深松机深松铲动力学分析

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摘要： 深松铲所受阻力是深松机重要的阻力来源，本文介绍了典型深松铲的结构形式，以凿型深松铲为例运用动力学理论对深松铲进行力学分析，建立了深松铲工作阻力数学模型，确定了深松铲的工作参数、土壤类型、土壤物理机械性质等因素与深松铲工作阻力之间的函数关系。分析了深松铲的铲面倾角、工作速度、松土深度等因素对深松机工作阻力的影响，以寻求深松铲最佳的工作参数。

Abstract: Based on dynamic analysis of a subsoiler and soil, a calculating model aboutworking resistance of the subsoiler was set up, meantime the relationship between the working resistance of the subsoiler and working parameters of the subsoiler，soil types, soil performances in physics andmechanism was put forward． The optimum parameters of the subsoiler, the influences of plane obliquity, working speed, fracturing depth and breadth of the subsoiler on the working resistance of the subsoiler were analyzed respectively．

关键词： 农业机械；深松机；深松铲；阻力；性能分析

Key words: agricultural machinery；deep cultivator；subsoiler；resistance；performance analysis

中图分类号：S222.12+9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0042-02

0 引言

深松铲是深松机的主要工作部件[1]，深松机工作时，在拖拉机的牵引力作用下，深松铲通过对土壤进行剪切、挤压、切削、撕裂[3]与弯曲达到对耕地深层土壤进行松碎和打破犁底层。深松铲将受到来自土壤的摩擦和挤压等阻力作用，并将阻力传送到深松机整体。以往文献在讨论深松机工作阻力时，没有充分考虑土壤类型、土壤机械性质等因素对深松铲工作阻力的影响，导致深松机工作阻力的理论分析值与实际工作阻力偏差较大。本文应用动力学理论对深松铲进行力学分析，结合土壤物理和力学特性重点讨论深松铲铲面倾角、深松机工作速度等因素对深松铲工作阻力的影响。

1 深松铲的结构形式与工作参数

深松铲分为三种型式[2]：凿形深松铲；箭形（鸭掌）深松铲；双翼深松铲。本文以凿形深松铲为例研究深松铲的阻力特性。如图1所示，深松铲工作参数包括结构参数和作业参数，结构参数主要有铲面长度l、铲面宽度b等；作业参数主要有工作速度v0、铲面倾角（入土角）α、工作深度d等。

2 深松铲动力学分析

深松铲的作业对象主要是土壤。影响其工作性能的土壤物理机械性质主要有：土壤强度、土壤含水率、土壤内聚力、土壤附着力、土壤外摩擦因数、土壤内摩擦因数、土壤密度等[5～8]。

根据图2对深松铲的受力分析可以得出深松铲的力学平衡方程，其中，水平方向的力学平衡方程式为：

F0=N0sinα+μN0cosα+kbcosα+CaA0cosα（1）

式中F0为牵引力，（N）；μ为土壤与铲面的摩擦因数；N0为深松铲的法向载荷，（N）；k为单位幅宽土壤的纯切削阻力，（N/m）；b为铲面宽度，（m）；Ca为土壤与铲面的附着力因数，（N/m2）；A0为 深松铲的铲面面积，（m2）；α为铲面倾角，（°）。

根据牛顿第三定律，土壤对深松铲的总阻力为F=F0 （2）

土壤对深松铲的阻力中纯切削阻力很小，只有当深松铲遇到土壤中的石头或数根等杂物，再或深松铲刃口变钝时，切削阻力才重要[1]。深松机正常工作时是不存在以上情况的，所以，正常工作时土壤对深松铲总阻力中的切削阻力可以忽略不计，由此可得出无切削阻力时土壤对深松铲总阻力为F′=F-kbcosα（3）

结合式（1）、（2）得出土壤深松铲总阻力为

F′=N0sinα+μN0cosα+CaA0cosα（4）

将深松铲工作时支撑的土壤团块分离出来作为研究对象，受力分析如图3所示，根据力学平衡原理可得出垂直方向的力学平衡方程式G-N0（cosα-μsinα）-N1（cosβ-μ′sinβ）+（CA1+F1）sinβ+CaA0sinα=0（5）

式中G为土壤所受重力，（N）；N1为作用于前失效面的法向载荷，（N）；μ′为土壤内摩擦因数；α为内摩擦角，（°）；β为前失效面倾角，（°）；A1为土壤剪切面积，（m2）；C为单位面积土壤内聚力，（N/m2）；F1为单位面积土壤的加速力，（N）。

参考文献：

[1]牛彦，王瑞丽．深松铲的模态试验与分析[J]．农机化研究，2008，（01）：45-47.

[2]JB/T 9788－1999．深松铲和深松铲柄[S]．

[3]王振卿．1SY-180型深松机的设计与研究[J].农业技术与装备，2009，（04）:20-21.

[4]许万同，许连永，霍红伟．深松机深松铲的碎土方式及受力分析[J]，中国新技术新产品，2010，（08）:11-12.

[5]吉尔，范德伯奇．耕作和牵引土壤动力学．北京：中国农业出版社，1983．

[6]桑正中．农业机械学（上册）．北京：机械工业出版社，1988．

[7]李自华，柯保康．农业机械学（上册）．北京：农业出版社，1981．

[8]孙一源，高行方．农业土壤力学．北京：中国农业出版社，1986．