旋耕起壟機設計與試驗

謝 斌， 孫紅霞， 毛恩榮， 蒲又禎， 陳燕呢

(中國農業大學 工學院，現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室，北京 100083)

?

旋耕起壟機設計與試驗

謝 斌， 孫紅霞， 毛恩榮， 蒲又禎， 陳燕呢

(中國農業大學 工學院，現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室，北京 100083)

為提高農用機械的教學質量，在現代農業裝備設計與試驗教學中，選定設施園藝用旋耕起壟一體機作為教學對象，進行了設計、仿真、試驗各個環節的訓練。設計階段，依據與電動拖拉機匹配要求，確定了整機方案和參數，并采用Pro/E和ANSYS建立模型，對關鍵部件進行靜力學分析；性能仿真階段，采用LS-DYNA對旋耕刀輥切削土壤的作業性能進行分析，得到旋耕刀輥切削土壤時功率和受力的變化情況；土槽試驗中，分析了影響旋耕起壟機功率消耗的因素，主要有刀軸轉速、機組前進速度、耕深及土壤條件；掛接機組試驗中測得旋耕起壟機消耗的功率，驗證了理論與實測的一致性。

旋耕起壟機； 電動拖拉機； 整體設計； 試驗分析； 低功耗

0 引 言

旋耕起壟機由旋耕機改造而成，廣泛應用于蔬菜、花卉、烤煙等經濟作物的種植中，它具有一次完成旋耕、開溝和起壟作業的特點，效率高、操作靈活，具備良好的動力和作業性能，因此選擇旋耕起壟機作為農業機械課程的教學對象。西方發達國家在20世紀70年代開始研制和推廣適應高產農藝要求的新型農機具，研究合理利用水土資源的作業技術及配套機具[1-2]。如西班牙生產的MAS5型和德國生產的506型手扶無輪式旋耕機[3]。中國對旋耕機的研究初期主要以與手扶拖拉機配套的旋耕機為主。近年來，微耕機及復式或聯合作業機具成為研究熱點，如1GV-200BF型旋耕施肥播種機等[4-7]。本文以復合式旋耕起壟機為教學對象，基于電動拖拉機匹配要求，通過整機設計、土槽試驗及機組掛接試驗，加深教學效果，豐富教學內容。

1 整體結構及傳動系統設計

1.1 單位體積功耗優化設計模型的建立

1.1.1 整機方案

目前小型旋耕起壟機主要分為旋耕刀輥與起壟器組合式和旋耕起壟機一體式。一體式相比組合式旋耕起壟機整體機構質量輕、體積小、結構緊湊。本文選用一體式旋耕起壟機方案(見圖1)。

圖1 一體式旋耕起壟機

1.1.2 單位體積功耗優化設計模型

功率消耗是旋耕起壟機設計的主要考慮因素。影響旋耕起壟機功耗的因素主要包括土壤條件、機組前進速度vm、刀軸轉速n。本文以切土節距S、溝底不平度作為約束條件，以n為優化目標，建立相應數學模型。

(1) 溝底不平度。溝底凸起高度的理論值等于相鄰兩擺線的交點與溝底的距離c，溝底的凸起高度一般小于耕深H的20%[8]。

(1)

式中:R為刀片回轉半徑，mm;vm為旋耕機前進速度，km/h;k為刀軸旋轉角速度，rad/s;Z為同一截面的刀片數;H為耕深，mm。

(2) 切土節距。

(2)

(3) 單位體積功耗目標函數。

(3)

式中，K1、K2、K3、K4為與土壤條件和耕深有關的系數。

以式(1)、(2)為約束條件，式(3)為目標函數，即為單位體積功耗的數學模型。本文主要從刀片刃口弧線、刀片排列方式、傳動系結構及傳動比分配三方面進行優化。

1.2 旋耕起壟機刀輥的設計

旋耕起壟機刀輥是旋耕起壟機的主要工作部件，由刀軸、旋耕刀、起壟刀等組成。其設計的主要內容包括旋耕刀、起壟刀選擇、刀軸設計和旋耕刀排布等。

1.2.1 刀輥的設計參數

(1) 旋耕耕幅的確定。旋耕耕幅的寬度由起壟寬度決定，根據北方一般壟寬的要求為50～60 cm，所以初步取總耕幅B為850 mm。

(2) 旋耕刀片運動參數。旋耕刀片的運動參數主要指旋耕速比λ、耕作深度H。刀輥參數:旋耕耕幅850 mm;旋耕耕深12～18 cm;機組前進速度1.55～3.5 km/h;拖拉機額定功率14.7 kW。為保證旋耕機正常工作及滿足耕深的農業要求，λ>1。

1.2.2 刀片的優化及其排布

為降低旋耕機功耗，本文基于傳統的國標旋耕刀，將旋耕刀回轉平面與機組前進方向適當傾斜一定角度，旋耕刀刃口依舊采用阿基米德螺旋線(見圖2)。試驗表明，斜置旋耕刀功耗平均比國標旋耕刀降低8.65%[9]。

圖2 斜置旋耕刀與國標旋耕刀對比圖

旋耕起壟刀刀片的排布決定了旋耕起壟機的性能，本文采用雙頭螺線型刀片排列方式，刀數滿足數組4n±2=總刀數[10]。其中，n為自然數。

刀片排布如圖3所示。整個軸段上共有兩條螺旋線排列的刀片；相鄰刀片間夾角為40°，即每轉過20°有一把彎刀入土；相鄰兩把彎刀間的周向夾角為180°；相鄰兩刀片的軸向距離大小為50 mm。

圖3 刀片排布圖

1.3 傳動系統設計

傳動方式選用側邊鏈條傳動。旋耕起壟機的傳動示意圖如圖4所示，動力經PTO軸傳遞給旋耕起壟機的減速箱齒輪，經傳動軸傳遞給鏈條齒輪，再由鏈條傳遞給刀軸，帶動刀軸旋轉運動。

圖4 旋耕起壟機傳動示意圖

根據建立的單位體積功耗優化模型，得到n的范圍180～250 r/min，PTO標準轉速為540 r/min，從PTO到刀軸的傳動比為2.25，其中減速箱傳動比i1=1.5;鏈傳動的傳動比i2=1.5。

2 虛擬模型的建立與分析

2.1 三維實體建模

旋耕起壟機整機包括很多零件，在三維建模的過程中采用自下而上的方法，即先分別建立零件模型然后再裝配成整體。整機模型如圖5所示，整機長總1 000 mm左右，高700 mm，寬400 mm。

圖5 整體模型

2.2 關鍵部件的有限元分析

2.2.1 旋耕刀片的靜力學分析

(1) 約束及載荷的施加。旋耕刀通過安裝孔安裝在刀輥上，所以在旋耕刀安裝孔處施加固定約束。將旋耕刀在工作過程中所受到的力轉換為曲面的壓強，然后添加變形進行求解[11-12]。

(2) 結果分析。旋耕刀最大變形發生在離固定約束最遠處及旋耕刀的正切部，最小變形在刀柄處，最大變形為0.000 29 m。應變和應力云圖結果一致，所受應力最大處為安裝孔附近，最大應力為104 MPa。仿真結果表明,刀片的強度設計可靠，在實際生產中往往通過增加刀柄處的彎折角來減小刀背的受力情況。

2.2.2 起壟刀片的靜力學分析

如圖6所示，應力較大的區域出現在刀片安裝孔附近，最大應力為139 MPa，小于其許用應力。刀片變形最嚴重的地方在刀片尾部，最大變形為0.000 67 m。實際運用中可以加大安裝孔附近的強度。

圖6 旋耕刀及起壟刀變形云圖

2.3 旋耕刀輥的動力學分析

LS-DYNA是世界上著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構問題，制造工程的模擬和失效分析等。

設定旋耕刀輥轉動速度n=180 r/min，機組前進速度vm=1.8 km/h，耕深12 cm，在此條件下分析旋耕刀輥與土壤接觸的結果，切削功耗如圖7所示。隨著旋耕刀輥與土壤的接觸，功率消耗不斷增大，變化幅度越來越小，最終逐漸趨于穩定，最大功耗的平均值在1.25 kW左右，功耗較小。

圖7 旋耕刀輥總功率曲線

3 旋耕起壟機及機組試驗

教學中采用兩種試驗方法來驗證旋耕起壟機的性能。土槽試驗用于分析影響旋耕起壟機功耗的因素，機組掛接試驗用于驗證旋耕起壟機與電動拖拉機的匹配性。

3.1 樣 機

旋耕起壟機樣機基本參數如下：配套動力8.82～14.7 kW，尺寸(長×寬×高)為1 025 mm×800 mm×700 mm，整機質量220 kg，刀軸回轉半徑245 mm，耕深12～18 cm，工作幅寬850 mm，壟高20～30 mm，刀軸轉速180～250 r/min，壟數1行。

3.2 機組土槽試驗

3.2.1 試驗條件

智能型土壤機器植物系統試驗臺(簡稱土槽試驗臺)如圖8所示，可以模擬田間工況，對土壤工作部件的性能進行試驗，還可研究土壤參數對工作部件的影響[13-16]。

圖8 土槽試驗臺

旋耕起壟機的切土節距S=60 mm，設定旋耕刀輥轉動速度n為180、200、220、240 r/min，機組前進速度vm為1.2、1.8、2.4、3.0 km/h，耕深為10、12、14、16 cm，分組進行試驗。試驗時的土壤條件為：中等黏土，土壤含水率20%～30%。

分析試驗數據，得到單位體積功耗目標函數中與土壤條件和耕深有關的參數K1、K2、K3、K4。在刀軸轉速n=220 r/min，機組前進速度vm=1.8 km/h時，得:K1=0.052、K2=0.067、K3=5.43、K4=5.56。

3.2.2 試驗結果與分析

(1) 影響動力輸出功率的因素。影響動力輸出功率的因素較多，在不同的試驗條件下測得多組數據，分析得刀輥轉速對動力輸出功率的影響較大，在耕深為12 cm，不同機組前進速度條件下，刀輥轉速與動力輸出功率關系如圖9所示。圖中不同顏色的曲線表示在不同的前進速度下刀輥轉速與動力輸出功率的關系。在耕深和前進速度不變的情況下，轉速的增加，動力輸出功率近似直線增加。機組前進速度1.2 km/h時，動力輸出功率較小。

圖9 刀輥轉速與功率關系曲線

(2) 影響牽引功耗的因素。影響牽引功耗的因素主要有刀輥轉速、機組前進速度及耕深，比較不同試驗條件下數據，得刀輥轉速對牽引功耗的影響較大。在機組前進速度1.8 km/h，耕深12 cm條件下，刀輥轉速與牽引功耗的關系如圖10所示。從圖中可以看出,當轉速增加時，牽引功率也增大，刀輥轉速達到220 r/min后，牽引功率變化幅度較小。

圖10 刀輥轉速與牽引功率關系曲線

3.3 機組掛接匹配試驗

如圖11所示，電動拖拉機主要由72 V驅動電池，電機，減速器，鏈傳動，花鍵軸，變速箱，半軸和車輪等組成。旋耕起壟機通過側邊減速器與電動拖拉機連接。

圖11 機組匹配臺架試驗臺

在空載狀態下，通過控制器控制電機轉速的大小，采用轉速傳感器測量刀輥轉速，電流傳感器測量電機電流。試驗結束后在電腦中得到刀輥轉速，電機電壓、電流、功率等相關數據，如圖12所示。從圖中可以看

圖12 電動拖拉機輸出功率與轉速關系曲線(空載)

出,隨著轉速的變化，功率隨之波動，輸出功率最大為1.6 kW左右。數據波動規律與單位體積功耗優化模型基本相符，說明此旋耕起壟機的單位體積功耗較低，旋耕起壟機能夠與電動拖拉機在功率及轉速上匹配。

4 結 論

(1) 基于單位體積功耗優化模型，對旋耕起壟機進行了設計和關鍵部件優化。通過試驗分析，旋耕起壟機與土槽試驗機組、拖拉機樣機試驗機組匹配良好，驗證了設計的合理性，并取得良好的教學效果。

(2) 結構上，從旋耕刀放置角度、刀片排列方式和傳動系結構及傳動比分配三方面進行優化設計。

(3) 在耕深12 cm，機組前進速度1.8 km/h條件下，由LS-DYNA仿真分析得最大功耗平均值為1.25 kW，由土槽試驗得平均動力輸出功耗為1.91 kW。考慮到土壤對試驗數據的影響，認為仿真結果與試驗數據具有一致性。

[1] 毛 俐．滅茬深松旋耕起壟機的研究[J]．農業科技裝備，2012(3)：23-24.

[2] 王曉梅，劉紅艷，周亞榮．設施農業機械化現狀與發展對策[J]．農業與技術，2009，29(6)：9-10.

[3] 許春林，張曉東，趙大勇,等．大棚整地作業橫起壟器[P]．中國專利，201210512371.4，2012-10-09.

[4] 梁 政．旋耕機改進為旋耕起壟機的設計與制造[J]．現代農業裝備，2008(5)：47-49.

[5] 蔣建軍，謝建明，謝吉先,等．一種旋耕起壟機[P]．中國專利，201220198523.8，2012-05-07.

[6] Yong-Joo Kim, Sun-Ok Chung, Chang-Hyum Choi. Effects of gear selection of an agricultural tractor on transmission and PTO load during rotary tillage[J]．Soil & Tillage research,2013,134:90-96.

[7] 盧 毅，楊福增．微型電動拖拉機的研究與設計[J] ．機械設計,2013，30(3)：82-85.

[8] 周宏明，薛 偉，桑正中．旋耕機總體參數的優化設計模型[J]．農業機械學報，2001(5)：37-43.

[9] 孔令德，桑正中．斜置旋耕刀的研制[J]．農業機械學報，2000(11)：46-48.

[10] 馮培忠．旋耕機刀片的最佳數列排列[J]．江蘇工學院學報，1985(4)：40-49.

[11] 李裕春，時黨勇，趙 遠．ANSYS 10.0/LS-DYNA基礎理論與工程實踐[M]．北京：中國水利水電出版社，2006:200-350.

[12] LEWIS B A. Manual for LS-DYNA soil material model 147[M]．Mclean, VA, USA: Federal Highway Administration Research and Development Turner Fairbank Highway Research Center,2004:9-22.

[13] 李永磊，宋建農，康小軍,等．雙輥秸稈還田旋耕機試驗[J]．農業機械學報，2013(6)：45-49.

Design and Test of Rotary Tillage Ridging Machine

XIEBin,SUNHong-xia,MAOEn-rong,PUYou-zhen,CHENYan-ni

(Beijing Key Laboratory of Optimized Design for Modern Agricultural Equipment, College of Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Rotary tillage ridging machine is selected as the research target in the teach of modern agricultural equipment. The ability of design, simulation and test is trained in this period. In the design process, according to the demand of electric tractor, the machine model is built by Pro/E and the static force of key parts is analyzed by ANSYS. In the simulation process, the operating performance of rotary knife roller cutting soil is analyzed by LS-DYNA. The factors affecting power consumption such as knife shaft speed, forward speed, tilling depth and soil, are concluded from soil test. The power consumption is obtained from hanging units test, the results can prove the consistency of theoretical data and actual data. The teaching is not only enriching the kinds of modern agriultural equipment, but also setting up a good platform for rotary tillage ridging machine dynamic performance analysis and matching tests.

rotary tillage ridging machine; electric tractor; overall design; test analysis; low power consumption

2015-07-09

國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B04)

謝 斌(1973-)，男，四川大竹人，副教授，博士生導師，主要從事農業裝備智能化、電液控制技術研究。

Tel.：010-62736730；E-mail: xiebincau@126.com

S 222.4

A

1006-7167(2016)04-0055-04