牧草根土复合体锯切力学模型和试验研究

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1、2015年4月农机化研究第4期牧草根土复合体锯切力学模型和试验研究121111李辉，郭玉明，薛淑萍，闫金顺，刘丽，马骉(1．吕梁学院矿业工程系，山西吕梁033000;2．山西农业大学工学院，山西太谷030801)摘要:通过分析切根刀工作时的受力状况，建立根土复合体锯切力学模型。在万能试验机上，用自制的锯式切根刀对白羊草构成的根土复合体进行锯切力学性能试验。分析结果表明:经回归拟合获得单位刀宽工作阻力的响应面数学模型，并与锯切力学模型进行比较，得到一常数，使得工作阻力可通过力学模型乘以该常数来计算;贯入深度与贯入阻力之间呈正比关系;切

2、根刀在往复运动情况下，切根作业时上行和下行工作阻力存在差别，下行时的工作阻力大于上行工作阻力。关键词:根土复合体;锯切性能;切根过程;力学模型中图分类号:S224文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)04－0188－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.04.045了不同的含根量、含水量及不同外力根系对根土复合0引言［9］体抗剪强度的影响。闫海燕(2013)对香根草根土以白羊草为主牧草根系发达、分蘖力强，多年生复合体力学性能进行了较全面的分析并做了验证试［10］长后易使土壤板结、草地退化，切

3、断侧根茎后可复壮验。赵旭等(2013年)对玉米根土复合体进行了剪牧草、疏松土壤，从而可控制草地退化及水土流失。切性能试验，得到含水率是影响极限剪切应力最重要破土切根作业修复草地土壤结构时具有低扰动、无翻因素;距离根茎中心越远，极限剪切应力越小，玉米须垡、不扬沙的优点，应用前景广阔。根土锯切是破土根最发达，抗剪切应力最大。切根复壮机械田间作业的重要工作环节，锯切力学性1锯式切根刀工作原理及受力分析［1－4］能直接影响切根过程和复壮效果。为此，需要设计性能优良的切根装置。以白羊草为主牧草根茎结1．1工作原理构复杂，与周围土壤结合紧密，因

4、此牧草根土复合体图1所示为斜置的锯式匕首型切根刀工作过程的锯切力学性能是亟待研究的基础问题。探索影响示意图。锯切力的因素，对于降低功率损耗、提高切根复壮质量和效率具有重要意义。目前，对根土复合体的研究主要集中在植物根系对土壤加筋作用、锚固作用及提高抗剪强度等方面。通过根土复合体拉拔试验、三轴剪切试验、快速直剪试验及原位剪切试验等方法，来评价根系对土壤强度［5］的作用。冀晓东等(2009年)从直径、布置方式和土壤含水量等方面研究了根系对增强土体强度的影［6］响。胡其志等(2011年)利用MatLab研究分析了含有两种不同根系、不同含根

5、量的根土复合体抗剪强［7］度。习小山等(2011年)对室内直剪试验与野外原［8］位大剪试验进行对比。张兴玲等(2013)研究收稿日期:2014－04－17图1切根刀的工作过程原理图基金项目:吕梁学院校内基金项目(ZＲXN201311)作者简介:李辉(1985－)，男，安徽颍上人，助教，(E－mail)Fig．1Theworkprocesstheoryofcutterliyuanqianhui@163．com。锯式切根刀安装在液压驱动的四杆机构上，以一通讯作者:郭玉明(1954－)，男，山西平定人，教授，博士生导师，(E－mail)g

6、uoyuming99@sina．com。定往复速度上下锯切。为了减少切出细缝的宽度，刀·188·2015年4月农机化研究第4期面与水平面垂直且切刀中线与水平线有斜置角度，四杆机构安装在转轴机架上。作业过程中，斜置切根刀的前进速度由拖拉机直接提供，其往复锯切由拖拉机经液压系统间接提供;锯式切根刀切断破土窄带上的牧草根茎，并把破土窄带上切断的茎叶推向两侧，将地表以下150～250mm的土壤切出一条虚缝。切根刀刀尖工作于草皮下200mm处，在土壤缝隙底部形成一条起伏的波浪线。在切根刀工作刃上开出细小的锯齿能更好地破土切根且不翻动扰动土壤

7、，以防止切不断草茎带出草根。根据前面分析，锯式切根刀在入土方向上逐渐贯入草地土壤，切断草茎，划破草皮和切削草根土壤复合体。在往复1个周期内，前半周和后半周所受摩擦力相反，切根刀在运动过程中只有工作的一边受到土壤的正压力。1．2锯式切根刀受力分析锯式切根刀在土壤切缝中上下往复运动锯切草地土壤时，以周身锯齿划开牧草草根，在刀齿前方形成一条断裂细缝。刀齿从开始位置运动一定距离后，往复锯切运动形成并保持其形状稳定不变，断裂细缝前方的土沿齿刃经齿面，然后从刀具侧面分开划过。草皮破裂形状和尺寸与土壤类型、含水量、初始密度、切削角度和速度有关。切

8、削方向与正压力方向垂直的锯削(滑切)，除了通过锯齿尖端的较小面积起到以较小的铅垂力而获得较高的贯入压力的作用外，主要由于“往复”这种拉锯方向与正压力垂直，拉锯行距图2切根刀受力分析图大，而正压力方向进距小，从而减少切削阻力，获得较Fi