基于土壤自然振动特性的振动土壤切削工具频率选取方法研究

《Scientific Reports》：Research on the vibration frequency range of vibratory soil cutting system and experimental verification

　　

摘要

针对现有振动土壤切削工具所使用的振动频率差异较大且缺乏统一频率选取准则的问题，本研究在室内土箱中对土壤的自然振动特性进行了研究。基于单自由度（SDOF）共振理论，采用经验法、半功率带宽法和幅值放大因子法分析了一阶土壤振动模态的共振带宽和振动能量占比。在此基础上，提出了一种振动土壤切削工具的频率选取方法。结果表明，土壤的一阶自然振动频率f₀为29.492 Hz，阻尼比为0.142。经验法和幅值放大因子β=2确定的共振频率带分别为0.75f₀~1.25f₀和0.717f₀~1.207f₀，这两个频带在振动强度和频率适应性之间取得了平衡，但其范围相对有限。幅值放大因子β=1对应的有效振动频率带范围最宽，为0~1.414f₀，虽然振动响应强度有所下降，但能显著提高设备对土壤参数变化的适应性。综合考虑振动强度和工程适用性，建议振动土壤切削设备的振动频率范围为0.75f₀~1.414f₀。为验证所提频率范围的合理性，采用五个空间频谱激励频率等级和三个幅值等级设计并制作了15个空间频谱推土板样机，并进行了土箱切削试验。试验结果表明，在建议频率范围内的空间频谱推土板普遍具有较好的减阻和离土性能，当激励频率接近土壤自然振动频率时减阻效果最佳。与传统抛物面推土板相比，最优参数组合下推土板的相对减阻率达到14.66%。试验结果验证了所提振动频率选取范围和选取原则的合理性。研究成果为振动土壤切削装置的振动参数设计以及土壤接触部件空间频谱结构的优化提供了理论依据。