第四节 犁体外载及犁耕牵引阻力

第四节犁体外载及犁耕牵引阻力

一.犁体外载特性二.犁耕牵引阻力及高略契金有理公式三.犁耕土壤比阻的概念四.影响牵引阻力的因素和减少阻力的措施五.犁耕机组的配套计算一.犁体外载特性——犁的受力特征由于犁体曲面是一个既不规则又不对称的空间任意曲面，犁耕过程中，土壤对曲面的作用力成为一空间任意力系，在一般情况下，他们不可能简化成为一个合力。这样一个外载测量是十分困难的，只能用近似的方法来解决，目前，国内最常用的方法是六分力法。RXZY测量原理：利用物体在空间受外力作用时，他将有六个自由度的结论，如果将这六个自由度全部给以约束，则该物体将处于静止状态，这说明六个约束力与可使物体产生运动的外力是等价的，若能测得这六个约束力，我们就可获得物体所受到的外力。例如：一个空间物体受到重力作用时他将下落，这个外力的大小我们不得而之，但如果给该物体一个约束力使该物体处于相对静止状态，测量这个约束力的大小，我们就可获得外力的大小，如图所示：P为约束力。MmgP采取同样的方法，将犁体和犁架置于测量空间，由于土壤空间力系的作用，机组可能产生上下前后左右的运动，如果在可能运动的方向上施加等价约束，那么机架将处于相对静止的状态，测量这些约束力，即可获得犁体所受到的外力。RCCCCCC测力元件测力传感器的工作原理被测物体应变片应变片被测物体受拉R↑受压R↓应变片电阻值的变化可应用电桥平衡原理测得：VR1R2R3RXRX↑↓→V≠0犁体外载根据不同的测量方法或分析的要求不同，所表达的方法也不同，主要有三种方法：1.六分力法：将X、Y、Z三个方向的力向铧尖简化，可得主矢量的3个分量Rx、Ry、Rz和主矩的3个分量Mx、My、Mz。x2.坐标平面法：将测得的外力分别向三个坐标平面投影（简化）得3个平面力系：Rxy、Rxz、Ryz。3.力螺旋法：将测得的所有外力向犁体曲面某一点简化，将3个分力和3个分力矩合成一个主矢力R和一个主力矩M。Rx可作为决定牵引力大小的重要依据。二.犁耕牵引阻力研究力的特性及大小的目的有2个：一是给机组设计提供依据，二是为使用提供依据。例如Rx就可作为犁耕牵引阻力。犁耕牵引阻力——耕作时，作用在犁上的总阻力的纵向水平分力。该力与拖拉机前进方向相反，可由拖拉机的牵引力来平衡。RxzRxRxyRx农机机组在工作时，作用于工作部件上的土壤阻力的纵向水平分力与拖拉机的动力中心线共线，且牵引阻力与拖拉机牵引力大小相等，方向相反——正牵引。PRxyRxRy否则，将出现偏牵引、斜牵引、偏斜牵引。阻力中心位置与阻力方向对犁耕机组直线行驶的影响正牵引斜牵引偏牵引偏斜牵引

由于到目前为止，我们对土壤的物理机械性质了解不够，无法得到犁耕牵引阻力的数学力学模型，只能用测量结果处理后的经验公式来描述。目前，最经典的经验表达式是：

高略契金有理公式动态阻力项静态阻力项综合摩擦项式中：f—综合摩擦系数，0.3～0.5；

G—犁体重量（kg）；

fG—摩擦项；

Koab—静态阻力项;

Ko—静态阻力系数，一般为0.2～0.7；

a—单犁体耕深（cm）；

b—单犁体耕宽（cm）；

εabV2—动态阻力项；

ε—动态阻力系数，250～400；

V—机组速度（m/s）。该公式的最大贡献是考虑了速度对犁耕牵引阻力的影响，但公式经常用作理论分析，实用价值不大，一般用犁耕土壤比阻法来表示犁耕牵引阻力的大小。三.犁耕土壤比阻犁耕土壤比阻——单位耕作横断面上的纵向水平分力。用Ko表示（kg/cm2，或N/cm2）。一般为0.4～0.6kg/cm2式中：Rx—土壤阻力，kg

a—单犁体耕深，cm

b—单犁体耕宽，cm

n—犁铧数量四.影响牵引阻力的因素和减少阻力的措施1.影响牵引阻力的因素犁体曲面形状表曲面光滑程度铧刃锋锐程度耕深与耕宽前进速度土壤状况等2.减少阻力的措施⑴降低无效阻力：减轻犁的重量，增强曲面光滑程度，提高铧刃的锋锐程度等；等速磨损一种材料软质材料硬质材料自磨锐仿生学应用——脱土减阻pronotumlabrum臭蜣螂（雄）表面形态CoprisochusMotschulsky

雌性臭蜣螂(a)雌性臭蜣螂前胸背板(b)步甲腹部(c)雄性臭蜣螂前胸背板(d)达乌尔黄鼠毛(e)穿山甲鳞片bcdecorrugateddimpledscalyscaly根据蜣螂体表特性设计的仿生犁Convexdomea⑵设计合理的犁体曲面：犁翼后撇，可减少土垡运动的侧向速度vy，避免侧向过分抛扔土垡，减少抛扔的能量消耗，vy≤1m/s；

VVyVx普通犁Vy↑→Rx↑高速犁vy≤1m/s⑶改变犁体曲面的结构形式：栅条犁、滚子犁、气（水）隔犁、电极犁、自激振荡犁等。栅条犁的特点是，脱土能力强，工作阻力小，但对犁体材料和强度要求较高。滚子犁使土垡的运动由滑动摩擦改为滚动摩擦，可大大降低犁耕土壤阻力。土垡运动方向水隔犁（气隔犁）可有效阻隔犁体曲面与土垡之间的接触，减少土壤阻力。喷液体或气体电极犁利用电渗原理使犁体曲面携带某一极性电荷，将土壤中的水分子吸引到犁体曲面上来，形成一定量的水膜，减少因土壤水分少而产生的干摩擦现象。动物受到土壤压力后表体细胞组织刺激性生物电荷土壤中水的运动方向动物表体土壤接触面动物表体生物电特性示意图生物电与仿生电渗工作原理示意图－＋静电感应负电位根据生物电渗原理研制的减粘脱土板材电极犁结构示意图自激振荡犁，通过高频振荡，减少犁体曲面与土壤的接触时间，从而达到降低摩擦阻力的目的，这种方式在农村所使用的畜力犁上由人工操作，非常普遍⑷正确的挂结和调整。振动子五.犁耕机组的配套计算配套计算是指动力与机具之间的合理利用问题，为设计犁耕机组和正确地使用机组提供理论依据。依据可能与需要等价的基本原则，确定犁耕机组的配套计算公式。设：a、b—单犁体耕深和耕宽（cm）；n—犁铧个数；λ—牵引力利用系数，0.8～0.9；Pt—拖拉机额定牵引力（kg）；K0—土壤犁耕比阻（kg/cm2）,K0=0.3～0.4kg/cm2。设：犁耕作业中可能产生的牵引阻力Rx设：为平衡牵引阻力拖拉机所必须的牵引能力Pt可能=需要则：参考资料拖拉机型号额定牵引力Pt单位泰山—12/15/18300/350/400kg泰山—25/30A600/900kg上海—501176kg铁牛—551372kg东方红—804000kg举例：某研究所欲设计与泰山—30A轮式拖拉机相配套的铧式犁机组，已知配套动力为100kg，牵引力利用系数λ=0.9，农业要求的耕深为a=20cm，设计耕宽为b=30cm，土壤比阻K=0.4kg/cm2，试确定机组的犁铧数量n？解：答：机组的犁铧数量为3个。思考题1.犁体外载的特性及表达方法？2.犁耕牵引阻力及高略契金有理公式？该公式主要说明了什么