一種鉆耕農機的設計與仿真

李 洋，張晉西，陳奕婷，胡青松

(重慶理工大學 機械工程學院， 重慶 400054)

目前，我國南方地區特別在西南地區，地形復雜，存在山區、丘陵和小面積田間作業，因此微耕機的特殊設計變得尤為重要。目前我國的微耕機機型不完全，未有成熟的系統[1]，市場上微型旋耕機、犁耕機占據多數。旋耕機車輪為多邊形，因此機器工作時前后、上下均有較大的抖動，耕深不易調節，且耕深較淺。犁耕機雖然耕深和翻土能力較好但碎土能力不強且行走阻力大。本文針對傳統微耕機的不足,設計了一種新型的鉆耕微耕機，此機器有犁耕易進入土壤也有旋耕易旋出土壤并易碎土的優點，操作簡單省力，適應了微型狹窄地區的使用。通過SoildWorks軟件進行三維建模與仿真，并對關鍵部件進行有限元分析，驗證設計的合理性，最后通過實驗驗證了此微耕機可以實現上述功能。這對于微耕機的結構調整以及適應性的開發具有一定的實用參考價值。

1 傳統微耕機類型與現狀

1.1 犁耕

犁耕式微耕機如圖1所示，借助汽油機傳遞到車輪的力牽引機器前行,在機器的尾部安裝如圖2所示的犁耕刀具,犁耕刀具刀尖部分易進入土壤,刀面部分成一定幅度,易于土壤旋出,如果土壤阻力變大,犁耕刀受阻,車輪就會打滑,需要操作者不時調節犁頭高度,減小阻力。犁耕機雖然耕深和翻土能力較好,但作業面比較小,行走阻力大,覆蓋能力相對較差,而且碎土能力不強。

圖1 微型犁耕機

1.2 旋耕

旋耕式微耕機如圖3所示，以圖4弧形刀代替輪子前行并進行土壤切削,刀具使得轉動的車輪為多邊形,因此機器工作時,前后、上下均有較大的抖動,比較耗費操作者體力。若突然遇到較大阻力,刀具打滑,只能抬高機身調節切削深度,耕深不易調節,旋耕雖然具有碎土能力強、土肥摻和均勻、碎土地面土質平整的特點。但對殘茬、雜草的覆蓋能力較差，耕深較淺(旱耕12～16 cm，水耕14～18 cm),機身抖動較大,入土不易。

圖2 犁耕刀具

圖3 微型旋耕機圖

圖4 旋耕刀具圖

2 本機器的工作原理和關鍵結構設計

對于以上傳統微耕機的振動大、碎土能力不強、耕深調節不易的問題，本文設計了一種新的微耕機,以帶有螺旋刀刃并具有一定的錐度的鉆耕刀具替代了犁耕或旋耕刀具。這種形式的微耕機具有耕深大、碎土易、耕深易調節等特點。用SoildWorks建立三維模型并裝配，整體結構設計如圖5所示。

1.刀具機構;2.刀具調節手柄機構;3.傳動機構

零件及其子裝配體構成的結構將決定一個機器的運動性能[2],鉆耕機由動力機構、傳動機構、刀具機構、刀具調節機構和車架5個部分組成,以汽油機為原動件,帶動一個鉆耕刀具轉動,同時通過齒輪嚙合將動力傳到另一個刀具,此時鉆耕刀具軸上的蝸桿帶動車輪軸上的蝸輪轉動,以實現微耕機的行走。鉆耕刀具的鉆耕角度通過手柄旋轉調節,這樣就可以改變鉆耕深度,以適應不同條件下的耕作需求。

2.1 傳動機構模型

圖6為傳動機構模型，汽油機動力經過輸出軸1傳遞到傳動機構,軸上的齒輪隨著軸1轉動,帶動另一個齒輪旋轉將動力傳遞到刀具連接軸3使刀具轉動,輸出軸1上的蝸桿與安裝在車輪軸上的蝸輪嚙合進行減速,供車輪轉動行走,當鉆耕刀具遇到堅硬的土壤時轉速減慢,此時蝸輪和車輪轉速也減慢，就可以達到減速目的。動力由刀具切削轉動與車輪轉動兩個運動同時分擔，當刀具遇阻時，轉動變慢，刀具軸上的蝸桿轉速也變慢，帶動車輪軸上的蝸輪，車輪自動變慢；若阻力太大，鉆刀停止轉動，此時車輪也會停止。

汽油機轉速較高，動力傳遞到車輪時需要一個減速的過程，本設計中蝸輪蝸桿選取的減速比為40∶1，車輪的半徑為0.18 m，發動機額定轉速為3 600 r/min.車輪相對于地面的線速度v=2πnr，可以求出此轉速下的線速度為1.13 m/s。人步行的平均速度為1.2 m/s，因此這種設計可以使人在滿足舒適的前提下達到要求。

1.汽油機輸出軸; 2.齒輪; 3.刀具連接軸; 4.蝸輪蝸桿

這種設計相比較犁耕和旋耕有以下特點：

1) 犁耕、旋耕，均是原動機減速后用于切削土壤。本機器原動力同時供鉆刀轉動切削土壤和車輪行走。原動機雖然轉速高，但由于鉆刀是鉆頭一樣的轉動，因此不會影響切削土壤。若突然遇到較大阻力，可以隨時轉動手柄，改變鉆刀入土耕深，不需要抬整個車身，方便，省力。

2) 由于是刀具切削轉動與車輪轉動兩個運動同時分擔動力，刀具遇阻，轉動變慢，蝸桿蝸輪定速比傳給車輪后，車輪自動變慢；若阻力太大，鉆刀停止轉動，車輪也會停止。因此，在突然遇到阻力時，打滑現象好于犁耕、旋耕。

2.2 刀具調節手柄模型

當需要調節耕深時，可以通過轉動螺桿手柄1調節刀具的傾斜角度來實現。手柄1下端帶有螺紋，插銷4孔內有螺紋其側面和機架板2貼緊，與手柄螺桿1構成螺旋傳動且不能相對轉動，只能沿著螺桿1上下移動。齒輪箱6右側設有滑槽5，插銷4上下移動的過程中可帶動齒輪箱6繞車輪軸旋轉以改變鉆耕刀具與土壤的入射角，從而改變耕作深度。可以使齒輪箱繞機架轉動，其螺紋與插銷4構成帶螺旋傳動，旋轉手柄可以調節刀具的傾斜角度。若突然遇到較大阻力，可以隨時轉動手柄，改變鉆刀入土耕深，不需要抬整個車身，方便，省力(螺旋傳動省力)。

1.螺桿手柄;2.機架板;3.刀具軸;4.插銷;5.滑槽;6.齒輪箱

2.3 鉆耕刀具模型

圖8為鉆耕刀具的模型，刀具借鑒了自攻螺釘的工作原理，在刀桿上饒有螺旋刀刃。為了利于刀具入土，在刀具的底部留有一定的錐度，刀具入土入射角為?且刀尖著地的同時螺旋刀刃也和地面接觸。工作時，鉆耕刀具繞自身軸線旋轉并由微耕機帶動其整體向前平動，鋒利的螺旋刀刃可對土壤進行旋轉切削。翻出的土壤沿著刀具螺旋線的方向鉆取出來，下部的土壤運動上來碰到上部的刀刃時，刀具可對土壤再次切削，使得翻出的土壤細小均勻。螺旋狀帶錐度的刀具通過旋轉和調節傾斜角度來進行鉆耕，比較旋耕機刀片來說振動更小，行使平穩。犁耕刀具只有一個前進的運動，旋耕刀只有一個旋轉運動，本機器的鉆耕刀即有繞自身軸線旋轉也有隨車前進兩個運動。

1.帶有錐度刀具頭;2.螺旋刀刃;3.刀柄;4.土地

2.3.1 刀具受力分析

刀具耕作時受到地面阻力和機架支撐力，在入土耕作時刀具會發生彎曲變形[6-7]。如果刀具的抗彎曲強度不夠，會引起振動較大，入土困難。參考市場上旋耕和犁耕使用的汽油機功率，常見微耕機的功率P=5 kW。

當汽油機在最大功率工作時，這時刀具所受的扭矩最大[8]。

刀具所受的扭矩計算如下:

T=nw/9 550

(1)

T=5 kW,n=2 500 r/min,w=13.3 n/m

微耕機耕作時，阻力來自與土壤給輪子和刀具的阻力，車輛在行駛的過程中，牽引力須滿足[9-10]：

Pi+Pw+Pf≤Pk≤P?

(2)

式中：Pi為爬坡阻力;Pw為空氣阻力;Pf為滾動阻力;Pk為牽引力;P?為附著力。

在本實際狀況中微耕機刀具受到阻力為P，

P+Pi+Pw+Pf≤Pk≤P?

(3)

由于微耕機行駛速度慢，Pw忽略不計，假定在無坡度路面行駛Pi也忽略不計。

P?=?×N

(4)

Pf=f×N

(5)

N為正壓力

對建立的裝配體添加適當的材料，可以測出裝配體的重量約為80 kg，根據表1中不同路面對應的系數，選擇割楂地，采用氣輪胎，f=0.1, ?=0.1。

可以求出：P?=480 N，Pf=80 N。

當等號成立時刀具阻力P為最大

P=400 N

在進行靜應力分析時，取1.5倍的安全系數，即扭矩:W=19.95 N·m，阻力:P=600 N。

表1 輪子的滾動阻力系數 f 和附著力系數φ

2.3.2 刀具邊界條件施加及有限元分析結果

對刀具進行靜應力分析，在SoildWorks中新建模擬算例，選擇靜應力分析，對刀具添加合金鋼材料，對刀具末端部分進行固定，刀具施加軸向扭矩，大小為19.95 N·m，阻力為刀具水平作用在刀尖的力，大小為600 N，施加完載荷后，劃分網格，進行求解，得到刀具的應力、位移云圖。

由應力云圖9看出：材料的屈服力為6.204×108Pa，最大屈服力發生在刀具的固定端，大小為1.693×108Pa，安全系數為3.66。說明刀具可以達到受力要求，與實際受力狀態相符。

在位移云圖10中，合位移的最大處發在刀尖部分，變形的發生是由于刀尖在受到地面的阻力后發生了一定的彎曲變形。位移最大處為1.226 mm在合理的范圍內，受力后變形較小可以達到設計的強度要求。

圖9 刀具應力云圖

圖10 刀具位移云圖

3 運動仿真及實驗

為了進一步驗證此結構的運動性能以及結構的合理性，在SoildWorks的Motion中對建立的三維模型進行仿真[4]。分別對手柄和發動機輸出軸添加勻速馬達，然后車輪與土壤之間添加實體接觸，三維模型圖通過干涉檢查無干涉現象，建立的三維模型裝配圖如圖11、12所示。

圖11 機器三維模型

圖12 機器三維模型

3.1 扶手模態分析

振動對機器的壽命和操作者的身體健康有一定的影響，人在操作機器時需要握著扶手，扶手處的振動在此處傳遞給身體進而影響人體的感覺。汽油機工作會產生一定的振動，扶手作為與操作者直接接觸的部分，穩定性對于操作者的感覺很重要。通過有限元分析來獲得固有頻率，并對比汽油機振動頻率，判斷機器的設計在動態下的合理性。

3.1.1 模態分析理論基礎

模態是機械結構件固有的振動特性，包含有頻率和振型，反應了結構自身特點，是設計機械構件的重要參數。在結構設計中固有頻率作為參考對象，可以通過計算或試驗分別獲得，當激振頻率與構架固有頻率接近時，構件在激振源影響下，發生共振[11]。

對于一個多自由度線性系統有阻尼的振動方程如下[12]。

(6)

式中：[M]為質量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣; {F(t)}為外部激勵矩陣。

結構的固有頻率和振型與所受外力{F(t)}無關，小阻尼對固有頻率和振型影響不大，因此，用無阻尼無外載荷的自由振動方程求解結構的頻率和振型。于是方程(6)可簡化為：

(7)

剛度矩陣[K]包括預應力效應帶來的附加剛度，其自由振動滿足方程：

{u}={φi}cosωit

(8)

其中 {φi}為i階模態特征向量;ωi為第i階自然振動頻率。

將式(7)代入式(8)，可以得到：

φi}={0}

(9)

從式(9)中可以得到結構的振動方程為

(10)

通過式(10)求出第i階自然振動頻率ωi，代入到到式(9)中，可以求出第i階模態形狀的特征向量{φ}i。將{φ}i對質量矩陣進行歸一化處理，可以得到：

{φi}T[M]{φi}=1

(11)

3.1.2 模態分析結果

添加SolidWorks Simulation插件，進入模擬算例,選擇模態分析,設定扶手材料為普通碳鋼，根據實際工作情況將扶手底部進行固定,進行模態分析。通過分析，得出前5階固有頻率如表2所示，對應的模態振型圖見圖13。

表2 扶手固有頻率

圖13 扶手模態振型

通過在動畫中對5階振型進行觀察分析，整理可得表3。

表3 模態列表

通過表3可以看出扶手最大變形較小。

汽油機轉速為3 600 r/min，汽油機頻率與轉速之間的關系式為：

可以得出汽油機前5階激振頻率，見表4。

表4 汽油機激振頻率

階數12345Hz60120180240300

通過與表2的扶手固有頻率進行對比,可以看出扶手前4階固有頻率低于汽油機激振頻率，第5階也避開了汽油機的激振頻率。故機器不會發生共振。

3.2 碎土能力實驗

碎土能力方面主要是和旋耕機進行對比，這里進行了單刀具的耕作實驗。將設計好的鉆耕刀具如圖14安裝在微耕機上與地面形成一定角度，可以帶動刀具轉動并向前行走，安裝好后耕作狀態如圖15，圖16為與市場上一種常見的旋耕機，用作對比。圖17為鉆耕后的土壤顆粒，圖18為旋耕機的土壤顆粒，通過對比可以發現鉆耕后的土壤顆粒更小，原因是鉆耕刀具本身就會對土壤有一個切碎的過程，翻出的土壤會沿著刀具螺旋線的方向鉆取出來，下部的土壤運動上來與刀刃碰撞時，刀具可對土壤再次切削，使 得翻出的土壤細小均勻。

圖14 刀具實物

圖17 鉆耕效果圖18 旋耕效果

4 結束語

本文設計了一種鉆耕刀具形式的微耕機，這種微耕機與市場上的旋耕與犁耕在結構上有很大區別,通過對比發現此機器既有犁耕易進入土壤也有旋耕易旋出土壤并易碎土的優點,抖動較小,使用刀具調節手柄實現耕深調節可控，通過對關鍵部件進行有限元分析驗證了結構設計的合理性。通過SoildWorks軟件仿真模擬以及實驗分析說明此種結構的耕作形式可以實現耕作功能并具有一定的實用價值,這對于微耕機的結構調整以及適應性的開發具有一定的參考價值。