张艳静，詹 华，马小斌，王亦奇，汪瑞军
（中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083）
在耕作过程中，农机入土部件对土壤进行加工整理，使土壤破碎、翻转或移动[1]。入土部件常在露天环境下作业，与砂石和植物根茎等发生碰撞，会导致其产生严重的磨损[2]。为了提高入土部件的耐磨性，国内外学者在热处理、表面增材制造和结构优化等方面进行了大量的研究[3-5]。
在投入市场批量生产之前，需要对入土部件进行耐磨性评价，评价方法主要包括田间试验、磨粒磨损试验、台架试验和土槽试验等[6-9]。田间试验能够实现不同入土部件磨损性能试验。蒲岩岩[10]将氧乙炔火焰喷焊的耐磨犁与65Mn 普通犁进行了田间对比试验，发现喷焊犁比普通犁的耐磨性提高了2.89 倍。ER U 等[7]为探究渗硼、渗碳和未处理犁铧的磨损性能，在两块不同的农田进行磨损性能试验，试验结果发现渗硼的犁铧耐磨性更好。但是田间试验易受到外界因素的影响，并且能进行试验的时间有限、重复性差。
近些年，研制出了一系列实验室内磨损性能试验机，试验机占地面积小，参数易控制，试验速度快，能够达到缩短试验周期的目的[11]。王宏立等[8]针对农机具耐磨材料的开发，研制了一台农机材料摩擦磨损试验机，仿形装置能使试样装夹装置和压实装置在遇到硬质土块时自动抬起，通过后依靠弹簧回弹自动落下，达到保护试样和零件的目的。NAPIORKOWSKI J等[12]在研制的“旋转碗”试验台上，使用30 mm×25 mm×10 mm 规格的试样探究了氮化物增强碳化硅、农机耕作部件常用耐磨钢、硼钢3 种不同材料在土壤环境中的磨损性能，结果表明氮化物增强碳化硅耐磨性最优。BEDOLLA P O 等[13]研制了一台磨损试验设备，将固定形状的试样安装在沙箱的托架上，在电机和齿条带动下做旋转和移动的复合运动，模拟沙质潮湿土壤环境下入土部件材料的磨损情况。王建萧等[14]针对马铃薯等根茎收获机械的挖掘铲设计一种小型土槽试验台，通过对挖掘铲进行试验，对挖掘结构和材料进行了优化与改进。孙新城等[15]设计了旋转式土槽试验台，针对速度控制和调节问题，建立了模糊控制下旋转式土槽试验台的数学模型仿真和控制系统优化，提高了农机具部件试验的精度。但是上述试验机只能对固定尺寸的试样或单一入土部件进行磨损性能试验，试验机利用率低。
本研究设计了一台双电机驱动的农机入土部件磨损性能试验机，可以实现旋耕刀、圆盘耙及犁铧3 种不同入土部件的磨损性能试验，并使得不同方法优化后的入土部件同时进行试验，以下分别对试验机的工作原理、关键部件设计、静力学校核和测控系统进行详细介绍。
1.1 整体结构
农机入土部件磨损性能试验机由圆盘耙/旋耕刀磨损试验系统、犁铧磨损试验系统、测控系统、振实台和安全装置等组成，如图1 所示。以振实台为底座，沙箱架固定在振实台平台上，沙箱架为分体结构，左侧为圆盘耙/旋耕刀试验部分，右侧为犁铧试验部分。圆盘耙/旋耕刀的传动系统位于沙箱左侧，犁铧试验的传动系统安装在振实台的下端。
图1 试验机结构示意Fig.1 Schematic diagram of tester
1.2 工作原理
试验机可实现犁铧磨损试验、旋耕刀磨损试验和圆盘耙磨损试验。试验前根据试验耕深，在沙箱中添加适量沙石，将试验对象安装至指定位置，关闭保护装置，防止试验过程中沙石飞溅。
犁铧磨损试验原理：试样安装完成后，测控系统通过PLC 控制电动机转动，电机输出轴将动力传至行星减速器，通过联轴器与中心固定转轴连接，从而带动固定在中心固定转轴上的旋转十字架转动。犁铧和覆土压实轮十字交错安装在旋转十字架上，旋转十字架外圈通过4 个圆周向分布的单边轨道车轮架在环形导轨上。旋转十字架带动犁铧在沙石中进行磨损试验，覆土压紧轮能够准确地将翻起的沙石抚平、压实，沙箱下端的振实台将松散的沙石振实恢复坚实度。犁铧在沙箱中绕中心固定转轴做圆周运动，到达试验设定时间，数据采集系统将信号传至控制器，停止试验，取出犁铧，完成犁铧磨损试验。
圆盘耙/旋耕刀磨损试验系统使用一套传动系统，通过与圆盘耙/旋耕刀的转轴相连接，实现两种不同的入土部件能够切换进行试验。当旋耕刀或圆盘耙进行试验时，应将SWC 型十字轴万向联轴器与试验对象的转轴连接。试验前应按照试样安装完成后，测控系统通过PLC 控制电动机转动，电机通过联轴器将动力传至减速器，在减速器和十字轴万向联轴器之间安装扭矩传感器用于测定试验过程中所产生的扭矩，十字万向轴带动旋耕刀/圆盘耙转轴转动，从而带动旋耕刀/圆盘耙转动，实现旋耕刀/圆盘耙与沙箱中的砂石相互作用。当到达设定时间，停机，完成磨损试验。
试验系统整体安装在振实台上，振实台振动使得沙箱中的试验沙石能够及时恢复其坚实度，并且振实台产生的振动能够模拟入土部件在田间工作时由拖拉机振动导致的微动磨损。
2.1 圆盘耙/旋耕刀磨损试验系统
2.1.1 系统组成
圆盘耙/旋耕刀磨损试验系统由变频调速三相异步电动机、单型膜片联轴器、硬齿面圆柱齿轮减速机、锁紧盘式单型膜片联轴器、扭矩传感器、SWC 型十字轴万向联轴器、旋耕刀转轴、旋耕刀试样、圆盘耙转轴和圆盘耙试样组成，如图2 所示。
图2 圆盘耙/旋耕刀磨损系统三维结构Fig.2 3D structure of disc rake/rotary tiller wear system
2.1.2 圆盘耙磨损试验系统结构
圆盘耙工作过程中，在牵引力作用下，圆盘耙滚动前进，由于圆盘的刃口与机器前进方向有一偏角，耙片的运动轨迹是纯滚动和平移的复合运动。试验机在设计耙片的运动时，考虑到试验机尺寸和试验效率，将圆盘耙的运动转被动为主动，使得转轴带动圆盘耙与试验沙石进行相互作用。圆盘耙的转轴参照JB/T 6 279−2007《圆盘耙》选用32 mm×32 mm 的方轴，安装两片圆盘耙试样，间距为20 cm，能够使得不同优化参数的圆盘耙同时试验，减少试验误差[16]。
2.1.3 旋耕刀磨损试验系统结构
试验中，旋耕刀片一方面由拖拉机驱动做回转运动，另一方面随机器前进做匀速直线运动。试验机旋耕刀试验结构设计时，简化运动方式，保留转轴驱动旋耕刀做回转运动，实现旋耕刀与试验沙石相互作用。旋耕刀的排列方式采用交错方式，在同一个平面上各安装两把弯刀，刀轴两端的刀片全向里弯，使土块不抛向两侧，耕后土地平整，避免试验过程中产生沟槽难以恢复。旋耕刀设计依据GB/T 5669−2017《旋耕机械 刀和刀座》，旋耕刀转轴直径选用76 mm，设置有16 个刀座，能够实现热处理、增材制造、结构优化等多种旋耕刀同时进行对比试验[17]。
2.1.4 传动系统选型及特点
旋耕刀田间工作参数为刀轴转速200～300 r/min，旋耕刀所承载的最大转矩85 N·m，为达到加速试验目的，试验机转速设定为100～500 r/min 可变转速。由于圆盘耙的转速和阻力均低于旋耕刀，因此，电机选型依据旋耕刀的试验参数。
旋耕刀磨损试验系统所需输入功率 P′w为
式中 Tw−圆盘耙/旋耕刀试验系统的最大转矩，N·m
nw−圆盘耙/旋耕刀试验系统的最大转速，r/min
η −试验系统的效率
电机至工作机的总效率ηΣ1为
式中 η1−圆盘耙/旋耕刀试验系统减速器效率
η2−圆盘耙/旋耕刀试验系统联轴器效率
η3−万向联轴器效率
所需电动机的功率 Pd为
所选电机额定功率 Ped为
根据所需电机功率选择功率为5.5 kW 的电动机，转速为1 465 r/min，可实现无级调速，采用耐高频脉冲电压冲击的绝缘材料和工艺，具有调速范围宽，独立风机强制通风冷却等特点。减速器选用标准ZDY 硬齿面圆柱齿轮减速机，具有传动效率高、运转平稳、易于装拆等特点。该传动系统共需安装3 个联轴器，在电机和减速器之间选用单型膜片联轴器，减速器与扭矩传感器之间选用锁紧盘式单型膜片联轴器，锁紧盘式联轴器相对于普通的膜片联轴器来说，增加了胀套装置，使用寿命长、强度高、方便拆卸，可以安全地传递扭矩，可重复使用。扭矩传感器与十字转轴万向轴器之间通过单型膜片联轴器与传动轴进行连接。配套安装扭矩传感器实时检测圆盘耙/旋耕刀的扭矩参数，该传感器不需要反复调零可连续测量正反扭矩，既可以测量动态扭矩，也可以测量旋转扭矩。传动系统选型及主要参数如表1 所示。
表1 传动系统选型及主要参数Tab.1 Transmission system selection and main parameters
2.2 犁铧磨损试验系统
2.2.1 系统组成
犁铧磨损试验系统由变频调速三相异步电动机、行星齿轮减速机、锁紧盘式单型膜片联轴器、中心固定转轴、转轴保护装置、中心转轴、旋转十字架、环形导轨、覆土压紧轮和犁铧组成。传动部件从电机开始，经过行星减速机换向，传输到犁铧中心固定转轴上，其中行星减速机固定在支架上，支架固定在振实台下方，以此来传递动力。犁铧转动十字架由固定转轴支撑，犁铧和覆土压紧轮十字对称交错安装在旋转十字架上，如图3 所示。
图3 旋转十字架结构Fig.3 Structure of rotating cross
2.2.2 犁铧试验结构
犁铧在田间工作时，相当于一个偏斜放置的两面楔，楔刃与前进方向夹角，形成三面楔（三面楔原理如图4 所示），实现起土、侧向推土和翻土的功能[18]。从工作过程来看，α 为载荷角（α 取值范围为20°～30°），γ 为切土角（γ 取值范围为0°～45°），θ 为犁铧安装角（θ 取值范围为35°～45°）。参照三面楔原理设计了犁铧的安装结构，其中载荷角α=21.4°，切土角γ=25°，犁 铧 安 装 角θ=40°。依 据GB/T 14225−2008《铧式犁》，选用犁铧为梯形犁铧，耕幅为253 mm，因此覆土压紧轮的宽度应为300 mm[19]。
图4 三面楔原理示意Fig.4 Schematic diagram of a three-sided wedge
2.2.3 传动系统选择
犁铧在田间实际工作时的前进速度为0.7～4.0 km/h，阻力最大值为3.5 kN，为达到加速试验目的，试验机犁铧运动线速度设定0～14 km/h 可变转速。犁铧磨损试验系统所需输入功率 P′
w 为
式中 Fw−犁铧试验系统阻力，N
vw−犁铧试验系统最大线速度，m/s
电机至工作机总效率 ηΣ2为
式中 η4−犁铧试验系统减速器效率
η5−犁铧试验系统联轴器效率
所需电动机功率 Pd为
所选电机额定功率 Ped为
根据所需电机功率选择功率为15 kW 的电动机，转速为1 456 r/min。选用斜齿行星减速机，能实现90°换向功能，具有传动效率高、机器运转平稳、寿命长、噪声低等特点，减速机输入端直接与电机相连，输出端通过膜片联轴器与犁铧中心固定转轴相连。
2.3 振实系统
振实系统包括振实器、沙箱框架、磨料沙石。依据铸造振实原理，使用振实台将试验过程中松散的沙石恢复坚实。振实器选择ZP-12-I 型号，依据主体试验单元的总体尺寸选择3 000 mm×2 000 mm 的振实台，12 个激振点，激振力为80 kN，功率为7.5 kW，振动频率为20～80 Hz。沙箱框架设计为分体结构，左侧为旋耕刀和圆盘耙试验部分，右侧为犁铧试验部分。沙箱的正前方安装有泄沙门，左右开合，方便泄沙。试验沙石采用专业磨料，硬度高，能够起到加速磨损的作用，除此之外，还可根据试验所需加入鹅卵石、作物根茎等，进行多因素耦合环境的磨损试验。
2.4 安全装置
在试验过程中，为防止沙石飞溅，或旋耕刀安装不牢固等因素造成人员伤亡，在沙箱顶端使用合页安装的保护装置。在各部分的传动系统中，安装有锁紧盘式联轴器，具有过载保护功能，超过扭矩时及时切断，防止机器失效。在犁铧磨损试验机中，中心固定转轴的中间部分埋在试验沙石中，通过螺钉固定在犁铧沙箱底部，为防止沙石干扰转动、与沙石接触造成磨损，在中心固定转轴中间部分设计了保护装置。安全装置的设计不仅能够保证试验过程中试验人员安全问题，也能延长试验机的使用寿命。
在试验机运行过程中，旋耕刀转轴和圆盘耙转轴按照其设计标准选择，本研究不再进行静力学校核。在犁铧磨损试验系统中旋转十字架带动犁铧和覆土压实轮绕中心轴转动，不仅起到传递动力的作用，也承担了较大的工作载荷。为避免在使用过程中旋转十字架出现变形、损坏等问题，导致犁铧磨损试验系统出现故障，影响试验进度。采用ANSYS Workbench 对旋转十字架进行静力学分析，校核最大变形量和等效应力以满足工作需求。
3.1 旋转十字架静力学模型建立
建立旋转十字架的三维实体模型是利用有限元分析的基础，在inventor 软件中建立旋转十字架的三维实体模型，并将模型保存为.step 格式，导入ANSYS workbench 中进行有限元结构分析。旋转十字架材料为Q235，材料属性参数如表2 所示。
表2 旋转十字架材料属性Tab.2 Rotating cross structure material property sheet
使用ANSYS Workbench 自动模式进行网格划分，网格类型为四面体，整体网格尺寸为10 mm，最终网格划分后节点总数为100 063，单元总数为43 693，如图5 所示。
图5 旋转十字架网格划分Fig.5 Rotating cross grid division
考虑到旋转十字架通过螺栓与中心旋转轴固定连接，在旋转十字架的底座添加固定约束。在旋转十字架转动过程中，与犁铧安装架和覆土压紧轮连接的位置，为主要受力位置。在Workbench 中将作用力添加到圆孔和方孔处进行运算，方孔处连接覆土压紧轮旋转过程中收到向上的支持力约为3 000 N（滚动摩擦力忽略不计），圆孔处连接犁铧试样与试验磨料相互作用，受到水平分力约为8 500 N，垂直分力约为3 500 N[20]。旋转十字架为轴对称模型，为了缩短计算时间，简化模型，仅对一对受力进行分析。
3.2 旋转十字架静力学分析结果
完成模型分析计算后利用后处理模块对分析结果进行提取。考虑到主要分析静力学结构，因此只提取旋转十字架的总体变形量和等效应力的分布云图，结果如图6 所示。
图6 静力学结构分析结果Fig.6 Results of static structural analysis
由图6 可知，旋转十字架在工作过程中的受力图可理解为悬臂梁结构，其变形最大处为犁铧试样安装处靠近边缘的位置，总变形量为0.19 mm。所受等效应力最大处为靠近旋转十字架底座附近，最大应力为35.98 MPa。根据式（7）计算结构安全系数。
式中n−安全系数
σb−材料屈服强度，MPa
σmax−实际承受最大应力，MPa
经计算得到旋转十字架的安全系数值为6.5，超过工程实践中保障机械结构运行可靠性的安全系数1.5。仿真结果发现，该旋转十字轴在实际工作过程中所承受的变形和应力较小，能够保障在实际试验过程中正常工作。
试验机测控系统主要包括传感器模块、数据采集系统和计算机等单元，其测控系统如图7 所示。传感器模块主要测试内容包含转速、扭矩和转动圈数3 个信号的数据采集。计算机采用Advantech IPC-610 L 系列工控机，4U 高14 槽背板架装工业机箱，支持水平安装和竖直放置，配置6 个USB 插槽和7 个扩展插槽，满足数据传输和扩展需求。试验软件采用Dyna Test Expert，能够在Win10 系统上运行，可以方便地进行试验对象和试验参数的设定、试验结果图表储存和输出、试验机故障报警等。该软件能够进行基本试验，也支持用户进行自定义设定试验模式。
图7 测控系统总体设计Fig.7 Overall design of measurement and control system
在计算机操作界面进行参数设定，由数据采集系统控制伺服电机驱动试验对象进行试验，传感器所采集的速度、扭矩和次数等信息转换为电信号，再由多串卡口将数据传输计算机主机中，最后在配置的Dyna Test Expert 动态试验软件上以数据表和存储转速、扭矩、总行程等测试数据，试验数据可导入Excel 或记事本中，再通过U 盘或光盘进行读取。
设计了一台农机入土部件磨损性能试验机，主要包括圆盘耙/旋耕刀磨损试验系统、犁铧磨损试验系统、测控系统、振实台和安全装置。该试验机可以实现旋耕刀、圆盘耙和犁铧3 种不同的入土部件进行磨损性能试验，并且每个试验系统可安装多个部件，使得不同材质的部件同时试验。应用ANSYS Workbench 软件对试验机的关键部件旋转十字架进行静力学校核，其总变形量和最大应力均满足要求，安全系数为6.5，满足机械工程中的基本要求。对该试验机的测控系统的整体结构进行设计，可实时检测转速、扭矩和转动圈数等参数的变化，实现检测数据储存和输出。
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