基于共振效应的土壤耕作动力学理论与触土曲面节能设计方法

Owing to the huge energy consumption and environmental pollution problem in the soil cultivation process, people have to keep exploring advanced soil tillage dynamics and efficient energy-saving design method of soil-engaging surface. Considering the bulk characteristic of soil materials, the resonance effect and self-excited vibration principle are introduced for exploring the basic theory of soil tillage dynamics and corresponding resistance-reducing and energy-saving design method of soil-engaging surface. 1) Study natural vibration characteristics parameters and dynamical model of typical soils; 2) Study the transform method and mathematical model of soil-engaging surface in the space, time and frequency coordinates based on the auto power spectrum; 3) Construct the mathematical and mechanical model related to the soil condition, working speed and geometrical parameters of soil-engaging surface by making use of the resonance effect and self-excited vibration principle; 4). Study the method and mathematical model of controlling the strength of self-excited vibration energy source; 5). Study dynamic working resistance mathematical model based on the resonance effect, as well as the adaptation of factors to the soil conditions and working methods. Finally, the soil tillage dynamics system and efficient energy-saving design flows of soil-engaging surface are established on the basis of resonance effect. It is of great significance in improving the agricultural and mechanical innovation ability, developing products with proprietary intellectual property right, enhancing the energy-saving and emission-reduction effect, and promoting the sustainable development level of the economy and society.

土壤耕作过程中的巨量能源消耗与环境污染问题迫使人们不断探索先进耕作动力学理论和触土曲面的高效节能设计方法。考虑土壤类材料的散体特征，引入共振效应和自激振动原理，探索土壤耕作动力学基础理论和触土曲面减阻节能设计方法。1）研究典型土壤固有振动特性参数和动力学模型；2）研究触土曲面自功率谱构成规律及其在空间、时间和频率坐标之间的变换模型；3）利用共振效应和自激振动原理，构建土壤条件、工作速度与触土曲面几何之间的关联数学、力学模型；4）研究土壤自激振动能量源强度的控制方法和数学模型；5）研究基于共振效应的动态工作阻力数学模型，及其对土壤条件和工作方式的适应范围。最终建立基于共振效应的土壤耕作动力学理论体系和触土曲面高效节能设计流程。本研究对于构建和完善土壤耕作动力学基础理论和方法，提高农业与工程机械化创新能力，开发具有自主知识产权产品，改善节能减排效果，提高经济与社会可持续发展水平具有重要意义。

针对土壤耕作过程中工作阻力大、能耗高的问题，探索了共振效应下的减阻规律和触土曲面减阻设计方法。主要完成工作：1）土壤振动参数。首次直接测试了完整土槽状态下典型土壤固有振动特性参数。土槽土壤在5%~20%含水率范围内，随着含水量和坚实度的增加，土壤固有频率也在增加，最后趋向于稳定值。切土试验中，当含水率为15%时，土壤固有频率f土为29Hz；2）共振切削原理。通过f工具=un构建了触土曲面空间几何波动频率n、切削速度u和机具振荡频率f之间的关系；3）触土曲面共振设计。利用共振效应，即f土=f工具=un，反求了工具触土曲面的几何波动频率。围绕共振点f土=29Hz，设置了(1、6、14、22、29、37、41、52、∞)(Hz)共8个振荡频率，以及（2、4、6）mm三种振幅下，共22个推土板样件土槽土壤切削试验。当机具振荡频率接近于土壤固有频率时，获得了较小的切土阻力。而当机具振荡频率过大或过小时，切土阻力会相对增加。这与共振曲线共振点幅值较高而两侧幅值较低的规律吻合良好；4）自激振动能量源。主要通过有限元和土槽试验研究了准线形式为圆弧型、摆线型、仿生型、直线型的推土板的工作阻力和土壤扰动情况。准线形式是影响推土板工作阻力的重要因素，减阻能力由强至弱分别为仿生曲线、摆线、圆弧和直线。而各种准线形式的共振设计和减阻研究则尚待后续工作来验证各自的共振强度和减阻规律量；5）共振减阻适应条件。通过经验法、半功率带宽法、振幅放大因子法和正态分布法对土槽土壤第一阶固有振动共振频带宽度和振动能量占比计算和分析，推荐用正态2σ下限频率0.470 f0，正态1σ上限频率1.265 f0截止来选择切削机具的振荡频率，或机具振荡频率固定时允许机具工作速度或土壤参数有一定的变动范围。由上述工作建立了共振效应下的土壤耕作动力学理论体系和可操作的触土曲面减阻设计方法，既是重要理论突破，又具有广泛的应用价值。