自推进旋耕机研究

1目 录摘要 .1关键词 .11 前言 .21.1 自推进旋耕机简介 .21.2 研 究 目 的 及 意 义 .32 自推进旋耕机整机相关理论分析 .42.1 受力分析和功率分析 .42.2 旋耕速比分析 .62.3 耕作重叠量的理论分析 .92.4 自推进旋耕机限深部件的行进阻力研究 .123 自推进旋耕刀的相关理论分析 .133.1 自推进旋耕刀片的选择 .133.2 自推进旋耕刀片的受力分析 .153.3 直角形刀片的正切刃运动学分析 .173.4 直角形刀片的侧切刃的滑切性能分析 .184 自推进旋耕机抛土模型 .214.1 抛土模型的动力学分析 .224.2 抛土模型的运动学分析 .245 我国自推进旋耕机发展存在的主要问题及展望 .265.1 自推进旋耕机存在的主要问题 .265.2 展望 .276 结论 .28参考文献 .28致 谢 .302自推进旋耕机研究摘要：自推进旋耕机与传统的拖拉机农具机组相比，其结构简单，操作灵活，机组短，效率高，近年来被广泛实用于温室大棚和露天蔬菜场地。本文主要运用理论力学的知识，研究了自推进旋耕机的工作原理及其相关的受力分析，运动学分析，动力学分析，主要包括：自推进旋耕机整机受力分析，功率分析；自推进旋耕机的刀片选择及刀片运动学分析；自推进旋耕机耕作重叠量的理论分析；自推进旋耕机旋耕比的分析；自推进旋耕机陷深部件的行进阻力研究；自推进旋耕机抛土模型分析，给出了相关结论，并且结合目前自推进旋耕机在我国的技术现状，指出目前我国自推进旋耕机存在的主要问题，并对自推进旋耕机的未来发展趋势进行展望。关键词：自推进旋耕机；理论分析；技术现状；展望3Study On Self-propelled Rotary TillerAbstract: Compared with tradition tractor and implement unit, a self-propelled rotary tiller has simple structure, operation flexibility, small unit and high efficiency, they are widely used in glasshouse, greenhouse and open-air vegetable filed. In this paper, through using theoretical mechanics knowledge, the working principle, associated propulsion motive force analysis, kinematics analysis and dynamics analysis of rotary tiller are studied. It mainly include the force analysis, power analysis of self-propelled rotary tiller ,the selection of blades of self-propelled rotary tiller and the kinematics analysis of blades, the farming overlap amount of theoretical analysis of self-propelled rotary tiller, the rotary speed ratio analysis of self-propelled rotary tillers, the study on the travel resistance of limit deep parts, the model of thrown soil theory analysis of self-propelled rotary tiller , the relevant conclusions are drawed .In addition ,combined with the present situation of the self-propelled rotary tiller technology in our country, the author points out the main problems of self-propelled rotary tiller of our country at present, and discusses the trend of future development of self-propelled rotary tiller.Key words: Self-propelled Rotary Tiller; Theoretical Analysis; Technical;State;Outlook41 前言1.1 自推进旋耕机简介自推进旋耕机是指由发动机驱动的旋转工作滚在加工土壤的同时受到土壤反作用推动机具前进，取消驱动轮的旋耕机械（示意图如图1所示） 。自推进旋耕机作业时，取下驱动轮，把旋耕刀对称的安装在两个驱动半轴上，动力经驱动半轴直接传给旋耕刀棍，使刀棍转动，带动刀片切削和挤压土壤的同时，土壤对刀片的反作用力推动耕耘机械前进，由此可见，自推进旋耕机工作部件起到了两个作用：旋耕加工土壤作用和驱动整机前进的作用 。12, 1发动机 2排气管 3手把组合 4机架 5挡泥罩 6旋耕部件 7传动机构 8限深部件图 1 自推进旋耕机的结构简图1 Engine 2 Exhaust pipe 3 Handle combination 4 Frame 5 Mudflaps cover 6 Rotary parts 7 Transmission mechanism 8 Depth partsFig.1 The structure of self-propelled rotary tiller从世界土壤耕作技术动向看，由 于 在大范围内采用新的农艺技术，土壤耕作将呈现出一个趋势，即将由多耕制向少免耕制的演变。纵观我国的耕地耕作历史，80年代我国确立了以旋耕机配合使用的少耕体系，出现了旋耕整地，此后随着旋耕机的推广使用，旋耕机在耕整地机械化方面的作用越来越被人们所重视，农民已经接受了少耕法、免耕法，接受了旋耕的耕作方式，而自推进旋耕机继承了传统型旋耕机的优点，还有自身的特点：一旋耕整地不会破坏土壤结构及理化性质。江苏省农科院测试结5果表明：旋耕整地不打乱耕作层，保持了土壤原有的含水率，土壤团粒没有破坏也没有发生板结，其理化特性更没有恶化；二旋耕植被覆盖率高，达到了合理用肥。旋耕覆盖率可达92.3%，经有关部门理化测试：旋耕覆盖植被分布比较合理，同时旋耕可切碎绿肥及稻茬，促使其早期腐烂，有利于土壤养分的全层分布，促进作物生长。三旋耕深度能达到农艺要求，并有利于增产。目前我国一般作物要求耕深1218cm，大部分15cm 即可。而旋耕作业达到15cm耕深的要求是很容易的。另外根据对犁耕和旋耕两种耕作方式的作物产量测算，旋耕产量比犁耕产量高3040 千克亩。四旋耕可节省能源，节约劳力，减少投入，增加产出。南方整地的传统程序是犁耙平耖，而旋耕一次，至多二次就可达到“两平一碎”的效果，即犁底层平、地表面平、土壤细碎，这样省去12次重复耕作，节约了能源消耗，另外自推进旋耕机可一人操作，不必更换农具，减少田间机具作业次数，使土壤免遭机械破坏，提高了工作效率，节省了农时和劳力，改善了工作条件。五、自推进旋耕机操纵方便灵活，结构简单，易于维护，容易为农民所接受。自推进旋耕机的特殊结构，大大缩短了机组长度，简化了结构，给整机带来结构简单，重量减轻，成本降低，结构尺寸减小，转弯半径小，转向灵活等优点。在我国，耕地地形复杂，特别是山区、丘陵和小面积水田耕地，因此，自推进旋耕机的推广是实现农业机械化的重要手段。随着农业经济制度的进一步深化，农业经济作物种植规模不断扩大和农业棚室技术的进一步推广，自推进旋耕机的推广符合我国的基本国情，也是解决“三农”问题，实现我国农业全面机械化的有力工具。1.2 研 究 目 的 及 意 义近几年来，我国自推进旋耕机市场令人可喜，以重庆市为例，目前，重庆市现有自推进旋耕机生产企业1000余家，2011年产销量达到70多万台，为当地的经济和促进农业机械化的水平做出了卓越的贡献，同时，根据重庆市农机鉴定站在对自推进旋耕机的适用性与可靠性调查中，发现自推进旋耕机依然存在一些未解决的难题，经过全国农机市场的反馈性息也显示出同样的问题，例如部分自推进旋耕机的耕作效果不佳，入土效果不好，耕刀缠草严重等问题，为此，为了给解决此类问题提供相关理论依据，笔者将对自推进旋耕机的相关理论进行一个比较全面的分析，运用的理论力学和相关数学知识对自推进旋耕机和耕作进行运动学分析，动力学分析，并且阐述目前我国自推进旋耕机的技术现状和将来的发展趋势 。32 自推进旋耕机整机相关理论分析2.1 受力分析和功率分析6自推进旋耕机在田间工作并达到平稳工作状态时，旋耕刀棍及限深装置受力图如图2所示。其中，设G为整机重量, 、 分别为刀滚工作阻力的水平与垂直分力, XRY、 分别为限深杆的水平与垂直阻力, M为刀滚的驱动力矩, F为操作人员施加于XPY扶手把的作用力, 为刀辊的旋转角速度 , 为机具前进速度；土壤对刀棍工作阻力的合力作用点为A，并建立如图所示的X-O-Y直角坐标系 。12正常工作时, 根据受力平衡有：(1)0XF0XRP(2)YFGY(3)OM0BXYDCAXP图2 自推进旋耕机工作时受力简图Fig.2 Force diagram of self-propelled rotary tiller此时,只要控制扶手把上的压力F,即可稳定旋耕深度。耕深变小时, 增加扶手把上的压力F,限深杆下陷 , 和 增大,若要前进, 也必须增大,这必然使耕深增加,XPYXR旋耕机的前进速度减慢；耕深变大时, 减小扶手把上的压力 , 限深杆抬起, 和XP减小 , 这时 也相应减小 , 耕深变浅, 旋耕机的前进速度增大。下陷时, 扶手把YPXR往上提, F1时，具有这种运动特性的轨迹称为余摆线（图3中A点的运动轨迹即为余摆线） 。余摆线具有封闭的摆环，由 的计算式可得知，刀片端点的绝对运动轨迹具有与 方向相反AXV mV的水平分速度，使刀片向后切土和抛土成为可能，且切土、抛土过程中产生与 方向相同的土壤反作用力，推动机具前进。云南大学运用现代的方法来确定自推进旋耕机最佳的速比系数的取值范围，为自推进旋耕机的设计提供了一定的理论依据。通过建立目标函数的方法确定最佳旋耕速比，由于自推进旋耕机自身动力小，希望充分发挥有限的动力，提高动力性，所以将单位体积功耗作为旋耕速比系数优化模型的目标函数。单位体积功耗是耕耘机械耕作要求的前提下，完成单位体积的土壤作业所需要的功率消耗。首先，建立 ，H和n函数关系式：mV在自推进旋耕机工作时，对其功耗产生影响的参数有1.机器的前进速度 ；2.刀mV棍转速n ；3.耕深H。通过文献的介绍和试验，可得知如下的结论：1.当刀辊转速n和耕深h不变的情况下, 耕耘机前进速度 与功耗W 之间的关系近mV似呈线性关系（如图4所示） 。9图 4 单位体积功耗与前进速度关系图Fig.4 The relation between unit cubage power consumption and advance speed则单位体积功耗可定义为：W( ,n,H)= + (12) mV1km2式（12）中： 和 是关于刀辊转速和耕深的系数，与机器前进速度无关。2.当前进速度 和耕深h 不变时, 刀辊转速n与功耗W 的关系也呈近似的线性关系（如图5所示）图5. 单位体积功耗与刀棍转速的关系Fig5. The relation between unit cubage power consumption and axle rotational speed 则单位体积功耗可定义为：W( , n, H) = n+ (13)mV3k4式（13) 中: , , 是关于前进速度和耕深的系数, 与刀辊转速无关。3.当前进速度 和刀辊转速n不变时, 耕深H与功耗W 的关系也呈近似的线性关10系(如图6所示）图 6 单位体积功耗与耕深关系图Fig.6 The relation between unit cubage power consumption and cultivation depth则单位体积功耗可定义为:W( , n,H) = H + (14)mV5k6式（14）中: , 是关于刀辊转速和前进速度的系数, 与耕深无关。通过单位体积功耗最小作为旋耕速比系数优化模型的目标函数，根据耕耘机的前进速度、转速、耕深之间的相互作用,可建立耕耘机的单位体积功耗模型为:W ( , n, H ) = + nH+ + H+ + n + n + (15)mV0b1mVn2b3mVHb45m6b7mV式（15）中： 为待定系数。为了便于通过试验确定这些系数 , 作如765432,下变换: 令 , ，y= W ( , n, x,xxn 6541 7H ) 则单位体积功耗模型变为:(16)76543210 xbxbxby 根据单位体积功耗测试验数据分析, 此回归问题为多元线性回归问题, 运用广义最小二乘法, 在显著水平为=0.01，n=15情况下，得到式( 16) 中参数 的估计值76543210b,b,为:（ = ( 3.6615， 0.0003， 0.0021， 0.4046， 0.1579，0.1107， 7)b10，0.1453.，17.8822)，所以得到单位体积目标函数的数学模型的表达式为：7654321 x82.143.0x17.59.0x46.0.x3.65.y 11（17)其次，建立目标函数的约束条件：1.沟底凸起高度的约束条件，耕耘机的沟底凸起高度是指相邻两摆线的交点与沟底的距离 , 沟底凸起高度一般要小于耕深的20%。即:CH)1muzcos1VR（18）0 (31) 即： (32)1cos(ar2mRHV又由S= t=2 /z (33)mz刀辊纵同一截面上刀齿数代入（23）式中可得到：)arcos(z2)(2RHVHRL(34)在自推进旋耕机的适用性与可靠性调查的调查结果中显示出目前一部分机械的耕作效果不佳，并且有耕刀裹泥的现象，笔者认为这其中一部分的原因可以从重叠量方面去考虑，自推进旋耕机工作时，在工况不变的条件下,它的旋耕速比呈现出一定的稳定性( ）左右，如果在粘性土壤的条件下，当重叠量过大时，会造成旋耕刀裹泥5的现象，这是需要考虑公式（34）中各参数之间的关系，得出最佳的重叠量。2.4 自推进旋耕机限深部件的行进阻力研究自推进旋耕机整机结构简图1-8即为自推进旋耕机限深部件，限深部件在自推进旋耕机的工作中有着重要的作用 ：81.当自推进旋耕机采用中间传动的时候，不可避免的出现传动箱下方漏耕的现象，此时限深部件有两个作用，一是限深部件做为防漏装置，二是限深部件的行进阻力平衡了自推进旋耕机切削土壤而得到的驱动力，使得自推进旋耕机前进时更加平稳，更容易操作。2.当自推进旋耕机采用侧边传动或者限深部件不作为防漏装置，此时，它的作用只用来平衡自推进旋耕机切削土壤而得到的驱动力。湖南农业大学相关研究学着对当自推进旋耕机采用中间传动时，起到防漏和平衡旋耕机切削土壤而得到的驱动力双重作用的限深部件进行了比较全面的研究，共研究了四种不同类型的限深部件，并取到了一定的研究成果，四种限深部件示意图如图9所示：15（a) (b) (c) (d)图 9 限深部件形状Fig.9 Shape of depth-controller（a)代表直板形， （b)代表凿形， （c)代表尖形， （d) 代表铲形研究学着通过单因素，双因素，三因素性能试验研究下陷深度、速度、形状对限深部件的行进阻力的影响，研究结论如下：(1)单因素试验表明四种不同形状的限深部件的行进阻力有着明显的差异，铲形最大，主要是由于铲形限深部件的与土壤的接触面积大；凿形限深部件的行进阻力其次，它与土壤的接触面积较铲形小，但入土角度大；直板形和尖形限深部件由于和土壤的接触面积小，且入土角小，所以工作阻力也小。(2)从防漏效果上来看，铲形最好，并且碎土效果好，凿形其次，直板形和尖形只是划开土壤，碎土效果不好。(3)对限深部件行进阻力影响程度从高到低依次是：下陷深度与速度的交互作用下陷深度 速度 形状，形状与速度、下陷深度的交互作用对行进阻力影响不显著。3 自推进旋耕刀的相关理论分析2.弯刀（图10-b） ，弯刀的刃口由曲线构成，包含侧切刃和正切刃两个部分，弯刀工作时，先由侧切刃沿纵向切削土壤，然后由正切刃横向切开土垡。这种切削过程，可以把土块和草茎压向未耕地，与较硬的未耕地支持切割。所以，弯刀的侧切刃具有较好的滑切性能，刀片不易缠草，但是刃口较长，刀片的侧面与土壤摩擦大，入土困难。3.直角形刀（图10-c), 直角形刀的刃口有侧切刃和正切刃组成，两个直线刃口相交成90左右，工作时，先由正切刃横向切割土块，然后侧切刃逐渐切出土垡的侧面。直角形刀入土碎土能力强，侧切刃滑切作用小，脱草性能较差，容易缠草。16由于耕耘机的工作环境是温室、大棚和露天蔬菜地，土壤较疏松，土表杂草、杆茎较少，脱草性能已不再是耕耘机刀片性能考虑的主要因素。另外，耕耘机功率小, 刀片形状的选择应从降低消耗功率, 减小阻力, 有利入土等几方面来考虑 , 据相关资料显示装有弯刀的自推进旋耕机入土困难, 入土行程长 , 刀辊打滑率高, 机器行走困难, 耕深不稳定，而装有直角形刀的自推进旋耕机碎土能力强, 碎土均匀，入土行程短, 入土、切土正常, 耕深稳定, 机器走直性能好，进一步说明耕耘机的刀片应以直角刀为佳。目前，市场上的自推进旋耕机刀片以直角形刀居多，直角刀较好的满足了耕地需求，但是不可避免的出现了旋耕刀缠草的问题，鉴于此问题，云南大学相关学者通过改变刀片安装的偏心距，改变了直角形刀片入土过程，使直角形刀的侧切刃的滑切性能得到一定的改善。3.2 自推进旋耕刀片的受力分析自推进旋耕机在工作时，旋转的刀片对土壤起到切割作用的是具有刃角的刃缘部分，包括正切刃和侧切刃两个部分，对土壤起到破碎和抛掷作用的是旋耕刀片的正切部分的内表面及侧切部分与已切土壤接触的侧面，使得土壤具有反作用力作用在刀片上。刀具工作时受到的土壤阻力是一个空间力系，为了便于力系的分析，确定一个空间坐标系：自推进旋耕机前进的方向为X轴，刀棍的轴线方向为 Y轴，铅垂方向为Z轴，刀辊轴的中心为原点O。由于自推进旋耕机工作时，刀片绕刀辊旋转并随机组向前前进，其受到的空间力系的方向和大小一直在发生变化，要想将力系完整的表示出来非常困难，可以将刀片受到的空间力系分为三个部分的力，并且由空间力系的合成定理，得到刀片的受力图如图11所示 ：12341.侧切部分侧切和挤压破碎土壤时受到的阻力 （图11a）1F2.正切部分切割土壤和挤压破碎土壤受到的合力 （图11b)23.正切部分向后抛掷土壤时受到合力 （图11c） 。317(a)(b)(c)图 11 直角形刀片的受力分析Fig.11 The stress analysis of rectangular-shaped blade 18从图11中可以看出，自推进旋耕机在田间进行旋耕工作时，理想情况之下，旋耕刀片是不受到平行于OY轴方向的力，所以旋耕刀片受到的合力为： 2z31232 )-()(FFx（35）结合上述计算公式，为方便计算需要确定旋耕刀的阻力合力的作用点。根据国外试验资料，弯刀阻力的平均半径R与弯刀端点回转半径 R的关系为 R =0.9R，直角刀阻力平均作用点更靠近刀的端点，其 R= 0.95R，通过上述分析方法可以确定该刀片的受力点以及受力大小。3.3 直角形刀片的正切刃运动学分析自推进旋耕机的刀片的运动形式与正转方式的卧式旋耕机刀片运动形式相同，研究直角形刀的运动形式可以取正切刃的纵切面作为研究对象，其运动轨迹以及几何分析如图12所示 ：910图 12 直角形刀正切面几何参数Fig.12 Geometric parameters of rectangular-shaped blade直角形刀片正切面几何参数主要是指切土角 (刀齿内刃面与余摆线切线的夹角 ) 和隙角 (刀齿外刃面与余摆线切线的夹角)，根据运动轨迹的几何关系可得：= (36)0 (37)19式中:： 为静态切土角 (刀齿正切刃内刃面与刀齿半径R 所作圆弧的切线的夹角 )；0为静态隙角 (刀齿正切刃外刃面与刀齿半径R所作圆弧的切线的夹角 )；i 为磨刀角；0为圆周切线和余摆线切线之间的夹角，刀片的静态切土角 和静态隙角 是一定00值。由图12中刀片的速度之间的几何关系可知:(38)sincoartg式（38）中： 为刀齿位置角；U为刀齿的圆周线速度； 为机器前进速度; mV为旋耕速比系数。由（38）式可见， 随刀齿位置角的变化而变化，并且在相同的位置角的情况下， 随旋耕速比系数的减小而增大。切土角 和隙角 则随 的增大而减小。按照农业机械设计的要求可知，刀片的最小切土角 和最小隙角 不能过大，也不minmin能过小。过大时， 刀齿难于入土，增加了能量消耗；过小时，在最小隙角 处会min引起刀片背部接触土壤的现象，严重时刀片的背部挤入未耕地中，增加功率的消耗以及刀片的磨损，甚至使旋耕机剧烈跳动，耕深自动变浅，不能正常工作。自推进旋耕机的旋耕速比一般为5左右，相比卧式旋耕机的旋耕速比要小很多，根据先关研究资料显示，卧式旋耕机的旋耕速比=910，其对应的 56 ，max而自推进旋耕机对应的 10左右，由 可知， 应该有较大的减小，如max0min果套用卧式旋耕机的刀片设计方法，将会使刀片正切刃出现挤土的现象，根据云南大学相关研究结果显示，自推进旋耕机直角形刀片相比卧式旋耕机，在设计方面需要有以下的优化：（1）自推进旋耕机直角形刀片的磨刀角i相比传统型刀片的磨刀角应该适当减小：（2）自推进旋耕机直角形刀片的静态切土角 ，应该达到3739。03.4 直角形刀片的侧切刃的滑切性能分析自推进旋耕机使用直角形刀具有碎土能力强，碎土均匀，入土行程短，入土、切土正常，耕深稳定的优点，但是其侧切刃的滑切性能较差，容易造成旋耕刀缠草的现象，鉴于自推进旋耕机的特殊结构和工作原理，研究其侧切刃的滑切性能具有一定的意义 。91根据研究旋耕刀侧切刃滑切性能的经验，首先先求出刀片的静态滑切角（当机械前进速度 时，直线刀刃上的一点的运动方向与刃口法线方向的夹角） ，当 =0时，mV mV20侧切刃AB上一点M的运动轨迹如图13所示：图 13 直角形刀的静态滑切角Fig.13 Static angle of right-angle blade图中 即为静态滑切角，由几何关系可得：c(39)resin式（39）中：e 为旋耕刀片安装偏心距： r为M点到回转中心的距离，即回转半径。从（39）式中可知静滑切角与偏心距e和回转半径r有关，当e 增大或者r减小时，刀片的静滑切性能会得到提升。工作时，自推进旋耕机前进速度 0，所以刀片的侧滑切性能指刀片的衡量指mV标为刀片侧切刃动滑切角 （侧切刃刃口上任一点的法线与该点的绝对速度方向之间d的夹角） ，侧切刃刃口上一点M的运动轨迹土如图 14所示：21图 14 直角形刀动态滑切参数Fig.14 Dynamic sliding cut parameters of rectangular-shaped blade由图中的几何关系可得：= (40)dc分析 的值就要分析 的值，由速度三角形关系可知：(41)sinoarctgRr式中，是自推进旋耕机的旋耕速比，R 是旋耕刀端点的转动半径；从式（41）中可知 的值与和有关，R，H和 如图15所示：22图 15 参数R，H，间的关系Fig.15 Relation between R， H， 由几何关系得： (42)rHRsin(43)2-1co代入式（41)可得：(44)22()ractg）HR(45)22d -r(resin）（ ）tR云南大学相关研究学者运用（45）式对直角形刀片的侧切刃滑切角进行了研究，通过一系列的分析数据得到一些结论：当自推进旋耕机的旋耕速比保持不变（=5左右）时，直角形刀片的动态滑切角 随着极径r的增大而减小，即表明直角形刀刀刃d的基部滑切性能比端部好；增加安装偏心距e，动态滑切角 也增加，但同时也增加d了刀棍直径，旋耕机的灵活性也一定程度的降低，从使用情况来看，当安装偏心距e=67cm 时，自推进旋耕机工作稳定，缠草问题不突出，能满足耕作要求。4 自推进旋耕机抛土模型234.1 抛土模型的动力学分析自推进旋耕机的工作方式属于正转，其抛土方式是向后抛土（即被抛土垡水平分速度方向与自推进旋耕机前进速度 方向相反） ，被抛土垡质点在无罩壳、栅栏以及mV不计空气阻力和相互碰撞的条件下,其运动轨迹为一抛物线，然而,当被抛土垡质点与栅栏、罩壳碰撞后,其运动轨迹、抛掷方向将发生改变。在这里，笔者将通过理论力学中运动学的角度对旋耕刀的抛土过程进行研究，并通过相关数学知识建立自推进旋耕机的抛土模型 。134516据有关资料显示，在土壤适耕的情况下，被刀片被刀片正切面刃口剪切破坏的土块沿正切面向正切面末端滑移并被加速抛掷。假设未耕地土壤为不可压缩的介质，以往的研究认为，被剪切破坏而堆积在切削刃上的土块变形和应变不大，故逆转旋耕所切削土块的运动近似于刚体运动。根据自推进旋耕刀片的切削土壤的特点，可以建立其抛土模型的动力学方程：A点是刚被旋耕刀切削并且即将被加速抛掷的土壤质点，建立动系，动点为A ，动系为旋耕刀的始端（即图中A点的瞬时位置） ，所以有：牵连运动 ：自推进旋耕机前进运动 与刀辊转动 的合运动1eVmVr相对运动 ：A点沿正切刃的端面向上移动r直角形刀侧切刃与水平线的夹角为，侧切刃与正切刃直线部分的夹角为 ，刀棍中心到A点的距离QA与侧切刃的夹角为 ，A点受到的力系有重力mg ，正切面的支持力 ，未耕土壤对其支撑力 （为了简便计算，假设力的方向与正切面平行） ，NF1NF摩擦力 。同时，A点的受力并不平衡，具有加速度的作用，包括A 点以刀棍中心做f圆周运动的向心加速度 ，沿斜面加速向上运动的加速度 a，以及因为牵连运动的组2r成部分中有圆周运动，所以有科氏加速度 。1a运用达朗贝尔原理，将动力学的问题转化为用静力学方法来求解，达朗贝尔原理告诉我们：作用在质点上的主动力、约束力和虚假的惯性力在形式上组成平衡力系，图16即为运用达朗贝尔原理所画出的A点的受力图，画虚线的力科氏力 ，离心力 ，kFr合力ma即为虚加的惯性力系，建立如图16的 的坐标系，设重力mg与 轴11YAX1Y的夹角 ，离心力 与 轴的夹角为 。rF1Y24图 16 质点的达朗贝尔原理受力分析Fig.16 Particle abtaining stress analysis并且有：(46)NFftrd1km2(47) (48) r(49)2(50)(51) 12atrd式(47)(51)中 动系到动点的距离根据达朗贝尔原理建立平衡方程：(52)01XF0sinmgiaf1 rNF(53)Y cosk将式（46） （47） （48） （49） （50） （51）代入式（52） （53）中，解得：)sin(mg)cos( fg)sin(f)(rf2m211 Ntrtrd(54) 25(55)sin(g)cos( fg)sin(f)rcos(rmdf2211 NtrtrF令：(56)Bf2(57)CFNm1(58)D)sin(mg)cos( fg)sin(f)cos(r2 将式（56） （57） （58）代入（55）中得：DdBtrtr121(59)由于自推进旋耕机抛土时，质点A需要沿正切刃加速被抛出，所以有： 021tr(60)式（59）是一个二阶常系数非齐次线性微分方程，由于求解过程和结果复杂，这里不在叙述，可以解除其通解：(61),f(r11NFE以上是自推进旋耕机抛土模型动力学分析的全过程，下面笔者再讨论自推进旋耕机抛土时临界点的运动学分析。4.2 抛土模型的运动学分析建立固定坐标系如图17所示，前进方向与X轴正向一致， Y轴正向垂直向上，当刀片的端点位于X轴正方向的时候，刀棍的中心的为坐标原点。设正切面末端的切线与侧切刃的夹角为，侧切刃与水平面的夹角为 ， 与X轴的钝夹角为 ，点P为被eV刀片切下运动到正切面末端即将被抛出的土壤质点，动系建立在正切刃始端，取p点土块为动点,则其牵连运动 为机器前进运动与刀辊转动的合运动，而相对运动 为eV rV土块沿刀片正切面切线方向的滑移运动，则p点的绝对速度 可以根据点的合成运动a定理求解 。134516(62)reaV自推进旋耕机向后抛土运动学分析模型的情况如图17所示：26图 17 抛土模型的运动学分析Fig.17 Kinematic analysis of throwing soil model当旋耕刀片转动 角度时，土垡 p 点被抛出去，此时的绝对速度 与水平方向aV的锐夹角为 。由余弦定理求 eV)2cos(22me Rm）(63)即：(64)sin(22eVVm）则有：meeR2)(cos2(65)再根据余弦定理求 和aV(66)cos(2ra ereV)sin(67)把 向 X轴和 Y轴投影，可得到：27= (68)XVcosa= (69)Yin刀片正切面末端即将被抛土块脱离正切面瞬时的坐标(70)cosm0R(71)in 式中：RP 点到刀棍中心的距离令抛土的瞬间的时间t=0,可以得出被抛土垡质点的运动轨迹(72) tVx0X2Yg1(73)研究自推进旋耕机的抛土模型对自推进旋耕机的耕作质量的提升，功耗的降低等相关参数的优化有着比较重要的指导意义，以上给出了自推进旋耕机抛土模型的动力学分析和运动学分析的全过程，并给出了动力学方程和运动学方程，可以运用相关软件对自推进旋耕机的抛土模型进行动态仿真，在实验的基础之上可以得出自推进旋耕机的优化结果，在这里笔者仅仅给出相关参数的计算公式，供相关读者参考。综合上面的内容，笔者运用大量字符对自推进旋耕机进行了理论分析和理论阐述，希望能为自推进旋耕参数的优化提供理论依据，但是，仅仅依靠自推进旋耕机理论上的进一步成熟显然还不够，为了自推进旋耕机更好的为农民服务，从事相关工作的人员还需要做的更多，比如研究国外自推进旋耕机的发展经历去对比我国的相关发展历程，或者从市场的角度对看待自推进旋耕机的推广中的问题，或许我们能够得到一些启示，在下文中笔者对我国自推进旋耕机的技术现状展开研究，结合前辈们的研究，并提出自己的看法。5 我国自推进旋耕机发展存在的主要问题及展望5.1 自推进旋耕机存在的主要问题目前，自推进旋耕机的相关技术在我国的发展日益成熟，其独特的工作原理和工作结构为广大农民提供了便利，为我国农业的发展做出了贡献，但不可否认，自推进旋耕机依然存在着一些问题，需要科研人员和政府的共同努力去解决 。1789201(1) 主机相对多, 配套机具相对较少。由于国内自推进旋耕机生产厂商众多, 主机型的开发缺少统一规划, 虽自推进旋耕机的品牌和品种较多,但主要功能重复率高, 主机专用化水平低。而配套耕具较少,束缚了自推进旋耕机的作业范围广泛性。（2)产品功能单一，大多数只能进行旋耕作业。大多自推进旋耕机只能进行旋耕28作业，而又受功率限制生产率相对较低；另外对产品开发力量集中不够，有些地方、部门未正确分析和估价产品在市场中地位和发展趋势，一哄而上，造成资源的浪费，同时带来了一些不必要的经济损失。（3)使用水平低, 维修成本高。由于自推进旋耕机生产行业存在规模小、成本高和系列化、通用化、标准化水平低等问题造成由于技术原因带来的使用水平较低的状况, 特别在经济欠发达地区,自推进旋耕机易耗配件或维修的的成本也相对较高。(4)自推进旋耕机的质量检查水平相对低下。根据行业规定，为了保证质量品质的可靠性，自推进旋耕机需要检测的参数较多，其中包括环境噪声、驾驶员操作位置处噪声、最大耕深、耕深变异系数、平均耕宽、碎土率、耕后地表平整度、植被覆盖率等参数的测定，目前,该类试验绝大多数环节由人工或半人工完成, 特别是自推进旋耕机可靠性试验。由于其需要长时间人工把持操作,使得自推进旋耕机质量检测工作非常繁重，所以系统化自动检测装置和自推进旋耕机自动控制装置是质量检测部门紧迫的需要。（5）改善动力性能，减少废气污染。自推进旋耕机的工作场所往往是温室大棚和露天蔬菜场地，大棚温室是密闭的空间，空气不流通，因此应减少废气排放。5.2 展望（1）提高技术性能，增加科技含量。棚室、果园生产农艺复杂，劳动强度大，工作环境恶劣，要求精耕细作，因此机具必须工作性能可靠，生产率高，作业质量好。（2） 配套机具多样化。使一种自推进旋耕机配套更多种的机具,，通过设计与底盘配套的多种作业机具做到一机多用，包括旋耕、犁耕、开沟、作畦起垄、中耕、培土、铺膜打孔、播种、植保、灌溉、施肥和运输等多种作业，以适应更广泛的作业环境, 提高自推进旋耕机使用率。（3）加强基础理论研究。自推进旋耕机作为自走式机具，虽然小巧，但各种相关因素并不简单，如功率消耗与各工作参数的关系，整机与主要工作部件的合理匹配参数选择等等，都是直接影响工作质量好坏、单位作业面积功耗高低、操作和调节难易的重要因素，因此研究它们之间的关系是相当重要的，近些年来，多家高校对自推进旋耕机的一部分工作参数进行了优化，取得了一定的成果，但是，自推进旋耕机需要进一步发展，相关科研学者还需要做得更多。（4)自推进旋耕机质量检测自动化。研究开发成套自动检测装置和自推进旋耕机自动控制装置，提高检测效率和精确度，缩短自推进旋耕机研发周期，从而推动自推29进旋耕机的生产和技术更新。（5）自推进旋耕机的动力应该朝着电力方向发展。电动力满足耕作机械体积小、噪音低和没有废气污染等要求，但在采用蓄电电源或是电网供电方式上,以及电网动力线结构上还需进一步探讨。6 结论本论文对自推进旋耕机的相关知识进行了比较全面的研究，前面四个部分注重自推进旋耕机的理论知识的探讨，第五个部分对自推进旋耕机的技术现状和展望做了研究，综合起来，得出以下的结论：(1)自推进旋耕机机械效率比传统旋耕机和普通耕耘机的机械效率要高，它不需要额外提供机械行走的功率。(2)在耕深稳定的情况下，当自推进旋耕机的旋耕速比=5.2左右时，自推进旋耕机耕作土壤时单位体积功耗最小。(3)耕刀裹泥的发生与耕作重叠量有关，自推进旋耕机的耕作重叠量L的公式如式(34)所示，重叠量 L的大小与前进速度 呈反比，与旋耕刀转速和刀齿数Z呈正比。mV(4)限深部件行进阻力影响程度从高到低依次是：下陷深度与速度的交互作用下陷深度 速度 形状，形状与速度、下陷深度的交互作用对行进阻力影响不显著。(5)自推进旋耕刀片应该以选择直角形刀片为佳，理想情况之下，旋耕刀片是不受到平行于OY轴方向的力，旋耕刀片受到的合力大小的计算式如式(35)所示，由于自推进旋耕机的旋耕速比与传统型旋耕机的旋耕速比有着较大的减小，所以相对于传统型直角形刀片，自推进旋耕机旋耕刀片的磨刀角i应该适当减小，直角形刀片的静态切土角 应达到37 39 ，鉴于自推进旋耕机的特殊结构和工作原理，增加旋耕刀片的额安装偏00心距e可以使自推进旋耕机稳定工作，并且滑切性能得到一定改善，耕刀缠草问题不突出。(6)研究自推进旋耕机的抛土模型对自推进旋耕机的工作质量和功耗有着直接的联系，自推进旋耕机抛土模型动力学方程和土壤抛出后