適用于微耕機的旋耕刀研究現狀及展望

林蜀云， 張 佩， 徐 良， 鄧 勇 (貴州省山地農業機械研究所，貴州貴陽 550001)

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適用于微耕機的旋耕刀研究現狀及展望

林蜀云， 張 佩， 徐 良， 鄧 勇 (貴州省山地農業機械研究所，貴州貴陽 550001)

概述了目前我國旋耕刀設計理論發展情況及未來旋耕刀具的發展方向，分析了目前旋耕刀設計中存在的問題，并針對這些問題對旋耕刀的研究生產提出展望。

微耕機；旋耕刀；現狀；問題；展望

1912 年，澳大利亞的亞瑟·克利福德·霍華德利用蒸汽拖拉機帶動鋤頭旋轉，并設計直角型的鋤頭，以提高工作效率，由此旋耕刀的雛形誕生。1920年左右，日本從歐美引進旋耕機改裝進行水田實驗后，發現直角刀不適宜于日本土壤耕作，于是大批日本學者開始致力于旋耕刀的研究，研制出鉈形刀，即旋耕彎刀，成功地解決了刀軸纏草問題，從而使旋耕機在日本得到推廣使用，進一步使旋耕刀在亞洲得到有效推廣。旋耕刀作為旋耕機關鍵工作部件，國內外學者對旋耕刀的受力情況、曲面參數、熱處理工藝等各方面都進行了一定的研究，以此提升旋耕刀耕作性能。

1 旋耕刀研究設計發展

我國是在20世紀50年代引入旋耕刀[1]，筆者通過查閱國內外相關文獻得知，國內對于旋耕刀的設計可大致分為3個時期。第1個時期，傳統旋耕刀核心參數理論設計及分析。目前，可檢索的旋耕刀相關論文最早見于1965年《農業機械學報》，顧乾安在文中對旋耕刀(鉈形刀)[2]的工作條件和情況進行了闡述，并對旋耕刀的刃口曲線理論計算及分析。之后，20世紀八九十年代，國內學者開始對旋耕刀各項參數設計理論及方法進行大量的研究，其中，曲國良等、彭嵩植等、丁為民等對旋耕刀的正切面、側切面的設計參數方程進行推導[3-7]；張性雄[8]提出曲元線掃描對旋耕刀正切面優化，改進設計正切面在保證耕作質量的同時，降低功耗。李紹儉等[9]對旋耕刀側切刃刃口曲線進行設計討論，認為旋耕刀側刃曲線應根據運動參數及植被情況，解析出旋耕刀的刃口參數及刃口形狀，且基于阿基米德螺線改進是比較理想的方法；陳鈞等[10]對旋耕刀曲面形狀參數(滑切角、起土角及偏切角)進行了研究。該時期，我國學者對旋耕刀的各項參數進行了大量的研究，并根據我國的土壤特性參數進行了改進，使其對我國的土壤具有更強的適應性和適用性，我國后期旋耕刀的設計研究均是在這一時期的研究基礎上進行的。

第2個時期，采用三維掃描數字技術設計旋耕刀，并結合現代有限元分析軟件對旋耕刀進行分析及參數優化。早在1985年，朱金華等學者就提出旋耕刀數字化設計[11]，但是由于計算機技術限制，并未有更深入的研究。在20世紀90年代之后，旋耕刀的基礎理論設計基本成熟且研究基本停止。但是隨著計算機飛躍式發展，旋耕刀的設計中也逐步引入計算機相關技術。目前旋耕刀的三維建模多采用UG、Solidworks、Creo進行，但是由于旋耕刀的刃線為多段不同函數的空間曲線，建模難度較高，得出了描點法和參數法2種建模方法。姜年朝等[12]提出了基于NURBS理論的三維模型，這也是描點法和參數法的基礎理論。2000年過后，有限元軟件被大量用于各類仿真和力學分析，一大批學者研究了刀柄的靜態和動態力學分析。葛云等[13]采用ANSYS對旋耕刀進行靜力學仿真分析，認為連接孔出應力集中；王榮等[14]采用ANSYS對R300的旋耕刀進行了靜力學分析，得出其在增大耕深時，刀柄厚度需要大幅度增加；蓋超等[15]通過Solidworks中的COMOS motion模塊對旋耕刀的彎折角進行了優化，提出125°～130°最佳。相比靜力學分析，動力學分析對于研究旋耕刀的受力及工作性能更加具有指導意義。其中，朱超等[16]基于FEM-SPH 耦合算法，采用LS-DYNA971求解器進行土壤切削仿真，仿真結果與實驗結果逼近。雖然動態切土仿真能在一定程度上反映刀具切土性能，但是由于算法、建模、軟件參數設定、實際土壤情況等方面的問題，誤差相對較大，對于實際刀具改進指導意義較小。

第3個時期，仿生學研究表明，生物經過長期的進化，造就了其適應生存環境的優良本領，某些動物長期生活在土壤環境中，已進化出能適應不同土壤環境的種種活動方式，逐步形成了優化的幾何結構和優良的力學功能。賈洪雷等[17]基于仿生學理論，根據鼴鼠腳趾結構曲面參數設計旋耕刀具，指出其能較好地改進切土性能。由于技術難度和實際生產難度，相關研究類文章很少，但是其具有較高的研究價值。

2 旋耕刀研究設計存在的問題

2.1 旋耕刀土壤適應性差現有采用的旋耕刀理論基本都是20世紀90年代提出和研究的，這些設計通用性較強，但是對于一些土壤情況并不能很好地適用，比如貴州地區的土壤板結、重黏性的特性導致目前市面上現有旋耕刀的碎土率、耕深等參數均很難達到農藝要求，需要多次重復性操作，對于微耕機壽命、功耗、時間等具有較大的影響。早期，張性雄[8]針對砂壤土土壤提出了曲元線掃描法形成正切面；陳鈞等[10]通過研究日本典型旋耕刀，提出了通過滑切角、起土角、偏切角3個角度參數優化旋耕刀曲面。目前，市面有的旋耕刀為通用旋耕刀，相對特定土壤類型優化較少。

2.2 針對微耕機幾何參數優化不夠正如前段所述，現有旋耕刀設計理論均是誕生在微耕機推廣之前，旋耕刀研究設計之初均是基于大型旋耕機，而在大面積推廣使用微耕機之后，旋耕刀未經過改動或較小改動便應用于微耕機上，在刀具參數上缺乏優化。實際上旋耕機與微耕機在動力匹配、操作方式以及適用地形方面都存在較大差異，而微耕機本身多應用于西南丘陵山地，而貴州地區土壤以黃壤、黃棕壤為主，其板結、高黏性問題尤為嚴重，所以，應用于微耕機的旋耕刀在針對特定土壤時幾何參數優化不足。

2.3 仿真分析誤差大從前面分析可看出，隨著數字化的三維建模以及有限元分析的使用，大量學者對旋耕刀的建模、靜力學負載分析、動力學分析、刀具曲面等相關幾何參數優化做了較多研究，但是存在較多問題。第一，建模精度不高。以旋耕刀彎刀為例，其刃線為正切刃、過渡刃、側切刃的三段刃線的組合空間曲線，國標中給出的參數難以直接作為建模參數。筆者發現很多研究中的模型與國標規定參數誤差很大，建立出來的模型可用性和精度都有較多問題。第二，靜力學分析參數設定不合理。第三，土壤參數仿真誤差大。

對旋耕刀進行模擬切土仿真分析，由于土壤情況復雜多變，而有限元提供的材料模型為單質均勻材料模型，所以并不能很好地模擬土壤情況，其分析結果對于旋耕刀的設計改進只能作為參考依據。

3 旋耕刀研究生產展望

3.1 刀面理論加強，更符合切土性能雖然早期學者對旋耕刀的刀面做出了深入的研究，對旋耕刀刀面的幾何參數做了優化，20世紀90年代過后，也有很多學者結合先進有限元分析算法及軟件，對刀面部分參數及動力學載荷進行了分析，但是隨著旋耕刀被應用到微耕機上，旋耕刀的優化結果及特定的土壤參數，很多時候并不適用。也有廠家根據比如不同動力源(柴油機和汽油機)對旋耕刀的尺寸等做了一些優化但是對于某些特定土壤使用效果并不好，未來應針對微耕機的動力匹配和部分適用典型土壤以及用戶需求進行優化旋耕刀的參數。

3.2 優化生產工藝根據國標《GB/T 5669—2008 旋耕機械刀和刀座》，我國的旋耕刀采用的是65Mn作為刀具材料，相比國外同等用途材料要好。但是，蘇彬彬等[18]的研究發現，我國刃具的使用壽命遠低于國外同類產品壽命的50%，部分產品甚至低于4%。國產旋耕刀的使用壽命約為80 h，遠低于國外旋耕刀的使用壽命。其主要差別在于刀具生產工藝。目前，國產旋耕刀生產的一般步驟為：扁鋼落料、磨刀口、鍛壓熱成型、鉆孔、淬火及回火、表面處理。筆者在研究國內市場產品發現，很多廠家的刀具并不符合國標生產技術要求，其壽命各生產廠家也區別很大。很多學者研究了旋耕刀的表面強化工藝[19]，但是可行性很低，應用于實際生產的極少。未來，旋耕刀的生產將在成本低、效率高、實用性強等方面優化其生產工藝，提升旋耕刀使用壽命。

3.3 研究仿生學刀具如前文所述，自然界中某些動物長期生活在土壤環境中，已進化出能適應不同土壤環境的活動方式，逐步形成了優化的幾何結構和優良的力學功能。相比目前設計使用的旋耕刀刀具，基于仿生學理論設計出的刀具某些方面的性能更加優良。這就需要提取出動物身上特有的切土力學性能特點，需要長期深入的研究。

4 結語

旋耕刀具作為常用耕作農具上的低質易耗品，國內外學者對其參數做了很多的研究，也形成了較為成熟的設計理論，隨著計算機技術的發展，有限元分析等先進的手段被大量地應用在旋耕刀分析中。但是，應用在微耕機上的旋耕刀與大型旋耕機械上使用的刀具在動力匹配、工作環境尤其土壤情況有很大差異，還需根據土壤情況和微耕機的工作要求改進旋耕刀。

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[19] 李合非，許斌，劉念聰.中錳球墨鑄鐵旋耕刀的熱處理工藝[J].現代鑄鐵，2001(2)：38-40.

Research Status and Prospect on Rotary Blade for Micro Tillage Machine

LIN Shu-yun, ZHANG Pei, XU Liang et al (Guizhou Province Mountain Agricultural Machinery Reaearch Institute, Guiyang, Guizhou 550001)

The development of design theory on rotary blade and the development direction were introduced, the existing problems in current design were analyzed, the prospect of rotary blade production in the future was forecasted.

Micro tillage machine;Rotary blade; Status; Problems; Prospect

中央補助地方科技基礎條件專項基金項目子課題：適應貴州山地的微耕機研制[黔科合條中補地(2015)]。

林蜀云(1989- )，男，重慶人，助理工程師，碩士，從事機械電子工程研究。

2016-08-29

S 224

A

0517-6611(2016)30-0239-02