微耕機(jī)旋耕刀輥的設(shè)計(jì)與仿真分析*

孫 勇，朱留憲，鞏 杉，楊 玲，楊明金

(1.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽 618000； 2.四川大學(xué) 匹茲堡學(xué)院，四川 成都 610207；3.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引 言

微耕機(jī)作為一種小型農(nóng)用機(jī)械，因其使用方便、操作靈活、耕作部件更換快捷等特點(diǎn)，在低坡度丘陵、小面積田塊以及溫室大棚田間作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。刀輥?zhàn)鳛槲⒏麢C(jī)的耕作部件，其結(jié)構(gòu)形式直接決定著微耕機(jī)的耕作性能和效率。對(duì)于微耕機(jī)刀輥的研究國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。西南大學(xué)李云伍教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種小型立軸式螺旋旋耕刀刀具[1]，同傳統(tǒng)直角式旋耕刀具相比，切削阻力小(切削阻力降低了37.5%)，功率低(功率消耗降低了47.6%)。張引航基于SPH方法，以能量消耗為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)旋耕刀輥進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。任永豪開展了微耕機(jī)刀輥模態(tài)仿真與試驗(yàn)研究[3]。吳勝超對(duì)旋耕刀輥成形工藝進(jìn)行了數(shù)值仿真進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。Tharoon T通過理論分析計(jì)算，對(duì)旋耕刀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開展了試驗(yàn)分析[5]。李守太基于響應(yīng)面圖對(duì)微耕機(jī)旋耕刀設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[6]。鐘江運(yùn)用正交設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真對(duì)鑿切刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[7]。蔣建東對(duì)土壤旋切振動(dòng)減阻進(jìn)行了有限元分析，通過對(duì)刀具施加合適的振動(dòng)頻率可降低土壤切削功率[8]。劉謙文基于ANSYS/LS-DYNA，采用單元組合法，對(duì)旋耕刀強(qiáng)度和功耗進(jìn)行了研究[9]。Mandal S K 運(yùn)用ANSYS workbench對(duì)微耕機(jī)L型刀具進(jìn)行了設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化[10]。郝建軍采用等離子堆焊技術(shù)提高了旋耕刀耐磨性和沖擊韌性[11]。 Gongshuo Zhang通過響應(yīng)面方法對(duì)旋耕彎刀耕作阻力進(jìn)行了數(shù)值仿真和參數(shù)優(yōu)化[12]。劉妤運(yùn)用離散元與多體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)微耕機(jī)旋耕刀軸負(fù)荷進(jìn)行了分析，并采用土槽試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)工況進(jìn)行了測試[13]。

上述研究工作中，對(duì)于微耕機(jī)切削土壤性能，大多集中于耕作參數(shù)優(yōu)化、刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化工作，對(duì)于微耕機(jī)耕作過程中的重耕、漏耕等問題未進(jìn)行深入研究。為有效解決重耕、漏耕等問題，設(shè)計(jì)了一種微耕機(jī)旋耕刀輥，并運(yùn)用有限元方法對(duì)刀輥切削土壤動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值仿真，為微耕機(jī)耕作部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 微耕機(jī)

1.1 微耕機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《微型耕耘機(jī)》(JB/T 10266-2013)中規(guī)定，微耕機(jī)功率不大于7.5 kW，主要用于水、旱田耕耘作業(yè)[14]。微耕機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力源、傳動(dòng)裝置、耕作部件以及耕深調(diào)節(jié)裝置組成[6,15]。微耕機(jī)采用柴油或者汽油作為動(dòng)力源，通過傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳送到耕作部件，耕作部件在驅(qū)動(dòng)力的帶動(dòng)下進(jìn)行切削土壤。根據(jù)耕作的需要，可通過變速檔位調(diào)節(jié)耕作前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)可通過調(diào)節(jié)耕深調(diào)節(jié)裝置改變土壤耕作深度。

1.2 微耕機(jī)刀輥設(shè)計(jì)

刀輥由刀軸和旋耕刀組成，又稱為刀滾[16]。刀輥?zhàn)鳛槲⒏麢C(jī)重要的耕作部件，其結(jié)構(gòu)形式直接影響到微耕機(jī)的耕作性能和耕作效率。刀輥切削土壤時(shí)，容易受到振動(dòng)和沖擊，為了使刀輥切削土壤時(shí)受力均勻以及耕作質(zhì)量好，在刀軸上安裝多組旋耕刀組，以刀軸中心對(duì)稱安裝刀組，每組刀組由三把旋耕刀組成，旋耕刀在每組刀組上交替錯(cuò)位安裝，以刀座中心軸向平均分布安裝，每個(gè)旋耕刀組中旋耕刀與旋耕刀之間呈120°夾角，刀軸上每相鄰刀組間的同相位旋耕刀之間的夾角為60°。為避免微耕機(jī)耕作時(shí)重耕、漏耕等現(xiàn)象發(fā)生，在刀組與刀組之間對(duì)稱安裝了三把輔助切刀，切刀與同組旋耕刀組中刀片呈60°夾角。輔助切刀隨旋耕刀輥同步轉(zhuǎn)動(dòng)，輔助切削土壤，可以有效解決重耕、漏耕等問題。同時(shí)，輔助切刀結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、安裝簡便快捷。輔助切刀結(jié)構(gòu)如圖1所示，微耕機(jī)刀輥如圖2所示。

圖1 輔助切刀

圖2 微耕機(jī)刀輥1.微耕機(jī) 2.刀組 3.刀片 4.刀座 5.刀軸 6.輔助切刀 7.旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2 刀輥切削土壤動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 有限元模型

運(yùn)用有限元方法，采用非線性動(dòng)力學(xué)求解器LS-DYNA程序?qū)ξ⒏麢C(jī)刀輥切削土壤進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，以評(píng)估刀輥切削土壤效果并驗(yàn)證刀輥設(shè)計(jì)的合理性。

在三維造型軟件SolidWorks中建立微耕機(jī)旋耕刀輥模型，導(dǎo)入ls-prepost中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證求解精度和效率，對(duì)微耕機(jī)旋耕刀輥進(jìn)行幾何模型簡化，刪除螺栓、墊圈、墊板及刀軸等與土壤切削仿真無關(guān)的幾何零部件。對(duì)微耕機(jī)刀輥六面體網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格單元尺寸為10 mm。微耕機(jī)刀輥切削土壤時(shí)，微耕機(jī)刀輥相對(duì)于土壤強(qiáng)度和剛度高，在仿真過程中，重點(diǎn)關(guān)注土壤切削狀態(tài)，因此定義微耕機(jī)刀輥為剛體材料。同時(shí)，在ls-prepost軟件中建立土壤有限元模型，并對(duì)土壤進(jìn)行過渡網(wǎng)格劃分，即與旋耕刀輥接觸的土壤區(qū)域劃分較為細(xì)密網(wǎng)格，非接觸區(qū)域劃分較大的網(wǎng)格單元尺寸，以降低工作量提高仿真效率。接觸區(qū)域的土壤單元尺寸定義為6 mm，非接觸區(qū)域土壤單元定義為10 mm，建立的微耕機(jī)切削土壤的有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真模型如圖3所示，建立的有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為487 284，單元總數(shù)為467 699。

圖3 有限元模型

2.2 邊界條件

根據(jù)微耕機(jī)刀輥實(shí)際耕作土壤工況，對(duì)土壤施加spc約束，約束土壤底面的6個(gè)自由度，限制土壤的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，為了模擬土壤無限大的耕作空間，對(duì)土壤施加了無反射邊界條件，限制應(yīng)力波邊界反射。定義土壤單元為Constant stress solid element算法，定義旋耕刀輥Belytschko-Tsay單元算法，剪切因子設(shè)置為0.83，殼單元積分點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為2。旋耕刀輥材料類型設(shè)定為MAT_RIGID材料，并約束旋耕刀輥的X、Y方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。土壤材料設(shè)定為MAT_FHWA_SOIL，土壤材料參數(shù)如表1所列[17-19]。

表1 土壤參數(shù)

由于旋耕刀輥切削土壤時(shí)，存在土壤非線性大變形、土壤單元破碎等特點(diǎn)，設(shè)定旋耕刀輥與土壤之間的接觸方式為雙向侵蝕面-面接觸(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)[20]。設(shè)定時(shí)間步長因子為0.9以及求解時(shí)間為1.7 s。運(yùn)用ls-prepost軟件導(dǎo)出k文件，導(dǎo)入LS-DYNA求解器進(jìn)行求解。采用雙路Intel(R) Xeon(R) Gold 5118 CPU、128GB RAM工作站進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所需時(shí)間為20 h 59 min。

3 結(jié)果分析

LS-DYNA計(jì)算完成后，將生成的計(jì)算結(jié)果文件d3plot導(dǎo)入LS-PREPOST軟件中進(jìn)行結(jié)果分析。

圖4所示為旋耕刀輥切削土壤仿真過程。由圖4(a)可看出，旋耕刀輥切削土壤時(shí)，刀輥上左右對(duì)稱的兩把旋耕刀同時(shí)切削土壤，土壤在旋耕刀擠壓作用下土壤單元破壞失效，此時(shí)切刀處于待切削狀態(tài)。隨著旋耕刀輥切削土壤過程的進(jìn)行，切刀與另兩把左右對(duì)稱的旋耕刀同時(shí)切削土壤，由圖4(b)可看出，切刀切削旋耕刀之間未被切削到的土壤，解決了傳統(tǒng)旋耕刀輥漏耕土壤的問題。同時(shí)，土壤在旋耕刀和切刀的綜合擠壓作用下，淺層和中層土壤失效破碎，并被旋耕刀和切刀拋出。深層土壤受到旋耕刀、切刀的切削以及淺層和中層擠壓作用失效破碎。由圖4(c)、(d)可看出，旋耕刀和切刀同時(shí)交替切削土壤，有效解決重耕、漏耕等問題。提取微耕機(jī)旋耕刀切削土壤仿真過程中的淺層、中層以及深層土壤單元位移，如圖6所示，由圖6可看出，淺層土壤單元位移最大，中層土壤單元位移次之，深層土壤單元位移最小，與實(shí)際耕作過程一致，說明了微耕機(jī)切削土壤動(dòng)力學(xué)仿真模型的有效性。

圖4 旋耕刀輥切削土壤

圖5 切削后的土壤

圖6 土壤位移

耕作后的土壤如圖5所示，由圖5可看出，旋耕刀輥切削區(qū)域的土壤無重耕、漏耕現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了微耕機(jī)旋耕刀輥切土、松土、拋土的設(shè)計(jì)目標(biāo)，達(dá)到了改良土壤要求，滿足了農(nóng)作物耕、種需要。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種微耕機(jī)旋耕刀輥，采用有限元方法，基于LS-DYNA軟件對(duì)微耕機(jī)旋耕刀輥進(jìn)行了土壤切削動(dòng)力學(xué)仿真。結(jié)果表明，微耕機(jī)旋耕刀輥切削土壤動(dòng)力學(xué)仿真切削過程與實(shí)際耕作過程一致，所設(shè)計(jì)的微耕機(jī)旋耕刀輥實(shí)現(xiàn)了微耕機(jī)旋耕刀輥切土、松土、拋土的設(shè)計(jì)目標(biāo)，達(dá)到了改良土壤要求，滿足了農(nóng)作物耕種需要。解決了傳統(tǒng)微耕機(jī)切削土壤時(shí)重耕、漏耕問題。同時(shí)為微耕機(jī)旋耕部件設(shè)計(jì)提供了思路和方法。