新型波紋式圓盤破茬刀的設計與優化

韋麗君+庫國輝+尹曉鵬

摘要：為了使圓盤破茬刀在工作時所受應力最小，設計5因素5水平正交試驗，并通過Pro/Engineer軟件對正交試驗方案中不同圓盤波紋破茬刀模型進行有限元應力分析，得出對應正交試驗方案破茬刀的應力結果，選擇使圓盤波紋破茬刀應力最小的5個因素為最優組合。通過極差分析可知，圓盤厚度是影響圓盤破茬刀的主要因素，在其他最優因素不變的條件下，通過改變圓盤厚度對圓盤破茬刀進行應力和變形分析，結果表明：新型圓盤破茬刀比普通波紋式圓盤破茬刀所需要配重減少36.86%，所需牽引力減少32.86%。

關鍵詞：免耕播種機；破茬裝置；破茬刀；優化；正交試驗

中圖分類號：S223.2+4文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）04-0166-03

我國是農業大國，也是干旱半干旱的國家，從古至今抗旱耕作方式一直是我國農業研究的重點。通過對我國耕作方式的研究與發展，根據不同區域、土壤結構一系列凝聚我國勞動人民智慧的抗旱保產的傳統耕作方式不斷出現。

隨著農業機械化的迅速發展，機械制造工具在農業上的應用越來越廣泛。本研究主要結合普通圓盤破茬刀和波紋圓盤破茬刀的優點設計了新型的波紋圓盤破茬刀。利用Catia R20軟件得到新型波紋圓盤破茬刀的三維實體，并對新型破茬刀進行應力計算，獲取等效應力分布圖，再通過使用Pro/Engineer軟件和正交試驗對等效應力進行優化與分析，從而為新型破茬裝置的優化和結構參數設計提供理論依據[1]。

1三維模型的創建

常用的圓盤破茬刀主要有缺口式、平面式和波紋式等樣式[2]。通過實踐經驗了解到，平面式圓盤刀雖然切斷的性能比較好，但是開出的溝槽寬度太窄，而缺口式圓盤刀切斷阻力大、功耗大。波紋式圓盤刀雖然松土能力好，但入土能力較差，需要較大的配重。所以設計了1種新型波紋式圓盤破茬刀，其結構如圖1所示。新型波紋式圓盤破茬刀的5個主要參數分別為波紋個數N（個）、圓盤刀波紋外徑R（mm）、圓盤刀壁厚h（mm）、波紋長度L（mm）、和圓盤振幅A（mm）。

根據2BMZF-4X型播種機破茬裝置破茬刀的結構參數數據，利用Catia參數化建模技術中的拉伸、掃描、旋轉、倒角和參數等工具，初步建立新型波紋圓盤破茬刀的三維實體模型（圖2）。

2有限元分析

2.1材料

考慮新型波紋圓盤破茬刀的工作環境和工作強度，選擇65 Mn鋼作為圓盤刀的材料，經熱處理及冷拔硬化后，強度較高，并且具有一定的韌性和可塑性。材料的綜合力學性能高于碳鋼，使圓盤刀有較高的鋒銳性和耐磨性，因而可以使切割阻力的效果更加明顯。泊松比為0.3、楊氏模量值為 210 Gpa、屈服強度為430 Mpa、質量密度為7 850 kg/m3。

2.2網格劃分

本試驗采用單元類型為四面體，對單元格進行手動劃分，為了更好地對圓盤刀進行受力分析，同時設置絕對垂直度為0.5 mm，單元格大小為10 mm。

2.3邊界條件的設定

在圓盤刀軸孔的邊緣施加6個約束，因此限制了全部自[JP3]由度。因為圓盤刀工作時是通過6個螺栓固定在刀盤架上的，其中3個方向轉動自由度和3個方向移動自由度均被限制。[JP]

2.4施加載荷

通過大量實踐研究和理論分析，圓盤刀在工作時，一面繞刀盤軸轉動，一面隨播種機向前直線運動，因此圓盤刀破茬時所受載荷主要是與土壤接觸部分所受到的垂直破茬阻力和水平牽引阻力有關[3]。進行試驗測得圓盤破茬刀在進行土壤作業時，破茬深度90 mm時的水平牽引阻力為1 286 N，垂直[JP3]破茬阻力為2 035 N，將此載荷加到已建成的三維實體模型上。[JP]

3圓盤刀結構參數的優化分析

3.1試驗水平

正交試驗設計是利用正規化的正交表，對試驗因素進行合理安排、科學分析的多因素試驗方法，能選出具有代表性較強的試驗條件，合理科學地進行試驗安排，然后對試驗結果進行統計分析，尋求各因素水平的最佳組合，得到1組最優或者較優的試驗設計方法[4]。首先建立關于新型波紋圓盤破茬刀參數[外徑R（mm）、圓盤刀壁厚h（mm）、波紋個數N（個）、波紋長度L（mm）和波紋振幅A（mm）]的5因素5水平正交試驗表（表1）。

3.2分析等效應力

根據圖2建立的Catia參數實體模型進行有限元分析，可得出相應的最大等效應力，再應用Pro/Engineer軟件中極差分析對試驗數據進行分析，繪制圓盤刀外徑R、圓盤刀厚度h、波紋個數N、波紋長度L、波紋振幅A與新型圓盤刀的等效應力變化趨勢（圖3）。

由圖3可知，所有參數對模型都產生了影響。從圖3-a可知，在圓盤外徑不斷增加時，實體模型的等效應力先減小，待圓盤刀外徑增加到400 mm后，實體模型的等效應力逐漸增大；從圖3-b可知，在圓盤刀厚度不斷增加時，實體模型的等效應力逐漸減小；從圖3-c可知，波紋的個數對實體模型等效應力先是減小，當波紋的個數達到16個時，等效應力隨波紋個數的增加而增大；從圖3-d可知，波紋長度在小于 85 mm 時，對圓盤刀等效應力的影響是比較平緩的，波動的幅度不是太大，當波紋長度在85～95 mm時，圓盤刀的等效應力先是增加的，當達到了95 mm以后，圓盤刀的等效應力又將逐漸下降；從圖3-e可知，波紋振幅對實體模型等效應力的影響是先減小，后增大，再減小，又增大，幅值越大，應力波動也就越大。

應用Pro/Engineer軟件對數據進行方差分析得出影響等效應力的主次順序為圓盤刀厚度、圓盤振幅、波紋個數、波紋長度、圓盤外徑。由此可知，圓盤刀厚度對模型的等效應力變化影響最大。

3.3優化結果分析

通過Pro/Engineer軟件方差和極差的優化分析得出：在不同圓盤刀厚度下，最優因素水平是波紋長度為65 mm，圓盤刀波紋外徑為400 mm，圓盤刀波紋振幅為9 mm，波紋個數為16個[5]。測試不同圓盤刀厚度下實體模型的應變和等效應力，建立圓盤刀厚度與等效應力（圖3-b）、受力應變的關系圖（圖4）。

建立優化后新型圓盤刀壁厚為5 mm的模型，模型應力分布如圖5-a所示，最大應力位于最下端螺栓孔處，應力值為7.384 MPa。模型變形如圖5-b所示，最大變形位于圓盤刀最下端外徑處，變形值為5.606 μm。圓盤破茬刀的剛度和強度滿足設計要求。

4破茬試驗

4.1試驗分析

通過2BMZF-4X播種機分別對新型波紋式圓盤破茬刀、平面式圓盤破茬刀和波紋式圓盤破茬刀進行田間試驗，如圖6所示，測定入土深度為90 mm時的牽引阻力和下加壓力，通過試驗數據比較，驗證新型波紋圓盤破茬刀能否起到節能減阻的作用。圖7為新型波紋圓盤破茬刀的入土深度測量和松土寬度測量。

4.2試驗結果

在田間試驗過程中，由于部分土壤含水量、秸稈和根茬的分布，試驗過程中純切土壤和切土壤時含有根茬所需配重及牽引力不同，通過田間試驗可知，在入土深度為90 mm的土壤中，3種圓盤破茬刀所需配重及牽引力不同，通過對比可知，新型波紋圓盤破茬刀所需配重為1 285 N，波紋圓盤刀所需配重較大，為2 035 N，平面圓盤刀與新型圓盤刀所需配重差別不大，新型圓盤刀比波紋圓盤刀所需配重至少減少了 36.86%。新型波紋圓盤破茬刀測得平均牽引力為756 N，普通圓盤破茬刀的牽引力為1 126 N，新型波紋破茬刀所需的牽引力比普通波紋破茬刀減少了32.86%。試驗結果表明，新型圓盤刀在松土及破土方面得到了很大提高，結合了波紋圓盤刀和平面圓盤刀的優點，起到了節能減阻的效果。

5結論

結合平面圓盤破茬刀松土能力強、切斷性能較好、能耗小等優點，本研究設計了新型波紋圓盤破茬刀。通過分析圓盤式破茬犁刀的結構對破茬松土的影響，設計新型波紋圓盤破茬犁刀的結構形式，使新型波紋圓盤式破茬犁刀具有比平面破茬犁刀入土能力強、耗能少，比波紋圓盤破茬犁刀松土能力強、不宜滑移的特點。通過正交試驗，得出各參數的最優解，利用Catia軟件對新型的圓盤破茬刀實體模型進行有限元分析，測定其最大的等效應力，再應用Matlab軟件進行數據分析，通過方差分析可知，新型圓盤刀厚度對等效應力的影響最大。通過極差分析各結構參數水平對等效應力的變化曲線

圖，得出新型圓盤刀在不同壁厚下的最優參數為波紋長度 65 mm，圓盤刀波紋振幅9 mm，圓盤刀波紋外徑400 mm，波紋個數16個。在最優參數水平下，對不同壁厚新型圓盤刀模型進行應力和應變試驗，剛度與強度均在材料的許用范圍之內，滿足實際要求。建立新型圓盤刀厚度與應力關系曲線圖，為不同厚度圓盤刀的選擇提供依據。對5 mm厚波紋圓盤刀和新型圓盤刀田間牽引力測量試驗可知：新型圓盤刀比波紋圓盤刀所需配重減少36.86%，所需牽引力比波紋破茬刀減小了32.86%，驗證了試驗的可行性。新型波紋圓盤刀具有平面式圓盤刀和波紋式圓盤刀的優點，在破茬和松土方面得到很大提高，起到了節能減阻的效果，很大程度上提高了機具防堵能力和田間通過性。[HJ]

參考文獻：

[1]韋麗君，陳廷衛，張邦成，等. 免耕播種機新型圓盤式破茬刀設計與優化[J]. 農機化研究，2014，36（10）：107-111.

[2]王宏立，張偉. 免耕播種機波紋圓盤破茬刀的優化設計[J]. 農機化研究，2012，34（10）：96-99.

[3]白曉虎，林靜，呂長義，等. 免耕播種機圓盤破茬刀工作性能分析與試驗[J]. 農業工程學報，2014，30（15）：1-9.

[4]王艷，張愛珍，任春生. 正交試驗設計與優化的理論基礎與應用進展[J]. 分析試驗室，2008，27（增刊2）：333-334.

[5]周桂霞，張偉，李玉清，等. 免耕播種機破茬部件的仿真分析[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，2010，22（4）：31-33.