微耕機旋耕刀具的研究進展

段凱++蔡克桐++梅軍++饒崇明++柳威

摘要 微耕機已經成為丘陵山地提升農業機械化水平的常用有力工具，而適用于微耕機耕耘作業的旋耕刀具是其作業的最重要部件。本文綜述了近年來國內外學者對旋耕刀具的數字化設計研究現狀，總結了微耕機旋耕刀具的研究進展情況，以期為微耕機旋耕刀具的應用提供參考。

關鍵詞 微耕機；旋耕刀具；研究進展

中圖分類號 S222 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）20-0153-02

Research Progress of Rotary Cutting Tool for Microtillage Machine

DUAN Kai CAI Ke-tong MEI Jun RAO Chong-ming LIU Wei

（Agricultural Science Academy of Xianning City in Hubei Province， Xianning Hubei 437100）

Abstract The microtillage machine has become a powerful tool for improving agricultural mechanization level in hilly hill country，the most important part of the operation is the rotary cutting tool applied to the tillage.The present situation of digital design of rotary cutting tool was reviewed in this paper，the research progress of rotary cutting tool was summarized，so as to provide a reference for the application of rotary cutting tool for micro-tillage machine.

Key words microtillage machine；rotary cutting tool； research progress

功率小于7.5 kW，由驅動輪軸驅動旋轉工作部件工作，多用于水旱田整地、田園管理及設施農業等耕耘作業的機動耕耘機叫做微耕機，又稱微型耕耘機[1]。微耕機具有體積小、重量輕、操作簡單方便的特點，廣泛適用于丘陵山地地區、小面積田塊和設施農業作業中，而旋耕刀是微耕機旋耕部件最重要的組成部分。由于復雜的地形和惡劣的作業環境，導致旋耕刀極易發生磨損甚至扭曲變形而影響耕作作業。因此，國內外廣大學者圍繞旋耕刀存在的問題展開了長期的深入分析和研究。

1 國內外研究現狀及成果

自19世紀耕耘機械發明以來，旋耕刀具的設計研究從最初的依賴經驗與理論設計一直過渡到涉及材料、熱處理以及有限元仿真分析的現代化研究方法，而所有的研究都指向一個目標，即最大限度地降低功率損耗、提高切削效率和延長刀具使用壽命。

20世紀90年代以前，主要是采用傳統的機械設計方法研究設計旋耕刀，利用過去的成功經驗，以力學、數學建模及試驗等形成的經驗公式、圖表、標準及規范作為依據，運用條件性計算或類比等方法進行設計。目前傳統機械設計已經遠遠不能滿足產品的功能和市場需求，利用CAD/CAE/CAM工具的數字化設計占據主導地位[2]。

1.1 國外研究現狀及成果

1989年，Chi和Kushwaha[3]通過編制有限元計算程序，借助三維非線性有限元分析方法，分析了窄齒耕作部件的切削工況，并程序化地計算出耕作部件所承受的反作用力。

1995年，Rosetal[4]運用數字化設計技術，設計出先進的旋耕刀虛擬仿真系統，可以對旋耕刀幾何參數對功耗的影響進行研究。

2004年，日本等國已建立了網絡CAD設計系統[5]，該系統主要包括CAD程序及數據庫，能便捷地為旋耕刀的系列化制造提供圖紙。

2005年，Karmakara [6]將土壤的流變行為特性定義為Bing-hem材料，并通過采用計算流體力學CFD軟件來模擬土壤切削過程。通過控制體積法，發現土壤的應力大小與刀軸的旋轉速度成正相關，刀刃的四周土壤的應力相對集中，且分布的趨勢是沿著刀刃方向不斷減小。

1.2 國內研究現狀及成果

1985年，朱金華等[7]建立了包括圖形輸出在內的旋耕機刀片計算機輔助設計系統。該方法是國內較早的旋耕刀數字化設計。

2006年，張 霞等[8-9]、蔡宗壽等[10]以微耕機刀旋轉速速度、前進速度、耕作深度為變量研究對功率分布的影響，改進了刀片正切面參數的設計方法，為旋耕刀刀片的類型選擇提供了新的參考原則和方法，同時，在試驗中發現，旋耕機刀片正面切土角存在最佳的刀片最小切土角和最小隙角，適當地減小磨刃角和增加刀片靜態切土角，可以有效提高旋耕刀的切土效率。

2007年，湯 華等[11]運用新型有限元算法—任意拉格朗日歐拉ALE算法對大盤切削土壤過程進行動態模擬，很好地解決了盾構掘進過程中土壤的大變形問題，并演算出新型的以盾構施工仿真均衡區域分解方法為基礎的并行算法。

2007年，葛 云等[12]采用ANSYS對旋耕刀進行靜力學仿真分析，認為刀片連接孔處應力集中。

2008年，高建民等[13]采用SPH法（光滑質點流動力學方法）對旋耕機高速切削土壤的過程進行有限元仿真分析研究，并開發出該方法的土壤高速切削仿真有限元模型，通過對試驗數據與有限元仿真分析結果的對比分析，更進一步證明了SPH法模擬土壤高速切削過程的可行性、準確性以及真實性。endprint

2009年，覃國良[14]對刀片鏈式開溝機刀片切削土壤的動態過程進行了仿真分析，獲得了刀片的應力、應變和阻力的周期變化情況，進一步研究并分析了切削阻力和切削功率的變化規律。

2009年，賈洪雷等[15]基于仿生學理論，根據鼴鼠腳趾結構曲面參數設計旋耕刀具，指出其能較好地改進旋耕刀具的切土性能。

2011年，蓋 超等[16]通過Solidworks中的COMOS motion模塊對旋耕刀的彎折角進行了優化，提出125°～130°最佳彎折角。

2012年，張 強等[17]借助有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA對仿生鉤形深松鏟和圓弧形深松鏟的切削土壤過程進行仿真分析，發現仿生鉤形深松鏟相比傳統圓弧形深松鏟能夠有效減小耕作時的阻力。

2014年，盧彩云等[18]通過MAT147土壤材料模型建立了華北一年兩熟區的土壤模型，并對平面刀切削土壤過程進行動態分析，發現平面刀切削土壤時土壤所受等效應力波動較小，切削過程沒有劇烈的波動，應力集中出現在與平面刀刀刃接觸的土壤上，最大等效應力為5.751 MPa，穩定切削時切削功耗在10.2 kW附近波動。

2014年，郝小征等[19]設計修正了旋耕刀滑切角，每個刀盤上的刀片數由3葉改為4葉，左彎刀和右彎刀的排列采用線性排列，打破了傳統按螺旋線規則排列的方式，提高了耕地深度；適當調整了復合刀擋板高度，既不易纏草及作物秸桿又能很好地起到碎土作用。

2015年，王 榮等[20]采用ANSYS對R300的旋耕刀進行了靜力學分析，得出其在增大旋耕深度時，刀柄厚度需要大幅度增加。

2015年，胡 濤[21]以國內普遍使用的微耕機彎刀片作為主要研究對象，對刀片進行三維建模，并利用ANSYS對刀片進行受力分析。結果發現，在相同外力作用下，微耕機刀片正切面彎折角與等效塑性應變及應變量正相關。當載荷逐漸增大時，刀片塑性應變表現為由刃口逐步向刀柄部位發展，而且等效塑性應變不斷增加，范圍逐漸擴大。

2015年，牛 坡等[22]、朱留憲等[23]得到旋耕刀總變形最大處在旋耕刀的正切部，正切部剛度最差，旋耕刀最大應力與應變區域在刀柄與刀背連接處，旋耕彎刀最大彈塑性應變、最大應力和最小疲勞壽命的位置與旋耕彎刀實際工作時的斷裂位置一致。

2015年，朱 超等 [24]基于FEM-SPH耦合算法，采用LS-DY-NA971求解器進行土壤切削仿真分析，仿真結果與試驗結果逼近。

2015年，林昌華等[25]運用SOLIDWORKS建立微耕機旋耕刀的三維模型，通過HYPERWORKS和LS-PREPOST對旋耕刀切削土壤過程進行動態仿真，并對刀具易斷裂變形等問題進行優化設計。

2 結語

微耕機以體積小、重量輕、操作簡單方便的優勢而被廣泛應用于丘陵山地、零碎田塊及設施農業作業中[26-27]。旋耕刀具作為微耕機旋耕作業的常用易損部件，近年來國內外學者利用計算機技術、有限元仿真分析軟件等數字化設計方法，對其技術參數、作業過程進行了大量的分析研究，但是與實際情況相比不可避免的仍存在誤差等問題，還需根據實際情況不斷進行改進優化[28-30]。

3 參考文獻

[1] 金成，金藝.重慶市微耕機用戶群體淺析[J].中國農機化，2012（6）：49-51.

[2] 朱曙光，毛鵬軍，胡春燕.淺述旋耕刀設計技術的發展[J].農業裝備技術，2009，35（2）：17-19.

[3] CHI L，KUSHWAHA R L. Finite element analysis of forces on a plane soil blade[J].Can Agric Eng，1989，31（2）：135-140.

[4] SAIMBHI V S，WADHWA D S，GREWAL P S.Development of a rotary tiller blade using three-dimensional computer graphics[J].Biosystems Engin-eering，2004，，89（1）：47-58.

[5] RYOZO N，CAD system for Agricultural Machinery-CAD Program Applied to rotary blade[J].Agricultural Information Technology in Asia and Oceania，1998：103- 106.

[6] KARMAKA S，KUSHWAHA R L. Simulation of soil deformation around a tillage tool using computational fluid dynamics[J].American Society of Agricultural Engineers，2005，48（3）：923-932.

[7] 朱金華，勵振綱，鄒舉.旋耕機刀片設計的CAD系統[J].農業機械學報，1985，9（3）：51-61.

[8] 張霞，蔡宗壽，吳德光.園藝型耕耘機刀輥設計方法的研究[J].云南農業大學學報，2006，21（2）： 250-252.

[9] 張霞，蔡宗壽，吳德光.自走式耕耘機刀片設計方法的研究田[J].云南農業大學學報，2006，21（1）： 103-106.

[10] 蔡宗壽，張霞，盧貴忠.自走式耕耘湘 U 束比系數的優化設計[J].云南農業大學學報，2006，21（5）： 677-680.

[11] 湯華，金先龍，丁峻宏，等.基于任意拉格朗日—歐拉法的盾構刀盤土體切削仿真[J].上海交通大學學報，2006（12）：2177-2181.endprint

[12] 葛云，吳飛雪，王磊，等.基于ANSYS微型旋耕機旋耕彎刀的應力仿真[J].石河子大學學報（自然科學版），2007，25（5）：627-629.

[13] 高建民，周鵬，張兵，等.基于光滑粒子流體動力學的土壤高速切削仿真系統開發及試驗[J].農業工程學報，2007（8）：20-26.

[14] 覃國良.鏈式開溝機刀具優化設計及其切削過程的數值模擬[D].武漢：華中農業大學，2009.

[15] 賈洪雷，汲文峰，韓偉峰，等.旋耕碎茬通用刀片結構參數優化試驗[J].農業機械學報，2009，40（9）：45-50.

[16] 蓋超，董玉平.基于COSMOS的還田機械旋耕刀彎折角優化[J].農機化研究，2011，33（3）：30-33.

[17] 張強，張璐，劉憲軍，等.基于有限元法的仿生鉤形深松鏟耕作阻力[J].吉林大學學報（工學版），2012（增刊1）：117-121.

[18] 盧彩云，何進，李洪文，等.SPH算法模擬平面刀土壤切削過程的應用和驗證[J].農業機械學報，2014（8）：134-139.

[19] 郝小征，李忠慶，黃樹國，等.微耕機旋耕刀片及其刀輥的參數優化設計與試驗[J].農業機械，2014（5）：155-158.

[20] 王榮，王宏宇，金鏡，等.基于ANSYS的大耕深旋耕刀結構優化設計[J].農機化學報，2015（5）：136-139.

[21] 胡濤.基于有限元微耕機刀片性能硏究與祥機試驗[D].南昌：江西農業大學，2015.

[22] 牛坡，楊玲，張引航，等.基于ANSYS Workbench的微耕機用旋耕彎刀有限元分析[J].西南大學學報，2015，37（12）：162-167.

[23] 朱留憲，楊玲，朱超，等.基于ANSYS Workbench的微耕機旋耕刀有限元分析[J].機械研究與應用，2014，27（1）：88-89.

[24] 朱超，朱留憲，黃成.基于FEM—SPH耦合算法的土壤切削仿真研究[J].農機化研究，2015（9）：54-58.

[25] 林昌華，康松林，秦飛龍，等.旋耕刀有限元仿真分析及優化[J].農業開發與裝備，2015（1）：55-57.

[26] 劉麒.基于微耕機使用技術及注意事項探討[J].湖南農機，2014，41（10）：9-10.

[27]劉輝.基于LS-DYNA的旱地旋耕刀工作機理研究[D].重慶：西南大學，2012.

[28] 林蜀云，張佩，徐良，等. 適用于微耕機的旋耕刀研究現狀及展望[J].安徽農業科學，2016（30）：239-240.

[29] 朱留憲. 基于SPH算法的微耕機旋耕刀有限元仿真與優化[D].重慶：西南大學，2012.

[30] 張云峰. 關于機械零部件創新設計的思考[J].黑龍江科技信息，2009（8）：26.endprint