林地開溝機刀具優化設計與試驗

陳雨豐 廖凱 陳飛 牛賀賀

摘要：針對林地開溝條件惡劣、開溝困難的情形，設計一種開溝刀，對設計的開溝刀進行切削土壤研究與參數優化。利用LS-DYNA建立開溝刀—土壤切削有限元模型，得到開溝刀土壤切削過程等效應力、切削阻力以及切削能耗的變化規律。以平均切削阻力為指標，建立正交仿真試驗，探究刀片厚度、刃傾角和刀片切削速度對平均切削阻力的影響。正交仿真試驗結果表明：平均切削阻力最小時的最優參數組合為刀片厚度6 mm，刃傾角45°，刀片切削速度2 m/s；各因素影響平均切削阻力的順序為刀片切削速度>刀片厚度>刃傾角。對優化后的開溝刀進行靜力學分析，刀具的強度與剛度滿足要求。林地試驗開溝刀切削阻力平均值為232.6 N，試驗值與仿真值誤差為7.1%，表明開溝刀—土壤切削模型可用于開溝刀參數優化。

關鍵詞：林地開溝機；開溝刀；有限元分析；正交試驗

中圖分類號：S222.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

我國林業資源十分豐富［1］，其中經濟林木不少于1000種，廣泛種植的有100多種［2］。經濟林是林業資源的重要組成部分，為了提高林果的產量和品質，需對經濟林木進行開溝施肥作業。由于我國林業撫育類機械起步較晚，發展較為緩慢，機械化程度整體水平低，目前經濟林開溝主要依賴人工完成，工作效率低，勞動強度大。

經濟林一般種植于丘陵山區，地勢高低起伏較大，草木茂盛，地面雜草、石塊、樹枝等障礙物較多，地下有草根、樹根，開溝條件惡劣，開溝難度大，對開溝刀土壤切削性能以及耐磨損性要求高。

開溝刀是開溝機進行開溝作業的關鍵部件，通過對設計的開溝刀建立土壤切削有限元模型，并進行切削土壤過程的仿真分析，研究開溝刀具與土壤之間的切削作用機理，以此指導開溝機刀具設計。

近年來利用數值模擬法研究土壤切削問題取得了較大進展。Yong等［3］利用二維有限元方法對寬齒耕具的耕作過程進行模擬，得出土壤中的應力分布和變形情況，并進行試驗驗證。Chi等［4］采用三維有限元方法模擬窄齒耕具的土壤切削過程，得到土壤和耕作部件之間的相互用力。Karmakar等［5］采用CFD模擬耕作部件高速切削土壤的動態變化過程，得到土壤大變形的實際情況，并分析得出土壤模型失效面的位置。鐘一等［6］基于ANSYS的LS-DYNA進行松材線蟲疫木樹蔸銑削過程的仿真計算，構建出平均切削阻力與切削刃后角、楔角、線速度間的關系模型，并優化刀具參數。夏俊芳等［7］利用LS-DYNA對螺旋刀輥土壤切削過程進行模擬，得出螺旋刀輥切削土壤的功率、切削阻力以及等效應力的變化規律。韓煜杰等［8］基于SPH法對立式旋耕刀進行有限元動態仿真，對三種不同螺旋線型的刀片進行對比分析，得到切削功率最小的刀片結構并進行田間試驗驗證，試驗結果表明優化后的刀片結構達到減阻降耗的目的。劉謙文等［9］利用ANSYS/LS-DYNA，采用單元組合法，對旋耕彎刀切削土壤的過程進行數值模擬，得到旋耕彎刀切削土壤過程中的切削力和切土功率，該結果與理論分析結果相近。

本文基于LS-DYNA建立開溝機單個刀片-土壤三維有限元模型，對開溝刀切削土壤過程等效應力、切削阻力以及切削能耗的變化規律展開研究。以平均切削阻力為指標，建立正交仿真試驗，得到均切削阻力最小時的最優參數組合，并進行林地試驗以驗證仿真的準確性。

1 林地開溝機基本結構

開溝機整機結構如圖1所示。整機結構由柴油發動機、皮帶輪、履帶自行走底盤、變速箱、液壓舉升機構、螺旋排土裝置、開溝裝置、覆土裝置等部分組成。開溝機主要工作環境為林地，林地地形復雜，地面高低不平，對開溝機穩定性要求較高，因此開溝機采用履帶式底盤。開溝機通過在開溝鏈上安裝開溝刀具，依靠鏈條的轉動帶動開溝刀具進行土壤切削，如圖2所示。

2 開溝刀的結構與運動學分析

2.1 開溝刀結構

開溝刀的結構如圖3所示。開溝刀的高度為70 mm、寬度為74 mm、厚度為6 mm，刃傾角為30°。開溝刀的材料為65Mn，65Mn鋼強度高、韌性好，且具有良好的耐磨損性。

2.2 開溝刀運動學分析

當開溝刀切削土壤時，根據幾何運動學原理可知，其絕對切削速度Va由開溝機水平移動作業速度Vx和開溝刀線速度Vc合成［10］，如圖4所示。

開溝刀作業時其絕對速度如式（1）所示。

Va=Vc2+Vx2+2VcVxcosα（1）

式中：Vc——開溝刀線速度，m/s；Vx——開溝機水平移動的作業速度，m/s；α——開溝刀對水平面的傾角，α取45°。

由于開溝時刀具的線速度Vc為2～4m/s，開溝機水平移動的工作速度Vx為0.5km/h，VcVx，可認為Va≈Vc，即開溝刀絕對速度大小等于其線速度大小。

3 有限元模型建立

3.1 開溝刀有限元模型

切削土壤過程是由若干開溝刀共同切削作用的結果，對于任一單個開溝刀，其切削性質與其它開溝刀相同［6］，因此本文只對單個開溝刀開展切削性能研究。開溝刀的結構較為復雜，難以在LS-DYNA中直接完成建模，因此先在Catia中建立開溝刀的三維實體模型，保存為igs格式再導入LS-DYNA中進行網格劃分處理。一般有限元模型網格劃分越精細，得到的結果越精確，但對設備的性能要求也越高，求解的時間也相對較長［11］。本文對開溝刀采用自由網格劃分方法劃分四面體網格，定義網格大小為3mm，建立開溝刀有限元網格模型如圖5所示。

3.2 土壤SPH模型

SPH法是一種無網格法，能夠求解大變形、高速沖擊、瞬間爆炸等復雜問題，開溝刀切削土壤屬于大變形問題，為防止求解失敗，采用SPH法建立土壤模型。

在LS-DYNA中建立0.2m×0.1m×0.1m的長方體土壤SPH模型，并導入開溝刀有限元模型，得到開溝刀—土壤有限元模型，如圖6所示。

土壤材料采用LS-DYNA中的MAT147（MAT_ FHWA_SOIL），該材料模型采用修正后的Mohr-Coulomb屈服準則［8］，能夠比較真實的模擬土壤切削動態過程，其表達式如式（2）所示。

F=-psinφ+J2K（θ）2+α2sin2φ-ccosφ=0（2）

式中：F——模型屈服表面力，N；p——壓力，N；φ——內摩擦角，rad；J2——應力偏張量的第2不變量；K（θ）——張量平面角的函數；c——黏聚力；α——定義修正后屈服面和標準Mohr-Coulomb屈服面之間貼近程度的參數。

查閱參考資料以及結合林地土壤特性，土壤材料的主要參數如表1所示。

3.3 仿真參數及邊界條件

對仿真模型的參數及邊界條件設定如下。

1） 開溝刀的單元屬性定義為SOLID，土壤材料屬性定義為SPH。

2） 由于開溝刀強度遠大于土壤強度，開溝刀可視為剛體結構，因此賦予開溝刀MAT_RIGID材料屬性，其材料的彈性模量為2×1011Pa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，屈服強度為430MPa。

3） 定義接觸方式，在切削過程中，開溝刀破壞并穿透土壤［12］，因此定義開溝刀與土壤接觸類型為侵蝕點面接觸（CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE），設置開溝刀為主接觸，土壤模型的所有SPH粒子為從接觸，靜摩擦系數設置為0.2，動摩擦系數設置為0.18［13］。

4） 定義開溝刀沿土壤方向的切削速度為4m/s，并約束開溝刀其他方向的移動和轉動自由度。對土壤SPH模型添加BOUNDARY_SPC約束，將土壤SPH模型2個側面和底面分別施加全約束。

5） 定義DATABASE_GLSTAT、DATABASE_RCFORC來控制開溝刀切削土壤過程中的能量和切削力輸出。

6） 設置求解時間，本次求解時間為0.04s。

4 結果與分析

將設置完成的K文件導入LS-DYNA求解器進行求解，進而分析切削過程中開溝刀與土壤之間的切削作用機理。

4.1 切削過程分析

開溝刀切削土壤的過程及其等效應力隨時間變化情況如圖7所示。從仿真過程可以看出，開溝刀先接觸土壤使其發生形變，然后在切削力的作用下，土壤因內部結構被破壞而失效。失效的土粒沿著刀面破碎散開，被迅速帶離切削區，一部分拋灑到了溝沿，另一部分被推到開溝刀的前沿及兩側。

t=0時，開溝刀未與土壤接觸，等效應力為0Pa，如圖7（a）所示。t=0.004s時，開溝刀與土壤發生接觸，土壤受到開溝刀擠壓發生形變，此時的最大等效應力值為3.737×106Pa，如圖7（b）所示；t=0.008s時，開溝刀持續切入土壤，土壤受到擠壓與剪切作用力發生嚴重變形，但內部結構尚未完全破壞，此時土壤的最大等效應力值為4.003×106Pa，如圖7（c）所示；t=0.012s時，此時在開溝刀的剪切和擠壓作用力下，土壤結構被破壞，少量土粒開始向空中飛灑，此時土壤的最大等效應力值為4.283×107Pa，如圖7（d）所示；t=0.028s時，開溝刀持續切削土壤，土粒在開溝刀切削作用力下沿著刀面破碎散開，向開溝刀上前方飛灑，此時土壤的最大等效應力值為4.949×106Pa，如圖7（e）所示；t=0.04s時，刀具繼續向前切削，被破壞失效的土粒不斷增加，并向開溝刀上前方飛灑，此時土壤的最大等效應力值為3.460×106Pa，如圖7（f）所示。整個仿真過程中，與土壤接觸的刀面切削刃處的最大等效應力最大，原因在于切削時此處與土壤接觸擠壓，應力較為集中。

4.2 切削阻力分析

開溝刀切削土壤過程阻力變化曲線圖8所示。

由圖8可知，切削初期，切削阻力隨時間內從0急劇增大，隨后土壤結構被破壞，切削阻力趨于穩定。t=0時，開溝刀未與土壤接觸，切削阻力為0N。0～0.008s時，開溝刀接觸并逐步切入土壤，土壤發生擠壓形變而內部結構未受破壞，切削阻力逐漸增加；0.008s～0.04s時，隨著切削進行，土壤內部結構被破壞失效，進入穩定切削階段，切削阻力在400N左右窄幅波動。

4.3 切土能耗分析

開溝刀切削土壤過程中的總能量主要包括其自身運動的動能和切削土壤產生的內能［8］。開溝刀切削土壤過程中的能量變化曲線如圖9所示。

在0～0.008s內，開溝刀速度從0達到設定開溝速度，動能急劇增加，此時內能隨著開溝刀與土壤接觸面積的逐漸增加而增大，總能量也隨著增大。0.008s后，進入穩定切削階段，開溝刀以設定開溝速度向前切削土壤，動能基本保持不變，總能量隨內能的增加而增加。

5 正交仿真試驗

切削阻力的大小是影響開溝效率的重要原因，開溝刀在切削土壤的過程中，切削阻力的大小受到多種因素的影響。為了研究影響開溝刀切削阻力的因素，選取開溝刀切削土壤工作過程中的刀片厚度和刃傾角、刀片切削速度三個參數為試驗因素，以平均切削阻力的大小為指標，進行三因素三水平仿真試驗。試驗選取刀片厚度為6～10mm、刃傾角為30°～60°、刀片切削速度為2～4m/s，試驗因素水平見表2，仿真試驗結果與極差分析如表3所示，方差分析結果如表4所示，其中，A、B、C分別為各因素編碼值，Y為平均切削阻力。

由表3的試驗結果與極差分析可知，以平均切削阻力為指標時，三個因素的順序依次為C>A>B，最優參數組合為A1B2C1，即刀片厚度6mm，刃傾角45°，刀片切削速度2m/s時，開溝機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對平均切削阻力影響顯著，刃傾角對平均切削阻力影響不大，根據P值大小，三個因素對平均切削阻力影響順序為C>A>B，此結果與極差分析一致。根據極差分析與方差分析結果，可以得出三個因素對平均切削阻力影響順序為刀片切削速度>刀片厚度>刃傾角。對正交仿真試驗得到的切削阻力最小時的參數組合刀片厚度6mm，刃傾角45°，刀片切削速度2m/s進行仿真計算，得到平均切削阻力為216.3N。

為檢驗優化后的開溝刀靜力學特性是否滿足要求，運用ANSYS Workbench對其進行靜力學分析，得到的開溝刀應力變化云圖如圖10所示，位移變化云圖如圖11所示。

從圖10可以看出，整個開溝刀所受的應力較小，最大等效應力值為53.133MPa。本文設計的開溝刀的材料為65Mn，屈服強度為430MPa，而仿真分析求解得到的最大等效應力值遠小于開溝刀材料的屈服強度，因此開溝刀的強度滿足要求。根據圖11開溝刀的位移變化云圖可知，開溝刀切削土壤時，總的變形量很小，最大變形量約為0.02mm，刀具沒有發生明顯的彎曲變形和斷裂現象，開溝刀剛度滿足要求。

6 林地試驗

6.1 試驗條件

林地開溝試驗在湖南省某經濟林基地進行，該地土質為沙礫土，含水率為16%，土壤密度為2080kg/m3，土壤堅實度為1335kPa。選擇一塊較為平坦的地進行開溝試驗，試驗時刀片厚為6mm，刃傾角為45°，刀片切削速度為2m/s。試驗儀器有切削阻力測試系統、測試傳感器、測速儀、TJSD-750堅實度儀、環刀等。切削阻力測試系統可直接測試開溝刀開溝過程中x、y、z方向的切削阻力。

6.2 試驗內容與結果分析

本文以正交試驗得到的切削阻力最小時的參數組合進行林地開溝試驗，同時運用切削阻力測試系統及測試傳感器采集開溝過程中開溝刀平均切削阻力數據，提取6組試驗數據，如表5所示。

試驗得到平均切削阻力為232.6N，對比仿真結果誤差為7.1%，說明開溝刀的工作參數得到了較好的優化。

7 結論

1） 本文設計一種林地開溝刀結構，并對開溝刀具展開切削運動學分析，結合幾何運動學原理，可認為開溝刀切削土壤時開溝刀絕對速度大小等于其線速度大小。

2） 運用LS-DYNA建立了開溝刀-土壤切削有限元模型，并對切削土壤過程進行仿真分析。整個仿真過程中，開溝刀具有良好的切削穩定性，能夠將破壞的土層迅速帶離切削區，形成溝槽。開溝刀切削土壤過程中，與土壤接觸的刀面切削刃處的等效應力最大。穩定切削階段，開溝刀的動能基本保持不變，總能量隨內能的增加而增加。

3） 根據正交仿真試驗結果，得到平均切削阻力最小時的最優參數組合為刀片厚度6mm，刃傾角45°，刀片切削速度2m/s；各因素影響平均切削阻力的順序為刀片切削速度>刀片厚度>刃傾角。

4） 林地試驗開溝刀切削阻力平均值為232.6N，試驗值與仿真值誤差為7.1%。

參 考 文 獻

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基金項目：湖南省重點研發計劃資助項目（2018NK2065、2021NK2023）

第一作者：陳雨豐，男，1995年生，湖南婁底人，碩士研究生；研究方向為農林業機械。E-mail： 1756198976@qq.com

通訊作者：陳飛，男，1977年生，湖北天門人，碩士，副教授，碩導；研究方向為農林機械裝備。E-mail： chenfei0731@163.com