林地开沟机刀具优化设计与试验

陈雨丰 廖凯 陈飞 牛贺贺

摘要：针对林地开沟条件恶劣、开沟困难的情形，设计一种开沟刀，对设计的开沟刀进行切削土壤研究与参数优化。利用LS-DYNA建立开沟刀—土壤切削有限元模型，得到开沟刀土壤切削过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律。以平均切削阻力为指标，建立正交仿真试验，探究刀片厚度、刃倾角和刀片切削速度对平均切削阻力的影响。正交仿真试验结果表明：平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6 mm，刃倾角45°，刀片切削速度2 m/s；各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对优化后的开沟刀进行静力学分析，刀具的强度与刚度满足要求。林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6 N，试验值与仿真值误差为7.1%，表明开沟刀—土壤切削模型可用于开沟刀参数优化。

关键词：林地开沟机；开沟刀；有限元分析；正交试验

中图分类号：S222.2  文献标识码：A  文章编号：2095-5553 （2024） 03-0038-06

Optimum design and test of cutting tools for forest ditcher

Chen Yufeng， Liao Kai， Chen Fei， Niu Hehe

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University of Forestry andTechnology， Changsha， 410004， China）

Abstract：

In view of the poor ditching conditions and difficult ditching of forest land， a ditching knife was designed， and the cutting soil and parameter optimization of the designed ditching knife were carried out. The finite element model of trench cutter-soil cutting was established by LS-DYNA， and the variation laws of equivalent stress， cutting resistance and cutting energy consumption in the soil cutting process of trench cutter were obtained. Taking the average cutting resistance as the index， the orthogonal simulation experiment was established to explore the influence of blade thickness， blade angle and blade cutting speed on the average cutting resistance. The orthogonal simulation results showed that the optimal parameter combination with the minimum average cutting resistance was blade thickness of 6 mm， blade inclination angle of 45°， and blade cutting speed of 2 m/s. The order of factors affecting the average cutting resistance was blade cutting speed > blade thickness > blade inclination. The static analysis of the optimized trench cutter showed that the strength and stiffness of the cutter met the requirements. The average cutting resistance of the ditching cutter in the forest land test is 232.6 N， and the error between the test value and the simulation value is 7.1%， indicating that the ditching cutter-soil cutting model can be used to optimize the ditching cutter parameters.

Keywords：ditching shovel; ditching knife; finite element; orthogonal test

0 引言

我國林业资源十分丰富［1］，其中经济林木不少于1000种，广泛种植的有100多种［2］。经济林是林业资源的重要组成部分，为了提高林果的产量和品质，需对经济林木进行开沟施肥作业。由于我国林业抚育类机械起步较晚，发展较为缓慢，机械化程度整体水平低，目前经济林开沟主要依赖人工完成，工作效率低，劳动强度大。

经济林一般种植于丘陵山区，地势高低起伏较大，草木茂盛，地面杂草、石块、树枝等障碍物较多，地下有草根、树根，开沟条件恶劣，开沟难度大，对开沟刀土壤切削性能以及耐磨损性要求高。

开沟刀是开沟机进行开沟作业的关键部件，通过对设计的开沟刀建立土壤切削有限元模型，并进行切削土壤过程的仿真分析，研究开沟刀具与土壤之间的切削作用机理，以此指导开沟机刀具设计。

近年来利用数值模拟法研究土壤切削问题取得了较大进展。Yong等［3］利用二维有限元方法对宽齿耕具的耕作过程进行模拟，得出土壤中的应力分布和变形情况，并进行试验验证。Chi等［4］采用三维有限元方法模拟窄齿耕具的土壤切削过程，得到土壤和耕作部件之间的相互用力。Karmakar等［5］采用CFD模拟耕作部件高速切削土壤的动态变化过程，得到土壤大变形的实际情况，并分析得出土壤模型失效面的位置。钟一等［6］基于ANSYS的LS-DYNA进行松材线虫疫木树蔸铣削过程的仿真计算，构建出平均切削阻力与切削刃后角、楔角、线速度间的关系模型，并优化刀具参数。夏俊芳等［7］利用LS-DYNA对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟，得出螺旋刀辊切削土壤的功率、切削阻力以及等效应力的变化规律。韩煜杰等［8］基于SPH法对立式旋耕刀进行有限元动态仿真，对三种不同螺旋线型的刀片进行对比分析，得到切削功率最小的刀片结构并进行田间试验验证，试验结果表明优化后的刀片结构达到减阻降耗的目的。刘谦文等［9］利用ANSYS/LS-DYNA，采用单元组合法，对旋耕弯刀切削土壤的过程进行数值模拟，得到旋耕弯刀切削土壤过程中的切削力和切土功率，该结果与理论分析结果相近。

本文基于LS-DYNA建立开沟机单个刀片-土壤三维有限元模型，对开沟刀切削土壤过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律展开研究。以平均切削阻力为指标，建立正交仿真试验，得到均切削阻力最小时的最优参数组合，并进行林地试验以验证仿真的准确性。

1 林地开沟机基本结构

开沟机整机结构如图1所示。整机结构由柴油发动机、皮带轮、履带自行走底盘、变速箱、液压举升机构、螺旋排土装置、开沟装置、覆土装置等部分组成。开沟机主要工作环境为林地，林地地形复杂，地面高低不平，对开沟机稳定性要求较高，因此开沟机采用履带式底盘。开沟机通过在开沟链上安装开沟刀具，依靠链条的转动带动开沟刀具进行土壤切削，如图2所示。

2 开沟刀的结构与运动学分析

2.1 开沟刀结构

开沟刀的结构如图3所示。开沟刀的高度为70 mm、宽度为74 mm、厚度为6 mm，刃倾角为30°。开沟刀的材料为65Mn，65Mn钢强度高、韧性好，且具有良好的耐磨损性。

2.2 开沟刀运动学分析

当开沟刀切削土壤时，根据几何运动学原理可知，其绝对切削速度Va由开沟机水平移动作业速度Vx和开沟刀线速度Vc合成［10］，如图4所示。

开沟刀作业时其绝对速度如式（1）所示。

Va=Vc2+Vx2+2VcVxcosα（1）

式中：Vc——开沟刀线速度，m/s；Vx——开沟机水平移动的作业速度，m/s；α——开沟刀对水平面的倾角，α取45°。

由于开沟时刀具的线速度Vc为2～4m/s，开沟机水平移动的工作速度Vx为0.5km/h，VcVx，可认为Va≈Vc，即开沟刀绝对速度大小等于其线速度大小。

3 有限元模型建立

3.1 开沟刀有限元模型

切削土壤过程是由若干开沟刀共同切削作用的结果，对于任一单个开沟刀，其切削性质与其它开沟刀相同［6］，因此本文只对单个开沟刀开展切削性能研究。开沟刀的结构较为复杂，难以在LS-DYNA中直接完成建模，因此先在Catia中建立开沟刀的三维实体模型，保存为igs格式再导入LS-DYNA中进行网格划分处理。一般有限元模型网格划分越精细，得到的结果越精确，但对设备的性能要求也越高，求解的时间也相对较长［11］。本文对开沟刀采用自由网格划分方法划分四面体网格，定义网格大小为3mm，建立开沟刀有限元网格模型如图5所示。

3.2 土壤SPH模型

SPH法是一种无网格法，能够求解大变形、高速冲击、瞬间爆炸等复杂问题，开沟刀切削土壤属于大变形问题，为防止求解失败，采用SPH法建立土壤模型。

在LS-DYNA中建立0.2m×0.1m×0.1m的长方体土壤SPH模型，并导入开沟刀有限元模型，得到开沟刀—土壤有限元模型，如图6所示。

土壤材料采用LS-DYNA中的MAT147（MAT_ FHWA_SOIL），该材料模型采用修正后的Mohr-Coulomb屈服准则［8］，能够比较真实的模拟土壤切削动态过程，其表达式如式（2）所示。

F=-psinφ+J2K（θ）2+α2sin2φ-ccosφ=0（2）

式中：F——模型屈服表面力，N；p——压力，N；φ——内摩擦角，rad；J2——应力偏张量的第2不变量；K（θ）——张量平面角的函数；c——黏聚力；α——定义修正后屈服面和标准Mohr-Coulomb屈服面之间贴近程度的参数。

查阅参考资料以及结合林地土壤特性，土壤材料的主要参数如表1所示。

3.3 仿真参数及边界条件

对仿真模型的参数及边界条件设定如下。

1） 开沟刀的单元属性定义为SOLID，土壤材料屬性定义为SPH。

2） 由于开沟刀强度远大于土壤强度，开沟刀可视为刚体结构，因此赋予开沟刀MAT_RIGID材料属性，其材料的弹性模量为2×1011Pa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3，屈服强度为430MPa。

3） 定义接触方式，在切削过程中，开沟刀破坏并穿透土壤［12］，因此定义开沟刀与土壤接触类型为侵蚀点面接触（CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE），设置开沟刀为主接触，土壤模型的所有SPH粒子为从接触，静摩擦系数设置为0.2，动摩擦系数设置为0.18［13］。

4） 定义开沟刀沿土壤方向的切削速度为4m/s，并约束开沟刀其他方向的移动和转动自由度。对土壤SPH模型添加BOUNDARY_SPC约束，将土壤SPH模型2个侧面和底面分别施加全约束。

5） 定义DATABASE_GLSTAT、DATABASE_RCFORC来控制开沟刀切削土壤过程中的能量和切削力输出。

6） 设置求解时间，本次求解时间为0.04s。

4 结果与分析

将设置完成的K文件导入LS-DYNA求解器进行求解，进而分析切削过程中开沟刀与土壤之间的切削作用机理。

4.1 切削过程分析

开沟刀切削土壤的过程及其等效应力随时间变化情况如图7所示。从仿真过程可以看出，开沟刀先接触土壤使其发生形变，然后在切削力的作用下，土壤因内部结构被破坏而失效。失效的土粒沿着刀面破碎散开，被迅速带离切削区，一部分抛洒到了沟沿，另一部分被推到开沟刀的前沿及两侧。

t=0时，开沟刀未与土壤接触，等效应力为0Pa，如图7（a）所示。t=0.004s时，开沟刀与土壤发生接触，土壤受到开沟刀挤压发生形变，此时的最大等效应力值为3.737×106Pa，如图7（b）所示；t=0.008s时，开沟刀持续切入土壤，土壤受到挤压与剪切作用力发生严重变形，但内部结构尚未完全破坏，此时土壤的最大等效应力值为4.003×106Pa，如图7（c）所示；t=0.012s时，此时在开沟刀的剪切和挤压作用力下，土壤结构被破坏，少量土粒开始向空中飞洒，此时土壤的最大等效应力值为4.283×107Pa，如图7（d）所示；t=0.028s时，开沟刀持续切削土壤，土粒在开沟刀切削作用力下沿着刀面破碎散开，向开沟刀上前方飞洒，此时土壤的最大等效应力值为4.949×106Pa，如图7（e）所示；t=0.04s时，刀具继续向前切削，被破坏失效的土粒不断增加，并向开沟刀上前方飞洒，此时土壤的最大等效应力值为3.460×106Pa，如图7（f）所示。整个仿真过程中，与土壤接触的刀面切削刃处的最大等效应力最大，原因在于切削时此处与土壤接触挤压，应力较为集中。

4.2 切削阻力分析

开沟刀切削土壤过程阻力变化曲线图8所示。

由图8可知，切削初期，切削阻力随时间内从0急剧增大，随后土壤结构被破坏，切削阻力趋于稳定。t=0时，开沟刀未与土壤接触，切削阻力为0N。0～0.008s时，开沟刀接触并逐步切入土壤，土壤发生挤压形变而内部结构未受破坏，切削阻力逐渐增加；0.008s～0.04s时，随着切削进行，土壤内部结构被破坏失效，进入稳定切削阶段，切削阻力在400N左右窄幅波动。

4.3 切土能耗分析

开沟刀切削土壤过程中的总能量主要包括其自身运动的动能和切削土壤产生的内能［8］。开沟刀切削土壤过程中的能量变化曲线如图9所示。

在0～0.008s内，开沟刀速度从0达到设定开沟速度，动能急剧增加，此时内能随着开沟刀与土壤接触面积的逐渐增加而增大，总能量也随着增大。0.008s后，进入稳定切削阶段，開沟刀以设定开沟速度向前切削土壤，动能基本保持不变，总能量随内能的增加而增加。

5 正交仿真试验

切削阻力的大小是影响开沟效率的重要原因，开沟刀在切削土壤的过程中，切削阻力的大小受到多种因素的影响。为了研究影响开沟刀切削阻力的因素，选取开沟刀切削土壤工作过程中的刀片厚度和刃倾角、刀片切削速度三个参数为试验因素，以平均切削阻力的大小为指标，进行三因素三水平仿真试验。试验选取刀片厚度为6～10mm、刃倾角为30°～60°、刀片切削速度为2～4m/s，试验因素水平见表2，仿真试验结果与极差分析如表3所示，方差分析结果如表4所示，其中，A、B、C分别为各因素编码值，Y为平均切削阻力。

由表3的试验结果与极差分析可知，以平均切削阻力为指标时，三个因素的顺序依次为C>A>B，最优参数组合为A1B2C1，即刀片厚度6mm，刃倾角45°，刀片切削速度2m/s时，开沟机的平均切削阻力最小。由表4的方差分析可知，刀片厚度和刀片切削速度对平均切削阻力影响显著，刃倾角对平均切削阻力影响不大，根据P值大小，三个因素对平均切削阻力影响顺序为C>A>B，此结果与极差分析一致。根据极差分析与方差分析结果，可以得出三个因素对平均切削阻力影响顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对正交仿真试验得到的切削阻力最小时的参数组合刀片厚度6mm，刃倾角45°，刀片切削速度2m/s进行仿真计算，得到平均切削阻力为216.3N。

为检验优化后的开沟刀静力学特性是否满足要求，运用ANSYS Workbench对其进行静力学分析，得到的开沟刀应力变化云图如图10所示，位移变化云图如图11所示。

从图10可以看出，整个开沟刀所受的应力较小，最大等效应力值为53.133MPa。本文设计的开沟刀的材料为65Mn，屈服强度为430MPa，而仿真分析求解得到的最大等效应力值远小于开沟刀材料的屈服强度，因此开沟刀的强度满足要求。根据图11开沟刀的位移变化云图可知，开沟刀切削土壤时，总的变形量很小，最大变形量约为0.02mm，刀具没有发生明显的弯曲变形和断裂现象，开沟刀刚度满足要求。

6 林地试验

6.1 试验条件

林地开沟试验在湖南省某经济林基地进行，该地土质为沙砾土，含水率为16%，土壤密度为2080kg/m3，土壤坚实度为1335kPa。选择一块较为平坦的地进行开沟试验，试验时刀片厚为6mm，刃倾角为45°，刀片切削速度为2m/s。试验仪器有切削阻力测试系统、测试传感器、测速仪、TJSD-750坚实度仪、环刀等。切削阻力测试系统可直接测试开沟刀开沟过程中x、y、z方向的切削阻力。

6.2 试验内容与结果分析

本文以正交试验得到的切削阻力最小时的参数组合进行林地开沟试验，同时运用切削阻力测试系统及测试传感器采集开沟过程中开沟刀平均切削阻力数据，提取6组试验数据，如表5所示。

试验得到平均切削阻力为232.6N，对比仿真结果误差为7.1%，说明开沟刀的工作参数得到了较好的优化。

7 结论

1） 本文设计一种林地开沟刀结构，并对开沟刀具展开切削运动学分析，结合几何运动学原理，可认为开沟刀切削土壤时开沟刀绝对速度大小等于其线速度大小。

2） 运用LS-DYNA建立了开沟刀-土壤切削有限元模型，并对切削土壤过程进行仿真分析。整个仿真过程中，开沟刀具有良好的切削稳定性，能够将破坏的土层迅速带离切削区，形成沟槽。开沟刀切削土壤过程中，与土壤接触的刀面切削刃处的等效应力最大。稳定切削阶段，开沟刀的动能基本保持不变，总能量随内能的增加而增加。

3） 根据正交仿真试验结果，得到平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6mm，刃倾角45°，刀片切削速度2m/s；各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。

4） 林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6N，试验值与仿真值误差为7.1%。

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基金项目：湖南省重点研发计划资助项目（2018NK2065、2021NK2023）

第一作者：陈雨丰，男，1995年生，湖南娄底人，硕士研究生；研究方向为农林业机械。E-mail： 1756198976@qq.com

通讯作者：陈飞，男，1977年生，湖北天门人，硕士，副教授，硕导；研究方向为农林机械装备。E-mail： chenfei0731@163.com