新型波紋式圓盤(pán)破茬刀的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

韋麗君+庫(kù)國(guó)輝+尹曉鵬

摘要：為了使圓盤(pán)破茬刀在工作時(shí)所受應(yīng)力最小，設(shè)計(jì)5因素5水平正交試驗(yàn)，并通過(guò)Pro/Engineer軟件對(duì)正交試驗(yàn)方案中不同圓盤(pán)波紋破茬刀模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，得出對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)方案破茬刀的應(yīng)力結(jié)果，選擇使圓盤(pán)波紋破茬刀應(yīng)力最小的5個(gè)因素為最優(yōu)組合。通過(guò)極差分析可知，圓盤(pán)厚度是影響圓盤(pán)破茬刀的主要因素，在其他最優(yōu)因素不變的條件下，通過(guò)改變圓盤(pán)厚度對(duì)圓盤(pán)破茬刀進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，結(jié)果表明：新型圓盤(pán)破茬刀比普通波紋式圓盤(pán)破茬刀所需要配重減少36.86%，所需牽引力減少32.86%。

關(guān)鍵詞：免耕播種機(jī)；破茬裝置；破茬刀；優(yōu)化；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）04-0166-03

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是干旱半干旱的國(guó)家，從古至今抗旱耕作方式一直是我國(guó)農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)我國(guó)耕作方式的研究與發(fā)展，根據(jù)不同區(qū)域、土壤結(jié)構(gòu)一系列凝聚我國(guó)勞動(dòng)人民智慧的抗旱保產(chǎn)的傳統(tǒng)耕作方式不斷出現(xiàn)。

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迅速發(fā)展，機(jī)械制造工具在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本研究主要結(jié)合普通圓盤(pán)破茬刀和波紋圓盤(pán)破茬刀的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了新型的波紋圓盤(pán)破茬刀。利用Catia R20軟件得到新型波紋圓盤(pán)破茬刀的三維實(shí)體，并對(duì)新型破茬刀進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，獲取等效應(yīng)力分布圖，再通過(guò)使用Pro/Engineer軟件和正交試驗(yàn)對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化與分析，從而為新型破茬裝置的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[1]。

1三維模型的創(chuàng)建

常用的圓盤(pán)破茬刀主要有缺口式、平面式和波紋式等樣式[2]。通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)了解到，平面式圓盤(pán)刀雖然切斷的性能比較好，但是開(kāi)出的溝槽寬度太窄，而缺口式圓盤(pán)刀切斷阻力大、功耗大。波紋式圓盤(pán)刀雖然松土能力好，但入土能力較差，需要較大的配重。所以設(shè)計(jì)了1種新型波紋式圓盤(pán)破茬刀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。新型波紋式圓盤(pán)破茬刀的5個(gè)主要參數(shù)分別為波紋個(gè)數(shù)N（個(gè)）、圓盤(pán)刀波紋外徑R（mm）、圓盤(pán)刀壁厚h（mm）、波紋長(zhǎng)度L（mm）、和圓盤(pán)振幅A（mm）。

根據(jù)2BMZF-4X型播種機(jī)破茬裝置破茬刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)，利用Catia參數(shù)化建模技術(shù)中的拉伸、掃描、旋轉(zhuǎn)、倒角和參數(shù)等工具，初步建立新型波紋圓盤(pán)破茬刀的三維實(shí)體模型（圖2）。

2有限元分析

2.1材料

考慮新型波紋圓盤(pán)破茬刀的工作環(huán)境和工作強(qiáng)度，選擇65 Mn鋼作為圓盤(pán)刀的材料，經(jīng)熱處理及冷拔硬化后，強(qiáng)度較高，并且具有一定的韌性和可塑性。材料的綜合力學(xué)性能高于碳鋼，使圓盤(pán)刀有較高的鋒銳性和耐磨性，因而可以使切割阻力的效果更加明顯。泊松比為0.3、楊氏模量值為 210 Gpa、屈服強(qiáng)度為430 Mpa、質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。

2.2網(wǎng)格劃分

本試驗(yàn)采用單元類(lèi)型為四面體，對(duì)單元格進(jìn)行手動(dòng)劃分，為了更好地對(duì)圓盤(pán)刀進(jìn)行受力分析，同時(shí)設(shè)置絕對(duì)垂直度為0.5 mm，單元格大小為10 mm。

2.3邊界條件的設(shè)定

在圓盤(pán)刀軸孔的邊緣施加6個(gè)約束，因此限制了全部自[JP3]由度。因?yàn)閳A盤(pán)刀工作時(shí)是通過(guò)6個(gè)螺栓固定在刀盤(pán)架上的，其中3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和3個(gè)方向移動(dòng)自由度均被限制。[JP]

2.4施加載荷

通過(guò)大量實(shí)踐研究和理論分析，圓盤(pán)刀在工作時(shí)，一面繞刀盤(pán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一面隨播種機(jī)向前直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此圓盤(pán)刀破茬時(shí)所受載荷主要是與土壤接觸部分所受到的垂直破茬阻力和水平牽引阻力有關(guān)[3]。進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得圓盤(pán)破茬刀在進(jìn)行土壤作業(yè)時(shí)，破茬深度90 mm時(shí)的水平牽引阻力為1 286 N，垂直[JP3]破茬阻力為2 035 N，將此載荷加到已建成的三維實(shí)體模型上。[JP]

3圓盤(pán)刀結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化分析

3.1試驗(yàn)水平

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正規(guī)化的正交表，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行合理安排、科學(xué)分析的多因素試驗(yàn)方法，能選出具有代表性較強(qiáng)的試驗(yàn)條件，合理科學(xué)地進(jìn)行試驗(yàn)安排，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尋求各因素水平的最佳組合，得到1組最優(yōu)或者較優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[4]。首先建立關(guān)于新型波紋圓盤(pán)破茬刀參數(shù)[外徑R（mm）、圓盤(pán)刀壁厚h（mm）、波紋個(gè)數(shù)N（個(gè)）、波紋長(zhǎng)度L（mm）和波紋振幅A（mm）]的5因素5水平正交試驗(yàn)表（表1）。

3.2分析等效應(yīng)力

根據(jù)圖2建立的Catia參數(shù)實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，可得出相應(yīng)的最大等效應(yīng)力，再應(yīng)用Pro/Engineer軟件中極差分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制圓盤(pán)刀外徑R、圓盤(pán)刀厚度h、波紋個(gè)數(shù)N、波紋長(zhǎng)度L、波紋振幅A與新型圓盤(pán)刀的等效應(yīng)力變化趨勢(shì)（圖3）。

由圖3可知，所有參數(shù)對(duì)模型都產(chǎn)生了影響。從圖3-a可知，在圓盤(pán)外徑不斷增加時(shí)，實(shí)體模型的等效應(yīng)力先減小，待圓盤(pán)刀外徑增加到400 mm后，實(shí)體模型的等效應(yīng)力逐漸增大；從圖3-b可知，在圓盤(pán)刀厚度不斷增加時(shí)，實(shí)體模型的等效應(yīng)力逐漸減小；從圖3-c可知，波紋的個(gè)數(shù)對(duì)實(shí)體模型等效應(yīng)力先是減小，當(dāng)波紋的個(gè)數(shù)達(dá)到16個(gè)時(shí)，等效應(yīng)力隨波紋個(gè)數(shù)的增加而增大；從圖3-d可知，波紋長(zhǎng)度在小于 85 mm 時(shí)，對(duì)圓盤(pán)刀等效應(yīng)力的影響是比較平緩的，波動(dòng)的幅度不是太大，當(dāng)波紋長(zhǎng)度在85～95 mm時(shí)，圓盤(pán)刀的等效應(yīng)力先是增加的，當(dāng)達(dá)到了95 mm以后，圓盤(pán)刀的等效應(yīng)力又將逐漸下降；從圖3-e可知，波紋振幅對(duì)實(shí)體模型等效應(yīng)力的影響是先減小，后增大，再減小，又增大，幅值越大，應(yīng)力波動(dòng)也就越大。

應(yīng)用Pro/Engineer軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析得出影響等效應(yīng)力的主次順序?yàn)閳A盤(pán)刀厚度、圓盤(pán)振幅、波紋個(gè)數(shù)、波紋長(zhǎng)度、圓盤(pán)外徑。由此可知，圓盤(pán)刀厚度對(duì)模型的等效應(yīng)力變化影響最大。

3.3優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)Pro/Engineer軟件方差和極差的優(yōu)化分析得出：在不同圓盤(pán)刀厚度下，最優(yōu)因素水平是波紋長(zhǎng)度為65 mm，圓盤(pán)刀波紋外徑為400 mm，圓盤(pán)刀波紋振幅為9 mm，波紋個(gè)數(shù)為16個(gè)[5]。測(cè)試不同圓盤(pán)刀厚度下實(shí)體模型的應(yīng)變和等效應(yīng)力，建立圓盤(pán)刀厚度與等效應(yīng)力（圖3-b）、受力應(yīng)變的關(guān)系圖（圖4）。

建立優(yōu)化后新型圓盤(pán)刀壁厚為5 mm的模型，模型應(yīng)力分布如圖5-a所示，最大應(yīng)力位于最下端螺栓孔處，應(yīng)力值為7.384 MPa。模型變形如圖5-b所示，最大變形位于圓盤(pán)刀最下端外徑處，變形值為5.606 μm。圓盤(pán)破茬刀的剛度和強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4破茬試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)分析

通過(guò)2BMZF-4X播種機(jī)分別對(duì)新型波紋式圓盤(pán)破茬刀、平面式圓盤(pán)破茬刀和波紋式圓盤(pán)破茬刀進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖6所示，測(cè)定入土深度為90 mm時(shí)的牽引阻力和下加壓力，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證新型波紋圓盤(pán)破茬刀能否起到節(jié)能減阻的作用。圖7為新型波紋圓盤(pán)破茬刀的入土深度測(cè)量和松土寬度測(cè)量。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

在田間試驗(yàn)過(guò)程中，由于部分土壤含水量、秸稈和根茬的分布，試驗(yàn)過(guò)程中純切土壤和切土壤時(shí)含有根茬所需配重及牽引力不同，通過(guò)田間試驗(yàn)可知，在入土深度為90 mm的土壤中，3種圓盤(pán)破茬刀所需配重及牽引力不同，通過(guò)對(duì)比可知，新型波紋圓盤(pán)破茬刀所需配重為1 285 N，波紋圓盤(pán)刀所需配重較大，為2 035 N，平面圓盤(pán)刀與新型圓盤(pán)刀所需配重差別不大，新型圓盤(pán)刀比波紋圓盤(pán)刀所需配重至少減少了 36.86%。新型波紋圓盤(pán)破茬刀測(cè)得平均牽引力為756 N，普通圓盤(pán)破茬刀的牽引力為1 126 N，新型波紋破茬刀所需的牽引力比普通波紋破茬刀減少了32.86%。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型圓盤(pán)刀在松土及破土方面得到了很大提高，結(jié)合了波紋圓盤(pán)刀和平面圓盤(pán)刀的優(yōu)點(diǎn)，起到了節(jié)能減阻的效果。

5結(jié)論

結(jié)合平面圓盤(pán)破茬刀松土能力強(qiáng)、切斷性能較好、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)了新型波紋圓盤(pán)破茬刀。通過(guò)分析圓盤(pán)式破茬犁刀的結(jié)構(gòu)對(duì)破茬松土的影響，設(shè)計(jì)新型波紋圓盤(pán)破茬犁刀的結(jié)構(gòu)形式，使新型波紋圓盤(pán)式破茬犁刀具有比平面破茬犁刀入土能力強(qiáng)、耗能少，比波紋圓盤(pán)破茬犁刀松土能力強(qiáng)、不宜滑移的特點(diǎn)。通過(guò)正交試驗(yàn)，得出各參數(shù)的最優(yōu)解，利用Catia軟件對(duì)新型的圓盤(pán)破茬刀實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，測(cè)定其最大的等效應(yīng)力，再應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)方差分析可知，新型圓盤(pán)刀厚度對(duì)等效應(yīng)力的影響最大。通過(guò)極差分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)水平對(duì)等效應(yīng)力的變化曲線(xiàn)

圖，得出新型圓盤(pán)刀在不同壁厚下的最優(yōu)參數(shù)為波紋長(zhǎng)度 65 mm，圓盤(pán)刀波紋振幅9 mm，圓盤(pán)刀波紋外徑400 mm，波紋個(gè)數(shù)16個(gè)。在最優(yōu)參數(shù)水平下，對(duì)不同壁厚新型圓盤(pán)刀模型進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變?cè)囼?yàn)，剛度與強(qiáng)度均在材料的許用范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足實(shí)際要求。建立新型圓盤(pán)刀厚度與應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)圖，為不同厚度圓盤(pán)刀的選擇提供依據(jù)。對(duì)5 mm厚波紋圓盤(pán)刀和新型圓盤(pán)刀田間牽引力測(cè)量試驗(yàn)可知：新型圓盤(pán)刀比波紋圓盤(pán)刀所需配重減少36.86%，所需牽引力比波紋破茬刀減小了32.86%，驗(yàn)證了試驗(yàn)的可行性。新型波紋圓盤(pán)刀具有平面式圓盤(pán)刀和波紋式圓盤(pán)刀的優(yōu)點(diǎn)，在破茬和松土方面得到很大提高，起到了節(jié)能減阻的效果，很大程度上提高了機(jī)具防堵能力和田間通過(guò)性。[HJ]

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