宋健鵬，林 靜，馬 鐵，呂秋立，田 陽(yáng)

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110161)

旋轉(zhuǎn)鍬式玉米秸稈深埋還田機(jī)的設(shè)計(jì)

宋健鵬，林 靜，馬 鐵，呂秋立，田 陽(yáng)

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110161)

針對(duì)目前秸稈存在隨意堆放、大面積焚燒和利用率低等問(wèn)題,在研究國(guó)內(nèi)外秸稈還田機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)鍬式還田機(jī)。利用Solid Works軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)鍬式玉米秸稈深埋還田機(jī)進(jìn)行了三維建模，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)鍬和刀軸進(jìn)行了有限元分析。力學(xué)分析表明：應(yīng)力主要集中在刀片背后彎曲部分，在正切刃部分變形最大。模態(tài)分析表明：工作時(shí)刀軸的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于固有頻率范圍內(nèi)的最小頻率，不會(huì)發(fā)生共振。研究成果可為秸稈深埋還田機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

秸稈深埋還田機(jī)；旋轉(zhuǎn)鍬；有限元分析；模態(tài)分析

0 引言

作物秸稈問(wèn)題涉及到土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、水土保持及再生資源有效利用等可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。農(nóng)作物秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀和微量元素成分，是我國(guó)重要的有機(jī)肥源之一[1]。大量研究表明，秸稈還田能夠有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤，特別對(duì)緩解我國(guó)氮、磷、鉀肥比例失調(diào)的矛盾，彌補(bǔ)磷、鉀化肥不足有十分重要的意義，也可以解決我國(guó)因秸稈過(guò)剩而產(chǎn)生的堆集、焚燒造成的環(huán)境污染問(wèn)題。

從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，我國(guó)農(nóng)機(jī)工作者在引進(jìn)國(guó)外農(nóng)業(yè)科研成果的基礎(chǔ)上，先后研發(fā)了與秸稈、根茬粉碎還田和整株還田相關(guān)的各種作業(yè)機(jī)具[2-4]。1974年，依據(jù)旋轉(zhuǎn)鍬[5]工作原理，江蘇東臺(tái)縣根據(jù)綠肥埋青的要求研究設(shè)計(jì)了一種綠肥翻青機(jī)。1979年，江蘇鹽城研制出了可以在沙質(zhì)土壤并且含水率較低時(shí)作業(yè)的反轉(zhuǎn)旋耕埋青機(jī)。1981年，中國(guó)農(nóng)科院鄭州果樹(shù)所依據(jù)旋轉(zhuǎn)鍬的工作原理，設(shè)計(jì)改裝了用于沙質(zhì)土壤果園綠肥翻青的1GF-150型旋耕機(jī)，但在粘性土壤地作業(yè)時(shí)效果不理想[6]。熊元芳設(shè)計(jì)了一種以手扶拖拉機(jī)為動(dòng)力，集埋草、切草、碎土、旋耕于一體的1GMS-69型水田埋草旋耕機(jī)，能夠?qū)⑺镏械牡緱U、高茬、綠肥等直接還田[7]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的集壓桿、旋耕、碎土、深埋、平地等功能一體的1GMC-70型船式旋耕埋草機(jī)，可將稻稈、雜草、綠肥等一次性深埋還田[8]。為了更好地實(shí)現(xiàn)還田作業(yè)，本文設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)鍬式秸稈還田機(jī)，在性能上兼有旋耕機(jī)和鏵式犁的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行深耕、翻垡而又不堵塞且能耗低，作業(yè)后地表平整。

為保證旋轉(zhuǎn)鍬在作業(yè)中有足夠的剛度和強(qiáng)度，通過(guò)ANSYS對(duì)旋轉(zhuǎn)鍬進(jìn)行靜力分析，分析旋轉(zhuǎn)鍬在作業(yè)時(shí)的變形和應(yīng)力情況。為確定其在作業(yè)中具有良好的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)旋轉(zhuǎn)鍬刀軸進(jìn)行了模態(tài)分析，得到其低階振動(dòng)的固有頻率及振動(dòng)模態(tài)圖。

1 整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)鍬式玉米秸稈深埋還田機(jī)主要由機(jī)架、懸掛裝置、傳動(dòng)裝置、清壟裝置、旋轉(zhuǎn)鍬及覆土鎮(zhèn)壓裝置等組成，如圖1所示。

1.地輪 2.懸掛架 3.減速器 4.清壟裝置 5.機(jī)架 6.旋轉(zhuǎn)鍬 7.覆土裝置 8.鎮(zhèn)壓裝置圖1 旋轉(zhuǎn)鍬式玉米秸稈深埋還田機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotating spade type maize straw buried counters-field set

該機(jī)選擇與功率大于36.75kW的輪式拖拉機(jī)配套使用，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min，經(jīng)減速器減速后刀軸轉(zhuǎn)速為65r/min，本設(shè)計(jì)取秸稈還田機(jī)的前進(jìn)速度為2.34km/h，約為0.65m/s。

1.2 工作原理

秸稈還田機(jī)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接，工作時(shí)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱將動(dòng)力傳到旋轉(zhuǎn)刀軸，刀軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)鍬完成翻垡作業(yè)；機(jī)組不斷前進(jìn)，刀片連續(xù)不斷地對(duì)未作業(yè)耕地進(jìn)行切削；覆土鎮(zhèn)壓裝置將作業(yè)后翻起的壟溝進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)秸稈深埋。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)鍬的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)鍬是秸稈深埋還田機(jī)的核心工作部件，主要由刀軸、刀片、刀盤(pán)和托土板等組成，如圖2所示。刀盤(pán)焊接在刀軸上，刀片通過(guò)螺栓安裝在刀盤(pán)上，每個(gè)刀盤(pán)安裝3把刀片；刀的背后裝有托土板(裝在刀盤(pán)的內(nèi)側(cè))。工作時(shí)，刀片切開(kāi)土垡，托土板和刀片一起將垡片帶到后面；刀片向上提起垡片時(shí)，垡片脫離托土板而滑下。該部件工作的特點(diǎn)在于具有托土板。

1.刀軸 2.刀片 3.刀盤(pán) 4.托土板圖2 旋轉(zhuǎn)鍬結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotary spade

若要保證土垡能夠順利從刀片上滑下，應(yīng)該使刀片下滑平面的下滑力大于土粒重力、離心力的分量，以及土粒與刀片間的外摩擦力之和，受力分析如圖3所示。

根據(jù)圖3 作用在旋轉(zhuǎn)鍬刀片上土粒M 的受力分析可得

mgsin(α-β)≥um[ω2rcosβ+

gcos(α-β)]+mω2rsinβ

(1)

若α>αc土垡將會(huì)被拋出，αc應(yīng)滿足

(2)

式中m—土粒M 的質(zhì)量；

g—重力加速度；

α—離心力與豎直方向上的夾角；

β—刀片安裝角，β≈ 20°～30° ；

u—摩擦因數(shù)；

ω—旋轉(zhuǎn)角速度；

αc—土粒拋出時(shí)的臨界角度。

刀軸轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足

(3)

圖3 作用在旋轉(zhuǎn)鍬刀片上土粒M的受力分析Fig.3 Stress analysis in rotating blade shovel soil particles M

2.2 清壟裝置的設(shè)計(jì)

清茬裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。左右清茬裝置分別安裝在機(jī)具的左右橫梁上，并且與機(jī)器前進(jìn)方向偏斜一定角度α。機(jī)器前進(jìn)時(shí)，呈螺旋線形的刀刃在土壤阻力的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時(shí)切斷殘茬并將其推向壟溝內(nèi)。

1.清壟盤(pán) 2.清壟連桿 3.固定板圖4 清壟裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of stubble cleaning device

清壟寬度的大小取決于清茬輪半徑R與機(jī)器前進(jìn)方向的夾角α。清茬輪半徑不宜過(guò)大，否則會(huì)使回轉(zhuǎn)角速度過(guò)大，不利于清壟。選取清茬輪半徑R=165mm，α=30°。為減少清茬輪動(dòng)土，可將入土深度h設(shè)為20 mm。清壟寬度計(jì)算公式[9-10]為

(4)

式中L—清茬輪清壟長(zhǎng)度。

通過(guò)計(jì)算可得到清壟寬度b=80mm，基本能夠滿足清壟要求。

2.3 覆土鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)

在鎮(zhèn)壓前，通過(guò)擋土板對(duì)土壤進(jìn)行覆土。鎮(zhèn)壓裝置采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)的寬幅橡膠輪，地輪鎮(zhèn)壓幅寬為300mm，地輪直徑為300mm。

3 工作部件的有限元分析

3.1 旋轉(zhuǎn)鍬刀片三維模型的建立

旋轉(zhuǎn)鍬刀片形狀較復(fù)雜，刀片的側(cè)切刃是向外彎曲的形狀。這種形狀除了能保持適度的滑切角外，還能由遠(yuǎn)及近的切開(kāi)土垡，即工作時(shí)在刀軸中心較遠(yuǎn)處先接觸土壤，然后逐漸向前和向深處切土。在Solid Works中建立三維模型，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)鍬刀片實(shí)體模型Fig.5 Rotary shovel blade solid model

3.2 旋轉(zhuǎn)鍬刀片的有限元分析

3.2.1 前期處理及劃分網(wǎng)格

將Solid Works中建立好旋轉(zhuǎn)鍬刀片的三維模型以IGS格式進(jìn)行保存，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，然后定義旋轉(zhuǎn)鍬刀片的材料為65Mn鋼，設(shè)置單元尺寸為3mm，設(shè)置網(wǎng)格尺寸，劃分網(wǎng)格并細(xì)化網(wǎng)格，共生成242 073個(gè)節(jié)點(diǎn)、13 994個(gè)單元。

3.2.2 邊界條件的定義

利用ANSYS對(duì)旋轉(zhuǎn)鍬刀片進(jìn)行有限元分析，目的是分析刀片在工作時(shí)的變形和應(yīng)力大小，校核刀片的強(qiáng)度，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化旋轉(zhuǎn)鍬刀片結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備。在旋轉(zhuǎn)鍬刀片安裝孔位置處施加固定約束，并分別在側(cè)切刃、過(guò)度面刃和正切刃處施加垂直于刃口方向大小為5MPa的載荷[11]。

3.2.3 分析結(jié)果

旋轉(zhuǎn)鍬刀片是秸稈還田機(jī)的主要工作部件，刀片質(zhì)量的好壞和壽命的長(zhǎng)短能夠直接影響機(jī)具工作的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)鍬刀片的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分布圖，如圖6～圖8所示。從圖6～圖8可以看出：在離固定約束最遠(yuǎn)處(即正切刃部分)刀片總變形最大，表明最遠(yuǎn)處剛度最差，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其剛度，刀柄處變形最??；在刀片背后彎曲部分所受應(yīng)力較大，在刀柄和正切刃部分應(yīng)力較小，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意；應(yīng)變的最大處和最小處和應(yīng)力的分析結(jié)果基本一致。

圖6 位移分布圖Fig.6 The displacement nephogram

圖7 應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress nephogram

圖8 應(yīng)變分布圖Fig.8 Strain nephogram

3.3 刀軸的模態(tài)分析

模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀的方法，一般應(yīng)用在工程振動(dòng)領(lǐng)域。模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。一般情況下，低階振動(dòng)特性對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響較為明顯，低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

對(duì)刀軸進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，在各?jié)點(diǎn)處建立平衡方程組，整理后得到運(yùn)動(dòng)方程為[12]

(5)

式中 [M]—質(zhì)量矩陣；

[C]—阻尼矩陣；

[K]—?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

[F]—外載荷矩陣；

{u}—節(jié)點(diǎn)位移向量；

模態(tài)分析是在無(wú)阻尼狀態(tài)下且不考慮外部載荷的條件下進(jìn)行的，即[C]=0，{F(t)}=0。因此，式(5)可簡(jiǎn)化成模態(tài)向量Φi與振動(dòng)頻率ωi的關(guān)系方程式為[13]

([K]-ωi2[M]){Φi}=0

(6)

式中 {ωi}—第i階自然振動(dòng)頻率；

{Φi}—第i階模態(tài)形狀的特征向量。

求解式(6)，即可得出系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)向量，從而得到模態(tài)振型。

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于不考慮外部載荷的影響，只需要對(duì)刀軸的兩側(cè)施加零位移約束即可。還田機(jī)在工作時(shí)各種激振頻率相對(duì)較低，因此只需要考慮接近這些頻率的低階固有模態(tài)[14-15]。施加約束求解，得到前6階的固有頻率如表1所示，振型如圖9所示。

表1 刀軸的固有頻率

圖9 刀軸的模態(tài)振型圖Fig.9 Modal shape of the cutter shaft

由表1可以看出：前6階固有頻率的分布范圍在744～3541Hz之間，振型的彎曲程度反映了刀軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)彎曲變形的程度。還田機(jī)作業(yè)時(shí)刀軸轉(zhuǎn)速為75r/min，轉(zhuǎn)化成頻率約是1.25Hz，遠(yuǎn)小于固有頻率范圍內(nèi)的最小頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振，設(shè)計(jì)安全合理。

3.4 基于MatLab的刀端軌跡運(yùn)動(dòng)

機(jī)具工作時(shí)，刀片一面旋轉(zhuǎn)，一面隨機(jī)組前進(jìn)，因此刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡是機(jī)組前進(jìn)和刀軸旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成。刀端的軌跡方程為[16]

x=Rcosωt+vmt

(7)

y=Rsinωt

(8)

式中R—刀端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(m)；

ω—刀軸旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

t—時(shí)間(s)；

vm—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)。

選取刀端點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R=0.4m，機(jī)組前進(jìn)速度vm=0.8m/s，轉(zhuǎn)速n=75r/min，將刀端的軌跡運(yùn)動(dòng)方程經(jīng)編程后輸入MatLab中得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，橫坐標(biāo)與機(jī)具前進(jìn)方向一致，縱坐標(biāo)是豎直方向上的位移。刀端軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖10所示。

圖10 刀端軌跡運(yùn)動(dòng)圖Fig.10 Knife trajectory motion diagram

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)秸稈還田機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析探討，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種秸稈深埋還田機(jī)，并確定了整體結(jié)構(gòu)。

2)運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)鍬刀片和刀軸進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：在外力的作用下，應(yīng)力主要集中在刀片背后彎曲部分，刀尖處的變形最大；還田機(jī)工作時(shí)刀軸轉(zhuǎn)速為75r/min，遠(yuǎn)小于固有頻率對(duì)應(yīng)的最低轉(zhuǎn)速，因此不會(huì)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3)通過(guò)MatLab對(duì)旋轉(zhuǎn)鍬刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡分析可知：只有當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速與機(jī)組前進(jìn)速度的比值一定時(shí)，刀端軌跡才能保持一致。

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Design and Test of Rotating Spade Type Maize Straw Returning Root Deep Machine

Song Jianpeng , Lin Jing , Ma Tie , Lv Qiuli , Tian Yang

(College of Engineering , Shenyang Agricultural University , Shenyang 110161 , China )

Facing with the problems of the straw pill up at will , straw large area burning and low utilization rate of straw after harvest ,on the basis of the research on the development status of straw returning machine at home and abroad, design a kind of rotary spade field straw chopper. Using Solid Works for three-dimensional modeling, using ANSYS software for its key components rotating spade and knife shaft for finite element analysis. Mechanics analysis shows that, the stress mainly concentrated in behind the blades bend parts, the maximum deformation in tangent blade. The modal analysis showed that the work is far lower than the natural frequency of vibration frequency range of the minimum frequency, resonance will not occur. The research results provide reference for the design and improvement of deep field straw chopper.

straw returning root deep machine; rotary spade; finite element method; static analysis

2016-12-02

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503116-09);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275318)

宋健鵬(1991-)，男，山東蓬萊人，碩士研究生，(E-mail)990263110@qq.com。

林 靜(1967-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)synydxlj69@163.com。

S224.29

A

1003-188X(2018)02-0095-05