基于Adams的中耕培土機螺旋培土刀仿真分析

仝振偉,夏云飛,張秀麗,王 棟,侯朝朋,吳亞文

(河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002)

0 引言

中耕培土作業可使土壤松散透氣,改善土壤的通氣性且去除雜草,為作物的生長提供良好的條件。高質量的培土作業不僅能提高作物的抗倒伏能力,還能提高土壤的保水保墑能力。通過中耕可以消除土壤板結,增加土壤的透氣性,將表層土壤中一部分根系切斷,促進根系向縱深的發育[1-5]。研究表明,中耕培土機培土的高度及碎土率均會影響到作物的生長質量和產量[6-8]。國內已有旋耕犁式中耕培土機、圓盤式中耕培土機、旋耕刀式中耕培土機等[9-10]不同培土部件的培土機,且在有關培土部件的仿真分析方面有較深的研究。毛鵬軍等[11]對培土機器的培土彎刀進行設計和有限元分析,確定了彎刀的類型,保證了機組的正常工作。劉亞峰[12]對其設計的中耕培土機拍打機構進行了運動學仿真分析,建立了拍土過程的動力學模型。張婷等[13]創新設計了甘蔗中耕施肥培土機傳動裝置中變速箱、傳動軸等關鍵部件,對傳動軸進行受力變形分析,解決了機器動力輸出軸角度難控制、傳動軸易斷裂等問題。呂金慶等[14-15]對中耕機旋轉單體中的碎土刀進行受力、刀的排列等分析,并通過ANSYS進行仿真試驗。目前的培土機械能達到較好的碎土率和較高的作業效率,但培土高度和壟形角度不易保證,難以達到培土作業較好的整形效果。針對傳統培土機械存在的問題,設計了一種新型的螺旋斜置中耕培土機,通過斜向培土刀旋轉實現對土壤的切削和傳送。同時,借助于Adams軟件對斜向培土刀進行運動學仿真分析,對培土整形效果進行了研究,得到了達到理想的培土作業和整形效果時的參數值,并進行了田間試驗,旨在為樣機的設計制造提供理論參考。

1 中耕培土機結構及工作原理

螺旋斜置中耕培土機由拖拉機牽引,并由拖拉機提供動力作為液壓傳動系統動力源的中耕培土機具,主要由螺旋培土總成、送分土犁刀裝置、護葉裝置、限深裝置、壟距調整裝置、機架和液壓傳動系統等組成,如圖1所示。工作原理如下[16]:螺旋斜置中耕培土機由拖拉機提供動力,機具以三點后懸掛方式與拖拉機連接。變速機構和液壓系統安裝在機架上,拖拉機動力輸出軸與變速機構相連,通過改變轉速來適應液壓系統的需要,液壓系統為螺旋培土刀提供動力。通過限深裝置來保證松土的深度,送分土犁刀裝置中的犁刀對壟溝土壤進行深松,并將碎土分到兩側,螺旋培土刀將土進一步切碎并輸送到壟頂。犁刀可以先行除去壟溝內雜草,螺旋培土刀在轉動時,可以進一步對土壟進行整形和除草作業。

該機器的主要工作部件是送分土犁刀裝置與傾斜放置的螺旋培土刀。其中,螺旋培土刀以何種方式實現對土壟的切削和對土壤的拋灑輸送,從而得到較好的培土整形效果是此文研究的重點。

1.螺旋培土總成 2.送分土犁刀裝置 3.護葉裝置 4.限深裝置

2 螺旋培土刀結構設計及工作情況分析

2.1 螺旋培土刀結構設計

螺旋培土刀是培土機的主要零件,其旋轉方向和螺旋葉片的旋向對作用效果影響較大。根據輸送物料土壤的特性與輸送土壤的目的,選用實體螺旋式的螺旋培土刀。螺旋培土刀的螺旋葉片用4mm薄鋼板成型后焊接到螺旋軸上,如圖2所示。為提高刀軸的剛性和減輕樣機的質量,將刀軸設計為空心軸,軸的內徑d1為Φ98mm,外徑d2為Φ108mm,螺旋葉片外徑D為190mm,高度A為490mm。

1.螺旋葉片 2.螺旋軸

2.2 不同數據參數下土壤拋灑情況分析

螺旋斜置中耕培土機的一個螺旋培土總成中對稱布置有2個螺旋培土刀(見圖1)。對螺旋培土刀進行分析可知:每個培土刀螺旋葉片有左旋和右旋兩種結構形式,每種結構有正轉和反轉兩種旋轉方向(定義沿軸線逆時針旋轉為反轉,反之為正轉)。每個螺旋培土總成左側螺旋培土刀對壟體右側培土時共有4種不同的工作方式a1、a2、a3、a4,同理右側螺旋培土刀有b1、b2、b3、b44種工作方式,Vm為行車速度,如圖3所示。

1.螺旋培土刀 2.壟體

對螺旋培土總成左側以反轉、左旋(a1)方式工作的螺旋培土刀進行分析,如圖4所示。在螺旋葉片上任意點P處的土壤顆粒受力如下:土壤自身 重力G、土壤與螺旋葉片產生相對位移后的摩擦力f、螺旋葉片對土壤的支撐力N和后面土壤對土壤顆粒的推力F1。由于螺旋葉片培土刀一直在轉動,F1較大,作用于土壤顆粒的合力促使土壤會向上傳送,完成拋灑動作。當左側螺旋培土刀以反轉、右旋(a2)方式工作時,土壤顆粒承受的合力變成一個向下的推力,則土壤向下傳送,造成土壤在壟溝底部堆積,無法完成向上送土的效果。

圖4 土壤顆粒反轉、左旋(a1)情況下的受力分析

同理可得,螺旋培土刀在不同條件下,培土效果如表1所示。

表1 不同數據參數下土壤的拋灑情況

綜上,一個螺旋培土總成作業時,左側螺旋培土刀以a1、a4方式設置、左側螺旋培土刀以b1、b4方式設置時能夠實現土壤向上運動,完成培土作業。

3 螺旋培土刀運動學仿真分析

在一個螺旋培土總成中,a1與b4、a4與b1結構對稱,相互工作原理相同,4種方式都能夠完成對土壤的向上輸送,利于培土。因此,以左側培土刀為例,進一步對a1和a4兩種工作方式進行運動分析。

3.1 螺旋培土刀葉片邊緣任意點軌跡方程

螺旋培土刀作業過程中,自身旋轉運動和前進運動同時進行,螺旋培土刀螺旋葉片的絕對運動是旋轉運動和前進運動的兩種速度的合成,運動軌跡為次擺線。以螺旋培土刀軸線為原點,培土機前進方向為X軸正方向,Y軸垂直于過螺旋培土刀軸線和X軸的平面且正向向上,并假設運動初始時葉片邊緣上的點A位于Y軸的正上方,其軌跡線圖如圖5所示。

圖5 螺旋培土刀葉片邊緣任意點軌跡

點A的運動軌跡方程為

x=Rcosωt+Vmt

(1)

y=Rsinωt

(2)

式中R—螺旋培土刀葉片邊緣A點回轉半徑(m);

ω—螺旋培土刀刀軸旋轉角速度(rad/s);

Vm—培土機前進速度(m/s);

t—運動時間(s)。

對式(1)、式(2)兩方程分別進行求導,得

(3)

Vy=ωRcosωt

(4)

故螺旋培土刀上選取點的絕對速度為

(5)

定義培土過程中培土刀A點切削線速度與培土刀前進速度的比值為培土速比,記為λ,則有

(6)

則A點的絕對速度為

(7)

3.2 理論分析及ADAMS仿真驗證

由式(7)可知:與壟體接觸的螺旋培土刀葉片外沿自轉瞬時速度方向與培土刀速度方向相同(即sinωt=-1)時,葉片運動的絕對速度為兩速度的和;反之,兩速度相反(即sinωt=1)時,葉片運動的絕對速度為兩速度的差值。分析可知,絕對速度越快,螺旋葉片相同時間內劃過的距離越長,與壟體的接觸越充分,即不同的工作方式(旋轉方向不同和自轉方向不同)造成的差異會影響螺旋葉片與土壤的接觸時間與培土效果。

用SolidWorks對a1和a4兩種工作方式螺旋培土刀建立三維模型,同時建立田間工作情況下培土刀的左側有待培土的壟體模型;然后,把三維模型保存成x_t格式文件輸入到ADAMS中,對培土刀的運動進行運動學仿真分析。根據前期研究,將Vm設置為0.8m/s,ω設置為150r/min,仿真時間設置為2.5s,仿真步數為500。分別在反轉、左旋(a1)和正轉、右旋(a4)方式工作的螺旋葉片邊緣選取一測量點,通過運動仿真,自動生成該測量點的動作軌跡,進行對比分析,如圖6所示。

(a) a1工作方式 (b) a4工作方式

對比兩圖中測量點的動作軌跡可知:a4方式軌跡的左側圓弧半徑明顯大于a1的,證明以a4方式工作的螺旋培土刀葉片在相同時間內與壟體接觸距離更長更充分,達到切削壟土的作用,讓土壤得到充分的切削,使土壤顆粒更細碎,起到了很好的破碎土壤的作用,能夠得到更好的破碎和整形效果。

4 正交試驗

4.1 正交試驗因素和水平設計

影響螺旋培土刀培土效果的要素有很多,如培土刀的自轉速度、培土刀葉片螺旋旋向、行車速度、培土刀刀軸與地面的傾角、刀軸與壟體側面的距離、分土犁刀分土量大小,培土刀自轉方向,以及是否安裝土壤導流板等等。對于培土機作業性能的評價,有培土高度合格率、碎土率、培土傾角合格率、培土厚度及溝底寬度等多項指標[17]。根據各要素對作業效果的影響程度,選取影響比較大的行車速度(A)、培土刀自轉速度(B)、培土刀螺距(C)作為因素,每個因素4個水平進行正交試驗設計。利用ADAMS軟件讓培土刀以正轉、右旋(a4)方式進行仿真分析,以獲得良好的碎土率和整形效果為試驗目標,以期得到較好的試驗數據和結果。通過對國內有關旋耕機、起壟機和培土機文獻的研究發現:田間作業時,培土機前進速度在0.42～1.11m/s、轉速在150～300r/min之間[18-23]效果較好。對于螺旋培土刀螺距水平的設計,基于培土高度和培土效果等農藝方面的考慮,設計的培土刀軸向長度490mm,葉片螺距在120～210mm之間分了4個水平;其他非試驗選取的因素均設置為相同的參數。選取L16(45)正交表安排試驗,因素水平表如表2所示。

表2 試驗因素水平

4.2 Adams仿真試驗

運用SolidWorks建立4個不同螺距的螺旋培土刀,改變文件格式為x_t后分別導入ADAMS中,將不同因素不同水平的16種組合分別仿真分析。16組仿真保證相同的行車距離均為2 000mm,所有含有A1因素的仿真試驗的仿真時間為4.000s,所有含有A2因素的仿真試驗仿真時間為2.857s,所有含有A3因素的仿真試驗時間為2.222s,所有含有A4因素的仿真試驗時間為1.818s。每次設置好相關參數后,運行一次仿真,進入ADAMS/PostProcessor后處理界面,選擇superimpose選項,讓培土刀的運動進入重疊模式,以此描繪出培土刀葉片所能掃描的面積。仿真結果如表3所示。

表3 各試驗仿真結果

4.3 試驗結果與分析

試驗指標為掃描面積,即培土刀在正常作業時,培土刀葉片所走的軌跡在壟體側面上形成覆蓋的區域。掃描面積越大,說明培土刀旋轉作業時與壟體上的土壤土塊接觸空間區域越大,培土整形效果及工作效果越好。將ADAMS分析的16個結果分別導入AutoCAD中,測量出螺旋培土刀轉動時掃描過壟體側面的面積。試驗方案和結果如表4所示。

表4 正交試驗方案及結果

續表4

將表4數據輸入SPSS軟件進行方差的單變量分析,不考慮交互作用,得到如表5所示數據。

表5 正交試驗方差分析結果

由表5正交試驗方差分析結果分析可知:A、B因素的P(Sig.)值分別為0.000 066和0.000 196,均小于0.05,說明A、B因素對試驗結果影響顯著;且A、B兩因素的主次關系是A(行車速度)>B(自轉速度)。C的P(Sig.)值為0.668>0.05,說明因素C(培土刀螺距)對試驗結果的影響不顯著。從表3對應的掃描面積數值可以發現,2、3、4、8號培土效果較好。進一步分析表3中的16張仿真結果,4號試驗(A1B4C4)的螺旋培土刀的葉片旋轉切削的面積出現了部分重疊,表明中耕培土機重復作業,工作性能沒有得到充分發揮,此時的培土機前進速度可以適當增大;2號試驗(A1B2C2)和8號試驗(A2B4C1)旋轉切削的面積接近,但8號試驗(A2B4C1)的培土機前進速度更快,工作效率更高;3號試驗(A1B3C3)和8號試驗(A2B4C1)相比,雖然3號試驗(A1B3C3)比8號試驗(A2B4C1)的旋切面積大,但8號試驗(A2B4C1)里,未被旋轉切削的區域水平直線距離經測算僅為17mm,完全能夠滿足碎土率和整形效果的要求,且培土機前進速度相較于3號試驗(A1B3C3)更快。綜合分析作業效率、實際碎土情況和整形效果可知:8號試驗(A2B4C1)為16組樣本試驗中綜合效果最好的試驗方案,也最接近達到理想試驗的各因素水平配置。此時,將8號試驗的參數帶入式(4)可得

由計算可知:當培土速比為4.26時,該新型中耕培土機田間作業理論上能有較好的碎土情況、除草效果和整形效果。圖7所示為8號參數時田間試驗的整形效果。

5 結論

1)螺旋斜置中耕培土機創新性地采用以螺旋培土刀斜置旋轉對土壤切削實現中耕培土,并得出單個螺旋培土總成上兩側螺旋培土刀的自轉方向和螺旋葉片旋向,即左側培土刀選擇正轉、右旋(a4)方式工作,右側螺旋培土刀選擇反轉、左旋(b1)方式工作時,能夠讓土壤向上傳送,完成土壤的拋灑動作的同時,螺旋培土刀對壟體側面土壤進行更充分的切削和破碎。

2)對主要影響螺旋片培土刀作業效果的3個因素,即培土機行車速度(A)、螺旋培土刀刀軸旋轉速度(B)和螺旋培土刀葉片截距(C)進行了正交試驗,結果表明:培土機行車速度(A)、螺旋培土刀刀軸旋轉速度(B)兩因素對作業效果影響顯著,行車速度為最主要因素;中耕培土機前進速度為0.7m/s、螺旋培土刀刀軸自轉速度為300r/min時,能夠使新型中耕培土機兼顧培土效率的同時,得到較高的碎土率和整形效果。