切除纏繞物微耕機的設(shè)計

孫鵬　毛廷廷　邱萬里　王源

摘要：為了解決微耕機在云南山地耕作過程中易被雜草纏繞、效率低下、人工勞動強度大等問題，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于操作的新型微耕機。實現(xiàn)了既可快速切除纏繞物，又能持續(xù)高效地進行旋耕作業(yè)。通過實地整機試驗，該機具不僅能保證土壤耕深的穩(wěn)定性，還能提高土壤破碎率，達到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：微耕機;靜刀具;切除纏繞物

中圖分類號：S225.93? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）02-0153-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.034? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Design on cut twist micro-plough

SUN Peng1，MAO Ting-ting2，QIU Wan-li1，WANG Yuan1

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science And Technology，Xi′an 710000，China）

Abstract： In order to solve the problem that the micro tillage machine was easily entangled by weeds， low efficiency and high labor intensity during the cultivation of Yunnan mountain， a new type of micro tillage machine was designed， which was simple in structure， small in size and easy to operate. Through field experiments， it was concluded that this machine can not only guarantee the stability of soil tillage， but also improve the soil breaking rate and achieve the desired effect.

Key words： micro tillage machine; static cutting tools; resected entanglement

微耕機又稱作耕耘機，它以小型柴油機或汽油機為動力，依靠驅(qū)動輪軸帶動旋轉(zhuǎn)工作部件進行旋耕作業(yè)，還可配套使用專用機具進行開溝、培土、起壟等作業(yè)[1]。微耕機屬于小型農(nóng)業(yè)耕作收獲機械，由于其自身具有體積小、重量輕和便于操作等特點，主要被應(yīng)用于中國西南地區(qū)山地、丘陵等難以實現(xiàn)大型農(nóng)業(yè)機械化的復(fù)雜地形。其中，云南省就是一個使用微耕機較為普遍的典型地區(qū)。

由于受地理環(huán)境的影響和地形的限制等因素，目前，云南省大多數(shù)地方仍然只能依靠微耕機等小型機具來進行農(nóng)業(yè)耕作和收獲，且在微耕機的使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)雜草纏繞而直接導(dǎo)致工作效率低下等問題[2]。因此，設(shè)計一種既可快速切除纏繞物，又能持續(xù)高效地進行旋耕作業(yè)的新型微耕機來解決云南地區(qū)微耕機使用難等問題具有重大的現(xiàn)實意義。

1? 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1? 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型微耕機主要由扶手架總成、變速箱總成、安全防護板、行走箱總成、調(diào)速桿、油箱、發(fā)動機、保險杠、靜刀具、旋耕刀軸、旋耕刀片等組成（圖1）。

1.2? 工作原理

新型微耕機以柴油機作為動力源，經(jīng)過一級變速箱和二級可調(diào)速變速箱調(diào)速后向旋耕刀軸傳遞動力，利用旋耕刀軸所做的回轉(zhuǎn)切削運動，打碎耕作層土壤，并將土壤拋向后方，撞擊擋泥板，進一步破碎后落到地面[3]。該設(shè)計通過安裝一組與之相匹配的靜刀片（靜刀片安裝在靜刀軸上），靜刀片與下方的旋耕刀片安裝配合存在一定間隙。當旋耕刀上纏繞雜草較多時，旋耕刀片與靜刀片配合工作，對纏繞在旋耕刀片上的雜草進行切除，然后通過旋耕刀翻轉(zhuǎn)作業(yè)，將雜草埋入土壤。

2? 主要設(shè)計

2.1? 動力選擇

發(fā)動機選擇不合理可能會造成輸出扭矩較小，出現(xiàn)超過發(fā)動機最大輸出扭矩而導(dǎo)致熄火的現(xiàn)象，因此發(fā)動機的選擇至關(guān)重要。微耕機發(fā)動機主要考慮工作可靠性、動力輸出穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及國家的噪音尾氣污染等相關(guān)指標。

新型微耕機轉(zhuǎn)軸選用結(jié)構(gòu)鋼，軸徑為60 mm，驅(qū)動部分采用4.5 kW發(fā)動機，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。

式中，？咨T為扭矩切應(yīng)力（MPa）;n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）;P為軸傳遞的功率（kW）;A0為軸的材料系數(shù);d為轉(zhuǎn)軸的直徑。

經(jīng)計算驗證，擬選用的4.5 kW發(fā)動機設(shè)計合理。

2.2? 刀具設(shè)計

2.2.1? 旋耕刀具的選擇? 由于云南省山地耕作過程中土壤黏性較高、比阻較大和微耕機作業(yè)過程中由于雜草纏繞使得耕作時功耗較大。為了減少雜草纏繞、提高勞動效率，微耕機旋耕刀具選用彎型刀片。彎型刀具有滑切作用，耕刀的彎曲角度100°，刀片長度255 mm。該刀具能對土壤進行切削，有較強的翻土覆蓋性能，一定程度上也能對雜草進行切碎。

2.2.2? 靜刀片設(shè)計及其安裝? 靜刀片主要作用是切除旋耕刀片上纏繞的雜草從而降低功耗，提高勞動效率。靜刀片強度高、韌性好、磨損率低，碰到纏繞的雜草不發(fā)生變形或斷裂。彈簧鋼65 Mn滿足以上材料性能的要求，故靜刀片的設(shè)計采用彈簧鋼65 Mn，刀刃設(shè)計呈鋸齒狀平面式。安裝時先把靜刀軸安裝在機架上，然后將靜刀片固定在靜刀軸上，靜刀片與旋耕刀片安裝配合存在一定間隙，當旋耕刀刀柄處于垂直地面位置時，靜刀片與旋耕刀片接近于平面，靜刀片刀刃最大限度與纏繞的雜草接觸，從而對雜草切斷。安裝時主要考慮雜草纏繞在旋耕刀片的位置，以期達到最大限度地切除纏繞的雜草，從而進一步提高旋耕機的工作效率。

3? 仿真處理

3.1? 刀片靜力學(xué)分析

微耕機是通過旋耕刀的旋轉(zhuǎn)切削運動來工作的。刀軸通常選用結(jié)構(gòu)鋼，刀片選用彈簧鋼65 Mn，密度7.83×10 kg/m3，泊松比0.3，彈性模量2.1×1011 Pa，其強度高、耐磨性好、不易磨損或折斷。在ANSYS Workbench軟件中，采用0.01 mm單元格對網(wǎng)格進行劃分，刀柄通過安裝孔固定于刀座上，如圖2所示。

在旋耕刀工作過程中，側(cè)切刃先對土壤進行切削，隨著旋耕刀的不斷切入，過渡面刃口和正切刃依次對土壤進行切削[4]。經(jīng)模擬計算所得，旋耕刀側(cè)切刃、過渡面刃口和正切刃3處均受垂直力，大小為500 N。添加旋耕刀總變形云圖、等效變形云圖、等效彈性應(yīng)變云圖，結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。旋耕刀的最大和最小變形處分別在正切刃處和刀柄處，正切刃處剛度較差。固定安裝孔附近應(yīng)力分布最為明顯，此處在實際作業(yè)中容易產(chǎn)生斷裂，驗證了有限元分析的準確性。總變形云圖和等效彈性應(yīng)變云圖結(jié)果基本相同。由于在實際工作中旋耕刀最大應(yīng)力和應(yīng)變都在刀柄與刀背連接處，此處容易斷裂。通常采用改變折彎角度和增加刀身寬度來改變應(yīng)力分布和提高刀具強度。

3.2? 旋耕刀具模態(tài)分析

為研究其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，對系統(tǒng)進行模態(tài)分析[5]，主要參數(shù)為阻尼、比模態(tài)頻率和振型。模態(tài)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有特征，每一階的固有頻率都有其對應(yīng)的特定變形模式。因此，在掌握了各階模態(tài)的主要特性后，就可以識別出系統(tǒng)在產(chǎn)生振動時整個結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特性。

微耕機工作時，旋耕刀片對土壤回轉(zhuǎn)切削的同時，土壤產(chǎn)生反作用力，刀輥在發(fā)動機和土壤反作用力的復(fù)合作用下極易發(fā)生振動[6]。雖然機械各部件都能一定程度上承受機器工作時的影響，但當實際振動頻率越來越接近固有頻率時，機械振動幅度越來越大，機器各部件越容易遭到破壞，出現(xiàn)嚴重的振動失效。另外，振動不僅能產(chǎn)生較大的噪音，可能使連接部位發(fā)生脫落，嚴重影響機械壽命，降低設(shè)備的整體性能。因此對微耕機進行計算仿真和試驗的過程模態(tài)分析很有必要，結(jié)果如圖6至圖9所示。

數(shù)值模擬前六階模態(tài)分析結(jié)果表明，前兩階的振型云圖振動頻率較低，固有頻率接近于0，該模擬云圖表示前兩階為剛體振動，未出現(xiàn)明顯的位移變化，刀輥中間圓盤周圍刀具支撐架相對位移幾乎為零。前兩階的振型云圖相似，伴隨振型頻率的提高，刀片變形逐漸變大，尤其是最外側(cè)刀片，刀輥軸也出現(xiàn)一定程度的彎曲變形。第三階至第五階云圖振動頻率最接近固有頻率，易發(fā)生共振。當共振出現(xiàn)時，可能導(dǎo)致刀具受土壤產(chǎn)生的阻力隨切削面積增大而明顯增大，較高程度上降低了刀輥工作性能，不會發(fā)生明顯共振。第六階振型云圖表明，刀輥固有頻率逐漸增大，刀輥軸的變形明顯減小，單個刀片從刀柄處變形逐漸減小，正切刃處位移量下降，其振動主要表現(xiàn)為刀片正切面出現(xiàn)較大變形，刀輥軸發(fā)生較小的彎曲變形[7]。

旋耕刀片的干擾頻率與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系為n=60f（n為轉(zhuǎn)速，f為干擾頻率），采摘刀片的轉(zhuǎn)速為2 r/s，雖然公式計算得出刀片的干擾頻率為20 Hz，與第三階的振型頻率比較接近，但刀片在工作時未發(fā)生共振現(xiàn)象，因此該刀片設(shè)計較為合理。

4? 實例試驗分析

4.1? 試驗條件及環(huán)境

為了驗證微耕機設(shè)計的合理性，采用上述設(shè)計在云南省富民縣試驗基地進行田間試驗和整機性能測試。試驗區(qū)域為100 m×25 m的地塊，土壤質(zhì)地為壤土，試驗耕深設(shè)為15 cm，試驗?zāi)康氖菧y試微耕機靜刀具的性能，所以選擇雜草較多的地塊進行試驗，試驗時分別采用高、低兩個檔位來改變實際作業(yè)速度，并對土壤碎土率進行測量計算。

4.2? 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表1所示。從表1得知，當土壤含水率平均值、堅實度平均值等指標保持基本一致時，通過人工對碎土進行篩選，并測量計算碎土率值，通過調(diào)節(jié)檔位和加裝靜刀具，在微耕機上安裝靜刀具可在一定程度上降低雜草的纏繞量，從而提高耕深穩(wěn)定性系數(shù)，并且使旋耕刀對土壤的切削翻轉(zhuǎn)更加均勻，提高了耕作層土壤的碎土率。

5? 結(jié)論

新型微耕機主要是針對在云南省山地耕作過程中微耕機易被雜草纏繞、效率低下、人工勞動強度大等問題而設(shè)計的，整機結(jié)構(gòu)輕巧、易于轉(zhuǎn)向、操作簡單方便，工作穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)地形復(fù)雜地塊。通過靜刀片和旋耕刀片配合工作，既快速切除纏繞物，又能持續(xù)高效地進行旋耕作業(yè)，不但能夠保證耕深的穩(wěn)定性，而且能提高土壤碎土率，同時還能在一定程度上降低油耗，節(jié)約生產(chǎn)勞動成本。

參考文獻：

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[6] 徐成剛.茶園小型微耕機的設(shè)計與研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[7] 任永豪.微耕機旋耕刀輥模態(tài)仿真與試驗研究[D].重慶：西南大學(xué)，2014.

收稿日期：2019-01-03

作者簡介：孫? 鵬（1993-），男，河南漯河人，碩士，主要從事機械設(shè)計與理論方面的研究，（電話）18339026611（電子信箱）1061410047@qq.com;

通信作者，王? 源，男，碩士，主要從事機械設(shè)計與理論方面的研究，（電話）15972731943（電子信箱）2235811363@qq.com。