生产管理机械化岗位

徐丽明 马帅 谭好超 沈聪聪 马俊龙 周慧能 郭朝阳

  1.结构及工作原理

  传统的链式开沟机主要作业部件为板式链条、开沟刀、分土轮。开沟刀通过螺栓与板式链条固定连接，并随其正向旋转，将挖出的土壤携带至机器前方，并经过分土轮的作用将前方土壤强制输送至沟的两侧（图1a），后续还需要额外的覆土机构将土壤回填至沟内，此种开沟作业方式工序较多，能耗较大。为了满足开沟施肥回填的作业要求，本文创新性的提出了一种链式反向旋转开沟装置（图1b），将开沟刀反向固定，刀刃向下，板式链条反向旋转，前边切削的土壤立马抛送至后边的沟内，实现了开沟-回填的一体化作业方式。相较于传统开沟方式，省去了将土壤输送至沟两侧然后再进行回填的作业工序。这种作业方式在工作结束之后不会在地面上形成沟渠。在链式开沟装置中，开沟刀依据装配位置分为左刀和右刀两种类型（图1c），每种类型的开沟刀根据开沟宽度可以分为12cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm等多个型号（图1d）,其中左刀和右刀是相互对称的。

  2.开沟刀受力过程分析

  通过上述分析，最终确定影响开沟刀耕作过程的结构参数是弯折线倾角α、弯折弧度β、弯折半径R和锥余角θ，作业参数是前进速度V、转速n和链条倾角γ。这些因素影响开沟刀的作业阻力及作业能耗，后续将进行虚拟仿真试验，优化开沟刀结构和运动。

  3.仿真试验分析

  使用响应面法（RSM）求解开沟刀结构参数（弯折线倾角α、弯折弧度β、弯折半径R和锥余角θ）和工作参数（转速n、前进速度v和链条倾角γ）的最佳参数组合。通过CCD试验求解开沟刀的最优结构参数，在最优结构参数的基础上，通过BBD试验分析开沟刀的作业时的两种排列顺序（对置式和对置交错式）的耕作阻力情况，确定最省力的一种排列顺序并求解最优作业参数组合。

  在对开沟刀结构参数优化中，为了获取使最大切土受力和侧向力最小的最优参数组合，通过多目标优化方法，对开沟刀结构参数和作业参数进行优化，优化方程分别为式（3）、（4）：

  通过求解上述方程，并将结果圆整，求得使F1、F2最小的弧度、倾角、半径、锥余角的优化值分别为95°,10°,24mm和39°。以优化后参数进行开沟刀加工，优化后的开沟刀（以下简称BS刀）与常用的开沟刀（以下简称CS刀）对比如图3所示。

  同理，为了获取使开沟装置平均扭矩和比能耗最小的作业参数，建立数学求解模型（式19）：通过求解，得到开沟刀在对置式排列方式下的前进速度、转速、链条倾角的优化值分别为0.22km/h、356r/min和35°。在对置交错式排列方式下的前进速度、转速、链条倾角的优化值分别为0.29km/h、394r/min和15°。在优化参数下，分别建立开沟刀在两种排列下的MBD-EDEM耦合仿真模型，并选取中间稳定阶段作为分析阶段，其扭矩和比能耗的对比如图4所示。从图中可以得知，对置式排列方式下，开沟装置平均扭矩和比能耗分别为487.13N·m和0.459kW·h/m3，在对置交错式排列方式下，两个指标分别为434.15N·m和0.321kW·h/m3,与对置式相比，扭矩降低了10.88%，比能耗降低了30.07%。因此，本研究以对置交错式作为开沟刀的排列顺序进行田间作业。

  4.田间试验

  在优化后的作业速度条件下，装配有CS刀时，耕作能耗为0.367 kW·h/m3;在装配有BS刀时，耕作能耗为0.319 kW·h/m3,与仿真时的比能耗误差为0.62%，表明仿真结果准确可靠。与CS刀相比，装配有BS刀的开沟装置能耗降低13.08%，这表明，优化后的开沟刀能够显著降低整个开沟装置的作业能耗，具有良好的作业效果。