窄齿土壤工作部件几何特性与减阻性能研究

土壤工作部件作为各相关工程机械、农业机械与土壤进行交互作用的直接载体,在加工土壤过程中消耗大量能源。减小土壤工作部件工作阻力,对节能减排、提高机械效率具有重要意义。本课题组研究发现具有优良减阻脱附性能的土壤动物爪趾轮廓曲线具有变曲率几何特性。因此从曲率几何特征角度探索土壤工作部件的准线与工作阻力之间的联系,对寻找具有最佳减阻性能的准线,设计节能减阻土壤工作部件具有重要意义。总结了推土板、挖掘铲、装载斗等工程机械及圆盘犁、铧式犁等农业机械典型触土曲面的准线形式—直线、圆弧、摆线、抛物线、仿生曲线。从曲率几何特征角度(曲率趋势线、曲率半径梳和曲率中心轨迹)分析各典型准线内在属性。结合各相关研究者取得的研究成果,推测准线具备“(1)曲率趋势线具有多次波动,且波动极值趋近于零;(2)曲率半径中心轨迹具有不趋于同一点且分布于原曲线两侧趋势”特征的触土曲面具有较优的减阻性能。对各典型准线的窄齿土壤工作部件切削土壤过程仿真分析,获得不同切削速度下,各土壤工作部件工作阻力及对土壤扰动情况。选取仿真分析中最小工作阻力的变曲率准线作为深松铲准线设计、加工变曲率深松铲。作为对比,同时加工“机准”圆弧深松铲。田间试验发现,相比“机标”圆弧深松铲,变曲率深松铲在4km/h减阻达6.24%,在8km/h减阻到21.63%,各速度下平均减阻13.64%。结果表明,理论分析及仿真分析中的变曲率准线具有较好减阻效果,通过准线曲率几何特征判断具备该准线触土曲面工作阻力大小以及上述推测的正确性。该研究首次从准线曲率几何特征角度寻找最优减阻土壤工作部件,为减阻节能研究开启新的方向。