免耕播種機(jī)破茬圓盤刀設(shè)計(jì)與建模

彭立新，羅紅旗，劉澤豪，王 碩，楊 彪

（北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048）

保護(hù)性耕作是將耕作環(huán)節(jié)減少到既能適時(shí)有效地保證作物生長又能避免破壞土壤結(jié)構(gòu)和作物損壞的耕作方法，免耕是少耕的極限形式，是不經(jīng)任何整地作業(yè)，直接在土壤中開出深度和寬度能滿足種子覆蓋要求的溝中直接播種的耕作方法。免耕播種機(jī)是針對免耕播種技術(shù)開發(fā)的相適應(yīng)的播種機(jī)具，其工作條件是在未翻耙整地的土壤中，避免秸稈作物殘茬造成播種機(jī)的堵塞是保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)，特別是在免耕播種技術(shù)中，設(shè)計(jì)開發(fā)合適的破茬裝置，對于推動保護(hù)性耕作技術(shù)有著重要的作用。

1 破茬裝置的計(jì)算條件

根據(jù)免耕播種條件，特別是在小麥、玉米等根茬的土壤中進(jìn)行免耕播種，破茬是保證播種質(zhì)量的主要因素之一。針對免耕播種機(jī)破茬要求，擬設(shè)計(jì)開發(fā)破茬圓盤刀具，主要有全緣圓盤刀、缺口圓盤刀、鋸齒圓盤刀等結(jié)構(gòu)。全緣圓盤刀易于加工，切割阻力比較小，不利于拋送秸稈，容易產(chǎn)生滑切，對與鋪在田塊面上的秸稈不能產(chǎn)生有效切割。選擇鋸齒圓盤刀進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，選用65 Mn鋼片，刀刃處進(jìn)行表面熱處理，增強(qiáng)耐磨性能，提高使用壽命。

1.1 破茬圓盤刀基本參數(shù)

1.1.1 確定圓盤半徑及入土深度

小麥、玉米的留茬高度一般在100 mm左右，為防止圓盤刀的刀軸在轉(zhuǎn)動時(shí)發(fā)生秸稈及根茬等造成的堵塞，相關(guān)研究表明圓盤刀入土深度為60 mm比較合適，鋸齒圓盤刀的回轉(zhuǎn)半徑越大需要越大的機(jī)架支撐，綜合考慮農(nóng)藝條件以及整體免耕播種機(jī)的結(jié)構(gòu)性能要求，圓盤半徑取值為180 mm，齒高為8 mm，所以齒頂直徑為360 mm，齒底直徑取值344 mm，工作時(shí)鋸齒圓盤進(jìn)入地面深度約60 mm。

1.1.2 確定圓盤刀軸轉(zhuǎn)速

驅(qū)動播種機(jī)前行的拖拉機(jī)的前進(jìn)速度Vm一般為2～8 km/h。鋸齒圓盤刀具利用自身滾動旋轉(zhuǎn)將小麥茬切斷，轉(zhuǎn)速越高對帶鋸本身的切茬處理效果越好，但轉(zhuǎn)速越高刀具磨損越厲害，因而綜合考慮良好的切割性能和經(jīng)濟(jì)效益，在滿足農(nóng)藝作業(yè)要求的條件下，盡可能降低刀軸轉(zhuǎn)速。相關(guān)研究表明，有支承切割可使秸稈獲得抗彎能力，在低速狀態(tài)下也能進(jìn)行有效切割，其切割速度Vs一般為1～2 m/s，在秸稈及根茬水分含量大的情況下切斷率達(dá)到95%左右，能夠滿足農(nóng)藝條件要求，也有利于減少刀具的磨損，鋸齒圓盤刀的旋轉(zhuǎn)速度取為2 m/s。

圓盤刀的厚度可參照農(nóng)具耙片的工作經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

由于設(shè)計(jì)圓盤的直徑D為360 mm，參照標(biāo)準(zhǔn)J163-78，刀刃厚度跟剪切力的正比關(guān)系，同時(shí)考慮到刀刃厚度過小容易造成磨損太快，最后確定圓盤刀厚度δ為6 mm。鋸齒圓盤的齒數(shù)越多，則切割連續(xù)性越好，效果相應(yīng)也更高，但是能耗消耗越多；反之如果齒數(shù)過少，齒間間隙較大，容易造成2個齒之間的秸稈量增加，導(dǎo)致切割困難，綜合考慮選定齒數(shù)為32。

1.2 破茬圓盤刀運(yùn)動狀態(tài)分析

播種帶殘余的秸桿和根茬通過圓盤刀擠壓、剪切和拉伸等被撥動、切斷，秸桿和圓盤刀之間存在摩擦力，為了分析整個播種切茬過程中圓盤刀的運(yùn)動規(guī)律和能量消耗情況，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)狀態(tài)分析。鋸齒圓盤刀在其防堵過程中，圓盤刀繞刀軸作圓周轉(zhuǎn)動，同時(shí)跟隨整個機(jī)組作勻速直線運(yùn)動，因而圓盤刀上任意點(diǎn)的運(yùn)動軌跡都是余擺線形式。

以圓盤刀軸的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，免耕播種機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正向，垂直向下方向?yàn)閥軸正向。設(shè)圓盤刀的最大回轉(zhuǎn)半徑為r，播種機(jī)前進(jìn)速度為Vm，圓盤刀旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，平面示意圖，見圖1。

圖1 圓盤刀平面圖Fig.1 The plan figure of disc cutter

設(shè)圓盤上任一點(diǎn)M的半徑為r，則M點(diǎn)的位移方程為:

γ為M點(diǎn)運(yùn)動軌跡曲線切線與x軸的夾角。播種機(jī)的前進(jìn)速度為2 m/s，圓盤刀直徑為360 mm，則式中r為180 mm，圓盤刀最外圓線速度為2 m/s。

所以其角速度，則圓盤刀外圓上任一點(diǎn)的位移方程為：

可繪制其軌跡曲線，見圖2。

圖2 圓盤刀任意點(diǎn)M的軌跡曲線Fig.2 The trajectory curve of any point M of disc cutter

2 圓盤刀三維建模

利用軟件Solidworks繪制圓盤草圖，根據(jù)農(nóng)藝條件確定鋸齒高度為8 mm，圓盤直徑為360 mm，做輔助344 mm的圓來畫鋸齒，見圖3。根據(jù)前述的鋸齒數(shù)選定為32，則兩鋸齒側(cè)邊的夾角應(yīng)為11.25°，做出鋸齒草圖，見圖4。

圖3 圓盤刀草圖Fig.3 The sketch of disc cutte

圖4 圓盤刀鋸齒草圖Fig.4 The sketch of serration of disc cutter

依據(jù)鋸齒高度及間距參數(shù)，鋸齒線的作圖過程，見圖5。使用“裁剪工具”中的“裁剪到最近端”將多余線條進(jìn)行裁剪，留下需要的鋸齒線，得到單個鋸齒，見圖6。

圖5 鋸齒線Fig.5 The sawtooth Line

圖6 對鋸齒線進(jìn)行裁剪Fig.6 The cutting the sawtooth line

在繪制剩余的31個鋸齒線時(shí)，使用“圓周草圖陣列”功能，以圓心參考點(diǎn)，陳列出其余31個鋸齒線，見圖7。進(jìn)行完上述操作步驟之后，得到需要的破茬圓盤刀的輪廓，接下來對此輪廓進(jìn)行拉伸，通過設(shè)計(jì)計(jì)算已知拉伸的厚度為6 mm，三維圖，見圖8。

圖7 陳列全部鋸齒線Fig.7The showing all sawtooth lines

圖8 拉伸圓盤刀輪廓Fig.8The outline of stretching disc cutter

在圓盤刀建好的實(shí)體模型中進(jìn)行孔的草圖繪制，通過“拉伸切除”等過程，切出安裝傳動軸的孔見圖9，考慮刀安裝工藝要求，對此孔進(jìn)行“倒角”處理，見圖10。

圖9 圓盤刀軸孔Fig.9 The disc cutter shaft hole

圖10 圓孔倒角Fig.10 The round hole chamfer

進(jìn)行螺紋孔的切除，在此操作步驟中先繪制出一個孔的草圖，其余的孔“圓周草圖陣列”陳列出4個孔，進(jìn)行“拉伸切除”，使用“螺紋線”功能，螺紋，見圖11。整體圓盤刀模型，見圖12，在此基礎(chǔ)上配上相應(yīng)連接件就能完成圓盤切茬裝置的三維模型。

圖11 圓盤刀軸孔螺紋Fig.11 The thread of shaft hole of disc cutter

圖12 圓盤刀整體模型Fig.12 The overall model of disc cutter

4 結(jié)語

作為推動保護(hù)性耕作技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，免耕播種機(jī)近年來得到了飛速發(fā)展，機(jī)具基本都采用聯(lián)合作業(yè)方式，一次性完成根茬處理、破土開溝、種肥同施、覆土鎮(zhèn)壓等工序。但由于免耕播種是在未耕田地中進(jìn)行，工作條件惡劣，秸稈覆蓋率高時(shí)容易導(dǎo)致堵塞，圓盤切茬是處理根茬的有效方式之一，通過分析圓盤運(yùn)行特點(diǎn)，建立其三維模型，有利于為根茬有效處理提供支撐。