[发明专利]土壤深松铲柄等强度减薄增宽的减阻设计方法

说明书

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。