薄鴻明，林　靜

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng)　110866)

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玉米秸稈還田機(jī)的設(shè)計(jì)與參數(shù)研究

薄鴻明，林靜

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng)110866)

摘要：針對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)現(xiàn)階段仍存在的秸稈隨意堆放、焚燒秸稈污染環(huán)境和秸稈后期處理利用率低等問(wèn)題，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有秸稈還田機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)SolidWorks軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)適合東北地區(qū)玉米秸稈還田機(jī)，并利用ANSYS軟件對(duì)其關(guān)鍵部件刀輥進(jìn)行校核和模態(tài)分析。在理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)該機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，確定其臨界轉(zhuǎn)速為8 616.6r/min。通過(guò)MatLab來(lái)模擬分析刀片在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而為秸稈還田機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈還田機(jī)；虛擬設(shè)計(jì)；有限元分析；動(dòng)力學(xué)分析

0引言

秸稈還田技術(shù)是把不宜直接作飼料的秸稈(麥秸、玉米秸稈和水稻秸稈等)直接或堆積腐熟后施入土壤中的一種方法。秸稈還田能夠改善土壤質(zhì)量，提高土壤肥力同時(shí)還能增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。我國(guó)現(xiàn)階段的秸稈仍然存在著堆放、焚燒等粗放型處理技術(shù)，利用率較低。

以美國(guó)為例，由美國(guó)農(nóng)業(yè)部門(mén)統(tǒng)計(jì)可知：美國(guó)每年可產(chǎn)出農(nóng)作物秸稈所有有機(jī)殘余物生產(chǎn)量的70.4%，用于秸稈還田的占總量的68%，領(lǐng)跑于世界前列。美國(guó)不僅將玉米、小麥等作物秸稈進(jìn)行還田處理，同時(shí)也研究出了大豆、番茄等復(fù)雜秸稈的還田機(jī)具并進(jìn)行還田處理，為保證美國(guó)土壤肥力及土壤有機(jī)質(zhì)含量做出了巨大的貢獻(xiàn)。而在英國(guó)，秸稈還田量的總秸稈產(chǎn)量超越了美國(guó)。日本的島本覺(jué)也先生作為一名微生物學(xué)家，成功研發(fā)出了酵素菌技術(shù)，并且廣泛應(yīng)用于日本的養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)及生態(tài)保護(hù)等各行業(yè)，同時(shí)也利用此技術(shù)將秸稈制作成秸稈肥料，間接的達(dá)到秸稈還田的目的，具有較高的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益。

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是綜合利用作物秸稈資源的一種有效的方法，主要的方式是用秸稈粉碎機(jī)械將成熟后的農(nóng)作物秸稈粉碎后直接埋到土壤中去。秸稈還田既增加了土壤有機(jī)質(zhì)，形成有機(jī)質(zhì)覆蓋，還能抗旱、保持土壤的含水量，降低作物的病蟲(chóng)害發(fā)生率，改善了土壤環(huán)境。同時(shí)，秸稈還田可充分地利用秸稈中的有機(jī)質(zhì)，避免長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)民大量焚燒秸稈而造成的環(huán)境污染。我國(guó)的秸稈還田機(jī)技術(shù)起始于20世紀(jì)90年代初，在參考了國(guó)外同類(lèi)機(jī)具的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)的土地和播種情況積極研發(fā)了玉米秸稈粉碎還田機(jī)具和碎茬聯(lián)合整地機(jī)具，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)和優(yōu)化，已經(jīng)形成了許多系統(tǒng)的秸稈還田配套機(jī)具。例如，在聯(lián)合收割機(jī)后添加立式還田機(jī)，缺點(diǎn)是易引起碎秸稈亂飛；普通秸稈還田機(jī)和雙軸秸稈根茬粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī)，缺點(diǎn)是機(jī)身較為笨重、刀具排列密度大，增加了農(nóng)民的投資成本[1]。

通過(guò)分析和比較現(xiàn)有秸稈還田機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了適合東北地區(qū)一種較其他同類(lèi)型秸稈還田機(jī)更加經(jīng)濟(jì)且作業(yè)效率高的還田機(jī)，旨在增加秸稈還田面積的同時(shí)減少農(nóng)民的投入資金。

1總體結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

1.1　總體結(jié)構(gòu)

本文機(jī)具由機(jī)架、懸掛系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和粉碎裝置等組成，如圖1所示。

1.懸掛機(jī)構(gòu)　2.齒輪箱　3.機(jī)罩　4.定刀　5.動(dòng)刀

1.2　工作機(jī)理

機(jī)器與拖拉機(jī)間通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置相連接。當(dāng)機(jī)器開(kāi)始還田作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由拖拉機(jī)后側(cè)的動(dòng)力輸出軸傳出，因秸稈還田機(jī)的減速箱軸與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸不能始終保持在同一直線(xiàn)上，所以拖拉機(jī)與機(jī)器之間需通過(guò)萬(wàn)向軸聯(lián)接，經(jīng)過(guò)單級(jí)變速器進(jìn)行增速、變向后，將動(dòng)力傳送給刀軸高速旋轉(zhuǎn)。通過(guò)刀具的旋轉(zhuǎn)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行拾撿和切割，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的粉碎、拋灑，通過(guò)鎮(zhèn)壓輥對(duì)碎秸稈的鎮(zhèn)壓可以有效防止秸稈亂飛。本設(shè)計(jì)的玉米秸稈還田機(jī)將采用逆轉(zhuǎn)的方式，能夠?qū)Φ孛娴慕斩挳a(chǎn)生更好的撿拾效果，并加以粉碎。

2主要技術(shù)規(guī)格

玉米秸稈還田機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

3關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1　動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用東方紅LX-604作為動(dòng)力，為了防止刀具在作業(yè)過(guò)程中入土或砍切石塊對(duì)刀具產(chǎn)生較大的損害，決定采用單邊帶傳動(dòng)方式輸出。有研究證明：刀具切割速度為13.6m/s時(shí)就可完全將兩根玉米秸稈切斷。甩刀的切削速度對(duì)秸稈還田機(jī)的粉碎效果有最直接的影響：切削速度太小造成粉碎工作倉(cāng)內(nèi)的負(fù)壓低，從而降低拾撿率，影響了秸稈的粉碎效果；速度過(guò)大造成功率的浪費(fèi)，所以甩刀的切削速度以16.5~17m/s為宜[2]。

該拖拉機(jī)額定功率為45kW。經(jīng)計(jì)算刀軸的最大理論功率為31.84kW，輸出扭矩164.405N·m，取大齒輪齒數(shù)為60，小齒輪齒數(shù)為27，C型V帶根數(shù)為5。

3.2　切割粉碎裝置的設(shè)計(jì)

切削刀具主要有3種：錘爪式刀、L型刀和直刀。刀片采用改進(jìn)的L型刀片，將兩把L型刀片組合為一把Y型刀，增加切入角和動(dòng)刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于動(dòng)刀刀片工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，頻繁與秸稈發(fā)生摩擦，所以動(dòng)刀極易磨損。為保證刀片在田間作業(yè)的耐磨性和足夠的剛度，選擇刀片的材料為65Mn鋼。刀片與刀座之間用鐵銷(xiāo)連接，并用安全銷(xiāo)鎖緊，方便維修及更換，減少農(nóng)民對(duì)機(jī)具維修的花銷(xiāo)。

L型刀片的數(shù)量為[3]

N=CL

(1)

式中N—甩刀數(shù)量(片)；

C—甩刀密度(片/mm)；

L—甩刀在主軸上的分布的長(zhǎng)度(mm)。

Y型刀片的排列密度C=0.02~0.04片/mm。取C=0.02片/mm，L=1 600mm,帶入式(1)得，N=32片。

甩刀軸設(shè)計(jì)成直徑為100mm、壁厚10mm的空心管軸，在增大了甩刀刀軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力性能的同時(shí)提高了臨界轉(zhuǎn)速、降低了振動(dòng)及整機(jī)的質(zhì)量且防止纏草。作業(yè)中，當(dāng)秸稈呈一定前傾角喂入時(shí)，粉碎性能較高，在喂入口必須有足夠厚的秸稈，否則直立的玉米秸稈被甩刀切斷后，在沒(méi)有約束狀態(tài)下，會(huì)由于慣性的作用甩向機(jī)具前方，可能會(huì)造成一定程度的漏切。同時(shí)，層厚太大起不到支撐壓緊作用。本設(shè)計(jì)中喂入口高度為180mm。機(jī)罩喂入口高度h1的范圍應(yīng)予以控制，有

(1)

式中R—甩刀回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

h—地面離最近甩刀刀端高度(mm)。

罩殼是切碎裝置的重要組成部分。減小罩殼工作腔的入口可以增強(qiáng)對(duì)秸稈的粉碎效果，且入口與甩刀的距離太大不利于粉碎。秸稈拋出口的間隙大利于粉碎后秸稈的拋出，間隙太大會(huì)造成碎秸稈飛揚(yáng)。所以，將從入口到出口的罩殼曲線(xiàn)設(shè)為一偏心圓，前后間隙角設(shè)為可調(diào)，因具體作業(yè)情況而定。

實(shí)際生產(chǎn)中，秸稈初次粉碎的長(zhǎng)度小于100mm才可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。為了加強(qiáng)對(duì)秸稈的粉碎效果，在與入口處添加1~2排定刀，秸稈一旦被甩刀切斷，被甩刀加速帶入工作腔處后，將隨甩刀同時(shí)旋轉(zhuǎn)。秸稈與定刀發(fā)生碰撞，可以增加刀具對(duì)秸稈的撕扯力度[4]。

定刀垂直位置H的確定，有

(2)

式中h2—秸稈層的厚度(m)；

R—?jiǎng)拥兜幕剞D(zhuǎn)半徑(m)；

va—?jiǎng)拥兜木€(xiàn)速度(m/s)；

vm—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)。

普通定刀條有一處破損就得整條更換，浪費(fèi)人力物力。本文采取對(duì)每個(gè)Y型刀單獨(dú)配置1把定刀，方便更換，粉碎效果好。根據(jù)動(dòng)刀的軸向距離，此處定刀水平間距定為100mm。

3.3　甩刀在刀軸的排列

秸稈碎還田機(jī)刀具排列應(yīng)滿(mǎn)足以下條件

1)刀具在刀軸的排列中，不漏割是首要目的。相繼打擊秸稈的刀具軸向距離應(yīng)較大，軸向相鄰兩把切削刀的夾角應(yīng)盡量大，防止阻塞機(jī)具和重復(fù)切削。

2)甩刀的排列方式能有效降低有關(guān)零件的磨損，并使刀軸保持穩(wěn)定。作業(yè)時(shí)，刀具在軸向分力的合力為零。在機(jī)具空載旋轉(zhuǎn)時(shí)刀軸負(fù)荷均勻，所有刀具在刀軸產(chǎn)生的離心合力為零。

3)提高經(jīng)濟(jì)性能降低操作難度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

現(xiàn)有還田機(jī)具的排列形式主要有螺旋排列、對(duì)稱(chēng)排列、交錯(cuò)排列及對(duì)稱(chēng)交錯(cuò)排列等，雖能有效保證刀輥的平衡性，但其刀軸排列的刀具較密集，增加了成本。涂建平等人提出了“均力免震”排列，本文決定采用該種排列方式，在保證作業(yè)質(zhì)量和平衡性的同時(shí)，可以有效地減少刀具的數(shù)量。具體排列如圖2所示[5]。

其工作順序?yàn)椋?-12-15-9-3-11-4-16-6-2-14-8-10-7-13-5。

圖2　刀具排列圖

3.4　刀軸平衡方程的建立及刀軸平衡校核

刀具排列對(duì)機(jī)具工作性能影響極大。一般刀軸為均質(zhì)回轉(zhuǎn)軸，其上離心合力可以近似為零。機(jī)具工作時(shí)，容易由甩刀及其附件產(chǎn)生的離心力引起機(jī)身振動(dòng)，故對(duì)圖2中所示的甩刀建立動(dòng)平衡方程并驗(yàn)證其平衡性。

在此，只驗(yàn)證機(jī)具空轉(zhuǎn)時(shí)，刀軸的受力是否平衡。力學(xué)分析坐標(biāo)如圖3所示，對(duì)于軸上的刀，每一把工作時(shí)都會(huì)對(duì)刀軸產(chǎn)生不同方向的離心力。

圖3　刀具在刀軸上的離心力分解示意圖

將刀軸和甩刀理想化，都作為無(wú)制造誤差和安裝誤差的均勻質(zhì)體，且刀軸和刀座視為對(duì)刀軸距離為回轉(zhuǎn)半徑的質(zhì)點(diǎn)。若所有刀具對(duì)軸的力在X、Y面分力的合力分別為零，則排列方式合理刀軸平衡。則有

Fx=F1cosθ1+F2cosθ2+…+Ficosθi

(3)

Fy=F1sinθ1+F2sinθ2+…+Fisinθi

(4)

式中θ—甩刀與X軸的夾角(°)；

Fi—甩刀i及刀座i產(chǎn)生的離心力(N)。

將刀軸上甩刀i排列的數(shù)值帶入式(3)、式(4)中校核計(jì)算，得到X、Y方向上合力為零，理論上刀軸平衡。刀輥的三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　刀輥三維造型圖

4工作部件的分析

4.1　基于ANSYS的切削刀具有限元分析

刀具的性能直接影響機(jī)具的作業(yè)性能與農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)SolidWorks建立刀具實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS中對(duì)其進(jìn)行有限元分析。對(duì)刀具施加約束條件并在刀側(cè)刃上添加載荷并進(jìn)行求解運(yùn)算，結(jié)果如圖5所示。

圖5　刀具有限元分析結(jié)果

由圖5可知：刀身所受的最大載荷為2 722.3MPa，遠(yuǎn)小于材料的許應(yīng)力21 600MPa，刀具具有足夠的強(qiáng)度支撐對(duì)秸稈的切削。此外，在實(shí)際工作中可根據(jù)圖中分析確定的危險(xiǎn)部位，定期進(jìn)行檢查，確保機(jī)具的安全作業(yè)。

4.2　基于ANSYS刀軸的模態(tài)分析

在刀具的合理排列下，可以從理論上實(shí)現(xiàn)刀輥的動(dòng)平衡。但事實(shí)上，由于刀具材料的不均勻或制造誤差、安裝誤差等等，都會(huì)使刀具的合質(zhì)心不通過(guò)轉(zhuǎn)軸，刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一特定值時(shí)，振動(dòng)異常，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為臨界轉(zhuǎn)速[6]。用ANSYS對(duì)刀軸進(jìn)行模態(tài)分析，如圖6所示。分析所得到的刀軸的固有頻率為143.61Hz，計(jì)算可得刀軸臨界轉(zhuǎn)速n=143.61×60=8 616.6(r/min)。

圖6　刀軸的模態(tài)分析

由于在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)有可能會(huì)影響正常工作，工作產(chǎn)生共振，對(duì)機(jī)具造成損壞，導(dǎo)致事故發(fā)生。必須在設(shè)計(jì)時(shí)，避免刀軸的轉(zhuǎn)速大于或等于臨界轉(zhuǎn)速。

本文樣機(jī)的選擇切割轉(zhuǎn)速為1 800r/min,遠(yuǎn)小于刀軸的臨界轉(zhuǎn)速，因此該機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇是符合要求的。

4.3　基于MatLab的刀端軌跡分析

秸稈還田機(jī)刀端的運(yùn)動(dòng)是沿著機(jī)具前進(jìn)方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和以刀軸中心為圓心的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

x=R×cos(ω×t)+vm×t

(7)

y=R×sin(ω×t)

(8)

式中t—機(jī)具作業(yè)時(shí)間(s)

ω—刀端角速度(r/s)；

vm—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；

R—刀具回轉(zhuǎn)半徑(m)。

將軌跡方程適當(dāng)變形后輸入MatLab中輸出軌跡，橫坐標(biāo)為機(jī)具前進(jìn)方向，縱坐標(biāo)為甩刀的圓周運(yùn)動(dòng)。由于刀軸實(shí)際轉(zhuǎn)速較大，曲線(xiàn)密度較大。所以，選取較低轉(zhuǎn)速輸出圖形，方便觀察，如圖7所示。

圖7　刀端軌跡分析結(jié)果

秸稈還田在實(shí)際工作中，由于駕駛員的技術(shù)和地表不平度的影響，實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況與理論分析有差異。如果實(shí)際工作條件較差，建議在機(jī)具左右兩側(cè)增加平衡限深裝置，防止刀端入土。

5結(jié)論

1)利用SolidWorks和理論分析對(duì)玉米秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行了整機(jī)的設(shè)計(jì)，并對(duì)甩刀的排列進(jìn)行平衡校核，結(jié)果與理論分析基本相符。

2)用ANSYS分別對(duì)甩刀和刀軸進(jìn)行有限元分析和模態(tài)分析，可知設(shè)計(jì)刀軸的強(qiáng)度及甩刀的切削刀具的轉(zhuǎn)速均符合技術(shù)要求。

3)利用MatLab對(duì)甩刀的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。當(dāng)前機(jī)具的前進(jìn)速度與刀軸的轉(zhuǎn)速值成比例時(shí)，甩刀的刀端軌跡一致；同時(shí)，可以調(diào)節(jié)前進(jìn)速度與主軸轉(zhuǎn)速，粉碎執(zhí)行機(jī)構(gòu)能適應(yīng)不同地況和株距的秸稈粉碎。

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The Design and Simulation Analysis of Maize Field Straw Chopper

Bao Hongming, Lin Jing

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)

Abstract：For most parts of China at the Present Stage random stacking straw ,straw burning pollution of the environment and low utilization problem of post-processing, by analyzing the advantages and disadvantages of the field straw chopper equipment, via the Solid Works software to optimize the design for the northeastern region of maize straw chopper. Through ANSYS software checked and modal analysis its key components knife axis .Based on theoretical analysis parameters to optimize the structure, determine the critical rotation rate is 8616.6r/min.Through MATLAB software to analysis the trajectory of the blade in the actual work, and then provide a reference for the design and optimization of the straw returning machine.

Key words：field straw chopper; virtual design; finite element analysis; dynamic analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0099-05

作者簡(jiǎn)介：薄鴻明(1991-)，男，山西應(yīng)縣人，碩士研究生，(E-mail)15702431026@163.com。通訊作者：林靜(1967-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)synydxlj69@163.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503116);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275318)

收稿日期：2015-10-13