菠蘿帶狀旋耕開溝機刀輥軸設計與試驗

摘要：刀輥作為菠蘿帶狀開溝機的核心部件，其結構和強度是影響開溝效果和質量的重要因素。首先，結合菠蘿種植的農藝要求和農業機械生產指標，對菠蘿帶狀旋耕開溝機刀輥軸進行結構設計，利用SolidWorks2022進行建模。其次，刀輥工作時會受到環境和工況等復雜因素的影響，通過ANSYS Workbench17有限元分析軟件對刀輥模型進行模態分析，得出約束狀態下的前八階刀輥頻率分布及振動位移。最后，以刀輥軸最大工作轉速為因素，振動頻率為評價指標進行田間試驗。結果表明：當軸外徑為74mm、內徑為58mm、行距為500mm、溝寬為260mm時，刀輥模態分析第一階固有頻率為66.778Hz，遠遠大于刀輥軸實際最大工作頻率16.25Hz，確定旋耕機刀輥軸結構符合設計要求。研究結果可在實際應用及生產中降低刀輥的故障發生率，對菠蘿種植農業生產機械化發展研究具有重要意義。

關鍵詞：菠蘿；旋耕機刀輥；SolidWorks；有限元；模態分析

中圖分類號：S222.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0013-08

Design and test of knife roller shaft of pineapple ribbon rotary tillage ditching machine

Sun Peng^{1， 2}， Li Hailiang^{2， 3}， Sun Haitian²， Wang Hongxuan²， Sun Weisheng²， Wang Chun^{1， 2}

（1. "Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China; 2. South Subtropical Crops Research Institute，

Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， 524091， China; 3. College of Mechanical amp; Electrical

Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：

The structure and strength of the knife roll， which is the core part of the pineapple belt trenching machine， are the important factors affecting the trenching effect and quality. Firstly， combined with the agronomic requirements of pineapple planting and agricultural machinery production indicators， the structural design of the knife roller of the pineapple ribbon rotary tillage trenching machine was carried out， and the modeling was carried out with SolidWorks2022. Secondly， the tool roll will be affected by complex factors such as environment and working conditions when it is working. The modal analysis of the tool roll model is carried out by ANSYS Workbench17 finite element analysis software， and the frequency distribution and vibration displacement of the first eight steps of the tool roll under constrained state are obtained. Finally， the maximum working speed of the cutter roller is taken as the factor and the vibration frequency is taken as the evaluation index. The results show that when the outer diameter of the shaft is 74mm， the inner diameter is 58mm， the row spacing is 500mm， and the groove width is 260mm， the first natural frequency of the tool roll modal analysis is 66.778Hz， which is far greater than the actual maximum operating frequency of the tool roll 16.25Hz， and it is confirmed that the structure of the rotary tiller tool roll meets the design requirements. The results of this study can reduce the failure rate of the cutter roller in practical application and production， which is of great significance for the development of agricultural production mechanization in pineapple cultivation.

Keywords：

pineapple; rotary tiller knife roll; SolidWorks; finite element; modal analysis

0"引言

旋耕是農業生產的主要耕作方式之一^［1］，在工作過程中，旋耕機能進行大面積旋耕碎土，效率比犁耙碎土要好。而刀輥軸是完成碎土這一工作的主要核心部件，也是旋耕機的重要組成部件，主要分為中間傳動和側傳動兩種。側傳動輥軸一端與花鍵和齒輪箱連接，另一端通過軸承、軸承座與機架進行連接^［2］。中間傳動輥軸兩端通過軸承、軸承座、花鍵、護板等與機架進行連接，軸中間通過減速器連接^［3］。因為刀輥軸工作所受力主要來自旋耕刀施加的彎曲、扭轉、剪切等的綜合變形，所以刀輥結構是影響工作效果的重要因素。

許多學者對刀輥設計展開大量研究。李明喜等^［4］針對旋耕機刀軸傳統設計方法的不足，結合現代機械化發展，建立了旋耕機刀軸優化設計的數學模型并給出了計算實例。Ashajyothi等^［5］為使秸稈覆蓋式刀軸結構設計合理化，在充分考慮模糊因素的條件下，對刀軸的可靠性靈敏度進行了矩陣分析，利用計算機獲得刀軸設計參數，證明了刀軸橫截面積比傳統的降低39.17%，使用壽命提高560h，秸稈覆蓋率提高至95%。Mauro等^［6］通過集中參數模型來研究數控機床軸，應用模態分析推導出一個線性模型，該模型被用來評估軸的結構件剛度對其第一固有頻率的影響，并將其進一步用于精度、能耗和軸線提示度的分析。庫浩鋒等^［7］為探究刀輥上旋耕刀與土壤間的相互作用機理，通過離散元法證明，當旋耕彎刀采用三頭螺旋線排列時，刀軸受力較小，作業更加安全可靠。楊阿敏^［8］針對刀軸方向多、計算量大的問題，提出擬可行域概念，在此基礎上提出刀軸優化算法框架，用此算法對刀軸設計能提高刀軸使用壽命。閔莉等^［9］為提高五軸數控加工中的加工質量，利用懸臂梁和變形疊加理論，對靜態柔度進行優化，采用微元法計算刀具切削力的大小，建立基于刀具偏離量的刀軸矢量控制模型及算法。

關于刀輥研究有了一定的進展，但多數是針對傳統刀輥研究。帶狀旋耕機與傳統旋耕機的區別在于帶狀旋耕機只針對種植帶進行旋耕整地，降低勞動強度，提高工作效率。目前，關于菠蘿帶狀旋耕開溝機刀輥研究還鮮有報道。因此，本文基于菠蘿種植農藝要求創新設計一種菠蘿帶狀旋耕開溝機刀輥軸，利用SolidWorks2022進行建模，通過ANSYS Workbench軟件進行模態分析，得出刀輥結構特性與振動頻率特性。

1"結構組成及工作原理

刀輥軸是組成帶狀旋耕開溝機的核心部件，主要由軸輥頭、旋耕刀、軸承、旋耕刀座等組成。結合國際現有旋耕刀物理特性參數及優缺點^［10］，選取IT195型旋耕刀，回轉半徑為R為195mm，最大開溝深度可達120mm，可以滿足該菠蘿種植開溝深度要求，如圖1所示。

刀輥采用中間傳動方式設計，軸兩端與刀輥頭連接，中間連接減速器。每條種溝采用三組旋耕刀在軸承上呈螺旋式排列，安裝行距為400～500mm，種溝寬度為200～300mm。工作時帶狀旋耕開溝機通過三點懸掛裝置與拖拉機相連，置于菠蘿栽植裝置前端。在拖拉機驅動力牽引下，動力通過輸出軸傳至減速箱，驅動刀輥軸進行轉動，帶動旋耕刀片與土壤相互作用，完成開溝作業。

2"刀輥設計

2.1"設計農藝要求

根據菠蘿種植的農藝要求，菠蘿苗種植溝寬為200～300mm，大菠蘿苗種植深度為80～100mm，小菠蘿苗種植深度為60～80mm，行間距為400～500mm。在旋耕開溝過程中，旋耕刀只針對條帶菠蘿種植區域進行旋耕作業，旋耕刀只排列在待開溝區域，方向與機組行進方向一致。因此，旋耕破土開溝深度a設計為100mm。

2.2"刀輥軸結構設計

刀輥軸設計主要包括軸承長度、內徑、外徑、旋耕刀安裝等。基于額定功率為73.5kW的雷沃M1004-A輪式拖拉機耕幅確定刀軸長度，通過旋耕機碎土過程中拖拉機功率消耗、旋耕刀切土節距及邊緣速度確定單行區域內一把旋耕刀與土壤相互接觸，直至完成一個周期過程中所受最大阻力Zd，扭矩T。以此為依據，對刀輥軸進行力學分析和強度校核計算，最終確定刀軸內外徑值。

2.2.1"刀軸長度設計

查閱《農業機械設計手冊》可知，與雷沃M1004-A輪式拖拉機配套的是中間齒輪傳動系列旋耕機。在南方地區一般土壤條件下，耕作部件為旋耕彎刀，旱耕深為120～160mm，機組前進速度為2～5km/h，刀軸轉速為252～380r/min時，額定功率與耕幅之間存在以下關系。

B=（0.26～0.29）P₀（1）

式中：

B——工作幅寬，mm；

P₀——額定功率，kW。

計算可得，耕幅為2.2×10³mm。

2.2.2"刀軸內外徑設計

1） "刀軸載荷分布。刀軸承在旋耕開溝工作過程中所受阻力主要來源于旋耕刀所受阻力之和。應根據旋耕刀工作時受力情況，確定刀軸阻力集中位置。選取單行區域內1號旋耕刀為研究對象，1號旋耕刀位置如圖2所示，以旋耕刀與土壤接觸點進行受力分析如圖3所示。

根據國外試驗研究結果發現，旋耕刀所受阻力是刀具回轉半徑的90%^［11］。假設Ns力作用點來源于旋耕刀與土壤接觸點m，則以刀軸為圓心，IT195旋耕刀回轉半徑D1/2為半徑作圓，開溝深度a的水平線與此圓交與A點，作點D使得∠AOD等于θ，則阻力E的作用點位于旋耕刀回轉半徑9D1/20處。從圖3可見，旋耕刀作業觸土時，所受合力Ns可分解為x、y兩個方向上的分力Nx、Ny，根據幾何關系有

α2=arccosD1/2-aD1/2

α1=arccosD1/2-aD1/2-θ

Nx=Nscosα1

Ny=Nssinα1（2）

由此可知，刀軸受力主要來源于旋耕刀所受切削阻力Ns。由于旋耕開溝過程中帶狀旋耕機只針對菠蘿種溝進行旋耕，且刀輥采用中間傳動形式，則1號刀、4號刀和2號刀、3號刀以減速器為中間軸進行對稱排列。旋耕刀位置分布如圖2所示。

2） "刀軸最大阻力與扭矩計算。旋耕機碎土效果比犁耙強，在旋耕過程中所受載荷與功率消耗、旋耕刀切土節距、邊緣速度及環境等相關。功率消耗的影響因素主要包括機組前進速度、作業耕幅、作業深度、土壤堅實度和含水率等^［12］。旋耕刀切土節距指刀輥沿著機組前進方向的縱垂面內相鄰兩把旋耕刀切下的土塊厚度，即縱垂面內相鄰兩把旋耕刀相繼入土時間間隔內機組前進的距離^［13］。旋耕刀邊緣速度是刀輥轉動和機組前進的合成速度^［14］，所以旋耕刀的作業軌跡是呈現周期性變化的余擺線。因此，在以輪式拖拉機為動力輸出條件，裝置進行旋耕作業時，存在關系如式（3）所示。

P=100kτ×a×vm×B75

S=6000/（n×zd）

vb=2πnR60（3）

式中：

P——旋耕功率，W；

kτ——旋耕比阻，取0.6475；

S——切土節距，mm；

zd——

單行小區種溝內一次切土旋耕刀數量取，取1；

vm——機組前進速度，取1m/s；

vb——旋耕刀邊緣速度，m/s；

n——旋耕刀轉速，r/min；

R——旋耕刀回轉半徑，mm。

由于雷沃M1004-A輪式拖拉機的額頂定功率為73.5kW，最大輸出轉速為760r/min，減速箱的傳動比為1/2，所以旋耕刀的最大轉速為380r/min。當旋耕刀入土旋耕開溝時，存在理論旋耕功率和實際旋耕功率。根據式（3）可求得理論旋耕功率為15 501.15W、旋耕刀邊緣速度為7.75m/s、旋耕刀切土節距為157mm。通過查閱《機械工程手冊》，在保證刀輥作業安全的條件下選取合適的安全系數α′=1.5，即實際旋耕功率應為23 251.725W。因此，當旋耕機刀輥進行工作時，單行旋耕刀的工作區域分別只有一把刀入土，一把刀所受阻力N和扭矩T計算如式（4）所示。

zd=Nvb

T=NR（4）

計算可得，當單行區域內一把旋耕刀與土壤相互接觸直至完成一個周期過程中，最大阻力N為3 000.2N，扭矩T為585.04N。

3） "刀軸內外徑校核。以刀軸左半軸1號刀所在位置為例進行分析，當旋耕刀與土壤接觸相互作用時，對旋耕刀對刀軸所施加的作用力進行力學分析，如圖4所示。

當1號旋耕刀入土旋耕開溝時，軸平面受力示意圖如圖4所示。左半軸除了受到兩個向下的約束力F1、F2外，還受到旋耕刀對軸承施加向上的阻力Ns及扭矩T作用。所以根據軸承受力列出平衡方程（5）。

Ns=F1+F2

Ns×800=F1×1100（5）

結合平衡方程（5）和刀軸受力圖可得，1號刀位置當量彎矩M1=559.954N·m，同理2號刀位置所受當量彎矩M2=454.063N·m，二者所受當量扭矩T=351.024N·m。由于1號、2號刀位置和3號、4號位置是對稱分布的，所以刀軸所受危險截面應為L/2處，即2號、3號刀之間，因此危險截面處的當量彎矩為454.063N·m。根據材料屬性，可按經驗方法校核。通過查閱《機械設計手冊》可得，Q235鋼鐵材料的最大許用彎曲應力［δ-1］=40MPa。可根據Mmax和Tmax按第三強度理論計算應力，如式（6）所示。

δ=MW²+4εT2W²≤δ-1

W=πD³321-dD⁴（6）

式中：

M——刀軸所受最大彎矩，N·m；

ε——折合系數，取0.6；

D——刀軸外徑，mm；

d——刀軸內徑，mm；

T——刀軸所受扭矩，N·m；

W——刀軸抗彎截面系數，mm³。

經過理論校核，D≥73.70mm，d≤58mm，即該刀軸是外徑為74mm，內徑為58mm圓筒。

2.3"旋耕刀及刀座的安裝設計

2.3.1"IT195型旋耕刀及刀座

旋耕刀是旋耕刀輥的主要功能部件^［15-17］，常選用GB699中規定的65Mn或者BG1222中規定的60SiMn鋼^［18］進行制造。GB/T 5669—1995中規定四輪或履帶拖拉機牽引的旋耕設備，旋耕刀厚度為10mm，孔徑為13mm，刀柄頂部到孔中心的距離應為30mm，回轉中心到孔的距離應為70mm^［19］。因此，選取IT195型旋耕刀。旋耕刀刀座按照制造工藝分為精密鑄造和焊合兩種，精密鑄造工藝復雜，制造缺陷不好把握。選擇簡單易于操作的焊合刀座，焊合刀座應用GB/T 1519《低合金結構鋼》中的16Mn材料進行制造，IT195旋耕刀及刀座如圖5所示。

2.3.2"軸向間距及安裝夾角設計

刀輥進行工作時，旋耕刀破土撕裂周圍土壤，為防止刀具碎土范圍相互重合，刀座的軸向間距B^*布置應略大于彎刀耕幅b^*，則有

B^*=b^*+Δb

（7）

式中：

Δb——常數，取15～20mm。

在避免旋耕開溝漏耕情況，刀座安裝軸向間距最大可取75mm。刀輥設計為四行開溝模式，單行內采用3組旋耕刀呈螺旋狀排列在軸承上，旋耕刀在軸承固定位置圓周展開如圖6所示。

3"模態分析

刀輥軸工作時所受阻力與旋耕刀耕深成正比^［20］，刀輥作為承受阻力的主要工作部件，工作時易產生振動、受力、變形等情況，直接影響開溝作業質量和機具使用壽命。因此，基于刀輥軸的力學分布、旋耕刀排列規律、強度校核條件下對刀輥軸的振動、受力、變形的分析顯得尤為重要。利用SolidWorks2022進行建模，以step格式另存文件，然后導入ANSYS Workbench17環境進行模態分析，對設計過程中潛在的問題進行預測，證明刀輥結構初步設計的合理性是否滿足相應的要求。

3.1"模型約束與網格劃分

刀輥采用Q235碳鋼管材料制造，屈服強度為235MPa、泊松比為0.25、密度為7 850kg/m³，彈性模量為2.1×10⁵MPa^［21］。在進行有限元分析的過程中，為降低運算量和對電腦配置要求，對刀輥的三維模型進行簡化并進行模型約束，主要是對刀軸L/2處和兩端銷孔進行模型約束，如圖7所示。

現實中，刀輥模型相對較為復雜，而自由網格劃分過程中，對輥軸的幾何形狀沒有要求，因此采用自由網格劃分，劃分成最小邊緣長度為1.518×10^-3，得到203 421個節點，133 645個單元，如圖8所示。

3.2"結果分析

基于網格劃分對刀輥軸進行模態分析，考慮到在開溝時振動的頻率等相對較低，因此只需考慮與這些激振頻率接近的低階固有模態。單擊Solve進行求解后，得到振型圖（圖9）中主要顯示刀輥變形趨勢、變形位移、頻率等。表1是對刀軸前8階振頻變化、最大位移、變形狀態分析結果。根據圖9、表1的結果分析可知，刀輥軸在第1階、第2階變形主要體現在刀輥軸上，且集中在刀輥軸中間部分，分別沿x軸的負方向和y軸負方向發生軸向位移，最大變形位移為x軸負方向偏移7.142 7mm，振型頻率為66.84Hz。第三階開始，刀輥的變形主要體現在旋耕刀葉片上，刀片的偏移方向主要在x、z軸上，其中刀片偏移量最大的是第6階模態，此時振型頻率為143.47Hz，旋耕刀片受力最大，沿z軸正方向偏移，最大偏移量為78.931mm。本次設計的帶狀旋耕機刀輥頻率在4.2～19.5Hz之間。工程設計中通常外在激勵頻率達到1階固有頻率的75%就要引起重視^［22］。

帶狀旋耕機刀輥軸的第一階固有頻率為66.778Hz，該固有頻率的75%為50.08Hz，刀輥軸工作固有頻率遠遠小于模態分析結果，刀輥軸符合工作要求。

4"田間試驗

基于額定功率為73.5kW雷沃M1004-A輪式拖拉機進行田間試驗，通過田間試驗測量刀輥開溝深度、開溝寬度、行距及振動頻率。探究刀輥設計是否符合開溝機設計標準和菠蘿種植農藝要求。

4.1"試驗材料與方法

試驗在廣東省湛江市中國熱帶農業科學院國家土壤質量湛江觀測實驗站（E109°31′，N21°35′）進行，年平均日照時間2 160h，無霜期為350天，年平均氣溫為23.2℃，是典型的亞熱帶季風氣候。供試土壤深度為10cm，含水率為20.8%，土壤密度約為2.3×10³g/cm³，堆積角為32.5°。試驗設備包括雷沃M1004-A輪式拖拉機、帶狀旋耕機刀輥、簽字筆、記錄本、直尺、筆記本電腦等、GS63A-00系統。

通過雷沃M1004-A輪式拖拉機與裝有帶狀旋耕機刀輥連接。為便于試驗數據的測量，機組以速度為0km/h時進行測量，當旋耕刀與土壤相互作用時，保持開溝深度為100mm左右，通過調節拖拉機輸出轉速測量刀輥振動頻率。在試驗過程中刀輥處于高速轉動狀態，為便于測量，分別選取刀輥軸兩端和中間L/2處三個點作為測試點。測得試驗數據無限接近于刀輥振動值，軸兩端以刀輥軸承蓋代替，中間測位點以軸承套作為對象進行測量。此試驗方法測得數值與刀輥實際所受振頻存在細微誤差，可忽略。以刀輥轉速作為變量，振動頻率、開溝深度、開溝寬度、行距作為評價指標進行單因素試驗。取拖拉機輸出轉速為230r/min、300r/min、370r/min，…，790r/min共9組輸出轉速進行試驗。首先，利用GS63A-00儀器測量刀輥振動速率、振動位移；然后，通過數值轉換圖（圖10）轉換成振頻與模態分析結果作對比；接著，利用直尺測量不同轉速下試驗開溝深度、開溝寬度、行距；最后，求取平均值。通過試驗測量數據與菠蘿種植農藝要求對比，觀察是否滿足設計標準和菠蘿種植農藝要求。

4.2"試驗結果

通過田間試驗，測量刀輥振動速率、振動位移后，由GS63A-00系統的數值轉換圖換算結果如表2所示。利用直尺測量不同轉速下開溝寬度、開溝垂直深度和行距，測量結果如表3所示。

由表2可知，隨著拖拉機輸出轉速逐漸增大，刀輥振動頻率和振動位移也呈現上升趨勢，雷沃M1004-A輪式拖拉機理論最大輸出轉速為760r/min。為使刀輥振動頻率無限趨近于實際工作狀況，將拖拉機最大輸出轉速增至790r/min，此時刀輥軸所受最大振動頻率為16.25Hz，遠遠小于模態分析結果50.08Hz。因此，原刀輥結構設計在實際工作范圍內不會發生共振現象，安全可靠，符合設計要求。

由表3可知，隨著拖拉機輸出轉速逐漸增大、機具前進速度不變的條件下，旋耕開溝機開溝深度有逐漸加深的趨勢，這是由于輸出轉速提高，相同時間內旋耕刀與土壤相互作用次數增加導致；開溝寬度和行距略有變化，但變化范圍相對較小，這是因為旋耕刀的排列方式固定條件下，輸出轉速增大，旋耕刀擾動周圍土壤次數增加及測量誤差所導致；另外，考慮到機具進行開溝、種植時，部分土壤回填的情況，開溝深度為117.7mm、開溝寬度為261.4mm、行距為470.8mm，滿足菠蘿開溝種植的農藝要求（60mm≤開溝深度≤120mm；200mm≤開溝寬度≤300mm；400mm≤行距≤500mm），刀輥設計符合設計標準。

5"結論

針對菠蘿帶狀旋耕開溝機刀輥軸進行闡述，基于菠蘿苗的種植農藝要求和額定功率為73.5kW雷沃M1004-A輪式拖拉機進行刀輥軸結構設計。利用有限元分析軟件對刀軸進行模態分析。

1） "基于雷沃M1004-A輪式拖拉機，針對菠蘿種植農業種植機械化和要求，自主設計適用于菠蘿種植開溝要求的旋耕機刀輥軸，對刀輥軸結構、受力等進行分析，最終確定刀輥軸長度為2 200mm，軸承外徑為74mm、內徑為58mm。旋耕刀選用IT195型彎刀，刀輥設計為四行種植開溝模式，單行種溝的旋耕刀由3組旋耕刀呈螺旋狀排列。每組旋耕刀軸向安裝間距為75mm，安裝夾角呈120°，共6把彎刀。行距為400～500mm，開溝寬度為200～300mm。

2） "利用SolidWorks2022對帶狀旋耕開溝機刀輥軸進行建模，基于ANSYS Workbench17進行模態分析，得出第1階模態分析固有頻率為66.778Hz。

3） "通過田間試驗可得出，當帶狀旋耕開溝機刀輥軸轉速逐漸增加時，實際工作振動頻率逐漸增大，當刀輥軸轉速達到實際工作的最大轉速790r/min時，測出最大振動頻率為16.25Hz，遠遠小于模態分析第一階固有頻率的75%，因此，帶狀旋耕開溝機刀輥軸強度符合設計要求。除此之外，對帶狀旋耕開溝機刀輥軸開出種溝進行參數測量，得出開溝寬度為261.4mm、開溝深度為117.7mm、行距為470.8mm，符合菠蘿帶狀開溝種植的農藝要求和開溝機的設計標準。

參"考"文"獻

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