免耕播种机破茬圆盘刀设计与建模

彭立新，罗红旗，刘泽豪，王 硕，杨 彪

（北京工商大学人工智能学院，北京 100048）

保护性耕作是将耕作环节减少到既能适时有效地保证作物生长又能避免破坏土壤结构和作物损坏的耕作方法，免耕是少耕的极限形式，是不经任何整地作业，直接在土壤中开出深度和宽度能满足种子覆盖要求的沟中直接播种的耕作方法。免耕播种机是针对免耕播种技术开发的相适应的播种机具，其工作条件是在未翻耙整地的土壤中，避免秸秆作物残茬造成播种机的堵塞是保护性耕作的关键技术，特别是在免耕播种技术中，设计开发合适的破茬装置，对于推动保护性耕作技术有着重要的作用。

1 破茬装置的计算条件

根据免耕播种条件，特别是在小麦、玉米等根茬的土壤中进行免耕播种，破茬是保证播种质量的主要因素之一。针对免耕播种机破茬要求，拟设计开发破茬圆盘刀具，主要有全缘圆盘刀、缺口圆盘刀、锯齿圆盘刀等结构。全缘圆盘刀易于加工，切割阻力比较小，不利于抛送秸秆，容易产生滑切，对与铺在田块面上的秸秆不能产生有效切割。选择锯齿圆盘刀进行设计分析，选用65 Mn钢片，刀刃处进行表面热处理，增强耐磨性能，提高使用寿命。

1.1 破茬圆盘刀基本参数

1.1.1 确定圆盘半径及入土深度

小麦、玉米的留茬高度一般在100 mm左右，为防止圆盘刀的刀轴在转动时发生秸秆及根茬等造成的堵塞，相关研究表明圆盘刀入土深度为60 mm比较合适，锯齿圆盘刀的回转半径越大需要越大的机架支撑，综合考虑农艺条件以及整体免耕播种机的结构性能要求，圆盘半径取值为180 mm，齿高为8 mm，所以齿顶直径为360 mm，齿底直径取值344 mm，工作时锯齿圆盘进入地面深度约60 mm。

1.1.2 确定圆盘刀轴转速

驱动播种机前行的拖拉机的前进速度Vm一般为2～8 km/h。锯齿圆盘刀具利用自身滚动旋转将小麦茬切断，转速越高对带锯本身的切茬处理效果越好，但转速越高刀具磨损越厉害，因而综合考虑良好的切割性能和经济效益，在满足农艺作业要求的条件下，尽可能降低刀轴转速。相关研究表明，有支承切割可使秸秆获得抗弯能力，在低速状态下也能进行有效切割，其切割速度Vs一般为1～2 m/s，在秸秆及根茬水分含量大的情况下切断率达到95%左右，能够满足农艺条件要求，也有利于减少刀具的磨损，锯齿圆盘刀的旋转速度取为2 m/s。

圆盘刀的厚度可参照农具耙片的工作经验公式进行计算：

由于设计圆盘的直径D为360 mm，参照标准J163-78，刀刃厚度跟剪切力的正比关系，同时考虑到刀刃厚度过小容易造成磨损太快，最后确定圆盘刀厚度δ为6 mm。锯齿圆盘的齿数越多，则切割连续性越好，效果相应也更高，但是能耗消耗越多；反之如果齿数过少，齿间间隙较大，容易造成2个齿之间的秸秆量增加，导致切割困难，综合考虑选定齿数为32。

1.2 破茬圆盘刀运动状态分析

播种带残余的秸杆和根茬通过圆盘刀挤压、剪切和拉伸等被拨动、切断，秸杆和圆盘刀之间存在摩擦力，为了分析整个播种切茬过程中圆盘刀的运动规律和能量消耗情况，对其进行运动学和动力学状态分析。锯齿圆盘刀在其防堵过程中，圆盘刀绕刀轴作圆周转动，同时跟随整个机组作匀速直线运动，因而圆盘刀上任意点的运动轨迹都是余摆线形式。

以圆盘刀轴的中心为坐标原点，建立直角坐标系，免耕播种机前进方向为x轴正向，垂直向下方向为y轴正向。设圆盘刀的最大回转半径为r，播种机前进速度为Vm，圆盘刀旋转的角速度为ω，平面示意图，见图1。

图1 圆盘刀平面图Fig.1 The plan figure of disc cutter

设圆盘上任一点M的半径为r，则M点的位移方程为:

γ为M点运动轨迹曲线切线与x轴的夹角。播种机的前进速度为2 m/s，圆盘刀直径为360 mm，则式中r为180 mm，圆盘刀最外圆线速度为2 m/s。

所以其角速度，则圆盘刀外圆上任一点的位移方程为：

可绘制其轨迹曲线，见图2。

图2 圆盘刀任意点M的轨迹曲线Fig.2 The trajectory curve of any point M of disc cutter

2 圆盘刀三维建模

利用软件Solidworks绘制圆盘草图，根据农艺条件确定锯齿高度为8 mm，圆盘直径为360 mm，做辅助344 mm的圆来画锯齿，见图3。根据前述的锯齿数选定为32，则两锯齿侧边的夹角应为11.25°，做出锯齿草图，见图4。

图3 圆盘刀草图Fig.3 The sketch of disc cutte

图4 圆盘刀锯齿草图Fig.4 The sketch of serration of disc cutter

依据锯齿高度及间距参数，锯齿线的作图过程，见图5。使用“裁剪工具”中的“裁剪到最近端”将多余线条进行裁剪，留下需要的锯齿线，得到单个锯齿，见图6。

图5 锯齿线Fig.5 The sawtooth Line

图6 对锯齿线进行裁剪Fig.6 The cutting the sawtooth line

在绘制剩余的31个锯齿线时，使用“圆周草图阵列”功能，以圆心参考点，陈列出其余31个锯齿线，见图7。进行完上述操作步骤之后，得到需要的破茬圆盘刀的轮廓，接下来对此轮廓进行拉伸，通过设计计算已知拉伸的厚度为6 mm，三维图，见图8。

图7 陈列全部锯齿线Fig.7The showing all sawtooth lines

图8 拉伸圆盘刀轮廓Fig.8The outline of stretching disc cutter

在圆盘刀建好的实体模型中进行孔的草图绘制，通过“拉伸切除”等过程，切出安装传动轴的孔见图9，考虑刀安装工艺要求，对此孔进行“倒角”处理，见图10。

图9 圆盘刀轴孔Fig.9 The disc cutter shaft hole

图10 圆孔倒角Fig.10 The round hole chamfer

进行螺纹孔的切除，在此操作步骤中先绘制出一个孔的草图，其余的孔“圆周草图阵列”陈列出4个孔，进行“拉伸切除”，使用“螺纹线”功能，螺纹，见图11。整体圆盘刀模型，见图12，在此基础上配上相应连接件就能完成圆盘切茬装置的三维模型。

图11 圆盘刀轴孔螺纹Fig.11 The thread of shaft hole of disc cutter

图12 圆盘刀整体模型Fig.12 The overall model of disc cutter

4 结语

作为推动保护性耕作技术发展的关键环节，免耕播种机近年来得到了飞速发展，机具基本都采用联合作业方式，一次性完成根茬处理、破土开沟、种肥同施、覆土镇压等工序。但由于免耕播种是在未耕田地中进行，工作条件恶劣，秸秆覆盖率高时容易导致堵塞，圆盘切茬是处理根茬的有效方式之一，通过分析圆盘运行特点，建立其三维模型，有利于为根茬有效处理提供支撑。