图莫尔应力圆图极限平衡圆因此，土体破坏时滑移面的方向与主应力作用面呈角，通常极限应力状态又称为朗肯状态。主应力间关系非粘性土非粘性土的平衡条件图所示由图有﹜图无粘性土的极限平衡条件式中最大主应力，最小主应力，由式可得式中土的内摩擦角所以有由式可知，土壤极限主应力之比与土壤本身性质有关，并取决于土壤内摩擦角。粘性土粘性土达到极限平衡时各参数的几何关系图所示由图有因此有图粘性土的极限平衡条件由此可见，粘性土的极限平衡条件比非粘性土的平衡条件复杂，多了粘聚力的影响。式和式,分别表示非粘性土和粘性土在剪应力达到极限平衡时，主应力之间的关系。.总结桔根系分布较浅，而且纤细，没有根毛，要求土壤疏松多孔通气良好。所以土质应用亚沙类土类，土壤对刀具的影响主要为轴向运输，其次为土壤切削，当天气较干旱时，土壤容易板结，脆性较大当多雨湿润时，土壤的粘性较大。综合考虑，开沟机与土壤的相关参数的设计按满足砾石和粘土进行设计。螺旋开沟刀具结构设计.开沟机刀具总体结构要求立式螺旋开沟机开挖的构型要求如图，要求开沟机作业速度范围为，图为螺旋开沟机沟型示意图图螺旋开沟机沟型示意图具体设计要求如下开沟机主车体为农夫小精灵手扶拖拉机开沟器直接安装在挂件位置，用链轮连接减速器动力输出轴输出动力开沟器结构简单紧凑，便于制造维修，使用简便沟形成型好，沟底土屑残留少，生产效率高适宜桔园工作换季.开沟刀具参数设计立式螺旋开沟器的设计参数分为结构几何参数和运动参数。结构几何参数包括螺旋面直径圆锥体高度土壤外运螺旋角螺旋圆内半径犁铲切削刃和沟壁切削刃形状等。运动参数包括机具前进速度和螺旋刀具转速等。开沟刀具结构几何参数确定根据土壤特性分析结论，为避免土壤越过上边线掉落，工作部件总高度比实际沟深大，取取工作部件总高度为。根据沟型要求，螺旋刀具螺旋面外半径为，螺旋体内半径。为方便排土，刀具需高出沟边定距离，这里选取圆柱体高度。以上参数根据沟型要求土壤参数等都可确定，唯需要选择的是螺旋角。螺旋角的选取是降低开沟机功耗提高生产率的关键。当开沟机前进速度定，抛土动量与螺旋角的正切成正比例增长，当角过大切削刃过陡时，不利于土壤升运，功耗增加，开沟效率低。为减小输土功耗，应选较小的值，但值过小，将导致抛土距离太近形成沟边堆土和回土，功耗增加。般螺旋角取。根据前人设计经验初步选取.。螺旋刀具几何参数如表所示。表螺旋刀具几何参数几何参数数值.螺旋开沟器开挖沟时，螺旋刀具在主机开动下，沿前进方向在沟中破土，开沟器按沟型要求开沟挖出两侧沟坡，底部犁铲切割土壤，形成沟底。刀具在破土同时通过自身旋转产生的离心力升运并抛出土壤。为支撑整个开沟器并防止土屑回落，可在刀具切土背面安置挡泥板，以保证土壤被提升且抛向沟的两侧。开沟器提升平放等动作由安装架绕托架旋转完成。由于在开沟过程中，刀具会受到冲击载荷的影响，故旋转应能承受较大径向载荷和单向轴向载荷角接触球轴承。刀片材料应选用钢刀片，钢强度高，淬透性较大，脱碳倾向小，适宜制成农机零件。开沟刀具运动参数设计刀具转速研究立式螺旋开沟器刀具为双螺旋结构，在螺旋挖沟中，土块依靠刀具旋转时产生的离心力甩到也叶片外侧输送上来。当转速过低，刀片切下的土块被后面上来的土块推动，在叶片摩擦力和自身重力作用及后面上来的土块的挤压作用下，机具易发生阻塞和叶片变形，使开沟部件阻力增大。当转速过高，被切下的土块在离心力作用下压向坑壁，坑壁对土块产生阻止其旋转的摩擦力，使土块的角速度小于螺旋面的回转角速度，该摩擦力引起土块沿叶片向上加速滑动土壤在螺旋也片作用下向上移动时机具的转速对土块的输送有直接影响。因此，螺旋刀具的转速为关键技术参数，需计算满足要求的最小转速，即临界转速。转速较低时，切下的土屑离心惯性力小，孔壁对土屑的摩擦力不足以使土屑与叶片之间产生相对运动，土屑不能上升，只能随叶片旋转。随着转速的增大，孔壁对土屑的摩擦力也增大，当转速超过临界值后，孔壁对土屑的摩擦力足以使土屑与螺旋叶片之间产生相对运动，土屑就会上升。这转速的临界值称为临界转速。与此同时，刀具转速还需满足排土临界转速。排土临界转速指土壤在叶片上不被挤压而顺利排出所需的最低转速。理想化假设为便于分析土壤运动和受力关系，现做如下假设在刀具切割土壤的过程中，土壤颗粒不仅作上升运动，而且新切下的土壤会将刀片上的土粒向圆锥轴心挤压，若考虑由此引起的径向力，则分析计算过于复杂，因此忽略径向运动及由此产生的径向力。为能够同时考虑叶片与坑壁对土壤微粒的作用，忽略土壤间挤压力，在计算时假设土壤颗粒足够大，并作用在外螺旋线上。由于开沟过程中开沟机前进速度低，因此在研究刀具旋转运动时忽略车体前进速度，简化计算。忽略螺旋底面与土壤土壤与土壤间的摩擦力模型建立力学建模的建立。以螺旋叶片上土壤单元体未研究对象，当螺旋刀具以临界转速旋转时，被切下的土壤单元体随螺旋叶片起旋转，由于离心力作用，单元体被甩向坑壁，单元体接触坑壁后，土壤在坑壁摩擦力作用下转速减小，并沿螺旋叶片向上加速运动。在土块即将上升时，加速度为零，处于临界状态。此时土壤单元体在以下几种力的作用下平衡重力惯性力，方向指向坑壁，坑壁对土壤单元体的法向反作用力,坑壁对土壤单元体的摩擦力为土壤单元体与孔壁间的摩擦系数方向与螺旋刀具转动方向相反，土壤单元体没有上升运动，其方向水平面夹角为零螺旋刀片对土粒的支撑力，方向垂直也叶片向上螺旋叶片对土壤单元体的摩擦力，方向与叶片平行向下，如图图所示。土壤单元体在上升过程中的运动轨迹是变导程螺旋线。图为土壤单元体在临界状态，在三种力的作用下处于动平衡重力坑壁作用于土壤单元体的摩擦力螺旋面作用在土壤单元体上的全反力即螺旋叶片对土壤单元体的支撑力与摩擦力的合力，与法线方向偏转摩擦角结合图图所示，刀具以角速度旋转，土壤单元体在外螺旋线处随叶片起旋转，车体前进速度为，在摩擦力作用下土块以速度沿螺旋刀片加速向上运动此时研究的是般状态，不是临界状态。是叶片对土壤单元体水平方向的作用力。与的合力为是土壤单元体运动的绝对速度。是绝对速度在竖直方向的绝对分量，表面土壤单元体以速度向上运动,。图俯视土壤单元体临界状态作用力图侧视土壤单元体临界状态作用力运动学模型的建立。侧视土壤单元体速度分解图图侧视土壤单元体速度分解临界转速计算分析根据相关文献研究结果并结合上述分析，可知临界状态时刀具满足如下关系将代入式可得临界转速公式式中沟孔半径，.钻屑与孔壁之间的摩擦系数，.土屑与螺旋叶片之间的摩擦角，即摩擦系数的反正切，具体参数见表，摩擦系数为取.。表土壤摩擦系数土的名称内摩擦系数对钢铁表面的摩擦系数砂.干粘土小块砾石湿粘土水泥碎石.将螺旋刀具参数代入式则有.。根据土壤物理特性对开沟器性能影响分析，实际转速。排土临界转速排土转速指不使土壤在叶片挤压而阻塞顺利排出所需的最低转速，即式中重力加速度，.旋转钻杆中心管半径，.则排土转速计算为。综合分析临界转速及排土临界转速，可知只有当螺旋刀具的转速大于排土转速和临界转速时，即，才能保证土壤被切削后能沿螺旋叶片排出而不会挤压阻塞参考实际情况，刀具的最终转速确定为。二开沟刀具功率消耗特性立式螺旋开沟机的结构和工作方式，决定其功率消耗分为三个部分挖掘功耗输送功耗及土体加速和抛散功耗。挖掘功耗挖掘功耗指开沟机螺旋刀片挖掘土壤所消耗的功率。螺旋刀具切削土壤受力分析可以参考如图所示的锥螺旋分析。图将刀具简化为锥螺旋线，为刀具轴线，为刀片与螺旋轴线的夹角。刀片在挖掘土壤时，土壤对它的两个作用力分别为法向力和平行于刀片的径向。在螺旋刃面正前方土壤由于受螺旋面挤压作用而发生破坏，作用在微段的挖掘阻力矩图挖掘土壤时刀具受力分析由参考文献可知式中土壤与金属的外摩擦角，取刀具每转平均进刀量，.由式可得整个刀具的挖掘阻力矩为式中刀轴的空间夹角螺旋角，.土壤内聚力系数至刀轴中心的平均距离，即平均半径参与掘土的刀刃全部长度，平均进刀量。平均进刀量是刀轴每点进刀量的平均值，即有式中螺旋进刀给速度，刀具转速，半径螺旋线参数方程为式中螺旋圆柱外半径，时间.螺旋刃面微段。由对数螺线方程可直接导出实际挖土阻力矩。由于刀具只有半参与挖土，因此它的挖土阻力矩只是整个刀具阻力矩的半，因此有挖掘功率将式