立式旋耕機旋刀系統的設計及受力分析

曹麗芳，張闖闖，張峻暉，劉存祥，趙　皓

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州　450002；2.南陽農業職業學院，南陽　473000；3.河南工程學院， 鄭州　450052)

0　引言

改進傳統耕作方法，推廣保護性耕作， 改善農業生態環境，是當下農業所面對的一個重要問題[1-2]。在保護性耕作中，少耕技術是北方旱作農業區新的耕作技術體系的關鍵技術，應用也越來越廣泛，其原理是深松。深松具有明顯的儲水作用，因不翻動土層，保墑效果也比較好[3-10]。近年來，多有報道適用于南方的粉壟耕作栽培制度也是利用深耕、深松技術，可大幅度增產。這種栽培制度具有強根壯體、增源擴庫的功效，在耕作層截面的底部形成U型槽溝，有效聚集天然雨水，提高了保水防旱的能力[11-13]。為了在糧食作物大田耕作中達到蓄水、節水、保水和保土養地，以及節約資源、保護環境及增產增收的目的，本課題組結合農藝要求設計了一種Y型立式旋耕機，如圖1所示。Y型立式旋耕機主要由懸掛機架、支撐輪轉向機構、傳動系統立和式旋刀系統組成，其工作部件立式旋耕刀系統完成切削土壤。立式旋耕刀耕作種植帶截面上部為U型、下部為I型，命名為Y型截面。上部U型部分實現土壤高度疏松，養分被激活，使作物根系發達，易保壯苗；下部I型部分起到儲水作用；Y截面以外的部分免耕，實現局部地表覆蓋，少耕免耕，達到蓄水保墑及培肥地力的目的。

1.懸掛機架　2.支撐輪轉向機構　3.傳動系統　4.立式旋耕刀系統圖1　Y型立式旋耕機結構示意圖

1　立式旋耕刀系統的設計

1.1　立式旋耕刀系統的結構組成及工作原理

立式旋耕刀系統主要由立式旋耕長刀、立式旋耕短刀、圓盤、脹緊套及開口銷組成，如圖2所示。拖拉機前進時，其動力由動力輸出軸通過雙接頭萬向節傳動軸傳遞給減速器，又通過減速器輸出軸經脹緊套傳遞給立式旋耕刀系統上的圓盤，圓盤帶動立式旋耕長刀和短刀旋轉，立式長刀和短刀切割土壤并使土壤破碎。短刀切割出耕作帶上Y型截面的U型部分，耕作層土壤高度疏松；長刀切割出Y型截面的I型部分，起到深松作用，達到蓄水保墑目的。隨著Y型立式旋耕機在拖拉機的牽引下向前移動，旋耕出Y型截面的耕作帶，耕作帶滿足作物的生長要求。同時，該系統可根據種植作物行距靈活配置立式旋耕刀，實現局部耕作局部免耕要求。

1.立式旋耕長刀　2.立式旋耕短刀　3.圓盤　4.脹緊套　5.開口銷圖2　立式旋耕刀系統示意圖

1.2　立式旋耕刀結構設計

旋耕刀是整個機具的重要工作零件，圓盤帶動旋刀繞中心旋轉，拖拉機又牽引其沿機具前進方向直線行走，使立式旋耕刀在切削土壤時做余擺線運動。

立式旋耕刀的切削刃與豎直方向有一定的偏斜，使其具有滑切作用，從而改善了立式旋耕刀切削土壤的受力狀況。立式旋耕短刀的結構圖如圖3所示。

圖3　立式旋耕短刀結構示意圖

由于圓盤直徑是240mm，為了保證立式旋耕短刀上所有參與切削的點都在直徑240mm的圓周內，運用作圖法求解立式旋耕短刀的結構參數，如圖4所示。立式旋耕短刀的耕作深度為250mm，所以短刀的傾斜角度α1(見圖3)、安裝角λ1(見圖4)的計算公式為

(1)

(2)

圖4　立式旋耕短刀作圖法

同理，立式旋耕長刀的耕作深度為350mm。所以，長刀的傾斜角度α2為9°，安裝角λ2為61°。

2　單把立式旋刀的切向阻力分析

因為立式旋耕刀入土切削過程時間較短，且在整個切削過程所占的比例較小，故立式旋耕刀在穩定切削時的切向阻力特性是本文分析的關鍵。在對立式旋耕刀受力分析時，立式旋耕刀的物理參數對其有著重要影響。在切削土壤時做余擺線運動，設Qi(xi,yi)為立式旋耕刀上的一點，過該點做軌跡方程的切線方程和法線方程，切線方程與X軸相交的角度為βi。立式旋耕刀的物理參數示意圖如圖5所示。

圖5　立式旋耕刀物理參數示意圖

其中，ψ為徑向R與軌跡法線方程的夾角；λ為立式旋耕刀的安裝角；η為切削角；δ為切削刃后角；γ為刃楔角。

根據圖5，可以得到

90°=ψ+λ+η

(3)

η=δ+γ/2

(4)

由此可知：當立式旋耕刀沿著軌跡運動時，安裝角λ與刃楔角γ是不變的，ψ角、δ角和η角都是變化的。

單把立式旋耕刀進行受力分析如下圖6所示。

圖6　單把立式旋耕刀受力示意圖

由圖6得

Fx=Fcos(π-βi)

Fy=Fsin(π-βi)

(5)

式中F—單把立式旋耕刀的切向阻力；

Fx—單把立式旋耕刀切向阻力在x軸上的分力；

Fy—單把立式旋耕刀切向阻力在y軸上的分力。

結合土壤穩定機械理論與計算[14-16]中所建立的動力學模型和性能預測的數學物理模擬方法，進一步分析單把立式旋耕刀的切向阻力。在立式旋耕刀穩定切削土壤時，立式旋耕刀在穩定切削時，切向阻力包括分離土壤的動態切削阻力、擾動土壤團塊產生的擾動阻力和土壤與立式旋耕刀的摩擦阻力；而土壤與立式旋耕刀的摩擦阻力在立式旋耕刀的切向阻力中占的部分很小，可以略去不計，只考慮動態切削阻力和擾動阻力對立式旋耕刀切向阻力的影響。故單把立式旋耕刀的切向阻力的計算公式為

F=F1+F2

(6)

式中F1—單把立式旋耕刀的動態切削阻力；

F2—單把立式旋耕刀的擾動阻力。

動態切削比阻ξF是動態切削阻力的重要衡量參數，與切削速度VT呈線性關系，則

ξF=ξo(1+kvVT)

(7)

式中ξo—靜態切削比阻；

kv—切削速度VT影響系數。

在切削深度h、切削厚度e的面積上，立式旋耕刀切削土壤而產生的動態切削阻力為

F1=ξFhe(θ)=ξo(1+kvVT)he(θ)

(8)

式中e(θ)—與轉角θ對應的切削厚度。

在立式旋耕刀切削土壤時，靜態切削比阻ξo是靜態阻力的重要衡量參數，它與切削角η呈線性關系，則

ξo=ξo(ηo)+ξη(η-ηo)

(9)

式中η0—立式旋耕刀初始切削角度；

ξo(ηo)—在切削角η0時的靜態切削比阻；

ξη—切削角η影響系數。

擾動阻力是在立式旋耕刀切削土壤過程中擾動土壤而產生的阻力，主要是對土壤顆粒產生動能，它與速度的平方成正比，則

(10)

式中c—立式旋耕刀寬度；

ε—土壤的容重；

θ0—切削起始角度；

e(θ0)—與轉角θ0對應的切削厚度。

聯合式(6)～式(10)可得

F=ξo(1+kvVT)he(θ)+

Fx=[ξo(1+kvVT)he(θ)+

(11)

3　仿真分析

3.1　模擬立式旋耕刀的運動軌跡

為了分析立式旋耕刀系統在復合運動下的特性,采用ADAMS10.0仿真軟件對其進行仿真分析。將三維模型導入ADAMS仿真分析軟件中，定義轉動軸、立式旋耕刀的材料為45鋼，定義圓盤的材料為20鋼。圖7為立式旋耕刀系統在ADAMS10.0中的模型。

選取立式旋耕短刀上一點，在立式旋耕短刀的底部切削刃上建立MARKER20、MARKER21；設置立式旋耕刀系統上水平移動副的速度為0.45m/s，方向與x軸同向，圓盤上轉動副的轉速為180r/min，方向為順時針旋轉；設置仿真時間2.0s、步數1 000進行仿真，仿真結束后測量上述兩點的運動軌跡，如圖8所示。

圖7　立式旋耕刀系統在ADAMS10.0中的模型

圖8　立式旋耕短刀上MARKER20、MARKER21的運動軌跡Fig.8　 The vertical rotary short blade motion curves in MARKER20 and MARKER21

圖8中，軌跡2為MARKER20的運動軌跡，軌跡1為MARKER21的運動軌跡。由圖8可得：立式旋耕刀的運動軌跡為余擺線，相鄰兩立式旋耕刀軌跡間的法相截距是周期性變化的，也即切削厚度是周期性變化的。因此，立式旋耕刀在整個切土過程中的切向阻力也是周期性變化的。

3.2　模擬單把立式旋耕刀切向阻力

添加旋刀系統的各個內部約束副，設定旋刀前進平移速度為0.45m/s，轉盤旋轉速度為240r/min，結合土壤參數，在MARKER20點添加Fx和Fy，設置仿真時間為1.0s，步數為1 000步，得到立式旋耕短刀受到的動態切削阻力如圖9所示，擾動阻力如圖10所示，切向阻力如圖11所示，立式旋耕長刀的切向阻力如圖12所示。

圖9　立式旋耕短刀動態切削阻力曲線圖

圖10　立式旋耕短刀擾動阻力曲線圖

圖11　立式旋耕短刀的切向阻力曲線圖

圖12　立式旋耕長刀的切向阻力曲線圖

圖12中，曲線1是立式旋耕長刀的動態切削阻力，曲線3是立式旋耕長刀的擾動阻力，曲線2(與曲線1重疊)是立式旋耕長刀的切向阻力。

由圖12可知：在開始穩定切削的初始階段，動態切削阻力是切向阻力的主要來源；隨著立式旋耕刀繼續切削土壤，切削厚度逐漸減小，動態切削阻力逐漸減小，而擾動阻力逐漸增大；當切削厚度減為零時，動態切削阻力消失，而擾動阻力增為最大；隨著切削厚度由零增大時，動態阻力增大，而擾動阻力則會減少。

4　結論

1)Y型立式旋耕機能滿足種植帶耕作層土壤上部疏松和下部深松的雙重要求。耕作種植帶截面的U型部分土壤疏松，使作物根系發達，易保壯苗；I型部分具有深松儲水的作用，截面以外部分免耕，實現了局部少耕免耕，達到蓄水保墑，培肥地力的目的。

2)對立式旋耕刀系統進行運動學分析，立式旋耕刀上不同點的運動軌跡是一組長短不同的余擺線；對立式旋耕刀系統進行動力學分析，可以得到旋轉刀的切削過程是一個周期性的過程，并對單把立式旋耕刀的切向阻力進行了分析。