切除缠绕物微耕机的设计

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　　摘要：为了解决微耕机在云南山地耕作过程中易被杂草缠绕、效率低下、人工劳动强度大等问题，设计了一种结构简单、体积小、易于操作的新型微耕机。实现了既可快速切除缠绕物，又能持续高效地进行旋耕作业。通过实地整机试验，该机具不仅能保证土壤耕深的稳定性，还能提高土壤破碎率，达到了预期的效果。
　　关键词：微耕机;静刀具;切除缠绕物
　　中图分类号：S225.93         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）02-0153-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.034           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Design on cut twist micro-plough
　　SUN Peng1，MAO Ting-ting2，QIU Wan-li1，WANG Yuan1
　　（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;
　　2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science And Technology，Xi′an 710000，China）
　　Abstract： In order to solve the problem that the micro tillage machine was easily entangled by weeds， low efficiency and high labor intensity during the cultivation of Yunnan mountain， a new type of micro tillage machine was designed， which was simple in structure， small in size and easy to operate. Through field experiments， it was concluded that this machine can not only guarantee the stability of soil tillage， but also improve the soil breaking rate and achieve the desired effect.
　　Key words： micro tillage machine; static cutting tools; resected entanglement
　　微耕机又称作耕耘机，它以小型柴油机或汽油机为动力，依靠驱动轮轴带动旋转工作部件进行旋耕作业，还可配套使用专用机具进行开沟、培土、起垄等作业[1]。微耕机属于小型农业耕作收获机械，由于其自身具有体积小、重量轻和便于操作等特点，主要被应用于中国西南地区山地、丘陵等难以实现大型农业机械化的复杂地形。其中，云南省就是一个使用微耕机较为普遍的典型地区。
　　由于受地理环境的影响和地形的限制等因素，目前，云南省大多数地方仍然只能依靠微耕机等小型机具来进行农业耕作和收获，且在微耕机的使用过程中经常出现杂草缠绕而直接导致工作效率低下等问题[2]。因此，设计一种既可快速切除缠绕物，又能持续高效地进行旋耕作业的新型微耕机来解决云南地区微耕机使用难等问题具有重大的现实意义。
　　1  整体结构及工作原理
　　1.1  总体结构设计
　　新型微耕机主要由扶手架总成、变速箱总成、安全防护板、行走箱总成、调速杆、油箱、发动机、保险杠、静刀具、旋耕刀轴、旋耕刀片等组成（图1）。
　　1.2  工作原理
　　新型微耕机以柴油机作为动力源，经过一级变速箱和二级可调速变速箱调速后向旋耕刀轴传递动力，利用旋耕刀轴所做的回转切削运动，打碎耕作层土壤，并将土壤抛向后方，撞击挡泥板，进一步破碎后落到地面[3]。该设计通过安装一组与之相匹配的静刀片（静刀片安装在静刀轴上），静刀片与下方的旋耕刀片安装配合存在一定间隙。当旋耕刀上缠绕杂草较多时，旋耕刀片与静刀片配合工作，对缠绕在旋耕刀片上的杂草进行切除，然后通过旋耕刀翻转作业，将杂草埋入土壤。
　　2  主要设计
　　2.1  动力选择
　　发动机选择不合理可能会造成输出扭矩较小，出现超过发动机最大输出扭矩而导致熄火的现象，因此发动机的选择至关重要。微耕机发动机主要考虑工作可靠性、动力输出稳定性、经济性及国家的噪音尾气污染等相关指标。
　　新型微耕机转轴选用结构钢，轴径为60 mm，驱动部分采用4.5 kW发动机，转速为3 600 r/min。
　　式中，？咨T为扭矩切应力（MPa）;n为轴的转速（r/min）;P為轴传递的功率（kW）;A0为轴的材料系数;d为转轴的直径。
　　经计算验证，拟选用的4.5 kW发动机设计合理。
　　2.2  刀具设计
　　2.2.1  旋耕刀具的选择  由于云南省山地耕作过程中土壤黏性较高、比阻较大和微耕机作业过程中由于杂草缠绕使得耕作时功耗较大。为了减少杂草缠绕、提高劳动效率，微耕机旋耕刀具选用弯型刀片。弯型刀具有滑切作用，耕刀的弯曲角度100°，刀片长度255 mm。该刀具能对土壤进行切削，有较强的翻土覆盖性能，一定程度上也能对杂草进行切碎。 　　2.2.2  静刀片设计及其安装  静刀片主要作用是切除旋耕刀片上缠绕的杂草从而降低功耗，提高劳动效率。静刀片强度高、韧性好、磨损率低，碰到缠绕的杂草不发生变形或断裂。弹簧钢65 Mn满足以上材料性能的要求，故静刀片的设计采用弹簧钢65 Mn，刀刃设计呈锯齿状平面式。安装时先把静刀轴安装在机架上，然后将静刀片固定在静刀轴上，静刀片与旋耕刀片安装配合存在一定间隙，当旋耕刀刀柄处于垂直地面位置时，静刀片与旋耕刀片接近于平面，静刀片刀刃最大限度与缠绕的杂草接触，从而对杂草切断。安装时主要考虑杂草缠绕在旋耕刀片的位置，以期达到最大限度地切除缠绕的杂草，从而进一步提高旋耕机的工作效率。
　　3  仿真处理
　　3.1  刀片静力学分析
　　微耕机是通过旋耕刀的旋转切削运动来工作的。刀轴通常选用结构钢，刀片选用弹簧钢65 Mn，密度7.83×10 kg/m3，泊松比0.3，弹性模量2.1×1011 Pa，其强度高、耐磨性好、不易磨损或折断。在ANSYS Workbench软件中，采用0.01 mm单元格对网格进行划分，刀柄通过安装孔固定于刀座上，如图2所示。
　　在旋耕刀工作过程中，侧切刃先对土壤进行切削，随着旋耕刀的不断切入，过渡面刃口和正切刃依次对土壤进行切削[4]。经模拟计算所得，旋耕刀侧切刃、过渡面刃口和正切刃3处均受垂直力，大小为500 N。添加旋耕刀总变形云图、等效变形云图、等效弹性应变云图，结果如图3、图4、图5所示。旋耕刀的最大和最小变形处分别在正切刃处和刀柄处，正切刃处刚度较差。固定安装孔附近应力分布最为明显，此处在实际作业中容易产生断裂，验证了有限元分析的准确性。总变形云图和等效弹性应变云图结果基本相同。由于在实际工作中旋耕刀最大应力和应变都在刀柄与刀背连接处，此处容易断裂。通常采用改变折弯角度和增加刀身宽度来改变应力分布和提高刀具强度。
　　3.2  旋耕刀具模态分析
　　为研究其系统结构的动态特性，对系统进行模态分析[5]，主要参数为阻尼、比模态频率和振型。模态是系统结构的固有特征，每一阶的固有频率都有其对应的特定变形模式。因此，在掌握了各阶模态的主要特性后，就可以识别出系统在产生振动时整个结构的振动响应特性。
　　微耕机工作时，旋耕刀片对土壤回转切削的同时，土壤产生反作用力，刀辊在发动机和土壤反作用力的复合作用下极易发生振动[6]。虽然机械各部件都能一定程度上承受机器工作时的影响，但当实际振动频率越来越接近固有频率时，机械振动幅度越来越大，机器各部件越容易遭到破坏，出现严重的振动失效。另外，振动不仅能产生较大的噪音，可能使连接部位发生脱落，严重影响机械寿命，降低设备的整体性能。因此对微耕机进行计算仿真和试验的过程模态分析很有必要，结果如图6至图9所示。
　　数值模拟前六阶模态分析结果表明，前两阶的振型云图振动频率较低，固有频率接近于0，该模拟云图表示前两阶为刚体振动，未出现明显的位移变化，刀辊中间圆盘周围刀具支撑架相对位移几乎为零。前两阶的振型云图相似，伴随振型频率的提高，刀片变形逐渐变大，尤其是最外侧刀片，刀辊轴也出现一定程度的弯曲变形。第三阶至第五阶云图振动频率最接近固有频率，易发生共振。当共振出现时，可能导致刀具受土壤产生的阻力随切削面积增大而明显增大，较高程度上降低了刀辊工作性能，不会发生明显共振。第六阶振型云图表明，刀辊固有频率逐渐增大，刀辊轴的变形明显减小，单个刀片从刀柄处变形逐渐减小，正切刃处位移量下降，其振动主要表现为刀片正切面出现较大变形，刀辊轴发生较小的弯曲变形[7]。
　　旋耕刀片的干扰频率与转轴转速的关系为n=60f（n为转速，f为干扰频率），采摘刀片的转速为2 r/s，虽然公式计算得出刀片的干扰频率为20 Hz，与第三阶的振型频率比较接近，但刀片在工作时未发生共振现象，因此该刀片设计较为合理。
　　4  实例试验分析
　　4.1  试验条件及环境
　　为了验证微耕机设计的合理性，采用上述设计在云南省富民县试验基地进行田间试验和整机性能测试。试验区域为100 m×25 m的地块，土壤质地为壤土，试验耕深设为15 cm，试验目的是测试微耕机静刀具的性能，所以选择杂草较多的地块进行试验，试验时分别采用高、低两个档位来改变实际作业速度，并对土壤碎土率进行测量计算。
　　4.2  试验结果
　　试验结果如表1所示。从表1得知，当土壤含水率平均值、坚实度平均值等指标保持基本一致时，通过人工对碎土进行筛选，并测量计算碎土率值，通过调节档位和加装静刀具，在微耕机上安装静刀具可在一定程度上降低杂草的缠绕量，从而提高耕深稳定性系数，并且使旋耕刀对土壤的切削翻转更加均匀，提高了耕作层土壤的碎土率。
　　5  结论
　　新型微耕机主要是针对在云南省山地耕作过程中微耕机易被杂草缠绕、效率低下、人工劳动强度大等问题而设计的，整机结构轻巧、易于转向、操作简单方便，工作稳定可靠，能够适应地形复杂地块。通过静刀片和旋耕刀片配合工作，既快速切除缠绕物，又能持续高效地进行旋耕作业，不但能够保证耕深的稳定性，而且能提高土壤碎土率，同时还能在一定程度上降低油耗，节约生产劳动成本。
　　参考文献：
　　[1] 王金辉，宋秀芹，张  萃.微耕机与配套农机具安全作业要点[J].农业开发与装备，2015（10）：121.
　　[2] 王  帅，曹  磊，刘  欣，等.微耕机发展现状及趋势探讨[J].农业科技与装备，2010（12）：63-64，68.
　　[3] 张柯柯.坡地用微耕机的研究与设计[A].中国农业工程学会（CSAE）.中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C].重庆：2011.
　　[4] 彭  彬.微耕机刀辊切土动力学建模及仿真[D].重庆：西南大学，2014.
　　[5] 王春花.振动筛结构损伤故障诊断[D].太原：太原理工大學，2006.
　　[6] 徐成刚.茶园小型微耕机的设计与研究[D].合肥：安徽农业大学，2015.
　　[7] 任永豪.微耕机旋耕刀辊模态仿真与试验研究[D].重庆：西南大学，2014.
　　收稿日期：2019-01-03
　　作者简介：孙  鹏（1993-），男，河南漯河人，硕士，主要从事机械设计与理论方面的研究，（电话）18339026611（电子信箱）1061410047@qq.com;
　　通信作者，王  源，男，硕士，主要从事机械设计与理论方面的研究，（电话）15972731943（电子信箱）2235811363@qq.com。
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