微耕机旋耕刀辊的设计与仿真分析*

孙 勇，朱留宪，巩 杉，杨 玲，杨明金

(1.四川省高温合金切削工艺技术工程实验室，四川 德阳 618000； 2.四川大学 匹兹堡学院，四川 成都 610207；3.西南大学 工程技术学院，重庆 400715)

0 引 言

微耕机作为一种小型农用机械，因其使用方便、操作灵活、耕作部件更换快捷等特点，在低坡度丘陵、小面积田块以及温室大棚田间作业中得到了广泛应用。刀辊作为微耕机的耕作部件，其结构形式直接决定着微耕机的耕作性能和效率。对于微耕机刀辊的研究国内外学者做了大量工作。西南大学李云伍教授团队设计了一种小型立轴式螺旋旋耕刀刀具[1]，同传统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%)。张引航基于SPH方法，以能量消耗为优化目标，对旋耕刀辊进行了优化设计[2]。任永豪开展了微耕机刀辊模态仿真与试验研究[3]。吴胜超对旋耕刀辊成形工艺进行了数值仿真进行了分析，并进行了试验验证[4]。Tharoon T通过理论分析计算，对旋耕刀进行了优化设计，并开展了试验分析[5]。李守太基于响应面图对微耕机旋耕刀设计参数进行了优化[6]。钟江运用正交设计和数值仿真对凿切刀具结构参数进行了优化[7]。蒋建东对土壤旋切振动减阻进行了有限元分析，通过对刀具施加合适的振动频率可降低土壤切削功率[8]。刘谦文基于ANSYS/LS-DYNA，采用单元组合法，对旋耕刀强度和功耗进行了研究[9]。Mandal S K 运用ANSYS workbench对微耕机L型刀具进行了设计参数优化[10]。郝建军采用等离子堆焊技术提高了旋耕刀耐磨性和冲击韧性[11]。 Gongshuo Zhang通过响应面方法对旋耕弯刀耕作阻力进行了数值仿真和参数优化[12]。刘妤运用离散元与多体动力学理论对微耕机旋耕刀轴负荷进行了分析，并采用土槽试验平台对工况进行了测试[13]。

上述研究工作中，对于微耕机切削土壤性能，大多集中于耕作参数优化、刀具结构参数优化工作，对于微耕机耕作过程中的重耕、漏耕等问题未进行深入研究。为有效解决重耕、漏耕等问题，设计了一种微耕机旋耕刀辊，并运用有限元方法对刀辊切削土壤动力学进行数值仿真，为微耕机耕作部件优化设计提供参考。

1 微耕机

1.1 微耕机结构及工作原理

中华人民共和国机械行业标准《微型耕耘机》(JB/T 10266-2013)中规定，微耕机功率不大于7.5 kW，主要用于水、旱田耕耘作业[14]。微耕机主要由机架、动力源、传动装置、耕作部件以及耕深调节装置组成[6,15]。微耕机采用柴油或者汽油作为动力源，通过传动装置将动力传送到耕作部件，耕作部件在驱动力的带动下进行切削土壤。根据耕作的需要，可通过变速档位调节耕作前进和旋转速度，同时可通过调节耕深调节装置改变土壤耕作深度。

1.2 微耕机刀辊设计

刀辊由刀轴和旋耕刀组成，又称为刀滚[16]。刀辊作为微耕机重要的耕作部件，其结构形式直接影响到微耕机的耕作性能和耕作效率。刀辊切削土壤时，容易受到振动和冲击，为了使刀辊切削土壤时受力均匀以及耕作质量好，在刀轴上安装多组旋耕刀组，以刀轴中心对称安装刀组，每组刀组由三把旋耕刀组成，旋耕刀在每组刀组上交替错位安装，以刀座中心轴向平均分布安装，每个旋耕刀组中旋耕刀与旋耕刀之间呈120°夹角，刀轴上每相邻刀组间的同相位旋耕刀之间的夹角为60°。为避免微耕机耕作时重耕、漏耕等现象发生，在刀组与刀组之间对称安装了三把辅助切刀，切刀与同组旋耕刀组中刀片呈60°夹角。辅助切刀随旋耕刀辊同步转动，辅助切削土壤，可以有效解决重耕、漏耕等问题。同时，辅助切刀结构简单、制造容易、安装简便快捷。辅助切刀结构如图1所示，微耕机刀辊如图2所示。

图1 辅助切刀

图2 微耕机刀辊1.微耕机 2.刀组 3.刀片 4.刀座 5.刀轴 6.辅助切刀 7.旋转传动机构

2 刀辊切削土壤动力学仿真

2.1 有限元模型

运用有限元方法，采用非线性动力学求解器LS-DYNA程序对微耕机刀辊切削土壤进行动力学仿真，以评估刀辊切削土壤效果并验证刀辊设计的合理性。

在三维造型软件SolidWorks中建立微耕机旋耕刀辊模型，导入ls-prepost中进行网格划分。为了保证求解精度和效率，对微耕机旋耕刀辊进行几何模型简化，删除螺栓、垫圈、垫板及刀轴等与土壤切削仿真无关的几何零部件。对微耕机刀辊六面体网格划分，定义网格单元尺寸为10 mm。微耕机刀辊切削土壤时，微耕机刀辊相对于土壤强度和刚度高，在仿真过程中，重点关注土壤切削状态，因此定义微耕机刀辊为刚体材料。同时，在ls-prepost软件中建立土壤有限元模型，并对土壤进行过渡网格划分，即与旋耕刀辊接触的土壤区域划分较为细密网格，非接触区域划分较大的网格单元尺寸，以降低工作量提高仿真效率。接触区域的土壤单元尺寸定义为6 mm，非接触区域土壤单元定义为10 mm，建立的微耕机切削土壤的有限元动力学仿真模型如图3所示，建立的有限元模型节点总数为487 284，单元总数为467 699。

图3 有限元模型

2.2 边界条件

根据微耕机刀辊实际耕作土壤工况，对土壤施加spc约束，约束土壤底面的6个自由度，限制土壤的平动和转动。同时，为了模拟土壤无限大的耕作空间，对土壤施加了无反射边界条件，限制应力波边界反射。定义土壤单元为Constant stress solid element算法，定义旋耕刀辊Belytschko-Tsay单元算法，剪切因子设置为0.83，壳单元积分点数量设置为2。旋耕刀辊材料类型设定为MAT_RIGID材料，并约束旋耕刀辊的X、Y方向的平动和转动。土壤材料设定为MAT_FHWA_SOIL，土壤材料参数如表1所列[17-19]。

表1 土壤参数

由于旋耕刀辊切削土壤时，存在土壤非线性大变形、土壤单元破碎等特点，设定旋耕刀辊与土壤之间的接触方式为双向侵蚀面-面接触(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)[20]。设定时间步长因子为0.9以及求解时间为1.7 s。运用ls-prepost软件导出k文件，导入LS-DYNA求解器进行求解。采用双路Intel(R) Xeon(R) Gold 5118 CPU、128GB RAM工作站进行计算，计算所需时间为20 h 59 min。

3 结果分析

LS-DYNA计算完成后，将生成的计算结果文件d3plot导入LS-PREPOST软件中进行结果分析。

图4所示为旋耕刀辊切削土壤仿真过程。由图4(a)可看出，旋耕刀辊切削土壤时，刀辊上左右对称的两把旋耕刀同时切削土壤，土壤在旋耕刀挤压作用下土壤单元破坏失效，此时切刀处于待切削状态。随着旋耕刀辊切削土壤过程的进行，切刀与另两把左右对称的旋耕刀同时切削土壤，由图4(b)可看出，切刀切削旋耕刀之间未被切削到的土壤，解决了传统旋耕刀辊漏耕土壤的问题。同时，土壤在旋耕刀和切刀的综合挤压作用下，浅层和中层土壤失效破碎，并被旋耕刀和切刀抛出。深层土壤受到旋耕刀、切刀的切削以及浅层和中层挤压作用失效破碎。由图4(c)、(d)可看出，旋耕刀和切刀同时交替切削土壤，有效解决重耕、漏耕等问题。提取微耕机旋耕刀切削土壤仿真过程中的浅层、中层以及深层土壤单元位移，如图6所示，由图6可看出，浅层土壤单元位移最大，中层土壤单元位移次之，深层土壤单元位移最小，与实际耕作过程一致，说明了微耕机切削土壤动力学仿真模型的有效性。

图4 旋耕刀辊切削土壤

图5 切削后的土壤

图6 土壤位移

耕作后的土壤如图5所示，由图5可看出，旋耕刀辊切削区域的土壤无重耕、漏耕现象。实现了微耕机旋耕刀辊切土、松土、抛土的设计目标，达到了改良土壤要求，满足了农作物耕、种需要。

4 结 语

设计了一种微耕机旋耕刀辊，采用有限元方法，基于LS-DYNA软件对微耕机旋耕刀辊进行了土壤切削动力学仿真。结果表明，微耕机旋耕刀辊切削土壤动力学仿真切削过程与实际耕作过程一致，所设计的微耕机旋耕刀辊实现了微耕机旋耕刀辊切土、松土、抛土的设计目标，达到了改良土壤要求，满足了农作物耕种需要。解决了传统微耕机切削土壤时重耕、漏耕问题。同时为微耕机旋耕部件设计提供了思路和方法。