前置式旋耕破茬機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

趙偉，官蕓蕓，劉玉高，張玉棟，杲明川，胡彩旗

（1.266109 山東省 青島市 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院；2.262500 山東省 青州市 山東康弘機(jī)械有限公司）

0 引言

當(dāng)前，旋耕整地技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水田、煙田、旱地和果園的耕作，不僅可以有效切斷秸稈和根茬，還可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥化肥均勻混合作業(yè)后土碎地平[1-3]。我國生產(chǎn)的拖拉機(jī)極少配有前置懸掛裝置進(jìn)行旋耕破茬作業(yè)，常用的是拖拉機(jī)與后置旋耕機(jī)具配套作業(yè)，為了保證機(jī)組作業(yè)的穩(wěn)定性，拖拉機(jī)前端要加配重，導(dǎo)致機(jī)組質(zhì)量上升、油耗增大，無前懸掛導(dǎo)致拖拉機(jī)使用率和使用效率難以提高，拖拉機(jī)的應(yīng)用范圍受到了一定限制[4-6]。

隨著我國農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化生產(chǎn)的迅速發(fā)展，高效、復(fù)式、聯(lián)合作業(yè)已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)的必然趨勢，增加前懸掛，可增加拖拉機(jī)掛接不同農(nóng)業(yè)機(jī)具的功能，從而使拖拉機(jī)可用的作業(yè)方式和范圍都大大增加,提高整機(jī)效率,做到一機(jī)多用。前置旋耕破茬機(jī)可以和拖拉機(jī)后懸掛機(jī)具同時(shí)作業(yè)，提高生產(chǎn)效率，運(yùn)用靈活，實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)功能。本文提出拖拉機(jī)前懸掛旋耕破茬機(jī)的設(shè)計(jì)，將旋耕破茬機(jī)放置在拖拉機(jī)的前端，既能解決拖拉機(jī)前配重及穩(wěn)定性問題，又能提高拖拉機(jī)的利用率，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的聯(lián)合作業(yè)功能，采用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，采用ADAMS 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，對關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，主要部件滿足工作強(qiáng)度要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

前置旋耕破茬機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要由前置懸掛裝置和旋耕破茬機(jī)組成，旋耕破茬機(jī)通過前置三點(diǎn)懸掛連接在拖拉機(jī)前端。通過發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力傳遞到齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱變速后把動(dòng)力和扭矩傳遞到旋耕刀軸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋耕破茬機(jī)旋耕和破茬作業(yè)。

圖1 前置旋耕破茬機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of front rotary tillage stubble-cutting machine

機(jī)架1 通過螺栓固定在拖拉機(jī)前端，液壓缸2 通過液壓泵、液壓閥、液壓油管與拖拉機(jī)的液壓油進(jìn)出口連接，實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋耕破茬機(jī)的下降及提升。

前懸掛裝置配備前動(dòng)力輸出可使拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得更廣泛更靈活的運(yùn)用，比如：拖拉機(jī)前裝旋耕破茬機(jī)、后裝整地機(jī)、或者后裝播種機(jī)，可使生產(chǎn)效率增加30%到100%。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 懸掛機(jī)架

前懸掛機(jī)架主要由主機(jī)架、下拉桿連接件、上拉桿支座、液壓缸固定銷孔、機(jī)架固定螺栓孔和下拉桿連接軸孔等組成，如圖2 所示。

圖2 懸掛機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Suspension frame structure

相對于后懸掛，前懸掛結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、便于安裝。通過多個(gè)螺栓連接將懸掛機(jī)架固定在拖拉機(jī)前端，通過液壓缸固定銷孔固定液壓缸。上拉桿支座用于連接上拉桿，下拉桿連接件用于連接下拉桿。

2.2 旋耕破茬機(jī)

旋耕破茬機(jī)主要是由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕刀軸、罩殼、旋耕刀和破茬刀等部件組成，如圖3 所示。采用中間傳動(dòng)，在刀軸上交叉安裝旋耕刀和破茬刀，由于旋耕刀和破茬刀的長度不同，刀的形狀不同，入土深度也不同，所以可實(shí)現(xiàn)旋耕和破茬同時(shí)進(jìn)行，旋耕機(jī)主要參數(shù)如表1 所示。

圖3 旋耕破茬機(jī)Fig.3 Rotary tillage stubble-cutting machine

表1 旋耕機(jī)主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of the machine

旋耕破茬機(jī)的功率消耗與旋耕深度、機(jī)組前進(jìn)速度、旋耕幅寬和旋耕比阻等有關(guān)，旋耕功率消耗計(jì)算公式為[7]

式中：a——耕深，m；Vm——旋耕破茬機(jī)的前進(jìn)，m/s；B——旋耕幅寬，m；Kλ——旋耕比阻，N/m2。其中設(shè)置耕深a=0.18 m，旋耕破茬機(jī)的前進(jìn)速度Vm=1.5 m/s，旋耕幅寬=2 m；旋耕比阻取9.312 N/m2[7]，根據(jù)式（1）計(jì)算得前置旋耕破茬機(jī)所消耗的功率N=19.56 kW。

2.3 動(dòng)力傳遞系統(tǒng)

采用以齒輪傳動(dòng)與萬向節(jié)傳動(dòng)配合為主的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，系統(tǒng)傳遞路線如圖4 所示。動(dòng)力首先由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出，進(jìn)入過渡變速箱后，一部分經(jīng)由前動(dòng)力輸出裝置輸出，由齒輪Z1 輸入傳給齒輪Z2 輸出，經(jīng)萬向節(jié)傳動(dòng)軸（旋耕破茬傳動(dòng)總成）傳給前旋耕破茬主變速箱錐齒輪Z3，齒輪Z3 傳給齒輪Z4，Z4 傳給旋耕破茬變速箱，旋耕破茬變速箱帶動(dòng)旋耕破茬刀軸作業(yè)；另一部分動(dòng)力經(jīng)由后動(dòng)力輸出裝置輸出，經(jīng)萬向節(jié)傳動(dòng)軸進(jìn)入后懸掛機(jī)具主變速箱齒輪Z5，齒輪Z5 帶動(dòng)齒輪Z6，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后懸掛機(jī)具作業(yè)。

圖4 動(dòng)力傳動(dòng)簡圖Fig.4 Power transmission diagram

3 前置旋耕機(jī)ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真分析

為了分析前置旋耕破茬機(jī)關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)和受力情況，采用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 進(jìn)行仿真分析，對其有效的工作路徑進(jìn)行模擬。

3.1 仿真模型建立

利用ADAMS 軟件分析前置旋耕破茬機(jī)正常作業(yè)時(shí)上下拉桿的受力和旋耕刀的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。在旋耕刀正切刃上利用點(diǎn)功能繪制相對于刀具的標(biāo)記點(diǎn)，在上下拉桿與懸掛裝置之間分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)副、球副等轉(zhuǎn)動(dòng)副，在旋耕刀軸處設(shè)置相對于機(jī)架的旋轉(zhuǎn)副，整個(gè)裝置與地面之間添加移動(dòng)副。旋耕破茬機(jī)的前進(jìn)速度為0.5～1.5 m/s，取仿真速度為1 m/s。模擬機(jī)具在拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做直線運(yùn)動(dòng)，主要仿真參數(shù)如表2 所示，仿真模型如圖5 所示。

圖5 前置旋耕破茬機(jī)仿真模型Fig.5 Simulation model of front rotary tillage stubble-cutting machine

表2 仿真分析主要參數(shù)表Tab.2 Simulation parameters

3.2 仿真結(jié)果及分析

旋耕破茬機(jī)在正常作業(yè)時(shí)，必須滿足正常作業(yè)的基本條件：

式中：λ——旋耕刀的速度與機(jī)具前進(jìn)速度的比值；Vd——旋耕刀的速度，m/s；Vm——機(jī)具的前進(jìn)速度，m/s。

速比不同，旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡也不同，存在λ<1，λ=1，λ>1 三種情況。只有當(dāng)λ>1 時(shí)，旋耕刀才能滿足向后刨土的條件。3 種速比下刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6 所示。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5669-2008《旋耕機(jī)械 刀和刀座》，旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑取為25 cm，則旋耕刀速度為7.9 m/s，因此，λ>1 滿足正常作業(yè)需求。

圖6 3 種不同速比旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Motion track of three different speed ratio of rotary tiller

前置旋耕破茬機(jī)在5 s 內(nèi)沿水平方向以1 m/s的速度勻速行駛，行駛路程為5 m。仿真分析的旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出，旋耕刀以余擺線的軌跡運(yùn)動(dòng)，因此，本設(shè)計(jì)符合旋耕破茬機(jī)正常工作條件。圖8 為上拉桿、下拉桿在運(yùn)動(dòng)過程中的受力隨時(shí)間變化曲線。由此可以得出旋耕破茬機(jī)在5 s的勻速運(yùn)動(dòng)過程中，上拉桿受到的最大軸向力為3 000 N，下拉桿受到的最大軸向力為12 000 N。可見，在前懸掛裝置中下拉桿承受了主要載荷。

圖7 旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡曲線Fig.7 Track curve of rotary tiller

圖8 上、下拉桿受力曲線圖Fig.8 Force curve of upper and lower rods

4 關(guān)鍵部件有限元分析

根據(jù)上述ADAMS 仿真分析，得到下拉桿承受載荷比上拉桿承受載荷大，因此這里以下拉桿為例采用ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行有限元分析，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性。對導(dǎo)入ANSYS Workbench 中的下拉桿模型定義材料為45#鋼，密度為7 890 kg/m3，彈性模量為209 MPa，泊松比為0.269，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，許用應(yīng)力為355 MPa，采用四面體單元對下拉桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為0.001 m，給予一端固定約束，另一端施加12 000 N 的拉伸載荷。分析結(jié)果如圖9 所示。下拉桿最大變形量為1.220 6 mm，最大應(yīng)力為157.35 MPa，45 鋼的許用應(yīng)力為355 MPa，下拉桿受到的最大應(yīng)力小于45#鋼的許用應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)可靠。

圖9 下拉桿有限元分析Fig.9 Finite element analysis of lower rod

根據(jù)變速箱的設(shè)計(jì)要求及外界因素的影響，傳動(dòng)效率取η=0.8，由式（1）的計(jì)算結(jié)果得旋耕刀所消耗的功率N1=15.64 kW。

結(jié)合表1 和表2，計(jì)算旋耕刀的轉(zhuǎn)矩為

式中：T——刀具所受的轉(zhuǎn)矩，N·m；ω——刀具的回轉(zhuǎn)角速度，rad/s。求得T=672.68 N·m。

刀刃面所受的力為

式中：F——刀刃面的受力，N；B——工作幅寬，m。

求得旋耕刀的工作載荷為F=336.34 N。

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5669-2008 和旋耕刀已有的相關(guān)研究，旋耕刀材料選為65Mn 鋼，其許用應(yīng)力為340 MPa。根據(jù)旋耕刀的工作載荷，在ANSYS Workbench 中對其進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖10 所示。旋耕刀的最大變形量為1.305 2 mm，最大應(yīng)力為102.31 MPa，小于其許用應(yīng)力340 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖10 旋耕刀分析云圖Fig.10 Finite element analysis of rotary tiller

綜上所述，拖拉機(jī)在正常作業(yè)時(shí)，前置旋耕破茬機(jī)關(guān)鍵部件承載能力較強(qiáng)，可靠性較高，符合實(shí)際應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

（1）針對目前拖拉機(jī)前懸掛機(jī)具比較短缺的現(xiàn)狀，本文提出了拖拉機(jī)前懸掛旋耕破茬機(jī)的設(shè)計(jì)與分析，主要包括前懸掛裝置和前置旋耕破茬機(jī)兩部分。前懸掛裝置采用三點(diǎn)懸掛的方式掛接旋耕破茬機(jī)，旋耕破茬機(jī)采用一軸多刀的設(shè)計(jì)方案，旋耕刀和破茬刀同軸交錯(cuò)安裝，由于入土深度不同，可以同時(shí)完成旋耕和破茬兩項(xiàng)作業(yè)，提高了工作效率，同時(shí)也提高了拖拉機(jī)前端的附著性能，改善了作業(yè)條件。

（2）采用ADAMS 軟件對前置旋耕破茬機(jī)旋耕刀有效的工作路徑進(jìn)行仿真模擬，通過仿真數(shù)據(jù)，獲得關(guān)鍵部件的受力情況，然后通過ANSYS 軟件重點(diǎn)對下拉桿和旋耕刀進(jìn)行有限元分析，獲得最大變形量和最大應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。