微耕機(jī)刀輥降耗和機(jī)具勻速鋼帶驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)

劉謙文，楊有剛，張 蕾，張義澤

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

0 引言

目前，我國(guó)微耕機(jī)年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)150萬(wàn)臺(tái)[1]。對(duì)小型微耕機(jī)的研究，主要有整機(jī)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)[2-5]、基于強(qiáng)度的零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-7]、刀具應(yīng)力應(yīng)變及刀具切削土壤過(guò)程中能量消耗的分析[8-13]、刀具可靠性仿真分析與驗(yàn)證[14-15]及微耕機(jī)的振動(dòng)等[16-19]。但是，有效降低微耕機(jī)刀輥的切土阻力峰值，使機(jī)具功耗波動(dòng)盡可能減小的研究還很少。另外，功率≤4.5kW的小型微耕機(jī)，由刀輥切削土壤時(shí)的反力驅(qū)動(dòng)機(jī)具前進(jìn)，導(dǎo)致其在不同堅(jiān)實(shí)度的土壤中工作時(shí)，前進(jìn)速度差別較大，機(jī)具的操控難度隨之增加。

微耕機(jī)是指功率不大于7.5kW、可直接由驅(qū)動(dòng)輪軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作部件，主要用于水旱田整地、田園管理及設(shè)施農(nóng)業(yè)等耕耘作業(yè)的機(jī)動(dòng)耕耘機(jī)[20]。針對(duì)現(xiàn)有微耕機(jī)工作時(shí)勻速性差及操控難度大的問(wèn)題，對(duì)某型號(hào)小型微耕機(jī)增配了鋼帶傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪，并對(duì)刀輥進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以減小刀輥的工作阻力和功耗的波動(dòng)，為微耕機(jī)增配驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了功率保障。

1 微耕機(jī)刀輥的改進(jìn)

1.1 刀輥簡(jiǎn)介

原小型微耕機(jī)以功率為1.65kW的汽油機(jī)為動(dòng)力，蝸輪蝸桿減速器作為中間傳動(dòng)；刀盤數(shù)4個(gè)，刀片的正切刃寬度30mm，刀輥有效寬度為240mm；刀具為直角刀，由薄鋼板沖壓后折彎正切刃而成；刀片厚度1.5mm，刃口曲線為圓弧。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，刀輥改進(jìn)的技術(shù)要求為：

1)機(jī)具具有200mm和300mm兩個(gè)耕寬供選擇；

2)降低刀輥?zhàn)畲笄型磷枇妥畲蠊模瑵M足機(jī)具增配驅(qū)動(dòng)輪后最大耕寬的功率需要，提高機(jī)具工作穩(wěn)定性。

改進(jìn)后，300mm耕寬的刀輥，刀盤數(shù)由4個(gè)增加到6個(gè)，刀齒的正切刃寬度由30mm變?yōu)?4mm，通過(guò)拆裝中間的兩個(gè)耕寬為50mm的刀盤即可實(shí)現(xiàn)300mm與200mm耕作寬度的轉(zhuǎn)換。為了防止刀間夾土，縮短了刀齒寬度L,刀具厚度增加到2.0mm。改進(jìn)前后刀輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 基于比較的刀盤強(qiáng)度分析

對(duì)改進(jìn)前后的刀盤在ANSYS中分別進(jìn)行靜力分析，原刀盤的強(qiáng)度在實(shí)際耕作中已經(jīng)證明可以滿足使用要求。因此，刀具強(qiáng)度分析時(shí)，可以以原刀盤強(qiáng)度為基準(zhǔn)判斷改進(jìn)后的刀盤能否滿足使用要求。靜力分析時(shí)，給改進(jìn)前后的刀盤，施加相同的約束和載荷。刀盤內(nèi)圈固定，垂直于側(cè)切刃施加300N的載荷，沿刀軸方向施加50N的載荷。求解后得到的等效應(yīng)力云圖如圖2所示。

由結(jié)果分析可知：改進(jìn)前后刀盤的最大等效應(yīng)力分別為19.30MPa和11.68MPa。改進(jìn)后刀盤的最大應(yīng)力比原刀盤小，說(shuō)明改進(jìn)設(shè)計(jì)的刀盤也能滿足實(shí)際耕作時(shí)的強(qiáng)度要求。

圖1 改進(jìn)前后的刀輥示意圖Fig.1 The knife roll before and after improved

圖2 改進(jìn)前后的刀具的等效應(yīng)力云圖Fig.2 Distribution of the equivalent Von Mises stress for the knife roll before and after improvement

2 改進(jìn)前后刀輥的切土阻力和功率分析

2.1 有限元模型建立

選擇ANSYS/LS-DYNA自帶的的土壤材料模型*MAT_147(*MAT_FHWA_SOIL)，此模型以Mohr-Coulomb的屈服準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，用修正的Drucke-Prager塑性模型將土壤近似處理為各向同性材料[21]。在ANSYS/LS-DYNA前處理過(guò)程中，土壤幾何尺寸為400mm×350mm×150mm，單元類型為Solid164，網(wǎng)格尺寸為12mm，采用采用掃掠劃分法劃分網(wǎng)格。

該型號(hào)微耕機(jī)主要用于沙壤土中的除草作業(yè)，以此為根據(jù)結(jié)合西北地區(qū)黃棕壤特性選取土壤模型主要參數(shù)，如表1所示。

表1 土壤材料主要參數(shù)Table1 Material physical parameters of soil

刀具在SolidWorks中完成三維建模，并將格式轉(zhuǎn)換為parasolid(*.x_t)，在ANSYS/LS-DYNA中進(jìn)行顯示求解分析的前處理。假設(shè)切削過(guò)程中刀輥轉(zhuǎn)速為定值，刀具材料為各向同性線彈性材料，刀具單元定義為solid164單元。為縮短程序的求解時(shí)間，省略刀軸，而將同一刀輥上的所有刀盤內(nèi)圈定義為剛體后，作為一個(gè)part處理，用刀具的內(nèi)圈part模擬刀軸來(lái)驅(qū)動(dòng)所有刀盤一起繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。刀盤材料為65Mn，密度7 850kg/m3,彈性模量為1.96×1011Pa,泊松比為0.3。刀具網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格大小為6mm。改進(jìn)前后的刀輥簡(jiǎn)化實(shí)體模型如圖3所示。

2.2 邊界條件及載荷

將刀具定義為接觸面，土壤定義為目標(biāo)面，接觸方式選擇面面侵蝕接觸(Eroding)。在此類型接觸下，失效單元會(huì)被刪除，而剩下的單元依然能考慮接觸。

在土壤模型的底部和兩側(cè)，約束其Z方向和Y方向的位移，刀具內(nèi)圈只保留繞Y軸旋轉(zhuǎn)的自由度。

刀輥轉(zhuǎn)速為21rad/s，土壤在X方向的前進(jìn)速度為0.4m/s,耕深為80mm。

圖3 改進(jìn)前后的刀輥簡(jiǎn)化實(shí)體模型Fig.3 The simplified finite element model of knife roll before and after improved

2.3 仿真和結(jié)果分析

對(duì)前處理生成的K文件進(jìn)行土壤參數(shù)添加和修改后，交由LS-DYNA求解器求解，最后在后處理軟件LS-Prepost中查看結(jié)果文件并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3.1 刀具所受切削阻力分析

改進(jìn)前后的刀輥，與土壤接觸的不同時(shí)刻所受合力的大小如圖4所示。由折線圖可知：原刀輥切削土壤過(guò)程中所受的最大阻力為1 167.8N，改進(jìn)刀輥切削土壤過(guò)程中所受的最大阻力為585.6N，相比原刀輥降低了49.9%。改進(jìn)后的刀輥所受最大切削阻力的減小，其原因是刀盤數(shù)增加，刀輥上的總刀齒數(shù)增加，刀輥在切削土壤過(guò)程中不同切土?xí)r刻參加切土工作的刀齒數(shù)量差別減小，刀輥切土進(jìn)距減小，切土過(guò)程受力較平穩(wěn)，刀具最大受力因此減小。改進(jìn)后刀輥切削阻力的減小，利于提高機(jī)具的工作平穩(wěn)性。

2.3.2 刀輥切土功率分析

不同時(shí)刻刀輥切削土壤過(guò)程中所受的扭矩如圖5所示。刀輥與土壤開始接觸時(shí)，扭矩最大。當(dāng)土壤單元被破壞后，單元失效，扭矩值迅速減小。在刀輥的整個(gè)工作過(guò)程中，扭矩是不斷變化的，符合刀輥實(shí)際工作情況。由數(shù)值分析結(jié)果可得刀輥功耗的變化曲線，如圖6所示。改進(jìn)前后刀輥的峰值功率和平均功率，如表2所示。

刀盤切削阻力的減小，使得刀輥所受的扭矩減小，導(dǎo)致切土功率也因此降低。由表2可見：改進(jìn)刀輥的峰值功率和平均功率分別比原刀輥降低了32.3%和41.5%。改進(jìn)刀輥峰值功率的減小，表明其功率波動(dòng)得到明顯改善。

圖4 土壤切削過(guò)程中刀輥所受的切土阻力Fig.4 The resistance force of the knife roll during the soil cutting

圖5 切削土壤過(guò)程中刀輥所受的扭矩Fig.5 Moment of the knife roll during the soil cutting

圖6 切削土壤過(guò)程中刀輥的切土功率Fig.6 The power consumption of the knife roll during the soil cutting

表2 優(yōu)化前后刀輥的切土功率Table 2 Power consumption of the knife roll before and after improved kW

2.4 新型微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率分析

沒有驅(qū)動(dòng)輪的微耕機(jī)，前進(jìn)速度受土壤條件影響較大，耕作勻速性差，機(jī)具操控性低。通過(guò)對(duì)刀輥的進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，有效降低了切土功率，為現(xiàn)有微耕機(jī)增配驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了功率保障。改進(jìn)后機(jī)具的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

原機(jī)具的理論切土功率為[22]

N=0.1KrdVmB

(1)

其中，Kr為旋耕比阻(N/cm2)；B為耕作幅寬(m)；d為耕作深度(cm)；Vm為機(jī)組速度(m/s)；Kr=KgK1K2K3K4，Kg為土壤堅(jiān)實(shí)度(N/cm2)，K1為耕深修正系數(shù)，K2為土壤含水率修正系數(shù)，K3為秸稈殘茬植被修正系數(shù)，K4為作業(yè)方式修正系數(shù)。

根據(jù)旋耕機(jī)技術(shù)參數(shù)及相關(guān)文獻(xiàn)[22]，取B=0.22m，Kg=16N/cm2，K1=1.0，K2=0.95，K3=1.2，K4=0.7，將數(shù)值帶入式(1)得N=0.90kW。

改機(jī)后機(jī)具的質(zhì)量m=32kg，設(shè)計(jì)最大前進(jìn)速度為υ=0.4m/s，鋼帶傳動(dòng)的效率取η=0.97，地輪與土壤間的摩擦系數(shù)取μ=0.7，過(guò)載系數(shù)取K=1.5，可求得機(jī)具工作時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率[23]為

由表2可知：改進(jìn)后刀輥的平均功率為0.48kW，比原刀輥平均功率減小0.34 kW，大于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要的功率0.13kW(即改進(jìn)后刀輥節(jié)余的功率)，足以滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要。

另外，原刀輥的平均功耗為0.88kW，與理論切土功耗0.90kW相近，說(shuō)明該有限元模型可以用于微耕機(jī)刀輥切削土壤的過(guò)程仿真，結(jié)果可信。

1.扶手架 2.二沖汽油機(jī) 3.擋泥板 4.地輪 5.后支架 6.大孔帶輪 7.打孔鋼帶 8.小孔帶輪 9.刀輥 10.減速箱

3 樣機(jī)試驗(yàn)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院數(shù)字化土槽試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)進(jìn)行，土壤母質(zhì)為次生黃土，壤質(zhì)為粘土，屬于黃土母質(zhì)上發(fā)育的農(nóng)業(yè)土壤[24]。為了驗(yàn)證加裝地輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后，小型微耕機(jī)是否能夠正常工作，對(duì)改進(jìn)前后的機(jī)具進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。原機(jī)型的基本參數(shù)為：汽油機(jī)功率1.65kW，耕作寬度240mm,整機(jī)質(zhì)量25kg，耕深5～15cm，刀軸轉(zhuǎn)速206r/min；新機(jī)型的耕作寬度為200/300mm,整機(jī)質(zhì)量32kg，其他參數(shù)與原機(jī)型相同。

3.1 試驗(yàn)條件

機(jī)具試驗(yàn)距離為5m，試驗(yàn)前用深松鏟對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的土壤進(jìn)行松土作業(yè)，耕深30cm，模擬此類微耕機(jī)實(shí)際耕作的土質(zhì)較松軟的沙壤土，用鐵鍬將深松過(guò)的區(qū)域處理平整，測(cè)得試驗(yàn)區(qū)域的土壤的堅(jiān)實(shí)度為3.72kPa,平均含水率為20.5% 。

試驗(yàn)時(shí)保證機(jī)具油門開度基本不變，通過(guò)比較試驗(yàn)時(shí)機(jī)具實(shí)際耕作時(shí)間、人工加力的次數(shù)及機(jī)具出現(xiàn)無(wú)法自行前進(jìn)的次數(shù)來(lái)說(shuō)明改進(jìn)前后機(jī)具的功耗情況和操控難度。土槽試驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8 改進(jìn)前后的機(jī)具試驗(yàn)過(guò)程圖Fig.8 The experiment process of the machine before and after improvement

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 土槽試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 3 The test result of the soil bin experiment

由試驗(yàn)結(jié)果可得：在機(jī)具的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率基本恒定的情況下，新機(jī)型可以正常工作，且耕作時(shí)間比原機(jī)型工作時(shí)間短，說(shuō)明安裝了改進(jìn)刀輥的機(jī)具增配驅(qū)動(dòng)輪后沒有增加機(jī)具的功耗。新型微耕機(jī)耕作過(guò)程中不需要人為加力，說(shuō)明機(jī)具的操控性提高，可以提高耕作效率，降低人工作業(yè)強(qiáng)度。改進(jìn)后的機(jī)具沒有出現(xiàn)無(wú)法前進(jìn)的現(xiàn)象，說(shuō)明相比原機(jī)具有了更好的耕作勻速性。

4 結(jié)論

1)在耕深80mm、耕速0.4m/s的條件下，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)改進(jìn)前后的刀輥工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。結(jié)果表明：新型刀輥的峰值切土功率和平均功率分別比原刀輥降低了32.3%和41.5%，最大切削阻力比原機(jī)具降低了49.9%。新刀輥明顯減小了阻力和功耗波動(dòng)，為機(jī)具增配驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了功率保障，也為同類機(jī)具類似的研究提供了理論依據(jù)。

2)土槽試驗(yàn)表明：通過(guò)對(duì)機(jī)具刀輥改進(jìn)設(shè)計(jì)，并增配驅(qū)動(dòng)輪以后，微耕機(jī)的耕作勻速性提高，操控難度降低，有效提高了機(jī)具的耕作效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度且沒有額外增加機(jī)具的功耗。