发布时间：2021-03-20所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要:为进一步解决香蕉秸秆资源浪费问题，在Ⅰ代立式粉碎刀具基础上设计优化了适用于1JHXJ-160C型立式香蕉秸秆粉碎还田机的粉碎刀具，并利用限元模拟仿真得到所设计刀具的应力云图与位移云图。仿真结果表明:刀具最大应力处为刀柄与刀刃部弯折处，应力最大值
摘要:为进一步解决香蕉秸秆资源浪费问题，在Ⅰ代立式粉碎刀具基础上设计优化了适用于1JHXJ-160C型立式香蕉秸秆粉碎还田机的粉碎刀具，并利用限元模拟仿真得到所设计刀具的应力云图与位移云图。仿真结果表明:刀具最大应力处为刀柄与刀刃部弯折处，应力最大值为41.6MPa，改进后的刀片满足强度条件。对刀片改进后的样机进行性能测试，通过试验得到合理的还田机工作参数组合，即还田机粉碎刀具厚度为12mm、还田机工作速度0.7m/s、粉碎刀轴转速1080r/min时，秸秆粉碎合格率与还田机工作效率分别为95.9%、0.420hm2/h，均达到香蕉秸秆粉碎还田要求。
关键词:香蕉;秆秆粉碎还田机;优化设计;有限元
0引言
我国是全球香蕉第四生产大国[1]，而香蕉是我国热带地区的经济支柱[2]，海南香蕉种植的生态条件优越，是理想的香蕉种植生产基地[3]。2016年，海南香蕉收获面积为2.5万hm2，种植面积为3.2万hm2，香蕉产量为125.62万t，产值达到了125.62亿元[4]。香蕉产业发展的同时也产生了大量的香蕉秸秆，因没经过合理处理而成为农业废弃物，污染环境，并造成香蕉茎秆中大量有机物白白浪费[5-7]。
香蕉秸秆粉碎还田机粉碎装置是整机中的关键部分[9]，立式香蕉秸秆粉碎还田机粉碎装置一般由粉碎刀盘、粉碎刀具等核心部件构成[10]。在立式香蕉秸秆粉碎还田机工作过程中，粉碎装置在传动轴的带动下高速旋转，粉碎刀具通过击打与切割的方式将秸秆粉碎并抛洒于蕉园地面。在长期的工作中，由于田间情况复杂[11]，除了高强度的秸秆粉碎工作外，潮湿的工作环境及蕉园中潜在的不规则石块都可能对刀具造成不可逆转的损伤，良好的耐磨性以及韧性对刀具寿命有着重要的决定性作用。
为此，笔者在前代立式粉碎刀具的研究基础上，设计优化了适用于1JHXJ-160C型立式香蕉秸秆粉还田机的粉碎刀具，以实现香蕉秸秆的高效粉碎还田，提高粉碎刀具使用寿命与效率。
1秸秆粉碎刀具结构特点
1.1立式香蕉秸秆粉碎还田机粉碎刀具
1.1.1立式L型刀片Ⅰ代
如图1所示，立式L型刀片Ⅰ代为立式香蕉稻秆粉碎还田机最先使用的刀片之一，甩刀刀片的类型采用改进型L形弯刀。改进型L形弯刀分为正切刃和侧切刃，香蕉秸秆在水平方向上的切割主要由正切刃完成，竖直方向上的香蕉秸秆由侧切刃完成。
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代基础上，从降低切割阻力、提高粉碎质量的角度出发，将横向部分设计为刀柄，与粉碎刀盘相连接;切削部分以侧切削刃为主，将原有的侧切削刃长从5cm增加到30cm，使得刀具粉碎主要以切削的方式实现秸秆的粉碎，降低了切削阻力。Ⅰ代、Ⅱ代刀片结构参数对比如表1所示。
1JHXJ-160C型立式香蕉秸秆粉碎还田机选用的粉碎刀具类型为立式L型刀片Ⅱ代，针对此刀具存在问题，对刀具做进一步的优化设计，以实现香蕉秸秆的高效粉碎。
1.2粉碎刀具失效分析
1.2.1刀具扭曲变形
图2为立式L型刀片Ⅱ代扭曲变形图。在对1JHXJ-160C型立式香蕉秸秆粉碎还田机的前期田间试验中，所用立式L型刀片Ⅱ代产生了非正常失效，主要失效形式之一表现为刀具弯折处的明显扭曲变形。一般扭曲变形产生的可能是硬质点的作用、材料属性、工作温度等原因，结合还田机的工作情况，此处产生刀具扭曲变形的主要原因为高应力的作用。
机具稳定运行时，刀片所在刀轴截面中心O以平均转速n转动。通过刀片变形位置可知，刀柄与刀轴连接处为支撑点，硬质点在某一瞬时对刀片弯折角处施加F'大小的集中冲击力，同时在刀柄处会受到香蕉秸秆作用的均布载荷fi(i=1，2，…，n)，这两种力作用在a、b段使得刀身局部扭曲。已知刀柄处刀片宽度L1，刀身弯折处距离刀柄固定点O之间的距离L2，则刀片受力为。
2粉碎刀具优化设计
2.1刀片弯折角立式
L型刀片Ⅱ代主要以侧切削刃为主，刀片的弯折角决定着粉碎刀具对香蕉秸秆的切削角度。
2.2刀片刃角刀片厚度
间接决定了刀片刃角的取值范围，刀片刃角与粉碎效果及切割阻力有着重要关系。刀片刃角小，刃面导向性好，切割的侵彻度非常高，但缺点是刀具的强度会降低，容易造成磨损缺口等。
不同的刃角范围有着不同的特性，如表2所示。香蕉秸秆粗大、纤维韧性强。根据香蕉秸秆特性，结合刀片厚度，选择立式L型刀片Ⅱ代优化后的刀片刃角为35°。
2.3刀片厚度刀身截面受石块碰撞受力示意图如图5所示。
3、优化后刀具的有限元分析
3.1建立刀具有限元模型
通过三维软件SolidWorks对所改进的立式L型刀片Ⅱ代进行三维建模，将三维模型存储为Parasolid(*.x_t)格式，便于导入ANSYS中进行仿真分析。对于影响不大的倒角和倒圆，可在模型里忽略。刀具材料选取65Mn弹簧钢，其碳含量较高且含有金属锰，并含有一定量的硅，硅易溶于铁素体中，不容易形成碳化物，从而使钢的硬度和强度得到提高。其材料属性如表3所示。
在对模型定义完单元类型、材料属性后，对模型进行网格划分，考虑到刀具的安装特点，对刀柄以刀身连接处以及销轴安装孔部分进行网格细化处理，以提高其分析结果的准确性，如图6所示。
3.2结果分析
通过ANSYS求解得到改进后刀具的位移云图与应力云图，分别如图7、图8所示。由图7可知:改进后的刀具最大变形量为1.279mm，变形主要发生在刀具的下刃部。结合还田机工作实况可知，该变形在允许范围内。
改进后的刀具的应力云图如图8所示。由图8可以看出:改进后刀具应力较大区域主要在刀具弯折处，刀具最大应力处为刀柄与刀刃部弯折处。应力最大值为41.6MPa，而65Mn钢的许用应力为[σ]=270MPa[16]，表明改进后的刀片是满足强度条件的。
4改进后刀具的热处理工艺及受力分析
4.1改进后刀具的热处理工艺
为提高改进后刀片的硬度，避免刀具工作过程中发生磨损等非正常失效，将刃具在加热炉中加热到851.5℃，保温18min，用机油淬火后在146.4℃下回火120min，能达到最高的硬度值HRC59.83，有效提高刀具工作性能[17-21]。刀具实物图如图9所示。
4.2改进后刀具的受力分析
粉碎刀具截面受力简图如图10所示。对所设计优化的粉碎刀具取刀刃部分横截面做受力分析，刀具刃角以θ表示，假设粉碎刀刃截面所受平均冲击力为P，FR为香蕉秸秆及蕉园土壤杂质作用于刃面BC段的冲击力，Fr为香蕉秸秆及蕉园土壤杂质作用于刃口CD段的冲击力，冲击力的方向与粉碎刀旋转切线方向相反，刀片上下表面AB和ED还受到摩擦力fAB及fED作用。
5试验设计与田间试验
5.1试验设计
田间试验选择在海南省的香蕉秸秆还田示范地进行，蕉园品种为“广东1号”，香蕉假茎高度为2100～2800mm，土壤以粘壤土为主，地形较为平整，最大坡度不超过5%。所采用的牵引动力设备为农用轮式拖拉机，同时配备的试验仪器有其它试验用品有环刀取土器、万特电子天平秤、8203型钢卷尺、钢直尺和PS-930型秒表。
在对还田机进行田间试验之前，要确定还田机的主要试验指标(即秸秆粉碎合格率、还田机工作效率、秸秆覆盖情况等)，本文选取秸秆粉碎合格率与还田机工作效率作为试验的主要指标。
6结论
1)基于已有的立式香蕉秸秆粉碎还田机L型刀具，分析了刀具的失效形式，研究了失效机理，从减少应力集中角度对刀具重新进行了设计。
2)采取有限元模拟仿真的方法，得到所设计刀具的应力云图与位移云图，结果表明:刀具最大应力处为刀柄与刀刃部弯折处，应力最大值为41.6MPa，改进后的刀片满足强度条件;
3)通过田间试验对刀片改进后的样机进行性能测试，得到合理的还田机工作参数组合为:还田机粉碎刀具厚度12mm，还田机工作速度0.7m/s，粉碎刀轴转速1080r/min。在上述参数组合下进行试验，对应的秸秆粉碎合格率与还田机工作效率分别为95.9%、0.420hm2/h，均达到香蕉秸秆粉碎还田要求。——论文作者：贺宁波，李粤，郭超凡，张喜瑞，梁栋
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