筑埂機(jī)旋耕切削部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞壽命研究

劉明勇，庫(kù)浩鋒，劉亞?wèn)|※，陳 源，蔡 昊

（1.湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430068；2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430068）

0 引言

在水稻生產(chǎn)的過(guò)程中，修筑田埂是水田灌溉前必不可少的步驟，是整個(gè)水稻生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。水田筑埂是把田塊圍成方格，將水圍在田塊之內(nèi)，使其完全浸潤(rùn)土壤，完成水稻插秧前的準(zhǔn)備工作。這樣不僅能保證水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中水分充足，而且節(jié)約水資源。經(jīng)調(diào)查研究[1-7]，我國(guó)大部分地區(qū)水稻種植的田埂仍采用人工修筑。人工筑埂耗時(shí)費(fèi)力、強(qiáng)度大、效率低、成本高，所筑田埂質(zhì)量較差，其堅(jiān)實(shí)性和均勻性無(wú)法保證，容易產(chǎn)生滲水和滋生雜草，筑埂時(shí)還需將田埂拍打緊實(shí)。隨著水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)水田筑埂的機(jī)械化已迫在眉睫[8]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水田筑埂技術(shù)取得了一定的研究成果。1966年，中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院周勤就等[9]在西集打埂機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款PZX-3.6型平畦筑埂機(jī)，該機(jī)所筑田埂質(zhì)量較差，容易產(chǎn)生滲漏，而水田田埂要足夠堅(jiān)實(shí)，所以該機(jī)無(wú)法滿足水稻種植的實(shí)際需求；1974年，山西省黎城縣農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制成功一種與手扶拖拉機(jī)配套的1ZPK-15型三用筑埂機(jī)，集筑埂、平地、開(kāi)溝3種功能于一體[10]；1998年，山東工程學(xué)院張道林等[11]根據(jù)黃河三角洲鹽堿地多的地理環(huán)境設(shè)計(jì)一種1ZX-1型筑埂機(jī)；2012年，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)趙麗萍等[12]以DTZG-01型稻田筑埂機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型水田整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機(jī)。

目前筑埂機(jī)普遍存在功耗較大，磨損嚴(yán)重，筑埂成型部分只是表面壓實(shí)而內(nèi)部松散，且適應(yīng)性較差等一系列問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)一種新型旋耕切削裝置，可對(duì)埂型側(cè)部土壤切削并拋擲到筑埂成型區(qū)域內(nèi)，通過(guò)鎮(zhèn)壓成型部件完成筑埂成型。

1 筑埂機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局

水田筑埂機(jī)主要由機(jī)架、旋耕切削裝置、鎮(zhèn)壓成型裝置、傳動(dòng)裝置、機(jī)罩等部件組成。工作前，通過(guò)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)控制三點(diǎn)懸掛裝置的升降，使整機(jī)的高度滿足其工作條件和埂型要求。工作時(shí)，拖拉機(jī)提供的動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器傳遞到主變速箱，并通過(guò)主變速箱將動(dòng)力傳遞給旋耕切削裝置，旋耕切削裝置與土壤相互作用充分破碎土壤。同時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)鏈箱內(nèi)的鏈條將主速箱的動(dòng)力傳遞到鎮(zhèn)壓成型裝置，從而帶動(dòng)鎮(zhèn)壓成型裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。本文研究的筑埂機(jī)旋耕切削裝置設(shè)計(jì)為左右2個(gè)刀軸，刀具在左右刀軸上對(duì)稱排列，兩側(cè)刀軸工作過(guò)程中向中間聚土。隨后鎮(zhèn)壓成型裝置壓實(shí)破碎的土壤顆粒，最終形成堅(jiān)實(shí)可靠的田埂。水田筑埂機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 水田筑埂機(jī)三維模型Fig.1 Three-dimensional model of paddy field embankment machine

2 旋耕切削裝置設(shè)計(jì)

筑埂機(jī)旋耕切削裝置由旋耕彎刀、拋土彎刀、L型彎刀以及刀軸等部件組成。旋耕彎刀切削土壤，使土壤破碎充分；拋土彎刀對(duì)切削土壤實(shí)現(xiàn)二次破碎，并將土壤拋擲于后側(cè)方鎮(zhèn)壓成型裝置的工作區(qū)域；L型彎刀為切型刀，將土壤切削為梯形截面的初始田埂。筑埂機(jī)旋耕切削裝置設(shè)計(jì)為左右2個(gè)刀軸，刀具在左右刀軸上對(duì)稱排列。

根據(jù)農(nóng)藝要求，對(duì)筑埂所需土量進(jìn)行分析：田埂埂底寬400～600 mm，埂頂寬250～350 mm，埂高250～300 mm。旋耕切削裝置工作截面如圖2所示。

圖2 旋耕切削裝置工作截面示意圖Fig.2 Working section diagram of rotary tillage cutting device

由于左右刀軸對(duì)稱布置，刀軸左右取土面積等于所筑田埂的總面積，田埂的截面積為

式中 S1為田埂截面積，mm2；l2為二分之一埂底寬，mm；l1為埂頂寬，mm；H1為埂高，mm。

筑埂機(jī)單側(cè)的取土截面積為

式中 S2為單側(cè)取土截面積，mm2；H為筑埂機(jī)取土寬度，mm；θ為田埂坡度夾角，（°）；h為取土深度，mm。

當(dāng)筑埂機(jī)取土量與筑埂所需土量相同時(shí)，兩者之間的關(guān)系為

式中 k為土壤堅(jiān)實(shí)度相關(guān)系數(shù)，在0.8～1.0間取值。

根據(jù)式（1）、（2）、（3）可得，旋耕切削裝置取土寬度為

將相關(guān)參數(shù)代入式（4），可得旋耕切削裝置取土寬度H=500～800 mm，本研究中設(shè)計(jì)的旋耕切削裝置單側(cè)寬度為600 mm，設(shè)計(jì)尺寸在該范圍內(nèi)，滿足取土量的要求。

3 建立刀具與土壤耦合接觸模型

土壤顆粒個(gè)體之間相互作用，存在著特殊的粘結(jié)和復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系，筑埂機(jī)的筑埂質(zhì)量好壞與土壤物理特性緊密聯(lián)系。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本研究主要參考南方地區(qū)水田土壤特性（含水率15%～20%）。通過(guò)篩分法試驗(yàn)，測(cè)得土壤顆粒半徑大部分介于0.5～5.0 mm范圍內(nèi)。采用Hertz-Mindlin with Bonding 接觸模型模擬土壤的物理狀態(tài)。由于筑埂機(jī)作用于水稻灌溉前的田埂修筑，根據(jù)南方水稻種植地區(qū)土壤的相關(guān)物理參數(shù)以及查閱相關(guān)的資料[13]，利用離散元軟件設(shè)置的土壤參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真試驗(yàn)的土壤參數(shù)Tab.1 Soil parameters of simulation tests

本文運(yùn)用Solidworks三維軟件對(duì)研究刀具進(jìn)行實(shí)體建模，再導(dǎo)入到EDEM軟件中。由于刀具工作時(shí)所處的環(huán)境較為惡劣，筑埂機(jī)的旋耕切削部件須達(dá)到其使用要求，所選刀具材料均為65Mn，密度為7 850 kg/m3，剪切模量為7.9×1010Pa，泊松比為0.3[14,15]。選擇半徑為5 mm的圓球作為土壤顆粒模型，采用1 000 mm×400 mm×150 mm （長(zhǎng)×寬×高）的土槽，生成的顆?？倲?shù)為68 000個(gè)，并設(shè)置相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度。仿真開(kāi)始時(shí)生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩(wěn)定后旋耕彎刀開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直至仿真結(jié)束。旋耕彎刀工作仿真模型如圖3所示。

圖3 旋耕彎刀工作仿真模型Fig.3 Simulation model of rotary tillage bender

4 不同刀具工作性能分析

4.1 旋耕彎刀性能試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)刀具實(shí)際加工要求，選擇模擬彎折角范圍為120～140°。由圖4可知，隨著旋耕彎刀彎折角的增大，粘接鍵斷裂個(gè)數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在125°時(shí)達(dá)到最大，粘接鍵斷裂最大值為27 885個(gè)；旋耕彎刀所受扭矩呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并在125°時(shí)最小，最小值為62.52 N·m。在工作參數(shù)一定的前提下，旋耕彎刀彎折角的改變會(huì)對(duì)其功耗和碎土效果產(chǎn)生影響。在模擬彎折角范圍內(nèi)，彎折角為125°時(shí)，碎土效果最好，功耗最低。

圖4 旋耕彎刀扭矩和粘接鍵破壞情況隨彎折角大小變化曲線Fig.4 Curve of torque and bonding bond failure of rotary tillage bender with bending angle

由圖5可知，隨著旋耕彎刀幅寬的增大，旋耕彎刀所受扭矩與粘接鍵斷裂個(gè)數(shù)的變化趨勢(shì)相同，都是逐漸增大，并在60 mm時(shí)達(dá)到最大值，粘接鍵斷裂最大值為27 535個(gè)，旋耕彎刀所受扭矩最大值為73.24 N·m。幅寬為60 mm時(shí)的土壤破碎率比40 mm時(shí)提高了5%。雖然此時(shí)旋耕彎刀所受扭矩值要比40 mm時(shí)要大，但考慮到單位幅寬扭矩時(shí)，旋耕彎刀的功率消耗要比40 mm時(shí)小，這與正交試驗(yàn)所得的結(jié)果相同。因?yàn)榈毒叻鶎捲龃罂梢詼p少刀具數(shù)量，因此，綜合考慮選取旋耕彎刀的幅寬值為60 mm。

圖5 旋耕彎刀扭矩和粘接鍵破壞情況隨幅寬大小變化曲線Fig.5 Curve of torque and bonding bond failure of rotary tillage bender with width

由圖6可知，隨著旋耕彎刀正切面端面刀高的增大，粘接鍵斷裂個(gè)數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在55 mm時(shí)達(dá)到最大值，粘接鍵斷裂最大值為29 400個(gè)，土壤破碎率比40 mm時(shí)提高了6.3%，此時(shí)旋耕彎刀所受扭矩為70.55 N·m。但考慮到筑埂機(jī)工作時(shí)，土壤的破碎效果越好所筑田埂質(zhì)量越好，因此，綜合考慮選取旋耕彎刀正切面端面刀高的較優(yōu)值為55 mm。

4.2 拋土彎刀性能試驗(yàn)結(jié)果分析

拋土彎刀是筑埂機(jī)旋耕切削裝置的組成部分，其作用是對(duì)切削土壤實(shí)現(xiàn)二次破碎，并將土壤拋擲于后側(cè)方鎮(zhèn)壓成型裝置的工作區(qū)域。由于其工作需求的限制，拋土彎刀主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為彎折角和幅寬。探究拋土彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)與扭矩和土壤破碎情況的關(guān)系，其方法與旋耕彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法大致相似。除刀具不同外，其他因素不變。

圖6 旋耕彎刀扭矩和粘接鍵破壞情況隨正切面端面刀高大小變化曲線Fig.6 Curves of torque and bonding bond failure of rotary tillage bending cutter with size of cutter height on tangential face

由圖7可知，粘接鍵斷裂個(gè)數(shù)隨彎折角的增大而減小，并在120°時(shí)達(dá)到最大，最大值為20 062個(gè)，而拋土彎刀所受扭矩呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并在140°時(shí)最小，最小值為65.4 N·m。拋土彎刀彎折角在120°時(shí)碎土效果最佳，土壤破碎率比140°時(shí)提高了6.1%，而此時(shí)拋土彎刀所受扭矩為66.84 N·m，與最小扭矩值相差不大。因此，綜合考慮選取拋土彎刀的彎折角較優(yōu)值為120°。

圖7 拋土彎刀扭矩和粘接鍵破壞情況隨彎折角大小變化曲線Fig.7 Curves of torque and bonding bond failure of soil throwing bending tool with bending angle

由圖8可知，由于拋土彎刀的作用是對(duì)切削土壤實(shí)現(xiàn)二次破碎并起到拋擲土壤的作用，隨著拋土彎刀幅寬逐漸增大，粘接鍵斷裂個(gè)數(shù)變化不大；而拋土彎刀所受扭矩隨幅寬的增大而增大，并在80 mm時(shí)最小，最小值為64.07 N·m，因此從能耗的角度考慮選取拋土彎刀幅寬較優(yōu)值為80 mm。

圖8 拋土彎刀扭矩和粘接鍵破壞情況隨幅寬大小變化曲線Fig.8 Torque of soil throwing cutter and failure of bonding key vary with width

4.3 L型彎刀性能試驗(yàn)結(jié)果分析

L型彎刀為切型刀，其主要作用是將土壤切削為梯形截面的初始田埂，起到修筑田埂的效果。由于其工作需求的限制，L型彎刀主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為幅寬。探究拋土彎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)與扭矩和土壤破碎情況的關(guān)系，其方法與上節(jié)相似。

圖9 L型彎刀扭矩和粘接鍵破壞情況隨幅寬大小變化曲線Fig.9 The curves of the torques of L-shaped benders and the failure of bonding keys varying with width

由圖9可知，L型彎刀所受扭矩和粘接鍵斷裂個(gè)數(shù)隨幅寬的增大而趨于穩(wěn)定。這是由于L型彎刀主要作用是將土壤切削為梯形截面的初始田埂，在田埂形狀大小不變情況下，L型彎刀切削刃工作時(shí)與土壤的接觸面積相同。從材料損耗的角度考慮，當(dāng)?shù)毒叻鶎挒?0 mm時(shí)，刀具所用的材料最小。因此，選取L型彎刀幅寬較優(yōu)值為40 mm。

在工作參數(shù)一定的前提下，旋耕彎刀彎折角為125°，幅寬為60 mm，正切面端面刀高為55 mm，側(cè)切刃包角為27°時(shí)，刀具功耗相對(duì)較低而且碎土效果較好；拋土彎刀的彎折角為120°，幅寬為80 mm時(shí)，刀具的功耗及碎土效果較好；從材料損耗的角度考慮，L型彎刀幅寬為40 mm時(shí)，刀具所用的材料最小。

5 旋耕彎刀疲勞壽命分析

5.1 確定旋耕彎刀的S-N曲線

在這3種刀具中，旋耕彎刀是旋耕切削裝置的重要組成部分。旋耕彎刀切削土壤，使土壤破碎充分，提供充足的土壤。刀具在工作過(guò)程中磨損也更加嚴(yán)重。

旋耕彎刀在工作過(guò)程中受環(huán)境條件影響較大，刀體受到的載荷具有隨意性以及不穩(wěn)定性。但刀具在工作過(guò)程中的受力情況還是可以大致反映出來(lái)。本文利用有限元軟件在旋耕彎刀受力面上設(shè)置數(shù)個(gè)受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在1個(gè)工作周期內(nèi)將受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取出來(lái)，并對(duì)其受力情況進(jìn)行分析，得到旋耕彎刀最易破壞的部位，為后期的疲勞壽命分析做準(zhǔn)備。

本文通過(guò)所用刀具材料的S-N曲線推導(dǎo)出旋耕彎刀的S-N曲線。旋耕彎刀所用材料為65 Mn，通過(guò)查閱資料[16]，得到該材料的S-N曲線的表達(dá)式為

式中 N為65 Mn材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)；σ為發(fā)生疲勞破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)所對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)力，MPa。采用名義應(yīng)力法修正后的旋耕彎刀的S-N曲線的表達(dá)式為

5.2 測(cè)試點(diǎn)的選取以及數(shù)據(jù)的分析

在旋耕彎刀受力較大的區(qū)域設(shè)置數(shù)個(gè)受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置及相對(duì)應(yīng)的模型位置如圖10所示。

根據(jù)工程中常用的第四強(qiáng)度理論，通過(guò)有限元軟件將旋耕彎刀在1個(gè)工作周期內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)受到的等效應(yīng)力情況提取出來(lái)，如圖11所示。

由圖11可知，旋耕彎刀在1個(gè)工作周期內(nèi)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的周期性變化，該變化特點(diǎn)與研究刀具受力情況相近。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置離刀座連接處越遠(yuǎn)，受到的等效應(yīng)力變化越小，刀具越不容易受到破壞。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1受到的等效應(yīng)力最大，最大值為164.88 MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)6受到的等效應(yīng)力最小，最小值為87.5 MPa。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力均沒(méi)有超過(guò)刀具材料的許用應(yīng)力。但這只是1個(gè)周期作用下刀具的等效應(yīng)力，在實(shí)際工作中，刀具在交變載荷的持續(xù)作用下，可能發(fā)生低于刀具強(qiáng)度極限而疲勞破壞的情況。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置布置圖Fig.10 Location layout of monitoring points

圖11 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化圖Fig.11 Stress variation diagram of each monitoring point

5.3 旋耕彎刀疲勞壽命估算

以旋耕彎刀的S-N曲線為基礎(chǔ)，采用Miner線性疲勞累積損傷理論，對(duì)旋耕彎刀的疲勞壽命進(jìn)行估算。由Miner理論可知，當(dāng)損傷值時(shí)，可以認(rèn)定被研究對(duì)象開(kāi)始發(fā)生破壞。利用Matlab軟件計(jì)算得出，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一定的工況下，達(dá)到失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)，如表2所示。

由表2可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的疲勞壽命最短，該點(diǎn)位于旋耕彎刀與刀座的連接處，該部位在使用的過(guò)程中可能最先發(fā)生疲勞破壞，但屬于刀具正常的使用范圍；越遠(yuǎn)離刀具與刀座連接部位，使用壽命越長(zhǎng)，可根據(jù)該表對(duì)旋耕彎刀的形狀作出近一步優(yōu)化。

表2 旋耕彎刀各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)Tab.2 Number of cycles experienced by each monitoring point of rotary tillage cutter

6 結(jié)論

采用離散元法研究不同刀具與土壤接觸的作用機(jī)理，分析不同刀具的功耗問(wèn)題，探究不同刀具對(duì)碎土效果的影響，在工作參數(shù)一定的前提下，旋耕彎刀彎折角為125°，幅寬為60 mm，正切面端面刀高為55 mm，側(cè)切刃包角為27°時(shí)，刀具功耗相對(duì)較低而且碎土效果較好；拋土彎刀的彎折角為120°，幅寬為80 mm時(shí)，刀具的功耗及碎土效果較好；從材料損耗的角度考慮，L型彎刀幅寬為40 mm時(shí)刀具所用的材料最小。

采用有限元法建立了旋耕彎刀有限元模型，并在模型上設(shè)置數(shù)個(gè)受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力進(jìn)行采集，采用名義應(yīng)力法對(duì)材料的S-N曲線進(jìn)行修正，得到旋耕彎刀的S-N曲線，通過(guò)計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命。結(jié)果表明，位于旋耕彎刀與刀座的連接處疲勞壽命最短，該部位在使用的過(guò)程中可能最先發(fā)生疲勞破壞，可以作為優(yōu)化刀具的參考方向，為延長(zhǎng)刀具的使用壽命提供理論依據(jù)。