可調(diào)節(jié)埂型水田筑埂機的研究設(shè)計

劉明勇 劉亞東 庫浩鋒 陳龍 謝柏林

摘要：針對目前人工筑埂存在勞動強度大、效率低、成本高和筑埂質(zhì)量不理想等問題，設(shè)計一種可調(diào)節(jié)埂型的水田筑埂機。該筑埂機由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、集土作業(yè)總成、壓實成型作業(yè)總成和機架等部分組成。闡述其工作原理和關(guān)鍵部件設(shè)計方法。利用Solidworks軟件建立其關(guān)鍵部件的簡化模型，采用離散元和有限元軟件，分別對集土裝置和鎮(zhèn)壓成型裝置進行力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，集土裝置的弧形刀片優(yōu)化后受到的等效應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，鎮(zhèn)壓成型裝置的強度和剛度符合要求。

關(guān)鍵詞：筑埂機;水田;集土裝置;鎮(zhèn)壓成型裝置;可調(diào)節(jié)埂型

中圖分類號： S222.5+3 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0245-05

收稿日期：2019-04-08

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2017YFD0701105-03）。

作者簡介：劉明勇（1986—），男，江西九江人，博士，副教授，主要從事農(nóng)機動力學(xué)研究。

通信作者：劉亞東，碩士研究生，主要從事農(nóng)機動力學(xué)研究。

在我國水稻是主要糧食作物。在水稻生產(chǎn)過程中，筑埂是必不可少的步驟。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國大多數(shù)地區(qū)水田筑埂仍采用人工來完成。人工筑埂既耗時又費力，勞動強度大，工作效率低，成本高。所筑田埂堅實性和均勻性差，需要人工進行壓實[1-7]。人工筑埂已不適合現(xiàn)在水田機械化的發(fā)展，更不利于我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展;因此，及時有效地修筑田埂是水稻機械化生產(chǎn)的必要條件。

目前，國內(nèi)外對筑埂機已有了一定的研究成果。1966年，由中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院的周勤就等在西集打埂機的基礎(chǔ)上研制改進設(shè)計出來了PZX-3.6型平畦筑埂機[8]，該機是中國歷史上第一臺筑埂機。1976年，東北農(nóng)學(xué)院農(nóng)機系的蔣亦元等在仿蘇“ZKG”型筑埂機的基礎(chǔ)上成功研制了1ZS-1型懸掛式水田筑埂機，該機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、筑埂堅固、適應(yīng)性強、作業(yè)效率高[9]。1998年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機研究所王立臣等成功研制了一種新型的懸掛式田間筑埂機，該機適用于水田的筑埂作業(yè)，埂形狀為梯形[10]。2013年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的王金峰等開發(fā)出一種懸掛式水田筑埂機，該筑埂機可實現(xiàn)180°翻轉(zhuǎn)，將田埂拐角處不能修筑的部分修筑完成[11]。2013年，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙麗萍等設(shè)計了一種新型水田整地筑埂聯(lián)合作業(yè)機，該機可以進行整地、筑埂或者是整地筑埂聯(lián)合作業(yè)[12]。國外對于水田筑埂技術(shù)的研究起步較早，當(dāng)今日本和韓國處于世界領(lǐng)先的地位。日本和韓國大多是采用的單面筑埂的作業(yè)方式，以拖拉機為動力，質(zhì)量輕、能耗低、工作效率高，其工作效率比人工高幾十倍[13]。當(dāng)前我國的水田筑埂機存在功耗較大、磨損嚴重、筑埂成型部分只是表面壓實而內(nèi)部松散，只能修筑固定埂型不能改變田埂大小，大多數(shù)筑埂機只注重整機的實驗開發(fā)，缺乏對理論的深入研究等一系列問題。本研究設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)埂型的水田筑埂機，該機使用40～60 kW拖拉機為動力，采用三點懸掛連接。整機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可實現(xiàn)快速切削取土，調(diào)節(jié)埂型的特點，所筑田埂適應(yīng)性強，不易生長雜草，能夠有效解決人工筑埂帶來的諸多問題，滿足水稻生產(chǎn)機械化發(fā)展的需要。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

可調(diào)節(jié)埂型的水田筑埂機主要由機架、懸掛裝置、集土裝置、鎮(zhèn)壓成型裝置、傳動系統(tǒng)、機罩等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作前，通過拖拉機驅(qū)動控制2個中空柱塞液壓油缸工作，調(diào)節(jié)好羽片的角度，以達到在筑埂前調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)埂形尺寸大小的目的。工作時，拖拉機將動力通過萬向節(jié)傳遞到主變速箱4，通過2對錐齒輪將動力分別傳遞到左右副變速箱3、6;左右副變速箱3、6再將動力傳遞給左右2個集土輪11。與此同時，左右副變速箱3、6通過傳動鏈箱8內(nèi)的鏈條將動力傳遞到鎮(zhèn)壓輪的動力輸入鏈輪，從而帶動鎮(zhèn)壓輪9的轉(zhuǎn)動。左右副變速箱3、6再將動力傳遞給左右2個集土輪11，驅(qū)動集土輪11旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)旋切土壤的作用;被切削的土壤集中在2個集土輪的中間初步形成土埂，土埂經(jīng)鎮(zhèn)壓輪作用，最終形成一條堅實光滑的土埂。

2 主要部件的設(shè)計

2.1 集土裝置的設(shè)計

集土裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

集土裝置是由弧形刀片1和集土輪輪轂2等部分組成。集土裝置包括套裝在集土輪軸上的輪轂和均勻固定在輪轂上的多根弧形刀片，集土裝置的刀片截面為圓弧形，中部凹陷，用于盛裝泥土，切土面刃口較低，便于切削土壤;其輻角α為20°～30°，半徑R為300～350 mm，葉片與輪轂之間的傾斜角角度θ為10°～30°。2個集土裝置對稱布置，所切削的土壤通過弧形刀片的旋轉(zhuǎn)集中到兩輪中間。由于集土裝置的工作方向與筑埂機的前進方向相互垂直，集土裝置在工作時要考慮切削質(zhì)量與功率消耗。前進速度過快會導(dǎo)致土壤切削不充分，切削的土壤土塊較大會造成所筑土埂疏松，并且耗能較大。集土裝置的轉(zhuǎn)速過快會造成所切土壤不能順利排出，導(dǎo)致土壤在弧形刀片內(nèi)產(chǎn)生擁堵，不能達到堆積土壤的效果，并且可能產(chǎn)生刀片斷裂的危險。

筑埂機在工作時，機體的前進速度為0.8～1 km/h，筑埂機集土裝置的轉(zhuǎn)速為250～300 r/min。

2.2 鎮(zhèn)壓成型裝置的設(shè)計

鎮(zhèn)壓成型裝置為旋轉(zhuǎn)式，安裝在集土裝置的后面。由于鎮(zhèn)壓成型裝置所筑土埂的橫截面形狀為梯形，所筑土埂需要一定的堅實度。因此，將鎮(zhèn)壓成型裝置按土埂的輪廓外形，設(shè)計成由中部鎮(zhèn)壓成型滾筒7、羽片5和彈性壓片6等部分組成。其中滾筒7沿軸向鋪設(shè)多根彈性壓片，滾筒兩端環(huán)形活動插裝有多根羽片5，中空柱塞液壓油缸4經(jīng)固定件固定在鎮(zhèn)壓輪軸1上，并通過撐桿8分別與對應(yīng)的羽片連接（圖3）。

該筑埂機在工作時，當(dāng)羽片旋轉(zhuǎn)接觸土埂表層時，羽片向內(nèi)壓縮，實現(xiàn)對土埂表面的擠壓和拍打，當(dāng)羽片旋轉(zhuǎn)脫離土埂表層時，羽片就恢復(fù)到了初始狀態(tài)，與此同時，滾筒上的彈性壓片隨著滾筒的轉(zhuǎn)動對土埂的頂部不斷實現(xiàn)拍打。所筑土埂表面堅實光滑，筑埂質(zhì)量非常好，能有效抑制雜草的生長。通過控制羽片的運動從而改變所筑埂形的尺寸大小，以適應(yīng)不同地區(qū)對土埂規(guī)格的要求。

2.3 鎮(zhèn)壓成型裝置的力學(xué)分析

為了探究鎮(zhèn)壓成型裝置的作業(yè)特性，分析其影響筑埂質(zhì)量的主要因素，對鎮(zhèn)壓成型裝置進行力學(xué)分析。以滾筒的中心為坐標原點，建立所需的空間直角坐標系，鎮(zhèn)壓成型裝置勻速前進完成筑埂作業(yè)，圖4為所建立的受力分析圖。鎮(zhèn)壓成型裝置主要受力為機具的牽引力T、土埂頂部對滾筒的接觸摩擦力F1、土埂側(cè)面對羽片的接觸摩擦力為F2，M為鎮(zhèn)壓成型裝置的主動力矩。

當(dāng)鎮(zhèn)壓成型裝置勻速運動時，其平衡方程為：

∑Fx=F1+F2-T=0∑Fy=N1+N2sinθ-G1-G2=0∑Mxoy=M-N1e-F1h-F2l=0F1=uN1，F(xiàn)2=uN2sinθ。（1）

式中：Fx為鎮(zhèn)壓成型裝置沿x軸方向所受力，N;Fy為鎮(zhèn)壓成型裝置沿y軸方向所受力，N;u為鎮(zhèn)壓成型裝置與土壤間的摩擦系數(shù);θ為滾筒與羽片的安裝角;e為N1到y(tǒng)軸的距離，mm;l為F2到x軸的距離，mm;h為滾筒中心到已筑土埂頂部的距離，mm。

為保證鎮(zhèn)壓成型裝置向前滾動的臨界條件為：

M≥N1e+F1h+F2lT≤F1+F2。（2）

選取鎮(zhèn)壓成型裝置的極限摩擦力求解其力矩：

G1=πR21l1ρgG2=πR21l1ρg+2π（R22-R21）sρgF1max+F2max=G1+G2lmax=R2。（3）

將方程組（1）、（3）代入式（2）得

M≥πR21l1ρg（e/u+h+1）+2π（R22-R21）sρgT≤2πρg[R21（l1-s）+R22s]。

將農(nóng)藝田埂相關(guān)參數(shù)及鎮(zhèn)壓成型裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式中，即可求解驅(qū)動力矩極限要求。

2.4 機架與罩殼的設(shè)計

機架安裝在集土裝置和鎮(zhèn)壓成型裝置的上方，由牽引懸掛架、前機架和后機架等部分組成，與變速箱、鏈條箱、液壓油缸、集土輪、鎮(zhèn)壓輪相連接。機架主要起支撐和連接作用，罩殼可使弧形刀片拋向兩集土輪中間的土壤碰到罩殼后受力而繼續(xù)破碎，避免塵土飛揚，改善工作環(huán)境，防止飛濺的土塊傷及周圍人群，從而起到安全保護的作用。機架主梁采用邊長為80×80 mm的方鋼管制作而成。罩殼等板類部件由鋼板沖壓而成。三維模型如圖5所示。

3 主要部件優(yōu)化計算分析

3.1 集土裝置優(yōu)化分析

3.1.1 集土裝置三維模型的建立 運用Solidworks軟件對集土輪進行三維實體建模，根據(jù)集土裝置的功能要求，保留弧形刀片和輪轂，對其他次要部位進行簡化，由于集土裝置的弧形刀片都相同，對其進行有限元分析時只需對其中1個刀片進行分析即可。集土輪簡化模型如圖6所示。將簡化的三維模型以igs格式保存，導(dǎo)入到離散元軟件EDEM中。其中刀片材料為65Mn，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×1011 Pa，泊松比為0.3。

3.1.2 土壤接觸模型及參數(shù)的確定 土壤是由氣、液和固體組成的特性復(fù)雜的物質(zhì)。由于土壤中存在一些特殊成分，使得土壤顆粒間存在一定黏結(jié)力。本研究參考南方地區(qū)土壤的物理性質(zhì)，選擇Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型，該模型通過某些“黏結(jié)鍵”將顆粒黏結(jié)在一起，這種黏結(jié)方式可以承受一定的法向力和切向力，當(dāng)運動使其達到最大的法向和切向應(yīng)力時，顆粒間的這種特殊黏結(jié)遭到破壞。該黏結(jié)模型與實際條件下土壤破裂相符合[14]。仿真實驗中設(shè)定的土壤參數(shù)見表1。

3.1.3 仿真計算及結(jié)果分析

在離散元EDEM中，本實驗選擇半徑為5 mm的圓球作為土壤顆粒模型，試驗土槽的尺寸為1 000 mm×800 mm×250 mm，生成的顆?？倲?shù)為2×105個，設(shè)置一定的前進速度和轉(zhuǎn)速。設(shè)置仿真時步為20%、仿真時間為8 s、數(shù)據(jù)保存間隔時間為0.01 s及網(wǎng)格大小為 5 Rmin（Rmin為最小顆粒半徑）。仿真開始時生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩(wěn)定后集土輪開始運動，直至仿真結(jié)束。生成的離散元仿真模型如圖7所示。

采用有限元軟件，對優(yōu)化前后的刀片進行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖8所示。

圖9為集土裝置弧形刀片在一個工作周期中，不同時段刀片所受到的應(yīng)力優(yōu)化前后對比圖。由圖9可知：4.98 s時，弧形刀片開始接觸土壤模型。4.98 s到5.04 s時，弧形刀片與土壤模型作用，刀片受到的應(yīng)力逐漸增大，在5.04 s時達到最大，在這個過程中弧形刀片起到切削土壤的作用。5.04 s 到5.28 s時，弧形刀片抬升土壤，刀片與土壤模型的作用力逐漸減小，刀片受到的應(yīng)力逐漸減小。5.28 s到 5.52 s 時，弧形刀片受到的等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

由集土裝置弧形刀片的優(yōu)化前后分析結(jié)果可以看出：優(yōu)化前， 集土裝置弧形刀片應(yīng)力最大處發(fā)生在彈性壓片與滾筒的連接處，所受到的最大等效應(yīng)力為452.45 MPa。優(yōu)化后，集土裝置弧形刀片所受到的最大等效應(yīng)力為176.82 MPa，集土裝置弧形刀片所用材料為65Mn，65Mn的許用應(yīng)力為 785 MPa[15]，彈性壓片的最大等效應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，故該鎮(zhèn)壓裝置的強度滿足要求。

3.2 鎮(zhèn)壓成型裝置優(yōu)化分析

3.2.1 鎮(zhèn)壓成型裝置三維模型的建立

為了避免模型過于復(fù)雜，仿真分析耗時較長，因此對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕幚怼＿\用Solidworks軟件對鎮(zhèn)壓裝置進行三維實體建模，簡化后的模型如圖10所示。根據(jù)實際的工況，采用離散元EDEM進行分析，鎮(zhèn)壓輪材料選用45號鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2.1×1011 Pa，泊松比為0.269。

3.2.2 仿真計算及結(jié)果分析

在離散元EDEM中，本試驗選擇半徑為5 mm的圓球作為土壤顆粒模型，試驗土槽的尺寸為2 000 mm×1 200 mm×600 mm，生成的顆?？倲?shù)為 4.6×107個，設(shè)置一定的前進速度和轉(zhuǎn)速。設(shè)置仿真時步為20%、仿真時間為19 s、數(shù)據(jù)保存間隔時間為0.01 s及網(wǎng)格大小為5 Rmin。仿真開始時生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩(wěn)定后鎮(zhèn)壓輪開始運動，直至仿真結(jié)束。生成的離散元仿真模型如圖11所示。

采用有限元軟件，對鎮(zhèn)壓成型裝置進行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖12、圖13所示。

由鎮(zhèn)壓成型裝置的分析結(jié)果可以看出：鎮(zhèn)壓成型裝置羽片變形最大處發(fā)生在其最遠端，最大變形量為0.400 58 mm。

由于鎮(zhèn)壓成型裝置選用的是45號鋼，其許用變形量為0.3～1.3 mm[15]，羽片的最大變形量小于材料的許用變形量，故其剛度滿足要求。應(yīng)力最大處發(fā)生在羽片與滾筒的連接處，所受到的最大等效應(yīng)力為241.91 MPa，45號鋼的許用應(yīng)力為355 MPa[15]，羽片的最大等效應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，故該鎮(zhèn)壓成型裝置的強度滿足要求。

4 結(jié)語

新研制的可調(diào)節(jié)埂型的水田筑埂機所需的配套動力為40～60 kW·h輪式拖拉機，工作幅寬為1 700 mm，筑埂高度300～400 mm，筑埂頂寬300～400 mm，筑埂底寬600～700 mm，工作速度0.8～1.0 km/h。該新型可調(diào)節(jié)埂型水田筑埂機可在水稻插秧前的水田上完成一次筑埂成型。

利用Solidworks三維建模軟件建立其關(guān)鍵部件的簡化模型，結(jié)合離散元EDEM與有限元軟件，對集土裝置弧形刀片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時對鎮(zhèn)壓裝置進行靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，集土裝置弧形刀片優(yōu)化后受到的等效應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，鎮(zhèn)壓輪的強度和剛度符合要求。該機結(jié)構(gòu)具有設(shè)計合理、適應(yīng)性好、筑埂效率高、壓實效果好、取土方便和可調(diào)節(jié)埂型的優(yōu)點，且可以根據(jù)不同環(huán)境調(diào)節(jié)土埂尺寸規(guī)格，所筑土埂堅實光滑，能有效抑制雜草生長。該機能夠?qū)崿F(xiàn)一次筑埂成型，減少人工修補時間和成本，極大提高作業(yè)效率。

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