謝 斌， 孫紅霞， 毛恩榮， 蒲又禎， 陳燕呢

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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旋耕起壟機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

謝 斌， 孫紅霞， 毛恩榮， 蒲又禎， 陳燕呢

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為提高農(nóng)用機(jī)械的教學(xué)質(zhì)量，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)教學(xué)中，選定設(shè)施園藝用旋耕起壟一體機(jī)作為教學(xué)對象，進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)各個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。設(shè)計(jì)階段，依據(jù)與電動拖拉機(jī)匹配要求，確定了整機(jī)方案和參數(shù)，并采用Pro/E和ANSYS建立模型，對關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析；性能仿真階段，采用LS-DYNA對旋耕刀輥切削土壤的作業(yè)性能進(jìn)行分析，得到旋耕刀輥切削土壤時(shí)功率和受力的變化情況；土槽試驗(yàn)中，分析了影響旋耕起壟機(jī)功率消耗的因素，主要有刀軸轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度、耕深及土壤條件；掛接機(jī)組試驗(yàn)中測得旋耕起壟機(jī)消耗的功率，驗(yàn)證了理論與實(shí)測的一致性。

旋耕起壟機(jī)； 電動拖拉機(jī)； 整體設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)分析； 低功耗

0 引 言

旋耕起壟機(jī)由旋耕機(jī)改造而成，廣泛應(yīng)用于蔬菜、花卉、烤煙等經(jīng)濟(jì)作物的種植中，它具有一次完成旋耕、開溝和起壟作業(yè)的特點(diǎn)，效率高、操作靈活，具備良好的動力和作業(yè)性能，因此選擇旋耕起壟機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械課程的教學(xué)對象。西方發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)70年代開始研制和推廣適應(yīng)高產(chǎn)農(nóng)藝要求的新型農(nóng)機(jī)具，研究合理利用水土資源的作業(yè)技術(shù)及配套機(jī)具[1-2]。如西班牙生產(chǎn)的MAS5型和德國生產(chǎn)的506型手扶無輪式旋耕機(jī)[3]。中國對旋耕機(jī)的研究初期主要以與手扶拖拉機(jī)配套的旋耕機(jī)為主。近年來，微耕機(jī)及復(fù)式或聯(lián)合作業(yè)機(jī)具成為研究熱點(diǎn)，如1GV-200BF型旋耕施肥播種機(jī)等[4-7]。本文以復(fù)合式旋耕起壟機(jī)為教學(xué)對象，基于電動拖拉機(jī)匹配要求，通過整機(jī)設(shè)計(jì)、土槽試驗(yàn)及機(jī)組掛接試驗(yàn)，加深教學(xué)效果，豐富教學(xué)內(nèi)容。

1 整體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 單位體積功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立

1.1.1 整機(jī)方案

目前小型旋耕起壟機(jī)主要分為旋耕刀輥與起壟器組合式和旋耕起壟機(jī)一體式。一體式相比組合式旋耕起壟機(jī)整體機(jī)構(gòu)質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。本文選用一體式旋耕起壟機(jī)方案(見圖1)。

圖1 一體式旋耕起壟機(jī)

1.1.2 單位體積功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

功率消耗是旋耕起壟機(jī)設(shè)計(jì)的主要考慮因素。影響旋耕起壟機(jī)功耗的因素主要包括土壤條件、機(jī)組前進(jìn)速度vm、刀軸轉(zhuǎn)速n。本文以切土節(jié)距S、溝底不平度作為約束條件，以n為優(yōu)化目標(biāo)，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。

(1) 溝底不平度。溝底凸起高度的理論值等于相鄰兩擺線的交點(diǎn)與溝底的距離c，溝底的凸起高度一般小于耕深H的20%[8]。

(1)

式中:R為刀片回轉(zhuǎn)半徑，mm;vm為旋耕機(jī)前進(jìn)速度，km/h;k為刀軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;Z為同一截面的刀片數(shù);H為耕深，mm。

(2) 切土節(jié)距。

(2)

(3) 單位體積功耗目標(biāo)函數(shù)。

(3)

式中，K1、K2、K3、K4為與土壤條件和耕深有關(guān)的系數(shù)。

以式(1)、(2)為約束條件，式(3)為目標(biāo)函數(shù)，即為單位體積功耗的數(shù)學(xué)模型。本文主要從刀片刃口弧線、刀片排列方式、傳動系結(jié)構(gòu)及傳動比分配三方面進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 旋耕起壟機(jī)刀輥的設(shè)計(jì)

旋耕起壟機(jī)刀輥是旋耕起壟機(jī)的主要工作部件，由刀軸、旋耕刀、起壟刀等組成。其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括旋耕刀、起壟刀選擇、刀軸設(shè)計(jì)和旋耕刀排布等。

1.2.1 刀輥的設(shè)計(jì)參數(shù)

(1) 旋耕耕幅的確定。旋耕耕幅的寬度由起壟寬度決定，根據(jù)北方一般壟寬的要求為50～60 cm，所以初步取總耕幅B為850 mm。

(2) 旋耕刀片運(yùn)動參數(shù)。旋耕刀片的運(yùn)動參數(shù)主要指旋耕速比λ、耕作深度H。刀輥參數(shù):旋耕耕幅850 mm;旋耕耕深12～18 cm;機(jī)組前進(jìn)速度1.55～3.5 km/h;拖拉機(jī)額定功率14.7 kW。為保證旋耕機(jī)正常工作及滿足耕深的農(nóng)業(yè)要求，λ>1。

1.2.2 刀片的優(yōu)化及其排布

為降低旋耕機(jī)功耗，本文基于傳統(tǒng)的國標(biāo)旋耕刀，將旋耕刀回轉(zhuǎn)平面與機(jī)組前進(jìn)方向適當(dāng)傾斜一定角度，旋耕刀刃口依舊采用阿基米德螺旋線(見圖2)。試驗(yàn)表明，斜置旋耕刀功耗平均比國標(biāo)旋耕刀降低8.65%[9]。

圖2 斜置旋耕刀與國標(biāo)旋耕刀對比圖

旋耕起壟刀刀片的排布決定了旋耕起壟機(jī)的性能，本文采用雙頭螺線型刀片排列方式，刀數(shù)滿足數(shù)組4n±2=總刀數(shù)[10]。其中，n為自然數(shù)。

刀片排布如圖3所示。整個軸段上共有兩條螺旋線排列的刀片；相鄰刀片間夾角為40°，即每轉(zhuǎn)過20°有一把彎刀入土；相鄰兩把彎刀間的周向夾角為180°；相鄰兩刀片的軸向距離大小為50 mm。

圖3 刀片排布圖

1.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動方式選用側(cè)邊鏈條傳動。旋耕起壟機(jī)的傳動示意圖如圖4所示，動力經(jīng)PTO軸傳遞給旋耕起壟機(jī)的減速箱齒輪，經(jīng)傳動軸傳遞給鏈條齒輪，再由鏈條傳遞給刀軸，帶動刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖4 旋耕起壟機(jī)傳動示意圖

根據(jù)建立的單位體積功耗優(yōu)化模型，得到n的范圍180～250 r/min，PTO標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為540 r/min，從PTO到刀軸的傳動比為2.25，其中減速箱傳動比i1=1.5;鏈傳動的傳動比i2=1.5。

2 虛擬模型的建立與分析

2.1 三維實(shí)體建模

旋耕起壟機(jī)整機(jī)包括很多零件，在三維建模的過程中采用自下而上的方法，即先分別建立零件模型然后再裝配成整體。整機(jī)模型如圖5所示，整機(jī)長總1 000 mm左右，高700 mm，寬400 mm。

圖5 整體模型

2.2 關(guān)鍵部件的有限元分析

2.2.1 旋耕刀片的靜力學(xué)分析

(1) 約束及載荷的施加。旋耕刀通過安裝孔安裝在刀輥上，所以在旋耕刀安裝孔處施加固定約束。將旋耕刀在工作過程中所受到的力轉(zhuǎn)換為曲面的壓強(qiáng)，然后添加變形進(jìn)行求解[11-12]。

(2) 結(jié)果分析。旋耕刀最大變形發(fā)生在離固定約束最遠(yuǎn)處及旋耕刀的正切部，最小變形在刀柄處，最大變形為0.000 29 m。應(yīng)變和應(yīng)力云圖結(jié)果一致，所受應(yīng)力最大處為安裝孔附近，最大應(yīng)力為104 MPa。仿真結(jié)果表明,刀片的強(qiáng)度設(shè)計(jì)可靠，在實(shí)際生產(chǎn)中往往通過增加刀柄處的彎折角來減小刀背的受力情況。

2.2.2 起壟刀片的靜力學(xué)分析

如圖6所示，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在刀片安裝孔附近，最大應(yīng)力為139 MPa，小于其許用應(yīng)力。刀片變形最嚴(yán)重的地方在刀片尾部，最大變形為0.000 67 m。實(shí)際運(yùn)用中可以加大安裝孔附近的強(qiáng)度。

圖6 旋耕刀及起壟刀變形云圖

2.3 旋耕刀輥的動力學(xué)分析

LS-DYNA是世界上著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)問題，制造工程的模擬和失效分析等。

設(shè)定旋耕刀輥轉(zhuǎn)動速度n=180 r/min，機(jī)組前進(jìn)速度vm=1.8 km/h，耕深12 cm，在此條件下分析旋耕刀輥與土壤接觸的結(jié)果，切削功耗如圖7所示。隨著旋耕刀輥與土壤的接觸，功率消耗不斷增大，變化幅度越來越小，最終逐漸趨于穩(wěn)定，最大功耗的平均值在1.25 kW左右，功耗較小。

圖7 旋耕刀輥總功率曲線

3 旋耕起壟機(jī)及機(jī)組試驗(yàn)

教學(xué)中采用兩種試驗(yàn)方法來驗(yàn)證旋耕起壟機(jī)的性能。土槽試驗(yàn)用于分析影響旋耕起壟機(jī)功耗的因素，機(jī)組掛接試驗(yàn)用于驗(yàn)證旋耕起壟機(jī)與電動拖拉機(jī)的匹配性。

3.1 樣 機(jī)

旋耕起壟機(jī)樣機(jī)基本參數(shù)如下：配套動力8.82～14.7 kW，尺寸(長×寬×高)為1 025 mm×800 mm×700 mm，整機(jī)質(zhì)量220 kg，刀軸回轉(zhuǎn)半徑245 mm，耕深12～18 cm，工作幅寬850 mm，壟高20～30 mm，刀軸轉(zhuǎn)速180～250 r/min，壟數(shù)1行。

3.2 機(jī)組土槽試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件

智能型土壤機(jī)器植物系統(tǒng)試驗(yàn)臺(簡稱土槽試驗(yàn)臺)如圖8所示，可以模擬田間工況，對土壤工作部件的性能進(jìn)行試驗(yàn)，還可研究土壤參數(shù)對工作部件的影響[13-16]。

圖8 土槽試驗(yàn)臺

旋耕起壟機(jī)的切土節(jié)距S=60 mm，設(shè)定旋耕刀輥轉(zhuǎn)動速度n為180、200、220、240 r/min，機(jī)組前進(jìn)速度vm為1.2、1.8、2.4、3.0 km/h，耕深為10、12、14、16 cm，分組進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)的土壤條件為：中等黏土，土壤含水率20%～30%。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到單位體積功耗目標(biāo)函數(shù)中與土壤條件和耕深有關(guān)的參數(shù)K1、K2、K3、K4。在刀軸轉(zhuǎn)速n=220 r/min，機(jī)組前進(jìn)速度vm=1.8 km/h時(shí)，得:K1=0.052、K2=0.067、K3=5.43、K4=5.56。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1) 影響動力輸出功率的因素。影響動力輸出功率的因素較多，在不同的試驗(yàn)條件下測得多組數(shù)據(jù)，分析得刀輥轉(zhuǎn)速對動力輸出功率的影響較大，在耕深為12 cm，不同機(jī)組前進(jìn)速度條件下，刀輥轉(zhuǎn)速與動力輸出功率關(guān)系如圖9所示。圖中不同顏色的曲線表示在不同的前進(jìn)速度下刀輥轉(zhuǎn)速與動力輸出功率的關(guān)系。在耕深和前進(jìn)速度不變的情況下，轉(zhuǎn)速的增加，動力輸出功率近似直線增加。機(jī)組前進(jìn)速度1.2 km/h時(shí)，動力輸出功率較小。

圖9 刀輥轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線

(2) 影響牽引功耗的因素。影響牽引功耗的因素主要有刀輥轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度及耕深，比較不同試驗(yàn)條件下數(shù)據(jù)，得刀輥轉(zhuǎn)速對牽引功耗的影響較大。在機(jī)組前進(jìn)速度1.8 km/h，耕深12 cm條件下，刀輥轉(zhuǎn)速與牽引功耗的關(guān)系如圖10所示。從圖中可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，牽引功率也增大，刀輥轉(zhuǎn)速達(dá)到220 r/min后，牽引功率變化幅度較小。

圖10 刀輥轉(zhuǎn)速與牽引功率關(guān)系曲線

3.3 機(jī)組掛接匹配試驗(yàn)

如圖11所示，電動拖拉機(jī)主要由72 V驅(qū)動電池，電機(jī)，減速器，鏈傳動，花鍵軸，變速箱，半軸和車輪等組成。旋耕起壟機(jī)通過側(cè)邊減速器與電動拖拉機(jī)連接。

圖11 機(jī)組匹配臺架試驗(yàn)臺

在空載狀態(tài)下，通過控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，采用轉(zhuǎn)速傳感器測量刀輥轉(zhuǎn)速，電流傳感器測量電機(jī)電流。試驗(yàn)結(jié)束后在電腦中得到刀輥轉(zhuǎn)速，電機(jī)電壓、電流、功率等相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖12所示。從圖中可以看

圖12 電動拖拉機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(空載)

出,隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率隨之波動，輸出功率最大為1.6 kW左右。數(shù)據(jù)波動規(guī)律與單位體積功耗優(yōu)化模型基本相符，說明此旋耕起壟機(jī)的單位體積功耗較低，旋耕起壟機(jī)能夠與電動拖拉機(jī)在功率及轉(zhuǎn)速上匹配。

4 結(jié) 論

(1) 基于單位體積功耗優(yōu)化模型，對旋耕起壟機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件優(yōu)化。通過試驗(yàn)分析，旋耕起壟機(jī)與土槽試驗(yàn)機(jī)組、拖拉機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)機(jī)組匹配良好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，并取得良好的教學(xué)效果。

(2) 結(jié)構(gòu)上，從旋耕刀放置角度、刀片排列方式和傳動系結(jié)構(gòu)及傳動比分配三方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3) 在耕深12 cm，機(jī)組前進(jìn)速度1.8 km/h條件下，由LS-DYNA仿真分析得最大功耗平均值為1.25 kW，由土槽試驗(yàn)得平均動力輸出功耗為1.91 kW?？紤]到土壤對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，認(rèn)為仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性。

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Design and Test of Rotary Tillage Ridging Machine

XIEBin,SUNHong-xia,MAOEn-rong,PUYou-zhen,CHENYan-ni

(Beijing Key Laboratory of Optimized Design for Modern Agricultural Equipment, College of Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Rotary tillage ridging machine is selected as the research target in the teach of modern agricultural equipment. The ability of design, simulation and test is trained in this period. In the design process, according to the demand of electric tractor, the machine model is built by Pro/E and the static force of key parts is analyzed by ANSYS. In the simulation process, the operating performance of rotary knife roller cutting soil is analyzed by LS-DYNA. The factors affecting power consumption such as knife shaft speed, forward speed, tilling depth and soil, are concluded from soil test. The power consumption is obtained from hanging units test, the results can prove the consistency of theoretical data and actual data. The teaching is not only enriching the kinds of modern agriultural equipment, but also setting up a good platform for rotary tillage ridging machine dynamic performance analysis and matching tests.

rotary tillage ridging machine; electric tractor; overall design; test analysis; low power consumption

2015-07-09

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B04)

謝 斌(1973-)，男，四川大竹人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能化、電液控制技術(shù)研究。

Tel.：010-62736730；E-mail: xiebincau@126.com

S 222.4

A

1006-7167(2016)04-0055-04