摘" 要：針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械農(nóng)具設(shè)備磨損較大的問(wèn)題，以工作在土壤環(huán)境下的新型挖掘鏟為例，探索解決該問(wèn)題的有效途徑。區(qū)別于常用的置于豎直方向固定的挖鏟，其采用多個(gè)齒輪和連桿的結(jié)構(gòu)，將置于兩側(cè)沿著不同方向水平運(yùn)動(dòng)的挖掘鏟鏟面設(shè)計(jì)為棱紋間距不同的棱紋型幾何結(jié)構(gòu)的表面。通過(guò)改變挖掘鏟挖掘過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方式，以及挖掘鏟表面的幾何結(jié)構(gòu)輪廓來(lái)減少在挖掘過(guò)程中的磨損。通過(guò)對(duì)與磨損面積有關(guān)的入土角、載荷、使用次數(shù)等主要參數(shù)的計(jì)算和分析，選用磨損面積最小同時(shí)最符合實(shí)際情況的相關(guān)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：磨損；入土角；挖掘鏟；棱紋結(jié)構(gòu)；載荷

中圖分類號(hào)：TH117" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）05-0058-04

Abstract： Aiming at the problem of the wear and tear of mechanical tools and equipment in agricultural production， taking the new excavation shovel working in soil environment as an example， explore effective ways to solve this problem. Different from the commonly used excavating shovel which is fixed in vertical direction， it adopts the structure of multiple gears and connecting rods， which will be placed on both sides and move horizontally in different directions. The surface of the shovel is designed as the surface of the ribbed geometric structure with different spacing. The wear and tear during excavation is reduced by changing the movement of the excavating scoop and the geometric contours of the excavating scoop surface. Through the calculation and analysis of the main parameters such as soil angle， load and usage， the relevant parameters with the least wear area and the most reasonable to the actual situation are selected.

Keywords： wear; penetration angle; digging shovel; ribbed structure; load

農(nóng)耕機(jī)械尤其是挖掘工具的破損通常是土壤與觸土部件之間的磨損失效所致，這種磨損已經(jīng)占據(jù)磨損總量的60%以上。本文通過(guò)對(duì)新型專用挖掘鏟的設(shè)計(jì)研究以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，在確保其工作效率的同時(shí)提升其抗磨能力，從而促進(jìn)挖掘設(shè)備的整體技術(shù)水平提升。

1" 設(shè)計(jì)原理

在進(jìn)行一次挖掘的過(guò)程中，挖爪與側(cè)面洞壁的接觸路徑呈現(xiàn)出明顯的延伸趨勢(shì)，為確保挖掘機(jī)能夠順暢地完成整個(gè)工作循環(huán)[1]。在挖掘過(guò)程中，起始和結(jié)束段的土壤挖掘軌跡應(yīng)當(dāng)與洞壁平行，而中間段的軌跡曲線則應(yīng)當(dāng)保持平滑，同時(shí)曲線的斜率變化應(yīng)當(dāng)盡可能地減小；挖土行程初始階段速度較大，之后逐漸減小。在進(jìn)行回程時(shí)，挖爪靠近洞壁處的移動(dòng)速度較快，而當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，它們離開(kāi)洞壁面的速度則較為緩慢。在進(jìn)行挖掘和回程時(shí)，應(yīng)將挖掘所產(chǎn)生的土壤遠(yuǎn)離洞壁和軀體，以避免其被帶回并與身體發(fā)生碰撞；在進(jìn)行土壤挖掘時(shí)，應(yīng)確保行程速度平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)，不超過(guò)回程速度；并加快回程速度，以有效縮短挖掘斗無(wú)效工作時(shí)間并提高挖掘效率[2]。挖爪部分為主要磨損部位，挖爪外形采用具有正弦函數(shù)特征的棱紋輪廓，幾何結(jié)構(gòu)曲面棱紋輪廓方程為

棱紋高度與棱紋底寬之比約為1∶2.61。選取3種不同棱紋間距表面試樣，棱紋間距分別為15.36、12.44、9.31 mm，3種棱紋間距表面的磨損量和平板試樣的磨損量進(jìn)行對(duì)比分析[3]。得出棱紋間距不同棱紋型幾何結(jié)構(gòu)的表面試樣耐磨性能優(yōu)于平板表面，當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度為1.68 m/s時(shí)，棱紋型幾何結(jié)構(gòu)的表面磨損量損失降低了29.64%～43.86%；當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到2.35 m/s時(shí)，棱紋型幾何結(jié)構(gòu)表面的磨損量損失減少了16.16%～21.79%，棱紋型幾何結(jié)構(gòu)有效減小了土壤結(jié)構(gòu)對(duì)挖爪在運(yùn)動(dòng)時(shí)的磨損。圖1為棱紋輪廓的挖爪形狀。

應(yīng)用的棱紋結(jié)構(gòu)能夠改變磨料在磨損表面流場(chǎng)的接觸和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而增加剪切層的厚度，降低剪切層內(nèi)土壤的密度，改變土壤中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得耐磨性得到顯著提高。將這種結(jié)構(gòu)施加到挖掘鏟上的挖爪部分，更利于減少操作時(shí)挖掘運(yùn)動(dòng)時(shí)的土壤物質(zhì)和不同水分土壤中流動(dòng)物質(zhì)對(duì)工件的磨損[4]。

2" 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定

以挖掘鏟三維模型為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際挖土工作環(huán)境及要求選擇適宜土壤物理特性參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)磨損影響進(jìn)行了分析。參照某地區(qū)土壤條件、土壤物理特性設(shè)定實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)，其中有土壤含水量、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤內(nèi)聚力、土壤內(nèi)摩擦角和土壤抗剪切強(qiáng)度等內(nèi)容[5]，見(jiàn)表1。

3" 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1" 入土角設(shè)計(jì)計(jì)算

入土角是挖掘鏟的重要參數(shù)，是挖掘鏟是否能夠正常入土的關(guān)鍵因素。一般情況下，入土角α越大對(duì)土壤破碎越有利，但其阻力也就越大，磨損面積立即就會(huì)相應(yīng)地增大，在保證碎土能力及鏟面掘起物滿足規(guī)定位移要求的前提下，為了減少挖掘阻力和減少磨損面積要盡可能地縮小挖掘鏟入土角α。位于鏟面上的土壤受力情況利用達(dá)朗伯原理，為使土壤能夠后移，應(yīng)滿足

經(jīng)理論計(jì)算與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，繪制曲線圖（圖2）。當(dāng)入土角過(guò)小，鏟面大面積和土壤摩擦，但所挖掘的土壤量過(guò)小，難以達(dá)到挖掘土壤的效果，入土角過(guò)小磨損較大且工作效率較低。入土角選用的最小值為38°，則入土角的限定范圍為38°≤α≤85°，入土角和磨損面積呈正相關(guān)，分析曲線圖，則選取磨損面積較小的范圍，入土角的范圍為38°≤α≤43°。

3.2" 鏟面載荷設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3" 使用次數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)低周疲勞實(shí)驗(yàn)探究挖掘次數(shù)對(duì)磨損的影響，低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線（ε-Nf）通常用主應(yīng)變半幅和循環(huán)失效的反復(fù)次數(shù)（2Nf）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上表示。把總應(yīng)變半幅分解為彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅時(shí)，兩者與循環(huán)反復(fù)次數(shù)的關(guān)系都可近似用直線表示為

4" 結(jié)論

對(duì)于傳統(tǒng)的挖掘方式，新型挖掘鏟頭通過(guò)設(shè)計(jì)，將沿圓弧軌跡水平運(yùn)動(dòng)方式充分應(yīng)用，通過(guò)一定的角度進(jìn)入土壤，鏟頭的多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)用挖爪將挖開(kāi)、松動(dòng)將種子放入土壤之中。棱紋輪廓結(jié)構(gòu)應(yīng)用于挖掘鏟頭可減少工作過(guò)程中土壤對(duì)工件的磨損。通過(guò)分析入土角、鏟面載荷、使用次數(shù)與挖掘鏟磨損的關(guān)系，進(jìn)行合理的參數(shù)選擇，探究土壤對(duì)鏟面的磨損原因的同時(shí)證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性。新型挖掘鏟頭減少了不必要的挖掘面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械用具的磨損，保證種植質(zhì)量的同時(shí)提高了工作效率。

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