表面涂层厚度对旋耕刀功耗的影响及优化

　　针对涂层提高旋耕刀耐磨性但会增加作业功耗的问题，该研究通过仿真与试验探究了不同厚度涂层对旋耕刀功耗的影响规律，并优选了涂层厚度。通过仿真模拟旋耕刀作业过程，得到旋耕刀易磨损位置和涂层厚度对旋耕刀功耗的影响规律。采用等离子堆焊技术制备1、1.5和2 mm 3种厚度耐磨涂层，并进行田间功耗测试。田间试验结果发现，随旋耕刀涂层厚度由0增至1、1.5、2 mm，平均功耗分别增加了12.4%、17.3%和26.8%，旋耕刀功耗随涂层厚度变化趋势与仿真试验一致，误差范围在0.17%~6.77%之间，验证了仿真模型的准确性，并根据旋耕作业仿真过程分析了涂层导致旋耕刀功耗增长的原因。基于成本分析与涂层耐磨性及其对功耗的影响，确定旋耕刀涂层强化最优厚度为1.25 mm。该研究得到了涂层对旋耕刀功耗影响机制，提出了综合成本、功耗与耐磨性选择涂层厚度的方法，可为旋耕刀涂层强化工艺厚度选择提供理论基础。

　　关键词：农业机械;旋耕刀;涂层强化;涂层厚度;三向阻力;功耗

　　论文《表面涂层厚度对旋耕刀功耗的影响及优化》发表在《农业工程学报》，版权归《农业工程学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　一、引言

　　旋耕刀作为旋耕作业关键部件，通常受到土壤与砂石磨损。为提高旋耕刀耐磨性，延长使用寿命，多采用表面技术在旋耕刀表面制备耐磨涂层。目前常用涂层类型主要包括铁基、镍基、钴基三类[1]。与镍基和钴基合金相比，铁基合金的材料成分、物理性能与钢材最接近，涂层与基体结合强度更高，开裂倾向更小，且成本较低[2-3]，因此是农机触土部件表面耐磨强化使用最为广泛的涂层材料。

　　等离子堆焊作为一种常用的表面强化技术，能有效提高触土部件耐磨性能。翟艳坤[4]采用等离子熔覆技术制备的Fe/Ni-WC梯度涂层旋耕刀，相比65Mn旋耕刀，田间磨损试验中耐磨性能提高了3.25倍。此外，等离子堆焊涂层与基体结合性良好，具有节能、高效和质量稳定等特点[5]。尽管表面涂层能有效提高旋耕刀耐磨性能，但也会改变旋耕刀整体质量，影响切土阻力与刀辊转动扭矩，增加作业功耗。

　　现阶段耕作过程阻力与功耗研究方法主要有理论分析法、数值模拟法和试验法三类。理论分析法通过数学模型和理论公式计算耕作部件的阻力与功耗，但土壤中耕作环境复杂，受力因素繁多，实际应用存在较大局限性[6-7]。数值模拟法借助计算机模拟耕作部件运动过程计算阻力和功耗，主要包括有限元法和离散元法，其中离散元法在耕作部件作业仿真模拟中具有明显优势，但仅靠数值模拟难以精确反映真实土壤环境下的运动过程，需结合试验法验证[8-17]。

　　目前旋耕刀功耗的研究局限于旋耕刀本身结构或作业参数的优化，未就涂层强化对旋耕刀功耗的影响进行研究。而涂层强化作为提高旋耕刀耐磨性能的重要手段，已成为普遍选择。因此，合理选择旋耕刀耐磨涂层厚度尤为重要。本文通过等离子堆焊在旋耕刀易磨损部位制备不同厚度的耐磨涂层，结合田间试验与离散元仿真模拟，分析涂层厚度对旋耕刀功耗影响，探究影响机制，为表面涂层厚度优选提供科学方法。

　　基金项目：中国机械工业集团有限公司青年科技基金项目(QNJJ-ZD-202219);华中农业大学优秀人才培育项目(2662020GXPY002);毛明院士青年科学家开放基金(XS-JSFW-QNKXJ-202404-007);中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司重点项目(2023S031);国家自然科学基金项目(11905082)

　　收稿日期：2024-07-15

　　修订日期：2025-03-01

　　作者简介：夏进启，研究方向为旋耕刀耐磨性能及功耗。Email：1517270977@qq.com

　　※通信作者：万强，副教授，研究方向为金属材料表面工程。Email：wanqiang0915@mail.hzau.edu.cn

　　二、仿真模型建立与试验方法

　　2.1 旋耕模型建立及参数标定

　　旋耕机主要由旋耕刀及刀辊组成，为模拟旋耕作业过程，利用SOLIDWORKS建立IT245型旋耕刀及刀辊装配三维模型，由EDEM软件建立尺寸为2000 mm×1400 mm×400 mm的土槽模型，生成半径10 mm的球形颗粒1.5×10⁵个。旋耕模型的旋转中心距土壤表面250 mm，生成Bond粘结键数量为249268个。

　　土壤颗粒的微观参数是影响EDEM离散元仿真模型准确性和计算效率的主要因素。试验田土壤取样测定结果显示，土壤属砂质壤土，固体密度为1.95 g/cm³，0~140 mm深度范围内土壤平均含水率为21.05%，不同深度土壤坚实度存在差异，土壤内摩擦角为41°，泊松比为0.26，弹性模量为2.580 MPa，剪切模量为1.024 MPa。

　　选用Hertz-Mindlin with Bonding(HM-B)模型作为土壤颗粒接触模型，该模型能够模拟旋耕作业后紧实土壤转为松散的过程，贴合实际田间作业情况。采用反演分析法标定土壤颗粒接触参数，最终标定结果涵盖土壤-土壤、土壤-65Mn的恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数，以及法向接触刚度、切向接触刚度、法向临界应力、切向临界应力等关键参数。

　　仿真模型运行参数设定与旋耕机实际作业情况一致：旋耕系统旋转中心距土壤表面250 mm，8~8.1 s为Bond粘结键生成时间，8.1~9.1 s为旋耕系统旋转下落时间，9.1~12.1 s为旋耕系统水平前进时间，旋耕刀辊前进速度为0.5 m/s，垂直下落速度为150 mm/s，耕深为150 mm，旋耕转速为450 r/min。输出旋耕刀作业过程累积接触能量得到旋耕刀易磨损位置;取稳定作业阶段的扭矩为输出结果，便于比较不同厚度涂层旋耕刀的扭矩及功耗大小。

　　2.2 旋耕刀作业仿真结果分析

　　EDEM中Relative Wear(相对磨损模型)可得到旋耕刀切土过程中切向和法向的累积接触能量，反映土壤颗粒冲击下旋耕刀的严重磨损部位。仿真结果显示，旋耕刀表面的磨损主要集中在正切刃部分以及折弯部分，与实际耕作中旋耕刀易磨损情况一致，后续在该部位制备耐磨涂层以增强耐磨性。

　　对无涂层旋耕刀和不同厚度涂层强化旋耕刀的仿真稳定阶段扭矩结果进行对比分析，无涂层旋耕刀扭矩平均值为281.49 N·m，1、1.5和2 mm厚度涂层旋耕刀扭矩平均值为303.32、318.35、331.87 N·m，较无涂层刀分别增加了7.69%、13.03%和17.86%。由公式(P=frac{T cdot n}{9549})(其中P为旋耕刀消耗功率，kW;T为旋耕刀扭矩，N·m;n为旋耕刀转速，r/min)计算得，无涂层旋耕刀功耗平均值为13.27 kW，1、1.5和2 mm厚度涂层旋耕刀的功率为14.29、15.00、15.64 kW。结果表明，耐磨涂层会导致旋耕刀作业功耗增长，且随涂层厚度增加，作业过程中所受扭矩及产生的功耗也随之增大。

　　三、田间功耗测试及影响机制分析

　　3.1 试验材料与方法

　　在旋耕刀易磨损位置制备铁基耐磨涂层(2%C、0.9%Si、0.7%Mn、5%Cr、6%V、0.74%Mo、0.4%Ni、84.26%Fe)，涂层与基体截面2000倍金相显示，其表面碳化物形成网状共晶组织，成分主要为(M_7C_3)、(Fe_3C)和VC，平均表面硬度可达11.34 GPa，相比65Mn提高了约2.5倍;滑动干摩擦条件下，平均摩擦系数约为0.49，相比65Mn降低了42.1%;纳米压痕测试得到弹性模量E达到239.5 GPa，抗形变能力良好，表明涂层具有较好的耐磨应用潜力。

　　旋耕刀田间功耗测试采用萨丁SD804拖拉机作为动力牵引，利用中航扭矩传感器CKY-810(量程0~3000 N·m，精度0.5%)测量旋耕作业过程中的扭矩及功率数据，无线动态数据采集器采集传感器信号，NJYC农机动态遥测仪程序记录各项参数。试验用旋耕刀为IT245型65Mn旋耕刀，准备无涂层以及涂层厚度为1、1.5和2 mm旋耕刀各24把，共计96把。将未做涂层强化刀片作为对照组，三种不同厚度涂层强化旋耕刀片作为试验组进行田间作业测试，每种旋耕刀进行4次试验，去除波动异常值后输出所测扭矩。

　　3.2 田间功耗测试结果

　　田间功耗测试发现，无涂层旋耕刀扭矩平均值为275.17 N·m，1、1.5和2 mm厚度涂层旋耕刀的扭矩分别为307.39、318.88、355.98 N·m，较无涂层刀增加了11.7%、15.9%和29.4%;计算得无涂层旋耕刀功耗平均值为12.91 kW，1、1.5和2 mm厚度涂层旋耕刀的功耗分别为14.51、15.15和16.37 kW，较无涂层刀增加了12.4%、17.3%和26.8%。结果表明，田间功耗试验与仿真模拟中扭矩和功耗增长规律一致。

　　仿真结果相比田间试验最大误差为6.77%，误差原因在于耕作仿真环境较理想，而实际作业土壤中存在石块，土壤颗粒大小形状与仿真有一定区别，且仿真未考虑牵引功率和摩擦功率消耗。整体误差范围在0.17%~6.77%之间，表明旋耕仿真模型及作业功耗结果能够满足后续涂层对旋耕刀功耗影响机理分析需求。

　　3.3 涂层厚度对旋耕刀功耗影响机理分析

　　3.3.1 旋耕功耗组成分析

　　旋耕机功率消耗主要包括旋耕刀片切土、抛土、旋耕机牵引和摩擦等，可用公式(P=P_q+P_p+P_t+P_f)表示(其中(P_q)为切土功耗，kW;(P_p)为抛土功耗，kW;(P_t)为牵引功耗，kW;(P_f)为摩擦功耗，kW)。切土、抛土功率消耗是旋耕机功率消耗的主要部分，占总功率消耗的70%~80%。采用离散元仿真方法，将切土与抛土功耗作为旋耕作业功耗，解析作业过程三向力，探究功耗变化原因。

　　3.3.2 三向阻力分析

　　旋耕刀作业过程中受到水平阻力(F_x)、横向阻力(F_y)和垂直阻力(F_z)。水平阻力(F_x)是旋耕机前进方向上牵引阻力的主要来源，与牵引功率、切土功率和抛土功率有关;横向阻力(F_y)来自旋耕刀入土时侧面土壤挤压，影响旋耕刀所受摩擦力大小，与磨损和摩擦功率有关;垂直阻力(F_z)主要由旋耕刀垂直方向上的切土、抛土阻力构成，与切土功率和抛土功率有关。

　　仿真分析旋耕刀稳定作业阶段三向阻力及合力数据显示，水平阻力(F_x)数值稳定，随涂层厚度增加未呈现明显变化;横向阻力(F_y)变化很小，总体增长比例较小，说明涂层厚度在一定范围内对横向阻力影响不明显;垂直阻力(F_z)受涂层厚度变化影响最大，随涂层厚度从0增加至1、1.5、2 mm，垂直阻力分别增大了10.79%、16.61%和23.33%。

　　3.3.3 功耗影响机制分析

　　旋耕刀涂层的存在及厚度增加导致扭矩及功耗增加，主要原因如下：

　　1. 旋耕刀刀刃厚度是影响垂直阻力的主要因素之一，涂层使刀刃部分变厚，切土时与土壤接触面积增大。在土壤破坏强度基本不变的情况下，接触面积增加会使土壤对旋耕刀的反作用力增加，且涂层添加改变了刀刃锋利度，导致切土阻力增加;同时，较厚涂层使旋耕刀破土时形成更大的应力集中区域，使土壤破坏更彻底，切土反作用力增加。

　　2. 涂层提高旋耕刀耐磨性能的同时增加了整体质量，导致重心向刀刃部分偏移，涂层越厚质量越大，作业时所需克服的惯性力越大，阻力及功耗增加。

　　3. 涂层改变了旋耕刀正切面形状，刀刃部分的非连续凸起影响被破坏土壤的运动轨迹，增加切土阻力;且涂层存在更易导致土壤堆积在刀体表面，使作业负载增大，功耗变大。

　　四、旋耕刀表面涂层厚度优化

　　4.1 涂层旋耕刀功耗与耐磨分析

　　田间磨损试验结果显示，涂层强化旋耕刀磨损量为3.9 g，相比无涂层旋耕刀磨损量(10.85 g)减少了64.1%，耐磨性能优异。根据磨损结果计算可得，65Mn单位有效耕作面积磨损率(M_{65Mn}=65.1 g/hm²)，旋耕刀涂层单位有效耕作面积磨损率(M_c=23.4 g/hm²)。

　　65Mn旋耕刀磨损报废损失质量约为83 g，根据旋耕刀基体及涂层磨损率，可得不同涂层厚度旋耕刀总耕作面积随涂层厚度成正比增加。结合功耗变化绘制涂层厚度0.75~1.50 mm对旋耕刀耕作面积与功耗的影响曲线，发现功耗在0.75~1.25 mm左右增长趋势相对较小。

　　4.2 成本分析及优化结果

　　成本分析对象为IT245型65Mn钢旋耕刀，基体单把批发价格平均值取5.55元，成本来源包括原刀成本、合金粉末费用、保护气费用、电费等。以综合成本系数反映旋耕刀耐磨性能与功耗及成本性价比(综合成本系数越低，性价比越高)，综合成本系数计算公式为(R=frac{omega_1}{omega_2} × R_C)，其中(R_C=frac{C_n}{C_0})((omega_1)为功耗增长率，(omega_2)为耕作面积增长率，(R_C)为相对成本，(C_n)为涂层旋耕刀制备成本，(C_0)为无涂层旋耕刀成本)。

　　计算结果显示，1.25 mm涂层旋耕刀综合评价系数最低;且1.25 mm涂层相比1 mm耕作面积增加约7%，而功耗仅增加0.6%。综合旋耕刀成本、涂层耐磨性及功耗影响，确定最优涂层厚度为1.25 mm，此时旋耕刀有效耕作面积较无涂层刀提高了约49%，功耗增加仅为12.3%，既可防止涂层厚度增加导致的材料浪费，也能避免功耗增加过多。

　　五、结论

　　1. 标定了离散元仿真所需参数，通过离散元法模拟旋耕作业过程，得到旋耕刀易磨损位置在正切刃及折弯部分;仿真分析显示，1、1.5和2 mm涂层旋耕刀扭矩分别增加了7.69%、13.03%和17.86%，表明耐磨涂层会导致旋耕刀作业功耗增长，且随涂层厚度增加，扭矩及功耗随之增大。

　　2. 田间功耗测试与仿真结果趋势一致，仿真与田间试验最大误差6.77%，验证了仿真模型的正确性。旋耕功耗主要来源于切土及抛土过程，实质为三向阻力的变化，其中垂直阻力受涂层厚度变化影响最大。

　　3. 结合涂层耐磨性、成本及功耗影响规律，确定最优涂层厚度为1.25 mm，对应涂层旋耕刀有效耕作面积相比无涂层旋耕刀增加约49%，且功耗增长较少。

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