菠蘿帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：刀輥?zhàn)鳛椴ぬ}帶狀開(kāi)溝機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度是影響開(kāi)溝效果和質(zhì)量的重要因素。首先，結(jié)合菠蘿種植的農(nóng)藝要求和農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)指標(biāo)，對(duì)菠蘿帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用SolidWorks2022進(jìn)行建模。其次，刀輥工作時(shí)會(huì)受到環(huán)境和工況等復(fù)雜因素的影響，通過(guò)ANSYS Workbench17有限元分析軟件對(duì)刀輥模型進(jìn)行模態(tài)分析，得出約束狀態(tài)下的前八階刀輥頻率分布及振動(dòng)位移。最后，以刀輥軸最大工作轉(zhuǎn)速為因素，振動(dòng)頻率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)軸外徑為74mm、內(nèi)徑為58mm、行距為500mm、溝寬為260mm時(shí)，刀輥模態(tài)分析第一階固有頻率為66.778Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于刀輥軸實(shí)際最大工作頻率16.25Hz，確定旋耕機(jī)刀輥軸結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。研究結(jié)果可在實(shí)際應(yīng)用及生產(chǎn)中降低刀輥的故障發(fā)生率，對(duì)菠蘿種植農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：菠蘿；旋耕機(jī)刀輥；SolidWorks；有限元；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 01-0013-08

Design and test of knife roller shaft of pineapple ribbon rotary tillage ditching machine

Sun Peng^{1， 2}， Li Hailiang^{2， 3}， Sun Haitian²， Wang Hongxuan²， Sun Weisheng²， Wang Chun^{1， 2}

（1. "Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China; 2. South Subtropical Crops Research Institute，

Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， 524091， China; 3. College of Mechanical amp; Electrical

Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：

The structure and strength of the knife roll， which is the core part of the pineapple belt trenching machine， are the important factors affecting the trenching effect and quality. Firstly， combined with the agronomic requirements of pineapple planting and agricultural machinery production indicators， the structural design of the knife roller of the pineapple ribbon rotary tillage trenching machine was carried out， and the modeling was carried out with SolidWorks2022. Secondly， the tool roll will be affected by complex factors such as environment and working conditions when it is working. The modal analysis of the tool roll model is carried out by ANSYS Workbench17 finite element analysis software， and the frequency distribution and vibration displacement of the first eight steps of the tool roll under constrained state are obtained. Finally， the maximum working speed of the cutter roller is taken as the factor and the vibration frequency is taken as the evaluation index. The results show that when the outer diameter of the shaft is 74mm， the inner diameter is 58mm， the row spacing is 500mm， and the groove width is 260mm， the first natural frequency of the tool roll modal analysis is 66.778Hz， which is far greater than the actual maximum operating frequency of the tool roll 16.25Hz， and it is confirmed that the structure of the rotary tiller tool roll meets the design requirements. The results of this study can reduce the failure rate of the cutter roller in practical application and production， which is of great significance for the development of agricultural production mechanization in pineapple cultivation.

Keywords：

pineapple; rotary tiller knife roll; SolidWorks; finite element; modal analysis

0"引言

旋耕是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要耕作方式之一^［1］，在工作過(guò)程中，旋耕機(jī)能進(jìn)行大面積旋耕碎土，效率比犁耙碎土要好。而刀輥軸是完成碎土這一工作的主要核心部件，也是旋耕機(jī)的重要組成部件，主要分為中間傳動(dòng)和側(cè)傳動(dòng)兩種。側(cè)傳動(dòng)輥軸一端與花鍵和齒輪箱連接，另一端通過(guò)軸承、軸承座與機(jī)架進(jìn)行連接^［2］。中間傳動(dòng)輥軸兩端通過(guò)軸承、軸承座、花鍵、護(hù)板等與機(jī)架進(jìn)行連接，軸中間通過(guò)減速器連接^［3］。因?yàn)榈遁佪S工作所受力主要來(lái)自旋耕刀施加的彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等的綜合變形，所以刀輥結(jié)構(gòu)是影響工作效果的重要因素。

許多學(xué)者對(duì)刀輥設(shè)計(jì)展開(kāi)大量研究。李明喜等^［4］針對(duì)旋耕機(jī)刀軸傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，結(jié)合現(xiàn)代機(jī)械化發(fā)展，建立了旋耕機(jī)刀軸優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型并給出了計(jì)算實(shí)例。Ashajyothi等^［5］為使秸稈覆蓋式刀軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化，在充分考慮模糊因素的條件下，對(duì)刀軸的可靠性靈敏度進(jìn)行了矩陣分析，利用計(jì)算機(jī)獲得刀軸設(shè)計(jì)參數(shù)，證明了刀軸橫截面積比傳統(tǒng)的降低39.17%，使用壽命提高560h，秸稈覆蓋率提高至95%。Mauro等^［6］通過(guò)集中參數(shù)模型來(lái)研究數(shù)控機(jī)床軸，應(yīng)用模態(tài)分析推導(dǎo)出一個(gè)線性模型，該模型被用來(lái)評(píng)估軸的結(jié)構(gòu)件剛度對(duì)其第一固有頻率的影響，并將其進(jìn)一步用于精度、能耗和軸線提示度的分析。庫(kù)浩鋒等^［7］為探究刀輥上旋耕刀與土壤間的相互作用機(jī)理，通過(guò)離散元法證明，當(dāng)旋耕彎刀采用三頭螺旋線排列時(shí)，刀軸受力較小，作業(yè)更加安全可靠。楊阿敏^［8］針對(duì)刀軸方向多、計(jì)算量大的問(wèn)題，提出擬可行域概念，在此基礎(chǔ)上提出刀軸優(yōu)化算法框架，用此算法對(duì)刀軸設(shè)計(jì)能提高刀軸使用壽命。閔莉等^［9］為提高五軸數(shù)控加工中的加工質(zhì)量，利用懸臂梁和變形疊加理論，對(duì)靜態(tài)柔度進(jìn)行優(yōu)化，采用微元法計(jì)算刀具切削力的大小，建立基于刀具偏離量的刀軸矢量控制模型及算法。

關(guān)于刀輥研究有了一定的進(jìn)展，但多數(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)刀輥研究。帶狀旋耕機(jī)與傳統(tǒng)旋耕機(jī)的區(qū)別在于帶狀旋耕機(jī)只針對(duì)種植帶進(jìn)行旋耕整地，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。目前，關(guān)于菠蘿帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥研究還鮮有報(bào)道。因此，本文基于菠蘿種植農(nóng)藝要求創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種菠蘿帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸，利用SolidWorks2022進(jìn)行建模，通過(guò)ANSYS Workbench軟件進(jìn)行模態(tài)分析，得出刀輥結(jié)構(gòu)特性與振動(dòng)頻率特性。

1"結(jié)構(gòu)組成及工作原理

刀輥軸是組成帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)的核心部件，主要由軸輥頭、旋耕刀、軸承、旋耕刀座等組成。結(jié)合國(guó)際現(xiàn)有旋耕刀物理特性參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)^［10］，選取IT195型旋耕刀，回轉(zhuǎn)半徑為R為195mm，最大開(kāi)溝深度可達(dá)120mm，可以滿足該菠蘿種植開(kāi)溝深度要求，如圖1所示。

刀輥采用中間傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)，軸兩端與刀輥頭連接，中間連接減速器。每條種溝采用三組旋耕刀在軸承上呈螺旋式排列，安裝行距為400～500mm，種溝寬度為200～300mm。工作時(shí)帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連，置于菠蘿栽植裝置前端。在拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力牽引下，動(dòng)力通過(guò)輸出軸傳至減速箱，驅(qū)動(dòng)刀輥軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋耕刀片與土壤相互作用，完成開(kāi)溝作業(yè)。

2"刀輥設(shè)計(jì)

2.1"設(shè)計(jì)農(nóng)藝要求

根據(jù)菠蘿種植的農(nóng)藝要求，菠蘿苗種植溝寬為200～300mm，大菠蘿苗種植深度為80～100mm，小菠蘿苗種植深度為60～80mm，行間距為400～500mm。在旋耕開(kāi)溝過(guò)程中，旋耕刀只針對(duì)條帶菠蘿種植區(qū)域進(jìn)行旋耕作業(yè)，旋耕刀只排列在待開(kāi)溝區(qū)域，方向與機(jī)組行進(jìn)方向一致。因此，旋耕破土開(kāi)溝深度a設(shè)計(jì)為100mm。

2.2"刀輥軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀輥軸設(shè)計(jì)主要包括軸承長(zhǎng)度、內(nèi)徑、外徑、旋耕刀安裝等?；陬~定功率為73.5kW的雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)耕幅確定刀軸長(zhǎng)度，通過(guò)旋耕機(jī)碎土過(guò)程中拖拉機(jī)功率消耗、旋耕刀切土節(jié)距及邊緣速度確定單行區(qū)域內(nèi)一把旋耕刀與土壤相互接觸，直至完成一個(gè)周期過(guò)程中所受最大阻力Zd，扭矩T。以此為依據(jù)，對(duì)刀輥軸進(jìn)行力學(xué)分析和強(qiáng)度校核計(jì)算，最終確定刀軸內(nèi)外徑值。

2.2.1"刀軸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

查閱《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，與雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)配套的是中間齒輪傳動(dòng)系列旋耕機(jī)。在南方地區(qū)一般土壤條件下，耕作部件為旋耕彎刀，旱耕深為120～160mm，機(jī)組前進(jìn)速度為2～5km/h，刀軸轉(zhuǎn)速為252～380r/min時(shí)，額定功率與耕幅之間存在以下關(guān)系。

B=（0.26～0.29）P₀（1）

式中：

B——工作幅寬，mm；

P₀——額定功率，kW。

計(jì)算可得，耕幅為2.2×10³mm。

2.2.2"刀軸內(nèi)外徑設(shè)計(jì)

1） "刀軸載荷分布。刀軸承在旋耕開(kāi)溝工作過(guò)程中所受阻力主要來(lái)源于旋耕刀所受阻力之和。應(yīng)根據(jù)旋耕刀工作時(shí)受力情況，確定刀軸阻力集中位置。選取單行區(qū)域內(nèi)1號(hào)旋耕刀為研究對(duì)象，1號(hào)旋耕刀位置如圖2所示，以旋耕刀與土壤接觸點(diǎn)進(jìn)行受力分析如圖3所示。

根據(jù)國(guó)外試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，旋耕刀所受阻力是刀具回轉(zhuǎn)半徑的90%^［11］。假設(shè)Ns力作用點(diǎn)來(lái)源于旋耕刀與土壤接觸點(diǎn)m，則以刀軸為圓心，IT195旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑D1/2為半徑作圓，開(kāi)溝深度a的水平線與此圓交與A點(diǎn)，作點(diǎn)D使得∠AOD等于θ，則阻力E的作用點(diǎn)位于旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑9D1/20處。從圖3可見(jiàn)，旋耕刀作業(yè)觸土?xí)r，所受合力Ns可分解為x、y兩個(gè)方向上的分力Nx、Ny，根據(jù)幾何關(guān)系有

α2=arccosD1/2-aD1/2

α1=arccosD1/2-aD1/2-θ

Nx=Nscosα1

Ny=Nssinα1（2）

由此可知，刀軸受力主要來(lái)源于旋耕刀所受切削阻力Ns。由于旋耕開(kāi)溝過(guò)程中帶狀旋耕機(jī)只針對(duì)菠蘿種溝進(jìn)行旋耕，且刀輥采用中間傳動(dòng)形式，則1號(hào)刀、4號(hào)刀和2號(hào)刀、3號(hào)刀以減速器為中間軸進(jìn)行對(duì)稱排列。旋耕刀位置分布如圖2所示。

2） "刀軸最大阻力與扭矩計(jì)算。旋耕機(jī)碎土效果比犁耙強(qiáng)，在旋耕過(guò)程中所受載荷與功率消耗、旋耕刀切土節(jié)距、邊緣速度及環(huán)境等相關(guān)。功率消耗的影響因素主要包括機(jī)組前進(jìn)速度、作業(yè)耕幅、作業(yè)深度、土壤堅(jiān)實(shí)度和含水率等^［12］。旋耕刀切土節(jié)距指刀輥沿著機(jī)組前進(jìn)方向的縱垂面內(nèi)相鄰兩把旋耕刀切下的土塊厚度，即縱垂面內(nèi)相鄰兩把旋耕刀相繼入土?xí)r間間隔內(nèi)機(jī)組前進(jìn)的距離^［13］。旋耕刀邊緣速度是刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)組前進(jìn)的合成速度^［14］，所以旋耕刀的作業(yè)軌跡是呈現(xiàn)周期性變化的余擺線。因此，在以輪式拖拉機(jī)為動(dòng)力輸出條件，裝置進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，存在關(guān)系如式（3）所示。

P=100kτ×a×vm×B75

S=6000/（n×zd）

vb=2πnR60（3）

式中：

P——旋耕功率，W；

kτ——旋耕比阻，取0.6475；

S——切土節(jié)距，mm；

zd——

單行小區(qū)種溝內(nèi)一次切土旋耕刀數(shù)量取，取1；

vm——機(jī)組前進(jìn)速度，取1m/s；

vb——旋耕刀邊緣速度，m/s；

n——旋耕刀轉(zhuǎn)速，r/min；

R——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，mm。

由于雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)的額頂定功率為73.5kW，最大輸出轉(zhuǎn)速為760r/min，減速箱的傳動(dòng)比為1/2，所以旋耕刀的最大轉(zhuǎn)速為380r/min。當(dāng)旋耕刀入土旋耕開(kāi)溝時(shí)，存在理論旋耕功率和實(shí)際旋耕功率。根據(jù)式（3）可求得理論旋耕功率為15 501.15W、旋耕刀邊緣速度為7.75m/s、旋耕刀切土節(jié)距為157mm。通過(guò)查閱《機(jī)械工程手冊(cè)》，在保證刀輥?zhàn)鳂I(yè)安全的條件下選取合適的安全系數(shù)α′=1.5，即實(shí)際旋耕功率應(yīng)為23 251.725W。因此，當(dāng)旋耕機(jī)刀輥進(jìn)行工作時(shí)，單行旋耕刀的工作區(qū)域分別只有一把刀入土，一把刀所受阻力N和扭矩T計(jì)算如式（4）所示。

zd=Nvb

T=NR（4）

計(jì)算可得，當(dāng)單行區(qū)域內(nèi)一把旋耕刀與土壤相互接觸直至完成一個(gè)周期過(guò)程中，最大阻力N為3 000.2N，扭矩T為585.04N。

3） "刀軸內(nèi)外徑校核。以刀軸左半軸1號(hào)刀所在位置為例進(jìn)行分析，當(dāng)旋耕刀與土壤接觸相互作用時(shí)，對(duì)旋耕刀對(duì)刀軸所施加的作用力進(jìn)行力學(xué)分析，如圖4所示。

當(dāng)1號(hào)旋耕刀入土旋耕開(kāi)溝時(shí)，軸平面受力示意圖如圖4所示。左半軸除了受到兩個(gè)向下的約束力F1、F2外，還受到旋耕刀對(duì)軸承施加向上的阻力Ns及扭矩T作用。所以根據(jù)軸承受力列出平衡方程（5）。

Ns=F1+F2

Ns×800=F1×1100（5）

結(jié)合平衡方程（5）和刀軸受力圖可得，1號(hào)刀位置當(dāng)量彎矩M1=559.954N·m，同理2號(hào)刀位置所受當(dāng)量彎矩M2=454.063N·m，二者所受當(dāng)量扭矩T=351.024N·m。由于1號(hào)、2號(hào)刀位置和3號(hào)、4號(hào)位置是對(duì)稱分布的，所以刀軸所受危險(xiǎn)截面應(yīng)為L(zhǎng)/2處，即2號(hào)、3號(hào)刀之間，因此危險(xiǎn)截面處的當(dāng)量彎矩為454.063N·m。根據(jù)材料屬性，可按經(jīng)驗(yàn)方法校核。通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得，Q235鋼鐵材料的最大許用彎曲應(yīng)力［δ-1］=40MPa?？筛鶕?jù)Mmax和Tmax按第三強(qiáng)度理論計(jì)算應(yīng)力，如式（6）所示。

δ=MW²+4εT2W²≤δ-1

W=πD³321-dD⁴（6）

式中：

M——刀軸所受最大彎矩，N·m；

ε——折合系數(shù)，取0.6；

D——刀軸外徑，mm；

d——刀軸內(nèi)徑，mm；

T——刀軸所受扭矩，N·m；

W——刀軸抗彎截面系數(shù)，mm³。

經(jīng)過(guò)理論校核，D≥73.70mm，d≤58mm，即該刀軸是外徑為74mm，內(nèi)徑為58mm圓筒。

2.3"旋耕刀及刀座的安裝設(shè)計(jì)

2.3.1"IT195型旋耕刀及刀座

旋耕刀是旋耕刀輥的主要功能部件^［15-17］，常選用GB699中規(guī)定的65Mn或者BG1222中規(guī)定的60SiMn鋼^［18］進(jìn)行制造。GB/T 5669—1995中規(guī)定四輪或履帶拖拉機(jī)牽引的旋耕設(shè)備，旋耕刀厚度為10mm，孔徑為13mm，刀柄頂部到孔中心的距離應(yīng)為30mm，回轉(zhuǎn)中心到孔的距離應(yīng)為70mm^［19］。因此，選取IT195型旋耕刀。旋耕刀刀座按照制造工藝分為精密鑄造和焊合兩種，精密鑄造工藝復(fù)雜，制造缺陷不好把握。選擇簡(jiǎn)單易于操作的焊合刀座，焊合刀座應(yīng)用GB/T 1519《低合金結(jié)構(gòu)鋼》中的16Mn材料進(jìn)行制造，IT195旋耕刀及刀座如圖5所示。

2.3.2"軸向間距及安裝夾角設(shè)計(jì)

刀輥進(jìn)行工作時(shí)，旋耕刀破土撕裂周?chē)寥?，為防止刀具碎土范圍相互重合，刀座的軸向間距B^*布置應(yīng)略大于彎刀耕幅b^*，則有

B^*=b^*+Δb

（7）

式中：

Δb——常數(shù)，取15～20mm。

在避免旋耕開(kāi)溝漏耕情況，刀座安裝軸向間距最大可取75mm。刀輥設(shè)計(jì)為四行開(kāi)溝模式，單行內(nèi)采用3組旋耕刀呈螺旋狀排列在軸承上，旋耕刀在軸承固定位置圓周展開(kāi)如圖6所示。

3"模態(tài)分析

刀輥軸工作時(shí)所受阻力與旋耕刀耕深成正比^［20］，刀輥?zhàn)鳛槌惺茏枇Φ闹饕ぷ鞑考?，工作時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)、受力、變形等情況，直接影響開(kāi)溝作業(yè)質(zhì)量和機(jī)具使用壽命。因此，基于刀輥軸的力學(xué)分布、旋耕刀排列規(guī)律、強(qiáng)度校核條件下對(duì)刀輥軸的振動(dòng)、受力、變形的分析顯得尤為重要。利用SolidWorks2022進(jìn)行建模，以step格式另存文件，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench17環(huán)境進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中潛在的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，證明刀輥結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的合理性是否滿足相應(yīng)的要求。

3.1"模型約束與網(wǎng)格劃分

刀輥采用Q235碳鋼管材料制造，屈服強(qiáng)度為235MPa、泊松比為0.25、密度為7 850kg/m³，彈性模量為2.1×10⁵MPa^［21］。在進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，為降低運(yùn)算量和對(duì)電腦配置要求，對(duì)刀輥的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并進(jìn)行模型約束，主要是對(duì)刀軸L/2處和兩端銷(xiāo)孔進(jìn)行模型約束，如圖7所示。

現(xiàn)實(shí)中，刀輥模型相對(duì)較為復(fù)雜，而自由網(wǎng)格劃分過(guò)程中，對(duì)輥軸的幾何形狀沒(méi)有要求，因此采用自由網(wǎng)格劃分，劃分成最小邊緣長(zhǎng)度為1.518×10^-3，得到203 421個(gè)節(jié)點(diǎn)，133 645個(gè)單元，如圖8所示。

3.2"結(jié)果分析

基于網(wǎng)格劃分對(duì)刀輥軸進(jìn)行模態(tài)分析，考慮到在開(kāi)溝時(shí)振動(dòng)的頻率等相對(duì)較低，因此只需考慮與這些激振頻率接近的低階固有模態(tài)。單擊Solve進(jìn)行求解后，得到振型圖（圖9）中主要顯示刀輥?zhàn)冃乌厔?shì)、變形位移、頻率等。表1是對(duì)刀軸前8階振頻變化、最大位移、變形狀態(tài)分析結(jié)果。根據(jù)圖9、表1的結(jié)果分析可知，刀輥軸在第1階、第2階變形主要體現(xiàn)在刀輥軸上，且集中在刀輥軸中間部分，分別沿x軸的負(fù)方向和y軸負(fù)方向發(fā)生軸向位移，最大變形位移為x軸負(fù)方向偏移7.142 7mm，振型頻率為66.84Hz。第三階開(kāi)始，刀輥的變形主要體現(xiàn)在旋耕刀葉片上，刀片的偏移方向主要在x、z軸上，其中刀片偏移量最大的是第6階模態(tài)，此時(shí)振型頻率為143.47Hz，旋耕刀片受力最大，沿z軸正方向偏移，最大偏移量為78.931mm。本次設(shè)計(jì)的帶狀旋耕機(jī)刀輥頻率在4.2～19.5Hz之間。工程設(shè)計(jì)中通常外在激勵(lì)頻率達(dá)到1階固有頻率的75%就要引起重視^［22］。

帶狀旋耕機(jī)刀輥軸的第一階固有頻率為66.778Hz，該固有頻率的75%為50.08Hz，刀輥軸工作固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模態(tài)分析結(jié)果，刀輥軸符合工作要求。

4"田間試驗(yàn)

基于額定功率為73.5kW雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過(guò)田間試驗(yàn)測(cè)量刀輥開(kāi)溝深度、開(kāi)溝寬度、行距及振動(dòng)頻率。探究刀輥設(shè)計(jì)是否符合開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和菠蘿種植農(nóng)藝要求。

4.1"試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)在廣東省湛江市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家土壤質(zhì)量湛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（E109°31′，N21°35′）進(jìn)行，年平均日照時(shí)間2 160h，無(wú)霜期為350天，年平均氣溫為23.2℃，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。供試土壤深度為10cm，含水率為20.8%，土壤密度約為2.3×10³g/cm³，堆積角為32.5°。試驗(yàn)設(shè)備包括雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)、帶狀旋耕機(jī)刀輥、簽字筆、記錄本、直尺、筆記本電腦等、GS63A-00系統(tǒng)。

通過(guò)雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)與裝有帶狀旋耕機(jī)刀輥連接。為便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，機(jī)組以速度為0km/h時(shí)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)旋耕刀與土壤相互作用時(shí)，保持開(kāi)溝深度為100mm左右，通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速測(cè)量刀輥振動(dòng)頻率。在試驗(yàn)過(guò)程中刀輥處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，為便于測(cè)量，分別選取刀輥軸兩端和中間L/2處三個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)限接近于刀輥振動(dòng)值，軸兩端以刀輥軸承蓋代替，中間測(cè)位點(diǎn)以軸承套作為對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。此試驗(yàn)方法測(cè)得數(shù)值與刀輥實(shí)際所受振頻存在細(xì)微誤差，可忽略。以刀輥轉(zhuǎn)速作為變量，振動(dòng)頻率、開(kāi)溝深度、開(kāi)溝寬度、行距作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。取拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為230r/min、300r/min、370r/min，…，790r/min共9組輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。首先，利用GS63A-00儀器測(cè)量刀輥振動(dòng)速率、振動(dòng)位移；然后，通過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換圖（圖10）轉(zhuǎn)換成振頻與模態(tài)分析結(jié)果作對(duì)比；接著，利用直尺測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)開(kāi)溝深度、開(kāi)溝寬度、行距；最后，求取平均值。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與菠蘿種植農(nóng)藝要求對(duì)比，觀察是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和菠蘿種植農(nóng)藝要求。

4.2"試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)田間試驗(yàn)，測(cè)量刀輥振動(dòng)速率、振動(dòng)位移后，由GS63A-00系統(tǒng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換圖換算結(jié)果如表2所示。利用直尺測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下開(kāi)溝寬度、開(kāi)溝垂直深度和行距，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

由表2可知，隨著拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速逐漸增大，刀輥振動(dòng)頻率和振動(dòng)位移也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)理論最大輸出轉(zhuǎn)速為760r/min。為使刀輥振動(dòng)頻率無(wú)限趨近于實(shí)際工作狀況，將拖拉機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)速增至790r/min，此時(shí)刀輥軸所受最大振動(dòng)頻率為16.25Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模態(tài)分析結(jié)果50.08Hz。因此，原刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際工作范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，安全可靠，符合設(shè)計(jì)要求。

由表3可知，隨著拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速逐漸增大、機(jī)具前進(jìn)速度不變的條件下，旋耕開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝深度有逐漸加深的趨勢(shì)，這是由于輸出轉(zhuǎn)速提高，相同時(shí)間內(nèi)旋耕刀與土壤相互作用次數(shù)增加導(dǎo)致；開(kāi)溝寬度和行距略有變化，但變化范圍相對(duì)較小，這是因?yàn)樾兜呐帕蟹绞焦潭l件下，輸出轉(zhuǎn)速增大，旋耕刀擾動(dòng)周?chē)寥来螖?shù)增加及測(cè)量誤差所導(dǎo)致；另外，考慮到機(jī)具進(jìn)行開(kāi)溝、種植時(shí)，部分土壤回填的情況，開(kāi)溝深度為117.7mm、開(kāi)溝寬度為261.4mm、行距為470.8mm，滿足菠蘿開(kāi)溝種植的農(nóng)藝要求（60mm≤開(kāi)溝深度≤120mm；200mm≤開(kāi)溝寬度≤300mm；400mm≤行距≤500mm），刀輥設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5"結(jié)論

針對(duì)菠蘿帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸進(jìn)行闡述，基于菠蘿苗的種植農(nóng)藝要求和額定功率為73.5kW雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)進(jìn)行刀輥軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用有限元分析軟件對(duì)刀軸進(jìn)行模態(tài)分析。

1） "基于雷沃M1004-A輪式拖拉機(jī)，針對(duì)菠蘿種植農(nóng)業(yè)種植機(jī)械化和要求，自主設(shè)計(jì)適用于菠蘿種植開(kāi)溝要求的旋耕機(jī)刀輥軸，對(duì)刀輥軸結(jié)構(gòu)、受力等進(jìn)行分析，最終確定刀輥軸長(zhǎng)度為2 200mm，軸承外徑為74mm、內(nèi)徑為58mm。旋耕刀選用IT195型彎刀，刀輥設(shè)計(jì)為四行種植開(kāi)溝模式，單行種溝的旋耕刀由3組旋耕刀呈螺旋狀排列。每組旋耕刀軸向安裝間距為75mm，安裝夾角呈120°，共6把彎刀。行距為400～500mm，開(kāi)溝寬度為200～300mm。

2） "利用SolidWorks2022對(duì)帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸進(jìn)行建模，基于ANSYS Workbench17進(jìn)行模態(tài)分析，得出第1階模態(tài)分析固有頻率為66.778Hz。

3） "通過(guò)田間試驗(yàn)可得出，當(dāng)帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，實(shí)際工作振動(dòng)頻率逐漸增大，當(dāng)?shù)遁佪S轉(zhuǎn)速達(dá)到實(shí)際工作的最大轉(zhuǎn)速790r/min時(shí)，測(cè)出最大振動(dòng)頻率為16.25Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模態(tài)分析第一階固有頻率的75%，因此，帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。除此之外，對(duì)帶狀旋耕開(kāi)溝機(jī)刀輥軸開(kāi)出種溝進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，得出開(kāi)溝寬度為261.4mm、開(kāi)溝深度為117.7mm、行距為470.8mm，符合菠蘿帶狀開(kāi)溝種植的農(nóng)藝要求和開(kāi)溝機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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