李 洋，張晉西，陳奕婷，胡青松

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054)

目前，我國南方地區(qū)特別在西南地區(qū)，地形復(fù)雜，存在山區(qū)、丘陵和小面積田間作業(yè)，因此微耕機(jī)的特殊設(shè)計(jì)變得尤為重要。目前我國的微耕機(jī)機(jī)型不完全，未有成熟的系統(tǒng)[1]，市場上微型旋耕機(jī)、犁耕機(jī)占據(jù)多數(shù)。旋耕機(jī)車輪為多邊形，因此機(jī)器工作時前后、上下均有較大的抖動，耕深不易調(diào)節(jié)，且耕深較淺。犁耕機(jī)雖然耕深和翻土能力較好但碎土能力不強(qiáng)且行走阻力大。本文針對傳統(tǒng)微耕機(jī)的不足,設(shè)計(jì)了一種新型的鉆耕微耕機(jī)，此機(jī)器有犁耕易進(jìn)入土壤也有旋耕易旋出土壤并易碎土的優(yōu)點(diǎn)，操作簡單省力，適應(yīng)了微型狹窄地區(qū)的使用。通過SoildWorks軟件進(jìn)行三維建模與仿真，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此微耕機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。這對于微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)調(diào)整以及適應(yīng)性的開發(fā)具有一定的實(shí)用參考價值。

1 傳統(tǒng)微耕機(jī)類型與現(xiàn)狀

1.1 犁耕

犁耕式微耕機(jī)如圖1所示，借助汽油機(jī)傳遞到車輪的力牽引機(jī)器前行,在機(jī)器的尾部安裝如圖2所示的犁耕刀具,犁耕刀具刀尖部分易進(jìn)入土壤,刀面部分成一定幅度,易于土壤旋出,如果土壤阻力變大,犁耕刀受阻,車輪就會打滑,需要操作者不時調(diào)節(jié)犁頭高度,減小阻力。犁耕機(jī)雖然耕深和翻土能力較好,但作業(yè)面比較小,行走阻力大,覆蓋能力相對較差,而且碎土能力不強(qiáng)。

圖1 微型犁耕機(jī)

1.2 旋耕

旋耕式微耕機(jī)如圖3所示，以圖4弧形刀代替輪子前行并進(jìn)行土壤切削,刀具使得轉(zhuǎn)動的車輪為多邊形,因此機(jī)器工作時,前后、上下均有較大的抖動,比較耗費(fèi)操作者體力。若突然遇到較大阻力,刀具打滑,只能抬高機(jī)身調(diào)節(jié)切削深度,耕深不易調(diào)節(jié),旋耕雖然具有碎土能力強(qiáng)、土肥摻和均勻、碎土地面土質(zhì)平整的特點(diǎn)。但對殘茬、雜草的覆蓋能力較差，耕深較淺(旱耕12～16 cm，水耕14～18 cm),機(jī)身抖動較大,入土不易。

圖2 犁耕刀具

圖3 微型旋耕機(jī)圖

圖4 旋耕刀具圖

2 本機(jī)器的工作原理和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于以上傳統(tǒng)微耕機(jī)的振動大、碎土能力不強(qiáng)、耕深調(diào)節(jié)不易的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新的微耕機(jī),以帶有螺旋刀刃并具有一定的錐度的鉆耕刀具替代了犁耕或旋耕刀具。這種形式的微耕機(jī)具有耕深大、碎土易、耕深易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。用SoildWorks建立三維模型并裝配，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

1.刀具機(jī)構(gòu);2.刀具調(diào)節(jié)手柄機(jī)構(gòu);3.傳動機(jī)構(gòu)

零件及其子裝配體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)將決定一個機(jī)器的運(yùn)動性能[2],鉆耕機(jī)由動力機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、刀具機(jī)構(gòu)、刀具調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和車架5個部分組成,以汽油機(jī)為原動件,帶動一個鉆耕刀具轉(zhuǎn)動,同時通過齒輪嚙合將動力傳到另一個刀具,此時鉆耕刀具軸上的蝸桿帶動車輪軸上的蝸輪轉(zhuǎn)動,以實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)的行走。鉆耕刀具的鉆耕角度通過手柄旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié),這樣就可以改變鉆耕深度,以適應(yīng)不同條件下的耕作需求。

2.1 傳動機(jī)構(gòu)模型

圖6為傳動機(jī)構(gòu)模型，汽油機(jī)動力經(jīng)過輸出軸1傳遞到傳動機(jī)構(gòu),軸上的齒輪隨著軸1轉(zhuǎn)動,帶動另一個齒輪旋轉(zhuǎn)將動力傳遞到刀具連接軸3使刀具轉(zhuǎn)動,輸出軸1上的蝸桿與安裝在車輪軸上的蝸輪嚙合進(jìn)行減速,供車輪轉(zhuǎn)動行走,當(dāng)鉆耕刀具遇到堅(jiān)硬的土壤時轉(zhuǎn)速減慢,此時蝸輪和車輪轉(zhuǎn)速也減慢，就可以達(dá)到減速目的。動力由刀具切削轉(zhuǎn)動與車輪轉(zhuǎn)動兩個運(yùn)動同時分擔(dān)，當(dāng)?shù)毒哂鲎钑r，轉(zhuǎn)動變慢，刀具軸上的蝸桿轉(zhuǎn)速也變慢，帶動車輪軸上的蝸輪，車輪自動變慢；若阻力太大，鉆刀停止轉(zhuǎn)動，此時車輪也會停止。

汽油機(jī)轉(zhuǎn)速較高，動力傳遞到車輪時需要一個減速的過程，本設(shè)計(jì)中蝸輪蝸桿選取的減速比為40∶1，車輪的半徑為0.18 m，發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min.車輪相對于地面的線速度v=2πnr，可以求出此轉(zhuǎn)速下的線速度為1.13 m/s。人步行的平均速度為1.2 m/s，因此這種設(shè)計(jì)可以使人在滿足舒適的前提下達(dá)到要求。

1.汽油機(jī)輸出軸; 2.齒輪; 3.刀具連接軸; 4.蝸輪蝸桿

這種設(shè)計(jì)相比較犁耕和旋耕有以下特點(diǎn)：

1) 犁耕、旋耕，均是原動機(jī)減速后用于切削土壤。本機(jī)器原動力同時供鉆刀轉(zhuǎn)動切削土壤和車輪行走。原動機(jī)雖然轉(zhuǎn)速高，但由于鉆刀是鉆頭一樣的轉(zhuǎn)動，因此不會影響切削土壤。若突然遇到較大阻力，可以隨時轉(zhuǎn)動手柄，改變鉆刀入土耕深，不需要抬整個車身，方便，省力。

2) 由于是刀具切削轉(zhuǎn)動與車輪轉(zhuǎn)動兩個運(yùn)動同時分擔(dān)動力，刀具遇阻，轉(zhuǎn)動變慢，蝸桿蝸輪定速比傳給車輪后，車輪自動變慢；若阻力太大，鉆刀停止轉(zhuǎn)動，車輪也會停止。因此，在突然遇到阻力時，打滑現(xiàn)象好于犁耕、旋耕。

2.2 刀具調(diào)節(jié)手柄模型

當(dāng)需要調(diào)節(jié)耕深時，可以通過轉(zhuǎn)動螺桿手柄1調(diào)節(jié)刀具的傾斜角度來實(shí)現(xiàn)。手柄1下端帶有螺紋，插銷4孔內(nèi)有螺紋其側(cè)面和機(jī)架板2貼緊，與手柄螺桿1構(gòu)成螺旋傳動且不能相對轉(zhuǎn)動，只能沿著螺桿1上下移動。齒輪箱6右側(cè)設(shè)有滑槽5，插銷4上下移動的過程中可帶動齒輪箱6繞車輪軸旋轉(zhuǎn)以改變鉆耕刀具與土壤的入射角，從而改變耕作深度?？梢允过X輪箱繞機(jī)架轉(zhuǎn)動，其螺紋與插銷4構(gòu)成帶螺旋傳動，旋轉(zhuǎn)手柄可以調(diào)節(jié)刀具的傾斜角度。若突然遇到較大阻力，可以隨時轉(zhuǎn)動手柄，改變鉆刀入土耕深，不需要抬整個車身，方便，省力(螺旋傳動省力)。

1.螺桿手柄;2.機(jī)架板;3.刀具軸;4.插銷;5.滑槽;6.齒輪箱

2.3 鉆耕刀具模型

圖8為鉆耕刀具的模型，刀具借鑒了自攻螺釘?shù)墓ぷ髟?，在刀桿上饒有螺旋刀刃。為了利于刀具入土，在刀具的底部留有一定的錐度，刀具入土入射角為?且刀尖著地的同時螺旋刀刃也和地面接觸。工作時，鉆耕刀具繞自身軸線旋轉(zhuǎn)并由微耕機(jī)帶動其整體向前平動，鋒利的螺旋刀刃可對土壤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削。翻出的土壤沿著刀具螺旋線的方向鉆取出來，下部的土壤運(yùn)動上來碰到上部的刀刃時，刀具可對土壤再次切削，使得翻出的土壤細(xì)小均勻。螺旋狀帶錐度的刀具通過旋轉(zhuǎn)和調(diào)節(jié)傾斜角度來進(jìn)行鉆耕，比較旋耕機(jī)刀片來說振動更小，行使平穩(wěn)。犁耕刀具只有一個前進(jìn)的運(yùn)動，旋耕刀只有一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，本機(jī)器的鉆耕刀即有繞自身軸線旋轉(zhuǎn)也有隨車前進(jìn)兩個運(yùn)動。

1.帶有錐度刀具頭;2.螺旋刀刃;3.刀柄;4.土地

2.3.1 刀具受力分析

刀具耕作時受到地面阻力和機(jī)架支撐力，在入土耕作時刀具會發(fā)生彎曲變形[6-7]。如果刀具的抗彎曲強(qiáng)度不夠，會引起振動較大，入土困難。參考市場上旋耕和犁耕使用的汽油機(jī)功率，常見微耕機(jī)的功率P=5 kW。

當(dāng)汽油機(jī)在最大功率工作時，這時刀具所受的扭矩最大[8]。

刀具所受的扭矩計(jì)算如下:

T=nw/9 550

(1)

T=5 kW,n=2 500 r/min,w=13.3 n/m

微耕機(jī)耕作時，阻力來自與土壤給輪子和刀具的阻力，車輛在行駛的過程中，牽引力須滿足[9-10]：

Pi+Pw+Pf≤Pk≤P?

(2)

式中：Pi為爬坡阻力;Pw為空氣阻力;Pf為滾動阻力;Pk為牽引力;P?為附著力。

在本實(shí)際狀況中微耕機(jī)刀具受到阻力為P，

P+Pi+Pw+Pf≤Pk≤P?

(3)

由于微耕機(jī)行駛速度慢，Pw忽略不計(jì)，假定在無坡度路面行駛Pi也忽略不計(jì)。

P?=?×N

(4)

Pf=f×N

(5)

N為正壓力

對建立的裝配體添加適當(dāng)?shù)牟牧希梢詼y出裝配體的重量約為80 kg，根據(jù)表1中不同路面對應(yīng)的系數(shù)，選擇割楂地，采用氣輪胎，f=0.1, ?=0.1。

可以求出：P?=480 N，Pf=80 N。

當(dāng)?shù)忍柍闪r刀具阻力P為最大

P=400 N

在進(jìn)行靜應(yīng)力分析時，取1.5倍的安全系數(shù)，即扭矩:W=19.95 N·m，阻力:P=600 N。

表1 輪子的滾動阻力系數(shù) f 和附著力系數(shù)φ

2.3.2 刀具邊界條件施加及有限元分析結(jié)果

對刀具進(jìn)行靜應(yīng)力分析，在SoildWorks中新建模擬算例，選擇靜應(yīng)力分析，對刀具添加合金鋼材料，對刀具末端部分進(jìn)行固定，刀具施加軸向扭矩，大小為19.95 N·m，阻力為刀具水平作用在刀尖的力，大小為600 N，施加完載荷后，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行求解，得到刀具的應(yīng)力、位移云圖。

由應(yīng)力云圖9看出：材料的屈服力為6.204×108Pa，最大屈服力發(fā)生在刀具的固定端，大小為1.693×108Pa，安全系數(shù)為3.66。說明刀具可以達(dá)到受力要求，與實(shí)際受力狀態(tài)相符。

在位移云圖10中，合位移的最大處發(fā)在刀尖部分，變形的發(fā)生是由于刀尖在受到地面的阻力后發(fā)生了一定的彎曲變形。位移最大處為1.226 mm在合理的范圍內(nèi)，受力后變形較小可以達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

圖9 刀具應(yīng)力云圖

圖10 刀具位移云圖

3 運(yùn)動仿真及實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的運(yùn)動性能以及結(jié)構(gòu)的合理性，在SoildWorks的Motion中對建立的三維模型進(jìn)行仿真[4]。分別對手柄和發(fā)動機(jī)輸出軸添加勻速馬達(dá)，然后車輪與土壤之間添加實(shí)體接觸，三維模型圖通過干涉檢查無干涉現(xiàn)象，建立的三維模型裝配圖如圖11、12所示。

圖11 機(jī)器三維模型

圖12 機(jī)器三維模型

3.1 扶手模態(tài)分析

振動對機(jī)器的壽命和操作者的身體健康有一定的影響，人在操作機(jī)器時需要握著扶手，扶手處的振動在此處傳遞給身體進(jìn)而影響人體的感覺。汽油機(jī)工作會產(chǎn)生一定的振動，扶手作為與操作者直接接觸的部分，穩(wěn)定性對于操作者的感覺很重要。通過有限元分析來獲得固有頻率，并對比汽油機(jī)振動頻率，判斷機(jī)器的設(shè)計(jì)在動態(tài)下的合理性。

3.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)件固有的振動特性，包含有頻率和振型，反應(yīng)了結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)機(jī)械構(gòu)件的重要參數(shù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中固有頻率作為參考對象，可以通過計(jì)算或試驗(yàn)分別獲得，當(dāng)激振頻率與構(gòu)架固有頻率接近時，構(gòu)件在激振源影響下，發(fā)生共振[11]。

對于一個多自由度線性系統(tǒng)有阻尼的振動方程如下[12]。

(6)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣; {F(t)}為外部激勵矩陣。

結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型與所受外力{F(t)}無關(guān)，小阻尼對固有頻率和振型影響不大，因此，用無阻尼無外載荷的自由振動方程求解結(jié)構(gòu)的頻率和振型。于是方程(6)可簡化為：

(7)

剛度矩陣[K]包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)帶來的附加剛度，其自由振動滿足方程：

{u}={φi}cosωit

(8)

其中 {φi}為i階模態(tài)特征向量;ωi為第i階自然振動頻率。

將式(7)代入式(8)，可以得到：

φi}={0}

(9)

從式(9)中可以得到結(jié)構(gòu)的振動方程為

(10)

通過式(10)求出第i階自然振動頻率ωi，代入到到式(9)中，可以求出第i階模態(tài)形狀的特征向量{φ}i。將{φ}i對質(zhì)量矩陣進(jìn)行歸一化處理，可以得到：

{φi}T[M]{φi}=1

(11)

3.1.2 模態(tài)分析結(jié)果

添加SolidWorks Simulation插件，進(jìn)入模擬算例,選擇模態(tài)分析,設(shè)定扶手材料為普通碳鋼，根據(jù)實(shí)際工作情況將扶手底部進(jìn)行固定,進(jìn)行模態(tài)分析。通過分析，得出前5階固有頻率如表2所示，對應(yīng)的模態(tài)振型圖見圖13。

表2 扶手固有頻率

圖13 扶手模態(tài)振型

通過在動畫中對5階振型進(jìn)行觀察分析，整理可得表3。

表3 模態(tài)列表

通過表3可以看出扶手最大變形較小。

汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，汽油機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式為：

可以得出汽油機(jī)前5階激振頻率，見表4。

表4 汽油機(jī)激振頻率

階數(shù)12345Hz60120180240300

通過與表2的扶手固有頻率進(jìn)行對比,可以看出扶手前4階固有頻率低于汽油機(jī)激振頻率，第5階也避開了汽油機(jī)的激振頻率。故機(jī)器不會發(fā)生共振。

3.2 碎土能力實(shí)驗(yàn)

碎土能力方面主要是和旋耕機(jī)進(jìn)行對比，這里進(jìn)行了單刀具的耕作實(shí)驗(yàn)。將設(shè)計(jì)好的鉆耕刀具如圖14安裝在微耕機(jī)上與地面形成一定角度，可以帶動刀具轉(zhuǎn)動并向前行走，安裝好后耕作狀態(tài)如圖15，圖16為與市場上一種常見的旋耕機(jī)，用作對比。圖17為鉆耕后的土壤顆粒，圖18為旋耕機(jī)的土壤顆粒，通過對比可以發(fā)現(xiàn)鉆耕后的土壤顆粒更小，原因是鉆耕刀具本身就會對土壤有一個切碎的過程，翻出的土壤會沿著刀具螺旋線的方向鉆取出來，下部的土壤運(yùn)動上來與刀刃碰撞時，刀具可對土壤再次切削，使 得翻出的土壤細(xì)小均勻。

圖14 刀具實(shí)物

圖17 鉆耕效果圖18 旋耕效果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種鉆耕刀具形式的微耕機(jī)，這種微耕機(jī)與市場上的旋耕與犁耕在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別,通過對比發(fā)現(xiàn)此機(jī)器既有犁耕易進(jìn)入土壤也有旋耕易旋出土壤并易碎土的優(yōu)點(diǎn),抖動較小,使用刀具調(diào)節(jié)手柄實(shí)現(xiàn)耕深調(diào)節(jié)可控，通過對關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過SoildWorks軟件仿真模擬以及實(shí)驗(yàn)分析說明此種結(jié)構(gòu)的耕作形式可以實(shí)現(xiàn)耕作功能并具有一定的實(shí)用價值,這對于微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)調(diào)整以及適應(yīng)性的開發(fā)具有一定的參考價值。