CN103810327A - 土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减小土壤深松铲柄阻力的设计方法，属农业机械领域。目前，主要基于经验类比的铲柄设计，未重视铲柄厚度(迎土面)对其阻力的影响比宽度大的事实，且常规的强度设计较繁琐，因此，本发明公开了一种铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法：选择适合当地使用，结构形式不限的某成熟铲柄为样本。将样本铲柄厚度减小5-10mm，作为新设计铲厚a。不考虑安全系数和精准受力值，根据现有经验或资料，近似赋值给Fx和Fy，以新设计铲柄和样本铲柄，在危险截面强度相等为原则，依据Fx进行有限元分析或理论计算，设计新铲柄危险截面AB的宽度b，并根据Fy对新铲柄危险截面进行强度校核。再按照等强度原则，设计新铲柄AB截面以下L长度各点的宽度。

Description

土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法

技术领域

本发明涉及一种土壤深松减阻设计方法，属农业机械领域，具体来说涉及一种土壤深松铲铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法。 

背景技术

无论是常规耕作还是保护性耕作，耕层变浅，犁底层土壤硬度增加是普遍存在的事实，因此，深松作业是提高土地综合生产能力的重要因素。但是，土壤深松阻力过大的问题，一直困扰着农业机械领域的研究者。 

目前，土壤深松减阻降耗的研究主要有：触土曲面材料改性法、柔性结构法、流体注射润滑法、加热法、振动法、电渗法、磁化法、仿生非光滑法等；以及深松铲的入土角、铲刀头和翼铲的结构参数、机组前进速度、振动深松的振动频率和振幅等参数的优化取值；而针对铲柄的减阻设计主要是铲柄型式的改进，如：标准弧形、简单和复杂变曲率曲线形等，至于铲柄厚度(与机组前进方向垂直的迎土面，下同)对土壤深松阻力的影响比宽度(机组前进方向，下同)的影响要大的事实，在目前主要基于经验类比方法的铲柄强度和刚度设计中，重视不够。 

土壤深松特别是超深松前提下，松碎土壤抬升困难，位于土壤深层的刀杆受到强烈的挤压作用，土壤压实严重，深松阻力急剧增加。而且，西北干旱半干旱地区常常出现严重春旱，上部的耕层土壤含水率低，硬度大，导致深松铲柄的工作阻力在总阻力中的比例也随之增加。试验可知，当土壤含水率平均为20.56％，土壤硬度平均9.15Kg/cm²，铲柄厚度与深松铲牵引阻力的数学关系为F＝23.28a+1370.6；当土壤含水率平均为15.8％，土壤硬度平均9.03Kg/cm²，铲柄厚度与深松铲牵引阻力的数学关系为F＝16.44a+1031.8。由此可知，铲柄厚度对牵引阻力的影响不容忽视。 

另外，若严格按照常规设计方法，深松铲比较精确的受力值，安全系数的选取等，都存在一定困难，设计后还需要进行强度校核等，这些工作不仅繁琐，而且可靠性并不比现有产品高。 

因此，本发明公开了一种等强度条件下，铲柄减薄增宽的减阻设计方法。根据本发明，现在使用中的国内外各种形式深松铲铲柄，都可以按照这种方法减小危险截面的厚度，增加其宽度，而保持铲柄强度和刚度不变，从而减小土壤深松特别是超深松时铲柄的工作阻力。 

发明目的是：这种方法设计的铲柄，可以在现有实用技术的基础上，进一步降低土壤深松特别是超深松条件下机具的牵引阻力。并且给出一种直接依据有限元分析方法，方便快捷类比进行新深松铲铲柄强度设计的方法。 

发明内容

实现上述发明的技术方案是：以目前适合于当地土壤条件，广泛使用的国内外某成熟铲柄的强度和刚度为依据，确定新型铲柄危险截面AB的宽度，设计一种厚度较小，危险截面宽度较大，危险截面以下各位置宽度按照强度相等原则确定的新薄铲铲柄。具体发明内容如下： 

首先，根据土壤性状和深松深度，选择国内外普遍使用，危险截面的厚度和宽度分别为a_x和b_x的现有某成熟深松铲铲柄为参照样本。其次，分析获得铲柄危险截面的位置，确定样本铲柄工作时，受力的位置和方向，而力的大小不必进行精确测定，主要根据经验数值、资料数值，选定一组相对合适的受力值Fx、Fy等。第三，通过有限元分析方法，获得在这些阻力作用下，样本铲柄危险截面不同受力方向的强度和刚度，此值是新铲柄危险截面的设计依据。第四，将样本铲柄迎土面尺寸a_x减小5-10mm，作为新设计铲柄的迎土面尺寸a。第五，根据强度和刚度相等的原则，设计新铲柄危险截面A处的宽度b。第六，通过对新铲柄进行有限元分析，或者按照梁的强度理论，推导出适应不同位置受力的强度模型，求得新铲柄危险截面AB以下，长度为L的不同位置的受力，再 按照新铲柄各点受力近似相等的原则，确定这些位置的水平宽度。若铲柄为普通弯弧式、直立式、倾斜式等，现有经典材料力学理论可以使用的话，那么，上述第三至第五步工作，也可由理论公式推导，在危险截面A处内应力相等的原则下，直接获得新铲柄危险截面的宽度b。 

本发明的优点是：(1)直接依据有限元分析方法，方便快捷满足强度设计要求；(2)利用本发明设计的新型铲柄，与已有土壤深松减阻技术不冲突，即可以在现有成熟技术的基础上，进一步降低土壤深松阻力。 

附图说明

附图为铲柄的正视图和侧视图 

具体实施方式

下面结合附图给出具体的实施例。 

本发明的第一个实施例：首先根据铲柄侧向力，利用理论计算铲柄宽度，再根据正向力，进行有限元校核。 

某国外深松铲铲柄截面为矩形，厚度为30mm，宽度为70mm，深松深度为450mm。以该铲柄为样本，按照本发明设计新型小阻力铲柄，假设两种铲柄材料相同。 

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{6M}{b{a}^2}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]---\left(1\right)$

首先，根据力学基本理论和上式(1)可知，矩形截面减薄后铲柄的侧向强度，比正向更难保证，因此，基于样铲的新铲柄减薄增宽设计，将以选定的对照样本铲柄侧向强度(外力Fx)为基础，类比设计新型铲柄危险截面的宽度。 

相同载荷条件下，只要样本铲柄和新铲柄的最大正应力相等，且小于材料的许用应力，则新铲的强度就满足要求。那么，新设计铲柄危险截面的宽度： 

b_n＝b_ya_y ²/a_n ²   (2) 

式中 

b_n--新铲危险截面侧向宽度； 

a_n--新铲厚度； 

b_y--样铲侧向宽度； 

a_y--样铲厚度。 

设新设计铲柄厚度a_n为20mm，则危险截面侧向宽度为158mm。再对新铲柄正向加载，进行有限元校核。 

其次，研究新设计铲柄危险截面以下的变宽度等强度设计及其模型。 

根据矩形截面梁强度理论，侧向加载力Fy作用下，铲柄宽度的变化对应力反映不敏感，计算的宽度值偏小，正向加载力Fx作用下，铲柄宽度的变化对应力反映敏感，算的宽度值偏大，易于满足强度要求。因此，在铲尖处集中力正向加载，按照强度相等的原则，可得 

$b_x=\sqrt{\frac{b_m^2}{l_m}{l}_x}---\left(3\right)$

式中：b_x--从铲尖算起，X位置铲柄宽度； 

b_m--铲柄已知危险截面处的宽度； 

l_m--从铲尖算起，到危险截面处的长度； 

l_x--从铲尖算起，到X位置的长度。 

根据式(3)可算出，从铲尖算起到危险截面处各位置点，铲柄的侧向水平宽度系列。然后描点成线，可得铲柄实际曲线形状。 

最后，在土槽中进行两种铲的对比试验，同样土壤条件下，厚度×宽度为20mm×158mm的新铲柄，松土实验的阻力比原铲降低6.3％。 

本发明的第二个实施例：根据铲柄侧向力，进行有限元分析设计铲柄宽度，根据铲柄正向力，进行有限元校核。 

设某国内深松铲铲柄截面为矩形，厚度为25mm，宽度75mm，深松深度为350mm，原设计材料为Q275。 

研究发现，Q390低合金钢板尽管比Q275目前的市场价高约400元/吨，但屈服极限的提高，将会使铲柄质量减小近20％，材料成本不增反降，而且，超深松条件下，铲柄弯弧部分有切削作用，需要一定的耐磨性，并保持前端三角形刃的锋利，因此，选择Q390低合金钢板作为铲柄材料更有利。 

Q390低合金钢的许用应力为〔σ〕＝247MPa，Q275普通碳钢的许用应力为〔σ〕＝183MPa，因此，根据矩形截面梁强度公式可得，原设计Q275普通碳钢铲柄宽度值75mm，变为55mm。 

那么，即可按照本发明，基于有限元分析方法，设计新型小阻力铲柄宽度。假设新设计铲柄厚度a_n为15mm，则危险截面侧向宽度为155mm。再对新铲柄正向加载，进行有限元校核。 

其次，按照前述方法和步骤，研究新设计铲柄危险截面以下的变宽度等强度设计及其模型。按照模型，或通过有限元分析，获得新铲柄危险截面以下各点的水平厚度，然后，描点成线，可得铲柄实际曲线形状。 

最后，在土槽中进行两种铲的对比试验，同样土壤条件下，厚度×宽度为15mm×155mm的新铲柄，松土实验的阻力比原铲降低10.5％。 

其他实施方式：按照这种设计方法，还可对诸如直柄形、简单和复杂变曲率曲线形等铲柄，进行减薄增宽的减阻设计。 

Claims (6)

1.土壤深松铲柄减阻设计方法是：首先，根据土壤深松深度，选择国内外普遍使用的现有某成熟深松铲铲柄为样本。然后，将样本铲柄厚度减小5-10mm，作为新设计铲柄的厚度a。第三，根据铲柄的受力Fx和Fy，以样本铲柄危险截面的强度和刚度值为依据，设计新铲柄危险截面AB的宽度b。最后，按照等强度原则，设计新薄铲铲柄AB截面以下L长度各点的不同宽度。

2.根据权利要求1所述的土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法，其特征是：新设计的薄铲柄和样本厚铲柄的结构形状和尺寸任意，只是新设计铲柄比样本铲柄迎土面尺寸薄。

3.根据权利要求1和2所述的土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法，其特征是：新设计的薄铲柄和样本厚铲柄的结构形状可以相同，也可以不同，只要保证相同工作条件下，新设计铲柄和样本铲柄在危险截面的强度和刚度近似相等即可。

4.根据权利要求1所述的土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法，其特征是：新铲柄宽度(垂直于迎土面方向)增大是指危险截面的宽度增大。

5.根据权利要求1所述的土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法，其特征是：等强度包括两方面的内容，其一是指新设计铲柄危险截面和样本铲柄危险截面的强度近似相等；其二是指新设计铲柄本身危险截面以下，不同位置在外力作用下的内应力应该近似相等。

6.根据权利要求1所述的土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法，其特征是：新设计铲柄危险截面的强度，可以根据土壤性状等实际情况，稍小于或稍大于样本铲柄危险截面的强度。