第四節(jié) 犁體外載及犁耕牽引阻力

第四節(jié)犁體外載及犁耕牽引阻力

一.犁體外載特性二.犁耕牽引阻力及高略契金有理公式三.犁耕土壤比阻的概念四.影響牽引阻力的因素和減少阻力的措施五.犁耕機(jī)組的配套計(jì)算一.犁體外載特性——犁的受力特征由于犁體曲面是一個(gè)既不規(guī)則又不對(duì)稱(chēng)的空間任意曲面，犁耕過(guò)程中，土壤對(duì)曲面的作用力成為一空間任意力系，在一般情況下，他們不可能簡(jiǎn)化成為一個(gè)合力。這樣一個(gè)外載測(cè)量是十分困難的，只能用近似的方法來(lái)解決，目前，國(guó)內(nèi)最常用的方法是六分力法。RXZY測(cè)量原理：利用物體在空間受外力作用時(shí)，他將有六個(gè)自由度的結(jié)論，如果將這六個(gè)自由度全部給以約束，則該物體將處于靜止?fàn)顟B(tài)，這說(shuō)明六個(gè)約束力與可使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的外力是等價(jià)的，若能測(cè)得這六個(gè)約束力，我們就可獲得物體所受到的外力。例如：一個(gè)空間物體受到重力作用時(shí)他將下落，這個(gè)外力的大小我們不得而之，但如果給該物體一個(gè)約束力使該物體處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，測(cè)量這個(gè)約束力的大小，我們就可獲得外力的大小，如圖所示：P為約束力。MmgP采取同樣的方法，將犁體和犁架置于測(cè)量空間，由于土壤空間力系的作用，機(jī)組可能產(chǎn)生上下前后左右的運(yùn)動(dòng)，如果在可能運(yùn)動(dòng)的方向上施加等價(jià)約束，那么機(jī)架將處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，測(cè)量這些約束力，即可獲得犁體所受到的外力。RCCCCCC測(cè)力元件測(cè)力傳感器的工作原理被測(cè)物體應(yīng)變片應(yīng)變片被測(cè)物體受拉R↑受壓R↓應(yīng)變片電阻值的變化可應(yīng)用電橋平衡原理測(cè)得：VR1R2R3RXRX↑↓→V≠0犁體外載根據(jù)不同的測(cè)量方法或分析的要求不同，所表達(dá)的方法也不同，主要有三種方法：1.六分力法：將X、Y、Z三個(gè)方向的力向鏵尖簡(jiǎn)化，可得主矢量的3個(gè)分量Rx、Ry、Rz和主矩的3個(gè)分量Mx、My、Mz。x2.坐標(biāo)平面法：將測(cè)得的外力分別向三個(gè)坐標(biāo)平面投影（簡(jiǎn)化）得3個(gè)平面力系：Rxy、Rxz、Ryz。3.力螺旋法：將測(cè)得的所有外力向犁體曲面某一點(diǎn)簡(jiǎn)化，將3個(gè)分力和3個(gè)分力矩合成一個(gè)主矢力R和一個(gè)主力矩M。Rx可作為決定牽引力大小的重要依據(jù)。二.犁耕牽引阻力研究力的特性及大小的目的有2個(gè)：一是給機(jī)組設(shè)計(jì)提供依據(jù)，二是為使用提供依據(jù)。例如Rx就可作為犁耕牽引阻力。犁耕牽引阻力——耕作時(shí)，作用在犁上的總阻力的縱向水平分力。該力與拖拉機(jī)前進(jìn)方向相反，可由拖拉機(jī)的牽引力來(lái)平衡。RxzRxRxyRx農(nóng)機(jī)機(jī)組在工作時(shí)，作用于工作部件上的土壤阻力的縱向水平分力與拖拉機(jī)的動(dòng)力中心線共線，且牽引阻力與拖拉機(jī)牽引力大小相等，方向相反——正牽引。PRxyRxRy否則，將出現(xiàn)偏牽引、斜牽引、偏斜牽引。阻力中心位置與阻力方向?qū)绺麢C(jī)組直線行駛的影響正牽引斜牽引偏牽引偏斜牽引

由于到目前為止，我們對(duì)土壤的物理機(jī)械性質(zhì)了解不夠，無(wú)法得到犁耕牽引阻力的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，只能用測(cè)量結(jié)果處理后的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述。目前，最經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式是：

高略契金有理公式動(dòng)態(tài)阻力項(xiàng)靜態(tài)阻力項(xiàng)綜合摩擦項(xiàng)式中：f—綜合摩擦系數(shù)，0.3～0.5；

G—犁體重量（kg）；

fG—摩擦項(xiàng)；

Koab—靜態(tài)阻力項(xiàng);

Ko—靜態(tài)阻力系數(shù)，一般為0.2～0.7；

a—單犁體耕深（cm）；

b—單犁體耕寬（cm）；

εabV2—?jiǎng)討B(tài)阻力項(xiàng)；

ε—?jiǎng)討B(tài)阻力系數(shù)，250～400；

V—機(jī)組速度（m/s）。該公式的最大貢獻(xiàn)是考慮了速度對(duì)犁耕牽引阻力的影響，但公式經(jīng)常用作理論分析，實(shí)用價(jià)值不大，一般用犁耕土壤比阻法來(lái)表示犁耕牽引阻力的大小。三.犁耕土壤比阻犁耕土壤比阻——單位耕作橫斷面上的縱向水平分力。用Ko表示（kg/cm2，或N/cm2）。一般為0.4～0.6kg/cm2式中：Rx—土壤阻力，kg

a—單犁體耕深，cm

b—單犁體耕寬，cm

n—犁鏵數(shù)量四.影響牽引阻力的因素和減少阻力的措施1.影響牽引阻力的因素犁體曲面形狀表曲面光滑程度鏵刃鋒銳程度耕深與耕寬前進(jìn)速度土壤狀況等2.減少阻力的措施⑴降低無(wú)效阻力：減輕犁的重量，增強(qiáng)曲面光滑程度，提高鏵刃的鋒銳程度等；等速磨損一種材料軟質(zhì)材料硬質(zhì)材料自磨銳仿生學(xué)應(yīng)用——脫土減阻pronotumlabrum臭蜣螂（雄）表面形態(tài)CoprisochusMotschulsky

雌性臭蜣螂(a)雌性臭蜣螂前胸背板(b)步甲腹部(c)雄性臭蜣螂前胸背板(d)達(dá)烏爾黃鼠毛(e)穿山甲鱗片bcdecorrugateddimpledscalyscaly根據(jù)蜣螂體表特性設(shè)計(jì)的仿生犁Convexdomea⑵設(shè)計(jì)合理的犁體曲面：犁翼后撇，可減少土垡運(yùn)動(dòng)的側(cè)向速度vy，避免側(cè)向過(guò)分拋扔土垡，減少拋扔的能量消耗，vy≤1m/s；

VVyVx普通犁Vy↑→Rx↑高速犁vy≤1m/s⑶改變犁體曲面的結(jié)構(gòu)形式：柵條犁、滾子犁、氣（水）隔犁、電極犁、自激振蕩犁等。柵條犁的特點(diǎn)是，脫土能力強(qiáng)，工作阻力小，但對(duì)犁體材料和強(qiáng)度要求較高。滾子犁使土垡的運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，可大大降低犁耕土壤阻力。土垡運(yùn)動(dòng)方向水隔犁（氣隔犁）可有效阻隔犁體曲面與土垡之間的接觸，減少土壤阻力。噴液體或氣體電極犁利用電滲原理使犁體曲面攜帶某一極性電荷，將土壤中的水分子吸引到犁體曲面上來(lái)，形成一定量的水膜，減少因土壤水分少而產(chǎn)生的干摩擦現(xiàn)象。動(dòng)物受到土壤壓力后表體細(xì)胞組織刺激性生物電荷土壤中水的運(yùn)動(dòng)方向動(dòng)物表體土壤接觸面動(dòng)物表體生物電特性示意圖生物電與仿生電滲工作原理示意圖－＋靜電感應(yīng)負(fù)電位根據(jù)生物電滲原理研制的減粘脫土板材電極犁結(jié)構(gòu)示意圖自激振蕩犁，通過(guò)高頻振蕩，減少犁體曲面與土壤的接觸時(shí)間，從而達(dá)到降低摩擦阻力的目的，這種方式在農(nóng)村所使用的畜力犁上由人工操作，非常普遍⑷正確的掛結(jié)和調(diào)整。振動(dòng)子五.犁耕機(jī)組的配套計(jì)算配套計(jì)算是指動(dòng)力與機(jī)具之間的合理利用問(wèn)題，為設(shè)計(jì)犁耕機(jī)組和正確地使用機(jī)組提供理論依據(jù)。依據(jù)可能與需要等價(jià)的基本原則，確定犁耕機(jī)組的配套計(jì)算公式。設(shè)：a、b—單犁體耕深和耕寬（cm）；n—犁鏵個(gè)數(shù)；λ—牽引力利用系數(shù)，0.8～0.9；Pt—拖拉機(jī)額定牽引力（kg）；K0—土壤犁耕比阻（kg/cm2）,K0=0.3～0.4kg/cm2。設(shè)：犁耕作業(yè)中可能產(chǎn)生的牽引阻力Rx設(shè)：為平衡牽引阻力拖拉機(jī)所必須的牽引能力Pt可能=需要?jiǎng)t：參考資料拖拉機(jī)型號(hào)額定牽引力Pt單位泰山—12/15/18300/350/400kg泰山—25/30A600/900kg上海—501176kg鐵?！?51372kg東方紅—804000kg舉例：某研究所欲設(shè)計(jì)與泰山—30A輪式拖拉機(jī)相配套的鏵式犁機(jī)組，已知配套動(dòng)力為100kg，牽引力利用系數(shù)λ=0.9，農(nóng)業(yè)要求的耕深為a=20cm，設(shè)計(jì)耕寬為b=30cm，土壤比阻K=0.4kg/cm2，試確定機(jī)組的犁鏵數(shù)量n？解：答：機(jī)組的犁鏵數(shù)量為3個(gè)。思考題1.犁體外載的特性及表達(dá)方法？2.犁耕牽引阻力及高略契金有理公式？該公式主要說(shuō)明了什么