CN104221509B - 一种变曲率减阻圆盘犁 - Google Patents

Abstract

一种变曲率减阻圆盘犁，包括一体结构的圆盘犁本体，圆盘犁本体的中心为用于与动力装置连接的呈平板状的装配部分，圆盘犁本体的外缘周面为用于破土的切削部分，装配部分与切削部分之间为等厚度的翻土部分，翻土部分中相对设置的凸凹两面分别为外触土曲面和内触土曲面，内触土曲面是由导曲线沿圆盘犁本体的中心连续旋转运动360°得到的曲面，该导曲线符合方程，其中，x的取值范围为0~18。本发明的圆盘犁，沿其直径截面与内触土曲面交线是变曲率的，可在不增加圆盘犁直径、不改变犁组偏角的情况下，保持良好的入土、推土、碎土、翻土等性能。

Description

一种变曲率减阻圆盘犁

技术领域

本发明涉及农用耕整地机械，尤其涉及一种变曲率减阻圆盘犁。

背景技术

目前，随着现代化农业技术向节能降耗、可持续、绿色环保方向发展，对农业耕作机械的作业质量和要求也在不断的提高，特别是对各种典型的土壤工作部件提出了更高的要求。圆盘犁是一种使用范围仅次于铧式犁的典型农业机械土壤耕地机械，作业时，圆盘形犁片旋转运动对土壤进行耕翻作业，切土刃长，能够越过障碍物，特别适用于铧式犁无法工作的复杂农田的翻耕作业。然而，由于传统球面圆盘犁片入土能力差，磨损严重、工作阻力大，球面圆盘犁侧向力大较难平衡，耕深浅，黏重土壤粘土严重，限制圆盘犁使用范围，无法在广大旱作区推广应用。

国标所规定的圆盘犁其盘面为球面，即触土曲面各点具有恒定的曲率或曲率半径，实际使用、研究和试验均表明，这种恒定曲率的球面作为圆盘犁触土曲面时，表现出明显的工作阻力大以及土壤粘附严重的现象，降低了耕作效果。圆盘犁的工作阻力主要来源于两个方面：一个是圆盘犁周缘刃口对土壤的剪切破坏土壤；另一个是土壤沿触土曲面运动摩擦阻力。上述这两个阻力在圆盘犁表面均有体现。圆盘犁工作过程中的阻力除了与土壤本身的属性有关，还与圆盘犁的周缘刃口及触土曲面在空间的几何形状有关。

发明内容

本发明为了解决现有技术中圆盘犁耕作阻力大和土壤粘附严重的问题，提供一种以变曲率曲线代替传统的抛物线作为犁体曲面准线的减阻圆盘犁。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种变曲率减阻圆盘犁，包括一体结构的圆盘犁本体，圆盘犁本体的中心为用于与动力装置连接的呈平板状的装配部分，圆盘犁本体的外缘周面为用于破土的切削部分，装配部分与切削部分之间为等厚度的翻土部分，翻土部分中相对设置的凸凹两面分别为外触土曲面和内触土曲面，内触土曲面是由导曲线沿圆盘犁本体的中心连续旋转运动360°得到的曲面，该导曲线符合方程，其中，x的取值范围为0~18。

进一步的，所述的导曲线是在x取值范围为0~18mm内，在x和f(x)方向分别缩放相同比例得到的曲线段。

所述圆盘犁本体的入土角为20~45°，副入土角为3°，其中，圆盘犁本体的入土角是指，当工作时的圆盘犁被竖直放置时，翻土部分的内触土曲面的入土端的最底点的切线与水平线的夹角；圆盘犁本体的副入土角是指，当工作时的圆盘犁被竖直放置时，翻土部分的外触土曲面的入土端的最底点的切线与水平线的夹角。

所述装配部分的中心设有轴孔，且装配部分上沿其周面均布有犁片固定孔。

本发明中，通过环形的翻土部分直径的截面为等厚度，当翻土部分的厚度≤5mm，切削部分的厚度≤0.8mm。当翻土部分的厚度＞5mm，切削部分的厚度≤1mm。

本发明的有益效果为：

其一、本发明中，具有变曲率特性的内触土曲面，在圆盘犁工作过程中，改变了传统的球面圆盘犁内触土曲面上运动土壤应力集中性，使得土壤在沿着内触土曲面运动过程中产生波动效应，达到破碎土壤目的，防止土壤粘附。

其二、通过调整变曲率曲线端的缩放倍数，可更合理地控制圆盘犁的入土角和副入土角，减小切削部分的刃口切割土壤的剪切阻力、土壤在内触土曲面运动的摩擦阻力以及土壤对内触土曲面的粘附，提高圆盘犁的耐磨性能，这样可以有效地降低圆盘犁的工作能耗，获得更大的耕深，提高圆盘犁的工作效率，扩大了圆盘犁的适用范围。

其三、本发明改善了圆盘犁触土曲面的几何形状，将变曲率内触土曲面的几何形状附加在圆盘犁上，即使变曲率的导曲线沿圆盘犁中心绕360°连续运动形成的从回转中心到轮缘轮廓曲线，该几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，对运动的土壤产生引导效应，使土壤颗粒产生滚动效应，并减小界面层的土壤颗粒数量，降低了土壤颗粒与圆盘犁表面的接触几率，由原来的滑动接触占优势改变为以滚动接触为主，使土壤对圆盘犁表面的阻力及粘附性降低，本发明的变曲率圆盘犁耐磨性比传统球面圆盘犁提高40%，工作阻力减小25%，减少土壤粘附性能提高40%。

其四、本发明的变曲率圆盘犁，沿其直径截面与内触土曲面交线是变曲率的，通过合适的调整原变曲率曲线的x、f(x)缩放比例，可以在圆盘犁直径不变的情况下，获得最优的入土角，相比现有技术的普通国标球面圆盘犁，可以在不增加圆盘犁直径、不改变犁组偏角的情况下，保持良好的入土、推土、碎土、翻土等性能；也可以在变曲率曲线取值区间不变情况下，调整放大比例，得到各种直径圆盘，满足不同耕作需要。

附图说明

图1是本发明中导曲线的曲线图及缩放实例曲线图；

图2为本发明中导曲线的曲线图；

图3是本发明的结构图；

图4为图3的右侧视图；

图5为图4中沿C-C线的剖视图；

图6为图5中A部位的放大示意图。

附图标记：1、外触土曲面，2、内触土曲面，3、装配部分，301、轴孔，302、犁片固定孔，4、切削部分。

具体实施方式

一种变曲率减阻圆盘犁，包括一体结构的圆盘犁本体，圆盘犁本体包括与动力装置紧固连接的装配部分3、起主要翻土作用的翻土部分、切入土壤的切削部分4，切削部分4起着切断草茬、切入土壤的作用。如图2和图3所示，圆盘犁本体的中心为用于与动力装置连接的呈平板状的装配部分3，装配部分3的中心设有轴孔301，且装配部分3上沿其周面均布有犁片固定孔302，圆盘犁本体的外缘周面为用于破土的切削部分4，装配部分3与切削部分4之间为等厚度的翻土部分。

其中，圆盘犁本体相对设置的凸凹两面分别为外触土曲面1和内触土曲面2，内触土曲面2是由导曲线沿圆盘犁本体的中心连续旋转运动360°得到的曲面，其主要作用是将切过的土壤翻转破碎，该导曲线符合多项式函数方程

，

其中，x的取值范围为0~18。

所述的导曲线是在x取值范围为0~18mm内，在x和f(x)方向缩放相同比例得到的曲线段，如图2所示。经检验，导曲线的函数方程的拟合度为：。通过控制该变曲率曲线x、f(x)放大倍数，可以设计的不同直径各类圆盘；通过控制该参数方程变量x取值范围，可以获得适应各种土壤的不同切土角。

根据一般的圆盘犁片设计要求，圆盘基本直径D=500mm（根据实际的耕作条件和要求，该值可以参考土壤耕作机械-凹面圆盘JB/T 7877-1999标准调整），厚度s为5mm（根据JB/T 7877-1999标准）。圆盘犁的切削部分4由圆盘犁厚度、如图6所示的入土角α和副入土角β以及刃口厚度h确定。当圆盘犁本体的厚度≤5mm，切削部分4的厚度h≤0.8mm；当圆盘犁本体的厚度＞5mm，切削部分4的厚度h≤1mm。装配部分3中的犁片固定孔302为三个，犁片固定孔的直径11mm。入土角为圆盘犁片内触土曲面外缘径向切线与水平线的夹角α，其取值范围为：20°≤α≤45^o（具体取值可以由耕作条件更改x取值范围获得）；副入土角β为圆盘犁片外触土曲面外缘倒角与水平线的夹角，其取值为3^o。

本发明的图5中，圆盘犁的翻土部分内触土曲面2与圆盘犁径向截面曲线段AB采用具有变曲率函数特性的轮廓线（图1）等比缩放得到。

即在图2中：0≤x≤18（根据实际要求选取合适范围），经x、f(x)同时放大5倍应用到直径D=500mm的圆盘犁翻土部分上，装配部分3采用平面结构通过圆弧与翻土区部分连接。圆盘犁其他结构尺寸在结合实际设计要求和国家机械工业局发布的JB/T 7877-1999标准的基础上确定。

如图1所示的x-f(x)二维坐标系，其中，实线段表示的是导曲线方程在0≤x≤18mm的曲线图；虚线段表示的是，对该导曲线方程x、f(x)方向分别放大4.13倍、13.89倍得到，圆盘犁本体基本直径等于500mm的内触土曲面准线图，内触土曲面是由该导曲线沿圆盘犁本体的中心绕x轴连续旋转运动360°得到的曲面。减阻圆盘犁的基本直径与工作面轴向长度均采用相关圆盘犁国家标准尺寸，通过控制该变曲率曲线x、f(x)放大倍数，可以该圆盘犁适应各耕深，通过控制该变曲率曲线变量x取值范围，可以获得适应各种土壤的切土角。变曲率圆盘犁能够使得土壤沿内触土曲面以部分滚动运动代替滑动运动减小粘附，减小工作阻力；以合适切土角入土，减小入土行程。

研究发现，一些土壤洞穴动物在刨土时，其挖土能力与爪趾的几何特征有直接关系，这种几何结构特征使得这些动物在掘洞挖土过程中，改变了土壤在与其接触表面的运动状态，能够对运动的土壤产生引导效应，使土壤颗粒产生滚动效应，并减小界面层的土壤颗粒数量，降低了土壤颗粒与圆盘犁表面的接触几率，本发明提供了仿生的几何结构，并将具有这种变曲率特性的函数曲线形式的内轮廓曲线应用于圆盘犁结构的仿生设计中，能够显著的降低圆盘犁在工作过程中的阻力。

上述变曲率曲线附加在圆盘犁表面做成实体，根据工作情况，可采用焊接，表面加工处理等方式，适当增加装配部分附近区域厚度，能够增加变曲率圆盘犁使用寿命；上述变曲率脱附减阻几何结构实体的具体尺寸和分布间距应根据具体的工作环境和土壤性质来确定；同时，应考虑到加工工艺性的好坏以及使用成本的高低。加工工艺路线应根据材料特性，现有加工方法来具体制定。通过控制该变曲率曲线x、f(x)放大倍数，可以设计的不同直径各类圆盘；通过控制该参数方程变量x取值范围，可以获得适应各种土壤的不同切土角。而且，这种变曲率结构可应用于诸如锄头、除草铲等多种触土器具的表面。

Claims (3)

1.一种变曲率减阻圆盘犁，包括一体结构的圆盘犁本体，圆盘犁本体的中心为用于与动力装置连接的呈平板状的装配部分（3），圆盘犁本体的外缘周面为用于破土的切削部分（4），装配部分（3）与切削部分（4）之间为等厚度的翻土部分，其特征在于：翻土部分中相对设置的凸凹两面分别为外触土曲面（1）和内触土曲面（2），内触土曲面（2）是由导曲线沿圆盘犁本体的中心连续旋转运动360°得到的曲面，该导曲线符合方程，其中，导曲线是在x取值范围为0~18mm内，在x和f(x)方向分别缩放相同比例得到的曲线段，所述圆盘犁本体的入土角为20~45°，副入土角为3°，所述装配部分（3）的中心设有轴孔（301），且装配部分（3）上沿其周面均布有犁片固定孔（302）。

2.根据权利要求1所述的一种变曲率减阻圆盘犁，其特征在于：所述翻土部分的厚度≤5mm，切削部分（4）的厚度≤0.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种变曲率减阻圆盘犁，其特征在于：所述翻土部分的厚度＞5mm，切削部分（4）的厚度≤1mm。