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[摘  要]深松技术是保护性耕作的重要内容，保护性耕作是现代农业技术未来发展方向，深松技术是保护性耕作技术的重要组成部分。它不仅可以打破多年传统耕作所形成的坚硬犁底层，而且深松后在土壤铅垂面形成上松下实、水平面形成虚实相间的土体结构。因此，深松技术可以大幅度增加作物，尤其是深根系作物的产量，是一项重要的增产技术。本文针对目前深松整地联合作业机作业阻塞严重、阻力大等问题，设计一种振动式深松机与破茬圆盘及镇压碎土辊相结合的深松整地联合作业机，并对其关键部件的设计参数进行试验研究。

[关键词]农业  深松技术  参数化设计

中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0025-01

土壤深松作业是指运用大型拖拉机牵引深松机具进行行间（行间距为40～60cm）或全方位深层土壤耕作的机械化整地技术。土壤深松作业是农业耕作技术领域的一种全新的耕作模式，深松机是保护性耕作机具之一， 深松后的土壤具有明显的蓄水保墒和增产增收效果。采用深松技术是我国旱作地区农业持续发展的重要途径， 但国内现有的深松机工作阻力和能耗都较大。

1.研究的背景和意义

1.1 我国耕作现状

我国是人口众多的农业大国，传统的耕作方式越来越不适应现代农业的发展需要。在传统农业的耕作制度下，旱作农业耕地的土壤侵蚀严重，耕地退化、沙化严重，从而造成土壤蓄水、储肥等能力降低，进而造成农作物产量的大幅度降低。特别是近年来，伴随着气候的变化、反常，如沙尘暴、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象等，在很大程度上限制了我国旱作农业的发展以及该地区农作物的产量，造成了巨大的损失。另外，由于受不同地区土壤湿度、容重、硬度等土质因素及地表植物的影响，造成土壤比阻不同，而且犁底层深度也不尽相同，这就使得同一种机具无法在不同地区通用。

1.2 深松机研究现状

相比较发达国家而言，国内深松机具的研制起步较晚，主要研究领域为振动式深松机振动机理及应用效果的研究、深松铲铲形的设计与优化、对于深松机缠绕堵塞问题的解决、深松机工作状态与受力分析等。目前，国内的深松技术也取得了很大进展。全方位深松技术是在传统耕作技术基础上改进形成的一种新的耕作方法，它能够增加土壤的孔隙度，加快土壤空气和大气的交换，使土壤微生物活动旺盛，达到作物增产的显著效果。在设计方面，国内也开始采用现代优化手段对深松整地作业机械进行优化，并取得了较好的效果。但这些设计大多是针对某一部件（如深松铲）或某些运动参数的设计与优化，没有一种针对保护性耕作的深松整地机械的整体设计，也没有形成系列化和参数化，应用范围较窄。

1.3 研究内容及方法

本研究采用理论分析与试验相结合、传统设计与现代设计相结合的方法，设计了一种加装碎土辊和圆盘刀的振动式深松整地联合作业机。借助于CAD和Pro/E技术完成二维图形的绘制和三维建模，运用有限元理论，借助有限元分析软件对设计进行模拟和仿真，并利用Pro/E软件的二次开发技术完成关键部件的参数化设计。随着现代设计方法的广泛应用与软件的迅猛发展，可以直接进行三维建模，然后对实体模型进行仿真、虚拟装配、形态和模态分析等，确定设计是否满足要求。然后，再通过三维建模软件直接生成二维平面视图。

2.深松部件总体方案设计与优化

2.1 需求分析

随着国家对深松作业的扶持政策力度不断加大。深松技术越来越得到国家的重视，深松机械将有着广阔的市场。传统铧式犁翻耕使得土壤结构和地表植被遭到破坏，从而使其缺乏抵抗灾害的能力。深松是传统翻耕的替代技术。传统的铧式犁翻耕作业后土壤裸露，地表无覆盖物，在遇到雨水冲刷时会形成地表径流，造成水土流失，遇到大风时会形成扬沙等环境危害。而深松作业则很好地避免了上述缺点，深松后地表覆盖良好，犁底层被打破，在耕层和犁底层形成了虚实相间的土壤构造，能起到“通水通气”的作用，有利于作物根部向下生长，促进作物早熟高产。但与深松机不断增长的市场需求相比，国内深松机种类较少，机型较为陈旧。深松由于存在上述需求，设计一种高效节能，符合保护性农业作业要求的深松整地联合作业机，既是现实生产发展的需要，也是生态环境保护的需要。

2.2 深松机铲柄的优化设计

铲柄存在的主要问题是下端螺孔处受力较大，有失效的可能性，所以优化的目的是在螺孔处的受力突然增大时，不会对深松铲柄造成破坏。

优化方案1：考虑到螺栓组联接将减少单个螺栓的受力，决定增加固定孔个数，将深松铲柄固定孔个数有两个增加到六个。这种改进方法部分减少了深松铲柄最下端螺栓孔的受力，但距离铲柄旋转中心最远的两个螺栓受力依然很大，较多的螺栓孔也降低了深松铲柄的强度，无法有效保证铲柄的失效。

优化方案2：为了避免铲柄上某处应力出现远大于其他区域的情况，将深松铲柄采：用无孔固定的方式。这种固定方式下深松铲柄的受力会有所减小，最大应力为下端 U 型螺栓处所受到的压应力，其大小为 194MPa，这种受力方式仍然不能保证铲柄在受到较大冲击载荷的情况下不发生变形、断裂等破坏。

优化方案3：这种方案改变了前两种改进设计的思路，将改进的重点脱离了铲柄本身，即将原设计的深松铲柄下端的紧固螺栓改为安全销。同时为了保证深松机在工作过程中不会因机座对铲柄的夹持不牢而产生横向晃动，可将机座护板与铲柄的重合面积适当增大。综合比较以上三种优化形式，可以发现优化方案3对深松铲的结构改变不大，却能够有效的避免深松铲柄因受到载荷过大而损坏。

3.深松机机架的优化设计

对机架的优化主要体现在以下两个方面：增加斜拉杆的厚度，以减小接触点的拉应力。将斜拉杆厚度由30mm增加到50mm，使得斜拉杆与上悬挂点之间的接触面积有较大的增加，从而增加受力最大点的强度。适当减小机架前后横梁的管壁厚度。机架管壁厚度过大，不仅使得机械笨重，而且造成一定的资源浪费，再考虑到载荷的情况下，将原机架管壁厚度由10mm减小到8mm。优化后机架的受力更加均匀，最大应力点应力由 226MPa减小为136MPa，有效地避免了在载荷增大的情况下危险点断裂的可能性。

4.结论

论文以深松机关键部件——深松铲铲头、铲柱和连接装置为研究对象，运用现代设计方法，将经验设计、三维造型与有限元方法有机结合。基于相关经验和理论，通过多方案比较，确定了整机方案：深松类型为行间深松，减阻方案为自激振动;防堵方案：安装破茬装置，深松铲均匀安装在单梁上。确定了关键部件的设计方案。依据有限元分析结果，对深松铲柄和机架的结构尺寸进行了结构优化，缩小铲柄下端固定孔径，增加机架斜拉杆强度。并针对实际生产中铲柄易损坏、入土角不可调节等问题，对深松铲固定装置进行重新设计，使其具有了入土角调节和过载保护功能。

参考文献

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