段凱++蔡克桐++梅軍++饒崇明++柳威

摘要 微耕機(jī)已經(jīng)成為丘陵山地提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的常用有力工具，而適用于微耕機(jī)耕耘作業(yè)的旋耕刀具是其作業(yè)的最重要部件。本文綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者對旋耕刀具的數(shù)字化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了微耕機(jī)旋耕刀具的研究進(jìn)展情況，以期為微耕機(jī)旋耕刀具的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 微耕機(jī)；旋耕刀具；研究進(jìn)展

中圖分類號 S222 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）20-0153-02

Research Progress of Rotary Cutting Tool for Microtillage Machine

DUAN Kai CAI Ke-tong MEI Jun RAO Chong-ming LIU Wei

（Agricultural Science Academy of Xianning City in Hubei Province， Xianning Hubei 437100）

Abstract The microtillage machine has become a powerful tool for improving agricultural mechanization level in hilly hill country，the most important part of the operation is the rotary cutting tool applied to the tillage.The present situation of digital design of rotary cutting tool was reviewed in this paper，the research progress of rotary cutting tool was summarized，so as to provide a reference for the application of rotary cutting tool for micro-tillage machine.

Key words microtillage machine；rotary cutting tool； research progress

功率小于7.5 kW，由驅(qū)動輪軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作部件工作，多用于水旱田整地、田園管理及設(shè)施農(nóng)業(yè)等耕耘作業(yè)的機(jī)動耕耘機(jī)叫做微耕機(jī)，又稱微型耕耘機(jī)[1]。微耕機(jī)具有體積小、重量輕、操作簡單方便的特點(diǎn)，廣泛適用于丘陵山地地區(qū)、小面積田塊和設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)中，而旋耕刀是微耕機(jī)旋耕部件最重要的組成部分。由于復(fù)雜的地形和惡劣的作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致旋耕刀極易發(fā)生磨損甚至扭曲變形而影響耕作作業(yè)。因此，國內(nèi)外廣大學(xué)者圍繞旋耕刀存在的問題展開了長期的深入分析和研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及成果

自19世紀(jì)耕耘機(jī)械發(fā)明以來，旋耕刀具的設(shè)計(jì)研究從最初的依賴經(jīng)驗(yàn)與理論設(shè)計(jì)一直過渡到涉及材料、熱處理以及有限元仿真分析的現(xiàn)代化研究方法，而所有的研究都指向一個(gè)目標(biāo)，即最大限度地降低功率損耗、提高切削效率和延長刀具使用壽命。

20世紀(jì)90年代以前，主要是采用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究設(shè)計(jì)旋耕刀，利用過去的成功經(jīng)驗(yàn)，以力學(xué)、數(shù)學(xué)建模及試驗(yàn)等形成的經(jīng)驗(yàn)公式、圖表、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范作為依據(jù)，運(yùn)用條件性計(jì)算或類比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)品的功能和市場需求，利用CAD/CAE/CAM工具的數(shù)字化設(shè)計(jì)占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀及成果

1989年，Chi和Kushwaha[3]通過編制有限元計(jì)算程序，借助三維非線性有限元分析方法，分析了窄齒耕作部件的切削工況，并程序化地計(jì)算出耕作部件所承受的反作用力。

1995年，Rosetal[4]運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)出先進(jìn)的旋耕刀虛擬仿真系統(tǒng)，可以對旋耕刀幾何參數(shù)對功耗的影響進(jìn)行研究。

2004年，日本等國已建立了網(wǎng)絡(luò)CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)主要包括CAD程序及數(shù)據(jù)庫，能便捷地為旋耕刀的系列化制造提供圖紙。

2005年，Karmakara [6]將土壤的流變行為特性定義為Bing-hem材料，并通過采用計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件來模擬土壤切削過程。通過控制體積法，發(fā)現(xiàn)土壤的應(yīng)力大小與刀軸的旋轉(zhuǎn)速度成正相關(guān)，刀刃的四周土壤的應(yīng)力相對集中，且分布的趨勢是沿著刀刃方向不斷減小。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及成果

1985年，朱金華等[7]建立了包括圖形輸出在內(nèi)的旋耕機(jī)刀片計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該方法是國內(nèi)較早的旋耕刀數(shù)字化設(shè)計(jì)。

2006年，張 霞等[8-9]、蔡宗壽等[10]以微耕機(jī)刀旋轉(zhuǎn)速速度、前進(jìn)速度、耕作深度為變量研究對功率分布的影響，改進(jìn)了刀片正切面參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，為旋耕刀刀片的類型選擇提供了新的參考原則和方法，同時(shí)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，旋耕機(jī)刀片正面切土角存在最佳的刀片最小切土角和最小隙角，適當(dāng)?shù)販p小磨刃角和增加刀片靜態(tài)切土角，可以有效提高旋耕刀的切土效率。

2007年，湯 華等[11]運(yùn)用新型有限元算法—任意拉格朗日歐拉ALE算法對大盤切削土壤過程進(jìn)行動態(tài)模擬，很好地解決了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土壤的大變形問題，并演算出新型的以盾構(gòu)施工仿真均衡區(qū)域分解方法為基礎(chǔ)的并行算法。

2007年，葛 云等[12]采用ANSYS對旋耕刀進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，認(rèn)為刀片連接孔處應(yīng)力集中。

2008年，高建民等[13]采用SPH法（光滑質(zhì)點(diǎn)流動力學(xué)方法）對旋耕機(jī)高速切削土壤的過程進(jìn)行有限元仿真分析研究，并開發(fā)出該方法的土壤高速切削仿真有限元模型，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元仿真分析結(jié)果的對比分析，更進(jìn)一步證明了SPH法模擬土壤高速切削過程的可行性、準(zhǔn)確性以及真實(shí)性。endprint

2009年，覃國良[14]對刀片鏈?zhǔn)介_溝機(jī)刀片切削土壤的動態(tài)過程進(jìn)行了仿真分析，獲得了刀片的應(yīng)力、應(yīng)變和阻力的周期變化情況，進(jìn)一步研究并分析了切削阻力和切削功率的變化規(guī)律。

2009年，賈洪雷等[15]基于仿生學(xué)理論，根據(jù)鼴鼠腳趾結(jié)構(gòu)曲面參數(shù)設(shè)計(jì)旋耕刀具，指出其能較好地改進(jìn)旋耕刀具的切土性能。

2011年，蓋 超等[16]通過Solidworks中的COMOS motion模塊對旋耕刀的彎折角進(jìn)行了優(yōu)化，提出125°～130°最佳彎折角。

2012年，張 強(qiáng)等[17]借助有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA對仿生鉤形深松鏟和圓弧形深松鏟的切削土壤過程進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)仿生鉤形深松鏟相比傳統(tǒng)圓弧形深松鏟能夠有效減小耕作時(shí)的阻力。

2014年，盧彩云等[18]通過MAT147土壤材料模型建立了華北一年兩熟區(qū)的土壤模型，并對平面刀切削土壤過程進(jìn)行動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)平面刀切削土壤時(shí)土壤所受等效應(yīng)力波動較小，切削過程沒有劇烈的波動，應(yīng)力集中出現(xiàn)在與平面刀刀刃接觸的土壤上，最大等效應(yīng)力為5.751 MPa，穩(wěn)定切削時(shí)切削功耗在10.2 kW附近波動。

2014年，郝小征等[19]設(shè)計(jì)修正了旋耕刀滑切角，每個(gè)刀盤上的刀片數(shù)由3葉改為4葉，左彎刀和右彎刀的排列采用線性排列，打破了傳統(tǒng)按螺旋線規(guī)則排列的方式，提高了耕地深度；適當(dāng)調(diào)整了復(fù)合刀擋板高度，既不易纏草及作物秸桿又能很好地起到碎土作用。

2015年，王 榮等[20]采用ANSYS對R300的旋耕刀進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出其在增大旋耕深度時(shí)，刀柄厚度需要大幅度增加。

2015年，胡 濤[21]以國內(nèi)普遍使用的微耕機(jī)彎刀片作為主要研究對象，對刀片進(jìn)行三維建模，并利用ANSYS對刀片進(jìn)行受力分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同外力作用下，微耕機(jī)刀片正切面彎折角與等效塑性應(yīng)變及應(yīng)變量正相關(guān)。當(dāng)載荷逐漸增大時(shí)，刀片塑性應(yīng)變表現(xiàn)為由刃口逐步向刀柄部位發(fā)展，而且等效塑性應(yīng)變不斷增加，范圍逐漸擴(kuò)大。

2015年，牛 坡等[22]、朱留憲等[23]得到旋耕刀總變形最大處在旋耕刀的正切部，正切部剛度最差，旋耕刀最大應(yīng)力與應(yīng)變區(qū)域在刀柄與刀背連接處，旋耕彎刀最大彈塑性應(yīng)變、最大應(yīng)力和最小疲勞壽命的位置與旋耕彎刀實(shí)際工作時(shí)的斷裂位置一致。

2015年，朱 超等 [24]基于FEM-SPH耦合算法，采用LS-DY-NA971求解器進(jìn)行土壤切削仿真分析，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果逼近。

2015年，林昌華等[25]運(yùn)用SOLIDWORKS建立微耕機(jī)旋耕刀的三維模型，通過HYPERWORKS和LS-PREPOST對旋耕刀切削土壤過程進(jìn)行動態(tài)仿真，并對刀具易斷裂變形等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)語

微耕機(jī)以體積小、重量輕、操作簡單方便的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于丘陵山地、零碎田塊及設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)中[26-27]。旋耕刀具作為微耕機(jī)旋耕作業(yè)的常用易損部件，近年來國內(nèi)外學(xué)者利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元仿真分析軟件等數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，對其技術(shù)參數(shù)、作業(yè)過程進(jìn)行了大量的分析研究，但是與實(shí)際情況相比不可避免的仍存在誤差等問題，還需根據(jù)實(shí)際情況不斷進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化[28-30]。

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