章志強 何 進 李洪文 王慶杰 琚佳偉 鄢雄磊

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機設(shè)計與試驗

章志強 何 進 李洪文 王慶杰 琚佳偉 鄢雄磊

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

針對秸稈粉碎還田機粉碎后的秸稈拋撒均勻度差和幅寬不可調(diào)節(jié)等問題，設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機。該機主要由曲面機殼、粉碎裝置、拋撒裝置和傳動裝置等組成，可以實現(xiàn)玉米、小麥秸稈的粉碎和粉碎后秸稈的拋撒還田。曲面機殼包括對數(shù)螺旋線型前殼體、左側(cè)板、右側(cè)板和后擋板等。 Fluent仿真分析結(jié)果表明，曲面機殼相比傳統(tǒng)折線型機殼有利于提高秸稈在機殼內(nèi)的流動性。粉碎裝置包括粉碎刀軸、組合甩刀、定刀等，其中粉碎刀軸兩端裝有扇形葉片，提高了曲面機殼內(nèi)流體流動速度和曲面機殼入口處秸稈喂入性能。在曲面機殼出口處增加了裝有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流板，并設(shè)計了一種同步調(diào)節(jié)所有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)向葉片同步調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了粉碎后秸稈拋撒幅寬、均勻度的可調(diào)節(jié)。田間試驗表明，在拖拉機前進速度為1.8 m/s，秸稈平均含水率為78.4%，拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min的未收獲玉米地里，秸稈粉碎長度合格率達90.01%，平均拋撒幅寬達2 223.3 mm，平均留茬高度為62.0 mm，拋撒不均勻度為22.95%，各項性能指標均滿足要求。

秸稈還田； 組合甩刀； 曲面機殼

引言

我國秸稈總量大、種類多、分布廣，每年秸稈產(chǎn)量8億多噸，秸稈產(chǎn)量約占全世界秸稈總量的30%，位列世界之首，秸稈以水稻、小麥和玉米等為主[1]。秸稈機械化粉碎還田能夠節(jié)省勞力，增加土壤有機質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)[2-3]；同時，還能避免多余秸稈的焚燒和化肥的過度使用[4]。

粉碎后秸稈的長度和拋撒均勻度作為秸稈粉碎還田機的2個重要工作性能參數(shù)，對下茬作物的播種和生長有重要的影響。為了提高秸稈粉碎質(zhì)量，減小粉碎后秸稈長度，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計出了Y-L型[5]、T型[6]、組合Y型[7]和三節(jié)鞭式[8]等多種形式的秸稈粉碎還田刀具，研究了不同動定刀間隙、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速和機具前進速度等機具結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)[9-12]對秸稈粉碎長度的影響，并研發(fā)出了針對小麥、玉米、棉花、香蕉、甘蔗和水稻等多種作物秸稈的秸稈粉碎還田機[13-15]?，F(xiàn)有研究大多針對減小粉碎后的秸稈長度，對調(diào)節(jié)粉碎后秸稈拋撒均勻度、幅寬等的研究相對較少。提高粉碎后秸稈拋撒均勻度方面的研究主要是針對聯(lián)合收獲機配套的秸稈粉碎裝置，如安裝風(fēng)機提高粉碎室內(nèi)氣流流速[16]和增加旋轉(zhuǎn)圓盤輔助拋撒。安裝風(fēng)機雖然能提高粉碎后秸稈拋撒的均勻度，但會使機器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顯著增加機器功耗，秸稈的拋撒幅寬、均勻度等也比較難控制。

本文針對上述問題，在黃淮海小麥-玉米一年兩熟區(qū)，設(shè)計一種帶導(dǎo)向葉片同步調(diào)節(jié)裝置的秸稈粉碎拋撒還田機來粉碎和拋撒玉米、小麥秸稈，實現(xiàn)粉碎后秸稈拋撒的均勻度、幅寬等的可調(diào)節(jié)，以滿足不同的秸稈還田要求。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

秸稈粉碎拋撒還田機主要由曲面機殼、粉碎裝置(粉碎刀軸、組合甩刀、定刀)、拋撒裝置(導(dǎo)向葉片、導(dǎo)流板、導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置)和傳動裝置等組成，如圖1所示。導(dǎo)流板鉸接在機殼排草口處，導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置安裝在導(dǎo)流板上下兩面，粉碎裝置安裝在曲面機殼內(nèi)部，傳動裝置安裝在曲面機殼左側(cè)和上部。其中，傳動裝置用于把拖拉機動力輸出軸輸出的動力傳遞到粉碎刀軸，為秸稈粉碎拋撒還田機提供動力；導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片的位置，從而控制曲面機殼出口處拋出秸稈的幅寬、均勻度和距離等；粉碎裝置用于粉碎和拋撒作物秸稈，懸掛裝置用于把秸稈粉碎拋撒還田機掛接于四輪拖拉機，行走裝置用于支撐機器行走和調(diào)節(jié)粉碎刀刀尖離地間隙。

圖1 秸稈粉碎拋撒還田機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural schematic diagrams of straw chopper cum spreader1.曲面機殼 2.定刀 3.懸掛裝置 4.動力輸入軸 5.變速箱6.傳動機構(gòu) 7.導(dǎo)流板 8.導(dǎo)向葉片 9.導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置 10.行走裝置 11.粉碎刀軸 12.組合甩刀

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

工作時，拖拉機動力輸出軸的動力經(jīng)變速箱和傳動機構(gòu)二次增速后帶動粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)，使粉碎刀軸上的組合甩刀砍切地表秸稈；同時組合甩刀和扇形葉片對曲面機殼入口處的氣體做功，使氣體流速增加，氣壓減小，在入口處形成負壓區(qū)；切斷的秸稈在入口負壓和組合甩刀的作用下進入曲面機殼內(nèi)，并在組合甩刀和定刀的多次砍切、撕裂和揉搓等綜合作用下被粉碎成小段或纖維狀；粉碎后的秸稈在高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀軸產(chǎn)生的氣流和離心力的作用下從曲面機殼出口處經(jīng)導(dǎo)向葉片導(dǎo)流，均勻拋出撒落地表。調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置，使粉碎后的秸稈在曲面機殼出口處以不同的拋射角度和位置從導(dǎo)向葉片拋出，便能獲得不同的秸稈拋撒均勻度、幅寬和距離等。

秸稈粉碎拋撒還田機主要參數(shù)如表1所示。

2 主要工作部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 曲面機殼設(shè)計與機殼內(nèi)流場仿真分析

秸稈粉碎拋撒還田機的曲面機殼(圖2)主要由對數(shù)螺旋線型曲面前殼體、左側(cè)板、右側(cè)板和后擋板組成，其中對數(shù)螺旋線型曲面前殼體焊接在左、右側(cè)板之間，后擋板通過螺栓固接在左、右側(cè)板之間。地表秸稈被組合甩刀切斷后進入曲面機殼，在曲面機殼內(nèi)被粉碎后拋撒出曲面機殼。因此，機殼的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)對秸稈喂入、粉碎和拋撒都有重要的影響。

表1 秸稈粉碎拋撒還田機參數(shù)Tab.1 Main parameters of straw chopper cum spreader

圖2 曲面機殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of shell1.曲面前殼體 2.左側(cè)板 3.后擋板 4.右側(cè)板

2.1.1對數(shù)螺旋線型曲面前殼體設(shè)計

現(xiàn)有秸稈粉碎還田機的機殼在設(shè)計時，從入口到出口的前殼體的內(nèi)切理論曲線為一偏心圓，即入口處粉碎刀刀尖到前殼體的間隙ε1至出口處間隙ε2由小逐漸增大，如圖3所示。較小的入口間隙有利于粉碎刀對進入機殼內(nèi)秸稈的集中粉碎，提高粉碎質(zhì)量；較大的出口間隙有利于粉碎后的秸稈順利拋出[17]。

圖3 偏心圓式折線前殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of eccentric circle type broken-line front casing

秸稈粉碎拋撒還田機工作時氣流從機殼底部垂直方向進入然后從頂部水平方向流出，氣流方向與橫流風(fēng)機內(nèi)氣流方向相似，因此本文設(shè)計了一種對數(shù)螺旋線型曲面前殼體來替代傳統(tǒng)的折線型前殼體。對數(shù)螺旋線型蝸殼狀曲面前殼體滿足了入口處粉碎刀刀尖到前殼體的間隙ε1至出口處間隙ε2由小逐漸增大的要求，同時流體在對數(shù)螺旋線型殼體內(nèi)比折線型殼體內(nèi)具有更好的流動性。

傳統(tǒng)的風(fēng)機蝸殼線型有兩種：基于周向平均速度方法設(shè)計的阿基米德螺旋線；基于等環(huán)量法設(shè)計的對數(shù)螺旋線。根據(jù)LAZZAROTTO等[18]的研究，對數(shù)螺旋線型蝸殼(圖4)的型線公式為

(1)

式中R——蝸殼型線上點到旋轉(zhuǎn)中心O的距離，mmεr——螺旋線起點處的蝸殼間隙，mmθ——從蝸殼型線上點到旋轉(zhuǎn)中心O距離為R時對應(yīng)的角度，(°)

D——旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)直徑，mm

α0——螺旋線起點和旋轉(zhuǎn)中心O連線與水平軸的夾角，(°)

θ*——蝸殼壁面徑向?qū)挾认禂?shù),(°)

當蝸殼壁面寬度較小時θ*取359°，當蝸殼壁面寬度較大時θ*取139°，相對協(xié)調(diào)寬度的蝸殼壁面θ*取191°。

圖4 對數(shù)螺旋線型蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of logarithmic spiral type volute

由表1中秸稈粉碎拋撒還田機的參數(shù)可知，式(1)中的旋轉(zhuǎn)直徑D對應(yīng)粉碎刀軸的旋轉(zhuǎn)直徑為542 mm；采用較小的蝸殼壁面寬度，即θ*取359°與秸稈粉碎拋撒還田機的機殼后殼體匹配[19]；α0為30°，εr最小蝸殼間隙確定為10 mm[20]。因此，秸稈粉碎拋撒還田機的對數(shù)螺旋線型曲面前殼體的型線方程為

(2)

秸稈粉碎拋撒還田機的喂入口高度h對秸稈割茬高度有重要影響，增大h能顯著減小割茬高度，但過大的h會使切斷的秸稈向前飛出，影響秸稈的順利喂入。為了同時滿足秸稈順利喂入和留茬高度的要求，喂入口高度h需要滿足條件[21]

(3)

式中t——粉碎刀刀尖離地高度，mm

根據(jù)表1中設(shè)計的粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)直徑和粉碎刀刀尖的離地間隙，結(jié)合式(3)確定h為180 mm。最終，確定秸稈粉碎拋撒還田機的曲面前殼體和機殼分別如圖5和圖2所示。

圖5 對數(shù)螺旋線型曲面前殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of logarithmic spiral type curved front housing cover

2.1.2機殼內(nèi)流場仿真分析

秸稈粉碎拋撒還田機在田間作業(yè)時，機殼內(nèi)的流體包括空氣流和秸稈流，秸稈在機殼內(nèi)運動時間短且與空氣的作用較弱，因此機殼內(nèi)的流動可以看作是穩(wěn)態(tài)、有粘性、不可壓縮和絕熱的單相湍流。Realizablek-ε模型相比于標準的k-ε模型為湍流粘性增加了一個公式，能更好地模擬強流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)問題，因此本文利用Realizablek-ε模型來計算機殼內(nèi)的湍流。

定義粉碎刀軸區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標系，設(shè)置轉(zhuǎn)動速度為粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速(2 100 r/min)；其余區(qū)域為靜止區(qū)域，采用靜止坐標系。將機殼表面設(shè)置為靜止壁面；刀軸表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。入口和出口邊界條件采用壓力入口和壓力出口，壓力大小都為一個標準大氣壓。

曲面機殼和折線型機殼的Fluent仿真分析結(jié)果表明，曲面機殼和折線型機殼入口處空氣的質(zhì)量流量分別為0.439 4、0.379 5 kg/s，曲面機殼和折線型機殼入口處總壓分別為-1 384.7、-1 367.58 Pa，機殼入口處壓力云圖如圖6所示，說明曲面機殼相比折線型機殼能使更多的流體進入機殼。

曲面機殼和折線型機殼出口處流體最大速度分別為37.268、35.457 m/s，曲面機殼和折線型機殼出口處流體平均速度分別為3.848、3.466 m/s，機殼出口處速度云圖如圖7所示，說明曲面機殼相比折線型機殼更容易使流體流出機殼。

圖6 入口處壓力云圖Fig.6 Contours of pressure field at inlet

圖7 出口處速度云圖Fig.7 Contours of velocity field at outlet

圖8 左截面流線圖Fig.8 Streamlines on left-side plan

圖9 中間截面流線圖Fig.9 Streamlines on middle-side plan

圖10 右截面流線圖Fig.10 Streamlines on right-side plan

在機殼寬度方向的左、中、右3個位置各取一個截面，3個截面的流線圖如圖8～10所示。由圖8可知，在機殼出口處曲面機殼相比折線型機殼有更多流線，因此更有利于流體的流出。由圖9可知，在機殼出口處曲面機殼和折線型機殼都產(chǎn)生了渦流，但折線型機殼在出口處產(chǎn)生的渦流比曲面機殼大，出口處大的渦流會影響流體的順利流出。由圖10可知，在靠近機殼出口處曲面機殼產(chǎn)生了輕微的回流而折線型機殼產(chǎn)生了較大面積的回流，機殼內(nèi)回流會影響流體在機殼內(nèi)的流動性。通過對圖8～10的分析可知，曲面機殼更有利于粉碎后秸稈的順利拋出。

2.2 粉碎裝置設(shè)計

秸稈粉碎拋撒還田機的粉碎裝置主要由粉碎刀軸、粉碎刀(組合甩刀、定刀)、定刀板和扇形葉片等組成，如圖11所示。粉碎刀軸和定刀板安裝在左、右兩側(cè)板之間，其中粉碎刀軸的中心線經(jīng)過圖4中的旋轉(zhuǎn)中心O點，定刀固接在定刀板上，組合甩刀鉸接在粉碎刀軸上，扇形葉片固接在粉碎刀軸兩端。進入曲面機殼內(nèi)的秸稈被組合甩刀和定刀粉碎，粉碎后的秸稈在氣流和離心力的共同作用下運動到拋撒裝置。

圖11 粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Structure diagram of chopping device1.組合甩刀 2.粉碎刀軸 3.扇形葉片 4.定刀板 5.定刀

2.2.1粉碎刀設(shè)計

秸稈粉碎拋撒還田機的粉碎刀包括鉸接在粉碎刀軸上的組合甩刀和固接在粉碎刀板上與甩刀形成支撐切割的定刀，動、定刀的支持切割能減小粉碎后秸稈長度和提高秸稈粉碎質(zhì)量[22]。

甩刀的類型對秸稈粉碎質(zhì)量有很大影響。L改進型刀具有較好的秸稈撿拾性能，但粉碎性能差；直刀相比L改進型刀有較好的秸稈粉碎能力，但撿拾能力相對不足。L改進型刀和直刀組合的組合甩刀，兼有直刀的粉碎性能和L改進型刀的粉碎性能[23]。因此，確定采用1或2把L改進型刀+1把十字型直刀的組合式甩刀，如圖12所示?？紤]到粉碎刀軸左右兩端空間位置的限制，在粉碎刀軸左右兩端靠近扇形葉片處安裝1把L改進型刀+1把十字型直刀的組合甩刀，粉碎刀軸其他位置安裝2把L改進型刀+1把十字型直刀的組合甩刀，如圖11所示。L改進型刀為秸稈粉碎還田機上普遍使用的甩刀。十字型直刀相比傳統(tǒng)的直刀在刀片左、右兩端增加了刀肩，從而增加了粉碎刀工作部分(刀刃)的長度，同時在秸稈隨甩刀旋轉(zhuǎn)的過程中刀肩對秸稈有支撐作用，提高了秸稈粉碎質(zhì)量；左、右刀刃部分都有鋸齒，提高了刀片的耐磨性和秸稈粉碎質(zhì)量，同時使刀片在一端磨損時可以替換另一端工作[24]。

圖12 甩刀和組合甩刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure diagrams of blades and combined flails

合理的甩刀數(shù)量對保證秸稈粉碎拋撒還田機的粉碎和拋撒質(zhì)量有重要的意義。甩刀數(shù)量多能有較好的粉碎和拋撒質(zhì)量，但機具功耗大；減少甩刀數(shù)量可顯著降低機器功耗，但作業(yè)后部分秸稈的長度大。甩刀理論上的數(shù)量計算式為[25]

Nc=CLc

(4)

式中Nc——甩刀總數(shù)，把C——甩刀密度，把/mmLc——甩刀在粉碎刀軸上的分布長度，mm

對于直刀C通常取0.05～0.07把/mm，L及L改進型刀C通常取0.02～0.04把/mm，對于T型刀C通常取0.01把/mm。

秸稈粉碎拋撒還田機的工作幅寬為2 000 mm，因此Lc的長度為2 000 mm?？紤]到甩刀需要同時粉碎玉米等硬質(zhì)和小麥等軟質(zhì)秸稈，甩刀的數(shù)量不能太少。組合甩刀相比L改進型甩刀增加了直刀，可以適度減少甩刀數(shù)量。最終確定組合甩刀的密度C取0.021組/mm，根據(jù)公式(4)可得組合甩刀的總數(shù)量為42組，其中十字型直刀42把，L改進型刀80把。

為了更好地粉碎小麥等韌性較大的軟質(zhì)秸稈，在秸稈粉碎拋撒還田機曲面機殼內(nèi)安裝有一排定刀來輔助秸稈的粉碎，使動、定刀形成支撐切割[26]。定刀為普通的直刀，長170 mm，寬50 mm，厚4 mm，材料為45Mn鋼，左、右兩端都有刃口，且刃口經(jīng)過淬火處理。

2.2.2粉碎刀排列設(shè)計

粉碎刀的排列包括甩刀在粉碎刀軸上的布置和定刀在定刀板上的布置，不合理的粉碎刀排列不僅會降低秸稈粉碎拋撒還田機的秸稈粉碎和拋撒質(zhì)量，而且會使機具產(chǎn)生劇烈的振動，甚至損壞機具[27]。根據(jù)現(xiàn)有文獻對甩刀排列的研究，確定采用雙螺旋線的方式排列組合甩刀，使粉碎刀輥的受力均勻，減小機器振動[28-30]。

2.2.1節(jié)中確定的組合甩刀總數(shù)量為42組，因此按雙螺旋線方式排列的組合甩刀在每條螺旋線上排列的數(shù)量為21組，初始相位角分別為0°和180°；單條螺旋線上相鄰兩組甩刀軸向間距為2000/20=100 mm，單條螺旋線上相繼與秸稈接觸的甩刀的相位差為360°/20=18°。參考旋耕機的刀片排列，確定單條螺旋線上相鄰兩組甩刀的相位差φ計算公式為[31]

(5)

式中φ——單條螺旋線上相鄰兩組甩刀的相位差，(°)

θn——單條螺旋線上相繼與秸稈接觸的兩組甩刀的相位差，(°)

n——單條螺旋線上甩刀總數(shù)量，組

單條螺旋線上組合甩刀數(shù)n為21，代入式(5)確定單條螺旋線上相鄰兩組甩刀的相位差為72°。最終得到組合甩刀在粉碎刀軸上的排列如圖13所示。

圖13 組合甩刀雙螺旋線排列展開圖Fig.13 Double helix arrangement of combined flails in unfold drawing

動、定刀之間的間隙直接影響到秸稈的粉碎長度。在秸稈含水率低時，動、定刀間隙對秸稈粉碎效果影響較小，但秸稈含水率高時，秸稈的粉碎質(zhì)量會顯著降低；較小的動、定刀間隙能獲得好的秸稈粉碎質(zhì)量，但過小的動、定刀間隙易使甩刀與定刀發(fā)生碰撞，損壞工作部件和造成安全隱患。GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》中規(guī)定玉米和小麥粉碎后的長度分布不能超過100、150 mm，在同時滿足玉米和小麥秸稈要求的前提下確定相鄰兩定刀距離為100 mm，定刀排列情況如圖14所示。

圖14 定刀排列示意圖Fig.14 Arrangement of stationary blade

2.2.3粉碎刀軸設(shè)計

粉碎刀軸轉(zhuǎn)速是秸稈粉碎拋撒還田機的重要工作參數(shù)，設(shè)計時需要同時滿足對地面秸稈的有效切割和適宜的秸稈粉碎長度、拋撒均勻度等要求。粉碎刀軸轉(zhuǎn)速高，動力消耗大，機器振動和噪聲也增大。粉碎小麥等韌性較強的秸稈時需要較大的粉碎刀軸轉(zhuǎn)速，拋撒玉米等質(zhì)量較大的秸稈時也需要足夠大的粉碎刀軸轉(zhuǎn)速，因此適度提高粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速來同時滿足粉碎和拋撒要求。研究表明，切割和粉碎秸稈需要的粉碎刀尖線速度為30～48 m/s[26]，小麥秸稈的懸浮速度為2.3～4.7 m/s[32]，玉米的懸浮速度大約為7 m/s[33]，結(jié)合張佳喜等[34]提出的理論，確定粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。

粉碎刀軸回轉(zhuǎn)直徑的確定主要考慮其對整機作業(yè)效果及刀輥平衡的影響?；剞D(zhuǎn)直徑增加，回轉(zhuǎn)慣性隨之增大，但整機的工作負荷也增加。綜合機殼尺寸、秸稈留茬高度等影響因素，在保證粉碎軸強度的前提下，盡量地減少整機質(zhì)量，確定使用φ170×5無縫鋼管與兩軸頭焊接成粉碎刀軸。同時在刀軸兩端各焊接一個扇形葉片盤，扇形葉片盤上各安裝6片扇形葉片。這種帶扇形葉片的粉碎刀軸(圖11)相比傳統(tǒng)的僅依靠甩刀來粉碎和拋撒秸稈的粉碎刀軸，增加的扇形葉片能提高機殼內(nèi)氣流速度。

通過熱線風(fēng)速儀多次測量，在粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min時，秸稈粉碎拋撒還田機曲面機殼入口處和出口處氣流最高流速可達11.4、13.5 m/s。

2.3 拋撒裝置設(shè)計

秸稈拋撒裝置(圖15)主要包括導(dǎo)流板、導(dǎo)向葉片和導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置，其中導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置包括上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)、左右同步調(diào)節(jié)機構(gòu)和前后同步調(diào)節(jié)機構(gòu)。導(dǎo)流板的后端通過鉸鏈與機殼連接，導(dǎo)向葉片安裝在導(dǎo)流板下方。粉碎后的秸稈在導(dǎo)流板上的導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用下被均勻地拋撒覆蓋在秸稈粉碎拋撒還田機的后方。

圖15 拋撒裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.15 Structure diagram of spreading device1.導(dǎo)流板 2.導(dǎo)向葉片 3.連桿銷 4.短連桿 5.長連桿 6.長齒條 7.大齒輪 8.小齒輪 9.短齒條 10.左右調(diào)節(jié)板 11.螺紋調(diào)節(jié)套 12.螺紋調(diào)節(jié)軸

不同地區(qū)、作物和種植農(nóng)藝對秸稈拋撒的特性(拋撒幅寬和均勻度等)有不同的要求，秸稈粉碎拋撒還田機的作業(yè)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、秸稈量、秸稈含水率和地表狀況等)對秸稈的拋撒特性有顯著的影響，因此設(shè)計了一種導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片的工作位置，以獲得粉碎后秸稈的不同拋撒幅寬、均勻度和距離等。

2.3.1導(dǎo)向葉片排列設(shè)計

為了使粉碎后的秸稈更均勻的拋撒出曲面機殼，在曲面機殼出口處增加了一個裝有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流板，導(dǎo)向葉片能對拋撒出的秸稈起到導(dǎo)流作用。導(dǎo)流板為2 240 mm×300 mm×4 mm普通鋼板，導(dǎo)流板與曲面機殼同寬。導(dǎo)流板的中間位置沿寬度方向設(shè)置一條導(dǎo)流板條形槽，在導(dǎo)流板條形槽的左右兩側(cè)沿長度方向分別設(shè)置4個導(dǎo)流板半圓形槽，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上的位置。導(dǎo)向葉片為弧形折彎板，導(dǎo)向葉片安裝在導(dǎo)流板上。導(dǎo)向葉片之間的距離會影響導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用，從而影響粉碎后秸稈在地表覆蓋的均勻性。考慮到導(dǎo)流板的尺寸和導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)位置的限制，以及對玉米、小麥秸稈覆蓋均勻度的要求，確定在導(dǎo)流板左、右兩邊各對稱布置4個導(dǎo)向葉片，導(dǎo)向葉片的安裝位置如圖16所示。

圖16 導(dǎo)向葉片排列圖Fig.16 Arrangement of stationary blade guide vanes

2.3.2上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)為螺旋調(diào)節(jié)機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)螺紋調(diào)節(jié)套，改變螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長度，使導(dǎo)流板上下轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)安裝在導(dǎo)流板上的8片導(dǎo)向葉片的上下同步調(diào)節(jié)。上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)的作用是使導(dǎo)流板能繞曲面機殼上下轉(zhuǎn)動，從而改變安裝在導(dǎo)流板上的導(dǎo)向葉片的上下位置，進而影響流經(jīng)導(dǎo)向葉片的粉碎后秸稈的運動狀況。根據(jù)不同地區(qū)玉米和小麥種植農(nóng)藝，通過改變導(dǎo)流板與水平面的夾角，獲得不同的秸稈拋撒幅寬、均勻度和距離等。導(dǎo)流板向上或向下轉(zhuǎn)動角度過大都不利于秸稈的拋撒，設(shè)計導(dǎo)流板上、下轉(zhuǎn)動的最大角度α、β分別為20°和15°。

如圖17所示，導(dǎo)流板US處于水平位置時，螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長度為AB；當導(dǎo)流板US往上轉(zhuǎn)動α?xí)r，螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長度為lA1B；當導(dǎo)流板US向下轉(zhuǎn)動β時，螺紋調(diào)節(jié)軸和螺紋調(diào)節(jié)套的總長度為lA2B。lA1B與lA2B之差Δl即為能滿足導(dǎo)流板向上轉(zhuǎn)動α和向下轉(zhuǎn)動β所需要的調(diào)節(jié)螺紋的長度。根據(jù)螺旋機構(gòu)的基本規(guī)律可得Δl的求解公式為

(6)

其中

式中l(wèi)UA、lUC、lBC——上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)固定部件的長度，mm

圖17 上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖Fig.17 Schematic diagram of upwards-downwards synchronization regulation mechanism

由上下同步調(diào)節(jié)機構(gòu)的安裝位置參數(shù)可知，lBC=69.4 mm，lUC=220.7 mm，lUA=240.9 mm，代入式(6)可求得螺紋調(diào)節(jié)長度為123.2 mm。

2.3.3前后同步調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

前后同步調(diào)節(jié)機構(gòu)為齒輪齒條機構(gòu)，通過長齒條帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的大齒輪帶動同軸的小齒輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動的小齒輪進而帶動嚙合的短齒條使導(dǎo)向葉片前后移動。前后同步調(diào)節(jié)機構(gòu)的作用是改變導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上的前后位置，調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片前端弧形部分伸出導(dǎo)流板的長度，進而影響流經(jīng)導(dǎo)向葉片的粉碎后秸稈的運動狀況，從而改變秸稈在出口處的拋射位置。根據(jù)對秸稈拋撒均勻度的要求，通過改變導(dǎo)向葉片伸出長度，使秸稈從不同位置被拋撒出。導(dǎo)向葉片直線段的長度為150mm，為了使導(dǎo)向葉片安裝方便，確定導(dǎo)向葉片前后調(diào)節(jié)的最大距離(lHH1)為130mm。

圖18a為前后同步調(diào)節(jié)機構(gòu)向前調(diào)節(jié)的極限位置，其中G點和H點分別為小齒輪與短齒條和大齒輪與長齒條在前極限位置的嚙合點；圖18b為前后同步調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)向后調(diào)節(jié)的極限位置，其中G1點和H1點分別為小齒輪與短齒條和大齒輪與長齒條在后極限位置的嚙合點。lGG1即為能滿足導(dǎo)向葉片前后移動距離lHH1所需的長度。根據(jù)齒輪齒條機構(gòu)的基本規(guī)律可得lGG1的求解公式為

圖18 前后同步調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖Fig.18 Schematic diagram of frontwards-backwards synchronization regulation mechanism

(7)

(8)

其中

γ1=γ2

式中 lHH1——短齒條移動的距離，mmlGG1——長齒條移動的距離，mmγ1——大齒輪轉(zhuǎn)動的角度，(°) γ2——小齒輪轉(zhuǎn)動的角度，(°) m1——大齒輪模數(shù)，mmm2——小齒輪模數(shù)，mmz1——大齒輪齒數(shù) z2——小齒輪齒數(shù)

圖19 左右同步調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖Fig.19 Schematic diagram of leftwards-rightwards synchronization regulation mechanism

考慮到導(dǎo)向葉片上安裝位置的限制，查詢機械設(shè)計手冊，確定m1=2mm，m2=2mm，z1=24，z2=18，代入式(7)、(8)可求得導(dǎo)向葉片可在導(dǎo)流板上前后移動的距離lGG1=97.5mm。

2.3.4左右同步調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

左右同步調(diào)節(jié)機構(gòu)為平面連桿機構(gòu)，移動左、右兩長連桿連接部位的連桿銷帶動長連桿運動，通過長連桿帶動短連桿運動，短連桿進而帶動插入左右調(diào)節(jié)板內(nèi)的左、右兩邊的導(dǎo)向葉片沿不同方向轉(zhuǎn)動。左右同步調(diào)節(jié)機構(gòu)的作用是改變導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上的左右位置，進而改變秸稈在出口處的拋射角度。使秸稈以不同的初始角度從曲面機殼出口處被拋撒出，能獲得不同的秸稈拋撒幅寬、均勻度和距離等?？紤]到導(dǎo)向葉片在導(dǎo)流板上長度的限制，同時調(diào)節(jié)角度過大相鄰的兩導(dǎo)向葉片會阻擋秸稈的拋出，確定導(dǎo)向葉片可以左右調(diào)節(jié)的角度η為60°。

如圖19所示，K1和I1為導(dǎo)向葉片在右極限位置時短連桿和滑塊的位置，K2和I2為導(dǎo)向葉片在左極限位置時短連桿和滑塊的位置。lJK、lIK和lI1I2分別為使導(dǎo)向葉片左右調(diào)節(jié)η時所需的長連桿、短連桿和滑槽的長度。根據(jù)平面連桿機構(gòu)的基本規(guī)律可得lJK、lIK和lI1I2的求解公式為

lJK=3lF1F2

(9)

(10)

(11)

其中

lIK=lI1K1=lI2K2

式中 lF1F2——兩弧形滑槽圓心之間的距離，mm

由導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，lF1F2=265mm，lK1R=40mm，lF1K1=175mm，lF1L=127.5mm，lI1L=59.7mm，代入式(9)～(11)可求得lJK=795mm、lIK=215.2mm和lI1I2=202mm。

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

秸稈粉碎拋撒還田機的傳動系統(tǒng)由齒輪傳動機構(gòu)和帶傳動機構(gòu)2部分組成，動力從拖拉機動力輸出軸輸出，先經(jīng)變速箱錐齒輪完成第1次加速，再由帶傳動機構(gòu)完成第2次加速，帶動粉碎刀軸高速旋轉(zhuǎn)，如圖20所示。

拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速的標準值有540、720、1 100r/min3種，考慮粉碎刀軸對轉(zhuǎn)速和功率的要求，確定動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min。經(jīng)過變速箱和傳動帶2次加速使粉碎刀軸轉(zhuǎn)速達到2 100r/min，總傳動比i=2 100/540=3.89。綜合考慮傳動系統(tǒng)輪廓尺寸、潤滑條件等因素，確定i1=2.21、i2=1.76。

3 田間試驗

3.1 試驗設(shè)計

相同長度的玉米秸稈體積和質(zhì)量都比小麥秸稈大，拋撒的難度也更大，因此本文選擇玉米秸稈作為試驗對象。試驗時間為2016年10月，試驗區(qū)位于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)河北涿州農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，在夏玉米未收獲試驗田進行試驗。試驗田地面有輕微起伏，玉米種植行距為620 mm，株距為234 mm，玉米品種為P型958；玉米秸稈平均直徑為19 mm，平均高度為2 290 mm，含水率為78.4%。田間試驗及作業(yè)效果如圖21所示。

圖20 秸稈粉碎拋撒還田機傳動系統(tǒng)示意圖Fig.20 Transmission system schematic of straw chopper cum spreader1.變速箱 2.帶傳動機構(gòu) 3.粉碎刀輥

圖21 秸稈粉碎拋撒還田機田間試驗Fig.21 Field trials of straw chopper cum spreader

3.2 試驗方法

依據(jù)GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》對秸稈粉碎拋撒還田機進行田間試驗，選取秸稈粉碎長度合格率、留茬平均高度、秸稈拋撒不均勻度和秸稈拋撒幅寬作為試驗參數(shù)。拖拉機以1.8 m/s的速度前進，測定2個行程(往返)。

3.2.1秸稈粉碎長度合格率

拖拉機每個行程在測區(qū)長度方向上等間距測定3點，每點隨機測定1 m2，收集所有秸稈用振動篩清除秸稈里混有的泥土、碎石等雜物并稱量。從中選出粉碎長度不合格的秸稈(大于100 mm)稱量。計算每點秸稈粉碎長度合格率

(12)

式中i——測試點序號Fni——測點秸稈粉碎長度合格率，%Mzi——測點秸稈總質(zhì)量，kgMbi——測點不合格秸稈質(zhì)量，kg

3.2.2秸稈拋撒幅寬和不均勻度

拖拉機每個行程在測區(qū)長度方向上等間距測定3點，每點測量碎稈覆蓋寬度并計算平均拋撒幅寬。在每點隨機測定1m2，收集所有秸稈用振動篩清除秸稈里混有的泥土、碎石等雜物并稱量。計算秸稈拋撒不均勻度

(13)

其中

(14)

3.2.3秸稈平均留茬高度

拖拉機每個行程在測區(qū)長度方向上測定2點，測定每點1 m2范圍內(nèi)秸稈留茬高度并計算平均值。

3.3 試驗結(jié)果與分析

秸稈粉碎拋撒還田機田間試驗結(jié)果如表2所示。

表2 主要性能指標測試結(jié)果

秸稈粉碎拋撒還田機的多次田間試驗結(jié)果表明，在未收獲的玉米地且玉米秸稈含水率較高(75%～85%)的情況下，機具性能良好；秸稈粉碎拋撒還田機的秸稈拋撒不均勻度僅為22.95%，與GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》中規(guī)定的30%有顯著降低，拋撒均勻度提高幅度達10.07%；秸稈拋撒幅寬達2 223.3 mm，與設(shè)計的機器工作幅寬2 000 mm相比，粉碎后秸稈在橫向覆蓋寬度增加了11.165%；秸稈粉碎長度合格率達90.01%，與GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》中規(guī)定的85%提高了5.89%；秸稈平均留茬高度為62.0 mm，與GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》中規(guī)定的80 mm有顯著降低，平均留茬高度降低了22.5%。與現(xiàn)有的秸稈粉碎還田機相比，秸稈粉碎拋撒還田機能提高秸稈拋撒幅寬和均勻度。

秸稈粉碎拋撒還田機雖能較好地粉碎和拋撒秸稈，但在土壤含水率較高或地表不平整的情況下，粉碎刀會出現(xiàn)輕微的打土和拋土現(xiàn)象。因此，在后續(xù)的研究優(yōu)化中特別是機具工作幅寬較大時，需要提高行走裝置的仿形能力或采用鎮(zhèn)壓輥替代行走輪。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機，通過導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)了秸稈粉碎后的不同拋撒幅寬、均勻度和距離等可調(diào)節(jié)，以滿足不同的秸稈還田需求。秸稈粉碎拋撒還田機的田間試驗表明，在拖拉機前進速度為1.8 m/s，秸稈平均含水率為78.4%，拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min的未收獲玉米地里，秸稈粉碎長度合格率達90.01%，平均拋撒幅寬達2 223.3 mm，平均留茬高度為62.0 mm，拋撒不均勻度為22.95%，各項性能指標均滿足要求。

(2)設(shè)計了一種秸稈粉碎拋撒還田機的曲面機殼，其中曲面機殼的前殼體為對數(shù)螺旋線型。Fluent仿真分析得出曲面機殼比折線型機殼具有更好的流體流動性，為秸稈粉碎拋撒還田機機殼的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

(3) 粉碎刀軸兩端安裝有扇形葉片，在粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min時，秸稈粉碎拋撒還田機曲面機殼入口處和出口處氣流最高流速可達11.4、13.5 m/s，提高了秸稈粉碎和拋撒質(zhì)量，特別是提高了對地表倒伏秸稈的粉碎能力。

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DesignandExperimentonStrawChopperCumSpreaderwithAdjustableSpreadingDevice

ZHANG Zhiqiang HE Jin LI Hongwen WANG Qingjie JU Jiawei YAN Xionglei

(CollegeofEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China)

A straw chopper cum spreader was developed to deal with the problems of unadjustable chopped straw spreading uniformity and width. The machine which was mainly composed of a curved shell, transmission system, eight guide vanes, a deflector, a guide vane regulating device, a running gear, a hood and a straw chopping device can realize the function of crop straw chopping and chopped straw spreading. The front casing of the shell was a logarithmic spiral line surface, and the equation of the front casing was built. The comparison between curved type shell and break line type shell was made by using Fluent software, the results of which showed that the curved type shell could improve the flowability of straw in the shell. A row of stationary blades was mounted to support the chopping process of the combined flails, which could help to reduce length of the chopped straw. The distance between the stationary blade and combined flail was determined according to the chopping quality. The fan-shaped blades which were mounted on both side of the roller increased the fluid flow rate, and improved the straw feeding ability. The guide vane can guide the flow of chopped straw at the outlet of the shell, which improved the spreading uniformity of the chopped straw. The guide vane regulating device can control the spreading width, velocity and uniformity of the chopped straw by adjusting the guide vanes position on the deflector. The structural parameters of the guide vane regulating device were determined according to the features of mechanisms. Field experiment results showed that with the forward speed of 1.8 m/s, straw moisture of 78.4%, and PTO rotation speed of 540 r/min in the unharvested cornfield, the machine could achieve a qualification rate of straw chopping of 90.01%, spreading width of 2 223.3 mm, average stubble height of 62.0 mm, and spreading unevenness of 22.95%. The performance indexes of the machine satisfied the agronomic requirements of returning straw onto soil surface. The research can provide some references for the design of new chopper with good straw chopping and spreading ability.

straw returning； combined flails； curved type shell

S224.29

A

1000-1298(2017)09-0076-12

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.010

2016-12-18

2017-03-02

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201503136)和教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT13039)

章志強(1990—)，男，博士生，主要從事保護性耕作秸稈還田機具研究，E-mail： 1208998732@qq.com

何進(1979—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護性耕作研究，E-mail： hejin@cau.edu.cn