張 鵬，郭志軍，倪利偉, 3，雷宇凝，余 浩，望宏浩

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.黃河交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 武陟 454950；3.黃河科技學(xué)院 交通學(xué)院，鄭州 450005；4.北京新東方揚(yáng)州外國(guó)語(yǔ)學(xué)院國(guó)際中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225006)

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觸土曲面準(zhǔn)線曲率特征及其減阻性能分析

張 鵬1, 2，郭志軍1，倪利偉1, 3，雷宇凝4，余 浩1，望宏浩1

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.黃河交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 武陟 454950；3.黃河科技學(xué)院 交通學(xué)院，鄭州 450005；4.北京新東方揚(yáng)州外國(guó)語(yǔ)學(xué)院國(guó)際中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225006)

準(zhǔn)線形式對(duì)土壤工作部件觸土曲面幾何形式、工作阻力和土壤擾動(dòng)狀況均有重要影響。從曲率趨勢(shì)線、曲率半徑梳和曲率半徑中心軌跡3個(gè)角度，分析了直線、圓弧線、擺線、拋物線及仿生曲線等5種典型觸土曲面準(zhǔn)線形式的內(nèi)在幾何特征及其與減阻性能之間的關(guān)系。準(zhǔn)線形式或觸土曲面形式的改變直接改變了與之接觸的土壤所受法向壓力作用規(guī)律，并通過(guò)改變切土阻力、土壤內(nèi)摩擦阻力、土壤-觸土曲面摩擦阻力及對(duì)底部土壤的壓實(shí)阻力等因素中的一種或幾種，使得整體工作阻力和土壤擾動(dòng)產(chǎn)生了不同效果。研究結(jié)果表明：具有較簡(jiǎn)單常數(shù)曲率變化趨勢(shì)的直紋面、圓弧面減阻性能相對(duì)較差；曲率半徑中心軌跡具有多個(gè)極值點(diǎn)、有拐點(diǎn)且分段連續(xù)特殊幾何特征的仿生曲面，在工作過(guò)程中能夠同時(shí)降低土壤內(nèi)摩擦阻力、土壤-觸土曲面摩擦阻力及對(duì)底部土壤的壓實(shí)阻力等幾個(gè)因素的水平，并可獲得極佳的減阻性能。研究對(duì)于深入掌握觸土曲面幾何與力學(xué)特性及觸土曲面高效節(jié)能設(shè)計(jì)方法具有較重要的參考意義。

觸土曲面；準(zhǔn)線；曲率趨勢(shì)線；曲率半徑梳；曲率中心軌跡線；減阻

0 引言

生產(chǎn)實(shí)踐中常常需要對(duì)土壤實(shí)施切削、挖掘、鉆削及推移等形式作業(yè)[1-3]，實(shí)現(xiàn)上述作業(yè)各類形式的觸土部件在此統(tǒng)稱為土壤工作部件。無(wú)論是何種觸土部件，其觸土曲面的幾何形式對(duì)工作阻力均有重要影響。

觸土曲面是土壤工作部件與土壤發(fā)生交互作用的直接載體，形成觸土曲面的元線、準(zhǔn)線及元線沿準(zhǔn)線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)土壤工作部件工作阻力與土壤擾動(dòng)效果影響明顯。優(yōu)化土壤工作部件觸土曲面形狀，主要指合理控制準(zhǔn)線、元線及兩者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律并達(dá)到減阻增效和預(yù)期土壤擾動(dòng)效果的方法。對(duì)于鏵式犁、土壤鉆削部件等觸土曲面而言，上述3個(gè)要素對(duì)其內(nèi)在幾何特征、工作阻力及土壤擾動(dòng)效果均有明顯影響；而對(duì)于其它觸土曲面而言(如挖掘斗、推土板、裝載機(jī)鏟斗、深松鏟、圓盤犁等)，元線及元線沿著準(zhǔn)線的運(yùn)動(dòng)方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單或固定，準(zhǔn)線形式則較為多樣，對(duì)工作阻力與土壤擾動(dòng)效果的影響也較大。因此，本研究主要集中于準(zhǔn)線內(nèi)在幾何形式及其力學(xué)特性的分析[1-3]。

基于上述分析，總結(jié)典型觸土曲面準(zhǔn)線形式，從其曲率趨勢(shì)線、曲率半徑梳和曲率半徑中心軌跡線等角度分析了觸土曲面的內(nèi)在幾何變化規(guī)律。結(jié)合傳統(tǒng)土壤耕作動(dòng)力學(xué)、滑移線場(chǎng)及各學(xué)者在土壤耕作研究中的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究結(jié)果，進(jìn)一步分析了不同觸土曲面準(zhǔn)線內(nèi)在幾何特征與減阻脫附能力之間的聯(lián)系。研究對(duì)于深入掌握觸土曲面幾何與力學(xué)特性及觸土曲面的高效節(jié)能設(shè)計(jì)具有較重要的參考意義，研究方法與結(jié)論對(duì)于元線及其元線沿準(zhǔn)線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也有一定的參考和概括價(jià)值。

1 典型觸土曲面準(zhǔn)線形式及準(zhǔn)線方程

1.1 觸土曲面準(zhǔn)線形式

土壤耕作部件宏觀觸土曲面由元線沿準(zhǔn)線按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)而形成。觸土曲面形式特別是其準(zhǔn)線形式直接決定觸土曲面法線方向，因此也直接影響到滑過(guò)觸土曲面土壤所受到的法向壓力和被切削土壤的滑移或滑裂面，繼而影響到總的土壤工作阻力和土壤擾動(dòng)效果。觸土曲面改形研究可大致分為宏觀和微觀或準(zhǔn)微觀兩個(gè)方向。宏觀改形主要指改變觸土曲面基本準(zhǔn)線形式來(lái)改變工作阻力和土壤擾動(dòng)效果的設(shè)計(jì)方法；微觀或準(zhǔn)微觀改形主要指觸土曲面基本準(zhǔn)線形式不變，僅通過(guò)對(duì)其局部采取特定、系列化凸包或凹坑等非光滑設(shè)計(jì)形式，從而改變其減阻脫附效果的設(shè)計(jì)方法[4]。

對(duì)于各類非光滑觸土曲面，其截面線的曲率趨勢(shì)線可看作基本準(zhǔn)線曲率趨勢(shì)線疊加微觀單元曲率趨勢(shì)線而成[4,5-6]。圖1給出了非光滑球冠型凸包推土板觸土曲面及其曲率變化趨勢(shì)示意圖，也預(yù)示了與該類觸土曲面接觸的土壤受力特點(diǎn)。非光滑觸土曲面通過(guò)觸土曲面局部形狀的改變，即通過(guò)對(duì)非光滑凸包形式選擇、分布規(guī)律及具體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，改變了土壤與觸土曲面間的接觸狀態(tài)，繼而改善了土壤相對(duì)于觸土曲面的脫附效果，最終可明顯降低總體工作阻力。對(duì)于觸土曲面前方較大范圍的土壤擾動(dòng)作用及其這種擾動(dòng)與減阻性能之間的關(guān)系，不是這種非光滑觸土曲面研究的重點(diǎn)。

各類土壤工作部件觸土曲面設(shè)計(jì)中，廣泛采用的宏觀觸土曲面準(zhǔn)線形式主要有直線、圓弧、拋物線及其組合形式[1-3,7-10]。其中，工程鏟運(yùn)部件較多采用圓弧或圓弧-直線組合形式。農(nóng)業(yè)耕作觸土部件較多采用拋物線、圓弧形式。除此之外，也有學(xué)者研究采用擺線、仿生曲線[11]等作為觸土曲面準(zhǔn)線。因此，選擇以上5種典型準(zhǔn)線形式作為對(duì)象，研究其內(nèi)在幾何與減阻特性。

圖1 非光滑觸土曲面準(zhǔn)線幾何特征

1.2 典型準(zhǔn)線方程

文獻(xiàn)[12]采用有限元方法分析了以直線、拋物線、擺線、圓弧及仿生曲線等分別作為觸土曲面準(zhǔn)線時(shí)各種土壤工作部件的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)：相關(guān)觸土曲面準(zhǔn)線和縱深比(沿工作方向-縱向，工作部件觸土曲面彎曲的水平長(zhǎng)度L與工作深度B的比值)是影響工作阻力的兩個(gè)重要因素。在小縱深比(0

直線方程為

(1)

圓弧線方程為

(2)

擺線方程為

(3)

拋物線方程為

(4)

仿生曲線方程為

y5=0.0012x4-0.008495x3-0.03145x2+

0.5853558x (0≤x≤13)

R2=0.9995

(5)

其中，R2為置信度。按照以上各方程生成的準(zhǔn)線形式如圖3所示。

圖2 田鼠爪趾內(nèi)輪廓線幾何特征

圖3 5種典型觸土曲面準(zhǔn)線

2 典型準(zhǔn)線內(nèi)在幾何特征

曲率是曲線上某個(gè)點(diǎn)的切線方向角對(duì)弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率，反映曲線偏離直線的程度[13]，可以深層次地反映曲線的內(nèi)在幾何變化特征。圖4～圖8分別了給出以上5種典型準(zhǔn)線(直線、圓弧線、擺線、拋物線、仿生曲線)的曲率變化情況，分別從曲率趨勢(shì)線、曲率半徑梳和曲率半徑中心軌跡3方面探討觸土曲面準(zhǔn)線的內(nèi)在幾何規(guī)律。

從圖4～圖8各種準(zhǔn)線的曲率趨勢(shì)線來(lái)看，可分為常數(shù)曲率趨勢(shì)(直線和圓弧)、單一極值曲率趨勢(shì)(拋物線和擺線)和多極值曲率趨勢(shì)(仿生曲線)3類。其中，直線和圓弧線的區(qū)別在于直線曲率趨勢(shì)線是縱坐標(biāo)為零值的直線，而圓弧為非零直線。拋物線和擺線的區(qū)別在于：從坐標(biāo)原點(diǎn)起，拋物線的曲率趨勢(shì)線從其極大值逐漸趨向于零，而擺線則從其極大值逐漸趨向于一非零常數(shù)(圖中原曲線的中點(diǎn)位置)。

圖4 直線曲率變化分析圖

圖5 圓弧線曲率變化分析圖

圖6 擺線曲率變化分析圖

圖7 拋物線曲率變化分析圖

從曲率半徑梳來(lái)看：有曲率半徑的大小和方向均相同的情況，如直線，其曲率半徑均為無(wú)窮大，且等間接排列；曲率半徑的大小為常數(shù)，但方向指向同一中心，如圓弧線；曲率半徑的大小和方向均發(fā)生連續(xù)變化，如拋物線和擺線；曲率半徑的大小和方向有突變，即其方向會(huì)有反向變化，如仿生曲線。拋物線和擺線曲率半徑梳不同點(diǎn)在于：擺線曲率半徑的大小和方向在起點(diǎn)位置變化的較劇烈，而后期變化趨勢(shì)減慢，并于原曲線中點(diǎn)處趨向于一常數(shù)值(方向指向x軸負(fù)方向)。拋物線型曲率半徑的大小和方向相對(duì)較平穩(wěn)地逐漸變化，后期增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減慢并趨向于一無(wú)窮大值(方向指向x軸負(fù)方向)。

從曲率半徑中心軌跡來(lái)看：有直線式，如直線；單一點(diǎn)式，如圓弧；單極值連續(xù)曲線式，如拋物線和擺線；多極值式且有拐點(diǎn)的分段連續(xù)曲線，如仿生曲線。需要說(shuō)明的是：仿生曲線曲率半徑中心軌跡自“拐點(diǎn)”分為兩個(gè)部分，分別位于原曲線的兩側(cè)。x值由0變化到“拐點(diǎn)”，曲率半徑中心軌跡位于仿生曲線的下側(cè)，此段曲線變化規(guī)律與拋物線(帶拋物線頂點(diǎn))曲率半徑變化規(guī)律有近似之處；x值由“拐點(diǎn)”到最大x值時(shí)，曲率半徑軌跡位于仿生曲線的上側(cè)，此段曲線變化趨勢(shì)也與拋物線(帶拋物線頂點(diǎn))曲率半徑變化規(guī)律也有近似之處。

需要說(shuō)明的是：上述3種指標(biāo)總是處于同步變化中，在進(jìn)行減阻性能分析時(shí)，為分析方便可能引用其中的1種、2種或3種，以便說(shuō)明具體問(wèn)題。

圖8 仿生曲線曲率變化分析圖

3 減阻效果分析

各類觸土曲面工作過(guò)程中的阻力產(chǎn)生源可進(jìn)一步細(xì)化為切土阻力、土壤平移與旋轉(zhuǎn)阻力、土壤碎裂阻力、土壤內(nèi)摩擦阻力、土壤-觸土曲面摩擦阻力及對(duì)底部土壤產(chǎn)生的壓實(shí)阻力[1-3]。在工作方式(工作速度、切土深度，切土軌跡等)相同、土壤條件(如土壤成分、容重、含水量、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤抗剪強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、粘聚力等)相同的情況下，不同觸土曲面產(chǎn)生不同工作阻力的原因在于工作過(guò)程中，不同觸土曲面會(huì)使上述幾種細(xì)化的阻力產(chǎn)生不同的效果，從而表現(xiàn)出不同的總體工作阻力和土壤擾動(dòng)效果[12]。

1)直線準(zhǔn)線具有大小相同且等間距分布的曲率半徑，當(dāng)將具有這種內(nèi)在幾何特征的直線用作完整觸土曲面準(zhǔn)線時(shí)，直觀分析可以認(rèn)為其等間接分布的曲率半徑與滑過(guò)其表面的土壤滑移面(滑裂面)比較一致，似乎對(duì)減少土壤滑裂面的內(nèi)摩擦及其總工作阻力有利；但是，其實(shí)際減阻效果并不好，工程實(shí)際中也較少采用直紋面作為完整觸土曲面。仿真與試驗(yàn)研究均表明：直紋觸土曲面工作過(guò)程中易在觸土曲面產(chǎn)生較大粘附效果，迅速增加了土壤-土壤觸土曲面之間的摩擦力，從而造成總體工作阻力也急劇增大[1,11-12]。工程實(shí)際中，直紋面較廣泛地被應(yīng)用于土壤耕作部件切削刃尖端局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而不是整體觸土曲面設(shè)計(jì)中，主要起到切土作用。這種現(xiàn)象主要是出于加工與維護(hù)成本的考慮。當(dāng)將直紋面用于土壤工作部件鏟刃時(shí)，切削角則成為影響其工作阻力的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)鑿形犁不同切削角對(duì)工作阻力影響的仿真研究結(jié)果認(rèn)為：當(dāng)切削角從15°增加至45°時(shí)，工作阻力呈下降趨勢(shì)；而切削角從45°增加至75°時(shí)，工作阻力又表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為切削角在22．50°～112．5 °范圍內(nèi)，工作阻力隨著切削角的增加而增加，但50°以下近似線性增加的趨勢(shì)不明顯，而50°以上工作阻力則隨切削角的增加而快速增加。文獻(xiàn)[16]也有類似結(jié)論，并指出較小切削角對(duì)土壤產(chǎn)生“撕裂”破壞，較大切削角對(duì)土壤主要以剪切破壞為主。由于土壤的抗拉強(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度小得多，所以造成了小切削角比大切削角切土阻力要小。

2)圓弧線具有曲率半徑大小相同且方向均指向圓心的規(guī)律。當(dāng)將具有這種內(nèi)在幾何特征的圓弧線用作宏觀觸土曲面準(zhǔn)線時(shí)，直觀分析可以認(rèn)為滑過(guò)觸土曲面土壤所受法向壓力均指向圓心。這種受力特點(diǎn)似乎與滑移線場(chǎng)理論相違背，觸土曲面前方土壤在這種法向壓力作用下更易于向中心壓縮，而不易松散，因此也決定了圓弧觸土曲面的減阻性能不會(huì)是最優(yōu)良的。仿真與試驗(yàn)研究也證明了圓弧觸土曲面的總體工作阻力在各類觸土曲面中不是最佳的。工程實(shí)際中，圓弧線是經(jīng)常被用于宏觀觸土曲面準(zhǔn)線設(shè)計(jì)中的，如推土鏟、挖掘鏟斗、裝載鏟斗及圓盤犁等[1-3]。這主要是出于加工和維護(hù)成本的考慮，同時(shí)考慮這類土壤工作部件還需具備一定的土壤推擁、翻轉(zhuǎn)等功能。當(dāng)將圓弧用于觸土曲面準(zhǔn)線設(shè)計(jì)時(shí)，圓弧半徑是影響其工作阻力的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)研究表明：圓弧半徑增大有利于工作阻力降低(在其研究范圍內(nèi)可相對(duì)降低約10%～13.5%)，且隨著圓弧半徑增大，對(duì)觸土曲面的粘附作用也在減弱。這種結(jié)論是可以與本文所分析的圓弧內(nèi)在幾何特征產(chǎn)生直觀聯(lián)系的。文獻(xiàn)[17]發(fā)現(xiàn)：工作阻力隨圓弧觸土曲面的半徑減小而增大主要是由于垂直工作阻力的增加，而水平工作阻力并無(wú)多少變化。因此，在設(shè)計(jì)圓弧式土壤工作部件時(shí)，若希望土壤在觸土曲面上緣易向前翻落，此時(shí)圓弧半徑宜?。蝗粝Ｍ麥p小土屑上升阻力及卸土干凈，則半徑又宜選較大值。

3)拋物線曲率半徑的大小和方向均連續(xù)變化，當(dāng)將具備這種內(nèi)在幾何特征的拋物線用于觸土曲面準(zhǔn)線時(shí)，直觀幾何分析可以認(rèn)為滑過(guò)該種觸土曲面的土壤所受法向壓力也會(huì)連續(xù)變化，這一點(diǎn)與直紋面和圓弧面相比具有明顯的不同。從滑移線場(chǎng)理論來(lái)看[18]，這種幾何特征對(duì)于滑裂面的快速形成及減小土壤內(nèi)摩擦阻力等都是有利的，總體工作阻力就有可能減小。工程實(shí)際中，拋物線被廣泛應(yīng)用于觸土部件設(shè)計(jì)中，如鏵式犁、推土鏟及深松鏟等觸土曲面。文獻(xiàn)[19]采用二維有限元法分析了拋物線型和直線型切削工具的切削性能，表明拋物線型切削工具相較于直線型切削工具在較寬縱深比范圍內(nèi)都具有較優(yōu)的切削性能。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)與制作了3種不同切削角(50°、55°、60°)的拋物線準(zhǔn)線推土板，通過(guò)室內(nèi)土槽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切削角為55°的推土板阻力最小。文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)并加工了按比例(1:3:5:7:9)放大的拋物線為準(zhǔn)線的深松鏟，通過(guò)田間試驗(yàn)，對(duì)比普通深松鏟，發(fā)現(xiàn)隨著放大倍數(shù)的增加深松阻力增大，在7倍時(shí)達(dá)到最大，在9倍時(shí)達(dá)到最小。

4)仿生曲線不僅曲率半徑的大小和方向在變化，而且曲率半徑中心軌跡具有“拐點(diǎn)”。這種幾何特征有可能使滑過(guò)該類觸土曲面的土壤所受法向壓力發(fā)生連續(xù)、突然和復(fù)雜的變化，易于使觸土曲面前方土壤松碎，并獲得極低的總體工作阻力。仿真與試驗(yàn)研究均證明了這種直觀分析。通過(guò)文獻(xiàn)[11-12]對(duì)這種具有復(fù)雜變曲率準(zhǔn)線的窄齒仿生觸土曲面，以及文獻(xiàn)[7、19]等對(duì)寬齒仿生觸土曲面-推土鏟、挖掘鏟斗和裝載鏟斗等的力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)妥善設(shè)計(jì)，各種仿生土壤工程部件觸土曲面均獲得了相對(duì)較小的工作阻力，從而大幅度減少土壤內(nèi)摩擦阻力，與相應(yīng)的圓弧曲面相比，最大減阻可達(dá)30%。這些研究表明：這種仿生變曲率觸土曲面獲得極低總工作阻力的原因是其在工作過(guò)程中同時(shí)明顯降低了土壤內(nèi)摩擦阻力、土壤-觸土曲面摩擦阻力及對(duì)底部土壤的壓實(shí)阻力[14]。

筆者曾經(jīng)采用有限元法分析了直線、拋物線、擺線、圓弧及仿生曲線(包含小家鼠、田鼠、螻蛄、公雞等爪趾觸土面輪廓線)等分別作為觸土曲面準(zhǔn)線時(shí)，各種不同觸土曲面土壤工作部件耕作力學(xué)性能的優(yōu)劣[12]。研究表明：土壤工作部件觸土曲面準(zhǔn)線是影響工作阻力的重要因素。在小縱深比(0

4 結(jié)論

1)根據(jù)曲率趨勢(shì)線可將觸土曲面準(zhǔn)線形式分為常數(shù)曲率趨勢(shì)、單一極值曲率趨勢(shì)和多極值曲率趨勢(shì)3種；根據(jù)曲率半徑梳可將觸土曲面準(zhǔn)線形式分為曲率半徑大小和方向均相同、大小相同而方向聚焦、大小和方向均連續(xù)變化、大小和方向會(huì)發(fā)生突變幾種情況；根據(jù)曲率半徑中心軌跡，可將觸土曲面準(zhǔn)線形式分為直線式、單點(diǎn)式、單極值連續(xù)式及有拐點(diǎn)的分段連續(xù)式幾種情況。

2)準(zhǔn)線形式或觸土曲面形式的變化可改變切土阻力、土壤內(nèi)摩擦阻力、土壤-觸土曲面摩擦阻力及對(duì)底部土壤的壓實(shí)阻力等因素中的一種或幾種，從而使得整體工作阻力和土壤擾動(dòng)產(chǎn)生了不同效果。

3)觸土曲面準(zhǔn)線的曲率變化特征越簡(jiǎn)單(如直線、圓弧等)，越具有相對(duì)較大工作阻力。觸土曲面準(zhǔn)線的曲率變化特征越復(fù)雜(如拋物線、仿生曲線等)，其減阻性能越好。特別是仿生曲線，其曲率半徑中心軌跡具有多個(gè)極值點(diǎn)、有拐點(diǎn)且分段連續(xù)的特殊幾何特征，這使其工作過(guò)程中能夠同時(shí)具備降低土壤內(nèi)摩擦阻力、土壤-觸土曲面摩擦阻力及對(duì)底部土壤的壓實(shí)阻力等幾個(gè)功能，從而獲得極佳的減阻性能。

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Analysis on the Curvature Characteristics and Resistance Reduction Performance of Soil-engaging Surface Directrix

Zhang Peng1,2, Guo Zhijun1, Ni Liwei1,3, Lei Yuning4, Yu Hao1, Wang Honghao1

(1.College of Vehicle and Transportation Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003,China; 2.College of Vehicle Engineering, Huanghe Jiaotong University, Wuzhi 454950,China; 3.Traffic College, Huanghe Science and Technology University, Zhengzhou 450005, China; 4.International Middle School, Beijing New Oriental Foreign Language School at Yangzhou,Yangzhou 225006,China)Abstract ID:1003-188X(2017)02-0011-EA

The soil-engaging surface directrix form of soil working components has great influence on the geometric shape, working resistance and soil disturbance state. The internal geometric characteristics and their resistance reduction performance of five kinds of classic soil-engaging surface directrix including straight line, circular arc, cycloid curve, parabola and bionic curve were analyzed from the point of view of curvature trendline, curvature radius comb and trace line of curvature center. The change of directrix form or soil-engaging surface shape directly changes the normal pressure regulation of soil in contact with it. It ulteriorly changes one or several factors among the cutting resistance, soil internal friction resistance, friction resistance between soil and soil-engaging surface, and soil compaction resistance beneath the cutting tool.Thus,the different effect of the total working resistance and soil disturbance state is produced.The straight and arc directrix surface have relatively poor resistance reduction performance for their simple curvature trend line.However, the bionic directrix surface, whose trace line of curvature center has the special geometric characteristics of multi-extreme points, inflection point and sectionally continuous, possesses extremely resistance reduction performance for it can simultaneously reduce the value of soil internal friction resistance, friction resistance between soil and soil-engaging surface, and soil compaction resistance. The research for deeply grasping the geometric and dynamic characteristics and high-efficient and energy-saving design method of soil-engaging surface has important

ignificance.

soil-engaging surface; directrix; curvature trendline; curvature radius comb; trace line of curvature center; resistance reduction

2016-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175150)

張 鵬(1981-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，(E-mail)116551 738@qq.com。

S222.5；S210.41

A

1003-188X(2017)02-0011-06