专利名称：节能型旋耕刀及其设计方法
技术领域：
本发明属农业机械设计技术领域。
与犁耕相比，旋耕可一次完成耕地、碎土、整地及作畦等作业。作业效率高，利于抢农时。因此世界各地广泛使用。其主要缺点之一是能量消耗大。因此目前国内外广泛致力于节能旋耕刀的研究。如日本坂井纯教授提出了正切刃面截面线的一种新设计方法，指出单切刃口比双切刃口具有节能效果。国外一些农机厂家也积其多年经验而竞相开发了一些具有较好节能效果的新型旋耕刀片，如日本太阳株式会社的“兰刀”及Y151系列刀。我国对旋耕刀片的研究也在不断进行，先后两次制定了有关标准，即NJ103-75，GB5669-85。我国现行国标旋耕刀刀身，由平面形状的侧切刃面及正切刃面和半径为30mm的园柱形过渡刃面构成，并采用双切刃口结构。近来北京农业工程大学张性雄作了用指数螺线作曲元线，按等安装角规律扫描法形成正切刃面的研究。这些研究对旋耕刀片的节能作了有益的贡献。但是迄今为止，尚未找到一种简单实用的方法彻底解决旋耕刀侧切刃刀背挤擦土问题，以降低侧切刃部分的切土功耗;迄今为止尚未弄清致使正切刃面切土功耗较大的机理，也没有找到一种有效的技术途径，去降低正切刃部分的切土及抛土功耗，并实现正切刃面的基本均匀磨损。
本发明的目的就是要用新的设计方法，设计出新型的节能刀片，要求节能刀片的节能效果有一个较大的突破，而工作质量保持不变。
本发明提出了以平面曲线作侧切刃口线，内偏侧切刃刀身，以彻底消除侧切刃刀背挤土及擦土现象的新型结构。所谓侧切刃面内偏是指旋耕刀侧切刃口线固定不动，侧切刃背面以侧切刃口线为轴向旋耕刀片正切刃弯曲方向偏转一定的角度δ，δ一般在5°以下。如图1所示。侧切刃面内偏的区域如图2所示。为保证内偏后的侧切刃面与正切刃面光滑连接，采用了如下的方法正切刃口线固定不动，使正切刃面上各扫描成形曲元线随同其所在等高面，有同侧切刃面相同的内偏量。
本发明提出了在满足合理滑切要求的前提下，以放射螺线作为约束条件设计旋耕刀片的正切刃口线(含过渡刃口线，下同)的方法。所谓以放射螺线作为设计刀片正切刃口线的约束条件是指所设计的正切刃口线在与刀柄侧平面相垂直的某平面内的投影为一放射螺线段，即铁道线路设计中常用的一种弯道曲线，这种约束条件称之为第二类约束条件。放射螺线的基本性质是曲线上任一点的曲率半径ρ与该点距曲线起点(ρ为无穷大处)的距离(弧长)L乘积为一常数C。即ρ·LC。以缓和曲线作为约束条件设计的正切刃口线，其缓和曲线是反接的，即刀片端点处缓和曲线较平坦，曲率半径较大，刀片弯折处曲率半径较小。根据对刃口线滑切性能及第二类约束条件的数学分析，建立了刃口线微分方程组。给出了刀片设计的基本参数，如刀宽、标称回转半径、滑切角沿刃口线的变化规律等，即可对刃口线微分方程组进行数值求解，从而得出相应的刃口曲线。
本发明采用等负荷切土曲线作曲元线扫描形成正切刃面，扫描的曲导线就是正切刃口线。等负荷切土曲线满足被切削地表土块沿该曲线相对运动时，土壤质团沿曲线法向的速度相对于时间的变化率为一定值这一条件。这一变化率称为切土曲线负荷系数。这样曲线上各点处的法向作用力基本相等。从而可使正切刃面均匀磨损。切土曲线的另一个重要特征是，在整个切土过程中，全曲线各部位不扣土或基本不扣土。根据对等负荷切土的数学分析，建立了切土曲线微分方程组。在给出了微分方程组求解的初始条件、积分范围及由扫描规律所确定的切土曲线负荷系数Ca值以后，即可求出该方程组的数值解，得出切土曲线。等负荷切土曲线为形状可控扫描曲元线，控制其形状的主要参数是切土曲线负荷系数Ca值及切土曲线切入地表时的初始切土角εs。εs系指切土曲线的入土始点的旋轮线运动轨迹在入土位置处的切线与刚入土的切土曲线在入土端点处的切线之间的夹角。当切土曲线由正切刃口线的端点扫描至正切及侧切刃口线的交界点时，Ca值由某最大值递减为零，而εs由某最小值逐渐递增至某最大值。这使得扫描曲元线的曲率半径变得越来越大，曲元线变得较为平直。这一特点与反接放射螺线靠近刀端处的曲率半径较大的特点相结合，使得所设计的正切刃面较接近由抛物点(高斯曲率为零)构成，且使得土垡沿该正切刃面相对运动时，具有适当的侧向分量，从而使正切刃面较易脱土。本发明设计的正切刃面的节能机理在于土垡沿本发明设计的正切刃面的相对运动类似于土垡沿前窜型窜垡犁的犁体曲面的相对运动。受该方法设计的正切刃面切削的月牙形土垡的变形主要由弯曲、扭转变形组成，也含有一些土垡的压缩变形。而受既往方法设计的正切刃面切削的月牙形土垡的变形主要由弯曲、压缩变形组成，也含有一些土垡的扭转变形。由于本发明的方法使得土垡的压缩变形得到抑制，随之土垡内的静压水平得到缓解。因此基于土壤力学的库伦原理，土垡变得易于切削及破碎。这样正切刃面的切土功耗得到降低。
为便于加工，本发明提出了以单偏心园弧作弯坯刃口线的设计方法。与以前曾有人提出过的以单偏心园弧作为弯坯刃口线通过简单弯曲生成正切刃口线的想法相比，本发明之特点在于单偏心园弧作弯坯刃口线，通过对微元卷绕过程积分从而由弯坯刃口线反推出旋耕刀片刃口线，且推出的正切刃口线满足滑切要求和放射螺线的约束条件。
根据本发明所提供的设计方法，已试制出新型节能刀，并对本发明进行了科学的试验，证明新型节能刀的耕作质量与同类国标产品相同。室内检测结果为，单刀切土功耗可节省42%～43%;田间试验表明，本发明的新型节能刀组与同类产品比较，机组可节约燃油15%。因此本发明具有投放市场实施的多项条件。新型刀片可形成系列，与各种拖拉机旋耕机组配套使用，用于水田、旱地及浅耕作业，并可适应不同的耕深要求。与现行同规格国标刀相比，可大幅度节约能源。我国现年产旋耕刀1000万把左右，以每把刀年耕地30亩，每亩平均节油0.15公斤，则每年可节约耕地用油4.5万吨，价值达2000多万元。同时本产品可进入国际市场。
图1侧切刃内偏，(1)偏转前，(2)偏转后;图2侧切刃内偏区域;图3BS225予设计原理图。其中1.旋耕刀回转中心，2.三角形法展开曲线，3.微元分析法展开曲线，4.正切刃背部等高截面线，5.正切刃切土面部分切土曲线，6.第二切土曲线，7.正切刃刃口曲线，8.正切刃切土面扫描曲导线，9.侧切刃刃口曲线。图4BS225终设计原理图。
本发明的实施例。
本发明的主要目的是节能，因此本发明是以节能型旋耕刀基本设计理论为依据，采用实用可行的设计方法设计出节能刀片。为消除刀片的侧切面擦土及挤土功耗，节能旋耕刀采用单切刃口和内偏侧切刃面结构。如图1、2所示。在图2中O点为旋耕刀的回转中心，曲线Ⅲ-Ⅲ为旋耕刀片正切刃面与侧切刃面的交线。从刀柄到Ⅰ-Ⅰ区域内无内偏，从园弧Ⅰ-Ⅰ到Ⅱ-Ⅱ为内偏的过渡线。园弧Ⅱ-Ⅱ到Ⅲ-Ⅲ为内偏量为δ的区域。内偏角度δ为2°-3°，内偏区域r1≈R0(刀片刃口线起始半径)，r2≈R0+30mm。本发明的节能型施耕刀整体形状的设计分两步进行。第一步为予设计，即先根据刀片的结构参数确定所选用的放射螺线段的有关参数，在此基础上按照给出的合理滑切要求，生成予设计正切刃口线，并根据扫描规律生成正切刃面。一般地说，予设计得出的弯坯刃口线不是一个园弧，在求出该弯坯刃口线的最佳似合园弧后，进入第二步即终设计阶段。在第二阶段，首先通过微元卷绕分析及循环计算，在满足第二类约束条件及合理滑切要求的前提下，生成符合刀片结构参数要求的终设计正切刃口线，继而扫描形成终设计正切刃面并完成内偏侧切刀身及单切刃口设计。放射螺线段诸参数的确定可根据刀片的标称半径R，刀宽W，放射螺线段的平均曲率Km及其起始点和终点的切线的交角
来解。切土曲线负荷系数Ca的最大值根据刀端切土曲线的最大扣土角＜1°的原则求得。当切土曲线从正切刃口线端点扫描至正切刃口线与侧切刃口线的交界点时，Ca值由某一最大值按一定规律递减为零，使扫描形成的正切刃面尽可能接近由抛物点构成。等负荷切土曲线入土始点的旋轮线运动轨迹在入土点的切线与刚入土的等负荷切土曲线在该点切成的交角，即切土曲线上各点通过地表位置时的切土角的初始值εs按下述扫描规律变化。即从正切刃端点扫描过去时εs值由最小值递增至最大值。等负荷切土曲线对旋耕刀回转中心所形成的中心角ψ系根据正切刃面的结构尺寸确定。
总之，整个设计过程主要采用数学分析方法由计算机完成，设计条件包括微分方程求解的初始条件系根据刀片的结构尺寸，如刀片的标称半径，刀宽以及刀片的工作及工况要求，如安装方式、滑切要求、耕深、最大切土节距等来确定的。
图3给出了按上述方法设计的一种规格的旋耕刀BS225的予设计原理图。这种旋耕刀与手扶拖拉机配套，用于水田作业，标称半径为225mm，刀宽为45mm。可见在予设计阶段，其弯坯刃口线不是一根园弧。图4是BS225旋耕刀的终设计原理图。由图可知，终设计弯坯刃口线为一园弧。图中，曲线b0-b7分别为扫描形成刀背曲面的切土曲线，B0-B7分别为曲线b0-b7的拟合园弧的园心。曲线f0-f6分别是扫描形成正切刃面切土面的切土曲线;F0-F6分别是曲线f0-f6的拟合园弧的园心。由图可见，根据计算机的输出结果可以方便地设计出节能型旋耕刀。
权利要求
1.一种用于节能型旋耕刀的设计方法，其特征在于按照在垂直于刀柄平面的某一平面内正切刃口线的投影为放射螺线段这一约束条件，以及在满足合理滑切要求的前提下，设计出正切刃口线及侧切刃口线；且使得由正切刃口线的展开线和侧切刃口线构成的弯坯刃口线为一园弧曲线。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于按照在地表等负荷切土及全曲线在切土过程中基本不扣土原理设计出形状可控切土曲线;控制切土曲线形状的基本参数为切土曲线负荷系数Ca值及切土曲线入土初始切土角εs。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于令切土曲线沿正切刃口线按一定规律作扫描运动，使得扫描所形成的正切刃面较接近由抛物点(即高斯曲率为零的点)构成。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于采用单切刃结构设计刃口，并采用内偏侧切刃方法设计侧切刃刀身。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于切土曲线沿正切刃口线扫描时，切土曲线所在平面相对刀柄侧平面倾斜δ角(δ＜5°)，使得内偏后的侧切刃面正切刃面光滑连接。
6.一种由刀柄、侧切刃部分、正切刃部分(含过渡刃部分，下同)组成的旋耕刀，其特征在于由该刀片正切刃口线(含侧切刃口线)的展开曲线和侧切刃口线构成的弯坯刃口线属一园弧，且在垂直于刀柄侧平面的某一平面内正切刃口线的投影为一铁道线路设计中使用的放射螺旋段。
7.如权利要求6所述的刀片，其特征在于刀片是单切刃口并具有向内偏斜δ＜5°角度侧切刃刀身。
8.如权利要求6所述的刀片，其特征在于该刀片的正切刃面属三维曲面，且和刀柄侧平面成δ角夹角的平面与该曲面的交线具有等负荷切土性质，这一交线即前述的切土曲线;本特征可简述为其切土曲线负荷系数Ca近似为一常数。
9.如权利要求6所述的刀片，其特征在于正切刃面端部的切土曲线具有相对较大的切土曲线负荷系数值，而具有相对较小的初始入土切土角εs;越是靠近正切刃口线和侧切刃口线交点的切土曲线，越是具有相对较小的切土曲线负荷系数Ca值及相对较大的初始入土切土角εs。
全文摘要
本发明属农业机械设计技术领域。本发明提出了单切刃口且内偏侧切刃面的旋耕刀片，以有效防止刀背的挤土和擦土现象。为加工方便，刃口线展开线为一圆弧，在满足这一圆弧的条件下，本发明提出了满足合理的滑切要求并以铁道缓和曲线为约束条件的刃口线设计方法；本发明还提出用扫描法形成正切刃面的设计方法，其曲导线为刃口线；曲元线按等负荷切土原理形成。用该方法设计的旋耕刀片，与同类现行国标产品比较其单刀功耗可节省42～43％，田间作业机组节油15％，用本发明的设计方法可设计节能系列刀片，可进入国际市场。
文档编号A01B33/10GK1051283SQ89102470
公开日1991年5月15日 申请日期1989年10月31日 优先权日1989年10月31日
发明者陈钧, 戴军华, 潘采庚, 孙一源, 高良润 申请人:江苏工学院