基于超声振动的土壤切削挖掘装置设计与试验

摘要

针对农业装备触土部件工作阻力大、耗能高等问题,提出了利用超声波高频振动辅助土壤切削挖掘从而降低阻力的技术方案,设计了超声振动土壤切削挖掘装置.选定20 kHz作为超声激振频率,基于耦合谐振效应的目标,分析、设计了夹心式换能器和圆锥形变幅杆等关键部件的结构参数.建立了变幅杆有限元模型,利用仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析,仿真结果显示,变幅杆轴线伸缩固有频率接近20 kHz,与设计值吻合.搭建了超声振动土壤切削挖掘阻力试验测试平台,进行了有、无超声波振动土壤切削挖掘阻力土槽对比试验,结果表明:相比无振动刚性挖掘铲,超声波振动挖掘铲能够有效降低土壤切削挖掘阻力,在1.5、2.5、3.5 MPa 3种土壤硬度条件下,超声波振动挖掘铲所对应的降阻率分别为35.1％、40.7％和44.3％,土壤硬度越大,超声波振动挖掘铲的降阻效果越明显.当土壤含水率为20％～48％时,不论有无振动,土壤切削挖掘阻力均随着土壤含水率的增加先迅速降低后又缓慢回升.由于超声振动激励需要额外消耗能量,故振动挖掘总耗能并未降低.试验验证了超声振动土壤切削挖掘降阻方案的可行性以及参数设计的合理性.