玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计.docx

玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计摘要：为获得具有优良切割性能的刀具刃口曲线，采用理论建模和铲切试验相结合的方法，研究了玉米根茬铲切的过程。通过建立玉米根茬切割过程的动力学模型及能耗模型，揭示了最优滑切角与物料摩擦角之间的函数关系;根据玉米根体的结构特征将其划分为5区段，并由各区段物料的摩擦系数获取相应理论最优滑切角;根据切割刃与根茬切割位置的对应关系，设计出具有多级滑切角的刃口形式，并与具有固定滑切角的刃口实施了对比铲切试验。试验表明：多级滑切刃刀具的铲切性能最佳，铲切功耗为14.2J。关键词：切割设备，设计，优化，玉米根茬，滑切角，切割刃口0引言随着石油、煤炭等不可再生资源的日益枯竭，生物质资源的开发和利用日益受到关注，据研究表明玉米根茬占玉米秸秆总量的12～15%，中国年玉米秸秆的产量近2.5亿t，以此推算每年将产生多达0.375亿t玉米根茬，这座巨大的可再生的生物矿藏埋藏于地下，经常被人们所忽视[2]，多采用灭茬还田等低效处理方式加以应用，若能有效采收玉米根茬，将有助于缓解环境破坏和资源浪费的双重问题。一般来讲，铲切是收获土下作物的第一步，触土部件在土下推进铲挖，将承受着巨大的土壤阻力，是主要的功能消耗部件，因此铲具切割性能的优劣也将直接影响着机具的作业效率[3-8]。为减小耕作阻力，降低作业功耗，农业机械中诸多切割部件的优化设计，都运用了滑切原理[4-13](如铧式犁，星形耙片，旋耕刀等)，滑动切割可以促进在微观状态下呈锯齿状的刀刃的锯断作用,降低物料张紧拉断和剪切破坏的极限应力，对于纤维及质地不均匀物料的切割效果尤为显著[9]。材料的摩擦属性等多种因素影响着滑切过程的力学行为[10]，文中拟揭示二者之间的关系，并以此为依据，设计并优化出具有变滑切角的铲具刃口，用以应对根土复合体的不同区段，有望减小切割阻力，降低机具作业功耗。1、滑动铲切的理论模型通过建立玉米根茬的切割动力学建模，确定发生滑切的理论临界条件，分析影响铲切性能的核心因素，并建立数学模型，为优化铲具刃口提供参考。1.1滑动铲切临界条件的确定玉米根茬侧根系发达粗壮而强韧，向四周生长，与土壤紧密结合，在土壤中形成了网状须根结构的根系土壤复合体。由于表层土壤干燥板结，内层土壤湿润粘附，外侧根系粗大，内侧根系细碎等诸多复杂因素，使得同一株根体的不同部位，也呈现出复杂各异的力学属性。为不失一般性，取根体内一质点M为研究对象，置于xoy平面内，并与刀具斜刃AB相接处，该刀具固定安装于收获系统上，在动力机具的牵引下，随同机车沿y轴方向平行推移(如图1所示)，对根茬实施滑动铲切的过程中，质点M沿着τ方向(斜刃切线方向)及n(斜刃法线方向)方向的质点动力学微分方程可描述为coscossin(sin)yNseyssreFFmaFFτmaaθθθθ???=????=?(1)式中，m为根茬质点M的质量，kg;θ为斜刃的滑切角[9-11]，°;NF为质点受到斜刃的法向压力，N;sFτ为沿τ方向的摩擦力，N;ysF为沿y方向的摩擦力，N;ea为质点的牵连加速度，m/s2;ra为质点相对斜刃的加速度，m/s2。r质点M在斜刃AB的推动下具有沿y方向移动趋势，周围土壤颗粒会对其产生一个反向摩擦力ysF(图2)，若质点M相对于斜刃产生滑移时，则会受到沿着τ方向(图1)的滑动摩擦力tansNFτ=F?(2)式中，?为质点与刃口之间的摩擦角，°;将式(2)带入式(1)可得(tantan)NrFθ??=ma(3)由式(3)易知，在0NF>的情况下，只有当θ>?时，才有0ra>，质点M与刀刃之间方可自静止发生相对移动，即产生滑切动作[9-11]。2.2滑动铲切功耗模型的建立理想铲切情况为“原地切割”，即斜刃对根茬实施切割过程中，根茬的位置固定不动，刃口相对于根茬沿τ方向发生滑移，并沿y方向切出一根茬厚度[9]。如图2所示，若以一圆形代表根茬的切割断面，m和n点分别代表滑切过程的初始接触点和终结分离点，m′表示滑切终结时初始接触点m的位置，则理想滑切所产生的各距离之间的几何关系可表示为cosDyθΔ=，brs=Dtgθ(4)式中，Δy为沿y方向的铲切距离，m;D为根须断面直径，m;brS为沿τ方向发生的相对滑移距离，m。考虑到机车在田间匀速行进，单个根茬与刀刃自接触至被切断，所消耗的平均时间可表示为ceytvΔ=(5)式中，ev为机车匀速行驶的速度(m/s)。另外，若假设根茬质点周围的物