孫景彬，李學(xué)強(qiáng)，王相友

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馬鈴薯殺秧機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

孫景彬1，李學(xué)強(qiáng)2，王相友1

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091；2.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，山東 德州 253600)

馬鈴薯收獲前的殺秧處理對(duì)后期的收獲效率及馬鈴薯品質(zhì)有著非常顯著的影響。為此，針對(duì)當(dāng)前馬鈴薯殺秧機(jī)存在作業(yè)效率低、留茬高度不均勻及帶薯率高等問題，設(shè)計(jì)了一款新型高效的馬鈴薯殺秧機(jī)。本機(jī)可根據(jù)不同地塊、不同馬鈴薯品種的需要調(diào)節(jié)留茬高度，提高了后續(xù)收獲的流暢性；刀具采用甩刀的形式并在殺秧軸上呈仿壟形分布，極大降低了帶薯率及傷薯率。同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的部件均滿足強(qiáng)度要求。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：殺秧效率明顯提高，留茬高度均勻，帶薯率顯著降低，均滿足馬鈴薯的殺秧作業(yè)要求。本研究對(duì)提高馬鈴薯殺秧機(jī)的作業(yè)效率及后續(xù)收獲效率、更好地適用于馬鈴薯的大規(guī)模收獲具有重要意義。

馬鈴薯；殺秧機(jī)；甩刀；仿壟形；有限元分析

0 引言

十三五期間，為了貫徹落實(shí)新形勢(shì)下糧食安全戰(zhàn)略部署，國家啟動(dòng)了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，且馬鈴薯將成為國內(nèi)繼三大主糧之后的第四大主糧作物[1-3]，因此實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全程機(jī)械化迫在眉睫。

目前，在馬鈴薯收獲過程中均需要?dú)⒀硖幚?，這樣可提高收獲效率，促進(jìn)薯皮老化，進(jìn)而有效地降低馬鈴薯在收獲過程中的破皮率。此外，殺秧處理對(duì)減小收獲機(jī)薯秧分離器負(fù)載、提高薯秧分離效率及降低故障率具有重要意義[5]。國內(nèi)馬鈴薯殺秧機(jī)械明顯落后于國外[4]，其主要代表有中機(jī)美諾1804型殺秧機(jī)[8]、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的小型殺秧機(jī)[7]及甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的甩刀式殺秧機(jī)[4]等。國內(nèi)現(xiàn)有殺秧機(jī)存在一系列問題，如莖秧易纏繞機(jī)器、打碎長度不均、易帶薯及護(hù)罩粘土嚴(yán)重等，導(dǎo)致國內(nèi)殺秧機(jī)械主要依靠進(jìn)口來滿足需要。因此，國內(nèi)市場(chǎng)急需一款穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)及工作效率高的馬鈴薯殺秧機(jī)[5]。

本文通過對(duì)殺秧刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)及排列方式的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款新型四壟仿壟形殺秧機(jī)，該機(jī)可以根據(jù)不同的留茬高度要求完成殺秧作業(yè)，作業(yè)效率明顯提高，秧草纏機(jī)率、帶薯率顯著降低，為馬鈴薯殺秧機(jī)的進(jìn)一步研究提供了參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

4JM-360B型懸掛式馬鈴薯殺秧機(jī)采用仿壟形設(shè)計(jì)，用于馬鈴薯收獲前殺秧處理，可一次完成薯秧切除及梳理分流作業(yè)，為后續(xù)的高效低能耗收獲提供條件。本機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、殺秧軸、地輪及導(dǎo)流隔板等組成，如圖1所示。

1.地輪 2.導(dǎo)流隔板 3.殺秧軸 4.機(jī)架 5.殺秧刀

殺秧作業(yè)過程中，拖拉機(jī)牽引馬鈴薯殺秧機(jī)沿薯壟方向前進(jìn)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)與變速箱連接[5]，變速箱通過兩側(cè)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳至兩側(cè)皮帶輪，經(jīng)過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)殺秧軸，進(jìn)而帶動(dòng)鉸接在殺秧軸上的殺秧刀做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；高速旋轉(zhuǎn)的殺秧刀將莖秧及雜草切割、打碎，導(dǎo)流隔板將秧苗及雜草分向兩側(cè)的壟溝[5]。

1.2 殺秧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文嚴(yán)格按照馬鈴薯的農(nóng)藝技術(shù)要求設(shè)計(jì)了馬鈴薯殺秧機(jī)，以滿足市場(chǎng)需求及便于推廣。該機(jī)采用甩刀式殺秧刀，可根據(jù)不同地塊和不同馬鈴薯品種的壟距需求進(jìn)行調(diào)整裝配，提高了機(jī)具的適用性，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 殺秧機(jī)主要工作技術(shù)參數(shù)

2 主要部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)裝置

為了保證馬鈴薯殺秧機(jī)在殺秧作業(yè)過程中，保持殺秧軸的工作平穩(wěn)性，該機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩條傳動(dòng)路線同步驅(qū)動(dòng)殺秧軸，其動(dòng)力傳動(dòng)路線：拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸→變速箱→大帶輪→小帶輪→殺秧軸。其傳動(dòng)路線如圖2所示。

殺秧機(jī)工作過程中，由于地勢(shì)不平及薯壟形狀不一，殺秧刀易與石塊或薯壟相碰撞，極易產(chǎn)生不均勻的載荷沖擊。因此，為了緩和載荷沖擊采用帶傳動(dòng)，其工作狀態(tài)比較平穩(wěn)，即使出現(xiàn)過載，帶傳動(dòng)發(fā)生打滑亦可防止其他部件的損壞。

傳動(dòng)比的分配[4]。已知拖拉機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速n1為540r/min，為了得到殺秧軸的合理轉(zhuǎn)速取n2為1 300r/min。殺秧機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪傳動(dòng)比及皮帶輪傳動(dòng)比至關(guān)重要，對(duì)殺秧機(jī)有關(guān)傳動(dòng)比進(jìn)行分析，則

i=n1/n2

(1)

i1=z1/z2

(2)

i2=d1/d2

(3)

is=i1·i2

(4)

式中i—理論傳動(dòng)比；

n1—輸入軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；

n2—?dú)⒀磔S的轉(zhuǎn)速(r/min)；

i1—齒輪傳動(dòng)比；

z1—輸入軸齒輪齒數(shù)；

z2—輸出軸齒輪齒數(shù)；

i2—皮帶輪的傳動(dòng)比；

d1—小皮帶輪的節(jié)圓直徑(mm)；

d2—大皮帶輪的節(jié)圓直徑(mm)；

is—實(shí)際總傳動(dòng)比。

經(jīng)計(jì)算得，i

2.2 秧草導(dǎo)流隔板的設(shè)計(jì)

在殺秧作業(yè)過程中，殺秧刀打碎的薯秧、雜草會(huì)被拋到殺秧機(jī)的護(hù)罩上。為了便于將打碎的薯秧、雜草進(jìn)行導(dǎo)向分流，進(jìn)而將其均勻地鋪放到壟溝中，為后續(xù)的高效率、高質(zhì)量收獲提供保障，本文設(shè)計(jì)了秧草導(dǎo)流隔板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.小皮帶輪 2.大皮帶輪 3.機(jī)殼 4.大齒輪 5.輸入軸

圖3 秧苗導(dǎo)流示意圖

其工作原理為：在機(jī)具前進(jìn)過程中，打碎的薯秧、雜草會(huì)隨高速旋轉(zhuǎn)的殺秧刀旋轉(zhuǎn)進(jìn)而拋撒到殺秧機(jī)的護(hù)罩上，并沿著秧草導(dǎo)流隔板滑落至壟溝。其中，A向表示薯秧、雜草拋撒方向；B向表示殺秧機(jī)前進(jìn)方向。

2.3 地輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)

地輪為殺秧機(jī)的行走支撐裝置，是殺秧機(jī)械中較為關(guān)鍵的部件。為了滿足不同地塊、不同馬鈴薯品種的需求，需要調(diào)整殺秧機(jī)與地面的高度，進(jìn)而保證合理的留茬高度。

現(xiàn)有殺秧機(jī)是通過地輪上的調(diào)整拉桿來調(diào)整殺秧機(jī)與地面的高度，較為繁瑣，且不能根據(jù)壟距的大小調(diào)整地輪位置，適應(yīng)性比較差。故對(duì)其作出相應(yīng)的改進(jìn)，改進(jìn)后的地輪如圖4所示。

1.調(diào)節(jié)孔 2.機(jī)架 3.調(diào)節(jié)桿 4.地輪

新殺秧機(jī)地輪利用調(diào)節(jié)桿調(diào)整，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿來完成地輪高度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制秧茬的高度。此外，改進(jìn)后的地輪可以沿著機(jī)架做橫向的調(diào)節(jié)，從而可以根據(jù)壟距的大小改變地輪的位置，與改進(jìn)前的地輪裝置相比較，結(jié)構(gòu)更加簡便，適應(yīng)能力更強(qiáng)。

2.4 殺秧刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為避免在殺秧作業(yè)過程中對(duì)馬鈴薯的損傷，需根據(jù)馬鈴薯種植的壟形特點(diǎn)，將殺秧刀在殺秧軸上的排布設(shè)計(jì)為仿壟形[5]。此外，為提高殺秧作業(yè)的質(zhì)量和效率，殺秧刀采用甩刀形式鉸接到殺秧軸上，并呈雙螺旋分布，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4.1 殺秧刀的設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有馬鈴薯殺秧機(jī)使用的殺秧刀存在一系列的問題，導(dǎo)致殺秧效率低、留茬高度不均，進(jìn)而影響后續(xù)的收獲質(zhì)量和效率。因此，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[5]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.外軸 2.甩刀固定盤 3.旋轉(zhuǎn)軸 4.內(nèi)軸

(a) 壟頂短刀 (b) 壟側(cè)斜刀

(c) 壟溝長條折彎刀 (d) 壟溝長條刀

(e) 壟溝短條刀

為了滿足殺秧刀在殺秧軸上成仿壟形排布，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不一的殺秧刀(見圖6)，所有殺秧刀均采用鉸接的方式與銷軸連接，且連接孔直徑為35mm，以保證殺秧刀可適當(dāng)?shù)刈杂伤?dòng)[5]。為了滿足仿壟形的需要，將壟側(cè)刀設(shè)計(jì)為斜刀形式；為了便于對(duì)薯秧進(jìn)行滑切，減少切削阻力[5]，將壟頂短刀和壟側(cè)斜刀的工作面設(shè)計(jì)為圓弧狀，以利于泥土和秧草碎屑的滑落。若壟頂短刀和壟側(cè)斜刀的圓弧半徑過小，會(huì)造成應(yīng)力集中；反之，則會(huì)影響殺秧的效果。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行優(yōu)化分析，取壟頂短刀的圓弧半徑R=75mm，壟頂斜刀的圓弧半徑R1=95mm。

此外，現(xiàn)有殺秧刀沒有開刃，導(dǎo)致留茬高度不均，故對(duì)殺秧刀進(jìn)行開刃處理?？紤]到殺秧刀刃角的大小會(huì)直接影響其殺秧性能和使用壽命，因此取殺秧刀刃角為35°，經(jīng)試驗(yàn)，殺秧的質(zhì)量明顯提高。

為了增加殺秧刀與薯秧的接觸面積，并提高對(duì)其的聚斂效果，將壟溝刀設(shè)計(jì)為折彎刀形式，如圖6(c)所示。若刀具前端的折彎角度較小，秧草極易纏繞其上；反之，則起不到聚斂薯秧的作用。經(jīng)初步試驗(yàn)分析，取折彎角度40°較為合適。此外，刀具進(jìn)行開刃處理，角度取35°，有效降低了粘土量。刀刃處進(jìn)行淬火處理，可大幅度提高殺秧刀的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度等性能。

靠近折彎刀的部位，設(shè)計(jì)了長條刀和短條刀，如圖6(d)、圖6(e)所示。折彎刀一側(cè)的長條刀可將折彎刀所聚斂的薯秧打碎；短條刀靠近長條刀排布，由于壟溝中的莖秧相對(duì)較為疏松，故其工作面積相對(duì)較小，工作表面主要是前端。

殺秧刀在殺秧軸的排列效果如圖7所示。

1.刀軸固定盤 2.壟溝短條刀 3.壟溝長條刀 4.壟溝長條折彎刀 5.壟側(cè)斜刀 6.壟頂短刀 7.刀軸 8.殺秧刀固定板 9.立式座軸承 10.小皮帶輪

2.4.2 甩刀在刀軸上的排布

殺秧刀在殺秧軸上的分布會(huì)直接影響殺秧的效果，且分布的形式是多種樣式的[4]。本文設(shè)計(jì)的殺秧機(jī)采用兩條殺秧軸，每條軸安裝46把殺秧刀并呈雙螺旋對(duì)稱形式分布，其分布如圖8所示。

圖8 殺秧刀分布展開圖

圖8中，橫軸表示每條螺旋線上的23把殺秧刀，從左至右第1、3、5條線代表一條螺旋線的展開，第2、4條線代表另一條螺旋線的展開；縱軸代表刀具之間的螺旋升角，5種形狀分別表示5種不同形式的殺秧刀。

殺秧刀在殺秧軸上的軸向分布比較均勻，且刀具在殺秧軸上的螺旋升角相同，均為30°，可有效保證殺秧軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)受力平衡，提高殺秧作業(yè)過程中的穩(wěn)定性[4]。

3 殺秧刀的有限元分析

為了保證殺秧刀的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等方面的要求，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的殺秧刀進(jìn)行有限元分析，從而得到在所受載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具強(qiáng)度、穩(wěn)定性的校核。

3.1 創(chuàng)建有限元模型

1)導(dǎo)入殺秧刀的三維模型。將SolidWorks所建立的實(shí)體模型經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理后導(dǎo)入到ANSYS軟件中[10]。

2)設(shè)置殺秧刀材料屬性。殺秧刀的材料為65Mn，該材料的密度為7.81×103kg/m2，楊氏彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為430MPa[10]。

3)劃分網(wǎng)格。對(duì)定義好材料屬性的殺秧刀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格劃分形式，最終生成的殺秧刀網(wǎng)格體如圖9所示。

圖9 殺秧刀網(wǎng)格劃分

3.2 對(duì)壟溝長條折彎刀進(jìn)行有限元分析

付玉進(jìn)了衛(wèi)生間，我聽到里面水龍頭的嘩嘩聲。像細(xì)雨打擊著竹林，又像雨水沖刷著老城墻上的屋檐，雨中夾雜著風(fēng)聲和奇異的香味，這種香味，變成了欲望的泡沫，在我骨頭里翻滾竄動(dòng)，我穿著短褲，感到一條泥鰍要從褲襠里蹦出來。

測(cè)定切割馬鈴薯莖稈時(shí)甩刀的切割阻力為72.4～120.9N，設(shè)計(jì)的刀片厚度為6～8 mm[10]。因此，在刀具的受力位置處施加均布載荷，經(jīng)計(jì)算，所需施加載荷的大小為0.02 MPa，分析結(jié)果如圖10所示。

(a) (b)

圖10(a)為總變形分布云圖。其中，最大的變形區(qū)域?yàn)榈毒咔邢魅星岸?，最小變形區(qū)為刀具與軸的鉸接處，大約為0.21mm，變形量很小，可以忽落不計(jì)[10]，故滿足變形要求，可以較好地保證刀具的工作性能。圖10(b)為等效應(yīng)力分布云圖。其最大的應(yīng)力分布區(qū)為刀具的中上部扭轉(zhuǎn)處，約為9.70MPa，最小應(yīng)力刀頂端部位，值約3.67×10-6MPa，最大應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀具的屈服極限強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

運(yùn)用同樣的方法對(duì)其它的殺秧刀作有限元分析，其分析結(jié)果如圖11所示。

通過上述有限元靜力學(xué)分析，完成對(duì)所有殺秧刀的應(yīng)力和變形校核，基本滿足強(qiáng)度要求，為加工生產(chǎn)提供了較為可靠的理論依據(jù)。

(a) 短刀

(b) 斜刀

(c) 短條刀

(d) 長條刀

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

在馬鈴薯收獲前，對(duì)改進(jìn)后的4JM-360B型懸掛式馬鈴薯殺秧機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，選用約翰迪爾1254型四輪驅(qū)動(dòng)式拖拉機(jī)，配套動(dòng)力為88.2kW，作業(yè)速度取5km/h，殺秧軸轉(zhuǎn)速為1 300r/min[11]，進(jìn)行四壟殺秧試驗(yàn)。殺秧前，根據(jù)殺秧的具體要求來調(diào)整地輪得到合理的留茬高度，如圖12所示。

圖12 田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在田間進(jìn)行多次試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果取平均值[6]，并與GB5262-2008農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件與測(cè)定方法的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的比較[14]，結(jié)果如表2所示。

表2 殺秧機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，與原有殺秧機(jī)的工作性能相比較，有了較為明顯的提升。

5 結(jié)論

1)在原有兩壟馬鈴薯殺秧機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了四壟改進(jìn)設(shè)計(jì)，大大提升了殺秧的工作效率，降低了能耗；對(duì)地輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了殺秧機(jī)的適應(yīng)性；秧草導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)，可將打碎的薯秧、雜草均勻地鋪放到壟溝中；對(duì)殺秧刀在殺秧軸上的分布方式進(jìn)行了改進(jìn)，提高了殺秧機(jī)的仿壟形效果。

2)對(duì)殺秧刀進(jìn)行了有限元分析，通過殺秧刀的變形、應(yīng)力云圖分析得出所設(shè)計(jì)的殺秧刀滿足強(qiáng)度要求，為后續(xù)加工生產(chǎn)提供了較為可靠的理論依據(jù)。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的4JM-360B型懸掛式馬鈴薯殺秧機(jī)的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)要優(yōu)于指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足馬鈴薯的殺秧作業(yè)要求。

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Optimization Design and Analysis of Potato Seedling Cutter

Sun Jingbin1, Li Xueqiang2, Wang Xiangyou1

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China; 2.Shandong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co., Ltd., Dezhou 253600,China)

Seedling cutting operation before the harvest of potato has a very significant impact on the potato harvest efficiency and potato quality. How to design the important component of seedling cutter has become a major problem affecting the efficiency of operation.According to the current machine low operation efficiency, stubble highly inhomogeneous and potato carrying rate higher, design a new type potato seedling killing machine. This machine can regulate the stubble height according to the needs of different plots and potato varieties and improve the efficiency of the subsequent harvest; cutting tool with a flail and seedling cutting shaft is imitation of the ridge shape, greatly reducing the potato carrying rate and damage rate.The prototype was tested in the field and results show that: cutting efficiency increased significantly, the stubble height uniform, potato carrying rate was significantly lower, and meet the operating requirements. This study has important significance on improving cutting and subsequent harvest efficiency.

potato; seedling cutting machine; knife; improvement; finite element analysis

2016-08-19

國家中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(13C26213703376)

孫景彬(1992-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)1414599006@qq.com。

王相友(1961-)，男，山東高密人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wxy@sdut.edu.cn。

S225.7+1

A

1003-188X(2017)07-0083-06