拟合曲线型深松铲柄的制作方法

所属技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种拟合曲线型深松铲。

背景技术：

深松是保护性耕作的核心技术之一，土壤经过深松可以打破坚硬的犁底层、提高水分利用率、减少水土流失、增强水土保持能力、改善作物根系生长环境，有利于作物根系的生长发育，因此可以大幅度增加根系作物的产量。深松铲是深松机械的关键部件，现有深松铲在进行深松作业时，往往存在耕作阻力过大，深松后耕地表层土壤扰动量过大等问题。因此通过对深松铲结构的合理设计与优化，来降低耕作阻力与表层土壤扰动量，对于机械的节能减耗和土地的蓄水保墒有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是通过仿真分析和优化设计，设计一种拟合曲线型深松铲，解决深松作业过程中深松铲耕作阻力和表层土壤扰动量过大的问题。

为解决上述存在的技术问题，本发明可通过如下方案来实现：一种拟合曲线型深松铲柄，包括铲柄与机架的连接段(l)、铲柄工作段(ⅱ)、铲柄与铲尖连接段(r)。其特征在于铲柄刃口曲线op、pq、qr段分别由下列三段拟合曲线方程制得：

y＝-0.3845x⁴-700.4x³-4.785×10¹⁰x²-1.453×10⁸x-1.654×10¹⁰；

y＝8.951×10^-5x⁵-0.02656x⁴+3.148x³-186.2x²+5496x-6.52×10⁴；

y＝1.702×10^-7x⁷+1.718×10^-5x⁶+7.024×10^-5x⁵+0.01474x⁴

+0.1653x³+0.944x²+2.342x-442.6

所述拟合曲线qr主要作用是承担犁底层土垡的上翻，曲线pq的主要作用是土垡的破碎，曲线op的作用是将土垡再次压碎并降低表层土壤扰动。为保持受力均匀，铲柄工作段的内准线(fg)和铲柄工作段的外准线(mn)与刃口曲线一致，or、mn高度为h0；为降低耕作阻力，刃口切削刃角(α)选定40°，入土角(w)选定21°；为增加刃口强度，刃形线bc、cd采用外凸形曲线。

本发明创造的有益效果是：为设计深松铲铲柄形状，选取铲尖对土壤的影响进行离散元仿真分析，铲柄设计为铲尖作用后其上方土壤颗粒轨迹的拟合曲线，通过深松铲铲柄形状适应土壤的轨迹来降低土壤与深松铲铲柄的碰撞量，以及刃口切削刃角和入土角的选定。能有效减小耕作阻力和表层土壤扰动量，达到机械节能减耗和土地蓄水保墒的效果。

附图说明

图1是本发明结构的示意图。

图2是本发明图1的左视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明创造进一步说明。一种拟合曲线型深松铲，由铲柄与机架的连接段(l)、铲柄工作段(ⅱ)、铲柄与铲尖连接段(r)三部分组成。其中铲柄与机架的连接段(l)有6个直径为12mm的凹坑(ⅰ)；铲柄工作段(or、mn)与铲柄与机架的连接段(l)采用圆弧过渡连接，刃部(or、fg)淬火处理，所述拟合曲线qr主要作用是承担犁底层土垡的上翻，曲线pq的主要作用是土垡的破碎，曲线op的作用是将土垡再次压碎并降低表层土壤扰动；铲柄与铲尖连接段(r)与铲柄工作段(or、fg)切线过渡连接，与水平面之间的夹角为21°。

通过对深松原理的研究，以及传统深松铲的应用，对深松过程中耕作阻力和表层土壤扰动量较大等问题的总结。采用离散元软件(edem)模拟深松铲铲尖在土壤中运动，获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程，采用线元设计法对线形优化，获得铲柄工作段(or)曲线。同时设计了刃形线(bc、cd)、切削刃角(α)、入土角(w)。大量土槽对比试验和田间对比试验表明，拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力，同时能打破犁底层，降低犁底层的土壤容重，满足深松作业的要求。

本发明的拟合曲线型深松铲材料为65mn钢，由铲柄与机架的连接段(h)、铲柄工作段(ⅱ)、铲柄与铲尖连接段(r)三部分组成。铲柄与机架的连接段(h)为长方体，宽度为60mm，长度为310mm，厚度为25mm，耕深范围为200mm—300mm，正常入土深度(h)为300mm。铲柄与机架的连接段(h)有6个直径为12mm的凹坑(ⅰ)，用于螺栓固定。刃部(or、fg)淬火处理，铲柄刃口曲线op、pq、qr段分别由下列三段拟合曲线方程制得：

y＝-0.3845x⁴-700.4x³-4.785×10¹⁰x²-1.453×10⁸x-1.654×10¹⁰；

y＝8.951×10^-5x⁵-0.02656x⁴+3.148x³-186.2x²+5496x-6.52×10⁴；

y＝1.702×10^-7x⁷+1.718×10^-5x⁶+7.024×10^-5x⁵+0.01474x⁴

+0.1653x³+0.944x²+2.342x-442.6

所述拟合曲线qr主要作用是承担犁底层土垡的上翻，曲线pq的主要作用是土垡的破碎，曲线op的作用是将土垡再次压碎并降低表层土壤扰动。为保持受力均匀，铲柄工作段的内准线(fg)和铲柄工作段的外准线(mn)与刃口曲线一致，or、mn高度h0为280mm；为降低耕作阻力，刃口切削刃角(α)选定40°，入土角(w)选定21°；为增加刃口强度，刃形线bc、cd采用外凸形曲线。

使用时，将铲柄与机架的连接段(h)的凹坑(ⅰ)与深松机架螺栓固定。通过土槽对比试验表明，拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力，比传统折线式深松铲土壤扰动量减少了53.60％，耕作阻力减少了36.23％；比传统圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18％，耕作阻力减少了29.18％。通过田间对比试验表明，拟合曲线型深松铲比传统折线式深松铲回土面积增加了81.03％，比传统圆弧式深松铲的回土面积增加了146.95％。因此，土槽和田间试验验证了拟合曲线型深松铲土壤扰动量较小，耕作阻力较小，满足保护性耕作的要求。

技术特征：

技术总结
一种拟合曲线型深松铲柄，属于农业机械耕作领域。本发明的目的是通过仿真分析及优化设计，设计一种能明显降低耕作阻力和表层土壤扰动量的拟合曲线型深松铲。本发明由铲柄与机架连接段(L)、铲柄工作段(Ⅱ)、铲柄与铲尖连接段(R)组成。其特征在于铲柄刃口曲线OP、PQ、QR段分别由下列三段拟合曲线方程制得：y＝‑0.3845x4‑700.4x3‑4.785×1010x2‑1.453×108x‑1.654×1010；y＝8.951×10‑5x5‑0.02656x4+3.148x3‑186.2x2+5496x‑6.52×104；y＝1.702×10‑7x7+1.718×10‑5x6+7.024×10‑5x5+0.01474x4+0.1653x3+0.944x2+2.342x‑442.6铲柄工作段的内准线(FG)和铲柄工作段的外准线(MN)与刃口曲线一致，OR、MN高度为H0。加之切削刃角(α)、入土角(W)、刃形线(BC、CD)的选定，能有效降低耕作阻力和表层土壤扰动量，满足保护性耕作的要求。

技术研发人员：赵淑红;王加一;陈君执;杨悦乾;谭贺文;刘宏俊
受保护的技术使用者：东北农业大学
技术研发日：2017.08.25
技术公布日：2017.12.08