当前，土壤耕层质量下降已成为制约我国粮食作物持续增产的主要因素之一，大范围实施粮食主产区土壤深松作业是实现粮食增产的迫切要求。开展农机深松整地作业，是促进土壤蓄水保墒，提高农业防灾抗灾能力的有效途径，也是提高农作物产量，保障粮食安全和农产品有效供给的重要手段[1-5]。
机械深松作为土壤耕作的一项重要技术[6]，在国内外愈来愈受到重视[7]。但深松作业是耗能“大户”，牵引阻力大，功耗高。深松能耗是种植或收获作业能耗的3-5倍，深松机械成为能源消耗最大的农机具之一。我国需要深松作业的耕地面积约7亿亩，若每亩油耗为1kg，总油耗可达7亿kg，共需61.36亿元，如油耗下降1%，即可节约0.6亿元。因此，降低深松机械的牵引阻力，是降低能耗、节约燃油、降低成本、提高经济效益的关键。
针对土壤耕作部件的结构特点和作业条件开发了多种脱附减阻的方法，如改善黏附界面的充气、充液和加热法[8]、电渗法、振动法、表面改形和改性法等[9, 10]。在所有的减阻措施中，采用振动作业减阻效果尤为显著，试验结果表明，振动可以减少牵引阻力约10-40%。
振动作业有以下几点优势：（1）减小牵引阻力，从而可以减少拖拉机对土壤的剪切与压实。（2）提高碎土效果，通过控制振动方式、方向和参数来控制碎土力度大小和分布，使耕层构造能更好地符合农业技术的要求。（3）振动可以更有效地利用机械能为碎土提供途径：即控制振动方向，使土壤剪切面上的法向压力在破裂使最小，从而降低碎土功耗[11-13]。
针对我国耕地质量下降已严重制约我国农业高产稳产的现状，本研究在借鉴虚实并存耕作技术的原理的基础上，结合振动深松减阻的作业优点，开发出能够适用的1ZST-460型自平衡式振动深松机具，实现土壤深松过程中的用养结合。
一、整机结构
1.1 深松农艺要求
深松是利用深松部件在不翻转土壤的条件下，疏松土壤、打破犁底层、加深耕作层，实现调节土壤的三相比、改善土壤结构、减少土壤侵蚀和提高蓄水保墒能力的目的。
为了达到更好的松土改良效果，引入虚实耕作理论，当耕作的疏松土壤（虚）与未扰动免耕的紧实土壤（实）的孔隙度差值达到一定量（10%以上）时，并以一定距离（间隔）和深度，同时并列存在于同一耕层之中，就会改变土壤水、热通常的上、下垂直运移规律，出现侧向的水平运移，从而改变耕层中水热、养分分布状态，创造出一种独特的土壤环境，促使作物根系和微生物发生一系列生理生态变化，使实部土壤提高有机质含量，即培肥土壤。这样，在整个耕作范畴内实现“用养结合”，这种现象称为“虚实并存效应”[14, 15]。
( a ) 作业过程 b） 作业后
图1 虚实并存土壤深松作业示意图
虚实并存土壤深松作业过程如图1所示，首先利用主动式激振装置带动松土部件进行振动松土作业，土壤通过铲的上方，在松土铲的挤压和振动作用下，土壤被剪切和弯曲拉伸破坏，被强制疏松，由于在疏松过程中土垡没有被翻转和扭曲，土层的相互位置没有变化，因此疏松后的土壤仍然铺放在原处，在松土铲的后方配置了镇压轮，消除过大的孔隙。松土部件采用间隔配置，符合虚实并存的耕作理论，有利于土壤生态恢复。
1.2 整机结构
如图2为设计的1ZST-460型自平衡式振动深松机整机结构图，机具由机架、悬挂架、变速箱、拉杆、松土部件、激振部件、限深装置等组成，机具横向配置4组工作部件，通过三点悬挂装置与拖拉机配套作业。
图2整机结构示意图
1.悬挂架 2.变速箱 3.激振部件 4.机架
5.限深装置 6.松土部件 7.拉杆
机具在结构原理上有以下创新特点：（1）采用主动式振动深松作业方式，降低了深松作业能耗；（2）优化设计的偏心连杆式激振装置在不同工作相位间的匹配，实现了振动作业的自平衡；（3）采用倒梯形框架式土壤深松部件，提高了土壤深松作业质量；（4）相邻的单组工作部件采用间隔配置，实现对草地土壤的间隔疏松，达到虚实耕作的目的。
二、关键工作部件设计
2.1 传动系统设计
图3为整机的动力传输示意图，动力由拖拉机的后动力输出轴传递出来，通过万向节与变速箱的动力输入轴连接，动力经变速箱锥齿轮变速变向，横向传递给两侧的第Ⅱ、Ⅲ组激振工作部件，此间的连接采用的是齿形联轴器（a）；由于第Ⅰ和Ⅳ组工作部件相距较远，中间传动部分采用一个轴加两个小万向节传动连接（b）。万向节在传递过程中允许两轴间有一定的偏差，这样对四组激振部件在安装过程中的定位精度要求不是很高，可以实现简单、可靠的传动。
图3优化后动力传输图
2.2 激振部件设计
机具采用二维振动松土原理对土壤进行疏松，激振部件为曲柄连杆机构，机具采用强迫振动的作业方式，这样能够提高土壤疏松效果，降低牵引阻力，减少工件的粘土挂草。激振系统由拖拉机动力输出轴驱动激振系统产生周期性运动，在激振系统的作用下，工作架绕前端传动主轴进行摆动，从而使松土铲产生振动作用，减少耕作阻力、提高对土壤的破碎效果。
图4 激振部件结构图
1.偏心轴套 2.轴承挡圈 3.螺栓 4.轴承
5.驱动轴 6.轴承 7.轴承座、8.连杆 9.关节轴承
为了消除整机振动作业的不平衡性，振动部件的惯性力通过配置成对对应的振动部件来相互平衡，四组部件的配置中保持中间两组部件与两侧的部件相位相差180°，实现了多组激振装置共同作用时振动的平衡，提高机具作业的可靠性和稳定性。
2.3 松土部件设计
机具的振动松土作业过程分为入土、切削土壤和振动疏松土壤三个阶段，松土部件是影响机具作业质量的一个关键部件[16]。在借鉴全方位深松部件和现有的一些挖掘部件的基础上[17]，将松土部件设计成图5所示的结构形式，该部件主要由松土铲架、底座和松土铲等组成，铲架为倒梯形框架型结构，铲架的两个侧板分别向内折弯一定角度使铲架前端较后端略窄，上端较下端略宽，形成一个倒梯形的结构，这种结构减少了土垡条在通过铲架时与侧板的接触面积，提高了土垡条在铲架上的流动性。田间试验发现，倒梯形框架式结构可以有效的解决作业时土垡拥堵的问题。在机具的结构允许和保证松土宽度的前提下，两边侧板向内的折弯角度还可以加大，这样更有利于土垡条在振动的情况下通过铲架。
图5 松土部件结构图
三、主要技术参数
图6 1ZST-460型振动深松机三维图
优化设计的整机如图6所示，机具主要技术参数：
外形尺寸（长×宽×高）：1898mm×2540mm×1440mm；
配套动力：90kW以上拖拉机；
挂接方式：三点悬挂式 机具质量：890kg；
工作行数：4行； 工作幅宽：2.4m；
松土深度：200-500mm。
四、田间性能试验
田间试验试验区选择在江苏省连云港市，于2014年8月使用原有样机和2015年9月使用优化后的样机作为试验机具，在试验地内进行田间试验。
表1 试验地土壤物理特性
土层深度(cm) | 含水率(%) | 容重(g/cm3) | 坚实度(Mpa) |
0 - 10 | 18.15 | 1.24 | 1.41 |
10 - 20 | 14.81 | 1.38 | 3.78 |
20 - 30 | 14.93 | 1.43 | 4.43 |
平均 | 15.96 | 1.35 | 3.68 |
表1显示，该区深层土壤容积密度均超过1.4g/cm3，坚实度甚至高达4.4Mpa，形成了坚硬的犁底层。
2014年8月在试验地对自平衡式振动深松机进行田间试验，试验地天气多云，雨后第七天，地表玉米根茬、秸秆覆盖。试验用配套拖拉机为东风DF1204，功率为120kW。
图7 田间作业效果 图8 条形土垡
如图7、8所示，随着机具的前进，被振动切削过的土垡条通过铲架，留在原地，形成虚实并存的松土效果。当松土部件不振动时，由于动力不足，拖拉机翘头，滑移严重，前进缓慢。随着振动频率的增加，拖拉机的滑移现象逐渐减弱，并可以平稳前进。这表明振动深松作业使牵引阻力减小，对拖拉机的动力要求降低。
试验中，拖拉机前进速度为3.4km/h，动力输出轴转速为540r/min，松土部件振幅为15mm，振频为5HZ。试验结束后经测量得到土垡宽度约为340mm，松土深度约为360mm，松土幅宽约为2400mm。
图9 振动松土断面高度图 10 振动松土断面切痕
在深松过的区域，移开条形土垡，能够清晰的看到振动松土断面，如图9、10所示。通过测量得知，松土深度超过30cm，犁底层被打破，达到深松的要求。断面上鱼鳞状的切痕（间隔约18mm），即是松土部件在振动前进过程中，将紧实的土壤分段逐步切离的结果。
五、 结论与建议
1. 针对我国耕地质量下降已严重制约我国农业高产稳产的现状，提出了虚实并存土壤深松技术，解决了对深层高坚实度土壤的虚实耕作技术难题，实现了提升耕地质量、改善农田生态环境、提高土地产出率的目的。
2. 项目研制的1ZST-460振动深松机在结构原理上具有以下创新特征：（1）机具采用虚实并存土壤深松技术，实现土壤深松过程中的用养结合，提高了深松作业质量；（2）采用主动式振动深松作业方式，降低了深松作业能耗；（3）优化设计的偏心连杆式激振装置在不同工作相位间的匹配，实现了振动作业的自平衡；（4）采用倒梯形框架式土壤深松部件，提高了土壤深松作业质量。
3.田间试验表明，机具正常的作业速度为3.4km/h，振幅为15mm，振频为5Hz，耕作深度360mm，松土幅宽2400mm，松土改良作业效果良好。
[参 考 文 献]
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