第 1 章 文献综述
1.1 深松技术国外研究现状
西方发达国家早在 20 世纪 30 年代就对深松耕作法开始了研究，在理论研究上达到了较高的层次，并且将这项技术投入实践，主要用来防止水分和养分的流失，取得了很好的效果[1]。国外研究人员还对深松部件作业时的牵引阻力规律进行了较为深入的研究，建立了完善的深松铲受力模型，在多年的实践之后形成了完整的理论体系，并将这些理论模型成功地运用在深松部件的设计和受力状态分析上，获得了很好地使用效果，设计出不同类型的深松机具及其附属配件[2-4]。而这些深松机具都是配套大功率的动力机械，作业速度快，深松深度大，深松后质量较好，非常适合于全面深松，能够全方位的打破犁底层[5]。西方发达国家在深松机具的研制上拥有自己的核心技术，在全球的农机市场中占据了大部分市场。这些深松机具根据作业方式来分，主要有挤压式和振动式深松两种[6]。其中具有代表性的深松机型有：约翰迪尔 915V 型深松机、德国 Horsch Terrano FX系列深松作业联合整地机、美国大平原公司（Great planes）生产的流线型联合深松机、MISKIN 全方位深松机、HawKins 公司生产的立柱式深松机。部分机型如图 1-1 所示。随着深松技术的不断完善，深松机具的不断发展，为了更好地推广保护性耕作，在深松机的基础上，国外己经研制出了多种深松联合作业机，机具在一次田间作业过程中可以完成深松、耙平、镇压、播种、施肥等工艺，避免了因农机具多次进田而压实土壤，提高了生产作业效率，保证了深松作业的效果[7,8]。如图 1-2 所示。
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1.2 深松技术国内研究
现状和国外相比，我国对深松机械技术重要性的认识稍晚，从 20 世纪 60 年代初才开始进行相应的研究。很多科研院所、农场等单位做了大量的研究工作，在深松机具的设计和制造生产方面取得一些进展，目前已通过试验并投入实际生产应用，取得了较好的效果[1]。关于深松的研究，国内主要从以下几个方面展开：
（1） 深松理论分析及成效研究
早在 1979 年，就有学者介绍了深松耕法及其配套机具，深松便以基本雏形呈现在了世人面前[9]；2006 年，王维忠和李明金在《农业装备技术》上对机械化深松整地技术的成效做了初步的探索[10]；2010 年，陈坤等人对国内外的深松铲的研究现状做了一个分析，并对国内深松技术做出展望，便于学者和专家进行参考[11]；2013 年，杨立国等人通过深松机械化技术在夏玉米种植中的具体应用试验研究，用事实证明深松技术可有效提高土壤蓄水保墒能力[12]；近年来随着深松应用的效果越来越明显，不少学者包括周伟艳、段晖、郝春天等人将深松整地作业技术要点总结出来，便于地方的推广[13]。
（2） 深松整机的研究
深松机械按不同的标准可分为多种类型：1）按工作方式，可分为机械式深松机和振动式深松机；2）按项目数量，可分为单一深松机和深松联合作业机；3）按深松范围，可分为局部深松机和全方位深松机；4）按作业机具结构原理，可分为凿式、翼铲式、鹅掌式深松机等。此外，还有在深松的同时完成施肥、播种、中耕（起垄）、喷施农药或除草剂等两种以上作业的深松联合作业机[7]。研究出的主要代表机型有：1991 年 10月，北京农业工程大学研制出的全方位深松机样机；1992 年，吉林市农机研究所研制出的 1SZL-210 型深松、起垄、灭茬耕作机；1993 年，黑龙江省农垦科学院农业工程研究所又研制出的适用于水田的旋耕深松机；1994 年，中国农业大学设计的可调翼铲式深松机；2000 年，黑龙江省水利科学研究院研制的多功能振动式深松机；2005 年，新疆农业职业技术学院工程学院研制的 1LSX-6 曲轴式深松耕作机，一次性完成耕整地作业，耕深可在 200～400mm 之间调节；2005 年，黑龙江省研制出的 1SND－175 型浅翻深松机[1]。这些机具都是根据不同的土壤和耕地类型进行的适合本地的开发，为我国深松技术的推广打下了坚实的基础。
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第 2 章 绪论
2.1 课题研究背景与意义
随着土地耕作方式的不断演变，保护性耕作作为一种新的耕作制度渐渐地出现在人们的视野中。其推行的免耕、少耕技术使土壤板结较为严重，一定程度上影响了作物的生长，通过深松能够有效改善因保护性耕作导致的土壤耕作层板结。传统的耕作，不管是机械化作业，还是人畜作业，都仅仅只是对浅层表土进行作业。由于农业机械对底层土壤的反复压实作用，致使在耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层，其厚度可达 6～10cm，阻碍了耕作层与心土层之间水、肥、气与热量的连通性，土壤板结严重，导致地力逐年下降，农作物产量严重降低。要想改变这种现状，深松是最好的办法。深松整地作为从农业生产实践中总结出来的一项增产措施，其实质就是：通过不同的动力机械配套深松铲等松土农具，在不翻转土层的前提下，疏松土壤，打破犁底层，加深耕作层，从而达到改变土壤固、液、气三相比的目的。随着我国旱作农业耕作技术的发展，深松技术已经广泛应用于北方大平原地区的玉米、棉花、小麦、烟草、甘蔗、大豆等农作物的生产试验和实践中。事实证明，它具有如下优点[16-19]：1) 促进土壤蓄水保墒，增强抗旱防涝能力2) 促进农作物根系下扎，提高抗倒伏能力3) 打破犁底层，改善土壤耕层结构，增加耕作层深度4) 改善土壤理化性能，增强土壤通透性，降低土壤容重，提高地温5) 不打乱土层，不破坏植被，可有效防止风蚀水蚀6) 对盐碱地有洗盐脱碱作用7) 和其他耕作方式相比，土壤比阻小，节省燃油，作业效率高，且适合各种土壤。
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2.2 研究基础
本课题来源于重庆市科委农业科技成果转化资金项目《新型小型耕作机械中试研发》（项目编号 cstc2014jcsf-nycgzhA80018）。该项目旨在设计一种履带乘坐式的新型小型多功能联合作业耕耘机，该机能够实现旋耕，深松的单独或联合作业，并能根据作业需求，更换作业部件，实现推土等功能。该机采用前后双挂接系统，整体布局包括动力系统、机架、驱动轮、支撑轮、履带、前深松装置、后旋耕部件以及液压控制系统，其原理概念图如图 2-3 所示。该机采用履带行走装置替换传统拖拉机的轮子，提高了整机的通过性能，改善了机器的转向灵活性，由于履带的受力面积更大，从而减小机器下陷的可能，并减轻了机器对土壤的压实作用。采用乘坐式，极大地减轻了操作者的劳动强度，避免了操作微耕机时高频率振动带来的伤害，乘坐式的操作，还能提高工作效率，减少体力的消耗。截至目前为止，本项目已完成动力系统，行走系统和后置旋耕及其后悬挂的设计，由合作企业重庆鑫源农业机械有限公司制造了一代样机，样机采用了原理概念图的原理，在结构上根据实际情况，有较大的改动。第一代样机于 2016 年 4 月 16 日在重庆南彭进行了田间试验。
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第 3 章 前置深松部件的研究........13
3.1 深松方案的分析....... 13
3.1.1 深松方式的选择............ 13
3.1.2 深松机具的作业要求............ 13
3.1.3 深松机的选型........ 14
3.2 主要零部件的研究........... 16
3.2.1 前置悬挂机架........ 16
3.2.2 自激振动机构........ 19
3.2.3 深松铲............ 20
3.3 前置深松部件总成及分析....... 21
3.4 本章小结........... 22
第 4 章 深松部件前置悬挂作业理论分析............25
4.1 深松铲及机架的受力分析....... 25
4.1.1 深松铲的受力分析........ 25
4.1.2 机架的受力分析............ 27
4.2 深松部件前置悬挂机组的分析....... 27
4.3 深松部件前置作业对拖拉机牵引附着性能的影响....... 33
4.4 本章小结........... 34
第 5 章 深松作业过程的数值模拟分析........35
5.1 土壤参数的测定....... 35
5.2 深松作业过程的数值模拟分析....... 45
5.3 本章小结........... 51
第 5 章 深松作业过程的数值模拟分析
随着我国科技的日益发展和计算机硬件的不断升级，计算机辅助有限元分析已广泛应用于各个领域，农业机械的设计当然也需要借助这些先进的技术来降低成本，增加可靠性[28]。数值模拟分析是机械设计计算机辅助工程中的主要内容之一。和静态分析不同的是，数值模拟分析常用来确定所分析的结构和部件随着时间和载荷变化而变化的过程。通过有限元法模拟深松铲切土，可以便捷地模拟出深松铲的作业过程。深松铲作业时，会受到土壤对其的阻力。为了节省能耗，降低成本，众多科研机构以及企业都在想尽办法减小深松铲的阻力[31]。由于土壤的弹性变形和塑性变形，在深松铲前进作业时，土壤颗粒的变化多种多样，有的发生破裂，有的只是发生位移。深松的目的就是为了打破犁底层，也就是本文所提及的心土层，当心土层土壤破碎形成的小颗粒较多时，土壤的透气性能才会更好，蓄水能力也会提高，越有利于植物根系的垂直生长。在作业后心土层的土壤颗粒越细碎，但与耕作层的土壤颗粒接触的越少，则证明深松铲的作业效果越好。所以，为了便于观察土壤与深松铲的微观作用，本章将基于前面所测得的土壤物理力学参数，以及对相关文献的参考，构建了土壤的本构模型。通过 ANSYS/LS-DYNA 对土壤和深松铲的相互作用做动力学分析，可以便捷地模拟出深松铲的作业过程，得到深松铲在规定的作业速度下土壤对于深松铲的作用力大小和方向、土粒的运动情况、深松铲的耕作阻力，作业功耗，作业效果等有效参数，为机具的设计和机具的生产提供有力的保障。
5.1 土壤参数的测定
为了研究深松铲在作业过程中与土壤的相互作用，常采用有限元法对深松铲进行动力学分析，而有限元的仿真分析，是建立在土壤物理参数基础之上的，这些物理参数包括：土壤含水率、密度、弹性模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力、泊松比等。本文参考《GB/T 50123-1999 土工试验方法标准》[32]对土壤的这些参数进行了测试。本文选用的土壤主要是重庆地区的旱田土壤，并严格按照土壤试验取样要求进行取样分析，以确保数据的准确性。《全国农机深松整地作业实施规划（2016-2020 年）》[24]中指出包括重庆地区在内的南方旱田种植区的深松范围主要集中在全年不种植水稻的旱田。本文选取西南大学农场旱田土壤进行测定。采用五点取样法，通过土壤取样器和环刀进行取样，将取得的样品通过三轴仪取样器和铝盒带回实验室，所需器具如图 5-1 所示。
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结论
本文依托重庆市科委农业科技成果转化资金项目《新型小型耕作机械中试研发》，在已完成动力系统，行走系统和后置旋耕及其后悬挂设计的第一代样机基础上，对深松部件前置进行分析研究，包括对前置深松部件的设计和深松部件前置对耕耘机作业性能的影响分析，得到以下结论：
（1） 设计出前置深松部件。采用间隔深松作业方式，以自激振动深松机型为本研究机型，深松耕幅为 1.2m，挂接两个深松铲，深松铲间距为 0.6m，前置悬挂机架采用平行四杆机构实现深松铲的入土和提升。
（2） 通过试验和计算得知，深松部件前置悬挂可使耕耘机重心前移 118.23mm，与后置旋耕联合作业时，可使耕耘机获得更大的压力中心位移允许值，提高了耕耘机的纵向稳定性，并且能够增加履带的附着力，提高耕耘机的牵引性能。
（3）通过试验测得样土为壤土，其耕作层深度为15~20cm，心土层深度为35~40cm，耕作层和心土层土壤的含水率分别为 22.10%和 20.39%，密度分别为 1.605 g/cm3和1.762 g/cm3.
（4） 将深松铲深松土壤的过程理想化，采用 ANSYS/LS-DYNA 和 LS-PREPOST对该模型进行数值模拟分析，得到深松铲以 0.3m/s 的作业速度进行 40cm 耕深的深松作业时，深松铲受到的最大阻力为 2560N，平均功耗为 13kW，心土层土壤破碎，表层土壤起伏在 50mm 以内。
（5） 通过 ANSYS Workbench 对前置深松机架进行静力学分析和模态分析，得到深松作业时，机架的最大位移为 3.3904mm，最大应力为 96.63MPa，最大应变为0.70726mm/m，固有频率在 30~170Hz 之间，前六阶振型中，最大位移为 6.5507mm，均满足设计要求。本论文的创新之处在于提出了一种新的深松部件挂接方式——前置悬挂，设计出了前置深松部件，并通过理论分析、数值模拟分析和静态分析，对深松部件前置悬挂作业的可行性及优越性进行了分析与研究。
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参考文献（略）