新型波纹式圆盘破茬刀的设计与优化

韦丽君+库国辉+尹晓鹏

摘要：为了使圆盘破茬刀在工作时所受应力最小，设计5因素5水平正交试验，并通过Pro/Engineer软件对正交试验方案中不同圆盘波纹破茬刀模型进行有限元应力分析，得出对应正交试验方案破茬刀的应力结果，选择使圆盘波纹破茬刀应力最小的5个因素为最优组合。通过极差分析可知，圆盘厚度是影响圆盘破茬刀的主要因素，在其他最优因素不变的条件下，通过改变圆盘厚度对圆盘破茬刀进行应力和变形分析，结果表明：新型圆盘破茬刀比普通波纹式圆盘破茬刀所需要配重减少36.86%，所需牵引力减少32.86%。

关键词：免耕播种机；破茬装置；破茬刀；优化；正交试验

中图分类号：S223.2+4文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2017）04-0166-03

我国是农业大国，也是干旱半干旱的国家，从古至今抗旱耕作方式一直是我国农业研究的重点。通过对我国耕作方式的研究与发展，根据不同区域、土壤结构一系列凝聚我国劳动人民智慧的抗旱保产的传统耕作方式不断出现。

随着农业机械化的迅速发展，机械制造工具在农业上的应用越来越广泛。本研究主要结合普通圆盘破茬刀和波纹圆盘破茬刀的优点设计了新型的波纹圆盘破茬刀。利用Catia R20软件得到新型波纹圆盘破茬刀的三维实体，并对新型破茬刀进行应力计算，获取等效应力分布图，再通过使用Pro/Engineer软件和正交试验对等效应力进行优化与分析，从而为新型破茬装置的优化和结构参数设计提供理论依据[1]。

1三维模型的创建

常用的圆盘破茬刀主要有缺口式、平面式和波纹式等样式[2]。通过实践经验了解到，平面式圆盘刀虽然切断的性能比较好，但是开出的沟槽宽度太窄，而缺口式圆盘刀切断阻力大、功耗大。波纹式圆盘刀虽然松土能力好，但入土能力较差，需要较大的配重。所以设计了1种新型波纹式圆盘破茬刀，其结构如图1所示。新型波纹式圆盘破茬刀的5个主要参数分别为波纹个数N（个）、圆盘刀波纹外径R（mm）、圆盘刀壁厚h（mm）、波纹长度L（mm）、和圆盘振幅A（mm）。

根据2BMZF-4X型播种机破茬装置破茬刀的结构参数数据，利用Catia参数化建模技术中的拉伸、扫描、旋转、倒角和参数等工具，初步建立新型波纹圆盘破茬刀的三维实体模型（图2）。

2有限元分析

2.1材料

考慮新型波纹圆盘破茬刀的工作环境和工作强度，选择65 Mn钢作为圆盘刀的材料，经热处理及冷拔硬化后，强度较高，并且具有一定的韧性和可塑性。材料的综合力学性能高于碳钢，使圆盘刀有较高的锋锐性和耐磨性，因而可以使切割阻力的效果更加明显。泊松比为0.3、杨氏模量值为 210 Gpa、屈服强度为430 Mpa、质量密度为7 850 kg/m3。

2.2网格划分

本试验采用单元类型为四面体，对单元格进行手动划分，为了更好地对圆盘刀进行受力分析，同时设置绝对垂直度为0.5 mm，单元格大小为10 mm。

2.3边界条件的设定

在圆盘刀轴孔的边缘施加6个约束，因此限制了全部自[JP3]由度。因为圆盘刀工作时是通过6个螺栓固定在刀盘架上的，其中3个方向转动自由度和3个方向移动自由度均被限制。[JP]

2.4施加载荷

通过大量实践研究和理论分析，圆盘刀在工作时，一面绕刀盘轴转动，一面随播种机向前直线运动，因此圆盘刀破茬时所受载荷主要是与土壤接触部分所受到的垂直破茬阻力和水平牵引阻力有关[3]。进行试验测得圆盘破茬刀在进行土壤作业时，破茬深度90 mm时的水平牵引阻力为1 286 N，垂直[JP3]破茬阻力为2 035 N，将此载荷加到已建成的三维实体模型上。[JP]

3圆盘刀结构参数的优化分析

3.1试验水平

正交试验设计是利用正规化的正交表，对试验因素进行合理安排、科学分析的多因素试验方法，能选出具有代表性较强的试验条件，合理科学地进行试验安排，然后对试验结果进行统计分析，寻求各因素水平的最佳组合，得到1组最优或者较优的试验设计方法[4]。首先建立关于新型波纹圆盘破茬刀参数[外径R（mm）、圆盘刀壁厚h（mm）、波纹个数N（个）、波纹长度L（mm）和波纹振幅A（mm）]的5因素5水平正交试验表（表1）。

3.2分析等效应力

根据图2建立的Catia参数实体模型进行有限元分析，可得出相应的最大等效应力，再应用Pro/Engineer软件中极差分析对试验数据进行分析，绘制圆盘刀外径R、圆盘刀厚度h、波纹个数N、波纹长度L、波纹振幅A与新型圆盘刀的等效应力变化趋势（图3）。

由图3可知，所有参数对模型都产生了影响。从图3-a可知，在圆盘外径不断增加时，实体模型的等效应力先减小，待圆盘刀外径增加到400 mm后，实体模型的等效应力逐渐增大；从图3-b可知，在圆盘刀厚度不断增加时，实体模型的等效应力逐渐减小；从图3-c可知，波纹的个数对实体模型等效应力先是减小，当波纹的个数达到16个时，等效应力随波纹个数的增加而增大；从图3-d可知，波纹长度在小于 85 mm 时，对圆盘刀等效应力的影响是比较平缓的，波动的幅度不是太大，当波纹长度在85～95 mm时，圆盘刀的等效应力先是增加的，当达到了95 mm以后，圆盘刀的等效应力又将逐渐下降；从图3-e可知，波纹振幅对实体模型等效应力的影响是先减小，后增大，再减小，又增大，幅值越大，应力波动也就越大。

应用Pro/Engineer软件对数据进行方差分析得出影响等效应力的主次顺序为圆盘刀厚度、圆盘振幅、波纹个数、波纹长度、圆盘外径。由此可知，圆盘刀厚度对模型的等效应力变化影响最大。

3.3优化结果分析

通过Pro/Engineer软件方差和极差的优化分析得出：在不同圆盘刀厚度下，最优因素水平是波纹长度为65 mm，圆盘刀波纹外径为400 mm，圆盘刀波纹振幅为9 mm，波纹个数为16个[5]。测试不同圆盘刀厚度下实体模型的应变和等效应力，建立圆盘刀厚度与等效应力（图3-b）、受力应变的关系图（图4）。

建立优化后新型圆盘刀壁厚为5 mm的模型，模型应力分布如图5-a所示，最大应力位于最下端螺栓孔处，应力值为7.384 MPa。模型变形如图5-b所示，最大变形位于圆盘刀最下端外径处，变形值为5.606 μm。圆盘破茬刀的刚度和强度满足设计要求。

4破茬试验

4.1试验分析

通过2BMZF-4X播种机分别对新型波纹式圆盘破茬刀、平面式圆盘破茬刀和波纹式圆盘破茬刀进行田间试验，如图6所示，测定入土深度为90 mm时的牵引阻力和下加压力，通过试验数据比较，验证新型波纹圆盘破茬刀能否起到节能减阻的作用。图7为新型波纹圆盘破茬刀的入土深度测量和松土宽度测量。

4.2试验结果

在田间试验过程中，由于部分土壤含水量、秸秆和根茬的分布，试验过程中纯切土壤和切土壤时含有根茬所需配重及牽引力不同，通过田间试验可知，在入土深度为90 mm的土壤中，3种圆盘破茬刀所需配重及牵引力不同，通过对比可知，新型波纹圆盘破茬刀所需配重为1 285 N，波纹圆盘刀所需配重较大，为2 035 N，平面圆盘刀与新型圆盘刀所需配重差别不大，新型圆盘刀比波纹圆盘刀所需配重至少减少了 36.86%。新型波纹圆盘破茬刀测得平均牵引力为756 N，普通圆盘破茬刀的牵引力为1 126 N，新型波纹破茬刀所需的牵引力比普通波纹破茬刀减少了32.86%。试验结果表明，新型圆盘刀在松土及破土方面得到了很大提高，结合了波纹圆盘刀和平面圆盘刀的优点，起到了节能减阻的效果。

5结论

结合平面圆盘破茬刀松土能力强、切断性能较好、能耗小等优点，本研究设计了新型波纹圆盘破茬刀。通过分析圆盘式破茬犁刀的结构对破茬松土的影响，设计新型波纹圆盘破茬犁刀的结构形式，使新型波纹圆盘式破茬犁刀具有比平面破茬犁刀入土能力强、耗能少，比波纹圆盘破茬犁刀松土能力强、不宜滑移的特点。通过正交试验，得出各参数的最优解，利用Catia软件对新型的圆盘破茬刀实体模型进行有限元分析，测定其最大的等效应力，再应用Matlab软件进行数据分析，通过方差分析可知，新型圆盘刀厚度对等效应力的影响最大。通过极差分析各结构参数水平对等效应力的变化曲线

图，得出新型圆盘刀在不同壁厚下的最优参数为波纹长度 65 mm，圆盘刀波纹振幅9 mm，圆盘刀波纹外径400 mm，波纹个数16个。在最优参数水平下，对不同壁厚新型圆盘刀模型进行应力和应变试验，刚度与强度均在材料的许用范围之内，满足实际要求。建立新型圆盘刀厚度与应力关系曲线图，为不同厚度圆盘刀的选择提供依据。对5 mm厚波纹圆盘刀和新型圆盘刀田间牵引力测量试验可知：新型圆盘刀比波纹圆盘刀所需配重减少36.86%，所需牵引力比波纹破茬刀减小了32.86%，验证了试验的可行性。新型波纹圆盘刀具有平面式圆盘刀和波纹式圆盘刀的优点，在破茬和松土方面得到很大提高，起到了节能减阻的效果，很大程度上提高了机具防堵能力和田间通过性。[HJ]

参考文献：

[1]韦丽君，陈廷卫，张邦成，等. 免耕播种机新型圆盘式破茬刀设计与优化[J]. 农机化研究，2014，36（10）：107-111.

[2]王宏立，张伟. 免耕播种机波纹圆盘破茬刀的优化设计[J]. 农机化研究，2012，34（10）：96-99.

[3]白晓虎，林静，吕长义，等. 免耕播种机圆盘破茬刀工作性能分析与试验[J]. 农业工程学报，2014，30（15）：1-9.

[4]王艳，张爱珍，任春生. 正交试验设计与优化的理论基础与应用进展[J]. 分析试验室，2008，27（增刊2）：333-334.

[5]周桂霞，张伟，李玉清，等. 免耕播种机破茬部件的仿真分析[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，2010，22（4）：31-33.