基于翼型结构的旋耕刀设计及运动过程分析*

单奕杰 ，钱孟波 ，赵鹏飞 ，张晓彬

（浙江农林大学光机电工程学院，浙江 杭州 311300）

中国是一个农业大国，维护国家粮食安全是农业生产的第一任务[1]。田间土壤旋耕整平是进行农业生产的首要环节，旋耕机成为农业生产活动中必不可少的农用机械[2]，尤其是在南方水稻田地区，旋耕机被广泛使用，并且衍生出一系列其他配套机具，主要用来切削翻转土壤层、改变土壤层结构、粉碎大颗粒土壤，同时能够切碎植物遗留在土壤底层的根茬和害虫卵。旋耕刀具作为旋耕机最主要的执行机构，直接作用于土壤上，故刀具形状的结构参数和空间排列布局等因素直接影响耕整土壤的工作效率、机器输出的功率损耗以及刀具的磨损寿命[3]。

1 旋耕刀发展历程及研究现状

降低旋耕机的工作功耗是学者们一直以来的研究目标。国内针对旋耕刀的研究晚于西方发达国家几十年，20 世纪50 年代开始引进国外的现有技术进行学习研究，针对我国农田的实际情况自主研发适合中国南方地区水田土壤的旋耕弯刀。20 世纪70 年代以后，得益于计算机技术的快速发展，三维建模软件的出现使得旋耕刀技术发展迅速，学者们对旋耕刀进行了很多新的优化创新[4]。例如，提出刀刃圆弧形曲线设计和切削面平面化的设计理念[5]，开发了专门针对旋耕刀设计的CAD 系统[6]。南京农业大学的学者推导出了旋耕刀刀刃滑切角的方程[7]，利用有限元软件分析了刀片上的应力分布与折弯角的关系，对旋耕刀的折弯角重新进行优化设计，此类研究成果很快在全国范围内运用，为我国农机技术的发展奠定了深厚的基础。

郭俊等[7]研究了鼹鼠足趾结构排列特征，设计了仿鼹鼠足趾排列旋耕刀片；俞杰[8]以安哥拉兔爪趾为研究对象，根据爪趾曲面结构特征设计了仿生旋耕刀片；肖茂华等[9]研究了东方蝼蛄爪趾前足的轮廓特征，设计了一款仿东方蝼蛄爪趾前足的仿生旋耕刀片，将轮廓特征曲线依次排列于IT245 国标旋耕刀片的正切削面与折弯曲面末端边缘。

2 仿翼型旋耕刀片的设计

2.1 设计原理

飞机的发明和设计原理来源于仿生学，翼型结构的出现来源于学者对鸟类飞禽的模仿，学者通过观察研究它们起飞、降落和空中旋转掉头等动作而受到启发。

机翼理论主要适用于研究翼型结构在流体中运动时的受力情况，对机翼结构的要求是获得尽量大的升力和尽量小的阻力。悬浮水翼冲浪板如图1 所示，板下部的机翼和尾翼结构是冲浪板中最核心的部分，机翼与尾翼连接，机翼的后方与冲浪板的尾部由一根流线型的支柱连接，在水中的机翼与尾翼变成了一架水下滑翔机，机翼和尾翼为本体提供向上的升力，维持了本体平衡，只需要较小的滑行速度就可以提供较大的上升力。翼型结构为农业机械土壤旋耕执行部件的结构优化设计提供了参考。

图1 悬浮水翼冲浪板

翼型结构上下两侧的形状是非对称的，上下两表面的高度和弧度都不同，因此气流沿着机翼上下表面运动的距离也不同。水流流过机翼上侧的时间与流过机翼下侧的时间是相同的，但是水流沿机翼上表面运动的路程更长，流速更快，流体速度的快慢差异会产生压力差，而机翼结构在水中滑行时，机翼上下两侧的水流速度会产生快慢差异。机翼横切面造型如图2 所示，机翼设计成流线型且中间需要具有一定厚度是为了机翼在水中滑行的时候，将水流切割成上下两个部分，上下两个部分水流因速度不同产生压力差，在水下压力的作用下，冲浪板能够克服自身重力和驾乘人员的重力实现在水中滑行。机翼提供升力的另一个重要因素是迎角，迎角α如图3 所示。当人身体前倾时重心前移，冲浪板前倾滑行，翼面迎角开始减小，水流对下翼面形成垂直翼面斜向上的压强，减缓机翼下沉的同时推动机翼加速向前滑行；当人身体后仰时重心后移，翼面的迎角开始增大，机翼与尾翼提供的升力将冲浪板抬离水面的同时会减缓机翼前进速度，故冲浪板在水中具有静稳定性。

图2 机翼横切面造型

图3 翼型结构原理示意图

根据伯努利定理：在流体系统中，运动速度越快，该处压强越小。机翼上表面压强小，下表面压强大，上下表面产生了压强差，产生的压强差为冲浪板提供了向上的升力。水流过上下翼面的速度会随着冲浪板速度的变化而改变，冲浪板速度越快，水流速度也随之加快，机翼上下两表面的压强差值变大，翼面得到的升力就越大。机翼理论逐渐在农业机械领域中得到应用，为土壤切削机具和挖掘机具的仿生设计提供了理论参考。

2.2 翼型结构旋耕刀片设计

本次研究的旋耕刀片适用场景为南方丘陵湿地水田，土壤中废弃秸秆、杂草和残留的植物根茎的含量很少，故暂且不考虑进行土壤深层粉碎秸秆及植物根茎灭茬时的作业情况，因此，选用L 型左弯刀对其结构进行改进。常见的L 型弯刀由刀把、双侧开刃的侧切削面、双侧开刃的折弯曲面、双侧开刃的正切削面四部分组成，如图4 所示。L 型弯刀的刀把与侧切削面顺滑连接，从侧面看刀片上表面是一条光滑的曲线。在作业过程中侧切削面率先竖直向下切开土壤表层，依靠刀刃挤压切断、推开土壤中的秸秆、杂草和根茎并继续切向土壤深层，正切削面横向向下切开土壤表层，并按圆周方向切开土壤深层，粉碎大颗粒土块，深层土壤被翻转到土地浅层，以此循环往复。作业过程中，整个正切削面与土壤接触用于土壤的粉碎、翻转，其与土壤接触作业的面积是最大的，工作时受到土壤的阻力也是最大的，因此内燃机很大一部分功率消耗在正切削面与土壤的作用过程中。根据机翼的结构特征，结合L 型弯刀的结构、工作原理和使用场景，将机翼的轮廓特征曲线应用到旋耕刀的正切削面上。

图4 传统型旋耕刀简图

王蒙等[10]将机翼形特征结构运用于田间量水设施中，提出仿机翼形量水槽的概念，对机翼形特征曲线进行了简化，提出机翼形特征曲线方程：

参考机翼形特征曲线方程，对机翼形特征曲线进行了简化，符合旋耕刀的结构特点。仿机翼形特征曲线相切点左边1/4椭圆方程为：

相切点右边圆弧半径R的公式为：

仿机翼形曲线模型简化图如图5 所示。其中，C为翼弦长，mm；P为翼高，mm；R为圆弧半径，mm。

图5 仿机翼形曲线模型简化图

将翼型特征结构应用于旋耕刀整个正切削面，如图6 所示，侧面看仿翼型特征曲线的中轴线与旋耕刀正切削面重合，称为翼型旋耕刀。

图6 翼型结构旋耕刀片简图

2.3 翼型结构旋耕刀片选材及工艺处理

旋耕刀常年在潮湿阴暗的环境下作业，土壤中存在着弱酸性或者弱碱性腐蚀性物质，此外，土壤下层中存在大量沙砾和农作物根茎残留物，侵蚀和磨损是旋耕刀主要的失效形式。旋耕刀工作时转速很快，刀片表面与土壤摩擦产生大量热量，但是工作环境温度远低于刀具表面材料的熔点，排除粘连磨损的可能。从实际情况来看，旋耕刀失效应该是沙砾等杂质对刀片的撞击和化学物质对刀片的腐蚀共同作用的结果。腐蚀性物质侵蚀了刀具表面的材料，破坏了刀具表面强度，使得沙砾撞击更容易造成刀具剧烈磨损和弯折，进而造成旋耕刀失效。因此，对旋耕刀片采用的材料及其后期热处理工艺有着很高的要求。由于刀片不同部位的磨损机理不同，故不同部位的热处理工艺也应有所不同，仿翼型旋耕刀和国标旋耕刀的加工工艺相似，其刀刃和切削面部分不仅受到腐蚀性物质的侵蚀，而且会与土壤中的沙砾发生剧烈摩擦，承受较大的抗击载荷，其硬度控制在55 HRC～60 HRC。刀把部分需要有足够的韧性承受扭转载荷，否则容易被折断，其硬度控制在40 HRC～48 HRC。考虑到旋耕刀片对于抗腐蚀性、耐磨性以及韧性等的要求，可以适当降低材料中的含碳量，往材料中增加抗腐蚀性强的合金元素。

综上所述，可以考虑采用65Mn 作为旋耕刀片的材料。65Mn 首先要经过渗碳处理，而后经过分级淬火、低温回火工艺，目的是让刀刃部分获得高的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，并且刀把部分保持良好的强韧性和可塑性，刀片外表面无裂痕。最后将得到的刀片主体的正切削面部分通过角磨机磨成翼型结构。仿翼型旋耕刀片参数设计：若机翼翼高P太高，容易缠草，增大沙砾撞击面积，加快刀片磨损，增大工作阻力；若机翼翼高P太低，刀片厚度过薄，对于减少刀片工作阻力、增大刀片升力效果差；若机翼翼弦长C过长，刀具正切削面工作面积过大，容易被杂草秸秆缠绕，增大工作阻力，增加工作能耗；若翼高P过低，刀片易磨损，刀片寿命缩短。仿翼型旋耕刀最优结构参数如表1所示。

表1 传统旋耕刀与仿翼型旋耕刀主要参数结构

3 仿翼型旋耕刀对土壤的切削作用

明确旋耕刀的运动方式和受力情况，分析旋耕刀与土壤的相互作用，是正确设计优化旋耕刀结构的基础。旋耕刀运动过程中，对土壤起切削、破碎作用的主要是正切削刃和侧切削刃，对土壤起抛掷作用的主要是正切削面。旋耕刀入土时，土壤颗粒受到正切削刃和侧切削刃的动态切削作用，部分土壤被压缩产生变形，具有向后的运动过程，其余的土壤沿着正切削面和侧切削面滑动。

在土壤与旋耕刀相互作用的过程中，为了方便分析旋耕刀所受阻力情况，对作用力方向进行定义，分别为：水平方向产生的作用力定义为X向阻力Fx、垂直方向产生的作用力定义为Y向阻力Fy、侧边方向产生的作用力定义为Z向阻力Fz。土壤与旋耕刀相互作用过程中旋耕刀所受的作用力如图7 所示。旋耕刀刀轴以转速ω转动，并且刀片在水平X方向以速度v运动前进，旋耕刀的驱动力矩为M。

图7 旋耕刀所受阻力的定义分析

在旋耕刀最开始切入土壤至到达最大耕深位置的过程中，切削刃一直向下方运动，刀片受到的阻力方向与刀刃运动方向始终相反，如图8所示。

图8 旋耕刀受力图

此时旋耕刀的正切削面和正切削刃进入土壤，刀轴的转速很快，以250 r/min的速度旋转，土壤与水的混合物从旋耕刀的正切削面流过，旋耕刀将水流切割成上下两个部分，上下两个部分水流经过正切削面的速度不同从而产生压力差，压力差为旋耕刀提供了垂直于正切削面向上的升力FT。

当旋耕刀正切削面从垂直位置向下切削土壤转过θ角时，则正切削面的受力情况分析如下：

升力FT：

式中，FT为总升力，N；ρ为大气密度，kg/m3；C为升力系数；S为正切削面面积，m2；v为旋耕刀速度，m/s。

竖直方向的分力为：

水平方向的分力为：

旋耕刀转动时，上下表面的流速差为旋耕刀提供了垂直于正切削面的总升力FT，此升力在垂直方向和水平方向的分力分别为Fy和Fx。升力FT可以看作是旋耕刀旋转时产生的向心力，向心力产生速度法线方向上的加速度，改变物体运动的方向。

升力在垂直方向的分力Fy为旋耕机克服旋耕刀重力提供了一个向上的支撑力，克服了旋耕刀一部分的重力，刀轴对旋耕刀的支持力减小，实现了旋耕刀工作时的轻量化，刀轴驱动旋耕刀的力减小，降低了旋耕机的驱动功耗。

升力在水平方向的分力Fx为旋耕刀克服了一部分工作阻力，对旋耕刀的正切削面产生一个向前的助推力，帮助切削刃向前切割土壤，减小了旋耕刀在水平方向的工作阻力，为降低旋耕刀工作时的驱动功耗、减小工作输出的驱动力矩提供条件。

4 结论

1）旋耕刀是旋耕机最主要的执行机构，旋耕刀直接作用于土壤上，是旋耕机工作时的主要耗能部件，刀片形状结构参数和空间排列布局等因素直接影响耕整土壤的工作效率、机器输出的功率损耗以及刀具的磨损寿命。

2）侵蚀和磨损是旋耕刀主要的失效形式，降低材料中的含碳量，往材料中增加抗腐蚀性强的合金元素，并对材料进行渗碳处理、分级淬火、低温回火等处理，可以满足旋耕刀片对于表面硬度、耐磨性和疲劳强度的要求。

3）翼型结构提供的升力在水平方向上产生分力Fx，在竖直方向上产生分力Fy。Fx为旋耕刀克服了一部分工作阻力，对旋耕刀的正切削面产生一个向前的助推力，帮助切削刃向前切割土壤；Fy为旋耕机克服旋耕刀重力提供了一个向上的支撑力，相当于减轻了旋耕刀自身的重量，实现了旋耕刀工作时的轻量化。翼型结构为降低旋耕刀工作时的驱动功耗、减小驱动力矩、降低能量损耗提供了有利条件和理论依据。