溫室大棚開溝器刀片的設計

高遠　楊慧

摘要：本課題在小型開溝機基礎上設計一款適合大棚工藝要求的開溝裝置。對開溝刀具和土壤粒子通過數學計算分析其運動，運用土垡單元運動分析土壤粒子在開溝時所受開溝刀具的影響，分析刀具的運動和受力，建立相應的數學模型。并運用有限元對刀具進行靜力學分析，符合工藝要求。

關鍵詞：開溝裝置;運動分析;有限元;靜力學分析

開溝是大棚種植中一道重要的工序，影響著大棚農作物的生長。開溝的位置位于大棚作物的兩側，寬度5-20cm、深度8-20cm。根據開溝農藝要求選擇前置式開溝裝置。開溝裝置的主要部件是刀具、刀軸、刀盤等，其中刀具是主要開溝受力部件。

1.開溝彎刀設計

根據實際作業要求與一些實際作業經驗表明：在正常開溝作業情況下，使開溝質量得以保證，避免開溝裝置過于強烈振動，則應限制開溝刀在重型土壤環境中的作業速度為1.0-2.0m/s，而在黏性土壤環境中的作業速度為3.0-4.0m/s。

開溝裝置的基本參數為：開溝寬度為100mm;開溝深度為200mm;開溝消耗功率為4-6kw;開溝刀具轉速為200r/min左右。

因研究的開溝裝置用于大棚種植，土質較松軟，故選用彎形刀片。由于彎形刀片對土壤的適應性較強，它的特點是切割能力強，有自清作用，不易纏草，而且有一定的翻土能力。刀片材料是用GB699—65規定的65Mn鋼制造，切削部分必須進行淬火處理，淬火區硬度為HRC50～55。旋耕彎刀應用樣板進行檢查，刃口曲線形狀誤差不得大于3mm。

2.開溝刀具的運動學分析與受力分析

2.1刀片運動分析

開溝刀具的絕對運動是自身的旋轉運動與機組的前進運動合成，其運動是擺線。以刀軸旋轉中心為原點建立坐標系，x軸正方向為機組前進方向，y軸正方向向下。R為刀具的回轉半徑，A點為開溝刀端一點，坐標為（0，R）。其運動數學模型為為：

式中：

R--刀具回轉半徑，m;vm---機組前進速度，m/s;

t---機組前進時間，s;ω--開溝刀盤的角速度，rad/s;

對上式進行時間求導，可得出開溝刀上某點A的絕對速度v，其數學模型為：

令μ=? ? ? ，為開溝刀具圓周速度與機組前進速度比值。代入上式有：

2.2刀具的受力分析

開溝刀具在開溝的過程中，土壤受到刀具的沖擊，在刀具正壓力的作用下土壤受到擠壓與壓實。當土壤受到足夠大的力時，將破壞土壤單元垡片與土壤內部的相互作用力和摩擦力，此時刀具將土垡與土壤分離并帶上拋出。

在開溝過程中，主要是由刀具將土壤切割、粉碎并帶出拋灑向兩側。要提高刀具在開溝切削過程中的升土和拋土能力，可適當地增加正切面的面積及適當減小正切面與側面的夾角。

3.刀具的有限元分析

發動機大部分功率為刀具提供動力，因此認為刀具承受發動機全部動力。

刀具受力與發動機關系式為：

P=2FωR/1000

式中：

P---發動機功率，Kw;F---作用在刀具的載荷;

ω---刀具回轉角速度，ω=2πn/60;

n---刀具轉速，r/min;R---刀具回轉半徑。

按常見開溝機功率為5kw，刀軸轉速為200r/min，刀具回轉半徑為290mm。代入上式得：F=214N。因考慮刀具入土時的沖擊影響，載荷取1.5F為：F1=1.5×214=362N。

利用有限元為刀具添加材料、載荷，對刀柄處通孔進行固定約束。對刀具進行網格劃分，由運算結果可知：最大受力處為刀柄部分，最大載荷為181.4MP，遠低于材料的許用應力值，刀具滿足工作要求。最大應力處為刀柄連接孔附近，故斷裂發生在刀柄處，在設計與制造時應注意加強。最大位移為2.075mm，位于刀尖與側切刃處。說明刀尖與側切刃處剛度最差，在制造時要重點對此處提高剛度。最小位移為1×10-3，變形比例為11.44。

由上述可知刀具的強度與剛度滿足開溝要求，在刀具和刀盤連接處是應力集中處，在設計與制造時應重點注意，應避免應力集中;刀刃部分應提高剛度。

參考文獻：

[1]張致遠，陳斌，肖名濤.內偏擺式開溝刀盤裝置的設計[J].南方農機，2019，50（09）：9-10.

[2]馬晨，蒙賀偉，坎雜，戚江濤，王麗紅，孫興祚.葡萄深施有機肥開溝裝置設計及仿真[J].農機化研究，2019，41（12）：7-13+21.

作者簡介：高遠（1997.11-），男，漢，安徽合肥，本科。