農業機械耕作部件磨損性能試驗研究現狀

摘要：

農業機械耕作部件磨損性能影響整機的工作效率、作業質量，磨損嚴重時會造成巨大的經濟損失。為評價不同材料、結構、土壤類型、工作參數等對耕作部件磨損性能的影響，研究一系列耕作部件磨損性能試驗方法。綜述田間試驗、實驗室試驗和數值模擬等耕作部件磨損性能試驗方法的國內外研究發展現狀，重點闡述磨粒磨損試驗、小型土壤環境磨損試驗及土槽試驗等實驗室磨損性能試驗的特點及發展趨勢。田間試驗結果準確，但受環境影響大，重現性差，而且能耗大、經濟性不好；實驗室試驗能高效地篩選耕作部件材料，但在磨損數據的實時采集方面還有不足，且未與田間磨損試驗建立關聯；數值模擬方法可以有效地模擬部件與土壤之間的相互作用，有助于部件的結構和工作參數優化，但在多因素環境耦合及模擬精度等方面還有不足。對未來農機耕作部件磨損性能試驗研究的發展方向提出加快農機耕作部件磨損性能數據庫的建立、健全試驗規范和評價標準、提高數值模擬精度等建議。

關鍵詞：農業機械；耕作部件；磨損性能；數值模擬

中圖分類號：S222

文獻標識碼：A

Current research of experiment on wear performance for tillage tools of agricultural machinery

Abstract：

The wear performance of agricultural machinery tillage tools affects the work efficiency and operation quality of the whole machine， and severe wear may lead to huge economic loss. In order to evaluate the influence of different materials， structures， soil types and working parameters on the wear performance of tillage tools， researchers have established a series of test methods for the wear performance of tillage tools. This paper summarizes the research and development status of the wear performance test for tillage tools at home and abroad， including field test， laboratory test and numerical simulation method. The features and development of abrasive wear test， small-scale soil environment test， soil tank test and other laboratory wear tests are described. It can be found that the results of field tests are accurate， but they are affected by the environment， also have poor reproducibility， and consume large amounts of energy and are not economical. The laboratory tests can efficiently screen the materials of tillage components， but there are still deficiencies in the real-time collection of wear data， and there is no correlation with the field wear tests. The numerical simulation methods can efficiently simulate the interactions between the components and the soil， which can help to optimize the structures and working parameters of components， but it is still insufficient in the aspects of multi-factor environmental coupling and simulation accuracy. The future research on the experimental study of wear performance of agricultural machinery components should focus on accelerating the establishment of a database for wear performance， improving the standards and evaluation criteria for experiments， and increasing the accuracy of numerical simulations.

Keywords：

agricultural machinery; tillage tools; wear performance; numerical modeling

0 引言

農業機械耕作部件如犁鏵、旋耕刀、圓盤耙、開溝器等常在伴有砂石、作物秸稈及農藥化肥的土壤中作業，苛刻的工作環境導致耕作部件因磨損、腐蝕和沖擊作用而失效。其中，磨損是耕作部件最主要的失效形式，帶來巨大的經濟損失，我國農機耕作部件每年因磨損而導致的鋼材損耗約為1500～2000kt，造成的經濟損失估計超過150億元人民幣［1］。更換、維修因磨損失效的耕作部件會造成農時的耗費，極大的影響農業生產效率。再者，耕作部件因磨損產生的磨屑會導致土壤中金屬含量的超標，嚴重影響今后的作物種植［2］。為了降低農業機械耕作部件磨損對土壤的污染、減少經濟損失，提高部件耐磨性、使用壽命和農業生產效率，國內外研究學者對農業機械耕作部件的基體材料、熱處理工藝、表面增材制造技術、部件結構優化以及與土壤作用的過程模擬等方面開展了大量研究，并通過各類磨損性能試驗對比研究不同材料、結構、服役環境下耕作部件的磨損性能［35］。

本文從田間試驗、實驗室試驗和數值模擬方法等方面綜述了農機耕作部件磨損性能試驗方法的國內外研究現狀、應用范圍及優缺點，并展望了未來農機耕作部件磨損性能試驗研究的方向。

1 農機耕作部件田間磨損性能試驗

田間磨損性能試驗是指在田間自然土壤、氣候條件下，將待測的耕作部件直接安裝在農機具上，隨動力機具進行的耕作試驗，并通過對試驗前后耕作部件的質量進行稱重來評價其磨損性能的優劣。

國內外研究學者采用田間磨損性能試驗對耕作部件表面強化涂層、結構優化以及環境因素影響等方面開展了研究。如熊平原［6］使用5-804輪式拖拉機在佛山市進行田間試驗，研究高Cr涂層、CrMo涂層、BC涂層、WC涂層以及全新未堆焊的5種旋耕刀的耐磨性，每種刀具選取2把，替換旋耕刀組原有中間部位的刀片，并對作業前后刀片的重量進行測定，結果發現WC涂層刀的耐磨性最好。于海杰［7］研究了旋耕刀結構對其耐磨性的影響，在河北保定試驗田對國標旋耕刀和楔形減阻旋耕刀的耐磨性進行了試驗，在經過33hm2耕作對比試驗后，發現楔形減阻旋耕刀磨損量更少。Singh等［5］在田間環境下研究土壤含水率對耕作部件耐磨性的影響，結果發現材料為高碳彈簧鋼（EN-42）的犁鏵在低含水率的土壤中耐磨性更差，當土壤的含水量由14%～17%降至0～3%時，其磨損率增加了3倍。

田間磨損性能試驗能夠真實反映實際工作條件下不同材料、結構的耕作部件或某種耕作部件在不同土壤環境的磨損性能，但受天氣、氣候等環境因素影響導致重現性差，而且田間磨損性能試驗需要在動力機具的牽引下進行，耗能高、周期長、經濟性較差。

2 農機耕作部件實驗室磨損性能試驗

在實驗室條件下，利用通用或專用的磨損試驗機，采用簡化試樣或實際部件在多因素耦合環境下進行的試驗為實驗室磨損性能試驗。與田間磨損性能試驗相比，實驗室試驗的效率高、重復性好、費用低、受外界環境因素影響小。根據試樣的形狀不同和試驗環境的不同，農機耕作部件實驗室磨損性能試驗可以分為磨粒磨損試驗、小型土壤環境磨損試驗和土槽試驗。

2.1 磨粒磨損試驗

研究表明，磨粒磨損是造成耕作部件失效的最主要方式［8］。磨粒磨損可分為三體高應力碾碎型磨粒磨損和二體低應力劃傷型磨粒磨損［9］，如圖1所示。磨粒磨損試驗常被國內外學者用來評定農機耕作部件材料的磨損性能，即將標準形狀的待測樣品裝卡在磨粒磨損試驗機上，在設定的試驗參數和不同的磨料環境下進行試驗，通過測量試驗后試樣磨損率或磨損量，能夠快速準確的測定材料磨損性能。

實驗室中最早用于評價材料磨粒磨損性能的方法是1976年提出的橡膠輪式磨損試驗［10］，研制了橡膠輪式試驗機并制定了標準化的試驗方法。橡膠輪式磨損試驗可分為兩類：干砂型和濕砂型，前者采用固體磨料，后者則采用泥漿，其原理是施加一定壓力使試樣緊貼橡膠輪，固體磨料或泥漿在橡膠的壓力下在試樣表面產生劃痕，產生磨粒磨損。兩類試驗分別于2010年和2007年修訂ASTM G65-04和ASTM G65-02的最新標準。常用的三體磨粒磨損試驗機包括銷盤磨粒磨損試驗機［11］、旋轉輪磨粒磨損試驗機和葉輪—滾筒沖擊磨粒磨損試驗機［12］，試驗原理如圖2所示。銷盤磨粒磨損試驗機的試驗原理是將施加一定載荷的銷釘式試樣緊貼以砂紙或砂布作為磨料的圓盤，試樣與砂紙接觸產生磨粒磨損。旋轉輪式磨粒磨損試驗機是試樣以一定的壓力壓在轉動的磨輪上，旋轉輪的運動方向與磨料方向一致，在旋轉過程中試樣表面與磨料接觸產生磨粒磨損。葉輪—滾筒沖擊磨粒磨損試驗機是在葉輪軸的轉動下，帶動試樣葉片在滾筒中進行旋轉，試樣與滾筒中的磨料相接觸產生磨粒磨損。

磨粒磨損試驗雖然具有測試速度快、參數容易控制和快速高效等優點，但由于磨粒磨損試驗環境單一，而實際耕作的土壤環境復雜，且包含不同質地的土壤、大小不一的石塊和多種作物秸稈等，模擬性差，結果準確性與田間差距較大。如Yazici［13］通過研究犁鏵經熱處理后的磨損性能，分別進行了盤銷試驗與田間試驗，研究結果發現由于土壤環境和實際工作速率的差別較大，使得盤銷試驗和田間試驗結果之間差異較大。Er等［14］使用Plint TE53通用磨損試驗機分別對滲硼、滲碳和未處理的SAE 950℃鋼進行磨損試驗，將磨粒磨損試驗與田間試驗結果進行對比時發現，犁鏵在耕作過程中與土壤環境中的硬質顆粒（石頭、巖石和根部等）發生碰撞或接觸導致磨損，而在實驗室中僅通過砂紙不能取得較好的結果。

2.2 小型土壤環境磨損試驗

農機耕作部件的實際工作環境較為復雜，磨料并非由單一成分，而是由不同大小的砂石顆粒和不同的土壤組成的復雜混合物，而且耕作部件在實際工作中受到的作用力不斷變化。為了更好地研究農機耕作部件在土壤中的磨損情況，國內外研究學者研制了一系列土壤環境條件下的磨損試驗機，并在這些試驗機上進行了耕作部件材料的磨損性能測試。國內在1981年研制了JMM型土壤磨粒磨損試驗機［15］，利用該試驗機分析了磨料的成分、土壤的含水率、試樣安裝迎角等因素對65Mn和45號鋼材料磨損性能的影響規律，并與田間磨損性能試驗結果進行了比對，證實該試驗機能夠模擬土壤工作部件在實際工作狀況下的磨損情況。隨后，佳木斯大學［8］、沈陽農業大學［1617］等也研制了類似的小型土壤環境磨損試驗機（圖3），試驗機主要由傳動機構、圓形土槽、試樣、覆土器、壓實輪等組成。利用上述試驗機，研究了深松鏟、犁鏵等耕作部件材料的耐磨性，對比了表面強化處理前后耕作部件的耐磨性，分析了不同部件材料的磨損機理。

除了圓形/環形結構的試驗機之外，周玉梅等［18］研制了一臺盒式結構可直線運動的小型土壤環境磨損試驗機，可同時對兩組試樣進行試驗，避免了傳統圓周轉動的磨損試驗機中農機觸土部件的磨損差異，使得更接近實際生產。

國外研究學者也開發了小型土壤環境磨損試驗測試裝備，并對耕作部件材料和在不同的土壤環境等條件進行了耐磨性能試驗。Yazici［4］研制了一臺環形土箱的磨損測試裝置，并通過該測試裝置對比了淬火鋼30MnB5和調制鋼28MnCrB5的耐磨性，結果表明調制鋼28MnCrB5的磨損量更小。Jerzy等［19］在“旋轉碗”試驗臺上，使用30mm×25mm×10mm規格的試樣探究了氮化物增強碳化硅、農機耕作部件常用耐磨鋼、硼鋼等三種不同材料在土壤環境中的耐磨性能，結果表明氮化物增強碳化硅耐磨性最優。Bedolla等［20］設計了耕作刀具磨損試驗機，由變速異步電機驅動試樣做旋轉運動，其托架在齒輪電機和齒輪齒條的帶動下做水平方向的直線運動，形成復合運動，可實現耕作刀具的高速運動。利用0～2mm的硅砂與一定量的水混合形成類似于沙質潮濕土壤，進行磨粒磨損試驗，結果發現磨損量與磨損時長有一定的關系。

上述小型土壤環境磨損試驗可模擬實際工況，達到縮短試驗周期的目的，其試驗機占地面積小，結構簡單易操作。但是由于試件的形狀固定，不能針對耕作過程中的實際部件進行試驗，無法探究耕作部件易磨損部位的磨損程度。除此之外，缺乏試驗過程中摩擦力、阻力、扭矩、功耗，土壤的濕度、堅實度等數據的實時檢測。

2.3 土槽試驗

土槽試驗是應用于車輛地面力學研究的試驗平臺，被測行走機構安置于土槽臺車上，通過調節負載、控制速度等參數，研究被測行走機構與土壤之間相互作用關系，被廣泛應用在車輪、履帶牽引、入土部件檢測等方面［21］。土槽試驗臺按形狀分為條形和環形，按照田地分為旱田和水田，按照規模分為大規模、中規模和小規模試驗臺［22］。土槽試驗臺通常由土槽、實驗臺車、數據采集系統三部分組成。

早在1914年，Ani等［23］建立完善了第一個土槽試驗臺，并在土槽中開展了耕作部件與土壤關系的研究。隨后，美國、日本、英國、中國等國家也相繼建立土槽實驗室，用于軍事、農業、搜救、采礦、陸地勘探、林業等行業。我國室內土槽的研究及應用起步較晚，但發展并不緩慢［24］，在20世紀50年代，洛陽拖拉機研究所建成了第一條土槽，但裝置簡陋、精度差，土壤的壓實恢復、測速測力等均需要人工完成。隨后，中國農機院、吉林大學、華南農業大學等科研院所建立了更加自動化、智能化的土槽試驗臺。21世紀后，土槽數量逐步增多（表1），先進的技術手段也被用于土槽試驗臺。如利用高速攝像技術微型土槽試驗機進行磨損試驗，使用玻璃圍擋、高速攝像裝置、計算機和圖像處理軟件，可以實現從外面觀測并實時采集和記錄耕作部件與土壤之間的相互作用［25］。重慶理工大學的許洪斌等［26］使用研制的微耕機旋轉耕作部件試驗臺進行磨損試驗，該試驗臺的土壤恢復系統能夠對耕作后的土壤進行自動噴淋、平整、壓實，以保證其含水率和堅實度，并且試驗及維護成本低、控制系統簡單可靠。西北農林科技大學的Wang等［27］使用土槽試驗臺進行磨損試驗時，壓實機構先采用了夯實頻率為每分鐘420～650次的振動夯進行壓實，使用滾筒進行再次壓實，兩遍壓實操作更能還原田間土壤的堅實度。

土槽試驗臺能夠模擬田間試驗環境、懸掛多種耕作部件，控制試驗參數、縮短試驗周期、減少試驗成本、試驗結果易觀測處理，還能夠通過安裝傳感器來得到試驗過程中耕作部件所受到的載荷、摩擦力、扭矩、功耗等各項參數，為數字化模擬仿真也提供了參考依據。但是大部分的土槽試驗臺的占地面積較大，臺車運行耗能高，耕作機具、刮土板等工作裝置的升降均采用液壓缸推動，設備維護成本高，移動精度低。圓形土槽試驗由于兩側速度不一致，將會影響機具耕作阻力及耐磨性測試的精度。

隨著我國農機市場的蓬勃發展，實驗室內土槽試驗臺向綜合性、高速性、多功能化的方向發展。可開展耕種收多環節、不同種類的農機部件性能與土壤環境相互作用的試驗，可研究不同坡度、速度、負載以及水田旱田一體化等實驗內容，可結合數據采集、虛擬技術和圖像處理等手段并建立更完備的數據庫。

3 農機耕作部件磨損性能數值模擬仿真

近年來，利用數值模擬方法分析耕作部件在工作過程中的受力、磨損、變形以及耕作部件表面劃痕等方面取得了可觀的發展。數值模擬方法不但可以直接模擬耕作部件與土壤相互作用，而且對于設計出更節能、更減阻的耕作部件有極大的幫助，無需大量的田間試驗。常用的仿真方法包括有限元法［39］（FEM）、計算流體力學［40］（CFD）和離散元法［41］（DEM）等。

耕作部件的仿真研究通常是模擬土壤與耕作部件的相互作用，得到耕作部件所受到的最大應力、應變、扭矩及功耗等。通過對耕作部件結構進行優化或改變工作參數，以達到降低耕作部件在工作過程中所受到的阻力、降低功耗的目的。如雷智高［42］通過建立有限元模型對高速犁進行模擬仿真分析，得到所受阻力進而優化犁體結構參數。王學振等［43］建立了深松鏟的仿真模型，研究了深松鏟在土壤中受到的阻力，通過調整模型中的安裝參數，減小深松鏟在土壤中所受阻力，優化安裝參數，實現最優的耕作性能。Ucgul［44］、劉進寶［45］等建立了犁鏵耕作阻力的模型，分析犁鏵耕作過程的功耗，為優化選配合適的匹配動力，設置安全系數提供依據。方會敏［46］采用離散元法構建土壤—旋耕刀相互作用和秸稈—土壤—旋耕刀相互作用的三維模型，研究了刀具在運動過程中的受力分析。

也有學者通過建立耕作部件—土壤（土壤顆粒）交互作用的模型研究了阻力和磨損之間的關系以及耕作部件表面的磨損形貌。如Zhang等［40］通過ANSYS Fluent構建犁鏵實體模型，在計算流體力學（CFD）軟件使用有限體積法來預測犁體與土壤的相互作用力，使用掃描電子顯微鏡測量實驗室試驗的磨損率，試驗結果表明犁鏵所受的最大應力與最嚴重磨損出現在同一位置。Pu等［47］結合多體動力學（MBD）和有限元分析（FEA）模擬了土壤與犁鏵之間的相互作用，并與現場試驗的結果對比，獲得了移動速度與最大應力、應變以及磨損率的關系。Schramm等［48］使用離散元方法（DEM）根據磨粒磨損的原理對耕作部件與土壤中的磨料的相互作用進行模擬，模擬了耕作部件表面磨損過程。dám等［49］使用離散元法（DEM）模擬出土壤磨粒在耕作部件表面接觸后沿邊緣移動的過程，發現耕作部件表面產生塑性變形導致磨損，模擬獲得的磨損形貌與實際磨損形貌相似。

大量研究證明采用數值模擬方法研究農機耕作部件—土壤的相互作用十分有效，特別是對于耕作部件在工作過程中所受到的阻力、應力應變及功耗等，但是對于直接預測耕作部件的磨損程度及壽命研究較少，并且混入其他作物秸稈或根莖等的土壤仿真工作難度較大，因此，數值模擬在預測磨損、壽命及復雜環境耦合方面仍需進一步研究。

4 展望

農機耕作部件的磨損性能直接影響整機作業效果、效率及功耗，甚至影響糧食作物產量等。研究者通過田間磨損性能試驗、實驗室磨損性能試驗和數值模擬方法等，對耕作部件材料、結構及在不同服役環境下的耐磨性進行評價。雖然田間磨損性能試驗結果最準確，但是受環境影響大，重現性差，而且能耗大、經濟性不好；實驗室磨損性能試驗能高效地篩選耕作部件材料、快速獲得部件的耐磨性能，但在磨損數據的實時采集方面還有不足，而且還未與田間磨損試驗建立關聯；數值模擬方法可以有效地模擬部件與土壤之間的相互作用，有助于部件的結構和工作參數優化，但在多因素環境耦合及模擬精度等方面還有不足。

為了完善和豐富農機耕作部件磨損性能試驗研究體系，發揮磨損性能試驗的優勢，彌補不足，今后的研究可以重點關注以下3個方面。

1） 加快農機耕作部件磨損性能數據庫的建立，將田間磨損性能試驗、實驗室磨損性能試驗和磨損性能仿真模擬的試驗結果進行匯總，建立相互之間的關聯，通過機器學習等手段為今后耕作部件的開發優化提供基礎數據支撐。

2） 建立健全耕作部件磨損性能試驗規范與評價標準，確保不同研究團隊進行的磨損性能試驗具有可對比性。

3） 將試樣/部件試驗與數值模擬研究進行密切結合，以試驗研究為數值模擬提供建模參數和邊界條件，以仿真預測試驗效果，二者相互促進，互為補充，共同推動耕作部件磨損性能試驗研究的發展進步。

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