可調節埂型水田筑埂機的研究設計

劉明勇 劉亞東 庫浩鋒 陳龍 謝柏林

摘要：針對目前人工筑埂存在勞動強度大、效率低、成本高和筑埂質量不理想等問題，設計一種可調節埂型的水田筑埂機。該筑埂機由動力系統、傳動系統、集土作業總成、壓實成型作業總成和機架等部分組成。闡述其工作原理和關鍵部件設計方法。利用Solidworks軟件建立其關鍵部件的簡化模型，采用離散元和有限元軟件，分別對集土裝置和鎮壓成型裝置進行力學分析。分析結果表明，集土裝置的弧形刀片優化后受到的等效應力小于其許用應力，鎮壓成型裝置的強度和剛度符合要求。

關鍵詞：筑埂機;水田;集土裝置;鎮壓成型裝置;可調節埂型

中圖分類號： S222.5+3 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0245-05

收稿日期：2019-04-08

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2017YFD0701105-03）。

作者簡介：劉明勇（1986—），男，江西九江人，博士，副教授，主要從事農機動力學研究。

通信作者：劉亞東，碩士研究生，主要從事農機動力學研究。

在我國水稻是主要糧食作物。在水稻生產過程中，筑埂是必不可少的步驟。調查發現，我國大多數地區水田筑埂仍采用人工來完成。人工筑埂既耗時又費力，勞動強度大，工作效率低，成本高。所筑田埂堅實性和均勻性差，需要人工進行壓實[1-7]。人工筑埂已不適合現在水田機械化的發展，更不利于我國現代農業的發展;因此，及時有效地修筑田埂是水稻機械化生產的必要條件。

目前，國內外對筑埂機已有了一定的研究成果。1966年，由中國農業機械化科學研究院的周勤就等在西集打埂機的基礎上研制改進設計出來了PZX-3.6型平畦筑埂機[8]，該機是中國歷史上第一臺筑埂機。1976年，東北農學院農機系的蔣亦元等在仿蘇“ZKG”型筑埂機的基礎上成功研制了1ZS-1型懸掛式水田筑埂機，該機結構簡單、體積小、質量輕、筑埂堅固、適應性強、作業效率高[9]。1998年，中國農業大學農機研究所王立臣等成功研制了一種新型的懸掛式田間筑埂機，該機適用于水田的筑埂作業，埂形狀為梯形[10]。2013年，東北農業大學的王金峰等開發出一種懸掛式水田筑埂機，該筑埂機可實現180°翻轉，將田埂拐角處不能修筑的部分修筑完成[11]。2013年，吉林農業大學的趙麗萍等設計了一種新型水田整地筑埂聯合作業機，該機可以進行整地、筑埂或者是整地筑埂聯合作業[12]。國外對于水田筑埂技術的研究起步較早，當今日本和韓國處于世界領先的地位。日本和韓國大多是采用的單面筑埂的作業方式，以拖拉機為動力，質量輕、能耗低、工作效率高，其工作效率比人工高幾十倍[13]。當前我國的水田筑埂機存在功耗較大、磨損嚴重、筑埂成型部分只是表面壓實而內部松散，只能修筑固定埂型不能改變田埂大小，大多數筑埂機只注重整機的實驗開發，缺乏對理論的深入研究等一系列問題。本研究設計了一種可調節埂型的水田筑埂機，該機使用40～60 kW拖拉機為動力，采用三點懸掛連接。整機結構設計合理，可實現快速切削取土，調節埂型的特點，所筑田埂適應性強，不易生長雜草，能夠有效解決人工筑埂帶來的諸多問題，滿足水稻生產機械化發展的需要。

1 整機結構及工作原理

可調節埂型的水田筑埂機主要由機架、懸掛裝置、集土裝置、鎮壓成型裝置、傳動系統、機罩等部件組成，結構如圖1所示。工作前，通過拖拉機驅動控制2個中空柱塞液壓油缸工作，調節好羽片的角度，以達到在筑埂前調節預設埂形尺寸大小的目的。工作時，拖拉機將動力通過萬向節傳遞到主變速箱4，通過2對錐齒輪將動力分別傳遞到左右副變速箱3、6;左右副變速箱3、6再將動力傳遞給左右2個集土輪11。與此同時，左右副變速箱3、6通過傳動鏈箱8內的鏈條將動力傳遞到鎮壓輪的動力輸入鏈輪，從而帶動鎮壓輪9的轉動。左右副變速箱3、6再將動力傳遞給左右2個集土輪11，驅動集土輪11旋轉，以實現旋切土壤的作用;被切削的土壤集中在2個集土輪的中間初步形成土埂，土埂經鎮壓輪作用，最終形成一條堅實光滑的土埂。

2 主要部件的設計

2.1 集土裝置的設計

集土裝置的結構示意圖如圖2所示。

集土裝置是由弧形刀片1和集土輪輪轂2等部分組成。集土裝置包括套裝在集土輪軸上的輪轂和均勻固定在輪轂上的多根弧形刀片，集土裝置的刀片截面為圓弧形，中部凹陷，用于盛裝泥土，切土面刃口較低，便于切削土壤;其輻角α為20°～30°，半徑R為300～350 mm，葉片與輪轂之間的傾斜角角度θ為10°～30°。2個集土裝置對稱布置，所切削的土壤通過弧形刀片的旋轉集中到兩輪中間。由于集土裝置的工作方向與筑埂機的前進方向相互垂直，集土裝置在工作時要考慮切削質量與功率消耗。前進速度過快會導致土壤切削不充分，切削的土壤土塊較大會造成所筑土埂疏松，并且耗能較大。集土裝置的轉速過快會造成所切土壤不能順利排出，導致土壤在弧形刀片內產生擁堵，不能達到堆積土壤的效果，并且可能產生刀片斷裂的危險。

筑埂機在工作時，機體的前進速度為0.8～1 km/h，筑埂機集土裝置的轉速為250～300 r/min。

2.2 鎮壓成型裝置的設計

鎮壓成型裝置為旋轉式，安裝在集土裝置的后面。由于鎮壓成型裝置所筑土埂的橫截面形狀為梯形，所筑土埂需要一定的堅實度。因此，將鎮壓成型裝置按土埂的輪廓外形，設計成由中部鎮壓成型滾筒7、羽片5和彈性壓片6等部分組成。其中滾筒7沿軸向鋪設多根彈性壓片，滾筒兩端環形活動插裝有多根羽片5，中空柱塞液壓油缸4經固定件固定在鎮壓輪軸1上，并通過撐桿8分別與對應的羽片連接（圖3）。

該筑埂機在工作時，當羽片旋轉接觸土埂表層時，羽片向內壓縮，實現對土埂表面的擠壓和拍打，當羽片旋轉脫離土埂表層時，羽片就恢復到了初始狀態，與此同時，滾筒上的彈性壓片隨著滾筒的轉動對土埂的頂部不斷實現拍打。所筑土埂表面堅實光滑，筑埂質量非常好，能有效抑制雜草的生長。通過控制羽片的運動從而改變所筑埂形的尺寸大小，以適應不同地區對土埂規格的要求。

2.3 鎮壓成型裝置的力學分析

為了探究鎮壓成型裝置的作業特性，分析其影響筑埂質量的主要因素，對鎮壓成型裝置進行力學分析。以滾筒的中心為坐標原點，建立所需的空間直角坐標系，鎮壓成型裝置勻速前進完成筑埂作業，圖4為所建立的受力分析圖。鎮壓成型裝置主要受力為機具的牽引力T、土埂頂部對滾筒的接觸摩擦力F1、土埂側面對羽片的接觸摩擦力為F2，M為鎮壓成型裝置的主動力矩。

當鎮壓成型裝置勻速運動時，其平衡方程為：

∑Fx=F1+F2-T=0∑Fy=N1+N2sinθ-G1-G2=0∑Mxoy=M-N1e-F1h-F2l=0F1=uN1，F2=uN2sinθ。（1）

式中：Fx為鎮壓成型裝置沿x軸方向所受力，N;Fy為鎮壓成型裝置沿y軸方向所受力，N;u為鎮壓成型裝置與土壤間的摩擦系數;θ為滾筒與羽片的安裝角;e為N1到y軸的距離，mm;l為F2到x軸的距離，mm;h為滾筒中心到已筑土埂頂部的距離，mm。

為保證鎮壓成型裝置向前滾動的臨界條件為：

M≥N1e+F1h+F2lT≤F1+F2。（2）

選取鎮壓成型裝置的極限摩擦力求解其力矩：

G1=πR21l1ρgG2=πR21l1ρg+2π（R22-R21）sρgF1max+F2max=G1+G2lmax=R2。（3）

將方程組（1）、（3）代入式（2）得

M≥πR21l1ρg（e/u+h+1）+2π（R22-R21）sρgT≤2πρg[R21（l1-s）+R22s]。

將農藝田埂相關參數及鎮壓成型裝置結構參數代入式中，即可求解驅動力矩極限要求。

2.4 機架與罩殼的設計

機架安裝在集土裝置和鎮壓成型裝置的上方，由牽引懸掛架、前機架和后機架等部分組成，與變速箱、鏈條箱、液壓油缸、集土輪、鎮壓輪相連接。機架主要起支撐和連接作用，罩殼可使弧形刀片拋向兩集土輪中間的土壤碰到罩殼后受力而繼續破碎，避免塵土飛揚，改善工作環境，防止飛濺的土塊傷及周圍人群，從而起到安全保護的作用。機架主梁采用邊長為80×80 mm的方鋼管制作而成。罩殼等板類部件由鋼板沖壓而成。三維模型如圖5所示。

3 主要部件優化計算分析

3.1 集土裝置優化分析

3.1.1 集土裝置三維模型的建立 運用Solidworks軟件對集土輪進行三維實體建模，根據集土裝置的功能要求，保留弧形刀片和輪轂，對其他次要部位進行簡化，由于集土裝置的弧形刀片都相同，對其進行有限元分析時只需對其中1個刀片進行分析即可。集土輪簡化模型如圖6所示。將簡化的三維模型以igs格式保存，導入到離散元軟件EDEM中。其中刀片材料為65Mn，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×1011 Pa，泊松比為0.3。

3.1.2 土壤接觸模型及參數的確定 土壤是由氣、液和固體組成的特性復雜的物質。由于土壤中存在一些特殊成分，使得土壤顆粒間存在一定黏結力。本研究參考南方地區土壤的物理性質，選擇Hertz-Mindlin黏結接觸模型，該模型通過某些“黏結鍵”將顆粒黏結在一起，這種黏結方式可以承受一定的法向力和切向力，當運動使其達到最大的法向和切向應力時，顆粒間的這種特殊黏結遭到破壞。該黏結模型與實際條件下土壤破裂相符合[14]。仿真實驗中設定的土壤參數見表1。

3.1.3 仿真計算及結果分析

在離散元EDEM中，本實驗選擇半徑為5 mm的圓球作為土壤顆粒模型，試驗土槽的尺寸為1 000 mm×800 mm×250 mm，生成的顆粒總數為2×105個，設置一定的前進速度和轉速。設置仿真時步為20%、仿真時間為8 s、數據保存間隔時間為0.01 s及網格大小為 5 Rmin（Rmin為最小顆粒半徑）。仿真開始時生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩定后集土輪開始運動，直至仿真結束。生成的離散元仿真模型如圖7所示。

采用有限元軟件，對優化前后的刀片進行結構分析，結果如圖8所示。

圖9為集土裝置弧形刀片在一個工作周期中，不同時段刀片所受到的應力優化前后對比圖。由圖9可知：4.98 s時，弧形刀片開始接觸土壤模型。4.98 s到5.04 s時，弧形刀片與土壤模型作用，刀片受到的應力逐漸增大，在5.04 s時達到最大，在這個過程中弧形刀片起到切削土壤的作用。5.04 s 到5.28 s時，弧形刀片抬升土壤，刀片與土壤模型的作用力逐漸減小，刀片受到的應力逐漸減小。5.28 s到 5.52 s 時，弧形刀片受到的等效應力趨于穩定。

由集土裝置弧形刀片的優化前后分析結果可以看出：優化前， 集土裝置弧形刀片應力最大處發生在彈性壓片與滾筒的連接處，所受到的最大等效應力為452.45 MPa。優化后，集土裝置弧形刀片所受到的最大等效應力為176.82 MPa，集土裝置弧形刀片所用材料為65Mn，65Mn的許用應力為 785 MPa[15]，彈性壓片的最大等效應力小于材料的許用應力，故該鎮壓裝置的強度滿足要求。

3.2 鎮壓成型裝置優化分析

3.2.1 鎮壓成型裝置三維模型的建立

為了避免模型過于復雜，仿真分析耗時較長，因此對模型進行適當的簡化處理。運用Solidworks軟件對鎮壓裝置進行三維實體建模，簡化后的模型如圖10所示。根據實際的工況，采用離散元EDEM進行分析，鎮壓輪材料選用45號鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2.1×1011 Pa，泊松比為0.269。

3.2.2 仿真計算及結果分析

在離散元EDEM中，本試驗選擇半徑為5 mm的圓球作為土壤顆粒模型，試驗土槽的尺寸為2 000 mm×1 200 mm×600 mm，生成的顆粒總數為 4.6×107個，設置一定的前進速度和轉速。設置仿真時步為20%、仿真時間為19 s、數據保存間隔時間為0.01 s及網格大小為5 Rmin。仿真開始時生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩定后鎮壓輪開始運動，直至仿真結束。生成的離散元仿真模型如圖11所示。

采用有限元軟件，對鎮壓成型裝置進行結構分析，結果如圖12、圖13所示。

由鎮壓成型裝置的分析結果可以看出：鎮壓成型裝置羽片變形最大處發生在其最遠端，最大變形量為0.400 58 mm。

由于鎮壓成型裝置選用的是45號鋼，其許用變形量為0.3～1.3 mm[15]，羽片的最大變形量小于材料的許用變形量，故其剛度滿足要求。應力最大處發生在羽片與滾筒的連接處，所受到的最大等效應力為241.91 MPa，45號鋼的許用應力為355 MPa[15]，羽片的最大等效應力小于材料的許用應力，故該鎮壓成型裝置的強度滿足要求。

4 結語

新研制的可調節埂型的水田筑埂機所需的配套動力為40～60 kW·h輪式拖拉機，工作幅寬為1 700 mm，筑埂高度300～400 mm，筑埂頂寬300～400 mm，筑埂底寬600～700 mm，工作速度0.8～1.0 km/h。該新型可調節埂型水田筑埂機可在水稻插秧前的水田上完成一次筑埂成型。

利用Solidworks三維建模軟件建立其關鍵部件的簡化模型，結合離散元EDEM與有限元軟件，對集土裝置弧形刀片進行結構優化，同時對鎮壓裝置進行靜力學分析。結果表明，集土裝置弧形刀片優化后受到的等效應力小于其許用應力，鎮壓輪的強度和剛度符合要求。該機結構具有設計合理、適應性好、筑埂效率高、壓實效果好、取土方便和可調節埂型的優點，且可以根據不同環境調節土埂尺寸規格，所筑土埂堅實光滑，能有效抑制雜草生長。該機能夠實現一次筑埂成型，減少人工修補時間和成本，極大提高作業效率。

參考文獻：

[1]安徽省宿縣地區農機所平地筑埂機課題組. 1PZ-2.4平地筑埂機[J]. 糧油加工與食品機械，1977（6）：31-35.

[2]張道林. 1ZX-1型筑埂機的設計[J]. 糧油加工與食品機械，1998（3）：25-25.

[3]關振君. DTZG-01型稻田筑埂機的設計研究[J]. 農業科技與裝備，2011（10）：20-22.

[4]趙麗萍，何新如，趙清來，等. STZZ1-230型整地筑埂聯合作業機的研制[J]. 農機化研究，2016，38（2）：114-118，127.

[5]趙麗萍，趙清來. 并列雙軸整地筑埂聯合作業機的設計[J]. 農機化研究，2013，35（10）：111-113.

[6]趙麗萍，何新如，徐 杰，等. 水田整地筑埂聯合作業機的試驗研究[J]. 中國農機化學報，2016，37（6）：26-30.

[7]趙麗萍，何新如，楊 丹. 整地筑埂兩用機傳動系統的設計[J]. 湖北農業科學，2016，55（8）：2105-2107.

[8]周勤就，田恒增. 平畦筑埂機的設計研究[J]. 農業機械學報，1966（2）：127-128.

[9]蔣亦元. 水田筑埂機的研究和聚四氟乙烯覆層的應用[J]. 糧油加工與食品機械，1976（12）：1-14.

[10]王立臣. 懸掛式田間筑埂機[J]. 農機試驗與推廣，1999（1）：38.

[11]王金峰，王金武，孔彥軍，等. 懸掛式水田筑埂機及其關鍵部件研制與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29（6）：28-34.

[12]趙麗萍，楊亞洲，劉慶福. 新型水田整地筑埂聯合作業機的設計[J]. 中國農機化學報，2013，34（3）：140-142.

[13]劉百合. 日本水田筑埂機[J]. 農業機械，2010（4）：94-94.

[14]胡國明. 顆粒系統的離散元素法分析仿真：離散元素法的工業應用與EDEM軟件簡介[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2010.

[15]中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2007.