驅(qū)動式馬鈴薯中耕機的設(shè)計與仿真分析

彭曼曼，呂金慶，兌 瀚，于佳鈺

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

馬鈴薯是我國重要的經(jīng)濟作物，為了增加產(chǎn)量，根據(jù)農(nóng)藝要求需要在其生長的過程中進行壟間的中耕作業(yè)。中耕是我國農(nóng)業(yè)精耕細作的重要環(huán)節(jié)之一，是保證穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)不可缺少的重要耕作措施[1-2]。中耕的主要作用包括疏松土壤、增強土壤透氣性、保墑抗旱、改善土壤的物理性狀、提高土壤肥力及消滅雜草等[3-5]。在我國，比較廣泛使用的傳統(tǒng)中耕機主要有鋤鏟式中耕機和犁鏵式中耕機。以上中耕機大多采用從動部件，可以完成碎土、除草等作業(yè)，這類機器結(jié)構(gòu)簡單，在土壤效果較好的條件下能夠滿足農(nóng)藝要求；但在粘重土壤、雜草過多的土地上，不能達到所需的作業(yè)質(zhì)量，往往因為碎土不佳造成大土塊壓苗、滅草率低、部件易纏草堵塞的現(xiàn)象，還會出現(xiàn)漏耕的現(xiàn)象，作業(yè)效果不理想[6-8]。

為此，針對中耕作業(yè)時所遇到的纏草、碎土效果差及耕后地表不平等問題，設(shè)計了一種驅(qū)動式馬鈴薯中耕機。本文采用臥式正向旋轉(zhuǎn)的工作方式，運用拖拉機動力輸出軸為動力，并通過運動學(xué)分析和ANSYS運動仿真分析對裝置的工作可靠性進行驗證。

1 整機結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機結(jié)構(gòu)

該驅(qū)動式中耕機采用三點懸掛方式與拖拉機進行掛接，由機架、地輪總成、深松鏟、碎土刀、旋轉(zhuǎn)單體及分土器等組成，如圖1所示。

工作原理：機組工作時，由拖拉機的輸出軸提供動力，經(jīng)由中間變速箱，通過旋轉(zhuǎn)單體的主動和從動鏈輪帶動碎土刀盤進行轉(zhuǎn)動，排列在刀盤上的碎土刀隨軸轉(zhuǎn)動，從而對土壤進行打碎；地輪位于整機的前方，與機架固定，能夠調(diào)節(jié)機架的離地高度，在機組前進時，隨地形的起伏變化起到仿形的作用。每個旋轉(zhuǎn)單體正前方均安裝有深松鏟，可以對土壤進行預(yù)先深松，在旋轉(zhuǎn)單體正后方安裝有分土器，隨著機組的前進，可以將深松打碎后的土壤培到地壟上，完成培土作業(yè)，從而實現(xiàn)在田間一次完成壟間碎土、松土、除草及做形等工作，提高了工作效率。

(a) 右視圖

(b) 主視圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動式馬鈴薯中耕機的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。馬鈴薯中耕機主要應(yīng)用于馬鈴薯生長過程中的壟間中耕作業(yè)，是保證穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)不可缺少的重要耕作措施。

表1 驅(qū)動式馬鈴薯中耕機的主要技術(shù)參數(shù)

2 旋轉(zhuǎn)單體的設(shè)計

2.1 碎土刀的設(shè)計及其排列方式

2.1.1 碎土刀的設(shè)計

碎土刀的主要作用就是在軸高速轉(zhuǎn)動帶動下，對土壤進行高速切削，并使其打碎。同時，高速轉(zhuǎn)動也可以帶動被切削的土垡將其拋出，土垡進一步破碎。根據(jù)農(nóng)藝要求，中耕機械的工作指標(biāo)之一是碎土程度，碎土程度的好壞由每把刀片的進距和切削土垡的厚度所決定，刀片的選擇要根據(jù)地形和土壤的種類、粘度、水分及硬度進行。

本文所設(shè)計的碎土刀采用了刃口前傾有一定角度的鑿形直刀，與傳統(tǒng)的L型刀相比，可減小切削阻力，使切削應(yīng)力更加集中，入土性能較好[9]。根據(jù)農(nóng)藝要求的耕深條件，確定碎土刀的回轉(zhuǎn)半徑為227mm。

碎土刀在高速旋轉(zhuǎn)時的作用是對土壤進行切削破碎。在刀片切削土垡的過程中，刀片對土壤的作用力與刀片所受到作用力為相互作用力，其受力如圖2所示。

(1)

可知，刀片對土壤的作用力與其旋轉(zhuǎn)的角度、機器的前進速度和轉(zhuǎn)速均有關(guān)。

圖2 碎土刀在高速旋轉(zhuǎn)受力分析

2.1.2 碎土刀的設(shè)計

碎土刀片切削土壤的排列展開圖如圖3所示。本設(shè)計所選擇的是兩側(cè)刀盤對稱布置的方式，一個刀組采用在碎土刀軸上按螺旋線平均地分布4把碎土刀，使刀片等角距切入土中；碎土刀通過螺栓連接在特定的刀盤上。為了消除橫截面的扭矩、保持機器沿著前進方向的穩(wěn)定性及耕深穩(wěn)定性，刀軸相對于軸向?qū)ΨQ布置。在從動軸兩端分別安裝左旋刀刀組與右旋刀刀組，距離可根據(jù)壟距的需求進行調(diào)節(jié)；每個旋轉(zhuǎn)單體由2個軸向4個刀組所組成，共16把碎土刀。其刀組的軸向和側(cè)向的布置如圖4所示。工作時，2個軸向的刀組采用對稱布置的形式，碎土刀按螺旋排列方式相繼入土，傳動軸對稱位置的碎土刀可同時切削土壤，傳動軸兩側(cè)受力均勻，避免在轉(zhuǎn)動過程中的附加載荷和作業(yè)時機具產(chǎn)生的振動[10-12]，可以達到更好的碎土效果，使溝底平整。

圖3 碎土刀片排列展開圖

1.刀軸 2.刀盤 3.碎土刀

2.2 刀盤的軌跡分析

當(dāng)旋轉(zhuǎn)單體工作時，其刀尖旋轉(zhuǎn)形成的軌跡與農(nóng)藝要求的溝底深度和突起高度有著密切的聯(lián)系，因此需要對碎土刀的尖點進行分析，如圖5所示。

圖5 刀盤運動示意圖

刀片端點的運動方程為

(2)

式中R—碎土刀的旋轉(zhuǎn)半徑(mm)；

v0—機器的前進速度(m/s)；

t—時間(s)；

ω—角速度(rad/s)。

ωt，則式(2)為

(3)

因此，當(dāng)參數(shù)λ不同時，所形成的運動軌跡的形狀也是不同的。當(dāng)λ<1時，形成的軌跡是無扣的余擺線；λ>1時，形成的軌跡是長幅余擺線。本文所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)單體希望得到的是帶有繞扣的余擺線，只有當(dāng)v0>v時，刀尖點的運動軌跡才是帶有繞扣的余擺線。

將上述方程對時間求導(dǎo)，則

(4)

此時，滾動刀片端點的速度大小為

(5)

滾動刀片端點的絕對速度是變化的，其變化程度取決于刀片相對運動的轉(zhuǎn)角。

3 旋轉(zhuǎn)單體的運動仿真

3.1 仿真過程

在SolidWorks建立旋轉(zhuǎn)單體三維模型如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)單體三維模型

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench15.0軟件static structural 模塊(見圖7)，在Engineering Data 里設(shè)置旋轉(zhuǎn)單體的材料和力學(xué)性能。模型處理劃分網(wǎng)格后，選擇刀軸為旋轉(zhuǎn)軸[13-14]。根據(jù)課題前期試驗研究，當(dāng)中耕機作業(yè)參數(shù)：刀軸轉(zhuǎn)速為273r/min(28.575rad/s)、前進速度為0.75m/s、耕深0.18m、碎土刀折彎角150°、刀刃長度0.07m時，碎土效果較好，為93.2%[12]。設(shè)置轉(zhuǎn)速為28.575rad/s，運轉(zhuǎn)時間為1070s，以使旋轉(zhuǎn)單體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 ANSYS Workbench static structural模塊

3.2 仿真結(jié)果

通過旋轉(zhuǎn)單體運動仿真得到總變形圖如圖8所示，等效應(yīng)力如圖9所示。

由圖8可得：旋轉(zhuǎn)單體變形最大為2.331 7×10-6m，出現(xiàn)在碎體刀的刀尖處。由于刀尖受力面積小，因此力變形相對其他部位較大，但變形量極微小，仍可滿足馬鈴薯中耕機的碎土刀要求。

圖8 總變形圖

圖9 等效應(yīng)力

3.3 土壤力學(xué)特性

土壤強度是土壤在特定條件下抵抗外力作用的能力，即土壤承受變形或應(yīng)變的能力。中耕機工作時，對土壤進行切削、翻轉(zhuǎn)、破碎和平整等導(dǎo)致土壤產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)失效及被壓實等，在此土壤所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)主要取決于土壤強度。Micklethwaite是最早把土壤強度與機具聯(lián)系起來的土壤力學(xué)專家，他應(yīng)用土力學(xué)中的摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)定律，建立了車輛的前進推力或者附著力的模型[15]，即

Pφ=FC+Gtanφ

(6)

式中Pφ—土壤對車輛的最大推力或者附著力(N)；

F—車輪的接地面積(m2)；

C—單位面積土壤粘結(jié)力(N/m2)；

G—法向載荷(或法向壓力)；

φ—土壤間的內(nèi)摩擦角。

由式(6)可知：當(dāng)車輪的接觸面積F和法向載荷G為定值時，車輛的最大推力Pφ取決于土壤粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角φ，即同土壤強度成正比。耕地機械切削土壤使之破碎，其能耗與土壤破碎的難易程度成正比，而土壤破碎的難易程度又與土壤強度成正比，所以破碎粘重而板結(jié)的土壤，其能耗要比破碎砂性土壤大得多。土壤凝聚力大小如表2所示。

表2 土壤凝聚力

續(xù)表2

圖9中旋轉(zhuǎn)單體在刀軸轉(zhuǎn)速為273r/min(28.575rad/s)時，最小等效應(yīng)力0.239 39MPa，即刀具對土壤產(chǎn)生的最小應(yīng)力為0.239 39MPa。由表2可知：黏土壤的土壤凝聚力最大為0.21MPa。因為0.239 39MPa>0.21MPa，能較好地實現(xiàn)深松、碎土等工作過程。因此，旋轉(zhuǎn)單體的設(shè)計比較合理，能較好地實現(xiàn)馬鈴薯中耕機的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)根據(jù)中耕機的農(nóng)藝要求及機具的結(jié)構(gòu)特點，確定了旋轉(zhuǎn)單體關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及碎土刀的排列方式。

2)通過對刀片的受力分析得出結(jié)論：刀片對土壤的作用力，與刀片旋轉(zhuǎn)所處的位置、刀軸轉(zhuǎn)速、前進速度有關(guān)；以上因素同時也是除土壤本身性質(zhì)外決定土壤破碎程度的主要因素。

3)通過ANSYS軟件的分析，旋轉(zhuǎn)單體的最大變形量為2.331 7×10-6m，最小等效應(yīng)力為0.239 39MPa，大于土壤最大凝聚力，能達到馬鈴薯中耕機的深松、碎土要求。仿真分析確定了旋轉(zhuǎn)單體工作的可靠性，為中國北方等粘重土壤地區(qū)的中耕作業(yè)提供了解決方案。