段凯++蔡克桐++梅军++饶崇明++柳威

摘要 微耕机已经成为丘陵山地提升农业机械化水平的常用有力工具，而适用于微耕机耕耘作业的旋耕刀具是其作业的最重要部件。本文综述了近年来国内外学者对旋耕刀具的数字化设计研究现状，总结了微耕机旋耕刀具的研究进展情况，以期为微耕机旋耕刀具的应用提供参考。

关键词 微耕机；旋耕刀具；研究进展

中图分类号 S222 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）20-0153-02

Research Progress of Rotary Cutting Tool for Microtillage Machine

DUAN Kai CAI Ke-tong MEI Jun RAO Chong-ming LIU Wei

（Agricultural Science Academy of Xianning City in Hubei Province， Xianning Hubei 437100）

Abstract The microtillage machine has become a powerful tool for improving agricultural mechanization level in hilly hill country，the most important part of the operation is the rotary cutting tool applied to the tillage.The present situation of digital design of rotary cutting tool was reviewed in this paper，the research progress of rotary cutting tool was summarized，so as to provide a reference for the application of rotary cutting tool for micro-tillage machine.

Key words microtillage machine；rotary cutting tool； research progress

功率小于7.5 kW，由驱动轮轴驱动旋转工作部件工作，多用于水旱田整地、田园管理及设施农业等耕耘作业的机动耕耘机叫做微耕机，又称微型耕耘机[1]。微耕机具有体积小、重量轻、操作简单方便的特点，广泛适用于丘陵山地地区、小面积田块和设施农业作业中，而旋耕刀是微耕机旋耕部件最重要的组成部分。由于复杂的地形和恶劣的作业环境，导致旋耕刀极易发生磨损甚至扭曲变形而影响耕作作业。因此，国内外广大学者围绕旋耕刀存在的问题展开了长期的深入分析和研究。

1 国内外研究现状及成果

自19世纪耕耘机械发明以来，旋耕刀具的设计研究从最初的依赖经验与理论设计一直过渡到涉及材料、热处理以及有限元仿真分析的现代化研究方法，而所有的研究都指向一个目标，即最大限度地降低功率损耗、提高切削效率和延长刀具使用寿命。

20世纪90年代以前，主要是采用传统的机械设计方法研究设计旋耕刀，利用过去的成功经验，以力学、数学建模及试验等形成的经验公式、图表、标准及规范作为依据，运用条件性计算或类比等方法进行设计。目前传统机械设计已经远远不能满足产品的功能和市场需求，利用CAD/CAE/CAM工具的數字化设计占据主导地位[2]。

1.1 国外研究现状及成果

1989年，Chi和Kushwaha[3]通过编制有限元计算程序，借助三维非线性有限元分析方法，分析了窄齿耕作部件的切削工况，并程序化地计算出耕作部件所承受的反作用力。

1995年，Rosetal[4]运用数字化设计技术，设计出先进的旋耕刀虚拟仿真系统，可以对旋耕刀几何参数对功耗的影响进行研究。

2004年，日本等国已建立了网络CAD设计系统[5]，该系统主要包括CAD程序及数据库，能便捷地为旋耕刀的系列化制造提供图纸。

2005年，Karmakara [6]将土壤的流变行为特性定义为Bing-hem材料，并通过采用计算流体力学CFD软件来模拟土壤切削过程。通过控制体积法，发现土壤的应力大小与刀轴的旋转速度成正相关，刀刃的四周土壤的应力相对集中，且分布的趋势是沿着刀刃方向不断减小。

1.2 国内研究现状及成果

1985年，朱金华等[7]建立了包括图形输出在内的旋耕机刀片计算机辅助设计系统。该方法是国内较早的旋耕刀数字化设计。

2006年，张 霞等[8-9]、蔡宗寿等[10]以微耕机刀旋转速速度、前进速度、耕作深度为变量研究对功率分布的影响，改进了刀片正切面参数的设计方法，为旋耕刀刀片的类型选择提供了新的参考原则和方法，同时，在试验中发现，旋耕机刀片正面切土角存在最佳的刀片最小切土角和最小隙角，适当地减小磨刃角和增加刀片静态切土角，可以有效提高旋耕刀的切土效率。

2007年，汤 华等[11]运用新型有限元算法—任意拉格朗日欧拉ALE算法对大盘切削土壤过程进行动态模拟，很好地解决了盾构掘进过程中土壤的大变形问题，并演算出新型的以盾构施工仿真均衡区域分解方法为基础的并行算法。

2007年，葛 云等[12]采用ANSYS对旋耕刀进行静力学仿真分析，认为刀片连接孔处应力集中。

2008年，高建民等[13]采用SPH法（光滑质点流动力学方法）对旋耕机高速切削土壤的过程进行有限元仿真分析研究，并开发出该方法的土壤高速切削仿真有限元模型，通过对试验数据与有限元仿真分析结果的对比分析，更进一步证明了SPH法模拟土壤高速切削过程的可行性、准确性以及真实性。endprint

2009年，覃国良[14]对刀片链式开沟机刀片切削土壤的动态过程进行了仿真分析，获得了刀片的应力、应变和阻力的周期变化情况，进一步研究并分析了切削阻力和切削功率的变化规律。

2009年，贾洪雷等[15]基于仿生学理论，根据鼹鼠脚趾结构曲面参数设计旋耕刀具，指出其能较好地改进旋耕刀具的切土性能。

2011年，盖 超等[16]通过Solidworks中的COMOS motion模块对旋耕刀的弯折角进行了优化，提出125°～130°最佳弯折角。

2012年，张 强等[17]借助有限元软件 ANSYS/LS-DYNA对仿生钩形深松铲和圆弧形深松铲的切削土壤过程进行仿真分析，发现仿生钩形深松铲相比传统圆弧形深松铲能够有效减小耕作时的阻力。

2014年，卢彩云等[18]通过MAT147土壤材料模型建立了华北一年两熟区的土壤模型，并对平面刀切削土壤过程进行动态分析，发现平面刀切削土壤时土壤所受等效应力波动较小，切削过程没有剧烈的波动，应力集中出现在与平面刀刀刃接触的土壤上，最大等效应力为5.751 MPa，稳定切削时切削功耗在10.2 kW附近波动。

2014年，郝小征等[19]设计修正了旋耕刀滑切角，每个刀盘上的刀片数由3叶改为4叶，左弯刀和右弯刀的排列采用线性排列，打破了传统按螺旋线规则排列的方式，提高了耕地深度；適当调整了复合刀挡板高度，既不易缠草及作物秸杆又能很好地起到碎土作用。

2015年，王 荣等[20]采用ANSYS对R300的旋耕刀进行了静力学分析，得出其在增大旋耕深度时，刀柄厚度需要大幅度增加。

2015年，胡 涛[21]以国内普遍使用的微耕机弯刀片作为主要研究对象，对刀片进行三维建模，并利用ANSYS对刀片进行受力分析。结果发现，在相同外力作用下，微耕机刀片正切面弯折角与等效塑性应变及应变量正相关。当载荷逐渐增大时，刀片塑性应变表现为由刃口逐步向刀柄部位发展，而且等效塑性应变不断增加，范围逐渐扩大。

2015年，牛 坡等[22]、朱留宪等[23]得到旋耕刀总变形最大处在旋耕刀的正切部，正切部刚度最差，旋耕刀最大应力与应变区域在刀柄与刀背连接处，旋耕弯刀最大弹塑性应变、最大应力和最小疲劳寿命的位置与旋耕弯刀实际工作时的断裂位置一致。

2015年，朱 超等 [24]基于FEM-SPH耦合算法，采用LS-DY-NA971求解器进行土壤切削仿真分析，仿真结果与试验结果逼近。

2015年，林昌华等[25]运用SOLIDWORKS建立微耕机旋耕刀的三维模型，通过HYPERWORKS和LS-PREPOST对旋耕刀切削土壤过程进行动态仿真，并对刀具易断裂变形等问题进行优化设计。

2 结语

微耕机以体积小、重量轻、操作简单方便的优势而被广泛应用于丘陵山地、零碎田块及设施农业作业中[26-27]。旋耕刀具作为微耕机旋耕作业的常用易损部件，近年来国内外学者利用计算机技术、有限元仿真分析软件等数字化设计方法，对其技术参数、作业过程进行了大量的分析研究，但是与实际情况相比不可避免的仍存在误差等问题，还需根据实际情况不断进行改进优化[28-30]。

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