出了免耕法，到20世纪70年代末形成了理论和技术体系，但美国和加拿大认为免耕法与深松相结合是土壤的发展方向，1976年以来，美国、加拿大在我国的深松耕法的启发下，试行了深松和免耕相结合的新耕法，前苏联也在20世纪70年代也开始研究间隔深松。1988年7月和1991年7月在尼日利亚的伊巴丹举行的国际土壤耕作研究组织(ISTRO)第十二、十八届世界代表大会，中国代表被邀请参加，把虚实并存耕作介绍的国际耕作界，初次定为，得到充分肯定和广泛赞誉。1993年4月11日在波兰的卢布林参加ISTRO第14届世界代表大会组织委员会，在哈萨克斯坦国际土壤耕作学术讨论会上，虚实并存耕作再次被介绍、推广。1994年7月中国代表去丹麦奥尔堡参加了ISTRO第13届世界代表大会，主持了土壤耕作史专业委员会第一次会议，并把虚实并存耕作改为spacingtillage。2.3虚实并存理论的研究意义正确的耕作方式是有史以来人类一直在认真探索的重大课题。土壤耕作是传统农业中耕作、栽培、施肥三大支柱中最基本、最古老的一环。30年代，美苏等高度发达的工业国家因相继发生“黑色尘暴’，而极力提倡免耕。70年代末，美国政府称免耕法是美国对人类的一大贡献；加拿大、澳大利亚等国甚至立法取消铧式犁，这些引起人们对铧犁耕翻的深刻反思。应不应该取消翻耕?机械耕作在农业生产中的作用是什么?它对调节土壤的水肥气热，对作物和微生物的作用如何评价?对美国极力提倡的免拼法、前苏联威廉斯主张的平翻耕法的团粒结构理论、以及我国五千年精耕细作的优良传统又如何评价?这些涉及到机械耕作中肥力转化和增产理论机制的二个基础理题，引起了广泛重视和立项研究。自1975年以来，虚实并存耕作课题组对“深松耕法”增产理论和肥力转化机制应用理论研究的基础上，又对古今中外的耕作理论和技术进行了广泛的调查研究，总结出了虚实并存耕作理论和技术，经过多年试验研究，取得了初步成效。我国正向现代化迈进，对充分挖掘农业增产潜力，实现农业的持续稳产、高产、防止土壤退化，为实现我国农业的两个根本转变和农业现代化具有重要现实意义；它深刻揭示了人、畜、机耕的耕作原理，是农作学的基础理论研究重要内容之一。“虚实并存”耕层结构，虚部疏松的土壤结构有利于水分和空气进入及养分的分解与释放；实部是嫌气环境，有利于土壤嫌气微生物活动，并能促进腐殖质的形成，达到保存土壤中养分的作用。这种耕层结构协调了水、肥、气、热的贮供矛盾，提高了土壤肥力。同时，虚实耕层结构在一定深度和距离内孔隙度差值达10％以上时，能够改土壤中水、肥、气、热的上，下垂直运移为横向运移，改变分布状况，调节了供需关系，从而创造出一种独特的土壤环境，为农作物的生氏创造良好条件。此项技术还具有土壤的用养结合，抗御旱涝，促进作物高产稳产，促进农作物增产，对今后旱作农业的发展具有重要的指导意义。我国农业历千年而地力不衰，从古至今养活这一方人口，为世界所瞩目，诺贝尔奖获得者国际著名人士美国的布劳格博士盛誉中国传统农艺技术是世界上已知最惊人的成果之一。其科技精髓至今还没有全面揭示，有机物还田的化学因素，豆科作物固氯与合理轮作使作物均衡吸收养分的生物因素是世界公认的二方面原因，已经对世界农业产生了影响。精耕细作中的土壤耕作是物理因素，传统观念认为机械耕作是力学手段，加工土壤，只用地，不能养地，没有得至应有的重视。我们的研究证实虚实产并存耕作是通过调节土壤空隙，控制耕层中好气和嫌气性生物学两大过程，进而减少消耗，相对培肥土壤。一方面从内因上加强土壤体质，保持地力不衰；另一方面抗蚀保土解决水土流失，从外因上加强土壤体格，保护土壤不受破坏。同时抗御洪涝早灾，减轻污染，保护地面和地下水源，补给地下水，改善耕地的生态环境。又可节省能源，钢铁消耗，减轻资源压力。降低生产成本，投资少，而且一次投资可氏期重复使用，覆盖面大，经济效益高。这些从内因、外因、生态环境、资金投入和社会资源等多方面形成了良性循环，从而实现粮食高产稳产与培肥土壤并重。这样从土壤耕作基础上为农业保持和增强了发展后劲——实现可持续发展农业。3振动深松技术以及应用3.1振动深松意义我国有可耕地近14.2亿亩，其中干旱、半干早以及湿润偏半干旱的面积占52.5％，传统的铧式犁翻耕存在着种种弊端：翻耕后的土壤表层过疏松，损失了人量的水分和养分；引起了有机质流失：翻耕会混拌耕层中的有机质，将表土层的有机质翻入底层，从而导致这些有机质不能在表面被转化、吸收；造成草荒：连年翻耕导致整个耕层杂草丛生，头一年翻地将草籽深埋地下，第二年在翻地时，就会将其翻上来，这样翻来覆去数年，再加上耙耪整地，就使整个耕层充满草籽，全层感染，于是草荒成了不治之症；翻耕动力消耗人，作业成本高；不仅压实了土壤，更重要的是形成了坚硬的犁底层。犁底层是当今世界农耕上的一大公害，由于土壤被压实，使得土壤中得空隙减小，导致土壤的渗水性和透气性降低，从而造成：下雨时，犁底层阻隔降水入渗而形成严重的水土流失或被侵蚀；干旱缺水时，犁底层阻隔下层土壤水上升供应作物的生K所需；它还使土壤中的气、交换不充分，不能充分供给氧气希I排除、、等有害气体，阻碍根系正常新陈代谢和其它的生理功能：影响土壤中起保养作用微生物的生存和繁衍，导致土壤肥力下降；另外由于犁底层的存在，作物根系不能穿扎通过，而只能在犁底层以上卷曲生长。中国科学院地理研究所等单位，对我国犁底层的调查研究的结果表明：无论时在平原、丘陵，还是在小于坡耕地和梯田内，都普遍存在犁底层：畜力耕作田地的犁底层一般山现在12～15cm深处，厚度约为6～8cm；拖拉机耕作作田地的犁底层，其深度约为20～30cm，厚度约为8～12cm。国外深松一种是心土深松，另一种是全面深松。如前苏联的马尔采大无壁犁深松，还有德、法的全面深松机作业。中国土壤深松耕法起源于黑龙江省机械化耕作生产第一线，是在三角铧犁的基础上发展起来的。是一项利用配套机具挤压和撬动土壤加深耕层，但不翻转土层，对土壤扰动小，保持土壤原有层次的机械整地技术。其作业深度超过犁底层深度，能够达到调节土壤三项比，减轻土壤侵蚀，增强土壤蓄水保墒、抗灾能力，最终能提高作物产量，属少耕范畴。深松有助于增强土壤的通风透气性，要求松后地表平整，以利丁。后续播种作业或不损伤中耕作物的根系。包括全面深松和间隔深松。土壤的深松有以下的效果：打破土壤的犁底层，使土层疏松，土壤水分垂直移动加快，空气流通良好，有效地改善了土壤的物理性能；涵蓄天然降水，建立“土壤水库”，达到蓄水保墒效果；增强土壤保水能力，提高水分的利用率。经试验研究表明；深松前犁底层的密度为1.4～1.5，深松后可降至1.0～1.2，土壤容重降低约0.4，土壤的空袭度约增大25％。深松对容重的影响随时间的变化而减弱，至第3年其影响已较小，这表明深松耕作应3～4年进行一次。采用振动方式。使土壤耕作机具产生一定频率的振动，使土壤疏松，达到减少阻力的目的，这种方法己被许多研究者研究和证明，用类似心土铲的简单锄铲进行了一系列试验，使此机构在控制的振幅和频率下前后振动。试验结果表明，振动可以减少牵引阻力约10％～40％。进行了利用振动深松机打破犁底层的试验，通过田问试验测试得出振动深松机的最优值：振幅36.5mm，频率9.48HZ，机器前进速度为2.2，达到减阻33％的效果，但增加动力消耗24％。3.2国内外研究现状分析1979年以色列人Wolf.D和Luth.H.J率先提出了要设计一种要适合干旱、半干旱地区的、打破犁底层蓄水保肥透气的振动深松机械。1983年德国研制了第一台振动深松机，其工作原理是：①偏心振子使犁柄产生横向振动，以减少工作阻力。②偏心振子使犁产生上下振动，以松动犁尖上部士壤来减少犁的工作阻力。③偏心振子使铲柄的连扳产生上下振动，带动铲尖横向运动，使犁板前土壤松动而积增大，减少犁的工作阻力。振动式深松机可以解决深松工作阻力大，能源消耗大的问题。该种机械由拖拉机动力输出轴驱动偏心振子使犁产生振动，振动频率通常为540次／min，一般降阻20％～40％。日本在多功能振动式深松机的研制方面做了大量工作，并取得显著成绩。第二次世界大战后，日本最初用畜力拉深松犁，随着农业机械化程度的提高，改用拖拉机拉犁耕田，最大的深松犁有9个犁刀，深耕380mm，最大耕幅2440mm。1989年开发推出新型振动式深松机，该深松机具有松土效果好、牵引阻力小等优点，不但适用于大田，而且适用于菜田、果园、烟草田，还可以收获块茎作物。如日本的等研制了与中型拖拉机(30～45kW)配套的四铧振动深松机，并于1993年进行了试验，确定了最佳参数为：齿尖的振幅为50mm，振动频率为3.4Hz，振动角为30°，其牵引力比刚性深松机减少40％，而功率仅增加2％左右。土耳其的Uzel公司生产E979型振动深松机，其配套功率为40HP(29.4kW)，工作深度为60cm。除此之外，国外还有许多类型的深松机，其主要区别在于深松铲的工作曲面不同。为减少深松工作阻力，有些深松铲前方还安装有小圆刀。目前在中国从事振动深松机械的研究和生产主要有以下几个个单位：①黑龙江省水利科学院，其率先研制出国内第一台振动深松机；②河北省农机修造站设计、由河北华勤机械股份有限公司制造的ISZ-60型振动深松犁；③中国农业大学与河北省农机修造站合作研制的双航震动深松机，适于三北地区应用；④由沈阳农业大学研究设计的IZS一2型振动深松机，该机适用于中耕作物行间作业，可解决由于耕深较大，导致横向影响区较宽，损伤作物根系额问题。3.3几种新型振动深松机及相关机型概况①1S-1型振动深松机由河北省华勤机械股份有限公司生产。该机是与免耕覆盖播种机配套作业的一种新型振动深松耕作机具。该机具有以下特点和作用：深松可打破K期翻耕形成的犁底层，有利于雨水的入渗与作物根系的发育，不打乱耕作层，能改善士壤的透水，透气性和土壤的团粒结构。该机结构简单、性能可靠、操作方便。主要技术参数：配套动力11一22kw拖拉机；整机质量140kg；深松幅度50-60cm，工作深度≥25cm；作业效率0.13-0.40／h。②lSQ—350型全方位深松机由黑龙江省讷河市振兴农机制造厂生产。该机与55.1～58.8kw拖拉机配套使用，主要用于早作地区的深松作业，以打破犁底层，加深土壤耕作层，提高土壤蓄水保墒能力和抗涝排涝能力。该机由机架总成、梯形框架式深松器和限深轮等组成。主要技术参数：整机质量440kg：工作幅度180cm；松土深度40-50cm：工作效率1.0-1.3／h；作业速度4.5-5.5km／h。③1SND型悬挂深松浅翻机由河北省保定农业机械厂研制生产。该机可同时完成翻耕和深松作业，也可单独完成耕翻或深松作业。采用独特的双层双翼松土铲，保证了中下层土壤的松土效果，有利于蓄水保墒。完成深松作业的同时，可将地表的秸秆浅翻于土壤中，有利于提高土壤有机质含量，并为下一步整地质量的提高创造了有利条件。主要技术参数：外形尺寸4300X2080X1500cm；配套动力l18kw拖拉机；整机质量800kg；工作幅宽210cm：松土深度35～45cm，小犁体耕深lO一15cm，相邻铲尖距70cm；工作速度8-10km／h。④1ZSS—400一5型振动深松鼠道犁由黑龙江省红兴隆机械厂研制开发，已通过省级鉴定，并投入批量生产。该机具有以下特点：(1)打破犁底层，并在底部形成鼠道，适于低洼及涝区渗水排涝作业，增大土壤透气性；(2)对于干早地区，利于蓄水补墒，形成节水型“雨养农业”；(3)利于盐碱地排盐洗碱；(4)改善土壤环境，提高产量；(5)减小机具作业阻力10％～15％。主要技术参数：外形尺寸2020X3840×1510cm；配套动力103-125kw拖拉机；整机质量1700kg；松土宽度285—300cm；最大入土深度50cm；鼠道直径11-12cm。⑤1SZ--140型多功能振动深松机。由黑龙江省讷河农业机械厂生产，已予2002年通过国家鉴定，并获国家专利(专利号：ZL0021063.1)。该机采用齿轮传动，体积小、质量小、振幅小、振动力大、深松效果好。除进行深松改土外，还可以进行鼠洞排水施工切断果树根系和收获马铃薯、甜菜、中药材等多项作业，是旱作农业充分利用降水建立土壤水库的一种技术措施。使用该机可改良排水不良的低湿农田，盐碱地；可以打破多年来耕作的农田所形成的犁底层，促使作物的根系发育；可使不适于旋耕的粘性土农田土质膨松。该机主要特点是：(1)采用动力输出轴带动振动体，使机械性能得到充分发挥，可节省牵引力25％一30％。(2)安装了减振系统，可减轻驾驶疲劳。(3)能使地表至地下35-50cm厚土层全部膨松，促进作物根系发育。(4)拆装方便，传动可靠(5)L形深松铲制作简单、省料，可减少土壤阻力。主要技术参数：外形尺寸1550X1700X1420mm；配套动力>40.4kw拖拉机；整机质量360kg：作业行数2行；适应行距120-170cm：耕深50cm：作业效率3.4～5.6／天。3.4小结1.农业机械化发展历程的机械特点：古代的农业机械，风车、水车，水碾、谷粒清选扇车以及播种用的耧、牛、马车等；耕整机、播种施肥机、中耕除草机，以及后来的动力配套机械等相继发明；以全球卫星定位系统<简称GPS)、地理信息系统(简称GIS)等为代表的高科技设备的农业机械：2.先进的农业耕作方式要与农业机械紧密联系，先进的农业耕作方式主要包括保护性耕作、免耕、少耕；3.虚实并存效应使土壤中的水肥气热得到合理循环的应用，为此而配套的机械振动深松机，国内外对此研究不够全面。4振动深松机工作原理4.1振动深松机的运动分析图4-1振动深松部件运动原理图图4—1为振动深松部件的工作原理图，它是一个深松铲安装在连接板上其运动方程式为随机架以屹为前进速度的直线运动。4.1.1运动方程式取坐标系如图2-1，X轴方向与机器前进方向一致，Y轴方向铅直向上，a为从X轴正向起逆时针方向的转角，H为耕深，则正切面与侧切面交汇之A点的运动方程式为：(2-1)式中：a=wt，即曲柄转角，w-曲柄转动的角速度，Vm-机器前进的速度，R-曲柄半径（1）铲机速比令（2-2）把公式(2-1)代入2-2可得，(2-3)其中，λ一铲机速比，即犁铲A点转动线速度与机组前进速度之比。从式(2-3)可以看出，对犁铲运动轨迹形状发生影响不仅是犁铲的几何参数，而且运动学参数的比值元也是一个重要影响因素，欲使犁铲运动轨迹为有扣的跃幅摆线，则必须有λ>l。（2）犁铲的速度和加速度把代入公式(2--1)并求导得(2-4)此时，犁铲端点得绝对速度为(2-5)公式(2—5)说明，犁铲在工作过程中其加速度是不断变化的，其中几个特殊点(a=o，，a=，)的绝对速度分别为：由于曲柄以匀角速度∞转动，机器以速度V。匀速前进，故犁铲端点A只有向心加速度，其值为（3）犁铲进距S(2-6)（4）切土行程L曲柄回转一周铲刃接触朱耕土壤走过的行程，可按下式计算：(2-7)式中：al铲刃开始接触朱耕土壤时的角度，a2铲刃开始离开朱耕土壤时的角度（5）犁沟的凸起高度h犁沟的凸起高度可按下列公式近似(2-8)铲刃切削角如图2-2所示以外磨刃正切面截面为例来考虑，各角度的名称定义如下：有速度合成四边形：（2-9）则动态切削角为:(2-10)图4—2铲刃切削角名称一静态切蚋始，它是正切刃上某点静轨述(四月轨迹)切线与正切面内端面之央角；-动态切削角，它是正切刃上某点动轨迹切线与正切面内端面的夹角i一刃角，他足崩刃面与iE切面内端面之夹角一静态睐角，它足静轨透切线与外刃角之问的失始一动态隙角，它足动轨迹与外刃面之问的夹角一运顿隙角，它足动静轨迹之间的夹角一正切面安装角，它是过该械面刃仁I的极径与正切面内端面之间的兴角（7）牵引力之比(2-11)式中Dv一振动牵引力Do一不振动牵引力（8）总功率比(2-12)式中Np--激振功净功率比P。（2-13）式中No一无负荷时激振功率（9）膨松度M（2-14）式中：H一耕深h一膨起高度4.2振动深松部件的受力分析4.2.1不振动条件下的犁铲受力分析为了分析方便，将犁铲分为三部分考虑，即铲刃、铲面和铲柄。（1）铲刃的受力分析铲刃在工作的过程中受到土壤的阻力。这种阻力是土壤强度破坏时的反力。铲刃切入朱耕土体，对土体施加压力，土体变形，内应力增加。铲刃单位面积上的阻力为土破坏时土的极限反力。目前对铲刃阻力的分析还比较少，本文借助地基承载力的计算方法来分析，同时借鉴装载机铲斗的受力分析方法。图4-3为铲刃切入土体时土的破坏型式。图4-3铲刃切入土壤时土壤的破坏模从图可见，土的剪切破坏是局部剪切破坏，为计算上的方便，假设为整体剪切破坏，在计算黏性土黏聚力时，仍按局部剪切破坏计算。先分析非粘性土的情况并假定：（2）土体为均匀的刚塑性体（3）铲刃切入土体后，土体形成剪切破坏，其塑性区分为朗旨(RankiIle)主动区I，辐射剪切区Il和朗肯被动区III三部分，见图2-3。相应的土体移动边界则有直线AC，对数螺旋曲线CD和直线DE组成。CD(加弧)的方程为：（2-15）式中:r-极径，由A点至CD曲线上的连线一极角，极径与AC线的夹角一土壤的内摩擦力先考虑土自重引起的铲刃口阻力取分离体ACDG为分析对象，(见图2-3)，其上作用着下列诸力：a)CD面上的被动土压力P1。由于滑动区Ш较小，认为GD面上的压力均布，等于GD面上G点处的自重应力，则P。作用在GD中点处（2-16）由图可知图4-4铲刃切入土体时阻力式中，a一铲刃厚度b一铲刃宽度s一耕深（2-17）b)土体的自重较小，可略去c)AC面上的反力，与作用点法向线成角，根据对数螺旋曲线的性质，它的作刚线通过中心A点，因此对A点的距为零。备力对A点取距，并令其等于零，可得AC面上的被动土压力P2，与AC面的法线成角。（2-18）现在分析粘性土耕作时铲刃受到的阻力：黏性土切入阻力与非黏性土阻力的差别仅在于粘聚力引起的阻力。在分析桔聚力引起的阻力之前先假定土壤具有黏聚力C，其它条件按非粘性土耕作阻力分析条件。铲刃由黏聚力引起的阻力分析模型见图4-5。对于枯性土壤，铲刃前土体破坏为局部剪切破坏，没有明显的朗旨被动区出现，仅有辐射推动区与朗肯主动区。因此CD面上具有枯聚力Fc。图4--5黏聚力引起的阻力分析模型在对说螺旋曲线DC上取一单元欧度ds来研究，则可将作用在单位长度的黏聚力分解为径向分量和径向垂直分量，径向分量的作用线通过A点，其对A点的力矩为零。与径向垂直的分量对中心点A的力矩为：因此对说螺旋曲线CD土由黏聚力对中心A点所产生的总力矩为所以（2-19）黏性土铲刃阻力应为非粘性土阻力与的和，即4.2.2铲面的受力分析（1）铲面的受力分析图4—6铲面的受力模型铲面的受力模型见图4-6，工作时，机具以速度前进，与水平面成a的斜面AB相当于一个单位楔在工作。土壤对其作用力N垂直于AB面，近似作用于AB的中点，行进中除阻力N外，尚有一个沿AB面指向后方摩擦力F，力N与F合成阻力R。阻力R可以分解为一个垂直分力和一个水平分力。垂直分力是工作时工作部件抬起耕层土壤，起到松动耕层的有用工作阻力，与此同时产生的水平分力Rx为工作时牵引力的一个组成部分。从图2-5可以看出，工作阻力曲。而作用力的大小随耕地的土质、含谁量以及前茬作物的种类不同而变化，而保证Rz一定的情况下，角越大，牵引阻力越小，切由关系式一深松部件的其士角；B一合力作用角；一士壤与工作部件的摩擦角b)铲柄的受力分析。由铲柄的截面形状，可将其视为双面楔。它的受力分析如下图：图4-7铲柄的受力模型总阻力(-楔面上正压力产生的阻力；-楔面上1剪力产生的阻力分力；-侧面上的剪力产生的阻力分量）(a-楔角-滑动摩擦系数N一楔面上的压力NI一侧面上的压力)由于正压力是士壤抵抗变形产生的力，其大小难以确定，那么有(Kl一土壤抵抗变形单位阻力；K2一土壤对于楔子侧面的单位压应力：Fl一楔面面积；F2一楔子侧面面积)。K2与Kl有所布同，其不同之处在于犁并布运动KI为零而K2不变。K2反应d15-。壤弹性恢复特性。所以4.3振动条件下犁铲的受力分析我们知道，当土体中某点任意方向的剪应力达到土的抗剪强度时，该点即处于极限平衡状态，若优。士体产生破坏。土体的剪切破坏与士的物理性质、原始应力状态有关。如土体为自重应力状态时，土剪切破坏的应力与土层的厚度成正比，服从摩尔一库仑准则。而振动深松作业正是利用了土体垂直方向的破坏强度小于加载破坏强度的特点。在振动条件下犁铲的运动可分解为水平和铅垂两个方向的运动。IggenmUller用较直观的力学分析方法，描述了垂直于切削方向的振动犁的减阻过程。现通过应力分析的方法来说明振动减阻的原因。犁铲工作状态见下图图4-8犁体的受力分析在犁铲前部A点取一单元体加以研究。为了使问题简化，这里只考虑平面问题。设作用在该单元体上的大、小主应力分别为和，在单元体内与主应力作用面成的nm平面上有正应力。和剪应力。为建立，与，之间的关系，取楔行脱离体abc。根据楔体静力平衡条件可得：联立求解以上方程得mn平面上的应力为：按材料力学公式，微分单元上大，小应力值与X--Z坐标上和之间的相互转换关系为：其中一土破坏时最大主应力一土破坏时虽小主应力结合库仑抗剪强度定律：(-的抗剪强度)图4-9土体垂直与水平加载破坏摩尔图1)白重应力摩尔图2)垂直加载摩尔图3)水平加载摩尔图c一土的粘聚力。一剪切面上的法向应力一±的内摩擦角可得到图4一9所示的土体加载破坏摩尔图。图中为土自重所产生的垂直应力，为土自重产生的水品应力。(r一土的容重；Z土层厚度；一土侧向压力系数；一般情况下Ko<l，所以。4-10铲柄的滑切作用当水平加载时，土破坏时的压力重最小主应力正是土的自重垂直应力力；当垂直加载时，由于土体在水平方向部受约束，应力不能增加，而垂直应力增加使土体剪切破坏，土体最小主应力。正是土自重水平应力从图中可知，这时的远小于。由此可见，振动铲刃作业使土体破坏所加的载荷，远小于不振动正常作业。即振动作业阻力小于不振动作业阻力。由于铲柄在工作过程中既有垂直运动，又有水平运动。从铲柄的端面土4-10可以看山，振动使铲柄对土壤具有。滑切作用。滑切作用的结果使实际的刃角比实物的角小。从而使牵引阻力降低。5总体结构的设计5.1总体设计振动深松机的构成主要有以下几个部分组成：翻滚轮、动力连接装置、振动结构、深松铲，以及其它连接装置，其中最为核心的部分是振动结构和深松铲。图5-l振动深松机结构示意图1减速箱2减速器前撑3翻滚轮刀片4深松铲5深松铲连接板6减速器后撑7扶手夹板8扶手套9扶手杆5.2深松铲的设计深松铲是深松机的工作部件，有铲头和铲柱两部分组成。因常在坚硬的土壤中工作，故应具有较强的松碎土壤的能力，还要有足够的强度、刚度和耐磨性能。为适应不同的作业要求，铲头的形式有很多种。可分为两类，一类是铲头与铲柱宽度相近，如平脊(或圆脊)凿型铲、双头凿型铲、凿柄铲等；二是铲头的宽度大于铲柱宽度，如鸭掌铲、双翼铲、箭形铲等。5.2.1凿形铲又称平板铲，其碎土性能好，工作阻力小，结构简单，强度高，制作方便，既适合于全面深松，也适于行间深松和种床深松，是应用最为广泛的一种深松铲。凿形铲是利用楔子原理碎土的，工作中土壤受铲面的挤压，当挤压力大于土壤的剪切强度时便产生剪切破坏。试验表明，碎土效果和牵引力与凿形铲的入土角口大小直接有关，牵引阻力将随着角的增大而增加。当角超过400后，牵引阻力急剧增加，所以深松铲的角一般都小于250。新型铲的宽度应不超过50mm，否则，将增加阻力，但由于其幅度很小，松土范围不大，故能适用于垄帮深松作业，不易伤根、压苗。图5-2深松铲尖的设计5.3深松铲柄的设计图5-3深松铲的设计深松铲的铲柄如上图所示，常用的铲柱多为矩形断面，铲头用螺钉固定于其下端。入土部分的前面制成尖菱形，有碎图和减小阻力的作用。有些铲柱采朋薄壳特征，其优点是钢的用量少，抗扭和抗弯的能力强。缺点是结构复杂，一旦变形难以校正，所以连接部位应设有安全装置(如安全螺栓、安全销等)。深松铲头是深松机构的主要工作部件之一，因其常在坚硬土壤中工作，故设计出的深松铲头不仅要有较强的松碎土壤能力，还要有足够的强度、刚度和耐磨性能。一般的深松铲采用65锰钢或45钢均可，A5钢也行。并且深松铲的刃部应进行热处理，淬火区宽