自激振動(dòng)式中耕培土器設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15956自激振動(dòng)式中耕培土器設(shè)計(jì)案例 1167381.1云南馬鈴薯種植農(nóng)藝要求 1212511.1.1種植模式 17501.1.2中耕培土農(nóng)藝要求 2259091.1.3田間土壤物理參數(shù)采集 2181701.2振動(dòng)耕作部件碎土與減阻機(jī)理研究 3112181.3自激振動(dòng)式中耕培土器設(shè)計(jì) 5130591.3.1整體結(jié)構(gòu) 6163071.3.2工作原理 7103811.4關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定 882391.4.1培土曲面設(shè)計(jì) 8179001.4.2自激振動(dòng)式中耕培土器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 1213381.4.3自激振動(dòng)式中耕培土器力學(xué)分析 13292901.4.4自激振動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 15131831.5鏟柄靜力學(xué)分析 18通過(guò)查閱相關(guān)資料與調(diào)研云南馬鈴薯種植區(qū)，獲得馬鈴薯種植模式與中耕培土作業(yè)農(nóng)藝要求，結(jié)合振動(dòng)耕作部件碎土與減阻機(jī)理研究，構(gòu)建自激振動(dòng)式中耕培土器運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)模型，進(jìn)行培土曲面設(shè)計(jì)與自激振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，完成自激振動(dòng)式馬鈴薯中耕培土器的設(shè)計(jì)與研制工作。1.1云南馬鈴薯種植農(nóng)藝要求1.1.1種植模式通過(guò)對(duì)云南馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)田間調(diào)研，發(fā)現(xiàn)云南馬鈴薯種植模式多樣。種植模式主要有高壟、低壟、單行、雙行等不同種植模式，株距、行距差異較大。本文針對(duì)單壟單行種植模式下（如圖1.1所示）馬鈴薯中耕培土作業(yè)設(shè)計(jì)培土器，壟距60cm~90cm，株距16cm~30cm，播種深度8cm~12cm，壟高15cm~25cm。圖1.1單壟單行種植模式Fig.1.1Singleridgesinglerowplantingmode1.1.2中耕培土農(nóng)藝要求馬鈴薯結(jié)薯層在馬鈴薯種上方，生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要進(jìn)行中耕培土作業(yè)。通常需要進(jìn)行中耕培土2次：第一次在馬鈴薯齊苗后封行前進(jìn)行中耕培土，培土厚度3cm~5cm，每667m2可用清糞水加5kg～10kg尿素追肥一次；馬鈴薯現(xiàn)蕾期，苗高15cm~20cm時(shí)，可進(jìn)行第二次中耕培土作業(yè)，培土厚度5cm左右，每667m2追施硫酸鉀復(fù)合肥20kg～25kg，兩次中耕培土厚度控制在10cm左右。早培土可以有效避免對(duì)地下根、匍匐莖的傷害，高培土有利于保水、保肥、減少青頭、提高塊莖品質(zhì)、增加產(chǎn)量。第二次培土要做到壟面不留空白，對(duì)第一次培土厚度不夠的部位進(jìn)行補(bǔ)土。1.1.3田間土壤物理參數(shù)采集2020年9月在云南省曲靖市陸良縣進(jìn)行馬鈴薯種植區(qū)田間土壤物理參數(shù)采集工作，測(cè)量深度10cm處土壤質(zhì)量含水率及堅(jiān)實(shí)度參數(shù)如表2-1、2-2所示，為后續(xù)土槽試驗(yàn)研究土壤物理參數(shù)的設(shè)置提供參考。表2-1土壤質(zhì)量含水率測(cè)定結(jié)果Tab2-1Soilmoisturecontentmeasurementresults編號(hào)烘干前質(zhì)量/g烘干后質(zhì)量/g質(zhì)量含水率/%1204.4163.420.062180.1151.415.383229.8191.116.844200.7166.816.895209.7176.016.076198.5164.117.327208.7173.416.938191.3158.417.219208.5173.116.9710197.4163.217.33在馬鈴薯種植區(qū)采用五點(diǎn)取樣法確定取樣點(diǎn)，共取10組土樣，測(cè)量深度10cm處土壤質(zhì)量含水率參數(shù)，去除石塊和植物殘?bào)w等雜質(zhì)，裝入干燥的取土盒中，立即進(jìn)行稱(chēng)重并編號(hào)1~10。土壤質(zhì)量含水率測(cè)定結(jié)果如表2-1所示，由表2-1可知，馬鈴薯種植區(qū)田間土壤質(zhì)量含水率在15.38%~20.06%之間，平均質(zhì)量含水率為17.10%。表2-2土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定結(jié)果Tab2-2Soilfirmnessmeasurementresult編號(hào)12345678土壤堅(jiān)實(shí)度/PSI4048363442444238土壤堅(jiān)實(shí)度/kPa276331.2248.4234.6289.8303.6289.8261.2在馬鈴薯種植區(qū)采用SC900型土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)量?jī)尚旭R鈴薯之間深度10cm處土壤堅(jiān)實(shí)度參數(shù)，共取8組，測(cè)定結(jié)果如表2-2所示。由表2-2可知，馬鈴薯種植區(qū)田間土壤堅(jiān)實(shí)度在234.6kPa~331.2kPa之間，平均土壤堅(jiān)實(shí)度為279.5kPa。1.2振動(dòng)耕作部件碎土與減阻機(jī)理研究剛性部件切削土壤時(shí)，切土、破碎和提升土壤過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，此時(shí)的牽引阻力由土壤剪切力、摩擦力、提升力和耕作部件切削力四個(gè)力的水平分力組成，如圖1.2所示，牽引阻力非常大[63]。圖1.2剛性部件切削土壤受力圖Fig.1.2Forcediagramofrigidpartcuttingsoila.切削階段b.提升階段圖1.3振動(dòng)部件切削土壤受力圖Fig.1.3Vibrationcomponentcuttingsoilforcediagram注：圖中G為土壤重力，N；N1為作用于前失效面的法向載荷，N；μ1為土壤內(nèi)摩擦系數(shù)；μ'為培土器與土壤的摩擦系數(shù)；NS振動(dòng)部件切削土壤時(shí)，上述單一工作過(guò)程被分為切削階段和提升階段兩個(gè)獨(dú)立階段完成，如圖1.3所示，無(wú)論是切削階段還是提升土壤階段，水平分力相比于前者都有減少。工作部件切削土壤后，由于受到垂直加速度的作用使得部件上方土壤向上運(yùn)動(dòng)而浮起，此時(shí)作用在培土器上的力幾乎與運(yùn)動(dòng)方向垂直，水平牽引阻力的合力很小。由于受到振動(dòng)作用，產(chǎn)生了較有利的切削條件和對(duì)土壤破碎有利的受力狀態(tài)，而且部分工作阻力由振動(dòng)部件的振動(dòng)作用所承擔(dān)，使得總的牽引阻力得到降低[43]。自激振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)有類(lèi)似的減阻效果，而且無(wú)需消耗額外動(dòng)力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)裝置，是借助彈性元件（如彈簧、彈齒等）對(duì)外部載荷變化而自適應(yīng)形變響應(yīng)[41,44]。引起自激振動(dòng)的原因主要有土壤地表不平整造成耕作深度變化，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致?tīng)恳b置振動(dòng)，土壤力學(xué)性質(zhì)不均勻和土壤雜物導(dǎo)致耕作阻力變化等。為了實(shí)現(xiàn)有效的振動(dòng)減阻效果，選擇合適的彈性振動(dòng)元件至關(guān)重要，彈簧剛度對(duì)于振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率和固有頻率有一定影響，在其他條件固定的情況下，改變彈簧剛度及機(jī)具結(jié)構(gòu)尺寸，可以獲得不同的振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率[35]。土壤破碎難易程度與土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)[64]。土壤受到振動(dòng)作用而趨于緊實(shí)，導(dǎo)致土壤壓力增大，當(dāng)土壤壓力增加到與土壤正應(yīng)力相同時(shí)，土壤強(qiáng)度急劇減小，土壤內(nèi)摩擦角減小，土壤抗剪強(qiáng)度隨著減小，使得土壤更易被破碎[65]。且土壤受到振動(dòng)作用時(shí)會(huì)儲(chǔ)存一部分振動(dòng)能量，使得土壤的內(nèi)應(yīng)力變大，而內(nèi)應(yīng)力越大，土壤越容易被破碎[66]。1.3自激振動(dòng)式中耕培土器設(shè)計(jì)目前市場(chǎng)上已有的曲壁式中耕培土器多為焊接而成的整體式結(jié)構(gòu)，如圖1.4所示，結(jié)構(gòu)牢固可靠，制造成本低。圖1.4中耕培土器Fig.1.4Soilcultivator本文基于振動(dòng)減阻原理進(jìn)行低阻自激振動(dòng)式中耕培土器設(shè)計(jì)，根據(jù)振動(dòng)裝置布置位置，主要有在培土器與微耕機(jī)掛接處增設(shè)振動(dòng)裝置和在培土器內(nèi)部增設(shè)振動(dòng)裝置兩種方案。前者可直接在市場(chǎng)上已有中耕培土器基礎(chǔ)上增加振動(dòng)裝置，但作業(yè)過(guò)程中培土器整體振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)微耕機(jī)工作狀況影響較大，對(duì)操作人員的要求較高，機(jī)具使用壽命較低。本文選擇在培土器內(nèi)部增設(shè)振動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)分段式培土曲面，作業(yè)過(guò)程中鏟尖振動(dòng)而培土板固定，振動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低，既可以起到振動(dòng)減阻效果又能降低對(duì)微耕機(jī)工作狀況的影響，提高機(jī)具使用壽命，減少機(jī)具振動(dòng)導(dǎo)致農(nóng)戶(hù)操縱疲勞。1.3.1整體結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的中耕培土器為焊接而成的整體式結(jié)構(gòu)，本文基于振動(dòng)減阻原理在培土器內(nèi)部增設(shè)自激振振動(dòng)裝置，將培土曲面設(shè)計(jì)為兩段式，上段為固定培土翼與鏟柄固定連接，下段為活動(dòng)鏟尖與振動(dòng)裝置連接。該自激振動(dòng)式培土器總體結(jié)構(gòu)如圖1.5所示，主要由培土曲面、鏟柄、自激振動(dòng)裝置及連接裝置組成。其中培土曲面主要包括鏟尖和培土板；自激振動(dòng)裝置主要包括外面的彈簧套筒、鉸接耳板、預(yù)緊螺栓和緊定螺母，以及內(nèi)部的彈簧、芯軸和預(yù)緊法蘭（如圖1.6所示）；連接裝置主要包括1個(gè)固定板、1個(gè)支撐板和2個(gè)連接板。自激振動(dòng)式培土器通過(guò)鏟柄固接在中耕機(jī)后方的掛接架上。整體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理，除剛性連接部分外都可拆卸，安裝調(diào)試方便快捷。1.鏟尖1.培土板3.鏟柄4.固定板5.支撐板6.連接板7.自激振動(dòng)裝置圖1.5自激振動(dòng)式培土器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.5Structurediagramofself-excitedvibrationhiller5432154321a.自激振動(dòng)裝置三維圖b.自激振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.鉸接耳板1.彈簧套筒3.彈簧4.芯軸5.預(yù)緊法蘭圖1.6自激振動(dòng)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1.6Internalstructurediagramofself-excitedvibrationdevice1.3.2工作原理中耕培土作業(yè)之前，先取下自激振動(dòng)裝置，在鉸接耳板和彈簧之間放置墊片，通過(guò)預(yù)緊螺栓將預(yù)緊法蘭調(diào)節(jié)到工作位置，進(jìn)而對(duì)彈簧產(chǎn)生壓縮作用，達(dá)到中耕培土作業(yè)所需的預(yù)緊力。同時(shí)擰緊緊定螺母，防止預(yù)緊法蘭在作業(yè)過(guò)程中受到振動(dòng)作用而發(fā)生松動(dòng)。然后將自激振動(dòng)裝置前后兩端各固定在鏟尖與鏟柄鉸接處，最后根據(jù)耕深要求選擇鏟柄上合適的孔位將自激振動(dòng)式培土器固接在中耕機(jī)后方的掛接架上。培土裝置作業(yè)過(guò)程中，牽引阻力由鏟尖經(jīng)鉸接耳板傳遞到彈簧套筒上，進(jìn)而傳遞給彈簧，當(dāng)牽引阻力逐漸增加到大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，彈簧被繼續(xù)壓縮，鏟尖繞鉸接點(diǎn)向后擺動(dòng)。當(dāng)彈簧彈力逐漸增加到大于牽引阻力時(shí)，彈簧釋放積累的彈性勢(shì)能，彈簧恢復(fù)變形，鏟尖繞鉸接點(diǎn)向前擺動(dòng)。由于土壤地表不平整、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、土壤力學(xué)性質(zhì)不均勻和土壤雜物等導(dǎo)致土壤對(duì)鏟面產(chǎn)生的阻力不斷變化，培土器鏟尖繞鉸接點(diǎn)往復(fù)擺動(dòng)。彈簧套筒外部芯軸與鏟柄鉸接限制了芯軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得彈簧套筒在芯軸上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而彈簧套筒內(nèi)芯軸的長(zhǎng)度則限制了彈簧的最大壓縮量，當(dāng)彈簧所受載荷即將達(dá)到其設(shè)計(jì)極限時(shí)，芯軸與鉸接耳板接觸，形成剛性連接，從而阻止彈簧進(jìn)一步被壓縮，防止彈簧因受力過(guò)大而發(fā)生破壞。1.4關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定1.4.1培土曲面設(shè)計(jì)以左側(cè)培土曲面（如圖1.7所示）為研究對(duì)象，介紹培土曲面的設(shè)計(jì)過(guò)程。培土器完成的工作過(guò)程與犁不完全相同，所以設(shè)計(jì)方法與犁也不完全相同，但其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)依然是成對(duì)配置的三面楔。繪制培土曲面的方法主要有水平直元線(xiàn)法、曲元線(xiàn)法、傾斜直元線(xiàn)法和翻土曲線(xiàn)法幾類(lèi)[67]。該培土曲面基于水平直元線(xiàn)法繪制，培土曲面由空間水平直元線(xiàn)沿著導(dǎo)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)生成。水平直元線(xiàn)沿導(dǎo)曲線(xiàn)從下往上平行移動(dòng)，隨著導(dǎo)曲線(xiàn)高度的變化，元線(xiàn)角和元線(xiàn)長(zhǎng)也在變化，并采用SolidWorks三維建模軟件繪制。圖1.7左培土曲面結(jié)構(gòu)圖Fig.1.7Structurediagramoflefthillersurface根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[68]可知，培土曲面的參數(shù)由培土后形成的壟形斷面尺寸確定。主要參數(shù)有行距L（通常為600～700mm），溝底寬a1，壟頂寬a0，溝底至壟頂總高h(yuǎn)，開(kāi)溝深度h1，壟高h(yuǎn)0，壟壁土壤自然休止角φ（一般為40°～50°），培土器上邊線(xiàn)高為h2，培土器翼邊線(xiàn)高H。培土壟形斷面圖和培土器正投影圖如圖1.8和圖1.9所示。圖1.8培土壟形斷面圖Fig.1.8Crosssectionofsoilridge圖1.9培土器正投影圖Fig.1.9Orthographicprojectionofhiller設(shè)V0為培土起壟所需要的土壤斷面尺寸：V0=(a0那么可求得耕作部件從溝底挖出的土壤體積V1應(yīng)等于：V1=aV1應(yīng)該等于V0，但是土壤經(jīng)過(guò)耕作部件的疏松、翻轉(zhuǎn)作用后體積增大，需要加入膨松系數(shù)，所以需土量和出土量應(yīng)該滿(mǎn)足下式：V0=λV膨松系數(shù)λ取1.2～1.25，此式中λ取1.25。同時(shí)還有：L=a0+則：h=12L?可推得：h0=λL?a0λ?1根據(jù)單壟單行模式馬鈴薯種植農(nóng)藝要求，取L=600mm，a0=180mm，a1=150mm，λ=1.25，φ=50°，得h=162mm，h0≈83mm，則h1=h-h0=79mm。導(dǎo)曲線(xiàn)位于培土曲面對(duì)稱(chēng)中心處，一般情況下導(dǎo)曲線(xiàn)距離鏟尖越遠(yuǎn)，其曲率越大。導(dǎo)曲線(xiàn)通常由三部分組成，即鏟尖直線(xiàn)段、入土深度以下曲線(xiàn)段和入土深度以上曲線(xiàn)段。鏟尖直線(xiàn)段的入土角取值一般為25°～35°，本培土器取30°，鏟尖主要起入土和破碎土壤作用。入土深度以下曲線(xiàn)段，主要起進(jìn)一步碎土和抬高土壤作用，入土深度以上曲線(xiàn)段主要起扣翻土壤、覆土培土作用。本培土器的導(dǎo)曲線(xiàn)方程為Y=0.58X（0≤X＜38.97）式中X為導(dǎo)曲線(xiàn)橫坐標(biāo)，mm；Y為導(dǎo)曲線(xiàn)縱坐標(biāo)，mm。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)培土器導(dǎo)曲線(xiàn)如圖1.10所示。圖1.10培土器導(dǎo)曲線(xiàn)圖Fig.1.10Guidecurveofhiller確定培土器導(dǎo)曲線(xiàn)后，在導(dǎo)曲線(xiàn)上不同高度自下而上選定參考點(diǎn)，繪制水平直元線(xiàn)（通過(guò)元線(xiàn)長(zhǎng)及元線(xiàn)角控制），并通過(guò)曲面放樣操作繪制連續(xù)培土曲面。元線(xiàn)角方程為θ=32（0≤h＜22.5）?1.1×10?3式中h為元線(xiàn)高度，mm；θ為元線(xiàn)角，°。培土曲面元線(xiàn)高度、元線(xiàn)長(zhǎng)和元線(xiàn)角參數(shù)如表2-3所示。表2-3元線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Tab2-3Relatedparametersofelementline元線(xiàn)編號(hào)元線(xiàn)高度/mm元線(xiàn)長(zhǎng)/mm元線(xiàn)角/°1019232221.515532331151.334.06441147.337.1552143.840.8663141.843.5786150.247.281151675091742255310175351.455注：元線(xiàn)編號(hào)1~9為水平直元線(xiàn)，元線(xiàn)編號(hào)10的直元線(xiàn)與水平面夾角為15°。將繪制得到的連續(xù)培土曲面沿元線(xiàn)高度100mm處進(jìn)行切割，得到鏟尖和培土板兩部分，并將鏟尖沿工作方向往前偏移10mm，組合得到自激振動(dòng)式中耕培土器的培土曲面。1.4.2自激振動(dòng)式中耕培土器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析培土器前進(jìn)過(guò)程中鏟尖受到土壤阻力作用而發(fā)生振動(dòng)，鏟尖運(yùn)動(dòng)的極限位置是自激振動(dòng)裝置行程的設(shè)計(jì)依據(jù)，因此需要對(duì)培土器鏟尖運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。培土器在土壤中的運(yùn)動(dòng)可近似為二維平面運(yùn)動(dòng)，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，以坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)為圓心，鏟尖D點(diǎn)到O點(diǎn)的距離R為半徑，繪制鏟尖運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖1.11所示。注：狀態(tài)1為培土器非振動(dòng)狀態(tài)，狀態(tài)2為培土器振動(dòng)角度為θ時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)。k為培土器鏟尖D點(diǎn)與D?點(diǎn)的垂直距離，mm；R為培土器鏟尖D點(diǎn)繞O點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑，mm；l3為O點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，mm；l3?為O點(diǎn)到A?點(diǎn)的距離，mm；l4為O點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，mm；l5為培土器非振動(dòng)狀態(tài)時(shí)A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，mm；l5?為培土器振動(dòng)角度為θ時(shí)A?點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，mm；b為OD?方向與Y軸的夾角，°；θ為培土器振動(dòng)角度，即OD與OD?、OA與OA?的夾角，°；e為OA與OB方向的夾角，°。圖1.11培土器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.1.11KinematicsAnalysisofEarthCutter根據(jù)圖1.11可得，鏟尖運(yùn)動(dòng)軌跡滿(mǎn)足公式（1.9~1.12）：k=Rcosb?Rcosb+θ(1.l52=ll5'2=s=l5?l整理可得自激振動(dòng)裝置行程s=l(1.13)由于A(yíng)點(diǎn)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中l(wèi)3距離保持不變，所以l3設(shè)t=arccosRcosb?k整理可得自激振動(dòng)裝置行程s=l42+式中k為培土器鏟尖D點(diǎn)與D?點(diǎn)的垂直距離，mm；R為培土器鏟尖D點(diǎn)繞O點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑，mm；l3為O點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，mm；l4為O點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，mm；b為OD?方向與Y軸的夾角，°；e為OA與OB方向的夾角，°。設(shè)計(jì)培土器鏟尖D點(diǎn)與D?點(diǎn)的垂直距離k=26mm，R、l3、l4、b、e均為培土器實(shí)際尺寸，測(cè)量可得R=293mm，l3=185.76mm，l4=107mm，b=55°，e=52°。代入式（1.14）可得自激振動(dòng)裝置行程s=13mm。1.4.3自激振動(dòng)式中耕培土器力學(xué)分析中耕培土作業(yè)過(guò)程中，培土器在土壤中的運(yùn)動(dòng)可近似為二維平面運(yùn)動(dòng)，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系如圖1.12所示，對(duì)培土器進(jìn)行受力分析。培土器鏟尖與連接板通過(guò)焊接連接，屬于剛性連接，受力分析過(guò)程中，兩者看作一個(gè)整體。中耕培土作業(yè)過(guò)程中，培土器主要受到土壤剪切力、摩擦力、提升力的反作用力，等效為耕作阻力FR。此外，培土器還受到土壤對(duì)鏟尖的支撐力FP、自激振動(dòng)裝置對(duì)鏟尖的作用力FW、培土器本身重力作用和機(jī)架對(duì)鏟柄的固定作用。培土器連接板在O點(diǎn)與鏟柄通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接，無(wú)法傳遞力矩，受力可等效為水平分力FOX與豎直分力FOY。自激振動(dòng)裝置前端與鏟尖鉸接于A(yíng)點(diǎn)，后端與鏟柄鉸接于B點(diǎn)，對(duì)鏟尖的作用力FW只能沿自激振動(dòng)裝置伸長(zhǎng)方向。培土器上端通過(guò)鏟柄與機(jī)架固定，培土器本身重力作用主要考慮培土器鏟尖與連接板重力m1g和自激振動(dòng)裝置重力m2g。受力分析過(guò)程中培土器本身重力作用不是主要影響因素，因此將鏟尖與連接板質(zhì)心等效為作用點(diǎn)C1，自激振動(dòng)裝置質(zhì)心等效為作用點(diǎn)C2。注：A點(diǎn)為自激振動(dòng)裝置與鏟尖鉸接處；B為自激振動(dòng)裝置與鏟柄鉸接處；O點(diǎn)為連接板與鏟柄鉸接處；FW為自激振動(dòng)裝置對(duì)鏟尖的作用力，N；FR為耕作阻力，N；FP為土壤對(duì)鏟尖的支撐力，N；m1g為培土器鏟尖與連接板重力，N；m2g為自激振動(dòng)裝置重力，N；FOX、FOY為培土器連接板的等效水平分力與豎直分力，N；H為培土器鏟尖與O點(diǎn)的垂直距離，mm；h為培土器鏟尖與耕作阻力FR等效作用點(diǎn)的垂直距離，mm；lP為底部土壤支撐力FP等效作用點(diǎn)與O點(diǎn)的水平距離，mm；l1為培土器鏟尖與連接板質(zhì)心C1到O點(diǎn)的水平距離，mm；l2為自激振動(dòng)裝置質(zhì)心C2到O點(diǎn)的水平距離，mm；l3為O點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，mm；α為AB、AO方向的夾角，°；β為AB方向和水平方向的夾角，°。圖1.12培土器受力分析Fig.1.12Forceanalysisofsoilcultivator由平面力系力矩方程可得式（1.15~1.17）MOF=0,FFX=0,FOXFY=0,FOY整理可得FW=FRH?h式中H為培土器鏟尖與O點(diǎn)的垂直距離，mm；h為培土器鏟尖與耕作阻力FR等效作用點(diǎn)的垂直距離，mm；lP為底部土壤支撐力FP等效作用點(diǎn)與O點(diǎn)的水平距離，mm；l1為培土器鏟尖與連接板質(zhì)心C1到O點(diǎn)的水平距離，mm；l2為自激振動(dòng)裝置質(zhì)心C2到O點(diǎn)的水平距離，mm；l3為O點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，mm；α為AB、AO方向的夾角，°；β為AB方向和水平方向的夾角，°。1.4.4自激振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)自激振動(dòng)裝置如圖1.13所示，主要包括外面的彈簧套筒、鉸接耳板、預(yù)緊螺栓和緊定螺母，以及內(nèi)部的彈簧、芯軸和預(yù)緊法蘭。中耕培土作業(yè)過(guò)程中，耕作阻力由鏟尖經(jīng)鉸接耳板傳遞到彈簧套筒上，彈簧套筒外部芯軸與鏟柄鉸接限制了芯軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得彈簧套筒在芯軸上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮彈簧。而彈簧套筒內(nèi)芯軸的長(zhǎng)度則限制了彈簧的最大壓縮量，當(dāng)彈簧所受載荷即將達(dá)到其設(shè)計(jì)極限時(shí)，芯軸與鉸接耳板接觸，形成剛性連接，從而阻止彈簧進(jìn)一步被壓縮，防止彈簧因受力過(guò)大而發(fā)生破壞。1.鉸接耳板1.彈簧套筒3.彈簧4.芯軸5.預(yù)緊法蘭圖1.13自激振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.13Structurediagramofself-excitedvibrationdevice根據(jù)前文自激振動(dòng)式中耕培土器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果可知，設(shè)計(jì)自激振動(dòng)裝置行程為13mm，因此設(shè)計(jì)自激振動(dòng)裝置芯軸與鉸接耳板之間的距離為13mm。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[69]可知，彈簧的參數(shù)設(shè)計(jì)是根據(jù)彈簧初始載荷和彈簧最大工作載荷確定的，設(shè)置自激振動(dòng)裝置預(yù)緊力大小等于彈簧初始載荷大小。（1）確定彈簧工作載荷根據(jù)前文自激振動(dòng)式中耕培土器力學(xué)分析結(jié)果可知，彈簧工作載荷FW與耕作阻力FR有關(guān)。選擇云南省昆明市土壤參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，土壤類(lèi)型為紅壤土，根據(jù)前期試驗(yàn)研究，初步選定培土器初始牽引阻力為150N，最大牽引阻力479N，代入式（1.18）可得彈簧初始載荷F0=151N，最大工作載荷Fmax=484N。（2）彈簧選型根據(jù)GB/T1222-2016和GB/T1239.6-1992，選擇彈簧材料類(lèi)型為碳素彈簧鋼絲B級(jí)，其切變模量、彈性模量和許用切應(yīng)力分別為：G=79GPa，E=206GPa，[τ]=541.2MPa。1）初步選擇旋繞比：根據(jù)GB/T1239.6-1992，推薦旋繞比C=D/d≈4~9，則曲度系數(shù)K為K=4C?14C?4+0.615式中K為彈簧絲曲度系數(shù)，C為彈簧旋繞比。初步選擇旋繞比C為7，代入式（1.19）可得彈簧絲曲度系數(shù)為1.21。2）確定彈簧絲線(xiàn)徑d=1.6KCFmax[τ]式中d為彈簧絲線(xiàn)徑，mm。根據(jù)式（1.20）可得彈簧絲線(xiàn)徑d為4mm。3）計(jì)算彈簧剛度k=Fmax?式中k為彈簧剛度，N/mm；λmax為最大工作變形量，mm。最大工作變形量為13mm，代入式（1.21）可得彈簧剛度k為25.62N/mm。4）確定彈簧有效圈數(shù)n=Gd8c式中n為彈簧有效圈數(shù)。根據(jù)式（1.22）可得彈簧有效圈數(shù)n為4.5圈。5)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繼續(xù)求得彈簧中徑、內(nèi)徑、外徑、彈簧初始位移等參數(shù)，彈簧各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式如下D=Cd