犁刀切削土壤相位圖的構建及應用

徐少華 盧少穎 任建華 穆全

摘要：創新性地構建了犁刀切削土壤相位圖，分別以正旋耕犁刀、反旋耕犁刀及鏵犁、犁鏟等3種典型切削機構為例介紹了土壤切削相位圖的構建方法、原理及相關力學分析，并簡要介紹了其在開溝機構設計中的應用，為研究和設計土壤切削機構提供了新的理論和設計方法。

關鍵詞：土壤；犁刀；切削機構；相位圖；構建方法；原理；力學分析；應用

中圖分類號： S220.1文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0419-02

在農業機械設計中，涉及到土壤切削過程的功能機構有犁、鏟、耙、開溝等裝置。這些裝置的共同特點是通過構件刃部與土壤作相對運動形成切削過程實現其功能目標，其運動形式可以有平動（如鏵犁、犁鏟等）、轉動（如旋耕、旋切開溝等）、滾動（如圓盤耙等）等多種形式。不同的運動形式決定了其工作構件刃部與土壤有著不同的切削機理，而不同的切削過程由于具有不同的力學特性因而在作業形態、工作能耗等方面表現出很大的差異性。各類土壤切削功能機構根據其作業性質的不同在要求實現土壤切削的同時還必須滿足碎土、拋土、移土等各種特定要求，其中核心環節首先是土壤的切削過程。因此，分析和研究土壤的切削過程是研究和設計土壤切削機構必不可少的基礎理論。本研究所提出的土壤切削相位圖分析原理將為從事土壤切削功能機構研究和設計的工程技術人員提供相關基礎理論和設計方法[1-2]。

1土壤切削相位圖分析原理

具有犁耕、開溝等作用于土壤的工作機構根據其切削方式可以分為向下切削和向上切削2種[3]。向下切削方式（簡稱下切式）的特征是其工作部件的刃部由土表上方向下運動切削入土實現其切削功能，如正旋犁刀；向上切削方式（簡稱上切式）的特征是其工作部件的刃部由土表下方向上或向前運動切削入土實現其切削功能，如反旋犁刀、鏵犁等。下面分別以正旋耕犁刀、反旋耕犁刀及鏵犁、犁鏟等3種典型切削機構為例介紹土壤切削相位圖的構建方法及相關力學分析原理[4-6]。

1.1正旋耕犁刀土壤切削相位圖的構建

圖1是以犁刀正旋切削來說明下切式土壤切削相位圖的構建過程，圖中O點為旋切裝置回轉中心，Q點為旋切構件刃部切削合力作用點，Vm為機具前進速度，Vt為旋切構件刃部切削點Q的切向速度，V為旋切構件刃部在切削點Q的絕對速度矢量。旋切構件刃部在切削入土過程中切削速度的方向和大小隨著旋轉角度的變化而變化。不考慮摩擦力，旋切構件刃部對土壤切削作用力F與V基本同相。切削相位圖的構建是以旋切構件刃部切削點Q點為原點，由圖示田面法向n及切向t組成nQt直角坐標系，而旋切構件刃部切削點Q在土壤切削過程中速度和土壤切削作用力在nQt直角坐標系中的矢量表達即構成所屬的相位圖。在相位圖中Q點絕對速度矢量V與nQt直角坐標系水平t軸正向的夾角β稱之為土壤耕犁特征角。所謂下切式是指其相位圖中刃部切削點Q的速度矢量方向和切削作用力方向均指向于被切削土壤的后下方，即270°<β<360°。

1.2反旋耕犁刀土壤切削相位圖的構建

圖2是以犁刀反旋切削來說明上切式土壤切削相位圖的構建過程。類似于圖1的構建方法，反旋切削相位圖的構建也是以旋切構件刃部切削點Q點為原點，由圖示田面法向n及切向t組成nQt直角坐標系。所謂上切式則是指其相位圖中刃部切削點Q的速度矢量方向和切削作用力方向均指向于被切削土壤的前上方，即90°<β<180°。

1.3犁、鏟類機構土壤切削相位圖的構建

同樣類似于圖1方式，其相位圖的構建也是以構件刃部切削點Q點為原點，由圖示田面法向n及切向t組成nQt直角坐標系。從所建相位圖可見，犁、鏟類土壤切削裝置的工作原理也屬于上切式，即90°<β<180°。

1.4土壤切削相位圖運動學及力學原理分析[7-9]

從圖1至圖3所構建的相位圖來看，雖然所涉及的工作機構及切削方式不同，但都具有相似的特征。在上述nQt直角坐標系中，象限Ⅰ表征為已作業區域，象限Ⅱ表征為待作業淺表土區域，象限Ⅲ表征為未作業深土區域，象限Ⅳ表征為已作業深土區域。對上述3種典型土壤切削裝置來說，抽象成相位圖表達后，其共性部分一目了然，其差異性主要反映在犁耕特征角β的取值范圍。當90°<β<180°，構件刃部切削點Q的絕對速度矢量方向為前上方，即上切式，顯然Q點犁耕阻抗的構成取決于Q點絕對速度矢量方向上土壤的厚度和強[CM（25]度。對于相同強度系數的土壤而言，Q點絕對速度矢量方[CM）]

向上土壤的厚度決定了犁耕阻抗的大小。在象限Ⅱ內，犁耕阻抗是犁耕特征角β的增函數；當270°<β<360°，構件刃部切削點Q的絕對速度矢量方向為后下方，即下切式，由于Q點后下方為深實土區域，隨著刃部切削點Q點往深實土區域運動，Q點附近的土壤由于受到擠壓其犁耕阻抗會隨之增強，在象限Ⅳ內，犁耕阻抗是犁耕特征角β的減函數[10]。

綜合比較圖1和圖2所示相位圖，可以很清楚地看到由于犁刀正旋切削與反旋切削的區別導致旋切構件刃部切削點切向速度Vt的反向，并導致犁耕特征角β發生質的變化，最終導致由下切式到上切式的變化。旋切構件刃部切削點的絕對速度V矢量方向及切削作用力F方向由正旋切削時的象限Ⅳ改變成反旋切削時的象限Ⅱ，而且正旋切削時旋切構件刃部切削點的絕對速度值遠大于反旋切削時的絕對速度值，其中切削作用力F方向的差異對旋切機構負荷的影響極大。在圖1中，犁刀正旋切削時切削作用力F方向指向象限Ⅳ中的深土區域。旋切構件刃部作用于深土區域過程中，構件刃部接觸土壤部分一方面受剪切，一方面還受到擠壓，在切削作用力F方向指向象限Ⅳ中的深土區域的情形下土壤對旋切構件刃部的抗擠壓阻力隨著土壤擠壓密度的增加而增加，沿切削作用力F方向的土壤抗擠壓土層厚度可以視為無窮大，抗擠壓阻力理論上可以達到足夠大以阻止旋切構件的切削運動。而在圖2中犁刀反旋切削時切削作用力F方向指向象限Ⅱ中的淺表土區域，在此情形下土壤對旋切構件刃部的抗擠壓阻力受其切削點Q到速度V矢量方向與地面交點之區間長度的限制，該長度可以理解為抗擠壓土層厚度，決定了土壤所能產生的對旋切構件刃部的最大抗擠壓阻力，如果切削作用力F大于最大抗擠壓阻力，該段土層就發生破裂，此時旋切構件刃部的切削阻力將立即陡降。在任一點Q，犁耕特征角β取決于旋切角速度ω、切削刃口旋轉半徑r、機組前進速度Vm等運動參數及結構參數。基于以上分析可以推斷，在同等條件下犁刀反旋切削的旋轉負荷要小于正旋切削的旋轉負荷。

由于犁耕機組的總功耗是由旋切驅動和水平牽引2個部分組成，因此有必要再對旋切構件水平受力情況進行分析和研究。圖1相位圖表明，犁刀正旋切削時，旋切構件刃部切削點切向速度Vt的水平分量與機具前進速度Vm方向相反，一般情況下切削速度V的方向位于象限Ⅳ，土壤對旋切構件刃部的反作用力與機具前進速度Vm方向相同。在這種情形下，土壤對旋切構件刃部的反作用力不僅不會增加牽引阻力，對機組前進還會有一定的推動作用。而圖2相位圖則表明，犁刀反旋切削時，旋切構件刃部切削點切向速度Vt的水平分量與機具前進速度Vm方向相同，其切削速度V的水平分量為二者的疊加，而且水平前進方向的土壤層厚度為無限遠，土壤對旋切構件刃部的水平阻抗反作用力不僅構成旋切構件的阻力矩，而且還構成對機組前進很大的牽引阻力，這就是為何反旋滅茬旋耕機作業負荷明顯大于普通正旋旋耕機作業負荷的原因。

最后討論犁、鏟類機構土壤切削受力分析[11-12]，如圖3所示，犁、鏟類機構切削土壤作業時處于水平運動狀態，水平犁刃之功用在于剪切分離被耕土層，犁壁之功用在于碎土和翻土。一般在耕作層內作業只要犁切削刃足夠鋒利，其剪切功耗很有限，主要功耗用于犁壁碎土和翻土。如果不考慮摩擦力和犁切削刃剪切，作用力F方向位于象限Ⅱ待作業淺表土區域，從受力方式來講比較單一、合理，因此犁耕作業的效率比較高，但相比較旋耕而言，犁耕作業的碎土及田表平整度不及旋耕作業。

2土壤切削相位圖原理設計應用實例介紹

在“秸稈撿拾覆蓋播種聯合作業機研究開發”項目實施過程中，涉及到聯合作業機械中增設開溝裝置與開溝裝置功率消耗過大的問題，如何設法減輕開溝刀盤的旋轉驅動負荷成為本項目設計的關鍵。因此，依據上述土壤切削相位圖分析原理，創新性地提出組合式開溝裝置。其設計原理圖如圖4所示。

依據開溝裝置必須向后上方拋土的要求，開溝刀盤必須采用正旋切削方式（即下切式）。由土壤切削相位圖原理圖1力學解析可知，正旋切削過程刃部切削點的速度矢量方向和切削作用力方向均指向于被切削土壤的下方的實土區域，實土區域的土壤能產生足夠大的阻抗力來形成對正旋切削刃部的阻力矩，而在正旋開溝刀盤前設置一小前犁，在作業過程中小前犁以上切方式先將溝槽位置的土壤犁松，而后正旋開溝刀盤的切削刃部在入土過程雖然是以下切方式入土，但此時所入土壤是已被犁松的虛土而非實土，不再形成太大的阻力矩，因而可以大大減小開溝刀盤的驅動負荷，最后以清溝鏟成型溝底和溝壁，清出的虛土由開溝刀盤不斷拋出，小前犁和清溝鏟的切削動力全部由機組充裕的牽引力提供。試驗結果表明，在聯合作業機械中應用組合式開溝裝置實施開溝作業，功率消耗明顯小于常規單一的開溝刀盤裝置。

3結論

通過構建土壤切削相位圖可以直觀地解析土壤切削過程的運動學和力學狀態，在實際工程設計中應用相位圖分析原理對優化土壤切削系統設計具有重要意義。

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