CN110915319B - 一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，所述犁铧的铧尖区嵌有热管，所述热管的蒸发端靠近铧尖区的尖端，所述热管的冷凝端靠近铧尖区的上端面且远离铧尖区尖端，所述热管呈弯管状。该嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧利用热管高效传热性能，可降低犁铧作业区的温度，进而减轻犁铧的铧尖区凿削损伤程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种犁铧装置，具体涉及一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧。
背景技术
犁铧是摆式犁体上重要的耕作部件。当摆式犁田间作业时，犁铧的铧尖区为其最关键的工作部位。铧尖的主要作用是入土、切土，此时，土壤因原有结合力的联系破坏而变形、破裂；铧尖区也会因土壤、砂石的反复扰动和凿削作用，诱发耕犁损伤，形成塑性变形冲击坑，造成微区冷作硬化、出现磨屑剥落，对犁体的切削寿命和使用性能影响较大。因此，确定减轻摆式犁犁铧的凿削损伤程度对改善摆式犁耕作性能、提高犁体作业寿命具有非常重要的现实意义。
目前国内外延长摆式犁体切削寿命的方法，主要沿袭处理低速单向铧式犁体失效的思想，多采用优化犁体结构、工艺和材料的方法。如Terzaghi K等人假定耕作土壤为刚塑性体，提出采用静力学平衡传统分析的方法，求解以自由面、耕作部件与土体的相互作用边界以及破裂线(面)组成的力隔离体，确定了犁铧铧尖区土体载荷的变化及分布状况。
为了提高犁体的耐磨性，采用复合金属层材料制造犁铧，可减小其铧尖部位耕犁损伤的程度，对犁壁进行等温淬火处理，提高其硬度。如Helong Yu等人研究发现，采用复合金属层材料制造犁铧，可减轻其铧尖部位耕犁损伤的程度。
土壤切削是土壤-犁体相互作用的动态过程，随着犁体耕速提高且犁体左右的梭式摆动，土垡在犁体面上流速加快，土壤-犁铧相互作用将增强，犁铧铧尖区耕作温度会升高，进而出现热疲劳。因此，在确定摆式犁犁铧铧尖区凿削损伤时，还应考虑犁体由于高速耕作产生的较高耕耘温度的影响。
机械行业常用降温方法有：冷却液冷却、电子冷却、磁冷却以及低温风冷等。冷却液冷却易污染环境；电子冷却多用于薄片件，韧、粘性材料；磁冷却需要磁性物质；低温风冷则更需要一个冷风***。根据摆式犁实际作业环境和使用状况，上述冷却方式均存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其利用热管高效传热性能，可降低犁铧作业区的温度，进而减轻犁铧的铧尖区凿削损伤程度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，所述犁铧的铧尖区嵌有热管，所述热管的蒸发端靠近铧尖区的尖端，所述热管的冷凝端靠近铧尖区的上端面且远离铧尖区尖端，所述热管呈弯管状。
优选地，所述热管为矩形热管。
优选地，所述矩形热管具有圆角。
优选地，所述矩形热管的长度为5mm，宽度为1.5mm。
优选地，所述矩形热管具有圆角，且圆角的半径为0.5mm。
优选地，所述热管蒸发端到铧尖区尖端的距离为6mm。
优选地，所述热管由四段组成，从热管的蒸发端到冷凝端，相邻两段热管所形成的角度依次为9°、16°、120°。
优选地，所述热管的形状、以及热管嵌入犁铧铧尖区位置的确定方法包括以下步骤：
(1)首先，测量摆式犁犁铧的外形结构尺寸，外形结构尺寸包括犁铧的长度、宽度、厚度、表面的曲率半径及角度；其次，采用基于零件特征实体建模的方法，构造摆式犁犁铧的三维实体模型；最后，依据犁铧的厚度，铧尖区的曲率半径、角度以及其实际凿削损伤的分布状况，拟定热管嵌入犁铧的初步位置；
(2)依据犁铧-土壤相互作用受载状况，利用有限元结构分析的方法，计算摆式犁犁铧最大工况条件下铧尖区的机械应力与应变，以初步确定热管的端面形状和结构外形；
(3)选取所用热管热传系数，利用有限元热分析的方法，计算热管嵌入犁铧后，摆式犁犁铧最大工况条件下铧尖区温度场的分布变化；
(4)综合摆式犁犁铧切削土壤行为特征、机械应力应变分布以及热管嵌入犁铧后温度场的分布变化，确定嵌入犁铧热管的最优植入位置、端面形状和结构外形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)热管可以在不影响犁铧铧尖切削土壤性能的情况下，明显降低铧尖区的耕耘温度，进而减轻其耕犁损伤程度，提高犁铧的使用寿命。
2)嵌有热管的犁铧不需要其他冷却及辅助设备，因此可以节约这些设备的开支以及外来设备的处理费用。
3)嵌有热管的犁铧结构简单，制作方便且没有特殊使用要求，有利于实际推广。
附图说明
图1是本发明实施例中一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧的结构示意图，其中，标注数值的单位为mm；
图2是本发明实施例中不同形状热管的受力与受热分析折线图，其中，横坐标的数值对应的热管形状与表1中序号对应的热管形状一致；
图3是本发明实施例中到铧尖区尖端不同距离的热管的受力与受热分析折线图；
图4是本发明实施例中不同长宽热管的受力与受热分析折线图，其中，横坐标的数值对应的长宽数值与表3序号对应的长宽数值一致；
图5是本发明实施例中不同角度的热管的受力与受热分析折线图，其中，热管角度为靠近冷凝端的两端热管之间的角度；
图中，1、犁铧的铧尖区，2、热管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，犁铧的铧尖区1嵌有热管2，热管2的蒸发端靠近铧尖区的尖端，所述热管2的冷凝端靠近铧尖区的上端面且远离铧尖区尖端，热管2呈弯管状。热管为矩形热管，矩形热管具有圆角，且圆角的半径为0.5mm，矩形热管的长度为5mm，宽度为1.5mm，热管蒸发端到铧尖区尖端的距离为6mm。热管由四段组成，从热管的蒸发端到冷凝端，相邻两段热管所形成的角度依次为9°、16°、120°。
热管的形状、以及热管嵌入犁铧铧尖区位置的确定方法包括以下步骤：
(1)首先，测量摆式犁犁铧的外形结构尺寸，外形结构尺寸包括犁铧的长度、宽度、厚度、表面的曲率半径及角度；其次，采用基于零件特征实体建模的方法，构造摆式犁犁铧的三维实体模型；最后，依据犁铧的厚度，铧尖区的曲率半径、角度以及其实际凿削损伤的分布状况，拟定热管嵌入犁铧的初步位置；
(2)依据犁铧-土壤相互作用受载状况，利用有限元结构分析的方法，计算摆式犁犁铧最大工况条件下铧尖区的机械应力与应变，以初步确定热管的端面形状和结构外形；
(3)选取所用热管热传系数，利用有限元热分析的方法，计算热管嵌入犁铧后，摆式犁犁铧最大工况条件下铧尖区温度场的分布变化；
(4)综合摆式犁犁铧切削土壤行为特征、机械应力应变分布以及热管嵌入犁铧后温度场的分布变化，确定嵌入犁铧热管的最优植入位置、端面形状和结构外形。
热管的形状、以及热管嵌入犁铧铧尖区位置具体确定步骤如下：
1.将原始犁铧、圆形热管犁铧、矩形热管犁铧，进行受力分析与热分析计算，结果如下表所示：
表1.不同形状热管的受热与受力分析对比结果
| 序号 | 热管形状 | 最高温度(℃) | 最大等效应力(MPa) |
| 0 | 原始犁铧(无热管) | 236.53 | 3.33 |
| 1 | 圆形热管 | 140.27 | 3.42 |
| 2 | 矩形热管 | 131.42 | 3.35 |
由上表可知，矩形热管效果比圆形热管效果好。
2.进一步确定热管离铧尖的距离。
表2.到铧尖区尖端不同距离的热管的受热及受力分析对比结果
| 距离(mm) | 最高温度(℃) | 最大等效应力(MPa) |
| 2 | 132.20 | 3.63 |
| 4 | 132.84 | 3.52 |
| 6 | 133.92 | 3.35 |
| 8 | 134.30 | 3.35 |
| 10 | 136.49 | 3.36 |
| 12 | 138.29 | 3.36 |
| 14 | 142.81 | 3.32 |
| 16 | 147.75 | 3.32 |
| 18 | 154.56 | 3.30 |
| 20 | 160.77 | 3.27 |
由上表可知，热管到铧尖距离为6mm时，受力受热情况较好。
3.进一步确定矩形热管的具体长宽。
表3.不同长宽热管的受力及热分析对比结果
由上表可知，第11种方案最优，即矩形热管长为5mm，宽为1.5mm时受力与散热情况最好。
4.确定热管角度。
表4.不同嵌入角度的热管的受力及热分析对比结果
| 热管角度(°) | 最高温度(℃) | 最大的等效应力(MPa) |
| 90 | 141.05 | 3.68 |
| 100 | 131.05 | 3.78 |
| 110 | 131.42 | 3.40 |
| 120 | 132.87 | 3.35 |
| 130 | 136.01 | 4.58 |
| 140 | 153.52 | 4.94 |
| 150 | 173.27 | 5.23 |
上表中的热管角度为靠近冷凝端的两端热管之间的角度，由上表可知，靠近冷凝端的两端热管之间的角度为120°时，效果最优。
综上所述，选用长为5mm，宽为1.5mm的矩形，靠近冷凝端的两端热管之间的角度为120°，离铧尖距离为6mm的热管。为了更好地看出结果，图2-4用折线图表现结果，得出热管最终优化位置，热管的具***置如图1所示。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其特征在于：所述犁铧的铧尖区嵌有热管，所述热管的蒸发端靠近铧尖区的尖端，所述热管的冷凝端靠近铧尖区的上端面且远离铧尖区尖端，所述热管呈弯管状，所述热管由四段组成，从热管的蒸发端到冷凝端，相邻两段热管所形成的角度依次为9°、16°、120°；
所述热管的形状、以及热管嵌入犁铧铧尖区位置的确定方法包括以下步骤：
(1)首先，测量摆式犁犁铧的外形结构尺寸，外形结构尺寸包括犁铧的长度、宽度、厚度、表面的曲率半径及角度；其次，采用基于零件特征实体建模的方法，构造摆式犁犁铧的三维实体模型；最后，依据犁铧的厚度，铧尖区的曲率半径、角度以及其实际凿削损伤的分布状况，拟定热管嵌入犁铧的初步位置；
(2)依据犁铧-土壤相互作用受载状况，利用有限元结构分析的方法，计算摆式犁犁铧最大工况条件下铧尖区的机械应力与应变，以初步确定热管的端面形状和结构外形；
(3)选取所用热管热传系数，利用有限元热分析的方法，计算热管嵌入犁铧后，摆式犁犁铧最大工况条件下铧尖区温度场的分布变化；
(4)综合摆式犁犁铧切削土壤行为特征、机械应力应变分布以及热管嵌入犁铧后温度场的分布变化，确定嵌入犁铧热管的最优植入位置、端面形状和结构外形。
2.根据权利要求1所述的一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其特征在于：所述热管为矩形热管。
3.根据权利要求2所述的一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其特征在于：所述矩形热管具有圆角。
4.根据权利要求2所述的一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其特征在于：所述矩形热管的长度为5mm，宽度为1.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其特征在于：所述矩形热管具有圆角，且圆角的半径为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种嵌有热管的高速梭式摆式犁犁铧，其特征在于：所述热管蒸发端到铧尖区尖端的距离为6mm。
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