微耕機(jī)旋耕刀輥彎刀排列優(yōu)化仿真分析*

張引航，李守太，曹中華，楊 玲，楊明金

（1.西南大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；3.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，重慶 401329）

0 引言

旋耕刀輥彎刀排列是決定微耕機(jī)耕作性能的重要因素，它對(duì)切土阻力矩、功耗、作業(yè)質(zhì)量及平穩(wěn)性有重要的影響。目前，國(guó)內(nèi)微耕機(jī)刀輥上刀片的排列方式一直沿用傳統(tǒng)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(dǎo)致彎刀受力不均勻、切土性能差，部分刀具易提前松動(dòng)，磨損不均勻等問(wèn)題[2]。合理的彎刀排列應(yīng)在滿足耕整地農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)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(duì)以上問(wèn)題對(duì)微耕機(jī)旋耕刀輥彎刀排列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，參考相關(guān)文獻(xiàn)和機(jī)型，整理得到微耕機(jī)刀輥排列的數(shù)學(xué)模型，并得到微耕機(jī)旋耕刀輥彎刀排列優(yōu)化方法。通過(guò)基于SPH 算法的切土動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能達(dá)到減小沖擊、減阻降振和節(jié)約能耗的效果，可提供理論參考。

1 旋耕刀輥排列優(yōu)化

旋耕刀輥中彎刀排列設(shè)計(jì)應(yīng)參照文獻(xiàn)[4]中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在旋耕刀輥上每一把彎刀的切削力f 應(yīng)大致相等，在刀輥圓周方向彎刀排列越均勻其受力點(diǎn)則越分散，其周向切土分區(qū)所承受的土壤反作用力則分布越分散；反之，當(dāng)同一相位角有兩把或者以上的彎刀時(shí)，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(jī)振動(dòng)增加。同時(shí)，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(jié)距比應(yīng)該設(shè)計(jì)為1。即左、右刀輥對(duì)應(yīng)彎刀入土夾角應(yīng)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(dòng)。

旋耕彎刀切土?xí)r，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(shù)量盡量相等，且入土?xí)r一前一后左右彎刀應(yīng)交替入土。刀輥在切土?xí)r實(shí)際在土壤內(nèi)的彎刀有4 片以上，這樣交替入土使得刀輥軸向力和偏轉(zhuǎn)力大致平衡，有利于降低軸承軸向力和偏轉(zhuǎn)力，延長(zhǎng)其使用壽命。從刀輥旋耕受力可知，也降低了軸向振動(dòng)，刀輥更能實(shí)現(xiàn)直線行駛。

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

1.1 基本參數(shù)

將微耕機(jī)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(duì)稱排列方法。建立坐標(biāo)系如1 圖所示，將360°圓周等分成N 份，得到Y(jié) 坐標(biāo)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(jī)功率普遍偏小，因此，旋耕刀輥上彎刀數(shù)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(kāi)圖

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

表1 旋耕刀輥耕作工況參數(shù)表

耕幅B：在一般工況下，如表1 所示，根據(jù)文獻(xiàn)[4]微耕機(jī)耕幅與功率之間有以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

根據(jù)耕幅和刀盤間距確定刀盤數(shù)量。刀盤間距選擇應(yīng)保證不纏草夾土，適應(yīng)播種行間距，建議取，ρ=b+△b，△b 為15～20[4]。對(duì)刀輥?zhàn)饕韵滦拚?/p>

1.2 切土分區(qū)

Y 軸方向的切土分區(qū)數(shù)P=N，切土分區(qū)內(nèi)每?jī)善嗬^入土的彎刀間的相位角θ 計(jì)算如下式：

1.3 螺旋線確定

螺旋排列的彎刀展開(kāi)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(qū)數(shù)P，相對(duì)應(yīng)Y 軸和Y′軸方向切土分區(qū)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(jī)功率小，為使刀輥輸入扭矩滿足切削力，螺旋線取4 條以內(nèi)。當(dāng)螺旋線條數(shù)t≤3 時(shí)△θ=3θ；當(dāng)螺旋線條數(shù)t≥4 時(shí)△θ=2θ，如圖1 所示。

為使量綱一致，夾角β′計(jì)算如下式：

式中：θ 為相位角，°；m′為單位刀盤數(shù)，即為1。

2 旋耕刀輥排列建模

將旋耕刀輥優(yōu)化排列方法應(yīng)用于一種微耕機(jī)刀輥設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]中式（4-5）至式（4-15）得到優(yōu)化后的旋耕刀輥彎刀排列展開(kāi)圖，如圖3 所示。

圖3 中央驅(qū)動(dòng)式t=3 m=4 刀輥彎刀排列展開(kāi)圖

通過(guò)Creo5.0 建立優(yōu)化后T3M4 旋耕彎刀排列展開(kāi)圖的旋耕刀輥三維模型，如圖4 所示。同樣彎刀數(shù)量建立一組傳統(tǒng)T3M4 旋耕刀輥三維模型，如圖5 所示。

圖4 優(yōu)化旋耕刀輥

圖5 傳統(tǒng)旋耕刀輥

3 切土仿真分析

圖6 優(yōu)化旋耕刀輥刀土耦合模型

圖7 傳統(tǒng)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(dòng)力學(xué)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(shè)置一致，其中旋耕刀輥切削運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)如表2 所示。完善模型材料、接觸參數(shù)、邊界條件、運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，輸出K 文件，將文件導(dǎo)入ANSYS Mechanical APDL1.60 中的LS_DYNA971 求解器進(jìn)行求解。

表2 旋耕刀輥切土運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)

通過(guò)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(shí)程曲線，分別如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12 和圖13 所示。根據(jù)求解結(jié)果得到兩組刀輥的平均功率，如表3 所示。

圖8 優(yōu)化旋耕刀輥切削力曲線

圖9 傳統(tǒng)旋耕刀輥切削力曲線

圖10 優(yōu)化旋耕刀輥軸向加速度曲線

圖11 傳統(tǒng)旋耕刀輥軸向加速度曲線

圖12 優(yōu)化旋耕刀輥功率時(shí)程曲線

圖13 傳統(tǒng)旋耕刀輥功率時(shí)程曲線

表3 旋耕刀輥功率

根據(jù)旋耕刀輥切削力曲線圖，如圖8、圖9 所示，優(yōu)化后的旋耕刀輥在仿真切土?xí)r切削力小于傳統(tǒng)旋耕刀輥，且曲線峰值低于傳統(tǒng)旋耕刀輥。根據(jù)旋耕刀輥軸向加速度曲線圖，如圖10、圖11 所示，優(yōu)化后的旋耕刀輥軸向加速度相比傳統(tǒng)旋耕刀輥波動(dòng)更小，總體相對(duì)更平滑。由此推斷，相同工況下優(yōu)化后的旋耕刀輥在作業(yè)時(shí)的軸向和徑向沖擊振動(dòng)相比傳統(tǒng)旋耕刀輥更小，能降低切土阻力和減小切土振動(dòng)，從而延長(zhǎng)刀輥的工作壽命，并增加操作人員的舒適性。根據(jù)旋耕刀輥功率時(shí)程曲線圖，如圖12、圖13 所示，優(yōu)化后的旋耕刀輥在仿真切土?xí)r功率低于傳統(tǒng)旋耕刀輥，且功率輸出更平穩(wěn)。由此推斷，相同工況下該排列優(yōu)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(fù)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的反向沖擊，從而延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，節(jié)約了能耗。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)本文提出的優(yōu)化排列方法得到旋耕刀輥彎刀排列展開(kāi)圖直觀評(píng)價(jià)可知，該方法使旋耕彎刀呈多頭螺旋線對(duì)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(wěn)性和切土性能。

2）根據(jù)排列展開(kāi)圖，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的旋耕刀輥切土?xí)r每轉(zhuǎn)過(guò)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(chǎn)生的振動(dòng)力減小，從而降低振動(dòng)。

3）通過(guò)旋耕刀輥切土仿真分析，理論驗(yàn)證了本文提出的旋耕刀輥彎刀排列優(yōu)化方法能使旋耕刀輥在耕作中達(dá)到了減小沖擊、減阻降振和節(jié)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。