專利名稱：節(jié)能型旋耕刀及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)機械設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
與犁耕相比，旋耕可一次完成耕地、碎土、整地及作畦等作業(yè)。作業(yè)效率高，利于搶農(nóng)時。因此世界各地廣泛使用。其主要缺點之一是能量消耗大。因此目前國內(nèi)外廣泛致力于節(jié)能旋耕刀的研究。如日本坂井純教授提出了正切刃面截面線的一種新設(shè)計方法，指出單切刃口比雙切刃口具有節(jié)能效果。國外一些農(nóng)機廠家也積其多年經(jīng)驗而競相開發(fā)了一些具有較好節(jié)能效果的新型旋耕刀片，如日本太陽株式會社的“蘭刀”及Y151系列刀。我國對旋耕刀片的研究也在不斷進行，先后兩次制定了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即NJ103-75，GB5669-85。我國現(xiàn)行國標(biāo)旋耕刀刀身，由平面形狀的側(cè)切刃面及正切刃面和半徑為30mm的園柱形過渡刃面構(gòu)成，并采用雙切刃口結(jié)構(gòu)。近來北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)張性雄作了用指數(shù)螺線作曲元線，按等安裝角規(guī)律掃描法形成正切刃面的研究。這些研究對旋耕刀片的節(jié)能作了有益的貢獻(xiàn)。但是迄今為止，尚未找到一種簡單實用的方法徹底解決旋耕刀側(cè)切刃刀背擠擦土問題，以降低側(cè)切刃部分的切土功耗;迄今為止尚未弄清致使正切刃面切土功耗較大的機理，也沒有找到一種有效的技術(shù)途徑，去降低正切刃部分的切土及拋土功耗，并實現(xiàn)正切刃面的基本均勻磨損。
本發(fā)明的目的就是要用新的設(shè)計方法，設(shè)計出新型的節(jié)能刀片，要求節(jié)能刀片的節(jié)能效果有一個較大的突破，而工作質(zhì)量保持不變。
本發(fā)明提出了以平面曲線作側(cè)切刃口線，內(nèi)偏側(cè)切刃刀身，以徹底消除側(cè)切刃刀背擠土及擦土現(xiàn)象的新型結(jié)構(gòu)。所謂側(cè)切刃面內(nèi)偏是指旋耕刀側(cè)切刃口線固定不動，側(cè)切刃背面以側(cè)切刃口線為軸向旋耕刀片正切刃彎曲方向偏轉(zhuǎn)一定的角度δ，δ一般在5°以下。如圖1所示。側(cè)切刃面內(nèi)偏的區(qū)域如圖2所示。為保證內(nèi)偏后的側(cè)切刃面與正切刃面光滑連接，采用了如下的方法正切刃口線固定不動，使正切刃面上各掃描成形曲元線隨同其所在等高面，有同側(cè)切刃面相同的內(nèi)偏量。
本發(fā)明提出了在滿足合理滑切要求的前提下，以放射螺線作為約束條件設(shè)計旋耕刀片的正切刃口線(含過渡刃口線，下同)的方法。所謂以放射螺線作為設(shè)計刀片正切刃口線的約束條件是指所設(shè)計的正切刃口線在與刀柄側(cè)平面相垂直的某平面內(nèi)的投影為一放射螺線段，即鐵道線路設(shè)計中常用的一種彎道曲線，這種約束條件稱之為第二類約束條件。放射螺線的基本性質(zhì)是曲線上任一點的曲率半徑ρ與該點距曲線起點(ρ為無窮大處)的距離(弧長)L乘積為一常數(shù)C。即ρ·LC。以緩和曲線作為約束條件設(shè)計的正切刃口線，其緩和曲線是反接的，即刀片端點處緩和曲線較平坦，曲率半徑較大，刀片彎折處曲率半徑較小。根據(jù)對刃口線滑切性能及第二類約束條件的數(shù)學(xué)分析，建立了刃口線微分方程組。給出了刀片設(shè)計的基本參數(shù)，如刀寬、標(biāo)稱回轉(zhuǎn)半徑、滑切角沿刃口線的變化規(guī)律等，即可對刃口線微分方程組進行數(shù)值求解，從而得出相應(yīng)的刃口曲線。
本發(fā)明采用等負(fù)荷切土曲線作曲元線掃描形成正切刃面，掃描的曲導(dǎo)線就是正切刃口線。等負(fù)荷切土曲線滿足被切削地表土塊沿該曲線相對運動時，土壤質(zhì)團沿曲線法向的速度相對于時間的變化率為一定值這一條件。這一變化率稱為切土曲線負(fù)荷系數(shù)。這樣曲線上各點處的法向作用力基本相等。從而可使正切刃面均勻磨損。切土曲線的另一個重要特征是，在整個切土過程中，全曲線各部位不扣土或基本不扣土。根據(jù)對等負(fù)荷切土的數(shù)學(xué)分析，建立了切土曲線微分方程組。在給出了微分方程組求解的初始條件、積分范圍及由掃描規(guī)律所確定的切土曲線負(fù)荷系數(shù)Ca值以后，即可求出該方程組的數(shù)值解，得出切土曲線。等負(fù)荷切土曲線為形狀可控掃描曲元線，控制其形狀的主要參數(shù)是切土曲線負(fù)荷系數(shù)Ca值及切土曲線切入地表時的初始切土角εs。εs系指切土曲線的入土始點的旋輪線運動軌跡在入土位置處的切線與剛?cè)胪恋那型燎€在入土端點處的切線之間的夾角。當(dāng)切土曲線由正切刃口線的端點掃描至正切及側(cè)切刃口線的交界點時，Ca值由某最大值遞減為零，而εs由某最小值逐漸遞增至某最大值。這使得掃描曲元線的曲率半徑變得越來越大，曲元線變得較為平直。這一特點與反接放射螺線靠近刀端處的曲率半徑較大的特點相結(jié)合，使得所設(shè)計的正切刃面較接近由拋物點(高斯曲率為零)構(gòu)成，且使得土垡沿該正切刃面相對運動時，具有適當(dāng)?shù)膫?cè)向分量，從而使正切刃面較易脫土。本發(fā)明設(shè)計的正切刃面的節(jié)能機理在于土垡沿本發(fā)明設(shè)計的正切刃面的相對運動類似于土垡沿前竄型竄垡犁的犁體曲面的相對運動。受該方法設(shè)計的正切刃面切削的月牙形土垡的變形主要由彎曲、扭轉(zhuǎn)變形組成，也含有一些土垡的壓縮變形。而受既往方法設(shè)計的正切刃面切削的月牙形土垡的變形主要由彎曲、壓縮變形組成，也含有一些土垡的扭轉(zhuǎn)變形。由于本發(fā)明的方法使得土垡的壓縮變形得到抑制，隨之土垡內(nèi)的靜壓水平得到緩解。因此基于土壤力學(xué)的庫倫原理，土垡變得易于切削及破碎。這樣正切刃面的切土功耗得到降低。
為便于加工，本發(fā)明提出了以單偏心園弧作彎坯刃口線的設(shè)計方法。與以前曾有人提出過的以單偏心園弧作為彎坯刃口線通過簡單彎曲生成正切刃口線的想法相比，本發(fā)明之特點在于單偏心園弧作彎坯刃口線，通過對微元卷繞過程積分從而由彎坯刃口線反推出旋耕刀片刃口線，且推出的正切刃口線滿足滑切要求和放射螺線的約束條件。
根據(jù)本發(fā)明所提供的設(shè)計方法，已試制出新型節(jié)能刀，并對本發(fā)明進行了科學(xué)的試驗，證明新型節(jié)能刀的耕作質(zhì)量與同類國標(biāo)產(chǎn)品相同。室內(nèi)檢測結(jié)果為，單刀切土功耗可節(jié)省42%～43%;田間試驗表明，本發(fā)明的新型節(jié)能刀組與同類產(chǎn)品比較，機組可節(jié)約燃油15%。因此本發(fā)明具有投放市場實施的多項條件。新型刀片可形成系列，與各種拖拉機旋耕機組配套使用，用于水田、旱地及淺耕作業(yè)，并可適應(yīng)不同的耕深要求。與現(xiàn)行同規(guī)格國標(biāo)刀相比，可大幅度節(jié)約能源。我國現(xiàn)年產(chǎn)旋耕刀1000萬把左右，以每把刀年耕地30畝，每畝平均節(jié)油0.15公斤，則每年可節(jié)約耕地用油4.5萬噸，價值達(dá)2000多萬元。同時本產(chǎn)品可進入國際市場。


圖1側(cè)切刃內(nèi)偏，(1)偏轉(zhuǎn)前，(2)偏轉(zhuǎn)后;圖2側(cè)切刃內(nèi)偏區(qū)域;圖3BS225予設(shè)計原理圖。其中1.旋耕刀回轉(zhuǎn)中心，2.三角形法展開曲線，3.微元分析法展開曲線，4.正切刃背部等高截面線，5.正切刃切土面部分切土曲線，6.第二切土曲線，7.正切刃刃口曲線，8.正切刃切土面掃描曲導(dǎo)線，9.側(cè)切刃刃口曲線。圖4BS225終設(shè)計原理圖。
本發(fā)明的實施例。
本發(fā)明的主要目的是節(jié)能，因此本發(fā)明是以節(jié)能型旋耕刀基本設(shè)計理論為依據(jù)，采用實用可行的設(shè)計方法設(shè)計出節(jié)能刀片。為消除刀片的側(cè)切面擦土及擠土功耗，節(jié)能旋耕刀采用單切刃口和內(nèi)偏側(cè)切刃面結(jié)構(gòu)。如圖1、2所示。在圖2中O點為旋耕刀的回轉(zhuǎn)中心，曲線Ⅲ-Ⅲ為旋耕刀片正切刃面與側(cè)切刃面的交線。從刀柄到Ⅰ-Ⅰ區(qū)域內(nèi)無內(nèi)偏，從園?、?Ⅰ到Ⅱ-Ⅱ為內(nèi)偏的過渡線。園?、?Ⅱ到Ⅲ-Ⅲ為內(nèi)偏量為δ的區(qū)域。內(nèi)偏角度δ為2°-3°，內(nèi)偏區(qū)域r1≈R0(刀片刃口線起始半徑)，r2≈R0+30mm。本發(fā)明的節(jié)能型施耕刀整體形狀的設(shè)計分兩步進行。第一步為予設(shè)計，即先根據(jù)刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所選用的放射螺線段的有關(guān)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上按照給出的合理滑切要求，生成予設(shè)計正切刃口線，并根據(jù)掃描規(guī)律生成正切刃面。一般地說，予設(shè)計得出的彎坯刃口線不是一個園弧，在求出該彎坯刃口線的最佳似合園弧后，進入第二步即終設(shè)計階段。在第二階段，首先通過微元卷繞分析及循環(huán)計算，在滿足第二類約束條件及合理滑切要求的前提下，生成符合刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)要求的終設(shè)計正切刃口線，繼而掃描形成終設(shè)計正切刃面并完成內(nèi)偏側(cè)切刀身及單切刃口設(shè)計。放射螺線段諸參數(shù)的確定可根據(jù)刀片的標(biāo)稱半徑R，刀寬W，放射螺線段的平均曲率Km及其起始點和終點的切線的交角

來解。切土曲線負(fù)荷系數(shù)Ca的最大值根據(jù)刀端切土曲線的最大扣土角＜1°的原則求得。當(dāng)切土曲線從正切刃口線端點掃描至正切刃口線與側(cè)切刃口線的交界點時，Ca值由某一最大值按一定規(guī)律遞減為零，使掃描形成的正切刃面盡可能接近由拋物點構(gòu)成。等負(fù)荷切土曲線入土始點的旋輪線運動軌跡在入土點的切線與剛?cè)胪恋牡蓉?fù)荷切土曲線在該點切成的交角，即切土曲線上各點通過地表位置時的切土角的初始值εs按下述掃描規(guī)律變化。即從正切刃端點掃描過去時εs值由最小值遞增至最大值。等負(fù)荷切土曲線對旋耕刀回轉(zhuǎn)中心所形成的中心角ψ系根據(jù)正切刃面的結(jié)構(gòu)尺寸確定。
總之，整個設(shè)計過程主要采用數(shù)學(xué)分析方法由計算機完成，設(shè)計條件包括微分方程求解的初始條件系根據(jù)刀片的結(jié)構(gòu)尺寸，如刀片的標(biāo)稱半徑，刀寬以及刀片的工作及工況要求，如安裝方式、滑切要求、耕深、最大切土節(jié)距等來確定的。
圖3給出了按上述方法設(shè)計的一種規(guī)格的旋耕刀BS225的予設(shè)計原理圖。這種旋耕刀與手扶拖拉機配套，用于水田作業(yè)，標(biāo)稱半徑為225mm，刀寬為45mm。可見在予設(shè)計階段，其彎坯刃口線不是一根園弧。圖4是BS225旋耕刀的終設(shè)計原理圖。由圖可知，終設(shè)計彎坯刃口線為一園弧。圖中，曲線b0-b7分別為掃描形成刀背曲面的切土曲線，B0-B7分別為曲線b0-b7的擬合園弧的園心。曲線f0-f6分別是掃描形成正切刃面切土面的切土曲線;F0-F6分別是曲線f0-f6的擬合園弧的園心。由圖可見，根據(jù)計算機的輸出結(jié)果可以方便地設(shè)計出節(jié)能型旋耕刀。
權(quán)利要求
1.一種用于節(jié)能型旋耕刀的設(shè)計方法，其特征在于按照在垂直于刀柄平面的某一平面內(nèi)正切刃口線的投影為放射螺線段這一約束條件，以及在滿足合理滑切要求的前提下，設(shè)計出正切刃口線及側(cè)切刃口線；且使得由正切刃口線的展開線和側(cè)切刃口線構(gòu)成的彎坯刃口線為一園弧曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于按照在地表等負(fù)荷切土及全曲線在切土過程中基本不扣土原理設(shè)計出形狀可控切土曲線;控制切土曲線形狀的基本參數(shù)為切土曲線負(fù)荷系數(shù)Ca值及切土曲線入土初始切土角εs。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于令切土曲線沿正切刃口線按一定規(guī)律作掃描運動，使得掃描所形成的正切刃面較接近由拋物點(即高斯曲率為零的點)構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用單切刃結(jié)構(gòu)設(shè)計刃口，并采用內(nèi)偏側(cè)切刃方法設(shè)計側(cè)切刃刀身。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于切土曲線沿正切刃口線掃描時，切土曲線所在平面相對刀柄側(cè)平面傾斜δ角(δ＜5°)，使得內(nèi)偏后的側(cè)切刃面正切刃面光滑連接。
6.一種由刀柄、側(cè)切刃部分、正切刃部分(含過渡刃部分，下同)組成的旋耕刀，其特征在于由該刀片正切刃口線(含側(cè)切刃口線)的展開曲線和側(cè)切刃口線構(gòu)成的彎坯刃口線屬一園弧，且在垂直于刀柄側(cè)平面的某一平面內(nèi)正切刃口線的投影為一鐵道線路設(shè)計中使用的放射螺旋段。
7.如權(quán)利要求6所述的刀片，其特征在于刀片是單切刃口并具有向內(nèi)偏斜δ＜5°角度側(cè)切刃刀身。
8.如權(quán)利要求6所述的刀片，其特征在于該刀片的正切刃面屬三維曲面，且和刀柄側(cè)平面成δ角夾角的平面與該曲面的交線具有等負(fù)荷切土性質(zhì)，這一交線即前述的切土曲線;本特征可簡述為其切土曲線負(fù)荷系數(shù)Ca近似為一常數(shù)。
9.如權(quán)利要求6所述的刀片，其特征在于正切刃面端部的切土曲線具有相對較大的切土曲線負(fù)荷系數(shù)值，而具有相對較小的初始入土切土角εs;越是靠近正切刃口線和側(cè)切刃口線交點的切土曲線，越是具有相對較小的切土曲線負(fù)荷系數(shù)Ca值及相對較大的初始入土切土角εs。
全文摘要
本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)機械設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出了單切刃口且內(nèi)偏側(cè)切刃面的旋耕刀片，以有效防止刀背的擠土和擦土現(xiàn)象。為加工方便，刃口線展開線為一圓弧，在滿足這一圓弧的條件下，本發(fā)明提出了滿足合理的滑切要求并以鐵道緩和曲線為約束條件的刃口線設(shè)計方法；本發(fā)明還提出用掃描法形成正切刃面的設(shè)計方法，其曲導(dǎo)線為刃口線；曲元線按等負(fù)荷切土原理形成。用該方法設(shè)計的旋耕刀片，與同類現(xiàn)行國標(biāo)產(chǎn)品比較其單刀功耗可節(jié)省42～43％，田間作業(yè)機組節(jié)油15％，用本發(fā)明的設(shè)計方法可設(shè)計節(jié)能系列刀片，可進入國際市場。
文檔編號A01B33/10GK1051283SQ89102470
公開日1991年5月15日 申請日期1989年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1989年10月31日
發(fā)明者陳鈞, 戴軍華, 潘采庚, 孫一源, 高良潤 申請人:江蘇工學(xué)院