適用于微耕機(jī)的旋耕刀研究現(xiàn)狀及展望

林蜀云， 張 佩， 徐 良， 鄧 勇 (貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴州貴陽 550001)

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適用于微耕機(jī)的旋耕刀研究現(xiàn)狀及展望

林蜀云， 張 佩， 徐 良， 鄧 勇 (貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴州貴陽 550001)

概述了目前我國旋耕刀設(shè)計(jì)理論發(fā)展情況及未來旋耕刀具的發(fā)展方向，分析了目前旋耕刀設(shè)計(jì)中存在的問題，并針對(duì)這些問題對(duì)旋耕刀的研究生產(chǎn)提出展望。

微耕機(jī)；旋耕刀；現(xiàn)狀；問題；展望

1912 年，澳大利亞的亞瑟·克利福德·霍華德利用蒸汽拖拉機(jī)帶動(dòng)鋤頭旋轉(zhuǎn)，并設(shè)計(jì)直角型的鋤頭，以提高工作效率，由此旋耕刀的雛形誕生。1920年左右，日本從歐美引進(jìn)旋耕機(jī)改裝進(jìn)行水田實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)直角刀不適宜于日本土壤耕作，于是大批日本學(xué)者開始致力于旋耕刀的研究，研制出鉈形刀，即旋耕彎刀，成功地解決了刀軸纏草問題，從而使旋耕機(jī)在日本得到推廣使用，進(jìn)一步使旋耕刀在亞洲得到有效推廣。旋耕刀作為旋耕機(jī)關(guān)鍵工作部件，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋耕刀的受力情況、曲面參數(shù)、熱處理工藝等各方面都進(jìn)行了一定的研究，以此提升旋耕刀耕作性能。

1 旋耕刀研究設(shè)計(jì)發(fā)展

我國是在20世紀(jì)50年代引入旋耕刀[1]，筆者通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)得知，國內(nèi)對(duì)于旋耕刀的設(shè)計(jì)可大致分為3個(gè)時(shí)期。第1個(gè)時(shí)期，傳統(tǒng)旋耕刀核心參數(shù)理論設(shè)計(jì)及分析。目前，可檢索的旋耕刀相關(guān)論文最早見于1965年《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》，顧乾安在文中對(duì)旋耕刀(鉈形刀)[2]的工作條件和情況進(jìn)行了闡述，并對(duì)旋耕刀的刃口曲線理論計(jì)算及分析。之后，20世紀(jì)八九十年代，國內(nèi)學(xué)者開始對(duì)旋耕刀各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)理論及方法進(jìn)行大量的研究，其中，曲國良等、彭嵩植等、丁為民等對(duì)旋耕刀的正切面、側(cè)切面的設(shè)計(jì)參數(shù)方程進(jìn)行推導(dǎo)[3-7]；張性雄[8]提出曲元線掃描對(duì)旋耕刀正切面優(yōu)化，改進(jìn)設(shè)計(jì)正切面在保證耕作質(zhì)量的同時(shí)，降低功耗。李紹儉等[9]對(duì)旋耕刀側(cè)切刃刃口曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)討論，認(rèn)為旋耕刀側(cè)刃曲線應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及植被情況，解析出旋耕刀的刃口參數(shù)及刃口形狀，且基于阿基米德螺線改進(jìn)是比較理想的方法；陳鈞等[10]對(duì)旋耕刀曲面形狀參數(shù)(滑切角、起土角及偏切角)進(jìn)行了研究。該時(shí)期，我國學(xué)者對(duì)旋耕刀的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了大量的研究，并根據(jù)我國的土壤特性參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使其對(duì)我國的土壤具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和適用性，我國后期旋耕刀的設(shè)計(jì)研究均是在這一時(shí)期的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

第2個(gè)時(shí)期，采用三維掃描數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)旋耕刀，并結(jié)合現(xiàn)代有限元分析軟件對(duì)旋耕刀進(jìn)行分析及參數(shù)優(yōu)化。早在1985年，朱金華等學(xué)者就提出旋耕刀數(shù)字化設(shè)計(jì)[11]，但是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)限制，并未有更深入的研究。在20世紀(jì)90年代之后，旋耕刀的基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)基本成熟且研究基本停止。但是隨著計(jì)算機(jī)飛躍式發(fā)展，旋耕刀的設(shè)計(jì)中也逐步引入計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)。目前旋耕刀的三維建模多采用UG、Solidworks、Creo進(jìn)行，但是由于旋耕刀的刃線為多段不同函數(shù)的空間曲線，建模難度較高，得出了描點(diǎn)法和參數(shù)法2種建模方法。姜年朝等[12]提出了基于NURBS理論的三維模型，這也是描點(diǎn)法和參數(shù)法的基礎(chǔ)理論。2000年過后，有限元軟件被大量用于各類仿真和力學(xué)分析，一大批學(xué)者研究了刀柄的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析。葛云等[13]采用ANSYS對(duì)旋耕刀進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，認(rèn)為連接孔出應(yīng)力集中；王榮等[14]采用ANSYS對(duì)R300的旋耕刀進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出其在增大耕深時(shí)，刀柄厚度需要大幅度增加；蓋超等[15]通過Solidworks中的COMOS motion模塊對(duì)旋耕刀的彎折角進(jìn)行了優(yōu)化，提出125°～130°最佳。相比靜力學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析對(duì)于研究旋耕刀的受力及工作性能更加具有指導(dǎo)意義。其中，朱超等[16]基于FEM-SPH 耦合算法，采用LS-DYNA971求解器進(jìn)行土壤切削仿真，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果逼近。雖然動(dòng)態(tài)切土仿真能在一定程度上反映刀具切土性能，但是由于算法、建模、軟件參數(shù)設(shè)定、實(shí)際土壤情況等方面的問題，誤差相對(duì)較大，對(duì)于實(shí)際刀具改進(jìn)指導(dǎo)意義較小。

第3個(gè)時(shí)期，仿生學(xué)研究表明，生物經(jīng)過長期的進(jìn)化，造就了其適應(yīng)生存環(huán)境的優(yōu)良本領(lǐng)，某些動(dòng)物長期生活在土壤環(huán)境中，已進(jìn)化出能適應(yīng)不同土壤環(huán)境的種種活動(dòng)方式，逐步形成了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)功能。賈洪雷等[17]基于仿生學(xué)理論，根據(jù)鼴鼠腳趾結(jié)構(gòu)曲面參數(shù)設(shè)計(jì)旋耕刀具，指出其能較好地改進(jìn)切土性能。由于技術(shù)難度和實(shí)際生產(chǎn)難度，相關(guān)研究類文章很少，但是其具有較高的研究價(jià)值。

2 旋耕刀研究設(shè)計(jì)存在的問題

2.1 旋耕刀土壤適應(yīng)性差現(xiàn)有采用的旋耕刀理論基本都是20世紀(jì)90年代提出和研究的，這些設(shè)計(jì)通用性較強(qiáng)，但是對(duì)于一些土壤情況并不能很好地適用，比如貴州地區(qū)的土壤板結(jié)、重黏性的特性導(dǎo)致目前市面上現(xiàn)有旋耕刀的碎土率、耕深等參數(shù)均很難達(dá)到農(nóng)藝要求，需要多次重復(fù)性操作，對(duì)于微耕機(jī)壽命、功耗、時(shí)間等具有較大的影響。早期，張性雄[8]針對(duì)砂壤土土壤提出了曲元線掃描法形成正切面；陳鈞等[10]通過研究日本典型旋耕刀，提出了通過滑切角、起土角、偏切角3個(gè)角度參數(shù)優(yōu)化旋耕刀曲面。目前，市面有的旋耕刀為通用旋耕刀，相對(duì)特定土壤類型優(yōu)化較少。

2.2 針對(duì)微耕機(jī)幾何參數(shù)優(yōu)化不夠正如前段所述，現(xiàn)有旋耕刀設(shè)計(jì)理論均是誕生在微耕機(jī)推廣之前，旋耕刀研究設(shè)計(jì)之初均是基于大型旋耕機(jī)，而在大面積推廣使用微耕機(jī)之后，旋耕刀未經(jīng)過改動(dòng)或較小改動(dòng)便應(yīng)用于微耕機(jī)上，在刀具參數(shù)上缺乏優(yōu)化。實(shí)際上旋耕機(jī)與微耕機(jī)在動(dòng)力匹配、操作方式以及適用地形方面都存在較大差異，而微耕機(jī)本身多應(yīng)用于西南丘陵山地，而貴州地區(qū)土壤以黃壤、黃棕壤為主，其板結(jié)、高黏性問題尤為嚴(yán)重，所以，應(yīng)用于微耕機(jī)的旋耕刀在針對(duì)特定土壤時(shí)幾何參數(shù)優(yōu)化不足。

2.3 仿真分析誤差大從前面分析可看出，隨著數(shù)字化的三維建模以及有限元分析的使用，大量學(xué)者對(duì)旋耕刀的建模、靜力學(xué)負(fù)載分析、動(dòng)力學(xué)分析、刀具曲面等相關(guān)幾何參數(shù)優(yōu)化做了較多研究，但是存在較多問題。第一，建模精度不高。以旋耕刀彎刀為例，其刃線為正切刃、過渡刃、側(cè)切刃的三段刃線的組合空間曲線，國標(biāo)中給出的參數(shù)難以直接作為建模參數(shù)。筆者發(fā)現(xiàn)很多研究中的模型與國標(biāo)規(guī)定參數(shù)誤差很大，建立出來的模型可用性和精度都有較多問題。第二，靜力學(xué)分析參數(shù)設(shè)定不合理。第三，土壤參數(shù)仿真誤差大。

對(duì)旋耕刀進(jìn)行模擬切土仿真分析，由于土壤情況復(fù)雜多變，而有限元提供的材料模型為單質(zhì)均勻材料模型，所以并不能很好地模擬土壤情況，其分析結(jié)果對(duì)于旋耕刀的設(shè)計(jì)改進(jìn)只能作為參考依據(jù)。

3 旋耕刀研究生產(chǎn)展望

3.1 刀面理論加強(qiáng)，更符合切土性能雖然早期學(xué)者對(duì)旋耕刀的刀面做出了深入的研究，對(duì)旋耕刀刀面的幾何參數(shù)做了優(yōu)化，20世紀(jì)90年代過后，也有很多學(xué)者結(jié)合先進(jìn)有限元分析算法及軟件，對(duì)刀面部分參數(shù)及動(dòng)力學(xué)載荷進(jìn)行了分析，但是隨著旋耕刀被應(yīng)用到微耕機(jī)上，旋耕刀的優(yōu)化結(jié)果及特定的土壤參數(shù)，很多時(shí)候并不適用。也有廠家根據(jù)比如不同動(dòng)力源(柴油機(jī)和汽油機(jī))對(duì)旋耕刀的尺寸等做了一些優(yōu)化但是對(duì)于某些特定土壤使用效果并不好，未來應(yīng)針對(duì)微耕機(jī)的動(dòng)力匹配和部分適用典型土壤以及用戶需求進(jìn)行優(yōu)化旋耕刀的參數(shù)。

3.2 優(yōu)化生產(chǎn)工藝根據(jù)國標(biāo)《GB/T 5669—2008 旋耕機(jī)械刀和刀座》，我國的旋耕刀采用的是65Mn作為刀具材料，相比國外同等用途材料要好。但是，蘇彬彬等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，我國刃具的使用壽命遠(yuǎn)低于國外同類產(chǎn)品壽命的50%，部分產(chǎn)品甚至低于4%。國產(chǎn)旋耕刀的使用壽命約為80 h，遠(yuǎn)低于國外旋耕刀的使用壽命。其主要差別在于刀具生產(chǎn)工藝。目前，國產(chǎn)旋耕刀生產(chǎn)的一般步驟為：扁鋼落料、磨刀口、鍛壓熱成型、鉆孔、淬火及回火、表面處理。筆者在研究國內(nèi)市場(chǎng)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，很多廠家的刀具并不符合國標(biāo)生產(chǎn)技術(shù)要求，其壽命各生產(chǎn)廠家也區(qū)別很大。很多學(xué)者研究了旋耕刀的表面強(qiáng)化工藝[19]，但是可行性很低，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的極少。未來，旋耕刀的生產(chǎn)將在成本低、效率高、實(shí)用性強(qiáng)等方面優(yōu)化其生產(chǎn)工藝，提升旋耕刀使用壽命。

3.3 研究仿生學(xué)刀具如前文所述，自然界中某些動(dòng)物長期生活在土壤環(huán)境中，已進(jìn)化出能適應(yīng)不同土壤環(huán)境的活動(dòng)方式，逐步形成了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)功能。相比目前設(shè)計(jì)使用的旋耕刀刀具，基于仿生學(xué)理論設(shè)計(jì)出的刀具某些方面的性能更加優(yōu)良。這就需要提取出動(dòng)物身上特有的切土力學(xué)性能特點(diǎn)，需要長期深入的研究。

4 結(jié)語

旋耕刀具作為常用耕作農(nóng)具上的低質(zhì)易耗品，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其參數(shù)做了很多的研究，也形成了較為成熟的設(shè)計(jì)理論，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析等先進(jìn)的手段被大量地應(yīng)用在旋耕刀分析中。但是，應(yīng)用在微耕機(jī)上的旋耕刀與大型旋耕機(jī)械上使用的刀具在動(dòng)力匹配、工作環(huán)境尤其土壤情況有很大差異，還需根據(jù)土壤情況和微耕機(jī)的工作要求改進(jìn)旋耕刀。

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Research Status and Prospect on Rotary Blade for Micro Tillage Machine

LIN Shu-yun, ZHANG Pei, XU Liang et al (Guizhou Province Mountain Agricultural Machinery Reaearch Institute, Guiyang, Guizhou 550001)

The development of design theory on rotary blade and the development direction were introduced, the existing problems in current design were analyzed, the prospect of rotary blade production in the future was forecasted.

Micro tillage machine;Rotary blade; Status; Problems; Prospect

中央補(bǔ)助地方科技基礎(chǔ)條件專項(xiàng)基金項(xiàng)目子課題：適應(yīng)貴州山地的微耕機(jī)研制[黔科合條中補(bǔ)地(2015)]。

林蜀云(1989- )，男，重慶人，助理工程師，碩士，從事機(jī)械電子工程研究。

2016-08-29

S 224

A

0517-6611(2016)30-0239-02