驱动式马铃薯中耕机的设计与仿真分析

彭曼曼，吕金庆，兑 瀚，于佳钰

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

0 引言

马铃薯是我国重要的经济作物，为了增加产量，根据农艺要求需要在其生长的过程中进行垄间的中耕作业。中耕是我国农业精耕细作的重要环节之一，是保证稳产、高产不可缺少的重要耕作措施[1-2]。中耕的主要作用包括疏松土壤、增强土壤透气性、保墒抗旱、改善土壤的物理性状、提高土壤肥力及消灭杂草等[3-5]。在我国，比较广泛使用的传统中耕机主要有锄铲式中耕机和犁铧式中耕机。以上中耕机大多采用从动部件，可以完成碎土、除草等作业，这类机器结构简单，在土壤效果较好的条件下能够满足农艺要求；但在粘重土壤、杂草过多的土地上，不能达到所需的作业质量，往往因为碎土不佳造成大土块压苗、灭草率低、部件易缠草堵塞的现象，还会出现漏耕的现象，作业效果不理想[6-8]。

为此，针对中耕作业时所遇到的缠草、碎土效果差及耕后地表不平等问题，设计了一种驱动式马铃薯中耕机。本文采用卧式正向旋转的工作方式，运用拖拉机动力输出轴为动力，并通过运动学分析和ANSYS运动仿真分析对装置的工作可靠性进行验证。

1 整机结构及主要技术参数

1.1 整机结构

该驱动式中耕机采用三点悬挂方式与拖拉机进行挂接，由机架、地轮总成、深松铲、碎土刀、旋转单体及分土器等组成，如图1所示。

工作原理：机组工作时，由拖拉机的输出轴提供动力，经由中间变速箱，通过旋转单体的主动和从动链轮带动碎土刀盘进行转动，排列在刀盘上的碎土刀随轴转动，从而对土壤进行打碎；地轮位于整机的前方，与机架固定，能够调节机架的离地高度，在机组前进时，随地形的起伏变化起到仿形的作用。每个旋转单体正前方均安装有深松铲，可以对土壤进行预先深松，在旋转单体正后方安装有分土器，随着机组的前进，可以将深松打碎后的土壤培到地垄上，完成培土作业，从而实现在田间一次完成垄间碎土、松土、除草及做形等工作，提高了工作效率。

(a) 右视图

(b) 主视图

1.2 主要技术参数

驱动式马铃薯中耕机的主要技术参数，如表1所示。马铃薯中耕机主要应用于马铃薯生长过程中的垄间中耕作业，是保证稳产、高产不可缺少的重要耕作措施。

表1 驱动式马铃薯中耕机的主要技术参数

2 旋转单体的设计

2.1 碎土刀的设计及其排列方式

2.1.1 碎土刀的设计

碎土刀的主要作用就是在轴高速转动带动下，对土壤进行高速切削，并使其打碎。同时，高速转动也可以带动被切削的土垡将其抛出，土垡进一步破碎。根据农艺要求，中耕机械的工作指标之一是碎土程度，碎土程度的好坏由每把刀片的进距和切削土垡的厚度所决定，刀片的选择要根据地形和土壤的种类、粘度、水分及硬度进行。

本文所设计的碎土刀采用了刃口前倾有一定角度的凿形直刀，与传统的L型刀相比，可减小切削阻力，使切削应力更加集中，入土性能较好[9]。根据农艺要求的耕深条件，确定碎土刀的回转半径为227mm。

碎土刀在高速旋转时的作用是对土壤进行切削破碎。在刀片切削土垡的过程中，刀片对土壤的作用力与刀片所受到作用力为相互作用力，其受力如图2所示。

(1)

可知，刀片对土壤的作用力与其旋转的角度、机器的前进速度和转速均有关。

图2 碎土刀在高速旋转受力分析

2.1.2 碎土刀的设计

碎土刀片切削土壤的排列展开图如图3所示。本设计所选择的是两侧刀盘对称布置的方式，一个刀组采用在碎土刀轴上按螺旋线平均地分布4把碎土刀，使刀片等角距切入土中；碎土刀通过螺栓连接在特定的刀盘上。为了消除横截面的扭矩、保持机器沿着前进方向的稳定性及耕深稳定性，刀轴相对于轴向对称布置。在从动轴两端分别安装左旋刀刀组与右旋刀刀组，距离可根据垄距的需求进行调节；每个旋转单体由2个轴向4个刀组所组成，共16把碎土刀。其刀组的轴向和侧向的布置如图4所示。工作时，2个轴向的刀组采用对称布置的形式，碎土刀按螺旋排列方式相继入土，传动轴对称位置的碎土刀可同时切削土壤，传动轴两侧受力均匀，避免在转动过程中的附加载荷和作业时机具产生的振动[10-12]，可以达到更好的碎土效果，使沟底平整。

图3 碎土刀片排列展开图

1.刀轴 2.刀盘 3.碎土刀

2.2 刀盘的轨迹分析

当旋转单体工作时，其刀尖旋转形成的轨迹与农艺要求的沟底深度和突起高度有着密切的联系，因此需要对碎土刀的尖点进行分析，如图5所示。

图5 刀盘运动示意图

刀片端点的运动方程为

(2)

式中R—碎土刀的旋转半径(mm)；

v0—机器的前进速度(m/s)；

t—时间(s)；

ω—角速度(rad/s)。

ωt，则式(2)为

(3)

因此，当参数λ不同时，所形成的运动轨迹的形状也是不同的。当λ<1时，形成的轨迹是无扣的余摆线；λ>1时，形成的轨迹是长幅余摆线。本文所设计的旋转单体希望得到的是带有绕扣的余摆线，只有当v0>v时，刀尖点的运动轨迹才是带有绕扣的余摆线。

将上述方程对时间求导，则

(4)

此时，滚动刀片端点的速度大小为

(5)

滚动刀片端点的绝对速度是变化的，其变化程度取决于刀片相对运动的转角。

3 旋转单体的运动仿真

3.1 仿真过程

在SolidWorks建立旋转单体三维模型如图6所示。

图6 旋转单体三维模型

将模型导入ANSYS Workbench15.0软件static structural 模块(见图7)，在Engineering Data 里设置旋转单体的材料和力学性能。模型处理划分网格后，选择刀轴为旋转轴[13-14]。根据课题前期试验研究，当中耕机作业参数：刀轴转速为273r/min(28.575rad/s)、前进速度为0.75m/s、耕深0.18m、碎土刀折弯角150°、刀刃长度0.07m时，碎土效果较好，为93.2%[12]。设置转速为28.575rad/s，运转时间为1070s，以使旋转单体处于稳定状态。

图7 ANSYS Workbench static structural模块

3.2 仿真结果

通过旋转单体运动仿真得到总变形图如图8所示，等效应力如图9所示。

由图8可得：旋转单体变形最大为2.331 7×10-6m，出现在碎体刀的刀尖处。由于刀尖受力面积小，因此力变形相对其他部位较大，但变形量极微小，仍可满足马铃薯中耕机的碎土刀要求。

图8 总变形图

图9 等效应力

3.3 土壤力学特性

土壤强度是土壤在特定条件下抵抗外力作用的能力，即土壤承受变形或应变的能力。中耕机工作时，对土壤进行切削、翻转、破碎和平整等导致土壤产生应力应变、结构失效及被压实等，在此土壤所表现出的力学性质主要取决于土壤强度。Micklethwaite是最早把土壤强度与机具联系起来的土壤力学专家，他应用土力学中的摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)定律，建立了车辆的前进推力或者附着力的模型[15]，即

Pφ=FC+Gtanφ

(6)

式中Pφ—土壤对车辆的最大推力或者附着力(N)；

F—车轮的接地面积(m2)；

C—单位面积土壤粘结力(N/m2)；

G—法向载荷(或法向压力)；

φ—土壤间的内摩擦角。

由式(6)可知：当车轮的接触面积F和法向载荷G为定值时，车辆的最大推力Pφ取决于土壤粘结力C和内摩擦角φ，即同土壤强度成正比。耕地机械切削土壤使之破碎，其能耗与土壤破碎的难易程度成正比，而土壤破碎的难易程度又与土壤强度成正比，所以破碎粘重而板结的土壤，其能耗要比破碎砂性土壤大得多。土壤凝聚力大小如表2所示。

表2 土壤凝聚力

续表2

图9中旋转单体在刀轴转速为273r/min(28.575rad/s)时，最小等效应力0.239 39MPa，即刀具对土壤产生的最小应力为0.239 39MPa。由表2可知：黏土壤的土壤凝聚力最大为0.21MPa。因为0.239 39MPa>0.21MPa，能较好地实现深松、碎土等工作过程。因此，旋转单体的设计比较合理，能较好地实现马铃薯中耕机的农艺要求。

4 结论

1)根据中耕机的农艺要求及机具的结构特点，确定了旋转单体关键部件的结构参数及碎土刀的排列方式。

2)通过对刀片的受力分析得出结论：刀片对土壤的作用力，与刀片旋转所处的位置、刀轴转速、前进速度有关；以上因素同时也是除土壤本身性质外决定土壤破碎程度的主要因素。

3)通过ANSYS软件的分析，旋转单体的最大变形量为2.331 7×10-6m，最小等效应力为0.239 39MPa，大于土壤最大凝聚力，能达到马铃薯中耕机的深松、碎土要求。仿真分析确定了旋转单体工作的可靠性，为中国北方等粘重土壤地区的中耕作业提供了解决方案。