基于翼型結(jié)構(gòu)的旋耕刀設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)過程分析*

單奕杰 ，錢孟波 ，趙鵬飛 ，張曉彬

（浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，維護(hù)國(guó)家糧食安全是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一任務(wù)[1]。田間土壤旋耕整平是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，旋耕機(jī)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中必不可少的農(nóng)用機(jī)械[2]，尤其是在南方水稻田地區(qū)，旋耕機(jī)被廣泛使用，并且衍生出一系列其他配套機(jī)具，主要用來切削翻轉(zhuǎn)土壤層、改變土壤層結(jié)構(gòu)、粉碎大顆粒土壤，同時(shí)能夠切碎植物遺留在土壤底層的根茬和害蟲卵。旋耕刀具作為旋耕機(jī)最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接作用于土壤上，故刀具形狀的結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間排列布局等因素直接影響耕整土壤的工作效率、機(jī)器輸出的功率損耗以及刀具的磨損壽命[3]。

1 旋耕刀發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

降低旋耕機(jī)的工作功耗是學(xué)者們一直以來的研究目標(biāo)。國(guó)內(nèi)針對(duì)旋耕刀的研究晚于西方發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资辏?0 世紀(jì)50 年代開始引進(jìn)國(guó)外的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，針對(duì)我國(guó)農(nóng)田的實(shí)際情況自主研發(fā)適合中國(guó)南方地區(qū)水田土壤的旋耕彎刀。20 世紀(jì)70 年代以后，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維建模軟件的出現(xiàn)使得旋耕刀技術(shù)發(fā)展迅速，學(xué)者們對(duì)旋耕刀進(jìn)行了很多新的優(yōu)化創(chuàng)新[4]。例如，提出刀刃圓弧形曲線設(shè)計(jì)和切削面平面化的設(shè)計(jì)理念[5]，開發(fā)了專門針對(duì)旋耕刀設(shè)計(jì)的CAD 系統(tǒng)[6]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者推導(dǎo)出了旋耕刀刀刃滑切角的方程[7]，利用有限元軟件分析了刀片上的應(yīng)力分布與折彎角的關(guān)系，對(duì)旋耕刀的折彎角重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此類研究成果很快在全國(guó)范圍內(nèi)運(yùn)用，為我國(guó)農(nóng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展奠定了深厚的基礎(chǔ)。

郭俊等[7]研究了鼴鼠足趾結(jié)構(gòu)排列特征，設(shè)計(jì)了仿鼴鼠足趾排列旋耕刀片；俞杰[8]以安哥拉兔爪趾為研究對(duì)象，根據(jù)爪趾曲面結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)了仿生旋耕刀片；肖茂華等[9]研究了東方螻蛄爪趾前足的輪廓特征，設(shè)計(jì)了一款仿東方螻蛄爪趾前足的仿生旋耕刀片，將輪廓特征曲線依次排列于IT245 國(guó)標(biāo)旋耕刀片的正切削面與折彎曲面末端邊緣。

2 仿翼型旋耕刀片的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

飛機(jī)的發(fā)明和設(shè)計(jì)原理來源于仿生學(xué)，翼型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)來源于學(xué)者對(duì)鳥類飛禽的模仿，學(xué)者通過觀察研究它們起飛、降落和空中旋轉(zhuǎn)掉頭等動(dòng)作而受到啟發(fā)。

機(jī)翼理論主要適用于研究翼型結(jié)構(gòu)在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況，對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的要求是獲得盡量大的升力和盡量小的阻力。懸浮水翼沖浪板如圖1 所示，板下部的機(jī)翼和尾翼結(jié)構(gòu)是沖浪板中最核心的部分，機(jī)翼與尾翼連接，機(jī)翼的后方與沖浪板的尾部由一根流線型的支柱連接，在水中的機(jī)翼與尾翼變成了一架水下滑翔機(jī)，機(jī)翼和尾翼為本體提供向上的升力，維持了本體平衡，只需要較小的滑行速度就可以提供較大的上升力。翼型結(jié)構(gòu)為農(nóng)業(yè)機(jī)械土壤旋耕執(zhí)行部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

圖1 懸浮水翼沖浪板

翼型結(jié)構(gòu)上下兩側(cè)的形狀是非對(duì)稱的，上下兩表面的高度和弧度都不同，因此氣流沿著機(jī)翼上下表面運(yùn)動(dòng)的距離也不同。水流流過機(jī)翼上側(cè)的時(shí)間與流過機(jī)翼下側(cè)的時(shí)間是相同的，但是水流沿機(jī)翼上表面運(yùn)動(dòng)的路程更長(zhǎng)，流速更快，流體速度的快慢差異會(huì)產(chǎn)生壓力差，而機(jī)翼結(jié)構(gòu)在水中滑行時(shí)，機(jī)翼上下兩側(cè)的水流速度會(huì)產(chǎn)生快慢差異。機(jī)翼橫切面造型如圖2 所示，機(jī)翼設(shè)計(jì)成流線型且中間需要具有一定厚度是為了機(jī)翼在水中滑行的時(shí)候，將水流切割成上下兩個(gè)部分，上下兩個(gè)部分水流因速度不同產(chǎn)生壓力差，在水下壓力的作用下，沖浪板能夠克服自身重力和駕乘人員的重力實(shí)現(xiàn)在水中滑行。機(jī)翼提供升力的另一個(gè)重要因素是迎角，迎角α如圖3 所示。當(dāng)人身體前傾時(shí)重心前移，沖浪板前傾滑行，翼面迎角開始減小，水流對(duì)下翼面形成垂直翼面斜向上的壓強(qiáng)，減緩機(jī)翼下沉的同時(shí)推動(dòng)機(jī)翼加速向前滑行；當(dāng)人身體后仰時(shí)重心后移，翼面的迎角開始增大，機(jī)翼與尾翼提供的升力將沖浪板抬離水面的同時(shí)會(huì)減緩機(jī)翼前進(jìn)速度，故沖浪板在水中具有靜穩(wěn)定性。

圖2 機(jī)翼橫切面造型

圖3 翼型結(jié)構(gòu)原理示意圖

根據(jù)伯努利定理：在流體系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)速度越快，該處壓強(qiáng)越小。機(jī)翼上表面壓強(qiáng)小，下表面壓強(qiáng)大，上下表面產(chǎn)生了壓強(qiáng)差，產(chǎn)生的壓強(qiáng)差為沖浪板提供了向上的升力。水流過上下翼面的速度會(huì)隨著沖浪板速度的變化而改變，沖浪板速度越快，水流速度也隨之加快，機(jī)翼上下兩表面的壓強(qiáng)差值變大，翼面得到的升力就越大。機(jī)翼理論逐漸在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中得到應(yīng)用，為土壤切削機(jī)具和挖掘機(jī)具的仿生設(shè)計(jì)提供了理論參考。

2.2 翼型結(jié)構(gòu)旋耕刀片設(shè)計(jì)

本次研究的旋耕刀片適用場(chǎng)景為南方丘陵濕地水田，土壤中廢棄秸稈、雜草和殘留的植物根莖的含量很少，故暫且不考慮進(jìn)行土壤深層粉碎秸稈及植物根莖滅茬時(shí)的作業(yè)情況，因此，選用L 型左彎刀對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。常見的L 型彎刀由刀把、雙側(cè)開刃的側(cè)切削面、雙側(cè)開刃的折彎曲面、雙側(cè)開刃的正切削面四部分組成，如圖4 所示。L 型彎刀的刀把與側(cè)切削面順滑連接，從側(cè)面看刀片上表面是一條光滑的曲線。在作業(yè)過程中側(cè)切削面率先豎直向下切開土壤表層，依靠刀刃擠壓切斷、推開土壤中的秸稈、雜草和根莖并繼續(xù)切向土壤深層，正切削面橫向向下切開土壤表層，并按圓周方向切開土壤深層，粉碎大顆粒土塊，深層土壤被翻轉(zhuǎn)到土地淺層，以此循環(huán)往復(fù)。作業(yè)過程中，整個(gè)正切削面與土壤接觸用于土壤的粉碎、翻轉(zhuǎn)，其與土壤接觸作業(yè)的面積是最大的，工作時(shí)受到土壤的阻力也是最大的，因此內(nèi)燃機(jī)很大一部分功率消耗在正切削面與土壤的作用過程中。根據(jù)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合L 型彎刀的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用場(chǎng)景，將機(jī)翼的輪廓特征曲線應(yīng)用到旋耕刀的正切削面上。

圖4 傳統(tǒng)型旋耕刀簡(jiǎn)圖

王蒙等[10]將機(jī)翼形特征結(jié)構(gòu)運(yùn)用于田間量水設(shè)施中，提出仿機(jī)翼形量水槽的概念，對(duì)機(jī)翼形特征曲線進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提出機(jī)翼形特征曲線方程：

參考機(jī)翼形特征曲線方程，對(duì)機(jī)翼形特征曲線進(jìn)行了簡(jiǎn)化，符合旋耕刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。仿機(jī)翼形特征曲線相切點(diǎn)左邊1/4橢圓方程為：

相切點(diǎn)右邊圓弧半徑R的公式為：

仿機(jī)翼形曲線模型簡(jiǎn)化圖如圖5 所示。其中，C為翼弦長(zhǎng)，mm；P為翼高，mm；R為圓弧半徑，mm。

圖5 仿機(jī)翼形曲線模型簡(jiǎn)化圖

將翼型特征結(jié)構(gòu)應(yīng)用于旋耕刀整個(gè)正切削面，如圖6 所示，側(cè)面看仿翼型特征曲線的中軸線與旋耕刀正切削面重合，稱為翼型旋耕刀。

圖6 翼型結(jié)構(gòu)旋耕刀片簡(jiǎn)圖

2.3 翼型結(jié)構(gòu)旋耕刀片選材及工藝處理

旋耕刀常年在潮濕陰暗的環(huán)境下作業(yè)，土壤中存在著弱酸性或者弱堿性腐蝕性物質(zhì)，此外，土壤下層中存在大量沙礫和農(nóng)作物根莖殘留物，侵蝕和磨損是旋耕刀主要的失效形式。旋耕刀工作時(shí)轉(zhuǎn)速很快，刀片表面與土壤摩擦產(chǎn)生大量熱量，但是工作環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于刀具表面材料的熔點(diǎn)，排除粘連磨損的可能。從實(shí)際情況來看，旋耕刀失效應(yīng)該是沙礫等雜質(zhì)對(duì)刀片的撞擊和化學(xué)物質(zhì)對(duì)刀片的腐蝕共同作用的結(jié)果。腐蝕性物質(zhì)侵蝕了刀具表面的材料，破壞了刀具表面強(qiáng)度，使得沙礫撞擊更容易造成刀具劇烈磨損和彎折，進(jìn)而造成旋耕刀失效。因此，對(duì)旋耕刀片采用的材料及其后期熱處理工藝有著很高的要求。由于刀片不同部位的磨損機(jī)理不同，故不同部位的熱處理工藝也應(yīng)有所不同，仿翼型旋耕刀和國(guó)標(biāo)旋耕刀的加工工藝相似，其刀刃和切削面部分不僅受到腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，而且會(huì)與土壤中的沙礫發(fā)生劇烈摩擦，承受較大的抗擊載荷，其硬度控制在55 HRC～60 HRC。刀把部分需要有足夠的韌性承受扭轉(zhuǎn)載荷，否則容易被折斷，其硬度控制在40 HRC～48 HRC。考慮到旋耕刀片對(duì)于抗腐蝕性、耐磨性以及韌性等的要求，可以適當(dāng)降低材料中的含碳量，往材料中增加抗腐蝕性強(qiáng)的合金元素。

綜上所述，可以考慮采用65Mn 作為旋耕刀片的材料。65Mn 首先要經(jīng)過滲碳處理，而后經(jīng)過分級(jí)淬火、低溫回火工藝，目的是讓刀刃部分獲得高的表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并且刀把部分保持良好的強(qiáng)韌性和可塑性，刀片外表面無裂痕。最后將得到的刀片主體的正切削面部分通過角磨機(jī)磨成翼型結(jié)構(gòu)。仿翼型旋耕刀片參數(shù)設(shè)計(jì)：若機(jī)翼翼高P太高，容易纏草，增大沙礫撞擊面積，加快刀片磨損，增大工作阻力；若機(jī)翼翼高P太低，刀片厚度過薄，對(duì)于減少刀片工作阻力、增大刀片升力效果差；若機(jī)翼翼弦長(zhǎng)C過長(zhǎng)，刀具正切削面工作面積過大，容易被雜草秸稈纏繞，增大工作阻力，增加工作能耗；若翼高P過低，刀片易磨損，刀片壽命縮短。仿翼型旋耕刀最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)旋耕刀與仿翼型旋耕刀主要參數(shù)結(jié)構(gòu)

3 仿翼型旋耕刀對(duì)土壤的切削作用

明確旋耕刀的運(yùn)動(dòng)方式和受力情況，分析旋耕刀與土壤的相互作用，是正確設(shè)計(jì)優(yōu)化旋耕刀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。旋耕刀運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)土壤起切削、破碎作用的主要是正切削刃和側(cè)切削刃，對(duì)土壤起拋擲作用的主要是正切削面。旋耕刀入土?xí)r，土壤顆粒受到正切削刃和側(cè)切削刃的動(dòng)態(tài)切削作用，部分土壤被壓縮產(chǎn)生變形，具有向后的運(yùn)動(dòng)過程，其余的土壤沿著正切削面和側(cè)切削面滑動(dòng)。

在土壤與旋耕刀相互作用的過程中，為了方便分析旋耕刀所受阻力情況，對(duì)作用力方向進(jìn)行定義，分別為：水平方向產(chǎn)生的作用力定義為X向阻力Fx、垂直方向產(chǎn)生的作用力定義為Y向阻力Fy、側(cè)邊方向產(chǎn)生的作用力定義為Z向阻力Fz。土壤與旋耕刀相互作用過程中旋耕刀所受的作用力如圖7 所示。旋耕刀刀軸以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，并且刀片在水平X方向以速度v運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，旋耕刀的驅(qū)動(dòng)力矩為M。

圖7 旋耕刀所受阻力的定義分析

在旋耕刀最開始切入土壤至到達(dá)最大耕深位置的過程中，切削刃一直向下方運(yùn)動(dòng)，刀片受到的阻力方向與刀刃運(yùn)動(dòng)方向始終相反，如圖8所示。

圖8 旋耕刀受力圖

此時(shí)旋耕刀的正切削面和正切削刃進(jìn)入土壤，刀軸的轉(zhuǎn)速很快，以250 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，土壤與水的混合物從旋耕刀的正切削面流過，旋耕刀將水流切割成上下兩個(gè)部分，上下兩個(gè)部分水流經(jīng)過正切削面的速度不同從而產(chǎn)生壓力差，壓力差為旋耕刀提供了垂直于正切削面向上的升力FT。

當(dāng)旋耕刀正切削面從垂直位置向下切削土壤轉(zhuǎn)過θ角時(shí)，則正切削面的受力情況分析如下：

升力FT：

式中，F(xiàn)T為總升力，N；ρ為大氣密度，kg/m3；C為升力系數(shù)；S為正切削面面積，m2；v為旋耕刀速度，m/s。

豎直方向的分力為：

水平方向的分力為：

旋耕刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下表面的流速差為旋耕刀提供了垂直于正切削面的總升力FT，此升力在垂直方向和水平方向的分力分別為Fy和Fx。升力FT可以看作是旋耕刀旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的向心力，向心力產(chǎn)生速度法線方向上的加速度，改變物體運(yùn)動(dòng)的方向。

升力在垂直方向的分力Fy為旋耕機(jī)克服旋耕刀重力提供了一個(gè)向上的支撐力，克服了旋耕刀一部分的重力，刀軸對(duì)旋耕刀的支持力減小，實(shí)現(xiàn)了旋耕刀工作時(shí)的輕量化，刀軸驅(qū)動(dòng)旋耕刀的力減小，降低了旋耕機(jī)的驅(qū)動(dòng)功耗。

升力在水平方向的分力Fx為旋耕刀克服了一部分工作阻力，對(duì)旋耕刀的正切削面產(chǎn)生一個(gè)向前的助推力，幫助切削刃向前切割土壤，減小了旋耕刀在水平方向的工作阻力，為降低旋耕刀工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)功耗、減小工作輸出的驅(qū)動(dòng)力矩提供條件。

4 結(jié)論

1）旋耕刀是旋耕機(jī)最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，旋耕刀直接作用于土壤上，是旋耕機(jī)工作時(shí)的主要耗能部件，刀片形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間排列布局等因素直接影響耕整土壤的工作效率、機(jī)器輸出的功率損耗以及刀具的磨損壽命。

2）侵蝕和磨損是旋耕刀主要的失效形式，降低材料中的含碳量，往材料中增加抗腐蝕性強(qiáng)的合金元素，并對(duì)材料進(jìn)行滲碳處理、分級(jí)淬火、低溫回火等處理，可以滿足旋耕刀片對(duì)于表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的要求。

3）翼型結(jié)構(gòu)提供的升力在水平方向上產(chǎn)生分力Fx，在豎直方向上產(chǎn)生分力Fy。Fx為旋耕刀克服了一部分工作阻力，對(duì)旋耕刀的正切削面產(chǎn)生一個(gè)向前的助推力，幫助切削刃向前切割土壤；Fy為旋耕機(jī)克服旋耕刀重力提供了一個(gè)向上的支撐力，相當(dāng)于減輕了旋耕刀自身的重量，實(shí)現(xiàn)了旋耕刀工作時(shí)的輕量化。翼型結(jié)構(gòu)為降低旋耕刀工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)功耗、減小驅(qū)動(dòng)力矩、降低能量損耗提供了有利條件和理論依據(jù)。