一种分层深松机构的制作方法

本实用新型属于农业机械技术领域，具体涉及一种分层深松机构。

背景技术：

深松铲是整个深松机的主要工作部件，深松铲柄和深松铲铲型的结构形式和配置对深松作业的质量有着直接的影响；深松时，深松铲的受力情况直接影响深松机的牵引阻力、功率消耗，还影响深松后土壤的扰动范围、碎土情况等；但是现有技术中的深松铲多为刚性结构，刚性结构的深松铲牵引阻力较大、功耗大，并且在深松的过程中土壤的横向松动范围较大，对作物根系的损伤较大，在深松后土壤还会发生上下翻转，形成上虚下实的土壤结构，不利于农作物的生长。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种将弹齿式深松铲与刚性深松铲相结合，能够对土壤进行分层深松同时还能降低牵引阻力，在打破犁层的同时，减小土壤的横向松动范围，减少对作物根系的损伤分成的分层深松机构。

本实用新型的技术方案是：一种分层深松机构，包括用于疏松上层土壤的弹齿式深松件，弹齿式深松件沿其深松前进方向的后方设有用于疏松下层土壤的刚性深松件；所述弹齿式深松件包括双翼铲和弹性铲柄，双翼铲固定在弹性铲柄的下端，弹性铲柄为s型弹齿式深松铲柄；所述刚性深松件包括刚性铲头和刚性铲柄，刚性铲头固定在刚性铲柄下端；所述双翼铲的铲尖位于刚性铲头铲尖的上方；所述弹性铲柄通过连接件与刚性铲柄连接成一体。

上述弹性铲柄s型第一弯曲的厚度大于其它位置的厚度。

上述连接件为水平的连接杆；所述弹性铲柄固定在连接杆一端，连接杆另一端与刚性铲柄可拆卸连接；所述连接杆沿其横向开设有多个第一通孔，用于调节刚性铲柄与弹性铲柄的前后距离，所述刚性铲柄沿其纵向开设有多个用于第一通孔配合的第二通孔，不同高度的第二通孔与第一通孔配合用来调节上下耕深差。

上述刚性铲头选用凿型铲，刚性铲柄选用立柱式深松铲柄。

上述双翼铲为三角形双翼铲。

上述弹性铲柄上端与块体固定连接，弹性铲柄下端与双翼铲远离铲尖的一端固定连接；所述块体固定在所述连接件一端，连接件另一端与所述刚性铲柄可拆卸连接。

上述可拆卸连接方式为螺栓连接，螺栓依次穿过所述刚性铲柄上开设的任意一个第二通孔和所述连接杆上开设的任意一个第一通孔并且与螺母螺纹连接。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型提供的深松机构包括弹齿式深松铲和刚性深松铲，能够对土壤进行分层深松，利用弹齿式深松铲疏松上层土壤，利用刚性深松铲疏松下层土壤；土壤经过分层深松后，破坏了犁底层结构，改变了土壤被压实的状态，提高了土壤的通透性能，使大量雨水渗透；土壤分层深松后，可保持土层不乱、耕后土壤散碎适度和在深松部位耕作层中不会出现土块腾空的状况；由于分层深松的特点，浅层土壤和深层土壤分别由不同的深松铲进行作业，这就使得深松后的土壤上下土层不发生翻转，形成上虚下实的土壤结构，表层土和底层土的位置不变，使底层土壤在原位热化；深松后形成的沟槽，可以很好的贮存水分，减少蒸发，有抗旱减灾和保持水土的作用。

2、本实用新型采用分层深松的方式，能减少对作物根系的损伤，窄型工作部件挤压土壤，使土壤破碎，在深松部件两侧的土壤破裂界面在水平投影面内呈扇形；分层深松，不但能够打破犁底层，还可以减小土壤的横向松动范围，减少对作物根系的损伤。

3、本实用新型采用分层深松的方式，有利于根系对水分的吸收，土壤经过分层深松后，深松部位通透性强，可以渗透大量的雨水，使伏雨变成春熵。还有利于土壤的水分平衡。

4、本实用新型采用分层深松的方式，能降低深松机牵引阻力，从对深松机的动力消耗方面来看，受犁底层坚实度大的影响，深松作业时的动力消耗大，为了分散土壤坚实度对深松牵引阻力的影响，本文设计分层式深松机构，通过前后铲的合理配置，减小工作阻力和功耗，降低深松比阻，以到达最好的深松效果。

5、本实用新型的弹齿式深松铲采用自激振动的方式，在耕作时，深松部件切削土壤存在负阻尼，因而产生了自激振动。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型弹性铲柄的结构示意图；

图3为本实用新型双翼铲的结构示意图；

图4为本实用新型刚性铲头的结构示意图；

图5为本实用新型刚性铲柄的结构示意图；

图6为本实用新型不同深松铲牵引阻力随机器前进速度的变化曲线；

图7为本实用新型不同深松铲牵引阻力随耕深的变化曲线；

图8为本实用新型不同深松铲振动加速度信号的时间历程；

图9为本实用新型弹齿式深松铲的振动加速度时域曲线；

图10为本实用新型弹齿式深松铲的振动速度时域曲线；

图11为本实用新型弹齿式深松铲的振动位移的时域曲线；

图12为本实用新型刚性深松铲的振动加速度时域曲线；

图13为本实用新型刚性深松铲的振动速度时域曲线；

图14为本实用新型刚性深松铲的振动位移的时域曲线；

图15为本实用新型弹齿式深松铲振动位移的频域曲线；

图16为本实用新型刚性深松铲振动位移的频域曲线；

图17为本实用新型弹齿式深松铲振动加速度自功率谱的幅频曲线；

图18为本实用新型刚性深松铲振动加速度自功率谱的幅频曲线；

图19为本实用新型弹齿式深松铲在耕作时的变形情况；

图20为本实用新型1.7s时刚性深松铲对土壤的深松过程；

图21为本实用新型3.5s时刚性深松铲对土壤的深松过程；

图22为本实用新型5.2s时刚性深松铲对土壤的深松过程；

图23为本实用新型6.8s时刚性深松铲对土壤的深松过程；

图24为本实用新型8.4s时刚性深松铲对土壤的深松过程；

图25为本实用新型9.4s时刚性深松铲对土壤的深松过程；

图26为本实用新型1.7s时弹齿式深松铲对土壤的深松过程；

图27为本实用新型3.5s时弹齿式深松铲对土壤的深松过程；

图28为本实用新型5.2s时弹齿式深松铲对土壤的深松过程；

图29为本实用新型6.8s时弹齿式深松铲对土壤的深松过程；

图30为本实用新型8.4s时弹齿式深松铲对土壤的深松过程；

图31为本实用新型9.4s时弹齿式深松铲对土壤的深松过程；

图32为本实用新型2.5s时刚性深松铲的等效应力变化图；

图33为本实用新型5.0s时刚性深松铲的等效应力变化图；

图34为本实用新型7.5s时刚性深松铲的等效应力变化图；

图35为本实用新型9.5s时刚性深松铲的等效应力变化图；

图36为本实用新型2.5s时弹齿式深松铲的等效应力变化图；

图37为本实用新型5.0s时弹齿式深松铲的等效应力变化图；

图38为本实用新型7.5s时弹齿式深松铲的等效应力变化图；

图39为本实用新型9.5s时弹齿式深松铲的等效应力变化图；

图40为本实用新型刚性深松铲牵引阻力的时间历程；

图41为本实用新型弹齿式深松铲牵引阻力的时间历程；

图42为本实用新型整体的牵引阻力时间历程曲线；

图43为本发明松土沟横剖面形状示意图。

附图标记说明：

9、双翼铲；10、弹性铲柄；11、刚性铲头；12、刚性铲柄；13、连接件；14、块体。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例1：

本实施例提供了一种分层深松机构，包括用于疏松上层土壤的弹齿式深松件，弹齿式深松件沿其深松前进方向的后方设有用于疏松下层土壤的刚性深松件；所述弹齿式深松件包括双翼铲9和弹性铲柄10，双翼铲9固定在弹性铲柄10的下端，弹性铲柄10为s型弹齿式深松铲柄；所述刚性深松件包括刚性铲头11和刚性铲柄12，刚性铲头11固定在刚性铲柄12下端；所述双翼铲9的铲尖位于刚性铲头11铲尖的上方；所述弹性铲柄10通过连接件13与刚性铲柄12连接成一体。

进一步地，所述弹性铲柄10s型第一弯曲的厚度大于其它位置的厚度。

进一步地，所述连接件13为水平的连接杆；所述弹性铲柄10固定在连接杆一端，连接杆另一端与刚性铲柄12可拆卸连接；所述连接杆沿其横向开设有多个第一通孔，用于调节刚性铲柄12与弹性铲柄10的前后距离，所述刚性铲柄12沿其纵向开设有多个用于第一通孔配合的第二通孔，不同高度的第二通孔与第一通孔配合用来调节上下耕深差。

进一步地，所述刚性铲头11选用标准的凿型铲，刚性铲柄12选用标准的立柱式深松铲柄。

进一步地，所述双翼铲9为三角形双翼铲。

进一步地，所述弹性铲柄10上端与块体14固定连接，弹性铲柄10下端与双翼铲9远离铲尖的一端固定连接；所述块体14固定在所述连接件13一端，连接件13另一端与所述刚性铲柄12可拆卸连接。

进一步地，所述可拆卸连接方式为螺栓连接，螺栓依次穿过所述刚性铲柄12上开设的任意一个第二通孔和所述连接杆上开设的任意一个第一通孔并且与螺母螺纹连接。

本实用新型提供的分层深松机构包括弹齿式深松铲和刚性深松铲，能够对土壤进行分层深松，利用弹齿式深松铲疏松上层土壤，利用刚性深松铲疏松下层土壤；土壤经过分层深松后，破坏了犁底层结构，改变了土壤被压实的状态，提高了土壤的通透性能，使大量雨水渗透；土壤分层深松后，可保持土层不乱、耕后土壤散碎适度和在深松部位耕作层中不会出现土块腾空的状况；由于分层深松的特点，浅层土壤和深层土壤分别由不同的深松铲进行作业，这就使得深松后的土壤上下土层不发生翻转，形成上虚下实的土壤结构，表层土和底层土的位置不变，使底层土壤在原位热化；深松后形成的沟槽，可以很好的贮存水分，减少蒸发，有抗旱减灾和保持水土的作用；

本申请提供的分层深松机构，采用弹齿式深松铲和刚性深松铲相结合的方式，弹性铲柄s形特点以及受土壤阻力等因素的影响，使得弹性铲柄在齿尖处摆动最大、振动最强；

本申请能简单方便的调节弹齿式深松铲和刚性深松铲的前后距离，还能调节调节上下耕深差；耕深的不同直接影响牵引阻力，不同的耕深、不同的前进速度均会对牵引阻力产生影响。

本申请工作原理：

第一：将深松机构固定在机架上并与行走机构连接，同时保证弹齿式深松铲位于刚性深松铲前方。

第二：调节深松机构刚性深松铲与弹齿式深松铲之间的前后距离，同时调节刚性深松铲的耕种深度。

第三：启动行走机构，行走机构带动深松机构的弹齿式深松铲和刚性深松铲对土地进行分层深松。

第四：随着深松机构的前移，弹齿式深松铲的铲尖进入到土壤中，疏松上层土壤。

对于弹齿式深松铲的分层深松过程，受双翼铲松土范围的影响，在铲头的上部和下部的土壤都受到一定范围的影响。由于双翼铲铲型向下弯折，受到土壤粘附力的作用，随着深松铲的前移，双翼铲下部的土壤先是粘附在双翼铲的背部，而被抬起，当抬到一定高度时，铲背部的土壤失去铲的作用，受重力的影响，又向下移动。由于土壤的粘附力较大，和受到铲型的影响，接近深松铲底部的一部分土壤受到深松铲向上的作用力较强，土壤底部出现大的裂缝。由于弹齿式深松铲的入土角较大，土壤纵向影响范围大，深松范围更大；

第五：弹齿式深松铲对上层土壤进行深松后，刚性深松铲进入土壤中，疏松下层土壤，在刚性深松铲前进的过程中刚性铲头的下表面一定距离的土壤出现断层，随着刚性深松铲的前进，直至断裂。

一、对该分层深松机构的试验研究：

以弹齿式深松铲和刚性深松铲为研究对象，采集相同工况下两种深松铲的牵引阻力信号和振动信号，并对其进行处理与分析，进而对比振动与非振动式深松部件的工作性能及其深松效果，为分层式深松机构的设计优化提供理论依据。

试验内容如下：

(1)弹齿式深松铲和刚性深松铲深松时工作阻力的测定。通过对弹齿式深松铲和刚性深松铲深松时的牵引阻力和垂直力的测定，分析不同深松铲受力情况，可以对深松机各组成部分进行合理配置。

(2)对弹齿式深松铲和刚性深松铲的振动参数的测定。通过对不同深松铲振动情况分析，讨论振动对深松效果、牵引阻力的影响，为振动式深松机的设计提供理论依据。

(3)对弹齿式深松铲和刚性深松铲的深松效果检测。对不同深松铲深松后耕深、断面积等测试，比较不同深松铲的深松效果。

试验材料与方法如下：

(1)试验用土槽试验台车介绍

土槽试验在辽宁省农机化研究所农机土槽试验室进行，土槽长30m，宽2.95m，土槽内为砂壤土，深度为0.4m。试验用动力为电力四驱土槽试验台车，试验车在轨道两旁的轨道上行驶。试验车主要由机架、驱动轮、主转动系统、控制柜、液压泵站及制动等部分组成。试验车采用变频电动机驱动方式，实现0.3～10km/h速度范围内无级调速。试验车最大牵引力为1.5t，最高速度10km/h，可满足国内大多数农机具部件的速度要求。由于试验车的测试对象多为农机部件或小型机具，因此悬挂装置设计为半分置式，配备标准的拖拉机悬挂装置，其性能完全满足部件的试验要求。动力输出轴采用变频电机、液压泵站驱动马达进行调速，为旋转工作部件试验提供动力。土槽试验车配有试验监控软件，可对土槽车的行驶速度、动力输出轴扭矩、转速、功率进行实时监控，对接入的传感器数据进行采集、显示以及存储。

(2)试验用测试系统介绍

主要试验仪器为：秦皇岛市协力科技开发有限公司生产的xl1101应变式加速度传感器、上海华东电子仪器厂生产的blr-1拉压力传感器、北京朗斯测试技术有限公司生产的vib2008振动测试仪、杭州托普仪器有限公司生产的tzs-ⅱ土壤水分测试仪、北京沃德精准科贸有限公司生产的sc-900土壤坚实度仪、笔记本电脑等。根据深松部件测试要求设计测试系统。

振动加速度信号的采集通过应变式加速度传感器将模拟信号转换为数字信号，由振动测试仪采集数字信号并输入计算机，应用c_das综合测试系统输出。阻力信号通过测力框架上不同位置的拉压力传感器分别检测深松铲的牵引阻力及垂直阻力，由土槽试验车监控系统进行信号的采集、显示以及存储。

试验过程如下：

(1)准备试验：

为了模拟实际的农田土壤状况，土壤的物理参数尽量与田间相近，需要对土槽内的土壤进行整理，使土壤参数符合试验要求。土槽内选用土壤类型为砂壤土，土质均匀。壤土含适量的粘粒、砂粒和粉粒，在性质上兼有粘土和沙土优点，是较理想的农业和耕作的土壤，砂壤土是壤土的一种，土层深厚，土壤质地较轻，地下水位适宜，土壤养分含量较高，土壤无盐碱或轻度盐碱，适于农作物生长。将平地装置悬挂在土槽试验车的后悬挂架上，通过土槽试验车的牵引，将土槽内土壤刮平。测试土槽内平均土壤水份为14.8％，30cm处土壤坚实度平均值为968kpa。

(2)对弹齿式深松铲和刚性深松铲深松时工作阻力的测定。

通过对牵引阻力及垂直阻力的测试，可以衡量不同深松铲在深松过程中的能量消耗，以及深松铲的受力分布情况。

将测力框架悬挂在土槽试验台车的后悬挂架上，测力框架上装有6个拉压力传感器，其中2个拉压力传感器用来测试牵引装置的水平力，3个拉压力传感器测试垂直力，1个拉压力传感器测试侧向力。

阻力试验时，分别将弹齿式深松铲和刚性深松铲安装在测力框架的后悬挂杆上。弹齿式深松铲和刚性深松铲所受的作用力通过测力框架上的拉压力传感器采集，并存储于土槽车的监控软件内。弹齿式深松铲柄配备的是双翼铲，刚性深松铲配备的是凿型铲。弹齿式深松铲和刚性深松铲分别与测力框架连接。试验时，通过改变土槽车的前进速度，以及改变深松铲的入土深度，分析不同深松铲柄的深松性能，进而判断不同深松铲柄的适用条件。

(3)对弹齿式深松铲和刚性深松铲的振动参数的测定。

耕作过程中，由于弹性铲柄的s型特点以及土壤阻力等因素的影响，使得弹性铲柄在齿尖处摆动最大、振动最强。分别在弹齿式深松铲和刚性深松铲的铲尖处放置应变式加速度传感器。通过对两种深松铲振动参数的测定，分析两种深松铲的振动特性。

工作阻力试验结果与分析如下：

(1)单因素试验分析：

1、不同深松铲柄的前进速度对牵引阻力的影响。

拖拉机一档至五档的前进速度分别为0.7m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s和3m/s。根据实际耕作情况需要，耕作速度不宜过快。分别选取前进速度为1m/s、1.5m/s、2m/s、2.5m/s和3m/s，耕作深度为25cm时，对弹齿式深松铲和刚性深松铲的牵引阻力进行测试，测试时间为10s。对试验得到的牵引阻力进行分析，求取平均值，结果见表3-1

表3-1耕作速度对牵引阻力的影响

根据表3-1，绘制深松铲牵引阻力随机器前进速度的变化曲线，如图6。由图可知，牵引阻力随前进速度的增大而增大，刚性深松铲的牵引阻力基本成线性增加，而弹齿式深松铲牵引阻力的变化较缓慢。前进速度相同时，刚性深松铲的牵引阻力大于弹齿式深松铲。

2、不同深松铲柄的耕深对牵引阻力的影响。

分别选取耕作深度为15cm、20cm、25cm和30cm，前进速度为1m/s时，对弹齿式深松铲和刚性深松铲的牵引阻力进行测试，测试时间为10s。对试验得到的牵引阻力进行分析，求取平均值，结果见表3-2。

表3-2耕深对牵引阻力的影响

根据表3-2，绘制深松铲牵引阻力随耕深的变化曲线，如图7。由图可知，牵引阻力随耕深的增大而增大。15～20cm处，牵引阻力变化较缓慢，这是因为该层土壤较松散，牵引阻力随耕深变化不大。在20～30cm处，刚性深松铲牵引阻力迅速增加，这是由于该层土壤紧实度过大所致，而弹齿式深松铲牵引阻力变化较缓慢，这是由于该层土壤过于紧实，土壤坚实度大，弹齿的变形达到极限，不能够深入到该层土壤中，而是在耕深为20cm上下处工作，故弹齿式深松铲不适用于深度过深的太紧实的土壤。

3、不同深松铲柄受力分析

在前进速度和耕深相同的情况下，分析弹齿式深松铲和刚性深松铲的牵引阻力和垂直阻力的受力情况进行分析，研究两者的适用情况及其深松效果。

对比弹齿式深松铲和刚性深松铲对深松性能影响的统计结果可知(表3-3)，当前进速度为1m/s、工作深度为25cm时，弹齿式深松铲的牵引阻力相比刚性深松铲减小了9.95％，标准差从38.52减至30.22，变异系数从0.077降至0.067。说明弹齿式深松铲较刚性深松铲有明显的减阻效果，且工作平稳性也有所提高。弹齿式深松铲的垂直力比刚性深松铲减少了94.42％，标准差从43.43减至31.18，说明弹齿式深松铲较刚性深松铲在垂直方向上的阻力也明显降低，但是变异系数从0.051提高到了0.659，这是由于弹齿式深松铲在土壤中工作时受到土壤阻力的影响，导致弹齿式深松铲变形释放弹性能，使得在垂直方向上，弹齿式深松铲的扰动范围比较大。弹齿式深松铲对土壤总的作用力与水平面的夹角要大于刚性深松铲，这也说明弹齿式深松铲在垂直方向上的作用力更明显。从土壤失效效果上来看，弹齿式深松铲扰动的土壤范围较刚性深松铲要大，且深松比阻减小了14.52％，较刚性深松铲有更好的深松效果。

表3-3弹齿式深松铲和刚性深松铲对深松性能的影响

土壤扰动的特征可分为两个主要区域，即深层和近表面区域。在深层区，土壤破碎形成小碎片。在近表层区域，土壤破碎形成大土块。土壤犁底层位于地表下20cm左右，其坚硬度约为耕层的3倍。深松的目的就是要打破犁底层，疏松土壤。而由以上分析可知，弹齿式深松铲在垂直方向上的振动不稳定，释放的弹性能不足以达到疏松犁底层土壤所需的能量，故弹齿式深松铲更适用于疏松表层土壤。因此，对于近表面区域，即地表下0～20cm土壤，可利用弹齿式深松铲先将土壤破碎，地表下20cm以上的犁底层土壤，可用刚性深松铲进行深松。

(2)正交试验分析：

正交试验设计是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法。正交试验能在所有试验方案中均匀地挑选出代表性强的少数试验方案，通过对这些少数试验方案的试验结果进行分析，可以推出较优的方案。通过对试验结果的进一步分析，可以得到各试验因素对试验结果影响的重要程度、各因素对试验结果的影响趋势等。

为了进一步分析铲型、耕深、前进速度对牵引阻力、功耗以及深松效果的影响，进行三因素二水平正交试验，应用excel进行试验结果的分析。

1、试验因素与试验指标

试验因素为铲柄类型、机器前进速度、耕深，每个因素取两水平。测试指标为牵引阻力与深松后土壤失效面积，根据牵引阻力与土壤失效面积计算功耗和深松比阻，将牵引阻力、功耗、深松比阻作为试验指标。试验因素水平表见表3-4。

表3-4因素水平表

2、试验方案及试验结果

选择l8(27)正交表进行试验，试验方案与结果如表3-5所示。

表3-5试验方案与结果

3、试验结果的极差分析

分别对试验指标牵引阻力、功耗、深松比阻进行极差分析，分析结果如表3-6、3-7、3-8所示。

将牵引阻力作为试验指标时，所考察的三因素对牵引阻力影响的由主到次顺序依次为：耕深c、铲柄类型a、前进速度b、铲柄类型和耕深的交互作用a×c、铲柄类型和前进速度交互作用a×b、前进速度和耕深的交互作用b×c。最优组合为a1b1c1，即当选用弹齿式深松铲柄、前进速度为1m/s、耕深为20cm时，牵引阻力最小。

将功率作为试验指标时，所考察的三因素对牵引阻力影响的由主到次顺序依次为：前进速度b、耕深c、铲柄类型a、铲柄类型和耕深的交互作用a×c、前进速度和耕深的交互作用b×c、铲柄类型和前进速度交互作用a×b。最优组合为a1b1c1，即当选用弹齿式深松铲柄、前进速度为1m/s、耕深为20cm时，功耗最小。

将深松比阻作为试验指标时，所考察的三因素对牵引阻力影响的由主到次顺序依次为：铲柄类型a、耕深c、速度b、铲柄类型和耕深的交互作用a×c、前进速度和耕深的交互作用b×c、铲柄类型和前进速度交互作用a×b。最优组合为a1b1c1，即当选用弹齿式深松铲柄、前进速度为1m/s、耕深为20cm时，深松比阻最小。

综上分析可知，当选用弹齿式深松铲、前进速度为1m/s、耕深为20cm时，牵引阻力、功耗、深松比阻均出现最小值。弹齿式深松铲较刚性深松铲有很好的深松减阻效果，但是耕深较浅。

表3-6牵引阻力极差分析表

表3-7功率极差分析表

表3-8深松比阻极差分析表

4、试验结果的方差分析

通过对试验结果的进行方差分析，估计误差的大小，精确地估计各因素的试验结果影响的重要程度。本文利用excel进行方差分析，分别对试验指标牵引阻力、功耗、深松比阻进行极差分析，分析结果如表3-9、3-10、3-11所示。

将牵引阻力作为试验指标时，a×b和b×c的均方小于误差的均方309.94，则应将它们归入误差，构成新的误差。对于给定显著性水平α＝0.05，将f值与临界值作比较，可知铲柄类型a、前进速度b、耕深c对牵引阻力有非常显著影响，显著性水平为0.01；铲柄类型和耕深的交互作用a×c对牵引阻力有显著影响，显著性水平为0.05。铲柄类型和前进速度交互作用a×b和前进速度和耕深的交互作用b×c对牵引阻力没有影响。

将功率作为试验指标时，各因素的均方值均大于误差的均方值285.9，因此各因素对功率均有影响。对于给定显著性水平α＝0.05，前进速度b对功率有显著影响，显著性水平为0.05。

将比阻作为试验指标时，a×b均方等于误差的均方0.001，则应将它们归入误差，构成新的误差。对于给定显著性水平α＝0.05，铲柄类型a对比阻有非常显著影响，显著性水平为0.01；前进速度b、耕深c对比阻有显著影响，显著性水平为0.05。

表3-9牵引阻力方差分析表

表3-10功率方差分析表

表3-11比阻方差分析表

振动特性分析：

(1)时域分析

应用vib’sys振动信号分析软件进行振动信号的处理及分析。在耕深为25cm，耕作速度1m/s的工况下，进行弹齿式深松铲和刚性深松铲铲尖处振动加速度测试，由于土槽车开启和停止时会产生一个冲击的作用，对测试结果产生影响，故截取耕作过程中较平稳的10s进行分析。图8显示了两种深松铲振动加速度信号的时间历程，其中虚线为弹齿式深松铲铲尖处振动加速度信号时间历程，实线为刚性深松铲铲尖处振动加速度信号时间历程。由图可以看出，两铲的振动属于随机振动，弹齿式深松铲铲尖处的波动明显大于刚性深松铲。经统计计算可知，弹齿式深松铲铲尖处振动加速度平均值为0.11m/s2，而刚性深松铲铲尖处振动加速度平均值仅为0.07m/s2

对加速度信号a(t)积分一次可得速度v(t)，对速度信号积分一次可得位移s(t)。由于零点漂移和积分初始值不为零的影响，会产生积分误差，可通过高通滤波即去除直流分量。故在每次积分前进行高通滤波，滤波频率从0.5hz到500hz。振动加速度波形经过两次积分，三次高通滤波得到了振动位移波形。图9显示了弹齿式深松铲的振动加速度时域曲线、图10显示了弹齿式深松铲的振动速度时域曲线、图11显示了弹齿式深松铲的振动位移的时域曲线、图12显示了刚性深松铲的振动加速度时域曲线、图13显示了刚性深松铲的振动速度时域曲线、图14显示了刚性深松铲的振动位移的时域曲线。在所考察的10s范围内，弹齿式深松铲振动速度最大值为0.763m/s，刚性深松铲振动速度最大值为0.176m/s，仅为弹齿式深松铲的23.07％。弹齿式深松铲振动位移最大值为0.274m，刚性深松铲振动速度最大值为0.064m，仅为弹齿式深松铲的23.36％。刚性深松铲的振动速度和振动位移均远小于弹齿式深松铲，说明在工作时，弹齿式深松铲由于弹力的作用产生振动，而刚性深松铲的振动很小。

(2)频域分析

应用快速傅里叶变化的方法将振动信号的时域描述变换成频域描述。由图15弹齿式深松铲振动位移的频域曲线和图16刚性深松铲振动位移的频域曲线可以看出，在频率为0.49hz处，两铲均出现最大的幅值。可知弹齿式深松铲的最大振幅为0.107m，刚性深松铲的最大振幅为0.026m。

功率谱密度函数是随机振动频域特性的主要统计参数，可用来表示随机振动的统计平均谱特性。自功率谱密度函数展现振动信号格频率处功率的分布情况，使我们知道哪些频率的功率是主要的，自功率谱密度函数的数据文件量纲是原数据文件的平方。图17显示了弹齿式深松铲振动加速度自功率谱的幅频曲线，图18显示了刚性深松铲振动加速度自功率谱的幅频曲线。弹齿式深松铲在5.86hz处出现最大值，功率谱密度为0.038(m/s²)²，刚性深松铲在4.39hz处出现最大值，功率谱密度为0.005(m/s²)²。随机信号多集中在最大振幅所对应频率上，可认为弹齿式深松铲的振动主频率为5.86hz，刚性深松铲的振动主频率为4.39hz，小于弹齿式深松铲。而刚性深松铲铲柄的特点可知，刚性深松铲自身不产生振动，它的振动是由土壤阻力的作用和土槽台车的牵引作用引起的，可知外部环境对于深松铲的作用而产生的振动频率接近于4.39hz。

(3)弹齿式深松铲振动过程分析

图19显示了弹齿在耕作时的变形情况，结合图19分析可知，随着机具向前的运动，t0-t1时间段，弹齿式深松铲齿尖由o′点经过平衡点o点向a点运动，弹齿的弹性势能由零逐渐增大，弹力小于土壤阻力，当齿尖运动到变形最大处a点时，即时间t1时，弹齿的弹性势能最大；t1-t2时间段，弹齿回弹，释放能量，土壤阻力达到屈服极限，土壤被疏松，土壤阻力迅速下降，当弹齿恢复到平衡位置(0点)时，即时间t2时，弹齿的弹性势能为零，深松铲对土壤的作用力为0；t2-t3时间段，深松铲继续向前运动，压缩疏松的土壤，土壤阻力逐渐增大，弹簧向另一方向变形，存储能量，当到达最大变形处b点，弹力最大，又迅速释放能量，回到平衡点0点(t3-t4时间段)，以此重复下去。弹齿式深松铲耕作过程可总结为：土壤阻力增大，导致弹齿变形积攒能量，当弹齿的弹性势能最大时，达到土壤屈服极限，迅速释放能量，疏松土壤。因此，土壤阻力的不断改变是弹齿式深松铲振动的主要原因。而地表不平和土质不均匀等低频成分导致土壤阻力不断变化，进而引起弹齿式深松铲的振动。

试验小结：

(1)由牵引阻力单因素试验可知，牵引阻力随前进速度和耕深的增大而增大。当前进速度、工作深度相同时，弹齿式深松铲的牵引阻力比刚性深松铲减小9.95％，深松比阻减小了14.52％，有较好的深松减阻效果。

(2)由正交试验分析可知，当选用弹齿式深松铲、前进速度为1m/s、耕深为20cm时，牵引阻力、功耗、深松比阻均出现最小值。弹齿式深松铲较刚性深松铲有很好的深松减阻效果，但是耕深较浅，仅适用于近表面区域，而刚齿式深松铲适用于地表下深度在20cm以上犁底层坚硬的土壤。

(3)弹齿式深松铲的振动主频率为5.86hz，刚性深松铲的振动主频率为4.39hz。地表不平和土质不均匀等低频成分导致土壤阻力不断变化，进而引起弹齿式深松铲的振动。刚性深松铲自身不产生振动，它的振动是由土壤阻力的作用和土槽台车的牵引作用引起的。

二、深松部件与土壤相互作用的有限元分析：

为了更直观的分析振动与非振动深松部件对土壤的作用情况，本章采用有限元分析方法对深松铲与土壤的作用过程进行模拟。在应用有限元计算和仿真计算对耕作过程进行模拟时，大多数研究人员将土壤定义为连续的粘弹性体，而实际土壤为离散的颗粒状物体，以往的研究方法，很难获得耕作部件与土壤作用过程及土壤的变形、破裂、疏松过程。sph法是一种典型的无网格拉格朗日数值方法，本研究将土壤材料设置为sph粒子，使模拟接近于实际情况，模拟更真实可靠，且分析更加直观。

(1)不同深松铲对土壤的作用过程

图20-25分别显示了1.7s、3.5s、5.2s、6.8s、8.4s、9.4s随着时间的推移，刚性深松铲对土壤的深松过程。

对于刚性深松铲，随着深松铲的移动，铲头切开土壤，凿形铲上方的土壤被楔面挤压向上抬起，土壤紧贴凿形铲上表面，抬起高度基本一致，这时土壤在深松铲楔面法线方向受剪切作用，由于深松铲柄的弯曲，使得被抬升起来的土壤受弯曲作用，使楔面上方的土壤逐渐产生剪切、弯折破裂。随着深松铲的向前移动，在深松铲后部的土壤逐渐出现裂缝，裂缝逐渐增大，在重力的作用下向下移动。使得由凿形铲分离的上、下层的土壤之间出现缝隙，形成一个鼠道。深松铲走过处的上层土壤，受到重力的作用向下移动，使上层被深松铲压紧的土壤被分离开来。在整个深松过程中，由于凿形铲的抬土和抬土后土壤的自身向下移动，使土壤疏松，达深松的目的。

图26-31分别显示了1.7s、3.5s、5.2s、6.8s、8.4s、9.4s随着时间的推移，弹齿式深松铲对土壤的深松过程。

对于弹齿式深松铲，受双翼铲松土范围的影响，在铲头的上部和下部的土壤都受到一定范围的影响。由于双翼铲铲型向下弯折，受到土壤粘附力的作用，随着深松铲的前移，双翼铲下部的土壤先是粘附在双翼铲的背部，而被抬起，当抬到一定高度时，铲背部的土壤失去铲的作用，受重力的影响，又向下移动。由于土壤的粘附力较大，和受到铲型的影响，接近深松铲底部的一部分土壤受到深松铲向上的作用力较强，土壤底部出现大的裂缝。由于弹齿式深松铲的入土角较大，土壤纵向影响范围大，深松范围更大。

深松铲对土壤的作用过程可概括为切削—抬土—碎土的过程，而土壤的碎土过程可概括为抬起—松散—下降的过程。

(2)深松铲的等效应力分析

图32-35显示了2.5s、5.0s、7.5s、9.5s随着时间的推移，刚性深松铲的等效应力变化图。

图36-39显示了2.5s、5.0s、7.5s、9.5s随着时间的推移，弹齿式深松铲的等效应力变化图。

对于刚性深松铲，刚性深松铲最大应力始终在铲柄与铲头连接处a。这是由于刚性铲柄硬度较大，且在铲柄前端有尖型凸起，对土壤有一定的切削作用，应力变化不是很大。而在铲柄与铲头的连接处a，深松铲对土壤有斜向上的作用力，受到水平牵引力和土壤重力的作用，产生的应力最大。

对于弹齿式深松铲，弹齿式深松铲的最大应力发生在s型铲柄的第一个弯曲处b，这是由于s型弹齿硬度较小，深松作业时，铲头上方受到土壤阻力的作用，使得铲头与水平面的夹角增大，弹齿第二个弯曲处c以下的部分产生变形，有被拉直的趋势。由于双翼铲的形状特征，与土壤的接触面积大，更增加了s型铲柄的作用力，s型铲柄的主要作用点在第一个弯曲处b，故在s型弹齿设计时，可适当增加该处的厚度，以增大硬度，较小深松过程中，该处受到的损伤，厚度不易过大，过大的刚度就失去了s型弹齿具有弹力，可以产生振动的意义。

(3)牵引阻力时间历程

图40显示了刚性深松铲牵引阻力的时间历程，图41显示了弹齿式深松铲牵引阻力的时间历程。对比刚性深松铲和弹齿式深松铲的牵引阻力曲线可知，刚性深松铲牵引阻力迅速增加，且有一定的波动，当整个铲柄进入土壤后，牵引阻力在一定范围内波动，不发生大的改变。而弹齿式深松铲牵引阻力随着铲头的进入，牵引阻力平稳增大，且没有波动，当整个弹齿式深松铲进入土壤后，牵引阻力又迅速下降，这是因为此时土壤阻力的作用，使s型铲柄发生形变，随着土壤阻力的变化，产生振动，而振动又有减阻的功效，故牵引阻力下降。故弹齿式深松铲有减阻的效果。

(4)深松部件与土壤相互作用的有限元分析小结

1、应用ls-dyna显示动力学分析程序，对深松作业时，深松铲对土壤的切削过程进行模拟，分析深松铲对土壤的作用过程，深松铲对土壤的作用过程可概括为切削—抬土—碎土的过程，而土壤的碎土过程可概括为抬起—松散—下降的过程。

2、分析深松铲的等效应力分布，刚性深松铲最大应力始终在铲柄与铲头连接处，弹齿式的最大应力发生在s型铲柄的第一个弯曲处。分析深松过程中土壤的最大剪应力、土壤速度和抛土轨迹，弹齿式深松铲的土壤扰动范围更大，疏松效果更明显。

3、分析深松过程中牵引阻力时间历程，当深松铲进入土壤时，刚性深松铲牵引阻力在一定范围内波动，而弹齿式深松铲的牵引阻力迅速下降，减阻效果明显。

分层深松机构整体耕作过程模拟仿真

根据参数优化结果，得到了分层深松机构前后铲相对位置的最佳配置参数，应用ls-dyna显示动力学分析程序，对分层深松机构深松过程进行模拟。机器前进速度为1m/s，作用时间为7s，最大耕深为30cm。

(1)深松机构对土壤的作用过程

当弹齿式深松铲进入到土壤中时，随着深松机构的前移，土壤呈圆形向外扩散，且松散的土壤分布均匀较均匀，在前铲铲头周围，土壤出现空隙。当后铲刚性深松铲进入土壤时，在刚性深松铲的下侧土壤，出现了横向的裂痕。说明后铲的作用主要就是疏松后铲铲头以下部分的土层，使土壤出现断层。因此，前铲的设置有两个目的，一个是疏松近表面的土壤，另一个目的就是降低上层土壤的阻力，从而使得后铲在疏松深部土壤时的阻力减小。

深松后，上层土粒的运动轨迹较远，土壤扰动量大，土粒有斜向上的运动趋势，即土粒受到铲头的作用，向铲头中垂线的法线方向运动。而下层土壤的土粒运动明显不大，而且由于土壤出现水平间隔的断层，土粒只在各自的断层中运动，而没有向相邻断层的运动趋势。上下两层的土壤虽然运动规律各不相同，但是它们都在各自的土层中运动，上下土层不翻转，表层土和底层土的位置不变，使底层土壤在原位热化。

(2)牵引阻力时间历程

图42所示为该分层深松机构牵引阻力时间历程曲线，对比图深松机构对土壤的作用过程进行分析。0.5s～2s时间段为前铲铲头进入时间段，故牵引阻力稳步增加，并逐步平稳，3s～4s时间段，前铲的铲柄进入土壤，牵引阻力增大，当整个前铲进入土壤后，牵引阻力土壤下降，这是由于前铲s型铲柄的弹性振动，使牵引阻力减小，4.5s时，后铲进入土壤，牵引阻力有小范围增加，之后有一定波动，但牵引阻力增加不明显。由以上分析可知，前铲弹齿式深松铲的配置确实起到了减小牵引阻力的目的，后铲刚性深松铲的配置的目的是疏松深处更为坚硬的土壤。因此，分层深松机构的设计不但满足了耕深的需要，而且在降低了牵引阻力，减少能耗，节约能源。

分层深松机构试验结果分析

(1)分层深松机构工作稳定性及深松后地表情况分析

试验过程中，深松机具没有发生堵塞情况，通过性良好。深松机工作时，往返各两个行程，每行程测定一次深松机的入土行程，即测定深松部件从入土到稳定松土深度时的水平前进距离。测量结果如表6-4所示，计算得深松机入土行程平均值为2.2m≤2.5m，故入土行程符合深松机质量标准。在深松部件进入土壤时，整个机具有轻微的振动，当深松机具完全进入土壤时，深松机工作平稳，垂直于前进方向，深松机工作较平稳，没有发生大的振动现象。

表6-4深松入土行程测量统计表

(2)松土沟型分析

绘制松土沟的土壤剖面图，平均尺寸见图43松土沟横剖面形状及尺寸。深松后土壤剖面平均面积为620.6cm2。由图可以看出，深松后的土壤剖面基本成等腰梯形，但是仍然可以明显的看出倒梯形分为两个区域，这是由于本深松机配置前后两个深松铲柄，下部窄型沟槽由刚性深松铲配备的凿型铲挖出，耕作深度为30cm，下沟槽宽度为10cm，上部较大的倒梯形由深松机器前部的弹齿式深松铲配备的双翼铲挖出，耕作深度为20cm，上沟槽宽度为30cm。该深松机前后铲的此种配置，使深松后的土壤形成分层构造，扩大深松铲的松土范围，提高了土壤的蓄水保墒能力。

综上所述，本申请提供的分层深松机构包括弹齿式深松铲和刚性深松铲，能够对土壤进行分层深松，利用弹齿式深松铲疏松上层土壤，利用刚性深松铲疏松下层土壤；土壤经过分层深松后，破坏了犁底层结构，改变了土壤被压实的状态，提高了土壤的通透性能，使大量雨水渗透；土壤分层深松后，可保持土层不乱、耕后土壤散碎适度和在深松部位耕作层中不会出现土块腾空的状况；由于分层深松的特点，浅层土壤和深层土壤分别由不同的深松铲进行作业，这就使得深松后的土壤上下土层不发生翻转，形成上虚下实的土壤结构，表层土和底层土的位置不变，使底层土壤在原位热化；深松后形成的沟槽，可以很好的贮存水分，减少蒸发，有抗旱减灾和保持水土的作用。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。