發布時間：2021-03-20所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為進一步解決香蕉秸稈資源浪費問題，在Ⅰ代立式粉碎刀具基礎上設計優化了適用于1JHXJ-160C型立式香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎刀具，并利用限元模擬仿真得到所設計刀具的應力云圖與位移云圖。仿真結果表明:刀具最大應力處為刀柄與刀刃部彎折處，應力最大值
摘要:為進一步解決香蕉秸稈資源浪費問題，在Ⅰ代立式粉碎刀具基礎上設計優化了適用于1JHXJ-160C型立式香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎刀具，并利用限元模擬仿真得到所設計刀具的應力云圖與位移云圖。仿真結果表明:刀具最大應力處為刀柄與刀刃部彎折處，應力最大值為41.6MPa，改進后的刀片滿足強度條件。對刀片改進后的樣機進行性能測試，通過試驗得到合理的還田機工作參數組合，即還田機粉碎刀具厚度為12mm、還田機工作速度0.7m/s、粉碎刀軸轉速1080r/min時，秸稈粉碎合格率與還田機工作效率分別為95.9%、0.420hm2/h，均達到香蕉秸稈粉碎還田要求。
關鍵詞:香蕉;稈稈粉碎還田機;優化設計;有限元
0引言
我國是全球香蕉第四生產大國[1]，而香蕉是我國熱帶地區的經濟支柱[2]，海南香蕉種植的生態條件優越，是理想的香蕉種植生產基地[3]。2016年，海南香蕉收獲面積為2.5萬hm2，種植面積為3.2萬hm2，香蕉產量為125.62萬t，產值達到了125.62億元[4]。香蕉產業發展的同時也產生了大量的香蕉秸稈，因沒經過合理處理而成為農業廢棄物，污染環境，并造成香蕉莖稈中大量有機物白白浪費[5-7]。
香蕉秸稈粉碎還田機粉碎裝置是整機中的關鍵部分[9]，立式香蕉秸稈粉碎還田機粉碎裝置一般由粉碎刀盤、粉碎刀具等核心部件構成[10]。在立式香蕉秸稈粉碎還田機工作過程中，粉碎裝置在傳動軸的帶動下高速旋轉，粉碎刀具通過擊打與切割的方式將秸稈粉碎并拋灑于蕉園地面。在長期的工作中，由于田間情況復雜[11]，除了高強度的秸稈粉碎工作外，潮濕的工作環境及蕉園中潛在的不規則石塊都可能對刀具造成不可逆轉的損傷，良好的耐磨性以及韌性對刀具壽命有著重要的決定性作用。
為此，筆者在前代立式粉碎刀具的研究基礎上，設計優化了適用于1JHXJ-160C型立式香蕉秸稈粉還田機的粉碎刀具，以實現香蕉秸稈的高效粉碎還田，提高粉碎刀具使用壽命與效率。
1秸稈粉碎刀具結構特點
1.1立式香蕉秸稈粉碎還田機粉碎刀具
1.1.1立式L型刀片Ⅰ代
如圖1所示，立式L型刀片Ⅰ代為立式香蕉稻稈粉碎還田機最先使用的刀片之一，甩刀刀片的類型采用改進型L形彎刀。改進型L形彎刀分為正切刃和側切刃，香蕉秸稈在水平方向上的切割主要由正切刃完成，豎直方向上的香蕉秸稈由側切刃完成。
1.1.2立式L型刀片Ⅱ代
立式L型刀片Ⅱ代在原有的立式L型刀片Ⅰ代基礎上，從降低切割阻力、提高粉碎質量的角度出發，將橫向部分設計為刀柄，與粉碎刀盤相連接;切削部分以側切削刃為主，將原有的側切削刃長從5cm增加到30cm，使得刀具粉碎主要以切削的方式實現秸稈的粉碎，降低了切削阻力。Ⅰ代、Ⅱ代刀片結構參數對比如表1所示。
1JHXJ-160C型立式香蕉秸稈粉碎還田機選用的粉碎刀具類型為立式L型刀片Ⅱ代，針對此刀具存在問題，對刀具做進一步的優化設計，以實現香蕉秸稈的高效粉碎。
1.2粉碎刀具失效分析
1.2.1刀具扭曲變形
圖2為立式L型刀片Ⅱ代扭曲變形圖。在對1JHXJ-160C型立式香蕉秸稈粉碎還田機的前期田間試驗中，所用立式L型刀片Ⅱ代產生了非正常失效，主要失效形式之一表現為刀具彎折處的明顯扭曲變形。一般扭曲變形產生的可能是硬質點的作用、材料屬性、工作溫度等原因，結合還田機的工作情況，此處產生刀具扭曲變形的主要原因為高應力的作用。
機具穩定運行時，刀片所在刀軸截面中心O以平均轉速n轉動。通過刀片變形位置可知，刀柄與刀軸連接處為支撐點，硬質點在某一瞬時對刀片彎折角處施加F'大小的集中沖擊力，同時在刀柄處會受到香蕉秸稈作用的均布載荷fi(i=1，2，…，n)，這兩種力作用在a、b段使得刀身局部扭曲。已知刀柄處刀片寬度L1，刀身彎折處距離刀柄固定點O之間的距離L2，則刀片受力為。
2粉碎刀具優化設計
2.1刀片彎折角立式
L型刀片Ⅱ代主要以側切削刃為主，刀片的彎折角決定著粉碎刀具對香蕉秸稈的切削角度。
2.2刀片刃角刀片厚度
間接決定了刀片刃角的取值范圍，刀片刃角與粉碎效果及切割阻力有著重要關系。刀片刃角小，刃面導向性好，切割的侵徹度非常高，但缺點是刀具的強度會降低，容易造成磨損缺口等。
不同的刃角范圍有著不同的特性，如表2所示。香蕉秸稈粗大、纖維韌性強。根據香蕉秸稈特性，結合刀片厚度，選擇立式L型刀片Ⅱ代優化后的刀片刃角為35°。
2.3刀片厚度刀身截面受石塊碰撞受力示意圖如圖5所示。
3、優化后刀具的有限元分析
3.1建立刀具有限元模型
通過三維軟件SolidWorks對所改進的立式L型刀片Ⅱ代進行三維建模，將三維模型存儲為Parasolid(*.x_t)格式，便于導入ANSYS中進行仿真分析。對于影響不大的倒角和倒圓，可在模型里忽略。刀具材料選取65Mn彈簧鋼，其碳含量較高且含有金屬錳，并含有一定量的硅，硅易溶于鐵素體中，不容易形成碳化物，從而使鋼的硬度和強度得到提高。其材料屬性如表3所示。
在對模型定義完單元類型、材料屬性后，對模型進行網格劃分，考慮到刀具的安裝特點，對刀柄以刀身連接處以及銷軸安裝孔部分進行網格細化處理，以提高其分析結果的準確性，如圖6所示。
3.2結果分析
通過ANSYS求解得到改進后刀具的位移云圖與應力云圖，分別如圖7、圖8所示。由圖7可知:改進后的刀具最大變形量為1.279mm，變形主要發生在刀具的下刃部。結合還田機工作實況可知，該變形在允許范圍內。
改進后的刀具的應力云圖如圖8所示。由圖8可以看出:改進后刀具應力較大區域主要在刀具彎折處，刀具最大應力處為刀柄與刀刃部彎折處。應力最大值為41.6MPa，而65Mn鋼的許用應力為[σ]=270MPa[16]，表明改進后的刀片是滿足強度條件的。
4改進后刀具的熱處理工藝及受力分析
4.1改進后刀具的熱處理工藝
為提高改進后刀片的硬度，避免刀具工作過程中發生磨損等非正常失效，將刃具在加熱爐中加熱到851.5℃，保溫18min，用機油淬火后在146.4℃下回火120min，能達到最高的硬度值HRC59.83，有效提高刀具工作性能[17-21]。刀具實物圖如圖9所示。
4.2改進后刀具的受力分析
粉碎刀具截面受力簡圖如圖10所示。對所設計優化的粉碎刀具取刀刃部分橫截面做受力分析，刀具刃角以θ表示，假設粉碎刀刃截面所受平均沖擊力為P，FR為香蕉秸稈及蕉園土壤雜質作用于刃面BC段的沖擊力，Fr為香蕉秸稈及蕉園土壤雜質作用于刃口CD段的沖擊力，沖擊力的方向與粉碎刀旋轉切線方向相反，刀片上下表面AB和ED還受到摩擦力fAB及fED作用。
5試驗設計與田間試驗
5.1試驗設計
田間試驗選擇在海南省的香蕉秸稈還田示范地進行，蕉園品種為“廣東1號”，香蕉假莖高度為2100～2800mm，土壤以粘壤土為主，地形較為平整，最大坡度不超過5%。所采用的牽引動力設備為農用輪式拖拉機，同時配備的試驗儀器有其它試驗用品有環刀取土器、萬特電子天平秤、8203型鋼卷尺、鋼直尺和PS-930型秒表。
在對還田機進行田間試驗之前，要確定還田機的主要試驗指標(即秸稈粉碎合格率、還田機工作效率、秸稈覆蓋情況等)，本文選取秸稈粉碎合格率與還田機工作效率作為試驗的主要指標。
6結論
1)基于已有的立式香蕉秸稈粉碎還田機L型刀具，分析了刀具的失效形式，研究了失效機理，從減少應力集中角度對刀具重新進行了設計。
2)采取有限元模擬仿真的方法，得到所設計刀具的應力云圖與位移云圖，結果表明:刀具最大應力處為刀柄與刀刃部彎折處，應力最大值為41.6MPa，改進后的刀片滿足強度條件;
3)通過田間試驗對刀片改進后的樣機進行性能測試，得到合理的還田機工作參數組合為:還田機粉碎刀具厚度12mm，還田機工作速度0.7m/s，粉碎刀軸轉速1080r/min。在上述參數組合下進行試驗，對應的秸稈粉碎合格率與還田機工作效率分別為95.9%、0.420hm2/h，均達到香蕉秸稈粉碎還田要求。——論文作者：賀寧波，李粵，郭超凡，張喜瑞，梁棟
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