基于逆向工程的攪漿刀作業性能界定與關鍵設計參數研究

丁啟朔 呂緒敏 孫克潤 李毅念 何瑞銀 汪小旵

(1.南京農業大學工學院，南京 210031； 2.江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，南京 210031；3.銀華春翔有限公司，連云港 222000)

0 引言

稻作農藝的演變推動了耕作機械設計理論的發展，南方稻作保護性耕作體現在以旋代耕、以旋代耙等技術模式的普遍應用。農機-農藝融合也促成了旋耕觸土部件種類多樣、形態各異的市場狀況。但觸土部件設計理論并未受到足夠關注，各類觸土部件(如旋耕滅茬刀、攪漿刀、深耕刀、起壟刀、開墾刀等)的專用設計理論尚不完善。

經典的旋耕機械設計理論演變復雜，從初期強調觸土部件(旋耕刀)的入土和脫草性[1]發展到刀輥排列[2]等整機優化理論，直到目前對農機-農藝融合的重視，開始強調旱/水田埋草或水旱兼顧的旋耕機設計[3]和兼顧深松(犁旋一體、旋耕深松機)[4]、強調復式作業(旋耕耕整播種一體機、旋耕開溝播種機、免耕播種蓋籽機、苗帶清秸旋耕播種機、空間立體勻播機)[5-7]以及條帶保護性耕作的旋耕及播種機具[8]，涉及到生產領域的諸多方面。

農藝對秸稈還田的要求進一步強化了滅茬和埋草性能的機械設計理論，旱地滅茬[9]、水田滅茬、留茬碎草、免耕碎草[10]、深旋埋草[11]、滅茬起漿等研究成果充分體現了近年來我國耕作研究的理論發展及農機農藝融合深度。盡管如此，在刀具的設計理論層面依然缺乏對不同類別刀具的功能特征描述和關鍵設計參數的定義。

現有的旋耕刀設計理論嚴格界定了其功能屬性和結構特征，功能屬性體現為出入土性和脫草性，結構特征涉及側切刃和正切刃的專用設計和組合[12]。相比旋耕刀，攪漿刀、滅茬刀等觸土部件是近年來農藝創新及產業市場行為的產物，尚未見其嚴謹的設計理論研究。鑒于目前涉及許多的水田耕作研究方向，如水田攪漿平地、深旋埋草、條帶淺旋播種等[13]，因此有必要對各類型專用旋耕類觸土部件進行功能界定和優化設計。

目前，市場上的旋耕刀具種類多樣，如旋耕刀、滅茬刀、攪漿刀、開墾刀、起壟刀等，型號繁雜，因此可以按照生產中的典型機械化農藝(農事)環節對觸土部件進行分類。本文對攪漿和攪漿刀的基本界定如下：水田攪漿(又稱打漿、起漿、刮漿)是機插秧之前的帶水耕耙關鍵作業環節，為水稻機插秧提供表面平整、埋茬完全、土壤軟爛的苗床，這一農藝環節強調觸土部件的攪漿性能，攪漿刀的設計參數應能體現出對應的攪漿功能和專有特征。

逆向工程技術是快速實現從產品獲取關鍵設計參數的現代方法[14-15]，逆向工程已用來顯著提高旱地耕作機械觸土部件作業性能[16-17]。充分發展的攪漿機產業為利用逆向工程技術研究攪漿刀設計理論提供了良好的條件。同時，針對攪漿刀的逆向工程設計理論研究也能夠推動其他各類觸土部件的深入研究，有助于厘清目前旱地/水田旋耕機產品門類繁雜、機具應用方式混亂的現象。本文基于逆向工程技術，在界定攪漿刀專用作業性能的基礎上，研究攪漿刀的關鍵技術參數，同時結合田間試驗對比攪漿刀和旋耕刀在帶水環境中的作業性能。

1 理論分析

1.1 基于逆向工程的攪漿刀結構重建

試驗用攪漿刀選擇連云港蘇連機械有限公司的產品，該型攪漿刀專為水田攪漿機研發配套，起漿性能優良。

逆向工程方法參見文獻[16-18]，所用關鍵儀器和軟件分別為三坐標掃描儀和SolidWorks 軟件(2017版)，通過實體掃描并導入軟件進行造型，獲得虛擬重構的水田攪漿刀，保障模型與實體幾何尺寸的一致性，其刀輥回轉半徑R為195 mm，側切刃起始半徑R0為102 mm，工作幅寬b為35～40 mm，正切面端面刀高h為36 mm，側切刃包角θmax為28.38°。

1.2 刃口輪廓線滑切角分析

圖1所示攪漿刀的外形結構、尺寸與旋耕刀差異顯著，攪漿刀側切刃所在刀面(簡稱側切刃刀面)是一個空間彎折面，而旋耕刀側切刃段是平直刀面。因此攪漿刀的側切刃是一條空間彎曲的3D曲線，這些特征體現出攪漿刀的特殊結構特征。

為簡化分析和對比，首先借用旋耕刀的側切刃滑切角分析法[12,19-20]，采用ANSYS-DYNALIA聯合仿真結合AUTOCAD(2017)軟件計算出攪漿刀在不同旋耕速比λ下水平投影的側切刃靜態滑切角τ0和動態滑切角τk，將攪漿刀與旋耕刀(R245旋耕刀NJ103-75)做對比(圖2)顯示，攪漿刀的靜、動態滑切角變化特征與旋耕刀差異顯著，攪漿刀的靜態滑切角變化范圍是36°～50°，R245旋耕刀的靜態滑切角在34°～49°之間[21]，但二者靜態滑切角變化范圍較為接近(圖2a)。攪漿刀與旋耕刀的動態滑切角差異顯著。作業環境的特殊性決定了攪漿刀側切刃總極徑小于旋耕刀，而且在泥漿作業條件下纏草裹泥矛盾比旱旋更加突出，因此攪漿刀不僅需要小極徑而且還要更大的動態滑切角(圖2b)。另外，攪漿刀的動態滑切角的變化程度也相對平穩。所有這些特征都表明攪漿刀在帶草起漿條件下具備理論上更優的防纏草性能。

上述利用旋耕刀設計理論進行的攪漿刀作業性能分析僅局限于滑切、防纏草等方面，尚不能利用旋耕刀的滑切角設計理論解釋攪漿刀的攪漿性能，因此，必須為攪漿刀設計提出專用的設計參數。

1.3 刃口楔面觸土效應與參數化

攪漿刀模型的典型結構特點是其側切刃刀面是一個空間曲面。鑒于旋耕刀側切刃刀面功能僅為側切刃切入土壤，旋耕刀的設計理論并不討論側切刃刀面的設計參數。但攪漿刀的側切刃刀面的翹曲狀結構必然導致一個楔面入土的效應，即在攪漿刀的側切刃入土過程中，側切刃刀面沿刃口入土的方向形成楔面推擠土壤的效果，因此側切刃刀面的楔面參數必然影響到攪漿刀的攪漿性能。

1.3.1側切刃刃口靜態楔角

攪漿刀側切刃刃口靜態楔角定義為攪漿刀側切刃刀面傾斜入土的角度，即刀具刃口上各點的回轉圓平面與該點處局部側切面的切平面間的夾角。逆向工程技術的方法是沿攪漿刀刃口不同位置將刀身分割成為一組微小刀具，每一微小刀具都呈現出直立或傾斜的角度入土，故可以采用微分法，分別計算出每一微小刀具傾斜入土的角度。

利用SolidWorks軟件分析過程如圖3所示，在簡化處理并略去刃口微觀結構復雜性后，選刃口根部(即側切刃刀面前緣)一點作為起點P0。按照刀具安裝位置明確回轉中心點O，將刀柄安裝孔回轉中心軸Lz與上下兩面中心軸平移至點O得到Lc與Lp。以直線Lp與起點P0作一基準面S0，該基準面S0即為側切刃起點處的回轉圓所在平面。在側切刃起點P0處作一條空間直線D0，使其垂直于側切面。然后通過空間直線D0與點P0作一基準面SP0，基準面SP0為點P0相對于側切面外表面的切面。然后以SP0、S0為基準建立基準軸Lz0，分別于基準面SP0、S0上新建視圖，分別畫直線lp1、l1，使其與軸Lz0垂直。直線lp1、l1的夾角即為刀具刃口靜態楔角(圖3)。

側切刃起點P0可于刀柄與彎曲段尋找，但其余各點的尋找主要是通過構建橫切面獲取，以回轉中心線Lc與側切刃起點P0做一基準面SC0，稱其為橫切面。然后以基準面SC0為基準繪制一新基準面SC1，且經過線中心線Lc，向右側偏轉2.5°。然后同時選中基準面SC1與刃口所在曲面，依次進行工具-草圖曲線-交叉曲線操作，可得到兩個面的一條相交空間曲線D1。則D1與側切刃外側面相交的點為第2個點P1，于點P1處作空間直線D′1垂直于側切面。然后按照點P0所示方法求得靜態楔角(圖4)。

αcn=2.5n

(1)

式中αcn——偏移角，Pn處的橫切面SCn與初始橫切面SC0的夾角，(°)

n——系數，取0、1、2…

1.3.2側切刃刃口動態楔角

靜態楔角是在刀具的靜止狀態計算得到。但是在實際工作中，前進速度是一個重要的影響參數。因此需要考慮攪漿刀在前進狀態下的刃口楔角，稱其為動態楔角。動態楔角可更好地反映在實際作業中攪漿刀側切刃不同位置相對入土角度的變化及其對攪漿擾動質量的實際影響。

利用SolidWorks軟件分析其動態楔角，具體為：在基準面S0上以點O為圓心，以OP0為直徑作回轉圓R0，后將回轉圓進行上下兩側拉伸，薄壁厚度設置為10 mm，薄壁方向指定為朝向回轉中心的方向。然后選中薄壁外圓柱面SR0與面SP0，依次選擇工具-草圖-交叉曲線操作，可得到空間曲線3D-1，此線即為面SR0與面SP0的交線。然后在點P0處作空間直線3D-2，使其與空間曲線3D-1在點P0處相切。然后求得空間直線3D-2與回轉圓在點P0處切線的夾角，即為點P0處的動態楔角(圖5)。

1.4 靜/動態楔角分析

上述攪漿刀楔角分析和刀具幾何的參數化充分反映出攪漿刀與旋耕刀的本質區別。旋耕刀側切刀面是平直刀面，因此，采用楔角理論分析，其靜/動態楔角都為0°。相反，攪漿刀的側切刃刀面在不同位置表現出不同的靜態楔角和動態楔角(圖6a)。

1.4.1側切刃與過渡刃參數分析

圖6b顯示隨著偏移角的增加，攪漿刀靜態楔角與動態楔角均呈現出先增、后減再增加的趨勢。在偏移角為10°時，攪漿刀側切刃刃口的回轉圓與其切平面基本重合，在該處側切刃刀面曲面近似于一平面，側切刃楔角均在20°以下。對比攪漿刀側切刃靜/動態楔角可知，動態楔角總體上小于靜態楔角，二者差值在3°～10°之間。

旋耕刀側切刃各點的楔角為零，僅在過渡刃處開始顯現并逐步增大。攪漿刀與旋耕刀在側切刃與正切刃過渡段(圖6a)逐步接近。說明攪漿刀設計關鍵體現在其側切刃刀面強化的攪漿功能，因此應強化攪漿刀側切刃刀面的合理楔角設計，以加強側切刃刀面的楔面入土橫向攪漿效果。

1.4.2正切刃設計參數分析

按照相同變化的偏移角分析正切刃段，所得數據較少，獲得的正切刃各點靜/動態楔角迅速增加，接近線性變化。但靜態楔角僅高于動態楔角2°～3°，在偏移角30°時，楔角達到70°。攪漿刀與R245旋耕刀在正切刃部分(圖6b)的靜態楔角基本吻合。正切刃的作用主要是切開溝底，攪拌成漿，進一步埋覆秸稈，與旋耕刀農藝要求[22]一致，因此二者的楔角變化也基本一致。

基于逆向工程兩種刀具間的顯著性差異進一步表明，攪漿機作為水田專用的作業機具，必須通過強化的側切刃刀面楔角優化設計才能夠滿足攪漿農藝的專門要求。目前的攪漿機產業雖已長足發展，但攪漿刀的優化設計尚不完善，如何基于其獨有的參數化設計方法實現攪漿作業效果的最優尚需進一步深入研究。

2 攪漿刀作業性能田間試驗

為整體上檢驗上述理論分析的正確性，本文在田間原位和原茬條件下開展臺架對比試驗，檢驗攪漿刀與旋耕刀在水田條件下的作業特性。

2.1 攪漿刀與旋耕刀作業性能對比

田間試驗在泗洪縣石集鄉稻米文化小鎮的試驗田(118.22°E，33.47°N)進行，于2018年5月31日至6月11日進行。試驗地常年稻麥輪作，土壤類型為砂姜黑土[23]，試驗地土壤物理參數如表1所示，土壤緊實度如圖7所示。使用久保田PR688Q型全喂入收獲機對小麥進行橫向收獲，控制留茬高度為40 cm，采用樣框法進行秸稈五點取樣[24-25]，測得秸稈密度為5 882.10 kg/hm2。

表1 試驗地土壤物理參數Tab.1 Soil physical parameters of test site

2.2 測試方法與指標

旋耕作業刀輥轉速控制在150～350 r/min[26]，但水田攪漿作業的刀輥轉速尚未有明確的規范。因此主要進行兩型刀具在不同轉速下的攪漿作業質量對比，將轉速設置為280、348、510 r/min。IT225旋耕刀旋耕參數具體為：刀輥回轉半徑R為225 mm，側切刃起始半徑R0為125 mm，正切面端面刀高h為36 mm，側切刃包角θmax為37°，正切面彎折角β為120°,工作幅寬b為45～55 mm，與攪漿刀在回轉半徑、工作幅寬等參數存在顯著差異。

使用土壤耕作原位綜合測試平臺[27]進行試驗(圖8)，通過控制柜調節牽引電動機轉速和轉向，進而調節旋耕部件前進速度和轉向，以螺旋柱為基準，升降臺車整體結構可精準調節耕深，由牽引電動機(4 kW)提供動力，可牽引測試臺車整體前后移動進行作業，同時進行田間小區化處理。小區尺寸3.6 m×1.5 m，小區之間采用隔水膜包裹的木板隔擋。然后上水泡田并結合當地生產實際控制田面水層高度為5～7 cm。臺車以0.2 m/s的速度穩定前行，以減小前進速度對功耗的影響[28]。

2.2.1攪漿作業深度與穩定性測試

(2)

式中X——測點攪漿深度，cm

n——測點數

攪漿深度穩定性系數U為

(3)

2.2.2工作能耗測試

測試平臺輸出刀輥轉速、扭矩和功耗參數，結合轉速與所測扭矩計算攪漿功耗。

2.2.3攪漿作業后秸稈垂直空間分布測試

試驗前將不同長度的秸稈混勻并手工均勻鋪撒在攪漿測試小區地表，攪漿處理后在每個處理小區內測3個點，每個測點用0.3 m×0.3 m的樣桶隔開，將壓入泥漿中的秸稈空間分布劃分為0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm 3個土層小心取出，將秸稈洗凈并鋪開，采用Digimizer軟件測取3個垂直空間內秸稈每層的長度分布。

2.3 試驗結果及分析

2.3.1攪漿耕深穩定性

表2顯示，IT225旋耕刀在各轉速下的耕深穩定性均優于攪漿刀。由于兩種刀具的正切刃寬幅不同，體現出二者設計參數不同的效果。

2.3.2攪漿扭矩對比分析

表3顯示，相同轉速下IT225旋耕刀的扭矩略高于攪漿刀，但差異不顯著。理論上旋耕刀耕耘阻力隨靜態滑切角的增大而增大[12]，但本文所得結果反映出兩型刀具的滑切角接近，表明滑切角對攪漿功耗的影響較小，這是導致攪漿能耗不同于旋耕能耗的一個因素。攪漿刀的回轉半徑小于IT225旋耕刀，采取“短刀密排”的方式，攪漿刀安裝數量遠高于旋耕刀的安裝數量。刀具數量增多，扭矩功耗也隨之增大[30]。攪漿刀楔角不斷變化，側切刃刀面的楔面入土強化攪漿效應也增大攪漿能耗。但各種效應疊加后的總攪漿能耗尚難于準確界定，這也是本試驗測取刀軸扭矩研究方法的不足之處，尚待進一步探究。

表3 不同處理下的扭矩試驗結果Tab.3 Torque test results under different treatments

2.3.3秸稈垂直空間分布情況

機插秧的合理栽插深度為2～5 cm[31]，要求0～5 cm漿層內秸稈量少。經過攪漿或旋耕作業之后，秸稈及碎茬被掩埋在泥漿中。圖9顯示在280 r/min刀輥轉速條件下，攪漿刀在不同漿層深度的秸稈長度以及數量均小于旋耕刀。攪漿刀處理后秸稈主要集中于5～10 cm深度處。IT225旋耕刀處理的秸稈則主要集中于0～5 cm泥漿層，5 cm以上秸稈較多，且在秸稈分離、清洗過程中，發現大部分長秸稈傾斜分布于0～10 cm泥漿層中。IT225旋耕刀壓茬、脫草性能差，容易纏草，壓入泥漿層中的秸稈會隨著刀具回轉再次被帶入到表層。攪漿刀得益于側切刃的獨特設計和楔角變化，加強了對秸稈的剪切與滑切作用，被圧入泥漿層中的秸稈不會隨著刀具的回轉再次回到表層。已有研究也佐證了水田整地條件下攪漿刀較IT225旋耕刀具有更好的滅茬、埋茬性能，可滿足秸稈還田與水稻插秧的農藝要求[32]。

3 結論

(1)攪漿刀的功能特征體現在其側切刃刀面的楔角和刀面寬度兩方面，具備側切刃刀面楔面結構特征的攪漿刀顯著強化了入土過程的側面攪漿性能。

(2)利用逆向工程方法獲得了攪漿刀的側切刃和側切刃刀面的設計參數，側切刃刀面的靜態、動態楔角及楔面寬度決定側向攪漿的強度，因此是評價攪漿刀性能的關鍵參數。

(3)攪漿作業的關鍵體現在刀具的側切刃刀面攪漿性能，因此，攪漿刀設計理論需要重點探討側切刃刀面的靜態與動態楔角、刀面寬度等參數的優化設計。

(4)原位臺架試驗對比結果表明，相比IT225旋耕刀，攪漿刀功耗較低，0～5 cm漿層內秸稈數量遠低于旋耕刀，埋草質量高，進一步證明了靜態與動態楔角間的差異性及其對攪漿和埋茬效果的顯著影響。