尤曉東
摘要:在介紹種床開溝器土壤回填原理的基礎上,采用計算分析的方法,詳細探討土壤回填過程中,開溝器工作時的土壤顆粒受力情況及土壤顆粒向溝內回落的情況,為不同結構類型的開溝器設計及改進提供理論參考。
關鍵詞:土壤回填;受力分析;開溝器;土壤顆粒
中圖分類號:S222.5+2 文獻標識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)11-0037-03
種床是種子的棲息之所,是種子萌芽、扎根直至發(fā)芽、出苗的土壤環(huán)境,也是幼苗和植株生長的場所。開溝器是播種機的主要工作部件,它的主要功用是開溝、導種入土和覆土。開溝器是種床的最終營造者,是將種子置于種床之上并加以覆蓋的播種機工作部件。不同結構類型的開溝器由于開溝工藝不同,土壤被翻轉流動的特性不同,因此制造的種床特性也不同。
1 土壤回填的原理
土壤回填是開溝器工作時土壤顆粒從靜止到隨開溝器一同運動,再到脫離,最后自然回落的物理過程,回落的土壤顆粒堆積形態(tài)對種床底部形狀起決定性作用。了解土壤回填原理,對準確設計開溝器有很大幫助。
2 土壤回填的物理分析
以滑刀式開溝器作為試驗對象,對土壤顆粒的運動做相關的力學分析。
2.1 開溝器工作時的土壤顆粒情況
開溝時,土壤沿開溝器的頰面分開,然后回落下來。影響種子覆土的因素有土壤沿開溝器方向位移的速度及回落速度、開溝持續(xù)時間等。這些參數都影響種子覆蓋和固定的時間。
上層土壤在播種前進行前期處理,因此,播種時的土壤狀態(tài)是細碎的,可以視為散粒體?;妒介_溝器前端為垂直楔形面?,F研究土粒在開溝器作用下的流動過程。
設開溝器以楔面進入土壤并以穩(wěn)定深度和勻速v前進。楔面在與土壤接觸的每個點上沿法線方向擠壓土粒。
觀察溝底表面上的土粒m,它與楔面接觸于a點。作用在土粒上的力N=-Px。式中:-Px為土粒的側壓力及摩擦力F。將力N分解成沿楔的運動速度方向及沿楔面方向的兩個分力Pxt和Pxv。以β表示楔面速度方向與其法線間的夾角。土粒將在Pxt或Pxv>F的作用下沿表面滑動。
因為開溝器楔面頂角很小,所以β角將大于摩擦角φ。切向分力Pxt=Pxtgβ,摩擦力F=Pxtgφ。式中tgφ為土粒沿楔面的摩擦系數。
當β>φ時,Pxtgβ>Pxtgφ,即Pxt>F,土粒將處于力(Pxtgβ-Pxtgφ)和力Px組成的合力R的作用下。當楔面運動時,土粒沿R方向移動(圖1),土粒m的運動微分方程為:
m=tgφ-tgβ (1)
m=0
式中:=Px;a為土粒自然休止角。
將式(1)轉換為=(tgφ-tgβ),求積分得到:vx=×+C。當t=0時,x=0,v=0,故C1=0。所以vx=×;=vx。
土粒的位移為:
x=×+C (2)
當土粒隨楔面運動到a1時,即開始沿開溝器頰面運動,這時作用在土粒上的力有:使土粒沿速度v方向向前移動的力F1和相鄰土層的摩擦力F2。F2=Pxtgφ1(φ1為土粒間的摩擦角),F1=Pxtgφ(圖1)。
土粒沿開溝器頰板的運動方程為:
m=×-× (3)
轉換后求得:
dvx=(tgφ-tgφ1)dt (4)
得到:
vx=(tgφ-tgφ1)+C (5)
當t=0時,土粒沿開溝器頰面的運動為s=0。當土粒運動至頰板表面后,其速度與頰板一致,故:
v0=××cos(90°-β) (6)
因此得:
vx=(tgφ-tgφ1)+sinβ (7)
由=vx可得:x=[(tgφ-tgφ1)+(tgφ-tgβ)sinβ]+C。當初始條件t=0,x=0時,C=0。再將t消去可得:
vx= (8)
土粒從開溝器頰板脫離的一瞬間,具有這樣的速度。
2.2 土壤顆粒向溝內回落情況
土?;芈鋾r按照自然休止角堆放。首先,土層邊緣的土粒下落,此過程可視為零初速垂直自由落體運動。緊接著邊緣土粒下落,是位于自然休止角范圍內的所有土粒。
設ox軸沿速度方向,oy軸垂直向下,以土粒中心o為坐標原點做圖,結果見圖2。
土粒從開溝器后緣脫離后,立刻開始下落。作用在土粒上的力為重力mg和空氣阻力。由于下落垂直初速為0,下落高度不大,因此空氣阻力可以忽略不計。土粒的運動方程式為:
m=0;m=mg (9)
積分變換可得:vx=C1;vy=gt+C2。
由初始條件可知:t=0,Vx=Vx0,Vy=0,則C1=Vx0,C2=0。由此求得:x=Vx0t+C3;y=+C。由初始條件求出C3=C4=0,且可得y=。
將(1)式代入可得:
y= (10)
速度計算公式為:
vy== (11)
則土粒下落的合速度為:V=;下落角度為:a=arctg。
由邊緣土層中脫離出來的土粒沿土壤自然休止角a的斜面滑動。這時作用在土粒上的力將只有重力,其分力mgsina使土粒沿傾斜表面移動。摩擦力F=mgcosa的作用方向與運動方向相反(見圖3)
土粒的運動方程式為:m=0 ;m=mgsina-mgcosatgφ。求得:x=vv0t;y=gt2cosa(tga-tgφ1)。
變換求得邊層土粒及自然休止角范圍內的土粒下落時間分別為:
t1=;t2= (12)
這段時間溝底呈敞開狀態(tài),敞開部分的長度L(從開溝器頰板后緣至回落土流的距離)隨播種機的速度不同而變化。
3 結論
土?;芈鋾r經過的路程S=Vx0t。在這段時間播種機前進的距離為Vmt,則:L=x-S=(vm-vx0)。式中:Vm為拖拉機前進速度。
由此可見,播種機前進速度越大,開溝器入土深度越深,敞開溝底的可見部分就越長。