摘要：为了提高机耕船在田间作业的工作质量及效率，对机耕船驱动轮在水田作业的工作性能进行了研究。使用光滑粒子流体动力学（SPH）方法，建立了驱动轮轮叶和土壤相互作用的仿真模型。通过分析轮刺结构对驱动力、滑转率等指标的影响，优化了驱动轮的结构。试验结果表明，优化后驱动轮的最大推进力提高了36.2%，滑转率降低了3.8%，整体驱动质量有了明显改善。研究结果为机耕船的精确设计和性能提升提供了可行方法，对水田机械的发展具有实用价值。

　　关键词：机耕船；驱动轮；工作质量；光滑粒子流体动力学（SPH）

　　机耕船驱动轮的性能直接影响其牵引效率和工作质量，也决定了整机的可靠性和能耗。我国深泥脚水田的机械化机耕作业需求很大，因此提高机耕船的通过性和作业效率，对提高耕田作业质量具有重要作用[1]。机耕船驱动轮和土壤的相互作用过程复杂，传统设计方法难以准确预测其性能，这限制了机耕船整机质量的提高。国家《“十四五”全国农业机械化发展规划》中提出要“推进农机装备补短板”，《关于加快农机创新产品中试验证和熟化应用的意见》强调，应该利用仿真分析等先进技术来解决可靠性问题[2]。这意味着农机研究工作需要从经验设计转向基于精确模型的性能优化。因此，采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法研究机耕船的作业质量，这是一种适合模拟土壤大变形的无网格仿真方法[3]。研究的目标是建立驱动轮与土壤的高精度模型，系统分析轮刺参数对推进力、滑转率及驱动效率等重要指标的影响[4]，进而实现驱动轮结构的定量优化，为提高机耕船作业质量和可靠性提供仿真依据和设计支持。

　　1.轮叶-土壤相互作用与SPH仿真模拟

　　为了清楚展示轮叶与土壤间如何作用，采用SPH方法进行建模仿真，模拟了单轮叶与土壤之间相互作用的过程。模拟仿真结果在理论上有助于优化驱动轮及提高机耕船工作质量，并得到优化的驱动轮结构参数。图1展示了驱动轮作业四个时刻（0.029秒、0.057秒、0.121秒、0.187秒）的仿真应力云图，从中可看到轮叶与土壤间的作用情况。

　　在轮叶与土壤作用的过程中，轮叶受到的水平推力和垂直支撑力变化情况如图2所示。

　　从图2看到，轮叶入土后驱动面向后下方压实土壤，这时驱动面和水平面夹角较小，所以支撑力很快变大。当转角ω到达65°时，支撑力达到最大。轮叶继续转动，驱动面和水平面夹角变大，支撑力开始快速变小。当ω达到105°时，支撑力变为0。之后因为轮叶挖土作用，支撑力变成负值。同时，推进力随着ω增大而增加。当ω为90°时，推进力达到最大。然后推进力随ω增大而减小。在叶片出土时，因为非驱动面向前推土，推进力变成负值。

　　以上的这些数据为后续优化机耕船驱动轮的工作效率及质量提供了直接依据。本次优化的目标是，提高推进力并降低前进阻力。

　　2.驱动轮工作质量优化方案

　　2.1以驱动效率为依据的驱动轮工作质量评判标准

　　选用平均驱动效率评价驱动轮工作质量。平均驱动效率是轮叶从入土到出土过程中，推进力做功与系统总耗功的比值，计算公式如下：

　　式中：W总—轮叶从入土到出土消耗的总功（J）；wr,—推进力做的功（J）。这个指标可以反映驱动轮的牵引能力和能量利用效率。具体来说，驱动效率等于单位时间内单轮叶推进力做的功，除以系统消耗的总功。

　　2.2关键结构参数对工作质量的影响和优化

　　2.2.1轮刺驱动面倾角

　　由于叶片驱动面倾角大小对轮刺出土时的挖土现象影响很大，正确选择这个数值对提高机耕船的牵引效率和工作性能很重要。图3是驱动面倾角从2°到7°变化时，驱动效率和推进力做功随倾角变化的曲线。

　　从图3（a）可以看到，当倾角小于5°时，随着倾角增加，驱动效率η不断上升；当倾角等于5°时，η和推进力做功都达到最大，分别是45.12%和125.89 J；当倾角大于5°后，随着倾角继续增大，这两项都开始下降，所以优化后的驱动面倾角选定为5°。

　　2.2.2轮刺高度H与数量N

　　图4（a）是不同轮刺高度下对应的驱动效率与推进力做功的变化曲线。图4（b）展示了滑转率随轮刺数量的变化趋势。

　　从图4（a）可知，轮刺高度增加，轮叶所受土壤支撑力变大，这导致滚动阻力上升，所以驱动效率下降。综合考虑后，将轮刺高度由原来的250 mm调整为230mm。观察图4（b）可见，当轮刺数量为8时，驱动轮的滑转率最低。因此，将原来的7个轮刺增加为8个，以优化驱动性能。通过一系列仿真试验与计算分析，得到优化后驱动轮的基本参数如表1所示。

　　3.优化前后驱动性能与工作质量对比

　　优化前，无人驾驶机耕船驱动轮的基本参数为轮刺数量2×7个，顶圆直径D=800mm，轮刺驱动面倾角=7°,轮刺高度H=250mm。优化后参数调整为轮刺数量2×8；顶圆直径D=750mm；轮刺驱动面倾角=5°；轮刺高度H=230mm。对比试验结果表明，优化后驱动轮的最大推进力达到2.51 kN，较优化前提升36.2%；滑转率为16.8%，降低3.8%；驱动效率为37.7%，提高13.9%。研究结果表明，基于SPH仿真的多参数协同优化使驱动轮在牵引能力（最大推进力）、附着性能（滑转率）及能量利用效率（驱动效率）三个核心质量指标上均得到显著改善，整体驱动质量实现全面优化。

　　4.结论与展望

　　研究采用光滑粒子动力学方法，建立了一个驱动轮与土壤作用的高精度模型。分析了轮刺结构对驱动性能的影响，以驱动效率为目标进行优化，得到了最优参数：叶轮直径750毫米，倾角5°,轮刺高230毫米，轮刺排布2×8。优化后，驱动轮最大推进力提高了36.2%，滑转率降低了3.8%，驱动效率提升了13.9%，这使得机耕船在水田间作业的整体工作质量得到了显著的提升。

参考文献:

　　[1]姜天翔.船式耕作机传动系统关键部件的设计及仿真优化[D].武汉:湖北工业大学,2020.

　　[2]韩雪,周小燕,白蒙亮.我国农业机械试验鉴定“十三五”发展研究[J].中国农机化学报,2017(01):141-145.

　　[3]马生红.我国农机化现状及农业机械化技术发展趋势[J].农业开发与装备,2018(11):78.

　　[4]Keicher,R.,Seufert,H.Automatic guidance for agricultural vehicles in Europe[J].Computers and Electronics in Agriculture,2000,25(1-2):169-194.