微耕機刀輥降耗和機具勻速鋼帶驅動的試驗

劉謙文，楊有剛，張 蕾，張義澤

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院， 陜西 楊凌 712100)

0 引言

目前，我國微耕機年產量已經超過150萬臺[1]。對小型微耕機的研究，主要有整機的適應性設計[2-5]、基于強度的零部件優化設計[6-7]、刀具應力應變及刀具切削土壤過程中能量消耗的分析[8-13]、刀具可靠性仿真分析與驗證[14-15]及微耕機的振動等[16-19]。但是，有效降低微耕機刀輥的切土阻力峰值，使機具功耗波動盡可能減小的研究還很少。另外，功率≤4.5kW的小型微耕機，由刀輥切削土壤時的反力驅動機具前進，導致其在不同堅實度的土壤中工作時，前進速度差別較大，機具的操控難度隨之增加。

微耕機是指功率不大于7.5kW、可直接由驅動輪軸驅動旋轉工作部件，主要用于水旱田整地、田園管理及設施農業等耕耘作業的機動耕耘機[20]。針對現有微耕機工作時勻速性差及操控難度大的問題，對某型號小型微耕機增配了鋼帶傳動的驅動輪，并對刀輥進行了改進設計和優化，以減小刀輥的工作阻力和功耗的波動，為微耕機增配驅動系統提供了功率保障。

1 微耕機刀輥的改進

1.1 刀輥簡介

原小型微耕機以功率為1.65kW的汽油機為動力，蝸輪蝸桿減速器作為中間傳動；刀盤數4個，刀片的正切刃寬度30mm，刀輥有效寬度為240mm；刀具為直角刀，由薄鋼板沖壓后折彎正切刃而成；刀片厚度1.5mm，刃口曲線為圓弧。

根據實際生產需要，刀輥改進的技術要求為：

1)機具具有200mm和300mm兩個耕寬供選擇；

2)降低刀輥最大切土阻力和最大功耗，滿足機具增配驅動輪后最大耕寬的功率需要，提高機具工作穩定性。

改進后，300mm耕寬的刀輥，刀盤數由4個增加到6個，刀齒的正切刃寬度由30mm變為24mm，通過拆裝中間的兩個耕寬為50mm的刀盤即可實現300mm與200mm耕作寬度的轉換。為了防止刀間夾土，縮短了刀齒寬度L,刀具厚度增加到2.0mm。改進前后刀輥結構如圖1所示。

1.2 基于比較的刀盤強度分析

對改進前后的刀盤在ANSYS中分別進行靜力分析，原刀盤的強度在實際耕作中已經證明可以滿足使用要求。因此，刀具強度分析時，可以以原刀盤強度為基準判斷改進后的刀盤能否滿足使用要求。靜力分析時，給改進前后的刀盤，施加相同的約束和載荷。刀盤內圈固定，垂直于側切刃施加300N的載荷，沿刀軸方向施加50N的載荷。求解后得到的等效應力云圖如圖2所示。

由結果分析可知：改進前后刀盤的最大等效應力分別為19.30MPa和11.68MPa。改進后刀盤的最大應力比原刀盤小，說明改進設計的刀盤也能滿足實際耕作時的強度要求。

圖1 改進前后的刀輥示意圖Fig.1 The knife roll before and after improved

圖2 改進前后的刀具的等效應力云圖Fig.2 Distribution of the equivalent Von Mises stress for the knife roll before and after improvement

2 改進前后刀輥的切土阻力和功率分析

2.1 有限元模型建立

選擇ANSYS/LS-DYNA自帶的的土壤材料模型*MAT_147(*MAT_FHWA_SOIL)，此模型以Mohr-Coulomb的屈服準則為基礎，用修正的Drucke-Prager塑性模型將土壤近似處理為各向同性材料[21]。在ANSYS/LS-DYNA前處理過程中，土壤幾何尺寸為400mm×350mm×150mm，單元類型為Solid164，網格尺寸為12mm，采用采用掃掠劃分法劃分網格。

該型號微耕機主要用于沙壤土中的除草作業，以此為根據結合西北地區黃棕壤特性選取土壤模型主要參數，如表1所示。

表1 土壤材料主要參數Table1 Material physical parameters of soil

刀具在SolidWorks中完成三維建模，并將格式轉換為parasolid(*.x_t)，在ANSYS/LS-DYNA中進行顯示求解分析的前處理。假設切削過程中刀輥轉速為定值，刀具材料為各向同性線彈性材料，刀具單元定義為solid164單元。為縮短程序的求解時間，省略刀軸，而將同一刀輥上的所有刀盤內圈定義為剛體后，作為一個part處理，用刀具的內圈part模擬刀軸來驅動所有刀盤一起繞Y軸轉動。刀盤材料為65Mn，密度7 850kg/m3,彈性模量為1.96×1011Pa,泊松比為0.3。刀具網格采用自由網格劃分法，網格大小為6mm。改進前后的刀輥簡化實體模型如圖3所示。

2.2 邊界條件及載荷

將刀具定義為接觸面，土壤定義為目標面，接觸方式選擇面面侵蝕接觸(Eroding)。在此類型接觸下，失效單元會被刪除，而剩下的單元依然能考慮接觸。

在土壤模型的底部和兩側，約束其Z方向和Y方向的位移，刀具內圈只保留繞Y軸旋轉的自由度。

刀輥轉速為21rad/s，土壤在X方向的前進速度為0.4m/s,耕深為80mm。

圖3 改進前后的刀輥簡化實體模型Fig.3 The simplified finite element model of knife roll before and after improved

2.3 仿真和結果分析

對前處理生成的K文件進行土壤參數添加和修改后，交由LS-DYNA求解器求解，最后在后處理軟件LS-Prepost中查看結果文件并進行數據分析。

2.3.1 刀具所受切削阻力分析

改進前后的刀輥，與土壤接觸的不同時刻所受合力的大小如圖4所示。由折線圖可知：原刀輥切削土壤過程中所受的最大阻力為1 167.8N，改進刀輥切削土壤過程中所受的最大阻力為585.6N，相比原刀輥降低了49.9%。改進后的刀輥所受最大切削阻力的減小，其原因是刀盤數增加，刀輥上的總刀齒數增加，刀輥在切削土壤過程中不同切土時刻參加切土工作的刀齒數量差別減小，刀輥切土進距減小，切土過程受力較平穩，刀具最大受力因此減小。改進后刀輥切削阻力的減小，利于提高機具的工作平穩性。

2.3.2 刀輥切土功率分析

不同時刻刀輥切削土壤過程中所受的扭矩如圖5所示。刀輥與土壤開始接觸時，扭矩最大。當土壤單元被破壞后，單元失效，扭矩值迅速減小。在刀輥的整個工作過程中，扭矩是不斷變化的，符合刀輥實際工作情況。由數值分析結果可得刀輥功耗的變化曲線，如圖6所示。改進前后刀輥的峰值功率和平均功率，如表2所示。

刀盤切削阻力的減小，使得刀輥所受的扭矩減小，導致切土功率也因此降低。由表2可見：改進刀輥的峰值功率和平均功率分別比原刀輥降低了32.3%和41.5%。改進刀輥峰值功率的減小，表明其功率波動得到明顯改善。

圖4 土壤切削過程中刀輥所受的切土阻力Fig.4 The resistance force of the knife roll during the soil cutting

圖5 切削土壤過程中刀輥所受的扭矩Fig.5 Moment of the knife roll during the soil cutting

圖6 切削土壤過程中刀輥的切土功率Fig.6 The power consumption of the knife roll during the soil cutting

表2 優化前后刀輥的切土功率Table 2 Power consumption of the knife roll before and after improved kW

2.4 新型微耕機驅動系統功率分析

沒有驅動輪的微耕機，前進速度受土壤條件影響較大，耕作勻速性差，機具操控性低。通過對刀輥的進行改進優化，有效降低了切土功率，為現有微耕機增配驅動系統提供了功率保障。改進后機具的結構如圖7所示。

原機具的理論切土功率為[22]

N=0.1KrdVmB

(1)

其中，Kr為旋耕比阻(N/cm2)；B為耕作幅寬(m)；d為耕作深度(cm)；Vm為機組速度(m/s)；Kr=KgK1K2K3K4，Kg為土壤堅實度(N/cm2)，K1為耕深修正系數，K2為土壤含水率修正系數，K3為秸稈殘茬植被修正系數，K4為作業方式修正系數。

根據旋耕機技術參數及相關文獻[22]，取B=0.22m，Kg=16N/cm2，K1=1.0，K2=0.95，K3=1.2，K4=0.7，將數值帶入式(1)得N=0.90kW。

改機后機具的質量m=32kg，設計最大前進速度為υ=0.4m/s，鋼帶傳動的效率取η=0.97，地輪與土壤間的摩擦系數取μ=0.7，過載系數取K=1.5，可求得機具工作時驅動系統的功率[23]為

由表2可知：改進后刀輥的平均功率為0.48kW，比原刀輥平均功率減小0.34 kW，大于驅動系統需要的功率0.13kW(即改進后刀輥節余的功率)，足以滿足驅動系統的需要。

另外，原刀輥的平均功耗為0.88kW，與理論切土功耗0.90kW相近，說明該有限元模型可以用于微耕機刀輥切削土壤的過程仿真，結果可信。

1.扶手架 2.二沖汽油機 3.擋泥板 4.地輪 5.后支架 6.大孔帶輪 7.打孔鋼帶 8.小孔帶輪 9.刀輥 10.減速箱

3 樣機試驗

試驗在西北農林科技大學機械與電子工程學院數字化土槽試驗臺內進行，土壤母質為次生黃土，壤質為粘土，屬于黃土母質上發育的農業土壤[24]。為了驗證加裝地輪驅動系統后，小型微耕機是否能夠正常工作，對改進前后的機具進行對比試驗。原機型的基本參數為：汽油機功率1.65kW，耕作寬度240mm,整機質量25kg，耕深5～15cm，刀軸轉速206r/min；新機型的耕作寬度為200/300mm,整機質量32kg，其他參數與原機型相同。

3.1 試驗條件

機具試驗距離為5m，試驗前用深松鏟對試驗區域的土壤進行松土作業，耕深30cm，模擬此類微耕機實際耕作的土質較松軟的沙壤土，用鐵鍬將深松過的區域處理平整，測得試驗區域的土壤的堅實度為3.72kPa,平均含水率為20.5% 。

試驗時保證機具油門開度基本不變，通過比較試驗時機具實際耕作時間、人工加力的次數及機具出現無法自行前進的次數來說明改進前后機具的功耗情況和操控難度。土槽試驗過程如圖8所示。

圖8 改進前后的機具試驗過程圖Fig.8 The experiment process of the machine before and after improvement

3.2 試驗結果與分析

試驗結果如表3所示。

表3 土槽試驗測試結果Table 3 The test result of the soil bin experiment

由試驗結果可得：在機具的發動機輸出功率基本恒定的情況下，新機型可以正常工作，且耕作時間比原機型工作時間短，說明安裝了改進刀輥的機具增配驅動輪后沒有增加機具的功耗。新型微耕機耕作過程中不需要人為加力，說明機具的操控性提高，可以提高耕作效率，降低人工作業強度。改進后的機具沒有出現無法前進的現象，說明相比原機具有了更好的耕作勻速性。

4 結論

1)在耕深80mm、耕速0.4m/s的條件下，運用ANSYS/LS-DYNA對改進前后的刀輥工作過程進行數值模擬仿真。結果表明：新型刀輥的峰值切土功率和平均功率分別比原刀輥降低了32.3%和41.5%，最大切削阻力比原機具降低了49.9%。新刀輥明顯減小了阻力和功耗波動，為機具增配驅動系統提供了功率保障，也為同類機具類似的研究提供了理論依據。

2)土槽試驗表明：通過對機具刀輥改進設計，并增配驅動輪以后，微耕機的耕作勻速性提高，操控難度降低，有效提高了機具的耕作效率，降低了工人的勞動強度且沒有額外增加機具的功耗。