犁体曲面设计的数学解析法

190年前就已提出,对犁这样一种属于全人类具有长期广泛使用历史的重要工具,其曲面应该能用科学的标志——数学解析法来描述和设计。至今,国内外各种直元线、曲元线和其他设计法联同其参数选择仍然基本上属于经验式,因为都不能将所耕土壤的物理力学特性量、耕后要求达到的土垡状况、耕速阻力等工况与曲面形状曲面参数在设计中有机地联系起来。本文提出一种企图将这些因素联系起来的设计法。犁耕中土垡的运动仍用土垡剖面的翻转来描述。犁体曲面即为曲率在不断变化的土垡剖面底边线在翻转中扫描所成的空间曲面,其解析式为泛函ψ(x,y,z)=f_1(x)y~2+f_2(x)y+f_3(x)z+f_4(x)=0。土垡剖面底边任意点土粒在曲面上的运动迹线为以土垡剖面底边的底点为瞬时轴心,以从轴心至该任意点距离为半径的柱面与曲面的交线,其方程为(?)。通过对土粒在曲面上运动迹线的微分几何分析,建立了不同土壤在不同耕速下土垡合理翻转而阻力最小的几项曲面主要参数的选择判断式。导出了制作曲面时所需的各条样板曲线的方程式。最后规定了整个曲面设计的具体步骤。     

土垡横剖面翻转法形成高速犁体曲面

根据“土垡横剖面翻转法”设计了犁体曲面,提出的犁体曲面数学模型,反映了工况参数与农艺要求的关系,可以根据不同的要求设计出达到预期效果的犁体曲面,为犁体曲面的解析设计提供了一种新方法。     

高速犁体曲面的研究现状与分析

分析了国内外高速犁体曲面的研究现状,总结了高速犁体曲面设计的主要成形方法,指出了基于土垡运动原理的参数化设计是目前高速犁体曲面的主要设计方法。结合现代化的三维计算机辅助设计方法,研究犁体曲面的参数化设计,提出现阶段高速犁体曲面的设计方向。     

数学解析法设计犁体曲面探索之一

作者通过试验,提出了用单一的曲面方程连续描述犁体曲面的方案,取得如下结果。 一、用一直元线沿着一条连续的水平迹线移动,二面绕x轴转动,同时改变与x轴的空间夹角的原理建立了连续的犁体曲面解析式,实践证明行之有效,而且所设计的1LD-230悬挂重型二铧犁犁体曲面性能良好,并已鉴定定型。 二、建立了犁胫线、顶边线、翼边线等解析式,以此与曲面解析式联解,可以得到元线的边界坐标值,构成具有完整轮廓的犁体曲面。 三、从连续描述的犁体曲面解析式导出的性能曲线、样板曲线均连续可微,且推导运算简便。为探索土壤运动轨迹的物理方程及犁体曲面有理设计创造了条件。     

耕耘曲面分析

本文将土垡抽象为松散连续的挠性垡条,作为土垡的物理模型,并根据几个基本实验数据,应用力学方法,分析垡条沿曲面运动轨迹;对耕耘曲面(犁体曲面、垄作犁铧等)的形成和工作原理,进行了系统的理论分析;探讨建立耕耘曲面统一的理论体系及其主要设计参数的选择原则和实验研究的方向。     

犁体曲面研究的几个问题

中外学者对犁体曲面曾经进行过多方面的、大量的研究工作。本文仅就三个问题,即犁体曲面设计的几个理论问题,犁体曲面设计方法问题,和建立统一的设计方程问题,回顾了研究工作的进展,本文最后提出了我们进一步开展犁体曲面研究工作的初步设想。达个设想包括:(1)把建立在土垡运动基础上的研究成果,作为进一步研究的出发点;(2)在提高犁耕质量和能量消耗方面,以降低能量消耗为主;(3)以建立统一的设计方程为目标。这个方程应以残茬覆盖和垡片破碎为约束条件,以能量消耗(或阻力)最小为目标函数,实现优化设计;(4)鉴于目前的研究现状,研究工作应首先从实验研究入手,寻求合理的模拟设计方法和其它经验设计方法,也可尝试应用工程土壤力学和流体力学原理,进行犁耕过程的研究;(5)为使实验研究有效地进行,提出了一些急需的实验技术和实验装置的研制项目。 本文认为,目前国内已经开展起来的多种研究途径,不仅是可行的,对于推动研究工作较快地取得进展,也是非常必要的。     

犁体曲面离散元仿真试验与参数优化

为了优化犁体曲面结构参数、减小铧式犁耕作阻力,采用水平直元线法设计犁体曲面,运用Solidworks软件建立实体模型,利用EDEM软件建立犁体—土壤离散元模型,并以犁体阻力最小为目标,对犁体铧刃角、犁铲安装角和导曲线扣垡角三因素进行正交仿真试验。仿真结果表明:所建立的犁体—土壤离散元模型可以较好地反映犁体在耕作过程中的阻力的变化情况,犁体阻力随着犁体与土壤接触面积的增大而增大,当犁体全部进入耕作状态时,犁体所受阻力达到2 621～2 795N,且趋于稳定。正交试验结果表明:铧刃角对犁体阻力影响极显著,犁铲安装角和导曲线扣垡角对犁体阻力影响显著。犁体结构最佳设计参数组合为:铧刃角45°,犁铲安装角25°,导曲线扣垡角5°,犁体阻力为2532 N,比优化前减少6. 36%。研究结果为犁体曲面优化设计提供一种离散元分析方法,也为犁体曲面的设计提供数据参考。     

碎土型犁体曲面作业过程的仿真分析——基于ANSYS/LS-DYNA

在农机作业中,铧式犁主要是通过犁体曲面完成对土壤的切土和翻垡,达到土壤耕作的目的.犁体曲面的参数对铧式犁的工作性能和动力消耗都有较大的影响.为此,利用数学建模中参数化建模的方法对碎土型犁体曲面进行建模,并对犁体曲面耕翻过程进行动力学仿真分析,得出优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能(牵引阻力、翻馑性能)的影响,从而达到对铧式犁优化设计的目的.     

南方系列水田犁犁架强度计算

用空间力法、有限单元法并借助电子计算机编制通用程序计算了南方系列水田犁犁架强度。从83个方案中,择优确定了全系列12种梯形犁架及斜撑杆的支撑位置。计算结果与脆漆、电测试验吻合。悬挂犁在工作中所受的主要外力有:犁体工作阻力、反力、悬挂杆的反力、犁的自重等。犁侧板横向反力F_(my)对碎土型、通用型犁体设各铧都一样;对翻垡型、窜垡型犁设最后一铧占总数一半,其余各铧均匀分配。犁侧板的纵向阻力F_(mx)=f·F_(my)(f——钢与土壤的摩擦系数)。轮式拖拉机悬挂的犁架,单犁体的纵向阻力     

横排犁犁面设计初探

横排犁是一种实现土垡无侧移、原沟翻转的新型耕作机具。目前,国内外的研究表明,横排犁具有一系列明显的优点。本文着重探讨横排犁犁面型式及其设计方法,并提出犁面主参数的选择范围。 样机试验初步表明,按预定的犁耕工艺过程控制土垡运动的螺旋作曲面,在给定的参数选择范围内可实现土垡的原沟翻转。因此,本文所提出的设计方法及犁面参数,可供进一步研究横排犁犁面时参考。     

农业机械技术问答（续4）

31.犁体曲面有哪些结构型式? 答 犁体曲面有3种结构型式:①翻垡型(滚垡型).目前生产中使用的侧翻土壤的犁头就是这种型式,翻土性能较好.②窜垡型.主要应用于传统的三角形犁,碎土性能较好.③通用型(滚窜型).是前两种犁体的结合.翻土和碎土能力在一定程度得以兼顾.     

铧式犁犁体曲面研究现状与展望

犁耕作业是一种应用最为广泛的耕地方式,良好的犁体曲面不仅能使土壤达到理想的农艺作业要求,而且可以降低犁耕作业过程中的能量消耗,通过对犁体曲面的几何特征、性能参数、耕作过程和设计方法等方面进行阐述分析,总结基于犁耕作业过程中的土垡运动及受力的各类研究方法,分别从经验设计、几何形成线法、土迹线模拟法、基于犁耕工艺过程的犁体曲面设计、计算机辅助设计、高速犁体曲面设计等方面总结犁体曲面设计的方法及研究现状,总结利用计算机辅助设计技术并结合先进合理的犁耕作业模型来设计犁体曲面的方法是今后的发展趋势。     

基于TRIZ理论的就地翻土犁设计

为消除铧式犁土垡侧移,更好地适应设施农业中深翻的耕作需求,基于TRIZ理论对铧式犁进行创新设计。利用TRIZ分析工具对铧式犁的耕作状况进行分析,找出铧式犁造成土垡侧移的原因,用物—场模型和标准解系统得到一般性解决方案,并结合犁体曲面设计方法得到一种能够使得土垡无侧移的就地翻土犁具体设计方案。借助CAD及ADAMS软件对就地翻土犁翻垡过程进行仿真分析,仿真结果验证方案的可行性。     

基于LS-DYNA的铧式犁结构优化设计及性能分析

基于LS-DYNA法建立犁体与土壤的耦合接触有限元模型,讨论不同犁体导曲线、铧刃角、安装角、端点角、耕作速度对耕作过程翻垡效果和犁体应力影响,并进行试验验证。结果表明：椭圆曲面比抛物线曲面耕作时阻力更小、土壤翻垡效果更好,阻力降低5.6%,翻垡距离提升14.8%;对犁体前进速度、铧刃角、安装角、端点角进行单因素分析,发现翻垡距离随着速度增加而增加,而随着铧刃角、安装角、端点角呈现出先增大后减小的趋势。因此,通过选取合适的速度与结构参数可以提升铧式犁的翻垡性能,减低犁体阻力。     

旱作沙壤土上铧犁犁体曲面阻力分析

在为华北地区研究設計性能好、阻力輕的机力犁以及在探討小垡条铧犁能否作为我国一些地区犁的发展方向的过程中,除了应探明犁体曲面参数对翻土、碎土、及复盖等性能的影响外,还必須研究它們与阻力間的关系。由于铧犁耕作时土垡受力与变形情况相当复杂,所以尽管长期以来各国許多研究工作者对铧犁与土壤相互作用过程进行了大量的工作,但在建立犁体曲面阻力关系式的問题上,却始終未能获得与实际相符的,且便于应用的結果。     

基于Pro/E犁体曲面的设计绘制方法

通过对犁体曲面设计从现状分析、提出问题、分析问题到解决问题,研究并提出了一种用于犁体曲面设计绘制方法——Pro/E设计绘制法。该方法以部分解析法得出的参数为基础,利用Pro/E自身设计的强大功能,可以较好地表现犁体曲面的三维结构图,大大缩短了产品的开发周期,降低了产品的设计成本。      

用刚体模型解析就地翻转犁土垡的作用力

为了减轻犁体牵引力及设计犁体,本文设定了土垡刚体模型,用刚体模型对梨的作用力进行了解析,并求出犁体牵引抵抗力和各种作用力作用点的位置,推出犁壁和排土板的作用力Ｎ０和Ｎ１。用数学解析方法求出牵引抵抗力,比较了用刚体模型解析和模型试验求出的牵引力的结果。结果结果表明,就地翻转犁＾［１］的作用力用刚体模型求出的表示是可信和合理的。     

犁旋组合式油菜直播机扣垡装置设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区油菜直播作业时,因前茬水稻留茬高、秸秆量大而导致旋耕部件作业耕深浅、秸秆埋覆率低的问题,结合油菜根系生长对直播的农艺要求,提出犁耕与旋耕组合的联合耕整方案,设计一种与油菜直播机配合,通过先抬、后扣的作业方式,实现高茬粘重土壤有序翻埋的扣垡装置,并集成了犁旋组合式油菜直播机。分析阐述了扣垡犁曲面形成原理,确定了其关键影响因素导线、元线角、母线的数学模型,构建了土垡与扣垡犁力学模型,阐明了犁体曲面扣垡过程。为验证扣垡装置功能,在高茬秸秆工况下开展扣垡犁单体试验,试验结果表明,扣垡犁平均扣垡率为93. 41%,具有较好的扣垡埋茬功能。以设计的犁旋组合式油菜直播机与仅有旋耕装置的油菜直播机分别在秸秆留茬高度为338、452 mm工况下进行了田间对比试验,2种工况下,犁旋组合式直播机相对仅有旋耕装置的油菜直播机的耕深分别提高了137、110 mm,秸秆埋覆率分别提高了33. 94、28. 36个百分点,种床耕整效果优于仅有旋耕装置的油菜直播机,作业质量满足油菜播种要求。该研究可为犁旋组合式耕整机和犁体曲面优化设计提供参考。     

设施农业就地翻土犁结构设计与仿真

针对铧式犁使土垡侧移而无法适应设施农业耕作需求的难题,设计一款新式犁体。基于铧式犁的设计方法水平直元法和翻土曲线族法,提出一种翻土曲元法。通过对犁体导曲线、翻土曲元线的设计,由翻土元线中点穿透于导曲线且翻土元线角度按照规律变化后得到一种翻垡后土垡无侧移且无犁沟的就地翻土犁体曲面,利用Solidworks建立就地翻土犁数学模型。查阅现有土壤物理性质研究成果文献,获得土壤的密度、泊松比、静摩擦系数、动摩擦系数、碰撞恢复系数,通过EDEM软件构建土壤颗粒离散元模型,模拟土壤耕作试验,试验表明犁体耕作效果较好,犁体在6 km/h速度下阻力约为1200 N,为就地翻土犁样机制作与优化提供理论参考。     

试论犁体曲面的微分几何性质及其基本数学模型

根据犁耕中犁体曲面对土垡的导向约束原理、土垡在曲面上不自锁条件及曲面的微分几何性质,研究得出犁体曲面形成的一般规律应是:高斯曲率K≤0。满足此条件的曲面可有多种,但在实用上和工艺上最简单的才是最合理的。据此得出直纹和负常曲率两类曲面可作为犁体曲面的基本模型。文中分析了生产上应用较多的直纹面,并推荐了伪球面。