CN101911864A - 斜置旋耕机 - Google Patents

Abstract

斜置旋耕机，旋耕刀在水平面内斜置，旋耕刀回转平面与机组前进方向成一适当斜置角，其特征是，刀片在刀轴上的排列配置满足下列条件：单列旋耕刀的刀片排列满足，其中，v为机组前进速度，n刀辊回转速度，b为刀宽；按r的大小，依次取地表切痕曲线上的至少三个以上的点，对这些点进行直线拟合计算，该直线与X轴的交角即为斜置角∠ABC，r为旋耕刀上任一点的回转半径。

Description

斜置旋耕机

技术领域

本发明属农业工程领域，具体涉及一种斜置旋耕机。

背景技术

土壤耕作是重负荷作业，要消耗大量的能量。目前土壤耕作的主要方式为犁耕和旋耕。旋耕作业耕翻性能较犁耕差，通常情况下难以深耕，而功耗又远大于犁耕，但其碎土性能好，对草茎残茬的切碎能力强，耕后地表平整，并且由于寄生功率的存在，增强了拖拉机的牵引性能。旋耕机的这些特点使得它在南方水田、双季或三季粮食作物产区得到了广泛应用。旋耕机具有耕地和耙地的双重作用，在农业机械中占有重要地位。故旋耕机的降耗节能、提高耕耘质量一直是旋耕机的主要研究方向之一。

旋耕机工作时，其刀片随着刀轴由拖拉机动力输出轴驱动作回转运动，同时又随机组前进作等速直线运动。刀片切削土壤时，刀片的绝对运动是由机组的前进运动与刀轴的回转运动所合成。为了使机组能正常工作，刀片在整个切土过程中不能产生推土现象，要求其绝对运动的轨迹为余摆线。在这一余摆线绕圈最大横弦以下任意一点的水平分速度的方向与机组前进方向相反。这样刀片将切下的土块向后抛掷与挡泥板相撞击，使土块进一步破碎再落到地面。由于机组不断前进，刀片就连续不断地对未耕地进行松碎。刀轴是旋耕机上的主要工作部件，刀轴上按一定规律排列焊有刀座，刀片用螺栓固定在刀座上。由于旋耕机上刀片排列的好坏直接影响耕地质量及耕作阻力，因此有必要研究旋耕机的刀片排列，使刀轴上的刀片排列更加合理。

斜置旋耕机将旋耕刀辊在水平面内斜置，使旋耕刀回转平面成一适当斜置角，斜置刀辊产生两个结果：a.旋耕刀切土时有一沿轴向的相对速度。b.因为采取同向顺序切土，除第一列旋耕刀外，其余旋耕刀切土时减少了一个约束面，使土壤的破坏更容易，从而降低能耗。如何使旋耕机在作业时受到的阻力小，耕作质量好，刀轴受力均匀，避免漏耕和堵塞现象的发生，本文将给出一种刀片在刀轴上的排列方式。旋耕工作部件在水平面内斜置，旋耕刀回转平面与机组前进方向成一适当斜置角

发明内容

本发明旨在发明一种斜置旋耕时不重耕、解除后部土壤约束、解除侧面约束，从而减少功率消耗、降低耕作阻力的斜置旋耕机。

斜置旋耕机，旋耕刀在水平面内斜置，旋耕刀回转平面与机组前进方向成一适当斜置角，刀片在刀轴上的排列配置满足下列条件：

单列旋耕刀的刀片排列满足

其中，v为机组前进速度(m/s)，n刀辊回转速度(rpm)，b为刀宽；按r(r为旋耕刀上任一点的回转半径(m))的大小，依次取地表切痕曲线上的至少三个以上的点，对这些点进行直线拟合计算，该直线与X轴的交角即为斜置角∠ABC。

上述技术方案中的单列旋耕刀排列，能够满足单列旋耕刀不重耕、不漏耕。

作为本发明的进一步改进，所述斜置旋耕机中，位于同一螺旋线上旋耕刀的排列满足：

(1)同一螺旋线上相邻两个旋耕刀之间的相位差

$\left(2\right)\frac{\mathrm{\β}}{n}v\≤l\cos B$

其中，R为旋耕刀的最大回转半径，H为耕深，v为机组前进速度(m/s)，n刀辊回转速度(rpm)，I为刀盘间距，B为斜置角。上述不同列之间的旋耕刀的刀片排列方式，能解除后部土壤约束。

附图说明

图1是单列旋耕刀地表切痕

图2是同一螺旋线上旋耕刀的三维实体模型

图3是同一螺旋线上旋耕刀切后土壤形状

图4是为刀2地面切痕的拟合直线和刀1地面切痕的拟合直线的关系图

图5是同一螺旋线上旋耕刀切削过程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

如图2所示，斜置旋耕机，旋耕刀在水平面内斜置，旋耕刀回转平面与机组前进方向成一适当斜置角，刀片在刀轴上的排列配置满足下列条件：

单列旋耕刀的刀片排列满足

其中，v为机组前进速度(m/s)，n刀辊回转速度(rpm)，b为刀宽；按r(r为旋耕刀上任一点的回转半径(m))的大小，依次取地表切痕曲线上的至少三个以上的点，对这些点进行直线拟合计算，该直线与X轴的交角即为斜置角∠ABC。

位于同一螺旋线上旋耕刀的排列满足：

(1)同一螺旋线上相邻两个旋耕刀之间的相位差

$\left(2\right)\frac{\mathrm{\β}}{n}v\≤l\cos B$

其中，R为旋耕刀的最大回转半径，H为耕深，v为机组前进速度(m/s)，n刀辊回转速度(rpm)，I为刀盘间距，B为斜置角。

具体说明如下：

1.单列旋耕刀的排列，达到不重耕

斜置旋耕时，单列旋耕刀的切土过程和正置时也不一样。取仿真参数如下：v＝0.5m/s，n＝130rpm，B＝20度，旋耕刀的相位差为180度，旋耕刀为R245国际刀。其地表切痕如下图1。

从图1中可以看出，斜置旋耕时，在上述参数下同一列旋耕刀2的切削区域产生了重叠3，也就是产生了重耕，会增加耕作能耗。另一方面，在后一把旋耕刀将要切削土壤时，待切土壤已经解除了部分约束，将减少切削能耗。

单列旋耕刀不产生重耕的条件为：|AC|≥b(b为刀宽)，而|AC|＝|AB|sin∠ABC，|AB|＝пv/n，∠ABC的大小由以下方法确定。

①按r的大小，依次取地表切痕22曲线上的若干个(最少三个)点。

②对这些点进行直线拟合23计算，该直线与X轴的交角即等于∠ABC。

综合以上，斜置旋耕单列旋耕刀不重耕的条件为：

$\frac{\mathrm{\π}v\sin \∠\mathrm{ABC}}{n}\≥b---\left(1.1\right);$

由于 $x=v\×(-\mathrm{ar}\cos \frac{R-H}{r\left(\mathrm{\φ}\right)}+\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})/n+r\left(\mathrm{\φ}\right)\cos B\sin \left(\arccos \frac{R-H}{r\left(\mathrm{\φ}\right)}\right)$

$y=r\left(\mathrm{\φ}\right)\sin B\sin \left(\arccos \frac{R-H}{r\left(\mathrm{\φ}\right)}\right)---\left(1.2\right)$

其中，旋耕刀的最大回转半径为R，耕深为H，斜置角为B，转速为n，侧切刃刃口曲线方程为r＝r(φ)(φ为极角)。在转速n、速度v和斜置角B三个量中任意两个确定，由(1.1)和(1.2)就能确定另一个。

斜置旋耕单列旋耕刀不重耕的刀片排列方法为：

$\frac{\mathrm{\π}v\sin \∠\mathrm{ABC}}{n}\≥b$

二.不同列之间的旋耕刀的刀片排列，解除后部土壤约束

如图2示，旋耕刀1和旋耕刀2是同一螺旋线上相邻的两把旋耕刀，相位差为40度，刀座间距为70mm。在前进速度为0.46m/s，转速n为130rmp，斜置角为20度时，其地表切痕如图3，图3b中切痕1’为刀1的切痕，切痕2’为刀2的切痕，产生重耕区域3，相邻两次切削的交线4。

从图3a可以看出，在旋耕刀2切削时，旋耕刀1已为旋耕刀2解除部分约束。在单列仿真中可以看出，同列旋耕刀之间不可能为对方解除其后部土垡约束，其后果是旋耕刀在其轨迹最低点后，因为其绝对速度向后，将严重挤压土壤，从而使功耗急剧增加，此时斜置旋耕不仅不能降能节耗，反而增加能耗。

如果前一列(以Y轴的负向为前)的旋耕刀能部分解除后一列旋耕刀的后部土壤约束，使旋耕刀过低点后不压土或尽量少压土，这才有可能降能节耗。

在图中假设与刀2同一列的刀为刀2a，与刀2的相位差为180度(即轴对称位置，若不对称，由单列仿真中可以看出，切削土壤时将同时存在漏切和重切的现象)。图4中，AA1是刀2地面切痕的拟合直线，BC是刀1地面切痕的拟合直线，拟合这两条直线时，所取的r值相同，由式(2.2)和拟合直线求解的过程知道，AA1和BB1平行。在田间取一点O为原点，建立坐标系，X轴的正方向为机组前进方向，Y轴指向未耕地。假设直线AA1和BB1在该坐标系的方程为：

AA1的方程为y＝kx+d1；

BC的方程为y＝kx+d2；

则：|AB|＝|d1-d2|

刀2a其后部土壤被解除约束的条件为正切刃(忽略过渡圆弧)的切土起点必须落在BC直线上。刀2a正切刃的切土起点必须在过A1的且平行于X轴的直线上。过A1作平行于X轴的直线，与BC交于C1，C1就是刀2a正切刃的切土起点。

因为|A1C1|＝vп/n，|AB |＝|A1C1|k即vп/n＝k|b1-b2|(2.3)

式(2.3)即为斜置旋耕时旋耕刀(第一列除外)切土前后部土壤解除约束的条件。

图5中，当刀2的正切刃开始切土时，刀1为刀2侧面解除了部分约束(图中3)。因为解除约束的区域比较少，在单刀仿真中可以看出，旋耕刀2还存在侧边压土现象，这将增加切土功耗。若刀1和刀2的相位差大于或等于

(即当刀2切削时，刀1基本切土完毕)，并且刀2正切刃的入土位置在前进方向上不超过刀1，那么刀2在切土的时候，功耗将降低。

假定刀2和刀1的相位差为β，刀盘间距为l，正切刃的入土位置在前进方向上不超过刀1的条件为

所以不同列之间的旋耕刀解除后部土壤约束的排列方法为：

(1)相位差大于或等于 $\mathrm{ar}\cos \left(\frac{R-H}{R}\right)$

$\left(2\right)\frac{\mathrm{\β}}{n}v\≤l\cos B$

Claims (2)

1.斜置旋耕机，旋耕刀的刀片在刀轴上的排列配置满足下列条件：

单列旋耕刀的刀片排列满足

其中，v为机组前进速度，n刀辊回转速度，b为刀宽；按r的大小，依次取地表切痕曲线上的至少三个以上的点，对这些点进行直线拟合计算，该直线与X轴的交角即为斜置角∠ABC，r为旋耕刀上任一点的回转半径。

2.根据权利要求1所述的斜置旋耕机，其特征是，刀片在刀轴上的排列配置还满足下列条件，位于同一螺旋线上旋耕刀的排列满足：

(1)同一螺旋线上相邻两个旋耕刀之间的相位差

$\left(2\right)\frac{\mathrm{\β}}{n}v\≤l\cos B$

其中，R为旋耕刀的最大回转半径，H为耕深，v为机组前进速度，n刀辊回转速度，为刀盘间距，B为斜置角。

Images