犁刀切削土壤相位圖的構(gòu)建及應(yīng)用

徐少華 盧少穎 任建華 穆全

摘要：創(chuàng)新性地構(gòu)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(jī)構(gòu)為例介紹了土壤切削相位圖的構(gòu)建方法、原理及相關(guān)力學(xué)分析，并簡(jiǎn)要介紹了其在開溝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為研究和設(shè)計(jì)土壤切削機(jī)構(gòu)提供了新的理論和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：土壤；犁刀；切削機(jī)構(gòu)；相位圖；構(gòu)建方法；原理；力學(xué)分析；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： S220.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0419-02

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，涉及到土壤切削過程的功能機(jī)構(gòu)有犁、鏟、耙、開溝等裝置。這些裝置的共同特點(diǎn)是通過構(gòu)件刃部與土壤作相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成切削過程實(shí)現(xiàn)其功能目標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)形式可以有平動(dòng)（如鏵犁、犁鏟等）、轉(zhuǎn)動(dòng)（如旋耕、旋切開溝等）、滾動(dòng)（如圓盤耙等）等多種形式。不同的運(yùn)動(dòng)形式?jīng)Q定了其工作構(gòu)件刃部與土壤有著不同的切削機(jī)理，而不同的切削過程由于具有不同的力學(xué)特性因而在作業(yè)形態(tài)、工作能耗等方面表現(xiàn)出很大的差異性。各類土壤切削功能機(jī)構(gòu)根據(jù)其作業(yè)性質(zhì)的不同在要求實(shí)現(xiàn)土壤切削的同時(shí)還必須滿足碎土、拋土、移土等各種特定要求，其中核心環(huán)節(jié)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(shè)計(jì)土壤切削機(jī)構(gòu)必不可少的基礎(chǔ)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(jī)構(gòu)研究和設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員提供相關(guān)基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)根據(jù)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(jiǎn)稱下切式）的特征是其工作部件的刃部由土表上方向下運(yùn)動(dòng)切削入土實(shí)現(xiàn)其切削功能，如正旋犁刀；向上切削方式（簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)切削入土實(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)為例介紹土壤切削相位圖的構(gòu)建方法及相關(guān)力學(xué)分析原理[4-6]。

1.1正旋耕犁刀土壤切削相位圖的構(gòu)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(gòu)建過程，圖中O點(diǎn)為旋切裝置回轉(zhuǎn)中心，Q點(diǎn)為旋切構(gòu)件刃部切削合力作用點(diǎn)，Vm為機(jī)具前進(jìn)速度，Vt為旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)Q的切向速度，V為旋切構(gòu)件刃部在切削點(diǎn)Q的絕對(duì)速度矢量。旋切構(gòu)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(zhuǎn)角度的變化而變化。不考慮摩擦力，旋切構(gòu)件刃部對(duì)土壤切削作用力F與V基本同相。切削相位圖的構(gòu)建是以旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)Q點(diǎn)為原點(diǎn)，由圖示田面法向n及切向t組成nQt直角坐標(biāo)系，而旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)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(biāo)系中的矢量表達(dá)即構(gòu)成所屬的相位圖。在相位圖中Q點(diǎn)絕對(duì)速度矢量V與nQt直角坐標(biāo)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(diǎn)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(gòu)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(gòu)建過程。類似于圖1的構(gòu)建方法，反旋切削相位圖的構(gòu)建也是以旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)Q點(diǎn)為原點(diǎn)，由圖示田面法向n及切向t組成nQt直角坐標(biāo)系。所謂上切式則是指其相位圖中刃部切削點(diǎn)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(jī)構(gòu)土壤切削相位圖的構(gòu)建

同樣類似于圖1方式，其相位圖的構(gòu)建也是以構(gòu)件刃部切削點(diǎn)Q點(diǎn)為原點(diǎn)，由圖示田面法向n及切向t組成nQt直角坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)原理分析[7-9]

從圖1至圖3所構(gòu)建的相位圖來看，雖然所涉及的工作機(jī)構(gòu)及切削方式不同，但都具有相似的特征。在上述nQt直角坐標(biāo)系中，象限Ⅰ表征為已作業(yè)區(qū)域，象限Ⅱ表征為待作業(yè)淺表土區(qū)域，象限Ⅲ表征為未作業(yè)深土區(qū)域，象限Ⅳ表征為已作業(yè)深土區(qū)域。對(duì)上述3種典型土壤切削裝置來說，抽象成相位圖表達(dá)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(dāng)90°<β<180°，構(gòu)件刃部切削點(diǎn)Q的絕對(duì)速度矢量方向?yàn)榍吧戏剑瓷锨惺?，顯然Q點(diǎn)犁耕阻抗的構(gòu)成取決于Q點(diǎn)絕對(duì)速度矢量方向上土壤的厚度和強(qiáng)[CM（25]度。對(duì)于相同強(qiáng)度系數(shù)的土壤而言，Q點(diǎn)絕對(duì)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(nèi)，犁耕阻抗是犁耕特征角β的增函數(shù)；當(dāng)270°<β<360°，構(gòu)件刃部切削點(diǎn)Q的絕對(duì)速度矢量方向?yàn)楹笙路?，即下切式，由于Q點(diǎn)后下方為深實(shí)土區(qū)域，隨著刃部切削點(diǎn)Q點(diǎn)往深實(shí)土區(qū)域運(yùn)動(dòng)，Q點(diǎn)附近的土壤由于受到擠壓其犁耕阻抗會(huì)隨之增強(qiáng)，在象限Ⅳ內(nèi)，犁耕阻抗是犁耕特征角β的減函數(shù)[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(qū)別導(dǎo)致旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)切向速度Vt的反向，并導(dǎo)致犁耕特征角β發(fā)生質(zhì)的變化，最終導(dǎo)致由下切式到上切式的變化。旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)的絕對(duì)速度V矢量方向及切削作用力F方向由正旋切削時(shí)的象限Ⅳ改變成反旋切削時(shí)的象限Ⅱ，而且正旋切削時(shí)旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)的絕對(duì)速度值遠(yuǎn)大于反旋切削時(shí)的絕對(duì)速度值，其中切削作用力F方向的差異對(duì)旋切機(jī)構(gòu)負(fù)荷的影響極大。在圖1中，犁刀正旋切削時(shí)切削作用力F方向指向象限Ⅳ中的深土區(qū)域。旋切構(gòu)件刃部作用于深土區(qū)域過程中，構(gòu)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(qū)域的情形下土壤對(duì)旋切構(gòu)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(dá)到足夠大以阻止旋切構(gòu)件的切削運(yùn)動(dòng)。而在圖2中犁刀反旋切削時(shí)切削作用力F方向指向象限Ⅱ中的淺表土區(qū)域，在此情形下土壤對(duì)旋切構(gòu)件刃部的抗擠壓阻力受其切削點(diǎn)Q到速度V矢量方向與地面交點(diǎn)之區(qū)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(chǎn)生的對(duì)旋切構(gòu)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(fā)生破裂，此時(shí)旋切構(gòu)件刃部的切削阻力將立即陡降。在任一點(diǎn)Q，犁耕特征角β取決于旋切角速度ω、切削刃口旋轉(zhuǎn)半徑r、機(jī)組前進(jìn)速度Vm等運(yùn)動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)?；谝陨戏治隹梢酝茢?，在同等條件下犁刀反旋切削的旋轉(zhuǎn)負(fù)荷要小于正旋切削的旋轉(zhuǎn)負(fù)荷。

由于犁耕機(jī)組的總功耗是由旋切驅(qū)動(dòng)和水平牽引2個(gè)部分組成，因此有必要再對(duì)旋切構(gòu)件水平受力情況進(jìn)行分析和研究。圖1相位圖表明，犁刀正旋切削時(shí)，旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)切向速度Vt的水平分量與機(jī)具前進(jìn)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(duì)旋切構(gòu)件刃部的反作用力與機(jī)具前進(jìn)速度Vm方向相同。在這種情形下，土壤對(duì)旋切構(gòu)件刃部的反作用力不僅不會(huì)增加牽引阻力，對(duì)機(jī)組前進(jìn)還會(huì)有一定的推動(dòng)作用。而圖2相位圖則表明，犁刀反旋切削時(shí)，旋切構(gòu)件刃部切削點(diǎn)切向速度Vt的水平分量與機(jī)具前進(jìn)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(jìn)方向的土壤層厚度為無限遠(yuǎn)，土壤對(duì)旋切構(gòu)件刃部的水平阻抗反作用力不僅構(gòu)成旋切構(gòu)件的阻力矩，而且還構(gòu)成對(duì)機(jī)組前進(jìn)很大的牽引阻力，這就是為何反旋滅茬旋耕機(jī)作業(yè)負(fù)荷明顯大于普通正旋旋耕機(jī)作業(yè)負(fù)荷的原因。

最后討論犁、鏟類機(jī)構(gòu)土壤切削受力分析[11-12]，如圖3所示，犁、鏟類機(jī)構(gòu)切削土壤作業(yè)時(shí)處于水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，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(nèi)作業(yè)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(yè)淺表土區(qū)域，從受力方式來講比較單一、合理，因此犁耕作業(yè)的效率比較高，但相比較旋耕而言，犁耕作業(yè)的碎土及田表平整度不及旋耕作業(yè)。

2土壤切削相位圖原理設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例介紹

在“秸稈撿拾覆蓋播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)研究開發(fā)”項(xiàng)目實(shí)施過程中，涉及到聯(lián)合作業(yè)機(jī)械中增設(shè)開溝裝置與開溝裝置功率消耗過大的問題，如何設(shè)法減輕開溝刀盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷成為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，依據(jù)上述土壤切削相位圖分析原理，創(chuàng)新性地提出組合式開溝裝置。其設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

依據(jù)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(xué)解析可知，正旋切削過程刃部切削點(diǎn)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(shí)土區(qū)域，實(shí)土區(qū)域的土壤能產(chǎn)生足夠大的阻抗力來形成對(duì)正旋切削刃部的阻力矩，而在正旋開溝刀盤前設(shè)置一小前犁，在作業(yè)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(shí)所入土壤是已被犁松的虛土而非實(shí)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(qū)動(dòng)負(fù)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(dòng)力全部由機(jī)組充裕的牽引力提供。試驗(yàn)結(jié)果表明，在聯(lián)合作業(yè)機(jī)械中應(yīng)用組合式開溝裝置實(shí)施開溝作業(yè)，功率消耗明顯小于常規(guī)單一的開溝刀盤裝置。

3結(jié)論

通過構(gòu)建土壤切削相位圖可以直觀地解析土壤切削過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)狀態(tài)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用相位圖分析原理對(duì)優(yōu)化土壤切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱留憲，楊玲，楊明金，等.基于光滑流體動(dòng)力學(xué)的土壤切削仿真研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（4）：274-277.

[2]蔣建東，高潔. 基于ALE有限元仿真的土壤切削振動(dòng)減阻[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（增刊1）：33-38.

[3]夏俊芳，賀小偉，余水生，等.基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀輥土壤切削有限元模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（10）：34-41.

[4]王路，王成武，戈振揚(yáng)，等.土壤-耕作部件相互作用的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（12）：7-11.

[5]周明，張國忠，許綺川，等. 土壤直角切削的有限元仿真[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（4）：491-494.

[6]王志山，夏俊芳，許綺川，等. 船式旋耕埋草機(jī)螺旋刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（12）：44-47.

[7]丁峻宏，金先龍，郭毅之，等. 土壤切削大變形的三維數(shù)值仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（4）：118-121.

[8]李寶筏. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[9]鄭春歧，崔群芳. 土壤切削試驗(yàn)[J]. 工程機(jī)械，1999（11）：10-12.[ZK）]

[10]蓉長發(fā)，孫光明. 土壤切削力學(xué)[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，1997（2）：10-12.

[11]陳波. 土壤動(dòng)態(tài)切削的試驗(yàn)研究[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2000（2）：11-12

[12]殷涌光，李俊明，王登峰. 二維振動(dòng)切削土壤的功率消耗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1993，24（1）：6-11.