針對涂層提高旋耕刀耐磨性但會增加作業(yè)功耗的問題，該研究通過仿真與試驗(yàn)探究了不同厚度涂層對旋耕刀功耗的影響規(guī)律，并優(yōu)選了涂層厚度。通過仿真模擬旋耕刀作業(yè)過程，得到旋耕刀易磨損位置和涂層厚度對旋耕刀功耗的影響規(guī)律。采用等離子堆焊技術(shù)制備1、1.5和2 mm 3種厚度耐磨涂層，并進(jìn)行田間功耗測試。田間試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨旋耕刀涂層厚度由0增至1、1.5、2 mm，平均功耗分別增加了12.4%、17.3%和26.8%，旋耕刀功耗隨涂層厚度變化趨勢與仿真試驗(yàn)一致，誤差范圍在0.17%~6.77%之間，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，并根據(jù)旋耕作業(yè)仿真過程分析了涂層導(dǎo)致旋耕刀功耗增長的原因。基于成本分析與涂層耐磨性及其對功耗的影響，確定旋耕刀涂層強(qiáng)化最優(yōu)厚度為1.25 mm。該研究得到了涂層對旋耕刀功耗影響機(jī)制，提出了綜合成本、功耗與耐磨性選擇涂層厚度的方法，可為旋耕刀涂層強(qiáng)化工藝厚度選擇提供理論基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;旋耕刀;涂層強(qiáng)化;涂層厚度;三向阻力;功耗

　　論文《表面涂層厚度對旋耕刀功耗的影響及優(yōu)化》發(fā)表在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》，版權(quán)歸《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》所有。本文來自網(wǎng)絡(luò)平臺，僅供參考。

　　一、引言

　　旋耕刀作為旋耕作業(yè)關(guān)鍵部件，通常受到土壤與砂石磨損。為提高旋耕刀耐磨性，延長使用壽命，多采用表面技術(shù)在旋耕刀表面制備耐磨涂層。目前常用涂層類型主要包括鐵基、鎳基、鈷基三類[1]。與鎳基和鈷基合金相比，鐵基合金的材料成分、物理性能與鋼材最接近，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度更高，開裂傾向更小，且成本較低[2-3]，因此是農(nóng)機(jī)觸土部件表面耐磨強(qiáng)化使用最為廣泛的涂層材料。

　　等離子堆焊作為一種常用的表面強(qiáng)化技術(shù)，能有效提高觸土部件耐磨性能。翟艷坤[4]采用等離子熔覆技術(shù)制備的Fe/Ni-WC梯度涂層旋耕刀，相比65Mn旋耕刀，田間磨損試驗(yàn)中耐磨性能提高了3.25倍。此外，等離子堆焊涂層與基體結(jié)合性良好，具有節(jié)能、高效和質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)[5]。盡管表面涂層能有效提高旋耕刀耐磨性能，但也會改變旋耕刀整體質(zhì)量，影響切土阻力與刀輥轉(zhuǎn)動扭矩，增加作業(yè)功耗。

　　現(xiàn)階段耕作過程阻力與功耗研究方法主要有理論分析法、數(shù)值模擬法和試驗(yàn)法三類。理論分析法通過數(shù)學(xué)模型和理論公式計算耕作部件的阻力與功耗，但土壤中耕作環(huán)境復(fù)雜，受力因素繁多，實(shí)際應(yīng)用存在較大局限性[6-7]。數(shù)值模擬法借助計算機(jī)模擬耕作部件運(yùn)動過程計算阻力和功耗，主要包括有限元法和離散元法，其中離散元法在耕作部件作業(yè)仿真模擬中具有明顯優(yōu)勢，但僅靠數(shù)值模擬難以精確反映真實(shí)土壤環(huán)境下的運(yùn)動過程，需結(jié)合試驗(yàn)法驗(yàn)證[8-17]。

　　目前旋耕刀功耗的研究局限于旋耕刀本身結(jié)構(gòu)或作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化，未就涂層強(qiáng)化對旋耕刀功耗的影響進(jìn)行研究。而涂層強(qiáng)化作為提高旋耕刀耐磨性能的重要手段，已成為普遍選擇。因此，合理選擇旋耕刀耐磨涂層厚度尤為重要。本文通過等離子堆焊在旋耕刀易磨損部位制備不同厚度的耐磨涂層，結(jié)合田間試驗(yàn)與離散元仿真模擬，分析涂層厚度對旋耕刀功耗影響，探究影響機(jī)制，為表面涂層厚度優(yōu)選提供科學(xué)方法。

　　基金項目：中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司青年科技基金項目(QNJJ-ZD-202219);華中農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀人才培育項目(2662020GXPY002);毛明院士青年科學(xué)家開放基金(XS-JSFW-QNKXJ-202404-007);中國機(jī)械總院集團(tuán)寧波智能機(jī)床研究院有限公司重點(diǎn)項目(2023S031);國家自然科學(xué)基金項目(11905082)

　　收稿日期：2024-07-15

　　修訂日期：2025-03-01

　　作者簡介：夏進(jìn)啟，研究方向?yàn)樾赌湍バ阅芗肮摹mail：1517270977@qq.com

　　※通信作者：萬強(qiáng)，副教授，研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻婀こ獭mail：wanqiang0915@mail.hzau.edu.cn

　　二、仿真模型建立與試驗(yàn)方法

　　2.1 旋耕模型建立及參數(shù)標(biāo)定

　　旋耕機(jī)主要由旋耕刀及刀輥組成，為模擬旋耕作業(yè)過程，利用SOLIDWORKS建立IT245型旋耕刀及刀輥裝配三維模型，由EDEM軟件建立尺寸為2000 mm×1400 mm×400 mm的土槽模型，生成半徑10 mm的球形顆粒1.5×10?個。旋耕模型的旋轉(zhuǎn)中心距土壤表面250 mm，生成Bond粘結(jié)鍵數(shù)量為249268個。

　　土壤顆粒的微觀參數(shù)是影響EDEM離散元仿真模型準(zhǔn)確性和計算效率的主要因素。試驗(yàn)田土壤取樣測定結(jié)果顯示，土壤屬砂質(zhì)壤土，固體密度為1.95 g/cm³，0~140 mm深度范圍內(nèi)土壤平均含水率為21.05%，不同深度土壤堅實(shí)度存在差異，土壤內(nèi)摩擦角為41°，泊松比為0.26，彈性模量為2.580 MPa，剪切模量為1.024 MPa。

　　選用Hertz-Mindlin with Bonding(HM-B)模型作為土壤顆粒接觸模型，該模型能夠模擬旋耕作業(yè)后緊實(shí)土壤轉(zhuǎn)為松散的過程，貼合實(shí)際田間作業(yè)情況。采用反演分析法標(biāo)定土壤顆粒接觸參數(shù)，最終標(biāo)定結(jié)果涵蓋土壤-土壤、土壤-65Mn的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)，以及法向接觸剛度、切向接觸剛度、法向臨界應(yīng)力、切向臨界應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)。

　　仿真模型運(yùn)行參數(shù)設(shè)定與旋耕機(jī)實(shí)際作業(yè)情況一致：旋耕系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心距土壤表面250 mm，8~8.1 s為Bond粘結(jié)鍵生成時間，8.1~9.1 s為旋耕系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)下落時間，9.1~12.1 s為旋耕系統(tǒng)水平前進(jìn)時間，旋耕刀輥前進(jìn)速度為0.5 m/s，垂直下落速度為150 mm/s，耕深為150 mm，旋耕轉(zhuǎn)速為450 r/min。輸出旋耕刀作業(yè)過程累積接觸能量得到旋耕刀易磨損位置;取穩(wěn)定作業(yè)階段的扭矩為輸出結(jié)果，便于比較不同厚度涂層旋耕刀的扭矩及功耗大小。

　　2.2 旋耕刀作業(yè)仿真結(jié)果分析

　　EDEM中Relative Wear(相對磨損模型)可得到旋耕刀切土過程中切向和法向的累積接觸能量，反映土壤顆粒沖擊下旋耕刀的嚴(yán)重磨損部位。仿真結(jié)果顯示，旋耕刀表面的磨損主要集中在正切刃部分以及折彎部分，與實(shí)際耕作中旋耕刀易磨損情況一致，后續(xù)在該部位制備耐磨涂層以增強(qiáng)耐磨性。

　　對無涂層旋耕刀和不同厚度涂層強(qiáng)化旋耕刀的仿真穩(wěn)定階段扭矩結(jié)果進(jìn)行對比分析，無涂層旋耕刀扭矩平均值為281.49 N·m，1、1.5和2 mm厚度涂層旋耕刀扭矩平均值為303.32、318.35、331.87 N·m，較無涂層刀分別增加了7.69%、13.03%和17.86%。由公式(P=frac{T cdot n}{9549})(其中P為旋耕刀消耗功率，kW;T為旋耕刀扭矩，N·m;n為旋耕刀轉(zhuǎn)速，r/min)計算得，無涂層旋耕刀功耗平均值為13.27 kW，1、1.5和2 mm厚度涂層旋耕刀的功率為14.29、15.00、15.64 kW。結(jié)果表明，耐磨涂層會導(dǎo)致旋耕刀作業(yè)功耗增長，且隨涂層厚度增加，作業(yè)過程中所受扭矩及產(chǎn)生的功耗也隨之增大。

　　三、田間功耗測試及影響機(jī)制分析

　　3.1 試驗(yàn)材料與方法

　　在旋耕刀易磨損位置制備鐵基耐磨涂層(2%C、0.9%Si、0.7%Mn、5%Cr、6%V、0.74%Mo、0.4%Ni、84.26%Fe)，涂層與基體截面2000倍金相顯示，其表面碳化物形成網(wǎng)狀共晶組織，成分主要為(M_7C_3)、(Fe_3C)和VC，平均表面硬度可達(dá)11.34 GPa，相比65Mn提高了約2.5倍;滑動干摩擦條件下，平均摩擦系數(shù)約為0.49，相比65Mn降低了42.1%;納米壓痕測試得到彈性模量E達(dá)到239.5 GPa，抗形變能力良好，表明涂層具有較好的耐磨應(yīng)用潛力。

　　旋耕刀田間功耗測試采用薩丁SD804拖拉機(jī)作為動力牽引，利用中航扭矩傳感器CKY-810(量程0~3000 N·m，精度0.5%)測量旋耕作業(yè)過程中的扭矩及功率數(shù)據(jù)，無線動態(tài)數(shù)據(jù)采集器采集傳感器信號，NJYC農(nóng)機(jī)動態(tài)遙測儀程序記錄各項參數(shù)。試驗(yàn)用旋耕刀為IT245型65Mn旋耕刀，準(zhǔn)備無涂層以及涂層厚度為1、1.5和2 mm旋耕刀各24把，共計96把。將未做涂層強(qiáng)化刀片作為對照組，三種不同厚度涂層強(qiáng)化旋耕刀片作為試驗(yàn)組進(jìn)行田間作業(yè)測試，每種旋耕刀進(jìn)行4次試驗(yàn)，去除波動異常值后輸出所測扭矩。

　　3.2 田間功耗測試結(jié)果

　　田間功耗測試發(fā)現(xiàn)，無涂層旋耕刀扭矩平均值為275.17 N·m，1、1.5和2 mm厚度涂層旋耕刀的扭矩分別為307.39、318.88、355.98 N·m，較無涂層刀增加了11.7%、15.9%和29.4%;計算得無涂層旋耕刀功耗平均值為12.91 kW，1、1.5和2 mm厚度涂層旋耕刀的功耗分別為14.51、15.15和16.37 kW，較無涂層刀增加了12.4%、17.3%和26.8%。結(jié)果表明，田間功耗試驗(yàn)與仿真模擬中扭矩和功耗增長規(guī)律一致。

　　仿真結(jié)果相比田間試驗(yàn)最大誤差為6.77%，誤差原因在于耕作仿真環(huán)境較理想，而實(shí)際作業(yè)土壤中存在石塊，土壤顆粒大小形狀與仿真有一定區(qū)別，且仿真未考慮牽引功率和摩擦功率消耗。整體誤差范圍在0.17%~6.77%之間，表明旋耕仿真模型及作業(yè)功耗結(jié)果能夠滿足后續(xù)涂層對旋耕刀功耗影響機(jī)理分析需求。

　　3.3 涂層厚度對旋耕刀功耗影響機(jī)理分析

　　3.3.1 旋耕功耗組成分析

　　旋耕機(jī)功率消耗主要包括旋耕刀片切土、拋土、旋耕機(jī)牽引和摩擦等，可用公式(P=P_q+P_p+P_t+P_f)表示(其中(P_q)為切土功耗，kW;(P_p)為拋土功耗，kW;(P_t)為牽引功耗，kW;(P_f)為摩擦功耗，kW)。切土、拋土功率消耗是旋耕機(jī)功率消耗的主要部分，占總功率消耗的70%~80%。采用離散元仿真方法，將切土與拋土功耗作為旋耕作業(yè)功耗，解析作業(yè)過程三向力，探究功耗變化原因。

　　3.3.2 三向阻力分析

　　旋耕刀作業(yè)過程中受到水平阻力(F_x)、橫向阻力(F_y)和垂直阻力(F_z)。水平阻力(F_x)是旋耕機(jī)前進(jìn)方向上牽引阻力的主要來源，與牽引功率、切土功率和拋土功率有關(guān);橫向阻力(F_y)來自旋耕刀入土?xí)r側(cè)面土壤擠壓，影響旋耕刀所受摩擦力大小，與磨損和摩擦功率有關(guān);垂直阻力(F_z)主要由旋耕刀垂直方向上的切土、拋土阻力構(gòu)成，與切土功率和拋土功率有關(guān)。

　　仿真分析旋耕刀穩(wěn)定作業(yè)階段三向阻力及合力數(shù)據(jù)顯示，水平阻力(F_x)數(shù)值穩(wěn)定，隨涂層厚度增加未呈現(xiàn)明顯變化;橫向阻力(F_y)變化很小，總體增長比例較小，說明涂層厚度在一定范圍內(nèi)對橫向阻力影響不明顯;垂直阻力(F_z)受涂層厚度變化影響最大，隨涂層厚度從0增加至1、1.5、2 mm，垂直阻力分別增大了10.79%、16.61%和23.33%。

　　3.3.3 功耗影響機(jī)制分析

　　旋耕刀涂層的存在及厚度增加導(dǎo)致扭矩及功耗增加，主要原因如下：

　　1. 旋耕刀刀刃厚度是影響垂直阻力的主要因素之一，涂層使刀刃部分變厚，切土?xí)r與土壤接觸面積增大。在土壤破壞強(qiáng)度基本不變的情況下，接觸面積增加會使土壤對旋耕刀的反作用力增加，且涂層添加改變了刀刃鋒利度，導(dǎo)致切土阻力增加;同時，較厚涂層使旋耕刀破土?xí)r形成更大的應(yīng)力集中區(qū)域，使土壤破壞更徹底，切土反作用力增加。

　　2. 涂層提高旋耕刀耐磨性能的同時增加了整體質(zhì)量，導(dǎo)致重心向刀刃部分偏移，涂層越厚質(zhì)量越大，作業(yè)時所需克服的慣性力越大，阻力及功耗增加。

　　3. 涂層改變了旋耕刀正切面形狀，刀刃部分的非連續(xù)凸起影響被破壞土壤的運(yùn)動軌跡，增加切土阻力;且涂層存在更易導(dǎo)致土壤堆積在刀體表面，使作業(yè)負(fù)載增大，功耗變大。

　　四、旋耕刀表面涂層厚度優(yōu)化

　　4.1 涂層旋耕刀功耗與耐磨分析

　　田間磨損試驗(yàn)結(jié)果顯示，涂層強(qiáng)化旋耕刀磨損量為3.9 g，相比無涂層旋耕刀磨損量(10.85 g)減少了64.1%，耐磨性能優(yōu)異。根據(jù)磨損結(jié)果計算可得，65Mn單位有效耕作面積磨損率(M_{65Mn}=65.1 g/hm²)，旋耕刀涂層單位有效耕作面積磨損率(M_c=23.4 g/hm²)。

　　65Mn旋耕刀磨損報廢損失質(zhì)量約為83 g，根據(jù)旋耕刀基體及涂層磨損率，可得不同涂層厚度旋耕刀總耕作面積隨涂層厚度成正比增加。結(jié)合功耗變化繪制涂層厚度0.75~1.50 mm對旋耕刀耕作面積與功耗的影響曲線，發(fā)現(xiàn)功耗在0.75~1.25 mm左右增長趨勢相對較小。

　　4.2 成本分析及優(yōu)化結(jié)果

　　成本分析對象為IT245型65Mn鋼旋耕刀，基體單把批發(fā)價格平均值取5.55元，成本來源包括原刀成本、合金粉末費(fèi)用、保護(hù)氣費(fèi)用、電費(fèi)等。以綜合成本系數(shù)反映旋耕刀耐磨性能與功耗及成本性價比(綜合成本系數(shù)越低，性價比越高)，綜合成本系數(shù)計算公式為(R=frac{omega_1}{omega_2} × R_C)，其中(R_C=frac{C_n}{C_0})((omega_1)為功耗增長率，(omega_2)為耕作面積增長率，(R_C)為相對成本，(C_n)為涂層旋耕刀制備成本，(C_0)為無涂層旋耕刀成本)。

　　計算結(jié)果顯示，1.25 mm涂層旋耕刀綜合評價系數(shù)最低;且1.25 mm涂層相比1 mm耕作面積增加約7%，而功耗僅增加0.6%。綜合旋耕刀成本、涂層耐磨性及功耗影響，確定最優(yōu)涂層厚度為1.25 mm，此時旋耕刀有效耕作面積較無涂層刀提高了約49%，功耗增加僅為12.3%，既可防止涂層厚度增加導(dǎo)致的材料浪費(fèi)，也能避免功耗增加過多。

　　五、結(jié)論

　　1. 標(biāo)定了離散元仿真所需參數(shù)，通過離散元法模擬旋耕作業(yè)過程，得到旋耕刀易磨損位置在正切刃及折彎部分;仿真分析顯示，1、1.5和2 mm涂層旋耕刀扭矩分別增加了7.69%、13.03%和17.86%，表明耐磨涂層會導(dǎo)致旋耕刀作業(yè)功耗增長，且隨涂層厚度增加，扭矩及功耗隨之增大。

　　2. 田間功耗測試與仿真結(jié)果趨勢一致，仿真與田間試驗(yàn)最大誤差6.77%，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。旋耕功耗主要來源于切土及拋土過程，實(shí)質(zhì)為三向阻力的變化，其中垂直阻力受涂層厚度變化影響最大。

　　3. 結(jié)合涂層耐磨性、成本及功耗影響規(guī)律，確定最優(yōu)涂層厚度為1.25 mm，對應(yīng)涂層旋耕刀有效耕作面積相比無涂層旋耕刀增加約49%，且功耗增長較少。

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