可调节埂型水田筑埂机的研究设计

刘明勇 刘亚东 库浩锋 陈龙 谢柏林

摘要：针对目前人工筑埂存在劳动强度大、效率低、成本高和筑埂质量不理想等问题，设计一种可调节埂型的水田筑埂机。该筑埂机由动力系统、传动系统、集土作业总成、压实成型作业总成和机架等部分组成。阐述其工作原理和关键部件设计方法。利用Solidworks软件建立其关键部件的简化模型，采用离散元和有限元软件，分别对集土装置和镇压成型装置进行力学分析。分析结果表明，集土装置的弧形刀片优化后受到的等效应力小于其许用应力，镇压成型装置的强度和刚度符合要求。

关键词：筑埂机;水田;集土装置;镇压成型装置;可调节埂型

中图分类号： S222.5+3  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0245-05

收稿日期：2019-04-08

基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFD0701105-03）。

作者简介：刘明勇（1986—），男，江西九江人，博士，副教授，主要从事农机动力学研究。

通信作者：刘亚东，硕士研究生，主要从事农机动力学研究。

在我国水稻是主要粮食作物。在水稻生产过程中，筑埂是必不可少的步骤。调查发现，我国大多数地区水田筑埂仍采用人工来完成。人工筑埂既耗时又费力，劳动强度大，工作效率低，成本高。所筑田埂坚实性和均匀性差，需要人工进行压实[1-7]。人工筑埂已不适合现在水田机械化的发展，更不利于我国现代农业的发展;因此，及时有效地修筑田埂是水稻机械化生产的必要条件。

目前，国内外对筑埂机已有了一定的研究成果。1966年，由中国农业机械化科学研究院的周勤就等在西集打埂机的基础上研制改进设计出来了PZX-3.6型平畦筑埂机[8]，该机是中国历史上第一台筑埂机。1976年，东北农学院农机系的蒋亦元等在仿苏“ZKG”型筑埂机的基础上成功研制了1ZS-1型悬挂式水田筑埂机，该机结构简单、体积小、质量轻、筑埂坚固、适应性强、作业效率高[9]。1998年，中国农业大学农机研究所王立臣等成功研制了一种新型的悬挂式田间筑埂机，该机适用于水田的筑埂作业，埂形状为梯形[10]。2013年，东北农业大学的王金峰等开发出一种悬挂式水田筑埂机，该筑埂机可实现180°翻转，将田埂拐角处不能修筑的部分修筑完成[11]。2013年，吉林农业大学的赵丽萍等设计了一种新型水田整地筑埂联合作业机，该机可以进行整地、筑埂或者是整地筑埂联合作业[12]。国外对于水田筑埂技术的研究起步较早，当今日本和韩国处于世界领先的地位。日本和韩国大多是采用的单面筑埂的作业方式，以拖拉机为动力，质量轻、能耗低、工作效率高，其工作效率比人工高几十倍[13]。当前我国的水田筑埂机存在功耗较大、磨损严重、筑埂成型部分只是表面压实而内部松散，只能修筑固定埂型不能改变田埂大小，大多数筑埂机只注重整机的实验开发，缺乏对理论的深入研究等一系列问题。本研究设计了一种可调节埂型的水田筑埂机，该机使用40～60 kW拖拉机为动力，采用三点悬挂连接。整机结构设计合理，可实现快速切削取土，调节埂型的特点，所筑田埂适应性强，不易生长杂草，能够有效解决人工筑埂带来的诸多问题，满足水稻生产机械化发展的需要。

1 整机结构及工作原理

可调节埂型的水田筑埂机主要由机架、悬挂装置、集土装置、镇压成型装置、传动系统、机罩等部件组成，结构如图1所示。工作前，通过拖拉机驱动控制2个中空柱塞液压油缸工作，调节好羽片的角度，以达到在筑埂前调节预设埂形尺寸大小的目的。工作时，拖拉机将动力通过万向节传递到主变速箱4，通过2对锥齿轮将动力分别传递到左右副变速箱3、6;左右副变速箱3、6再将动力传递给左右2个集土轮11。与此同时，左右副变速箱3、6通过传动链箱8内的链条将动力传递到镇压轮的动力输入链轮，从而带动镇压轮9的转动。左右副变速箱3、6再将动力传递给左右2个集土轮11，驱动集土轮11旋转，以实现旋切土壤的作用;被切削的土壤集中在2个集土轮的中间初步形成土埂，土埂经镇压轮作用，最终形成一条坚实光滑的土埂。

2 主要部件的设计

2.1 集土装置的设计

集土装置的结构示意图如图2所示。

集土装置是由弧形刀片1和集土轮轮毂2等部分组成。集土装置包括套装在集土轮轴上的轮毂和均匀固定在轮毂上的多根弧形刀片，集土装置的刀片截面为圆弧形，中部凹陷，用于盛装泥土，切土面刃口较低，便于切削土壤;其辐角α为20°～30°，半径R为300～350 mm，叶片与轮毂之间的倾斜角角度θ为10°～30°。2个集土装置对称布置，所切削的土壤通过弧形刀片的旋转集中到两轮中间。由于集土装置的工作方向与筑埂机的前进方向相互垂直，集土装置在工作时要考虑切削质量与功率消耗。前进速度过快会导致土壤切削不充分，切削的土壤土块较大会造成所筑土埂疏松，并且耗能较大。集土装置的转速过快会造成所切土壤不能顺利排出，导致土壤在弧形刀片内产生拥堵，不能达到堆积土壤的效果，并且可能产生刀片断裂的危险。

筑埂机在工作时，机体的前进速度为0.8～1 km/h，筑埂机集土装置的转速为250～300 r/min。

2.2 镇压成型装置的设计

镇压成型装置为旋转式，安装在集土装置的后面。由于镇压成型装置所筑土埂的横截面形状为梯形，所筑土埂需要一定的坚实度。因此，将鎮压成型装置按土埂的轮廓外形，设计成由中部镇压成型滚筒7、羽片5和弹性压片6等部分组成。其中滚筒7沿轴向铺设多根弹性压片，滚筒两端环形活动插装有多根羽片5，中空柱塞液压油缸4经固定件固定在镇压轮轴1上，并通过撑杆8分别与对应的羽片连接（图3）。

该筑埂机在工作时，当羽片旋转接触土埂表层时，羽片向内压缩，实现对土埂表面的挤压和拍打，当羽片旋转脱离土埂表层时，羽片就恢复到了初始状态，与此同时，滚筒上的弹性压片随着滚筒的转动对土埂的顶部不断实现拍打。所筑土埂表面坚实光滑，筑埂质量非常好，能有效抑制杂草的生长。通过控制羽片的运动从而改变所筑埂形的尺寸大小，以适应不同地区对土埂规格的要求。

2.3 镇压成型装置的力学分析

为了探究镇压成型装置的作业特性，分析其影响筑埂质量的主要因素，对镇压成型装置进行力学分析。以滚筒的中心为坐标原点，建立所需的空间直角坐标系，镇压成型装置匀速前进完成筑埂作业，图4为所建立的受力分析图。镇压成型装置主要受力为机具的牵引力T、土埂顶部对滚筒的接触摩擦力F1、土埂侧面对羽片的接触摩擦力为F2，M为镇压成型装置的主动力矩。

当镇压成型装置匀速运动时，其平衡方程为：

∑Fx=F1+F2-T=0∑Fy=N1+N2sinθ-G1-G2=0∑Mxoy=M-N1e-F1h-F2l=0F1=uN1，F2=uN2sinθ。（1）

式中：Fx为镇压成型装置沿x轴方向所受力，N;Fy为镇压成型装置沿y轴方向所受力，N;u为镇压成型装置与土壤间的摩擦系数;θ为滚筒与羽片的安装角;e为N1到y轴的距离，mm;l为F2到x轴的距离，mm;h为滚筒中心到已筑土埂顶部的距离，mm。

为保证镇压成型装置向前滚动的临界条件为：

M≥N1e+F1h+F2lT≤F1+F2。（2）

选取镇压成型装置的极限摩擦力求解其力矩：

G1=πR21l1ρgG2=πR21l1ρg+2π（R22-R21）sρgF1max+F2max=G1+G2lmax=R2。（3）

将方程组（1）、（3）代入式（2）得

M≥πR21l1ρg（e/u+h+1）+2π（R22-R21）sρgT≤2πρg[R21（l1-s）+R22s]。

将农艺田埂相关参数及镇压成型装置结构参数代入式中，即可求解驱动力矩极限要求。

2.4 机架与罩壳的设计

机架安装在集土装置和镇压成型装置的上方，由牵引悬挂架、前机架和后机架等部分组成，与变速箱、链条箱、液压油缸、集土轮、镇压轮相连接。机架主要起支撑和连接作用，罩壳可使弧形刀片抛向两集土轮中间的土壤碰到罩壳后受力而继续破碎，避免尘土飞扬，改善工作环境，防止飞溅的土块伤及周围人群，从而起到安全保护的作用。机架主梁采用边长为80×80 mm的方钢管制作而成。罩壳等板类部件由钢板冲压而成。三维模型如图5所示。

3 主要部件优化计算分析

3.1 集土装置优化分析

3.1.1 集土装置三维模型的建立 运用Solidworks软件对集土轮进行三维实体建模，根据集土装置的功能要求，保留弧形刀片和轮毂，对其他次要部位进行简化，由于集土装置的弧形刀片都相同，对其进行有限元分析时只需对其中1个刀片进行分析即可。集土轮简化模型如图6所示。将简化的三维模型以igs格式保存，导入到离散元软件EDEM中。其中刀片材料为65Mn，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2.1×1011 Pa，泊松比为0.3。

3.1.2 土壤接触模型及参数的确定 土壤是由气、液和固体组成的特性复杂的物质。由于土壤中存在一些特殊成分，使得土壤颗粒间存在一定黏结力。本研究参考南方地区土壤的物理性质，选择Hertz-Mindlin黏结接触模型，该模型通过某些“黏结键”将颗粒黏结在一起，这种黏结方式可以承受一定的法向力和切向力，当运动使其达到最大的法向和切向应力时，颗粒间的这种特殊黏结遭到破坏。该黏结模型与实际条件下土壤破裂相符合[14]。仿真实验中设定的土壤参数见表1。

3.1.3 仿真计算及结果分析

在离散元EDEM中，本实验选择半径为5 mm的圆球作为土壤颗粒模型，试验土槽的尺寸为1 000 mm×800 mm×250 mm，生成的颗粒总数为2×105个，设置一定的前进速度和转速。设置仿真时步为20%、仿真时间为8 s、数据保存间隔时间为0.01 s及网格大小为 5 Rmin（Rmin为最小颗粒半径）。仿真开始时生成土壤颗粒，待颗粒沉降稳定后集土轮开始运动，直至仿真结束。生成的离散元仿真模型如图7所示。

采用有限元软件，对优化前后的刀片进行结构分析，结果如图8所示。

图9为集土装置弧形刀片在一个工作周期中，不同时段刀片所受到的应力优化前后对比图。由图9可知：4.98 s时，弧形刀片开始接触土壤模型。4.98 s到5.04 s时，弧形刀片与土壤模型作用，刀片受到的应力逐渐增大，在5.04 s时达到最大，在这个过程中弧形刀片起到切削土壤的作用。5.04 s 到5.28 s時，弧形刀片抬升土壤，刀片与土壤模型的作用力逐渐减小，刀片受到的应力逐渐减小。5.28 s到 5.52 s 时，弧形刀片受到的等效应力趋于稳定。

由集土装置弧形刀片的优化前后分析结果可以看出：优化前， 集土装置弧形刀片应力最大处发生在弹性压片与滚筒的连接处，所受到的最大等效应力为452.45 MPa。优化后，集土装置弧形刀片所受到的最大等效应力为176.82 MPa，集土装置弧形刀片所用材料为65Mn，65Mn的许用应力为 785 MPa[15]，弹性压片的最大等效应力小于材料的许用应力，故该镇压装置的强度满足要求。

3.2 镇压成型装置优化分析

3.2.1 镇压成型装置三维模型的建立

为了避免模型过于复杂，仿真分析耗时较长，因此对模型进行适当的简化处理。运用Solidworks软件对镇压装置进行三维实体建模，简化后的模型如图10所示。根据实际的工况，采用离散元EDEM进行分析，镇压轮材料选用45号钢，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为2.1×1011 Pa，泊松比为0.269。

3.2.2 仿真计算及结果分析

在离散元EDEM中，本试验选择半径为5 mm的圆球作为土壤颗粒模型，试验土槽的尺寸为2 000 mm×1 200 mm×600 mm，生成的颗粒总数为 4.6×107个，设置一定的前进速度和转速。设置仿真时步为20%、仿真时间为19 s、数据保存间隔时间为0.01 s及网格大小为5 Rmin。仿真开始时生成土壤颗粒，待颗粒沉降稳定后镇压轮开始运动，直至仿真结束。生成的离散元仿真模型如图11所示。

采用有限元软件，对镇压成型装置进行结构分析，结果如图12、图13所示。

由镇压成型装置的分析结果可以看出：镇压成型装置羽片变形最大处发生在其最远端，最大变形量为0.400 58 mm。

由于镇压成型装置选用的是45号钢，其许用变形量为0.3～1.3 mm[15]，羽片的最大变形量小于材料的许用变形量，故其刚度满足要求。应力最大处发生在羽片与滚筒的连接处，所受到的最大等效应力为241.91 MPa，45号钢的许用应力为355 MPa[15]，羽片的最大等效应力小于材料的许用应力，故该镇压成型装置的强度满足要求。

4 结语

新研制的可调节埂型的水田筑埂机所需的配套动力为40～60 kW·h轮式拖拉机，工作幅宽为1 700 mm，筑埂高度300～400 mm，筑埂顶宽300～400 mm，筑埂底宽600～700 mm，工作速度0.8～1.0 km/h。该新型可调节埂型水田筑埂机可在水稻插秧前的水田上完成一次筑埂成型。

利用Solidworks三维建模软件建立其关键部件的简化模型，结合离散元EDEM与有限元软件，对集土装置弧形刀片进行结构优化，同时对镇压装置进行静力学分析。结果表明，集土装置弧形刀片优化后受到的等效应力小于其许用应力，镇压轮的强度和刚度符合要求。该机结构具有设计合理、适应性好、筑埂效率高、压实效果好、取土方便和可调节埂型的优点，且可以根据不同环境调节土埂尺寸规格，所筑土埂坚实光滑，能有效抑制杂草生长。该机能够实现一次筑埂成型，减少人工修补时间和成本，极大提高作业效率。

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