微耕機旋耕刀輥彎刀排列優化仿真分析*

張引航，李守太，曹中華，楊 玲，楊明金

（1.西南大學人工智能學院，重慶 400715；2.西南大學工程技術學院，重慶 400715；3.重慶市農業科學院農業機械研究所，重慶 401329）

0 引言

旋耕刀輥彎刀排列是決定微耕機耕作性能的重要因素，它對切土阻力矩、功耗、作業質量及平穩性有重要的影響。目前，國內微耕機刀輥上刀片的排列方式一直沿用傳統的排列方式，其排列方式大體分為人字形排列方式和雙頭螺旋線排列方式兩大類型[1]。存在旋耕彎刀入土間隔不均勻，導致彎刀受力不均勻、切土性能差，部分刀具易提前松動，磨損不均勻等問題[2]。合理的彎刀排列應在滿足耕整地農藝要求的基礎上，使耕作功耗最小，刀輥受力均勻，且具有良好的工藝性，便于制造[3]。

本文針對以上問題對微耕機旋耕刀輥彎刀排列進行優化設計，參考相關文獻和機型，整理得到微耕機刀輥排列的數學模型，并得到微耕機旋耕刀輥彎刀排列優化方法。通過基于SPH 算法的切土動力學仿真試驗驗證，該方法能達到減小沖擊、減阻降振和節約能耗的效果，可提供理論參考。

1 旋耕刀輥排列優化

旋耕刀輥中彎刀排列設計應參照文獻[4]中的設計準則。在旋耕刀輥上每一把彎刀的切削力f 應大致相等，在刀輥圓周方向彎刀排列越均勻其受力點則越分散，其周向切土分區所承受的土壤反作用力則分布越分散；反之，當同一相位角有兩把或者以上的彎刀時，在此相位角的土壤反作用力則為兩倍f，因此，作為振源之一的刀輥必然使得微耕機振動增加。同時，為了防止刀輥周向受力不均勻，彎刀相鄰幾把彎刀的切土節距比應該設計為1。即左、右刀輥對應彎刀入土夾角應保持一致，使得局部入土的幾把彎刀耕作均勻、阻力均衡，使彎刀磨損壽命盡量一致，降低振動。

旋耕彎刀切土時，彎刀受力方向與其彎折方向相反，為保持刀輥整體的平衡性，要使左右彎刀數量盡量相等，且入土時一前一后左右彎刀應交替入土。刀輥在切土時實際在土壤內的彎刀有4 片以上，這樣交替入土使得刀輥軸向力和偏轉力大致平衡，有利于降低軸承軸向力和偏轉力，延長其使用壽命。從刀輥旋耕受力可知，也降低了軸向振動，刀輥更能實現直線行駛。

由于田間有大量殘留稻稈會在刀輥上纏繞，兩相鄰彎刀組彎刀距離應盡量加大，夾角大于24°，避免夾土和纏草。

1.1 基本參數

將微耕機用旋耕刀輥分為左右兩刀輥，旋耕彎刀在刀輥上采用左右螺旋線對稱排列方法。建立坐標系如1 圖所示，將360°圓周等分成N 份，得到Y 坐標軸上每一格表示為相位角θ，λ 為升角，β 為螺旋角。由于微耕機功率普遍偏小，因此，旋耕刀輥上彎刀數量通常不到40 片，一般為兩頭或者三頭螺旋線排列，左、右刀輥入土夾角為θ/2[3]，如圖2 所示。

圖1 螺旋線圖

圖2 刀輥彎刀排列展開圖

旋耕刀輥參數：旋耕彎刀總數N、右刀輥刀盤數m、刀盤間距p、耕幅B、螺旋線條數t，輸入功率W。

表1 旋耕刀輥耕作工況參數表

耕幅B：在一般工況下，如表1 所示，根據文獻[4]微耕機耕幅與功率之間有以下經驗關系：

根據耕幅和刀盤間距確定刀盤數量。刀盤間距選擇應保證不纏草夾土，適應播種行間距，建議取，ρ=b+△b，△b 為15～20[4]。對刀輥作以下修正。

1.2 切土分區

Y 軸方向的切土分區數P=N，切土分區內每兩片相繼入土的彎刀間的相位角θ 計算如下式：

1.3 螺旋線確定

螺旋排列的彎刀展開之后呈一條斜線，與X 軸夾角為β′，如圖2 所示。每條螺旋線均分刀輥上的切削分區數P，相對應Y 軸和Y′軸方向切土分區的彎刀采用左、右彎刀交替入土，分別呈二或三條螺旋線排列。同一螺旋線上相鄰兩同向彎刀之間相位角為△θ。由于微耕機功率小，為使刀輥輸入扭矩滿足切削力，螺旋線取4 條以內。當螺旋線條數t≤3 時△θ=3θ；當螺旋線條數t≥4 時△θ=2θ，如圖1 所示。

為使量綱一致，夾角β′計算如下式：

式中：θ 為相位角，°；m′為單位刀盤數，即為1。

2 旋耕刀輥排列建模

將旋耕刀輥優化排列方法應用于一種微耕機刀輥設計，根據文獻[3]中式（4-5）至式（4-15）得到優化后的旋耕刀輥彎刀排列展開圖，如圖3 所示。

圖3 中央驅動式t=3 m=4 刀輥彎刀排列展開圖

通過Creo5.0 建立優化后T3M4 旋耕彎刀排列展開圖的旋耕刀輥三維模型，如圖4 所示。同樣彎刀數量建立一組傳統T3M4 旋耕刀輥三維模型，如圖5 所示。

圖4 優化旋耕刀輥

圖5 傳統旋耕刀輥

3 切土仿真分析

圖6 優化旋耕刀輥刀土耦合模型

圖7 傳統旋耕刀輥刀土耦合模型

基于SPH 算法建立旋耕刀輥刀土耦合動力學有限元仿真模型，分別如圖6、圖7 所示。兩種旋耕刀輥的仿真工況設置一致，其中旋耕刀輥切削運動的動態模擬參數如表2 所示。完善模型材料、接觸參數、邊界條件、運動參數后，輸出K 文件，將文件導入ANSYS Mechanical APDL1.60 中的LS_DYNA971 求解器進行求解。

表2 旋耕刀輥切土運動動態模擬參數

通過求解得到旋耕刀輥的切削力曲線、軸向加速度曲線和功率時程曲線，分別如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12 和圖13 所示。根據求解結果得到兩組刀輥的平均功率，如表3 所示。

圖8 優化旋耕刀輥切削力曲線

圖9 傳統旋耕刀輥切削力曲線

圖10 優化旋耕刀輥軸向加速度曲線

圖11 傳統旋耕刀輥軸向加速度曲線

圖12 優化旋耕刀輥功率時程曲線

圖13 傳統旋耕刀輥功率時程曲線

表3 旋耕刀輥功率

根據旋耕刀輥切削力曲線圖，如圖8、圖9 所示，優化后的旋耕刀輥在仿真切土時切削力小于傳統旋耕刀輥，且曲線峰值低于傳統旋耕刀輥。根據旋耕刀輥軸向加速度曲線圖，如圖10、圖11 所示，優化后的旋耕刀輥軸向加速度相比傳統旋耕刀輥波動更小，總體相對更平滑。由此推斷，相同工況下優化后的旋耕刀輥在作業時的軸向和徑向沖擊振動相比傳統旋耕刀輥更小，能降低切土阻力和減小切土振動，從而延長刀輥的工作壽命，并增加操作人員的舒適性。根據旋耕刀輥功率時程曲線圖，如圖12、圖13 所示，優化后的旋耕刀輥在仿真切土時功率低于傳統旋耕刀輥，且功率輸出更平穩。由此推斷，相同工況下該排列優化方法有助于降低刀輥切土功耗，其輸出功率曲線更加平滑，減小了負載對發動機的反向沖擊，從而延長了發動機使用壽命，節約了能耗。

4 結論

1）通過對本文提出的優化排列方法得到旋耕刀輥彎刀排列展開圖直觀評價可知，該方法使旋耕彎刀呈多頭螺旋線對稱排列，彎刀均勻分布，左、右彎刀交替入土，提高刀輥耕作的平穩性和切土性能。

2）根據排列展開圖，通過優化設計的旋耕刀輥切土時每轉過360°/2N 有1 片旋耕彎刀入土，其彎刀切土的土壤反作用力分布更加分散均勻，使刀輥整體受力均勻，產生的振動力減小，從而降低振動。

3）通過旋耕刀輥切土仿真分析，理論驗證了本文提出的旋耕刀輥彎刀排列優化方法能使旋耕刀輥在耕作中達到了減小沖擊、減阻降振和節約能耗的效果。按此方法能增加使用壽命和操作舒適性，并為同類型研究提供理論參考。