壟上滅茬刀優化設計與試驗

郭麗君,畢世英,劉愛萍

(濰坊學院 機電與車輛工程學院,山東 濰坊 261061)

0 引言

滅茬刀是耕整地機械的主要部件之一,多應用于旋耕機、深松滅茬機。滅茬刀安裝在機具刀盤上主動作業,能夠切割根茬、破碎土塊,但現有滅茬刀多存在耕作阻力大、磨損程度高等問題,致使滅茬機具在作業過程中整機功耗過大,長時間耕作使刀具損傷嚴重[1-3]。

多年以來,滅茬機具及滅茬部件一直是耕整機學者研究的主要對象。魏天路等[4]對滅茬刀工作部件進行了多目標模糊優化,使滅茬刀的作業性能得到較大改善。趙大勇等[5]設計了1ZQHF350/5型前后分置懸掛式聯合整地機,使滅茬機具由單一功能向多功能方向發展,且作業性能優良。趙艷忠等[6]設計了帶狀滅茬機的滅茬部件,并對滅茬部件進行優化,使整機的耕深穩定性及滅茬率有所提高。林靜等[7]設計了深松滅茬旋耕起壟聯合作業機,在深松的前提下對根茬土塊進行破茬,且作業集多功能于一體。王瑞麗等[8]設計了秸稈深埋還田開溝滅茬機,將秸稈深埋于地下,并對根茬進行破茬,解決了秸稈、根茬覆蓋地表的問題。付乾坤等[9]設計了玉米滅茬起壟施肥播種機,將滅茬功能運用到播種機上,機具一次性完成滅茬起壟耕整地作業及播種作業,但在作業中滅茬刀往往損傷,強度不足。

本文以降低滅茬刀耕作阻力及提高滅茬刀作業效果為目標,采用理論分析與有限元相結合的方法優化設計了一種L型滅茬刀,并針對壟作特點對刀輥的排布進行設計。同時,進行田間試驗驗證了滅茬刀的作業效果,旨在為農業機械部件的設計與優化提供相應的參考。

1 滅茬刀作業機理與總結結構

本文優化設計了一種L型滅茬刀,并針對壟作特點確定了刀輥的排布,如圖1所示。

1.滅茬刀刀軸 2.滅茬刀刀盤 3.滅茬刀

滅茬刀正轉(滅茬刀旋轉方向與拖拉機前進時車輪方向相同[10]),滅茬刀安裝在刀盤上,刀盤焊接在刀軸上。作業過程中,刀軸與刀盤隨著機組向前運動的同時,刀盤與刀軸繞自身轉動,因此滅茬刀做平面運動,運動軌跡為余擺線。耕作過程中,滅茬刀由拖拉機輸出軸帶動,高速旋轉,對土塊及根茬進行切割,并向后拋撒,實現土塊和根茬的破碎。滅茬刀輥部分參數如表1所示。

表1 滅茬刀輥技術參數表

1.1 滅茬刀正切刃設計

L型滅茬刀主要分為兩部分,分別為正切刃和側切刃。滅茬刀在切割根茬和土塊時,由正切刃和側切刃的配合完成作業。其中,正切刃的切割是影響滅茬刀作業效果的關鍵[11-12],設計為直線型,長度120mm、寬25mm、厚度8mm。對正切刃切割根茬時受力分析,如圖2所示。

圖2 滅茬刀正切刃切割根茬受力示意圖

F為滅茬刀正切刃切割根茬時根茬對滅茬刀的反作用力。設滅茬刀隨機組沿x軸移動,滅茬刀順時針旋轉,則θ為滅茬刀的滑切角[12-14],力F在滅茬刀對根茬作用的切向(τ軸)和法向(n軸)上可分解為Fτ和Fn,滅茬刀正切刃對根茬的切向摩擦力為Ff,則

Ff=μFn

(1)

Fn=Fcosθ

(2)

Fτ=Fsinθ

(3)

μ=tanφ

(4)

式中μ—滅茬刀與根茬的摩擦因數;

φ—根茬的摩擦角(°)。

若滅茬刀正切刃在切割根茬時根茬不發生滑移,則約束條件為

Ff≥Fτ

(5)

將式(1)～式(4)代入式(5)得

μFn≥Fsinθ
Ftanφcosθ≥Fsinθ
φ≥θ

(6)

若滅茬刀正切刃切割根茬時切割狀態穩定,需滿足滅茬刀正切刃的滑切角小于或等于根茬的摩擦角。由文獻[15]可知,根茬的摩擦角在16.7°～42.2°范圍內,因此對角度取整,初步確定L型滅茬刀正切刃的滑切角在0°～16°范圍內。若滅茬刀正切刃滑切角較小,則滅茬刀正切刃的砍切力、切割阻力較大、根茬對滅茬刀正切刃的沖擊均較大,滅茬刀易受損傷;若滅茬刀的正切刃滑切角較大,滅茬刀正切刃會產生一定的滑切作用,切割阻力減小(由于滑切相對砍切省力[16-18]),根茬對滅茬刀正切刃的直接沖擊力也減小,可以降低滅茬刀正切刃的過度受損傷,但滑切角越小,滅茬刀正切刃切割根茬的狀態越穩定。

1.2 滅茬刀側切刃設計

滅茬刀在作業過程中,正切刃主要對根茬切斷,但對于根茬和土塊的粉碎主要靠側切刃的劈裂,同時對土壤進行翻垡時側切刃也起到重要作用。因此,側切刃的性能是影響耕整地效果及粉碎根茬的關鍵,側切刃設計為長度55mm、寬度25mm、厚度8mm,與正切刃圓弧過渡,側切刃切割根茬時受力如圖3所示。

N為滅茬刀側切刃切割根茬時根茬對滅茬刀的反作用力。設滅茬刀逆時針旋轉,則α為滅茬刀的滑切角[12],力N在滅茬刀對根茬作用的切向(τ軸)和法向(n軸)上可分解為Ft和FN,滅茬刀側切刃對根茬的切向摩擦力為f,則

f=μFN

(7)

FN=Ncosα

(8)

Ft=Nsinα

(9)

μ=tanφ

(10)

若滅茬刀側切刃在切割根茬時滅茬刀與根茬產生相對運動(滑切),需滿足滅茬刀側切刃對根茬的切向力大于或等于根茬對滅茬刀的摩擦力。滅茬刀側切刃切割根茬受力示意圖如圖3所示。圖3中,Ft為滅茬刀側切刃對根茬切向力的反作用力,f為根茬對滅茬刀摩擦力的反作用力,則

f≤Ft

(11)

將式(7)～式(10)代入式(11)得

μFN≤Nsinα
Ntanφcosα≤Nsinα
φ≤α

(12)

若滅茬刀側切刃切割根茬時產生相對運動(滑切),需滿足滅茬刀側切刃的滑切角大于或等于根茬的摩擦角。與1.1節相同,由文獻[15]得知,根茬的摩擦角在16.7°～42.2°范圍內,觸土部件最優滑切角在47°～68°范圍內,確定L型滅茬刀側切刃的滑切角在47°～68°范圍內。若滅茬刀的側切刃滑切角較小,滅茬刀側切刃的砍切力、切割阻力較大、根茬對滅茬刀側切刃的沖擊力均較大,滅茬刀側切刃易受損傷;若滅茬刀的側切刃滑切角較大,滅茬刀的滑切作用明顯增強,砍切作用減弱,切割阻力減小,根茬對滅茬刀側切刃的直接沖擊力減小,降低了對滅茬刀側切刃過度受損傷,但滑切角較大時易產生滅茬刀切割不完全或漏切現象。

圖3 滅茬刀側切刃切割根茬受力示意圖

1.3 滅茬刀彎折角設計

影響滅茬刀作業性能和作業效果的主要參數為正切刃滑切角和側切刃滑切角,介于正切刃與側切刃之間,滅茬刀的彎折角也影響著滅茬刀的作業性能與作業效果。為了避免在作業過程中土壤、根茬、秸稈等粘附在滅茬刀上,滅茬刀彎折角φ一般設計為大于或等于90°,如圖4所示。

圖4 滅茬刀彎折角示意圖

依據設計經驗及文獻[19],滅茬刀彎折角一般在90°～130°范圍內。

1.4 滅茬刀輥設計

參考文獻及壟作特點(壟距650～700mm,壟臺325～350mm),將刀輥的幅寬確定為325mm。為了保證強度,刀盤厚度確定為12 mm,半徑確定為150mm,材料為Q235綱,整個刀盤安裝4把滅茬刀,采用螺栓連接。為了便于安裝,刀軸外徑確定為70mm,長度確定為540mm,材料為Q235綱,與刀盤無縫焊接;刀軸分布4個刀盤,間距為92.33 mm。

2 仿真優化設計

為了進一步對滅茬刀結構參數確定,采用多因素試驗方案在有限元軟件ABAQUS中對滅茬刀切割土壤作業進行運動學仿真,確定出最優滅茬刀正切刃滑切角、側切刃滑切角及彎折角參數。

2.1 因素水平及指標確定

由滅茬刀作業的理論分析可知:滅茬刀正切刃滑切角、側切刃滑切角、彎折角是影響滅茬刀作業性能的關鍵因素。因此,確定有限元仿真試驗因素為滅茬刀正切刃滑切角、側切刃滑切角、彎折角,所選各因素水平范圍與理論分析中保持一致:正切刃滑切角X(0°～16°)、側切刃滑切角Y(47°～68°)、彎折角Z(90°～130°)。滅茬刀所受應力和滅茬刀剪切彈性應變為評價指標,衡量滅茬刀的作業性能與損傷程度,采用三因素三水平正交試驗法[20],共實施9組試驗。依據文獻[20],確定本次有限元仿真試驗的試驗因素及試驗水平編碼表,如表2所示。

表2 因素水平編碼表

2.2 滅茬刀與土壤模型

為優化滅茬刀參數,以L型滅茬刀為例(每個刀盤安裝4把滅茬刀),在有限元軟件ABAQUS中對滅茬刀作業過程建模,進行滅茬刀切割土壤的運動學仿真。

2.2.1 土壤本構模型

針對土壤的彈塑特性,仿真中采用ABAQUS軟件中的Druck-Prager作為土壤本構模型,其屈服準則為[21]

(13)

式中I1—第一應力不變量;

J2—第二偏應力不變量;

β、k—正常數。

將土壤各部分的含水率、密度、硬度等物理參數視為一致,忽略田間土壤的復雜多樣性,參考文獻[22-23],土壤的主要參數如表3所示。土壤模型設置為長600 mm、寬400 mm、高250 mm,并劃分為六面體,如圖5所示。

表3 土壤參數表

2.2.2 滅茬刀有限元模型

為了提高仿真的效率,簡化滅茬刀輥的仿真模型,選取單組刀盤進行仿真,滅茬刀有限元模型如圖6所示。在CATIA中進行三維建模,保存為stp格式并導入ABAQUS軟件中,密度設置為7 850kg/m3,彈性模量為2×1011Pa,泊松比為0.3。刀盤網格劃分為六面體,滅茬刀網格劃分為四面體。

圖6 滅茬刀仿真模型

2.2.3 載荷

在滅茬刀的約束中,刀盤和4把滅茬刀約束為同步,設置為平面運動(隨同機組平動和繞自身的轉動),平動沿x軸負向,速度設置為1 m/s,轉動繞刀盤中心(y軸),轉動的角速度設置為40.25 rad/s。在土壤模型的約束中,對土壤的下底面、左側面、右側面進行完全固定約束,設置為U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0(U為移動速度,UR為轉動速度),如圖7所示。

圖7 仿真模型載荷設置

2.2.4 滅茬刀切削土壤仿真

相互作用時間設置為1s。滅茬刀在對土壤切割過程中,土壤發生彈塑性變化和剪切破壞,仿真過程如圖8所示。

3 仿真優化設計結果與分析

3.1 優化設計結果

每組試驗重復3次,對分析步中選中的滅茬刀片進行歷程輸出,輸出指標為滅茬刀的應力和剪切塑性應變。應用Design-Expert8.0.6軟件,采用三因素三水平L9(34)正交表分析試驗結果,如表4所示。

圖8 滅茬刀仿真過程圖

表4 正交試驗結果與極差分析

續表4

由表4可以得到滅茬刀正切刃滑切角、側切刃滑切角、彎折角對滅茬刀作業時應力和剪切彈性應變的影響,各數值均較小,不影響滅茬刀的正常作業;但為了降低滅茬刀的耕作阻力,減小滅茬刀作業過程中的損傷,取應力和應變較小值對各因素進行優化。由極差分析得到應力和應變最小值時,確定各因素為:正切刃滑切角16°,側切刃滑切角68°,彎折角110°。影響滅茬刀作業過程中應力和應變的主次因素分別為側切刃滑切角、彎折角及正切刃滑切角。

3.2 顯著性檢驗

對滅茬刀的應力和應變進行顯著性檢驗,結果如表5、表6所示。

表5 應力方差分析

表6 應變方差分析

由表5可知:整個模型對滅茬刀應力的影響極顯著,正切刃滑切角對應力的影響為較顯著,側切刃滑切角對應力的影響為極顯著,彎折角對應力的影響為顯著。由F臨界值可以得出影響應力的主次因素為側切刃滑切角、彎折角、正切刃滑切角,與極差分析中的結果相同,極差分析結果準確。

由表6可知:整個模型對滅茬刀應變的影響顯著,正切刃滑切角對應變的影響為較顯著,側切刃滑切角對應變的影響為顯著,彎折角對應變的影響為顯著。由F臨界值可以得出影響應變的主次因素為側切刃滑切角、彎折角、正切刃滑切角,與極差分析中的結果相同。

因此,各因素對應力和應變的影響顯著,且極差分析結果可靠。

4 田間試驗

4.1 試驗目的

為了進一步驗證所設計滅茬刀的作業效果(滅茬性能、碎土性能、整地整地性能等),對所設計的滅茬刀輥及所確定的滅茬刀結構進行加工制造,并安裝在兩行壟上深松滅茬成壟整地機上,進行田間試驗。

4.2 試驗條件

試驗地點為黑龍江省哈爾濱市劉二轉屯村東北農業大學向陽農場試驗基地,試驗時間為2019年4月,試驗地面積為1 334 m2,田間平均土壤含水率為(18±1)%,平均土壤容重為1.32g/cm3,試驗區土壤平均硬度為1 671kPa,根茬密度為3～4個/m。試驗所用設備為約翰迪爾484型拖拉機、兩行壟上深松滅茬成壟整地機(滅茬刀輥為所設計刀輥),試驗器材為電子秤、刻度尺、環刀組件、鋁盒等,田間試驗如圖9所示。

圖9 田間試驗

4.3 試驗方法

壟上滅茬刀的主要功能是切割土壤、粉碎根茬并后拋土壤,對土地進行耕整處理。因此,選取滅茬率、碎土率及耕深穩定性系數[12]進行測定,衡量所設計滅茬刀的作業效果。

1)滅茬率。依據文獻[12],在試驗區隨機選取5個區域,區域長度為2m,寬度為壟臺寬度,測量全耕層的土壤中根茬長度小于50 mm的質量占根茬總質量的比率。

2)碎土率。依據文獻[24],沿耕作方向在已耕地上測定0.25m2面積內全耕層上土塊,以最長邊小于40 mm的土塊質量與總質量的百分比為碎土率。每個行程隨機測量5點。

3)耕深穩定性系數。依據文獻[12]中旋耕刀耕深穩定性的測量方法,在每組試驗區域內劃分為5個區,每個區域為一個工作幅寬,長度為2 m,每個區域內隨機取5點,測點滅茬深度的耕深采用差值法。

滅茬深度平均值為

aji=h2i-h1i

(14)

(15)

其中,aji為第j個試驗行程中第i個點的滅茬深度值(mm);h1i為作業前壟頂與水平基準距離(mm);h2i為作業后溝底與水平基準距離(mm);aj為第j個試驗行程的滅茬深度平均值(mm);nj為第j個試驗行程中的滅茬深度測定點數。

滅茬深度穩定性系數為

Uj=1-Vj

(16)

(17)

(18)

其中,Uj為第j個試驗行程中滅茬深度穩定性系數(%);Vj為第j個試驗行程中滅茬深度變異系數(%);Sj為第j個試驗行程的滅茬深度標準差(mm)。

4.4 試驗結果

試驗結果如表7所示。

表7 試驗結果

由表7可知:優化設計的L型滅茬刀及刀輥作業性能優良,作業效果能夠滿足行業要求。

5 結論

1)對滅茬刀作業時進行理論分析,得到滅茬刀在穩定作業狀態下正切刃滑切角的取值范圍為0°～16°,側切刃滑切角的取值范圍為47°～68°,彎折角的取值范圍為90°～130°。

2)采用Druck-Prager模型對土壤本構模型建模,并在ABAQUS軟件中進行滅茬刀切割土壤的有限元仿真試驗,證明仿真模型合理。通過三因素三水平正交有限元仿真試驗對滅茬刀的結構參數進行優化,得知正切刃滑切角16°、側切刃滑切角68°、彎折角110°時滅茬刀的應力和應變相對較小;影響應力和應變的主次因素為側切刃滑切角、彎折角、正切刃滑切角;并用方差分析檢驗了各因素對應力和應變的顯著性影響。

3)通過田間試驗對滅茬刀作業效果進行測試,結果表明:滅茬率為94.23%,碎土率為91.68%,滅茬深度穩定性系數為93.78%,各項指標均高于行業標準。