犁刀切削土壤相位图的构建及应用

徐少华 卢少颖 任建华 穆全

摘要：创新性地构建了犁刀切削土壤相位图，分别以正旋耕犁刀、反旋耕犁刀及铧犁、犁铲等3种典型切削机构为例介绍了土壤切削相位图的构建方法、原理及相关力学分析，并简要介绍了其在开沟机构设计中的应用，为研究和設计土壤切削机构提供了新的理论和设计方法。

关键词：土壤；犁刀；切削机构；相位图；构建方法；原理；力学分析；应用

中图分类号： S220.1文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0419-02

在农业机械设计中，涉及到土壤切削过程的功能机构有犁、铲、耙、开沟等装置。这些装置的共同特点是通过构件刃部与土壤作相对运动形成切削过程实现其功能目标，其运动形式可以有平动（如铧犁、犁铲等）、转动（如旋耕、旋切开沟等）、滚动（如圆盘耙等）等多种形式。不同的运动形式决定了其工作构件刃部与土壤有着不同的切削机理，而不同的切削过程由于具有不同的力学特性因而在作业形态、工作能耗等方面表现出很大的差异性。各类土壤切削功能机构根据其作业性质的不同在要求实现土壤切削的同时还必须满足碎土、抛土、移土等各种特定要求，其中核心环节首先是土壤的切削过程。因此，分析和研究土壤的切削过程是研究和设计土壤切削机构必不可少的基础理论。本研究所提出的土壤切削相位图分析原理将为从事土壤切削功能机构研究和设计的工程技术人员提供相关基础理论和设计方法[1-2]。

1土壤切削相位图分析原理

具有犁耕、开沟等作用于土壤的工作机构根据其切削方式可以分为向下切削和向上切削2种[3]。向下切削方式（简称下切式）的特征是其工作部件的刃部由土表上方向下运动切削入土实现其切削功能，如正旋犁刀；向上切削方式（简称上切式）的特征是其工作部件的刃部由土表下方向上或向前运动切削入土实现其切削功能，如反旋犁刀、铧犁等。下面分别以正旋耕犁刀、反旋耕犁刀及铧犁、犁铲等3种典型切削机构为例介绍土壤切削相位图的构建方法及相关力学分析原理[4-6]。

1.1正旋耕犁刀土壤切削相位图的构建

图1是以犁刀正旋切削来说明下切式土壤切削相位图的构建过程，图中O点为旋切装置回转中心，Q点为旋切构件刃部切削合力作用点，Vm为机具前进速度，Vt为旋切构件刃部切削点Q的切向速度，V为旋切构件刃部在切削点Q的绝对速度矢量。旋切构件刃部在切削入土过程中切削速度的方向和大小随着旋转角度的变化而变化。不考虑摩擦力，旋切构件刃部对土壤切削作用力F与V基本同相。切削相位图的构建是以旋切构件刃部切削点Q点为原点，由图示田面法向n及切向t组成nQt直角坐标系，而旋切构件刃部切削点Q在土壤切削过程中速度和土壤切削作用力在nQt直角坐标系中的矢量表达即构成所属的相位图。在相位图中Q点绝对速度矢量V与nQt直角坐标系水平t轴正向的夹角β称之为土壤耕犁特征角。所谓下切式是指其相位图中刃部切削点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图的构建

图2是以犁刀反旋切削来说明上切式土壤切削相位图的构建过程。类似于图1的构建方法，反旋切削相位图的构建也是以旋切构件刃部切削点Q点为原点，由图示田面法向n及切向t组成nQt直角坐标系。所谓上切式则是指其相位图中刃部切削点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、铲类机构土壤切削相位图的构建

同样类似于图1方式，其相位图的构建也是以构件刃部切削点Q点为原点，由图示田面法向n及切向t组成nQt直角坐标系。从所建相位图可见，犁、铲类土壤切削装置的工作原理也属于上切式，即90°<β<180°。

1.4土壤切削相位图运动学及力学原理分析[7-9]

从图1至图3所构建的相位图来看，虽然所涉及的工作机构及切削方式不同，但都具有相似的特征。在上述nQt直角坐标系中，象限Ⅰ表征为已作业区域，象限Ⅱ表征为待作业浅表土区域，象限Ⅲ表征为未作业深土区域，象限Ⅳ表征为已作业深土区域。对上述3种典型土壤切削装置来说，抽象成相位图表达后，其共性部分一目了然，其差异性主要反映在犁耕特征角β的取值范围。当90°<β<180°，构件刃部切削点Q的绝对速度矢量方向为前上方，即上切式，显然Q点犁耕阻抗的构成取决于Q点绝对速度矢量方向上土壤的厚度和强[CM（25]度。对于相同强度系数的土壤而言，Q点绝对速度矢量方[CM）]

向上土壤的厚度决定了犁耕阻抗的大小。在象限Ⅱ内，犁耕阻抗是犁耕特征角β的增函数；当270°<β<360°，构件刃部切削点Q的绝对速度矢量方向为后下方，即下切式，由于Q点后下方为深实土区域，随着刃部切削点Q点往深实土区域运动，Q点附近的土壤由于受到挤压其犁耕阻抗会随之增强，在象限Ⅳ内，犁耕阻抗是犁耕特征角β的减函数[10]。

综合比较图1和图2所示相位图，可以很清楚地看到由于犁刀正旋切削与反旋切削的区别导致旋切構件刃部切削点切向速度Vt的反向，并导致犁耕特征角β发生质的变化，最终导致由下切式到上切式的变化。旋切构件刃部切削点的绝对速度V矢量方向及切削作用力F方向由正旋切削时的象限Ⅳ改变成反旋切削时的象限Ⅱ，而且正旋切削时旋切构件刃部切削点的绝对速度值远大于反旋切削时的绝对速度值，其中切削作用力F方向的差异对旋切机构负荷的影响极大。在图1中，犁刀正旋切削时切削作用力F方向指向象限Ⅳ中的深土区域。旋切构件刃部作用于深土区域过程中，构件刃部接触土壤部分一方面受剪切，一方面还受到挤压，在切削作用力F方向指向象限Ⅳ中的深土区域的情形下土壤对旋切构件刃部的抗挤压阻力随着土壤挤压密度的增加而增加，沿切削作用力F方向的土壤抗挤压土层厚度可以视为无穷大，抗挤压阻力理论上可以达到足够大以阻止旋切构件的切削运动。而在图2中犁刀反旋切削时切削作用力F方向指向象限Ⅱ中的浅表土区域，在此情形下土壤对旋切构件刃部的抗挤压阻力受其切削点Q到速度V矢量方向与地面交点之区间长度的限制，该长度可以理解为抗挤压土层厚度，决定了土壤所能产生的对旋切构件刃部的最大抗挤压阻力，如果切削作用力F大于最大抗挤压阻力，该段土层就发生破裂，此时旋切构件刃部的切削阻力将立即陡降。在任一点Q，犁耕特征角β取决于旋切角速度ω、切削刃口旋转半径r、机组前进速度Vm等运动参数及结构参数。基于以上分析可以推断，在同等条件下犁刀反旋切削的旋转负荷要小于正旋切削的旋转负荷。

由于犁耕机组的总功耗是由旋切驱动和水平牵引2个部分组成，因此有必要再对旋切构件水平受力情况进行分析和研究。图1相位图表明，犁刀正旋切削时，旋切构件刃部切削点切向速度Vt的水平分量与机具前进速度Vm方向相反，一般情况下切削速度V的方向位于象限Ⅳ，土壤对旋切构件刃部的反作用力与机具前进速度Vm方向相同。在这种情形下，土壤对旋切构件刃部的反作用力不仅不会增加牵引阻力，对机组前进还会有一定的推动作用。而图2相位图则表明，犁刀反旋切削时，旋切构件刃部切削点切向速度Vt的水平分量与机具前进速度Vm方向相同，其切削速度V的水平分量为二者的叠加，而且水平前进方向的土壤层厚度为无限远，土壤对旋切构件刃部的水平阻抗反作用力不仅构成旋切构件的阻力矩，而且还构成对机组前进很大的牵引阻力，这就是为何反旋灭茬旋耕机作业负荷明显大于普通正旋旋耕机作业负荷的原因。

最后讨论犁、铲类机构土壤切削受力分析[11-12]，如图3所示，犁、铲类机构切削土壤作业时处于水平运动状态，水平犁刃之功用在于剪切分离被耕土层，犁壁之功用在于碎土和翻土。一般在耕作层内作业只要犁切削刃足够锋利，其剪切功耗很有限，主要功耗用于犁壁碎土和翻土。如果不考虑摩擦力和犁切削刃剪切，作用力F方向位于象限Ⅱ待作业浅表土区域，从受力方式来讲比较单一、合理，因此犁耕作业的效率比较高，但相比较旋耕而言，犁耕作业的碎土及田表平整度不及旋耕作业。

2土壤切削相位图原理设计应用实例介绍

在“秸秆捡拾覆盖播种联合作业机研究开发”项目实施过程中，涉及到联合作业机械中增设开沟装置与开沟装置功率消耗过大的问题，如何设法减轻开沟刀盘的旋转驱动负荷成为本项目设计的关键。因此，依据上述土壤切削相位图分析原理，创新性地提出组合式开沟装置。其设计原理图如图4所示。

依据开沟装置必须向后上方抛土的要求，开沟刀盘必须采用正旋切削方式（即下切式）。由土壤切削相位图原理图1力学解析可知，正旋切削过程刃部切削点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实土区域，实土区域的土壤能产生足够大的阻抗力来形成对正旋切削刃部的阻力矩，而在正旋开沟刀盘前设置一小前犁，在作业过程中小前犁以上切方式先将沟槽位置的土壤犁松，而后正旋开沟刀盘的切削刃部在入土过程虽然是以下切方式入土，但此时所入土壤是已被犁松的虚土而非实土，不再形成太大的阻力矩，因而可以大大减小开沟刀盘的驱动负荷，最后以清沟铲成型沟底和沟壁，清出的虚土由开沟刀盘不断抛出，小前犁和清沟铲的切削动力全部由机组充裕的牵引力提供。试验结果表明，在联合作业机械中应用组合式开沟装置实施开沟作业，功率消耗明显小于常规单一的开沟刀盘装置。

3结论

通过构建土壤切削相位图可以直观地解析土壤切削过程的运动学和力学状态，在实际工程设计中应用相位图分析原理对优化土壤切削系统设计具有重要意义。

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