螺旋深松機(jī)的設(shè)計(jì)及其土壤切削數(shù)值模擬

林雪，黃鵬程，王潔，陳長卿

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 金華 321017； 2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017)

隨著國家對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重視程度的提高，保護(hù)性耕作深松技術(shù)及其配套裝備的發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。保護(hù)性耕作深松裝備的使用目的是將傳統(tǒng)耕作方式形成的犁底層打散，加強(qiáng)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用，實(shí)現(xiàn)耕地的增收增產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展[1]。不同土壤結(jié)構(gòu)、耕地類型、氣候條件、耕作方式和耕作機(jī)具均會(huì)導(dǎo)致犁底層的位置和厚度發(fā)生改變[2-4]。分析國內(nèi)深松機(jī)研究現(xiàn)狀可知，幾乎所有深松機(jī)的研究和制造商都在中國北方及中西部地區(qū)，針對(duì)砂性土壤旱地耕作的耕地類型進(jìn)行研究開發(fā)，而江浙等南方丘陵山區(qū)一帶的農(nóng)業(yè)裝備研究院所和制造商近年來相關(guān)研究甚少，其特有土壤及耕地類型采用現(xiàn)有研究成果具有不適應(yīng)性，存在松土深度不足、犁底層無法打破，機(jī)具較大、轉(zhuǎn)移不方便等問題。因此，開發(fā)適用于南方黏性土壤的保護(hù)性耕作深松裝備成為南方農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的迫切需求，有利于我國農(nóng)業(yè)，尤其是南方農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[5]。

1 深松機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的螺旋深松機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括連接頭、換向器、傳動(dòng)箱以及深松組件等，通過連接頭將深松機(jī)懸掛于牽引拖拉機(jī)，牽引系統(tǒng)傳來的動(dòng)力經(jīng)換向器換向后傳入傳動(dòng)箱，通過傳動(dòng)箱將動(dòng)力傳給深松組件進(jìn)而進(jìn)行松土作業(yè)。具體原理如圖2所示，五個(gè)相同直齒輪相互嚙合，動(dòng)力經(jīng)一對(duì)傘齒輪換向減速后傳遞給中間位置直齒輪，進(jìn)而通過其他直齒輪同步傳遞給各個(gè)工作部件即五個(gè)深松組件，并實(shí)現(xiàn)相鄰深松組件轉(zhuǎn)向相反，深松組件向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的銑削，達(dá)到深松的目的。此外，采用液壓缸作為提升裝置，如圖3所示，通過控制液壓缸活塞桿可以實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)懸掛部分的提起與下放，也可以起到調(diào)節(jié)松土深度的作用。

1—連接頭；2—換向器；3—傳動(dòng)箱；4—深松組件。圖1 深松機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

圖2 深松機(jī)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)

圖3 深松機(jī)的液壓提升裝置

2 工作部件設(shè)計(jì)

2.1 深松組件結(jié)構(gòu)

螺旋式深松組件是本文深松機(jī)的工作部件，其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性直接關(guān)系到整機(jī)工作性能與穩(wěn)定性。本文螺旋式深松組件如圖4所示，由法蘭盤、主軸、螺旋刀片以及刀頭組成。螺旋刀片采用等螺距柱形螺旋刀具，刀頭間隔式安裝在螺旋刀片上，相鄰兩個(gè)深松組件上的螺旋刀片旋向相反?？紤]到深松組件數(shù)量對(duì)整機(jī)平衡性的影響，采用一體式的“主單副偶”的配置方案，即深松組件的數(shù)量為奇數(shù)。動(dòng)力經(jīng)主軸帶動(dòng)螺旋刀片及刀頭旋轉(zhuǎn)，先由刀頭對(duì)土壤進(jìn)行切割，使土壤發(fā)生剪切斷裂，再通過螺旋刀片將土壤進(jìn)行銑削和翻動(dòng)，達(dá)到松土、碎土的目的。刀頭還可以起到降低螺旋刀片銑削阻力和磨損速度，提高松土效率的作用。此外，為了達(dá)到更好的松土、碎土效果，相鄰螺旋深松組件旋向相反。

1—法蘭盤；2—主軸；3—螺旋刀片；4—刀頭。圖4 深松機(jī)的螺旋深松組件

2.2 螺旋線方程

螺旋刀片作為深松組件重要組成部分，不僅起到輸土和拋土的作用，更發(fā)揮銑削土壤的關(guān)鍵作用，其性能直接影響深松機(jī)具的作業(yè)效果，而螺旋線參數(shù)又是決定螺旋刀片合理與否的關(guān)鍵因素，因此，研究螺旋線形狀，合理旋轉(zhuǎn)其參數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)螺旋線方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行螺旋刀片的設(shè)計(jì)[6]。其圓柱螺旋線參數(shù)方程：

(1)

式中，a為旋轉(zhuǎn)半徑，h為螺距，θ為轉(zhuǎn)過的角度，θ=πnt，n為螺旋線上升的圈數(shù)(n>0，n的最大值為螺旋線的圈數(shù))，變量t的取值范圍為0～1，則上述參數(shù)方程變?yōu)椋?/p>

(2)

(3)

3 性能參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的深松機(jī)性能參數(shù)：作業(yè)幅寬1.2 m，作業(yè)深度0.15～0.4 m，深松部件組數(shù)5件，螺旋刀片半徑0.079 m，螺旋角33°，螺旋圈數(shù)2.5圈，作業(yè)能力(作業(yè)深度15 cm)0～1 800 m2·h-1，作業(yè)能力(作業(yè)深度30 cm)0～1 200 m2·h-1。具有體積小、轉(zhuǎn)移靈活、松土深度大、作業(yè)效率高等特點(diǎn)，滿足南方丘陵山區(qū)小田塊作業(yè)需求。

4 切削土壤數(shù)值模擬

本文深松機(jī)對(duì)土壤的切割過程屬于非線性結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)問題，其中土壤材料為非線性，刀具與土壤的接觸也為非線性，因此，本文采用非線性有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)深松組件切削土壤過程進(jìn)行數(shù)值模擬[7]。

深松組件對(duì)土壤的切削過程類似于銑刀對(duì)工件的銑削，螺旋刀片旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又向前進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)ANSYS/LS-DYNA中給模型加載的研究可知：如在軟件中對(duì)一模型同時(shí)加載旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，模型結(jié)構(gòu)將會(huì)因約束沖突導(dǎo)致無法運(yùn)動(dòng)或發(fā)生嚴(yán)重變形。因此，本文將切削土壤的運(yùn)動(dòng)過程分解為深松組件自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和土壤相對(duì)于深松組件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

將SolidWorks軟件中建好的三維實(shí)體模型保存為IGES格式，進(jìn)而導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中，如圖5所示，土壤模型建為長方體，其距離深松組件的間隔為0.1 mm。土壤選用ANSYS/LS-DYNA模塊提供的MAT147(MAT_fhwa_soil)材料模型。深松組件的材料為Q235，選用Rigid Material模型。

圖5 三維實(shí)體模型

本文設(shè)定深松組件轉(zhuǎn)速為330 r·min-1，土壤進(jìn)給速度-300 mm·s-1，以此為基礎(chǔ)定義如圖6所示時(shí)間數(shù)組及載荷數(shù)組，并將載荷和初始速度分別加載到深松組件及土壤上。

圖6 時(shí)間-載荷曲線

4.1 切削狀態(tài)分析

仿真得出0.5 s內(nèi)深松組件對(duì)土壤的切削狀態(tài)如圖7所示，當(dāng)深松組件接觸到土壤后，土壤受到刀頭及螺旋刀片的剪切以及擠壓，進(jìn)而開始發(fā)生變形與失效[8-9]。切削過程中刀片刀尖處先接觸到土壤，該處受切削力的作用進(jìn)而發(fā)生剪切破壞，深松組件的旋轉(zhuǎn)與土壤的進(jìn)給使土壤的銑削效果越來越明顯，土壤承受的擠壓破壞越來越劇烈，土壤在X軸方向失效面積越來越大，在Y軸方向失效深度也不斷增加。

圖7 土壤切削狀態(tài)

4.2 切削功率分析

切削過程中總的能耗包括深松組件的動(dòng)能、內(nèi)能以及土壤的動(dòng)能、內(nèi)能，而深松組件不存在內(nèi)能即深松組件內(nèi)能為0，動(dòng)能較內(nèi)能相比較小，因此，總能耗隨土壤內(nèi)能增加而不斷增大[10]。其切削總能耗變化如圖7所示，切削剛開始時(shí)其能量快速增加，土壤顆粒被破壞，其相互之間的結(jié)合力變小，而深松組件還未接觸到新的土壤層，因此，其能量趨于平緩，其切削功率也隨之變小，由圖8可知，其總能量為2.45 kJ，最大切削功率為7.33 kW。

圖8 切削能耗和功率

設(shè)定深松組件角速度為330 r·min-1不變，其土壤進(jìn)給速度分別為-300、-400、-500、-600 mm·s-1，以此進(jìn)行模擬分別得出不同速度下的最大切削功率分別為7.33、9.18、10.25、11.02 kW，可以看出，切削功率隨著土壤進(jìn)給速度的增大而增大。在深松裝備正常工作的前提下，降低其前進(jìn)速度可以減小切削阻力。

設(shè)定土壤進(jìn)給速度為-300 mm·s-1，深松組件角速度分別為270、330、390、450 r·min-1，以此進(jìn)行模擬分別得出不同轉(zhuǎn)速下的最大切削功率分別為6.11、7.33、8.60、9.54 kW，可以看出，切削功率隨著深松組件角速度的增大而增大。在深松裝備正常工作前提下，降低轉(zhuǎn)速可以減小切削阻力。

5 小結(jié)

針對(duì)南方丘陵山區(qū)黏性土壤性質(zhì)和耕地資源現(xiàn)狀研發(fā)了松土深度大、機(jī)身小，轉(zhuǎn)移方便靈活的深松機(jī)，設(shè)計(jì)螺旋式深松組件，采用主單副偶的配置方案對(duì)土壤進(jìn)行銑削和翻動(dòng)，達(dá)到松土、碎土的目的，松土深度可達(dá)0.4 m；采用ANSYS/LS-DYNA分析得出深松組件-土壤切削狀態(tài)，土壤在X軸方向失效面積越來越大，在Y軸方向失效深度也不斷增加，切削能耗快速增加后趨于平緩，切削功率也隨之快速增加后逐漸變?。淮送?，切削功率隨著深松組件角速度以及進(jìn)給速度的增大而增大，因此，降低轉(zhuǎn)速及前進(jìn)速度可以減小切削阻力，進(jìn)而降低切削功率。