CN112001045A - 一种适应于沙地的高速翻转犁以及其曲面设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应于沙地的高速翻转犁以及其曲面设计方法，本发明根据高速翻转犁的铧刃角θ0、切土角ε、土垡宽度即犁沟宽度d、载荷角α确定犁铧的设计参数，进而确定所述导曲线、主犁体曲面轮廓、翻土曲元线，最后添加辅助面，即可完成犁体的曲面设计，实现了高速低阻设计；通过限深轮滑杆和调节摇杆的设置，达到了使限深轮快速调节犁架高低的目的；通过犁体和犁柱的设置，提高了更换犁体的速度，通过拉力杆的设置，达到犁架的稳定性和平衡性。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体为一种适应于沙地的高速翻转犁以及其曲面设计方法。
背景技术
在我国设施农业中，农户由于考虑流通的方便性，大都重茬种植，导致病菌滋生，因而迫切需要进行高速翻耕作业。同时为了便于对农作物进行种植，以及使得农作物的生长更加有利，因此在播种之前需要对土壤进行翻土作业，改善土壤的结构，增强土壤的透气性和保水性以及保肥性，为作物的生长创造良好的条件。
随着目前政府对大规模集中种植作业的大力推进，高效高速的犁也急需改进，铧式犁的高速作业对于提高农业装备作业效率和减少碳排放都具有重要意义。应用高速犁体作业，除了可以提高劳动生产率外，还可以减少金属用量，减少保养和改善机组灵活性，使大马力的拖拉机和悬挂犁的机组简单化，研究高速犁体有助于提高国内高速犁的发展，同时能为广大农户在耕作时提供更多的配套选择，降低能耗，节约资源，节省种植成本，为后续高速犁的研究提供一定的理论参考。
由于耕地质量的好坏和动力消耗取决于犁体曲面的设计水平，目前，对犁体曲面的设计难以满足高速耕作的需要，并且存在耕作阻力大、量能力消耗大、耕作效率低下的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种适应于沙地的高速翻转犁以及其曲面设计方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
本发明提出一种适应于沙地的高速翻转犁，包括犁体，所述犁架上通过U型螺杆安装三点悬挂装置，所述犁架上安装拉力杆，所述犁架上安装限深轮滑杆，所述限深轮滑杆上安装调节摇杆，所述限深轮滑杆上安装限深轮，所述犁架上通过U型螺杆安装犁柱，所述犁柱固定连接犁体，所述犁体由犁柱、犁铧、前犁壁、后犁壁组成，所述柱形曲面由前犁壁和后犁壁组合构成，所述前犁壁的胫刃形成内凹形复合曲线，所述犁铧参数包括铧刃角θ0，切土角ε和载荷角α，铧刃角θ0为犁铧刃与犁体前进方向的夹角，切土角ε为犁铧末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角，载荷角α为犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角，其中θ0＝35°，ε＝36.66°，α＝25°,根据所述铧刃角θ0、切土角ε、土垡宽度即犁沟宽度d、载荷角α确定犁铧的设计参数，其中d＝250mm；进而确定所述导曲线、主犁体曲面轮廓、翻土曲元线，最后添加辅助面，即可完成犁体的曲面设计。
本发明还提供了一种适应于沙地的高速翻转犁的曲面设计方法，所述高速翻转犁包括犁架，所述犁架上通过U型螺杆安装三点悬挂装置，所述犁架上安装拉力杆，所述犁架上安装限深轮滑杆，所述限深轮滑杆上安装调节摇杆，所述限深轮滑杆上安装限深轮，所述犁架上通过U型螺杆安装犁柱，所述犁柱固定连接犁壁，犁体由犁柱、犁铧和犁壁组成，所述犁壁由前犁壁和后犁壁组成，犁体曲面由犁壁和犁铧组合构成，所述曲面设计方法包括如下步骤：
步骤1，沙地的高速翻转犁犁铧的设计，首先确定铧刃角θ0、切土角ε、土垡宽度即犁沟宽度d、载荷角α，进而确定犁铧的设计参数；其中铧刃角θ0为犁铧刃与犁体前进方向的夹角，切土角ε为犁铧(15)末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧(15)与地面的夹角，载荷角α为犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧(15)与地面的夹角；
步骤2，确定沙地的高速翻转犁的导曲线；
步骤3，沙地的高速翻转犁主犁体曲面轮廓线的设计，确定元线角与犁体曲面的变化关系式θ＝f(y)，进而确定主犁体曲面轮廓,y为土垡在犁面上运动时的y向坐标；
步骤4，沙地的高速翻转犁翻土曲元线的设计，按照翻土曲元线的变化规律，在每条线段对应的剖面上设计出相应的翻土曲元线；
步骤5，沙地的高速翻转犁犁体曲面的设计，根据所述翻土曲元线以及主犁体曲面外轮廓形成完整的主犁体曲面设计，最后添加辅助面即切土板面和排土板面，从而完成就地翻土犁体曲面的设计。
在有些实施方案中，步骤1中：
高速翻转犁耕作时，土垡被犁体曲面翻转至原犁沟的过程可分为：起土过程、翻垡过程和扣垡过程。在起土过程中根据公式：
tanα＝tanεtanθ0， (I)
其中，公式(1)中θ0为铧刃角(犁铧刃与犁体前进方向的夹角)，铧刃角θ0的角度范围为35°～45°；
其中，公式(1)中ε为切土角(犁铧末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角)，切土角ε的角度范围为0°～45°；
其中，公式(1)中α为载荷角(犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角)，载荷角α的角度范围为20°～30°。
在有些实施方案中，步骤1中：
当犁铧刃全部作用到土壤上时，犁铧刃末端切土板切割土壤形成土垡，此时土垡横剖面底边与地面的夹角θ等于切土角ε，随后土垡将在主犁体曲面被翻转；翻垡过程为土垡形成后，在排土板的引导下，随着犁体前进，土垡进入犁壁部分，土垡在犁壁前部的作用下，其横剖面底边和地面的夹角θ先由ε变为0°，后土垡继续运动至犁壁中后部分，在排土板的引导和犁壁的翻转作用下，土垡横剖面底边和地面的夹角θ由0°变为90°；扣垡过程即土垡运动到犁翼部分时，土垡横剖面底边竖直，此时土垡还未到达翻转的临界状态，犁翼作用于此时土垡的上部，对土垡进一步翻垡，最终使其扣翻在犁沟。
在有些实施方案中，步骤2中：
导曲线是从犁铧末端开始依次经过犁颈、犁壁、犁翼的曲线，导曲线是一段空间的曲线。曲线表示土垡横剖面底边与地面夹角θ在犁颈的引导下由ε变化到0°，在犁壁的引导下从0°变化到90°，最后在犁翼的作用下由90°变为180°即土垡最终翻转至原犁沟的过程，在俯视方向上这段曲线为一抛物线或者圆弧，其离犁沟中线的最远距离称为开度，开度用I表示，单位为mm，I影响犁壁对土垡的引导作用，I越大则引导作用越强，总长L即土垡经过犁颈、犁壁(12)到犁翼所需要的犁体曲面的长度，L的设计长度越长，则土垡翻转慢，所需I减少；反之则土垡翻转的快，所需I增大。
导曲线结束的点在原犁沟宽中线上，曲线最高点即为土垡翻转至90°的位置，土垡经过犁壁和犁翼时，土垡横剖面底边均翻转90°，经过犁壁时从0°翻转至90°与经过犁翼时从90°翻转至180°所需要的犁体长度不同，因为土垡在经过犁壁时，需克服重力延续土垡经过犁铧后的提升趋势，加之抬垡需要做功，所消耗的能量更大，因此犁体曲面长度更长。
当经过犁翼部分时，土垡重心位置已接近翻转的临界点，引导土垡路径借助重力作用使其翻转至原沟，因此，所需犁体曲面长度更短，犁壁长度与犁翼长度的比例为1.6～2.0，导曲线最高点与土垡横剖面底边零度线所在点的连线与地面的夹角γ称为提升角,则提升角γ＝21°。提升角γ过大则土垡需要克服的重力增大，导致耗能高，而提升角γ过小则在犁体工作速度快时影响犁壁对土垡的翻转效果。
在有些实施方案中，步骤3中：
元线角与犁体曲面(14)的变化关系式：
θ＝f(y)， (2)
其中，θ＝0.3y-27时，y的取值范围为(90，390]；
其中，θ＝0.00164y2-2.053y+640.6时，y的取值范围为(390,584]；
其中，θ＝-0.2778y+25时，y的取值范围为[0,90]。
在有些实施方案中，步骤4中：
所述翻土曲元线包括元线角变化规律和翻土曲线变化规律，元线角变化规律：犁铧切土形成土垡后，土垡开始沿高速翻转犁的犁体曲面翻转，主要经历了三个过程，即在犁颈上翻转至水平、在犁壁上翻转侧被抬起至竖直、在犁翼上被翻转至原犁沟，土垡横剖面底边与地面的夹角θ依次经历了犁颈上ε～0°、犁壁上0°～90°和犁翼上90°～180°三个过程，元线为土垡横剖面底边所在的直线，元线与地面的夹角即土垡横剖面底边与地面的夹角θ定义其为元线角，其沿y轴负方向的变化规律为元线角变化规律，翻土曲线变化规律：土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，土垡不能完全按照元线角的变化规律翻转，犁铧作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线沿y轴负方向的变化规律为翻土曲线变化规律。
所述翻土曲线与犁体曲面(14)的变化关系式：θ2-θ＝f(y)，当θ2-θ＝0.1111y时，y的取值范围为[0，90],当θ2-θ＝-0.0005775y2+0.30799y-13.03时，y的取值范围为(90,390],当θ2-θ＝-0.09897y+57.8时，y的取值范围为(390,584]；翻土曲线与犁体曲面(14)的变化关系式：θ-θ1＝f(y)，当θ-θ1＝0.07778y时，y的取值范围为[0，90],当θ-θ1＝-0.00082y2+0.5y-30.86时，y的取值范围为(90,390],当θ-θ1＝-0.01546y+90.31时，y的取值范围为(390,584]，其中关系式中,θ为元线角,元线角的大小决定着这个翻土曲线的斜度,θ1为翻土曲线在土垡铧切侧处切线与地面的夹角，θ2为翻土曲线在土垡翻转侧处切线与地面的夹角，θ2-θ与θ-θ1的大小则直观的反映了翻土曲线的弯曲程度以及翻土曲线变化规律。
土垡经过犁翼部位时，重心已经越过土垡翻转边界，土垡即将脱离主犁体曲面。越靠近犁翼尾部，犁翼对土垡的翻转作用就越小，因此应在土垡刚进入犁翼部分时就具有较大翻转力度使角度迅速减小，即较大的斜率|k|。
在有些实施方案中，步骤5中：
根据所述土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，不能完全按照元线的变化规律翻转，犁铧作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，元线角的变化规律确定了土垡沿导曲线运动时姿态的变化，但由于土垡不是刚体，在实际耕作时，土垡的底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，不能完全按照元线的变化规律翻转，犁铧作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线可近似的认为是抛物线，抛物线的曲率应根据土型、耕速等因素确定。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、该高速翻转犁对犁体曲面进行了优化设计，能够实现高速低阻作业，能耗低，性能稳定，可以全面提高耕作效率与作业速度。
2、该高速翻转犁能够实现土垡无侧移原沟翻转的特性，能够解决设施农业中铧式犁耕作时留沟等问题。
3、该高速翻转犁能够实现多深度作业与其它限深装置相比，本装置可利用机械式限深轮的调节，通过控制限深轮的高度可以有效控制犁的入土深度，相比固定限深轮有可调节的便利及优势。
4、该高速翻转犁能够根据实际需求调节犁地时犁体间距，与其余固定式相比，本设计灵活多变，可根据实际需求调节犁体间距，适时调节犁体间距；相比固定结构，本结构更具灵活与多功能。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明犁组件结构示意图；
图3为本发明犁体结构示意图；
图4为本发明轮子组件结构示意图；
图5为本发明犁体曲面导曲线示意图；
图6为本发明犁铧部分示意图。
图中：1、高速翻转犁；2、轮子组件；3、犁架；4、上部三点悬挂装置；5、下部三点悬挂装置；6、U型螺杆；7、拉力杆；8、犁组件；9、犁柱；10、犁托；11、犁侧板；12、犁壁；13、犁翼；14、犁体曲面；15、犁铧；16、调节摇杆；17、限深轮滑杆；18、限深轮；
具体实施方式
为了更好的解释本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1至图6，本发明提供技术方案：一种适应于沙地的高速翻转犁以及其曲面设计方法，所述高速翻转犁包括犁架3，所述犁架3上通过U型螺杆6安装三点悬挂装置4、5，所述犁架3上安装拉力杆7，所述犁架3上安装限深轮滑杆17，所述限深轮滑杆17上安装调节摇杆16，所述限深轮滑杆17上安装限深轮18，所述犁架3上通过U型螺杆6安装犁柱9，所述犁柱9固定连接犁壁12，犁体由犁柱9、犁铧15和犁壁12组成，所述犁壁12由前犁壁和后犁壁组成，犁体曲面14由犁壁12和犁铧15组合构成，所述高速翻转犁1耕作时，土垡被犁体曲面14翻转至原犁沟的过程可分为：起土过程、翻垡过程和扣垡过程。在起土过程中根据公式：tanα＝tanεtanθ0，其中，铧刃角θ0(犁铧刃与犁体前进方向的夹角)的角度范围为35°～45°，切土角ε(犁铧末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角)角度范围为0°～45°，载荷角α(犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角)角度范围为20°～30°。
所述高速翻转犁1耕作时，当犁铧刃全部作用到土壤上时，犁铧刃末端切土板切割土壤形成土垡，此时土垡横剖面底边与地面的夹角θ等于切土角ε，随后土垡将在犁体曲面14被翻转；翻垡过程为土垡形成后，在排土板的引导下，随着犁体前进，土垡进入犁壁12部分，土垡在犁壁12前部的作用下，其横剖面底边和地面的夹角θ先由ε变为0°，后土垡继续运动至犁壁12中后部分，在排土板的引导和犁壁12的翻转作用下，土垡横剖面底边和地面的夹角θ由0°变为90°；扣垡过程即土垡运动到犁翼13部分时，土垡横剖面底边竖直，此时土垡还未到达翻转的临界状态，犁翼13作用于此时土垡的上部，对土垡进一步翻垡，最终使其扣翻在犁沟。
所述导曲线是从犁铧15末端开始依次经过犁颈、犁壁12和犁翼13的曲线，导曲线是一段空间的曲线。曲线表示土垡横剖面底边与地面夹角θ在犁颈的引导下ε变化到0°，在犁壁12的引导下从0°变化到90°，最后在犁翼13的作用下由90°变为180°即土垡最终翻转至原犁沟的过程，在俯视方向上这段曲线为一抛物线或者圆弧，其离犁沟中线的最远距离称为开度I，开度I影响犁壁12对土垡的引导作用，I越大则引导作用越强，总长L即土垡经过犁颈、犁壁12到犁翼13所需要的犁体曲面14的长度，L的设计长度越长，则土垡翻转慢，所需开度I减少；反之则土垡翻转的快，所需开度增大。
所述元线角与犁体曲面14的变化关系式：θ＝f(y)，当θ＝0.3y-27时，y的取值范围为(90，390],当θ＝0.00164y2-2.053y+640.6时，y的取值范围为(390,584],当θ＝-0.2778y+25时，y的取值范围为[0,90]。
所述翻土曲元线包括元线角变化规律和翻土曲线变化规律，元线角变化规律：犁铧15切土形成土垡后，土垡开始沿高速翻转犁犁体曲面翻转，主要经历了三个过程，即在犁颈上翻转至水平、在犁壁12上翻转侧被抬起至竖直、在犁翼13上被翻转至原犁沟，土垡横剖面底边与地面的夹角θ依次经历了犁颈上ε～0°、犁壁12上0°～90°和犁翼13上90°～180°三个过程，元线为土垡横剖面底边所在的直线，元线与地面的夹角即土垡横剖面底边与地面的夹角θ定义其为元线角，其沿y轴负方向的变化规律为元线角变化规律，翻土曲线变化规律：土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，土垡不能完全按照元线角的变化规律翻转，犁铧15作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面14翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线沿y轴负方向的变化规律为元线角变化规律为翻土曲线变化规律。
所述土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，不能完全按照元线的变化规律翻转，犁铧15作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面14翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，元线角的变化规律确定了土垡沿导曲线运动时姿态的变化，但由于土垡不是刚体，在实际耕作时，土垡的底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，不能完全按照元线的变化规律翻转，犁铧15作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面14翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线可近似的认为是抛物线，抛物线的曲率应根据土型、耕速等因素确定。
具体地，高速翻转犁的曲面设计方法可分为如下步骤：
步骤1，沙地的高速翻转犁犁铧的设计，首先确定铧刃角θ0、切土角ε、土垡宽度即犁沟宽度d、载荷角α，进而确定犁铧的设计参数；
如图1和图3所示，高速翻转犁1耕作时，土垡被犁体曲面14翻转至原犁沟的过程可分为：起土过程、翻垡过程和扣垡过程。在起土过程中根据公式：
tanα＝tanεtanθ0， (1)
其中，公式(1)中θ0为铧刃角(犁铧刃与犁体前进方向的夹角)，铧刃角θ0的角度范围为35°～45°；
其中，公式(1)中ε为切土角(犁铧末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角)，切土角ε的角度范围为0°～45°；
其中，公式(1)中α为载荷角(犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧与地面的夹角)，载荷角α的角度范围为20°～30°。
如图所示，所述高速翻转犁1耕作时，当犁铧刃全部作用到土壤上时，犁铧刃末端切土板切割土壤形成土垡，此时土垡横剖面底边与地面的夹角θ等于切土角ε，随后土垡将在主犁体曲面14被翻转；翻垡过程为土垡形成后，在排土板的引导下，随着犁体前进，土垡进入犁壁12部分，土垡在犁壁12前部的作用下，其横剖面底边和地面的夹角θ先由ε变为0°，后土垡继续运动至犁壁12中后部分，在排土板的引导和犁壁12的翻转作用下，土垡横剖面底边和地面的夹角θ由0°变为90°；扣垡过程即土垡运动到犁翼13部分时，土垡横剖面底边竖直，此时土垡还未到达翻转的临界状态，犁翼13作用于此时土垡的上部，对土垡进一步翻垡，最终使其扣翻在犁沟。
步骤2，确定沙地的高速翻转犁的导曲线。根据农业技术要求，分别在侧视图和俯视图上确定导曲线参数；
如图2和图3所示，所述导曲线是从犁铧15末端开始依次经过犁颈、犁壁12和犁壁的曲线，导曲线是一段空间的曲线。曲线表示土垡横剖面底边与地面夹角θ在犁颈的引导下由ε变化到0°，在犁壁12的引导下从0°变化到90°，最后在犁翼13的作用下由90°变为180°即土垡最终翻转至原犁沟的过程，在俯视方向上这段曲线为一抛物线或者圆弧，其离犁沟中线的最远距离称为开度I，开度I影响犁壁对土垡的引导作用，I越大则引导作用越强，总长L即土垡经过犁颈、犁壁12到犁翼13所需要的犁体曲面14的长度，L的设计长度越长，则土垡翻转慢，所需开度l减少；反之则土垡翻转的快，所需开度增大。
所述导曲线结束的点在原犁沟宽中线上，导曲线最高点即为土垡翻转至90°的位置，土垡经过犁壁12和犁翼13时，土垡横剖面底边均翻转了90°，其经过犁壁12从0°翻转至90°与经过犁翼13从90°翻转至180°所需要的犁体长度不同。所述经过犁翼13部分时，土垡重心位置已接近翻转的临界点，仅需引导土垡路径借助重力作用使其翻转至原沟，所需犁体曲面14长度更短，犁壁12长度与犁翼13长度的比例为1.6～2.0，所述导曲线最高点与土垡横剖面底边零度线所在点的连线与地面的夹角γ称为提升角,则提升角γ＝21°。
步骤3，沙地的高速翻转犁主犁体曲面轮廓线的设计，确定元线角与犁体曲面14的变化关系式，进而确定主犁体曲面轮廓,y为土垡在犁面上运动时的y向坐标；
如图所示，所述元线角与犁体曲面14的变化关系式：
θ＝f(y)， (2)
其中，θ＝0.3y-27时，y的取值范围为(90，390]；
其中，θ＝0.00164y2-2.053y+640.6时，y的取值范围为(390,584]；
其中，θ＝-0.2778y+25时，y的取值范围为[0,90]。
步骤4，沙地的高速翻转犁翻土曲元线的设计，按照翻土曲元线的变化规律，在每条线段对应的剖面上设计出相应的翻土曲元线；
如图所示，所述翻土曲元线包括元线角变化规律和翻土曲线变化规律，元线角变化规律：犁铧15切土形成土垡后，土垡开始沿高速翻转犁的犁体曲面翻转，主要经历了三个过程，即在犁颈上翻转至水平、在犁壁12上翻转侧被抬起至竖直、在犁翼13上被翻转至原犁沟，土垡横剖面底边与地面的夹角θ依次经历了犁颈上ε～0°、犁壁12上0°～90°和犁翼13上90°～180°三个过程，元线为土垡横剖面底边所在的直线，元线与地面的夹角即土垡横剖面底边与地面的夹角θ定义其为元线角，其沿y轴负方向的变化规律为元线角变化规律，翻土曲线变化规律：土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，土垡不能完全按照元线角的变化规律翻转，犁铧15作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面14翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线沿y轴负方向的变化规律为翻土曲线变化规律。
所述翻土曲线与犁体曲面14的变化关系式：θ2-θ＝f(y)，当θ2-θ＝0.1111y时，y的取值范围为[0，90],当θ2-θ＝-0.0005775y2+0.30799y-13.03时，y的取值范围为(90,390],当θ2-θ＝-0.09897y+57.8时，y的取值范围为(390,584]；翻土曲线与犁体曲面14的变化关系式：θ-θ1＝f(y)，当θ-θ1＝0.07778y时，y的取值范围为[0，90],当θ-θ1＝-0.00082y2+0.5y-30.86时，y的取值范围为(90,390],当θ-θ1＝-0.01546y+90.31时，y的取值范围为(390,584]，其中关系式中,θ为元线角,元线角的大小决定着这个翻土曲线的斜度,θ1为翻土曲线在土垡铧切侧处切线与地面的夹角，θ2为翻土曲线在土垡翻转侧处切线与地面的夹角，θ2-θ与θ-θ1的大小则直观的反映了翻土曲线的弯曲程度以及翻土曲线变化规律。
步骤5，沙地的高速翻转犁犁体曲面的设计，根据所述翻土曲元线以及主犁体曲面外轮廓形成完整的主犁体曲面设计，最后添加辅助面即切土板面和排土板面，从而完成就地翻土犁体曲面的设计。
如图所示，根据所述土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，不能完全按照元线的变化规律翻转，犁铧15作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面14翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，元线角的变化规律确定了土垡沿导曲线运动时姿态的变化，但由于土垡不是刚体，在实际耕作时，土垡的底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，不能完全按照元线的变化规律翻转，犁铧15作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面14翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线可近似的认为是抛物线，抛物线的曲率应根据土型、耕速等因素确定。
当犁铧刃全部作用到土壤上时，犁铧刃末端切土板切割土壤形成土垡，此时土垡横剖面底边与地面的夹角θ等于切土角ε，随后土垡将在主犁体曲面14被翻转；翻垡过程为土垡形成后，在排土板的引导下，随着犁体前进，土垡进入犁壁12部分，土垡在犁壁12前部的作用下，其横剖面底边和地面的夹角θ先由ε变为0°，后土垡继续运动至犁壁12中后部分，在排土板的引导和犁壁12的翻转作用下，土垡横剖面底边和地面的夹角θ由0°变为90°；扣垡过程即土垡运动到犁翼13部分时，土垡横剖面底边竖直，此时土垡还未到达翻转的临界状态，犁翼13作用于此时土垡的上部，对土垡进一步翻垡，最终使其扣翻在犁沟。
根据上述犁铧参数、导曲线参数、翻土曲元变化规律可完成主犁体曲面的设计，随后添加辅助面即切土板面和排土板面即完成犁体曲面的设计。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换及本发明的各个技术方案显而易见的改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适应于沙地的高速翻转犁，包括犁架(3)，其特征在于：所述犁架(3)上通过U型螺杆(6)安装有三点悬挂装置(4，5)，所述犁架(3)上安装拉力杆(7)，所述犁架(3)上安装限深轮滑杆(17)，所述限深轮滑杆(17)上安装调节摇杆(16)，所述限深轮滑杆(17)上安装限深轮(18)，所述犁架(3)上通过U型螺杆(6)安装犁柱(9)，所述犁柱(9)固定连接犁壁(12)，犁体由犁柱(9)、犁铧(15)和犁壁(12)组成，所述犁壁(12)由前犁壁和后犁壁组成，犁体曲面(14)由犁壁(12)和犁铧(15)组合构成，所述前犁壁的胫刃形成内凹形复合曲线，所述犁铧(15)参数包括铧刃角θ0，切土角ε和载荷角α，铧刃角θ0为犁铧刃与犁体前进方向的夹角，切土角ε为犁铧(15)末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧(15)与地面的夹角，载荷角α为犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧(15)与地面的夹角，其中θ0＝35°，ε＝36.66°，α＝25°，根据所述铧刃角θ0、切土角ε、土垡宽度即犁沟宽度d、载荷角α确定犁铧的设计参数，其中d＝250mm；进而确定所述导曲线、主犁体曲面轮廓、翻土曲元线，最后添加辅助面，即可完成犁体的曲面设计。
2.一种适应于沙地的高速翻转犁的曲面设计方法，所述高速翻转犁包括犁架(3)，所述犁架(3)上通过U型螺杆(6)安装三点悬挂装置(4，5)，所述犁架(3)上安装拉力杆(7)，所述犁架(3)上安装限深轮滑杆(17)，所述限深轮滑杆(17)上安装调节摇杆(16)，所述限深轮滑杆(17)上安装限深轮(18)，所述犁架(3)上通过U型螺杆(6)安装犁柱(9)，所述犁柱(9)固定连接犁壁(12)，犁体由犁柱(9)、犁铧(15)和犁壁(12)组成，所述犁壁(12)由前犁壁和后犁壁组成，犁体曲面(14)由犁壁(12)和犁铧(15)组合构成，其特征在于，所述曲面设计方法包括如下步骤：
步骤1，沙地的高速翻转犁犁铧的设计，首先确定铧刃角θ0、切土角ε、土垡宽度即犁沟宽度d、载荷角α，进而确定犁铧的设计参数；其中铧刃角θ0为犁铧刃与犁体前进方向的夹角，切土角ε为犁铧(15)末端在垂直于犁体前进方向的剖面上犁铧(15)与地面的夹角，载荷角α为犁尖平行于犁体前进方向的剖面上犁铧(15)与地面的夹角；
步骤2，确定沙地的高速翻转犁的导曲线；
步骤3，沙地的高速翻转犁主犁体曲面轮廓线的设计，确定元线角与犁体曲面14的变化关系式θ＝f(y)，进而确定主犁体曲面轮廓，y为土垡在犁面上运动时的y向坐标；
步骤4，沙地的高速翻转犁翻土曲元线的设计，按照翻土曲元线的变化规律，在每条线段对应的剖面上设计出相应的翻土曲元线；
步骤5，沙地的高速翻转犁犁体曲面的设计，根据所述翻土曲元线以及主犁体曲面外轮廓形成完整的主犁体曲面设计，最后添加辅助面即切土板面和排土板面，从而完成就地翻土犁体曲面的设计。
3.根据权利要求2所述的曲面设计方法，其特征在于：
步骤1中：
所述高速翻转犁耕作时，土垡被犁体曲面(14)翻转至原犁沟的过程分为：起土过程、翻垡过程和扣垡过程；在起土过程中根据公式：tanα＝tanεtanθ0，其中，铧刃角θ0的角度范围为35°～45°，切土角ε角度范围为0°～45°，载荷角α角度范围为20°～30°。
4.根据权利要求3所述的曲面设计方法，其特征在于：
步骤1中：
所述高速翻转犁耕作时，当犁铧(15)全部作用到土壤上时，犁铧(15)末端切土板切割土壤形成土垡，此时土垡横剖面底边与地面的夹角θ等于切土角ε，随后土垡将在主犁体曲面被翻转；翻垡过程为土垡形成后，在排土板的引导下，随着犁体前进土垡进入犁壁(12)部分，土垡在犁壁(12)前部的作用下，其横剖面底边和地面的夹角θ先由ε变为0°，然后土垡继续运动至犁壁(12)中后部分，在排土板的引导和犁壁(12)的翻转作用下，土垡横剖面底边和地面的夹角θ由0°变为90°；扣垡过程即土垡运动到犁翼(13)部分时，土垡横剖面底边竖直，此时土垡还未到达翻转的临界状态，犁翼(13)作用于此时土垡的上部，对土垡进一步翻垡，最终使其扣翻在犁沟。
5.根据权利要求4所述的曲面设计方法，其特征在于，
步骤2中：
所述导曲线是从犁铧(15)末端开始依次经过犁颈、犁壁(12)和犁翼(13)的曲线，导曲线是一段空间的曲线，所述导曲线表示土垡横剖面底边与地面夹角θ在犁颈的引导下由ε变化到0°，在犁壁(12)的引导下从0°变化到90°，最后在犁翼(13)的作用下由90°变为180°即土垡最终翻转至原犁沟的过程，在俯视方向上这段曲线为一抛物线或者圆弧，其离犁沟中线的最远距离称为开度I，其中I＝150mm，开度I影响犁壁对土垡的引导作用，I越大则引导作用越强，总长L即土垡经过犁颈、犁壁(12)到犁翼(13)所需要的犁体曲面(14)的长度，L的设计长度越长，则土垡翻转慢，所需开度I减少；反之则土垡翻转的快，所需开度增大。
6.根据权利要求5所述的曲面设计方法，其特征在于，
所述导曲线结束的点在原犁沟宽中线上，导曲线最高点即为土垡翻转至90°的位置，土垡经过犁壁(12)和犁翼(13)时，土垡横剖面底边均翻转了90°，其经过犁壁(12)从0°翻转至90°与经过犁翼(13)从90°翻转至180°所需要的犁体长度不同。
7.根据权利要求6所述的曲面设计方法，其特征在于，
所述经过犁翼(13)部分时，土垡重心位置已接近翻转的临界点，仅需引导土垡路径借助重力作用使其翻转至原沟，所需犁体曲面(14)长度更短，犁壁(12)长度与犁翼(13)长度的比例为1.6～2.0，所述导曲线最高点与土垡横剖面底边零度线所在点的连线与地面的夹角γ称为提升角，则提升角γ＝21°。
8.根据权利要求7所述的曲面设计方法，其特征在于，
步骤3中：
所述元线角与犁体曲面(14)的变化关系式：θ＝f(y)，当θ＝-0.2778y+25时，y的取值范围为[0，90]，当θ＝0.3y-27时，y的取值范围为(90，390]，当θ＝0.00164y2-2.053y+640.6时，y的取值范围为(390，584]。
9.根据权利要求8所述的曲面设计方法，其特征在于，
步骤4中：
所述翻土曲元线包括元线角变化规律和翻土曲线变化规律，元线角变化规律：犁铧(15)切土形成土垡后，土垡开始沿高速翻转犁的犁体曲面翻转，主要经历了三个过程，即在犁颈上翻转至水平、在犁壁(12)上翻转侧被抬起至竖直、在犁翼(13)上被翻转至原犁沟，土垡横剖面底边与地面的夹角θ依次经历了犁颈上ε～0°、犁壁(12)上0°～90°和犁翼(13)上90°～180°三个过程，元线为土垡横剖面底边所在的直线，元线与地面的夹角即土垡横剖面底边与地面的夹角θ定义其为元线角，其沿y轴负方向的变化规律为元线角变化规律，翻土曲线变化规律：土垡横剖面底边在犁体上翻转时会有一定程度的弯曲，土垡不能完全按照元线角的变化规律翻转，犁铧(15)作用土壤形成土垡后，土垡沿着犁体曲面(14)翻转，其剖面底边弯曲形成的曲线即称为翻土曲线，翻土曲线沿y轴负方向的变化规律为翻土曲线变化规律。
10.根据权利要求8所述的曲面设计方法，其特征在于，
步骤4中：
所述翻土曲线与犁体曲面(14)的变化关系式：θ2-θ＝f(y)，当θ2-θ＝0.1111y时，y的取值范围为[0，90]，当θ2-θ＝-0.0005775y2+0.30799y-13.03时，y的取值范围为(90，390]，当θ2-θ＝-0.09897y+57.8时，y的取值范围为(390，584]；翻土曲线与犁体曲面(14)的变化关系式：θ-θ1＝f(y)，当θ-θ1＝0.07778y时，y的取值范围为[0，90]，当θ-θ1＝-0.00082y2+0.5y-30.86时，y的取值范围为(90，390]，当θ-θ1＝-0.01546y+90.31时，y的取值范围为(390，584]，其中关系式中，θ为元线角，元线角的大小决定着这个翻土曲线的斜度，θ1为翻土曲线在土垡铧切侧处切线与地面的夹角，θ2为翻土曲线在土垡翻转侧处切线与地面的夹角，θ2-θ与θ-θ1的大小则直观的反映了翻土曲线的弯曲程度以及翻土曲线变化规律。
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