彭曼曼,呂金慶,孫 賀,于佳鈺
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,哈爾濱 150030)
近年來,隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的提出,馬鈴薯已成為第四大糧食作物,其種植面積的逐年攀升,在解決發(fā)展中國家糧食安全問題上發(fā)揮了重要作用。鑒于馬鈴薯大面積種植情況,馬鈴薯收獲前的殺秧工作也越來越被重視。使用殺秧機打秧是馬鈴薯收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。收獲前的殺秧工作可以減輕工作強度,提高收獲機的作業(yè)速度,從而提高了收獲效率;提高了收獲機分離質(zhì)量,降低了分離器的故障率;加速馬鈴薯表皮木栓化,降低了馬鈴薯在收獲過程中的磕碰傷,確保塊莖不受病蟲害感染;同時,避免了運用化學(xué)殺秧劑對環(huán)境造成污染。因此,殺秧已成為收獲過程中不可缺少的一部分。
國外馬鈴薯殺秧機研究起步較早,馬鈴薯殺秧機的種類較多,技術(shù)也比較成熟,尤其是對甩刀的結(jié)構(gòu)和排列方式有很深入的研究,機具各項結(jié)構(gòu)比較完善,殺秧效果好。國內(nèi)馬鈴薯殺秧機起步晚,從田間作業(yè)效果來看,存在打碎長度合格率差、帶薯率高及護(hù)罩上土壤粘著嚴(yán)重等問題;另外,馬鈴薯秧長度殘留高影響收獲機的作業(yè),增加作業(yè)負(fù)荷,影響分離效果等[1-2]。為此,本文設(shè)計了一種四行馬鈴薯殺秧機,對其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,對甩刀工作狀態(tài)、甩刀排列方式進(jìn)行分析,并進(jìn)行田間試驗,旨在獲得較為合理的相關(guān)作業(yè)參數(shù),改進(jìn)殺秧機的作業(yè)性能,以滿足馬鈴薯收獲前的殺秧要求。
整機由護(hù)罩、限深輪、傳動系統(tǒng)、機架總成、刀座、甩刀及懸掛架等組成,如圖1所示。
工作原理:殺秧機采用三點懸掛的方式,主要包括萬向節(jié)總成、變速箱總成、刀軸總成及張緊輪總成等。殺秧機工作時,拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)將動力傳遞給變速箱,經(jīng)1對錐齒輪改變動力傳輸方向,皮帶輪帶動刀軸和甩刀一起高速旋轉(zhuǎn)。機具在前進(jìn)過程中,高速旋轉(zhuǎn)的壟上刀、壟側(cè)刀和壟溝刀分別將相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的莖秧及雜草從根部打斷,并帶入護(hù)罩殼內(nèi);護(hù)罩殼內(nèi)設(shè)置定刀,在甩刀及護(hù)罩的共同作用下將莖秧和雜草進(jìn)一步剪切、搓擦和撕裂將其粉碎,最后在氣流和離心力的作用下將其拋撒到田間。
根據(jù)馬鈴薯的農(nóng)藝技術(shù)要求設(shè)計了四行馬鈴薯殺秧機,該機采用三點懸掛式于拖拉機掛接,且具有極高的適用性,可根據(jù)不同的田間壟距要求進(jìn)行調(diào)整作業(yè)裝參數(shù)。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
根據(jù)馬鈴薯種植的壟形特點,為了減少殺秧作業(yè)中馬鈴薯的損傷,并在作業(yè)中達(dá)到仿壟形效果,殺秧機上安裝了壟上刀、壟側(cè)刀和壟溝刀[3],如圖2所示。
1.護(hù)罩 2.限深輪 3.傳動系統(tǒng) 4.機架總成 5.懸掛架 6.刀座 7.甩刀圖1 四行馬鈴薯殺秧機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of four-line potato haulm cutter
序號項目單位數(shù)值1整機質(zhì)量kg15002外行尺寸(長×寬×高)mm2100×4000×11503配套動力kW≥66.2~88.2輪式拖拉機4刀片類型甩刀式5作業(yè)幅mm31506拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速r/min10007刀片轉(zhuǎn)速r/min≥12008適應(yīng)壟距cm?70~909擊碎質(zhì)量kg0.3~0.510生產(chǎn)率hm2/h211切碎長度mm5~1012除凈率%≥90
圖2 甩刀結(jié)構(gòu)圖
由圖2可知:①壟上刀和壟側(cè)刀的工作面設(shè)計成弧形,以提高甩刀的拋帶秧能力;②為提高甩刀的砍切性能和效果,設(shè)計甩刀質(zhì)心距刀刃較近;③壟側(cè)刀的刀刃設(shè)計成斜刃,以提高仿壟形效果,且作業(yè)時對薯秧有滑切作用,降低了工作過程中的切割阻力;④壟溝刀采用彎刀,增加了與薯秧的接觸面積,以保證甩刀砍切薯秧時甩刀根部不易纏草,使壟間的薯秧徹底分離[4]。
2.2.1 甩刀拋秧性能分析
砍切掉的薯秧及雜草被甩刀帶進(jìn)護(hù)罩、定刀及甩刀組成的工作腔,殺秧機作業(yè)過程中(拋秧狀態(tài))幾種甩刀的運動軌跡相似,選取壟上刀為例進(jìn)行分析。由于甩刀高速旋轉(zhuǎn)且相對于薯秧質(zhì)量較大,這里將甩刀在砍切薯秧時發(fā)生的微小偏轉(zhuǎn)忽略不計,以刀輥的軸心O為坐標(biāo)原點,建立Oxy直角坐標(biāo)系,甩刀端點的位移方程為
(1)
式中vm—殺秧機前進(jìn)速度(m/s);
R—壟上刀回轉(zhuǎn)半徑(mm);
ω—壟上刀回轉(zhuǎn)角速度(rad/s);
t—時間(s)。
甩刀端點軌跡圖如圖3所示。
圖3 甩刀端點運動軌跡
(2)
(3)
從式(3)可得甩刀的運動軌跡是余擺線。
2.2.2 甩刀砍切性能分析
針對壟上刀砍切莖秧時的工作狀態(tài)進(jìn)行受力分析,如圖4所示。甩刀作業(yè)時高速旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下鉸接在銷軸上的甩刀處于徑向射線位置,同刀輥同步轉(zhuǎn)動;而實際作業(yè)時甩刀在切割莖秧的過程中受到莖秧對甩刀的反作用力會產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角,完成砍切后恢復(fù)原位[5-8]。
圖4 甩刀受力分析
根據(jù)圖4中的受力關(guān)系建立相對于銷軸的力矩平衡方程為
MT=MG+MJ+MF
(4)
式中MT—甩刀受到的切割阻力矩(N·m);
MG—重力相對于銷軸的力矩(N·m);
MJ—離心力相對于銷軸的力矩(N·m);
MF—銷軸和甩刀之間的摩擦力相對于銷軸的力矩(N·m)。
MT=Th1
(5)
式中T—甩刀受到的切割阻力(N);
h1—壟上刀端點到銷軸中心的距離(mm)。
MG=mgh2sinβ
(6)
式中m—壟上刀的質(zhì)量(kg);
g—重力加速度(N/kg);
h2—壟側(cè)刀重心到銷軸中心之間的距離(mm);
β—偏轉(zhuǎn)角(°)。
MJ=mρω2h3=mR1ω2h2sinβ
(7)
式中ω—刀輥轉(zhuǎn)速(rad/s);
ρ—刀輥中心到壟側(cè)刀重心之間的距離(mm);
h3—偏轉(zhuǎn)后的離心力到銷軸中心之間的距離(mm);
R1—銷軸到旋轉(zhuǎn)中心的距離(mm)。
MF=μ(mρω2+mg)r
(8)
式中r—銷軸半徑(mm);
μ—摩擦因數(shù)。
將式(8)整理得到甩刀在切割莖秧時刀片產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系式為
(9)
根據(jù)式(9)可知:甩刀在切割莖秧時的偏轉(zhuǎn)角與刀具本身的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和刀輥的轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)?shù)毒叩慕Y(jié)構(gòu)和安裝尺寸一定時,甩刀切割莖秧時產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角β隨著甩刀質(zhì)量m的增加而減?。划?dāng)甩刀質(zhì)量m一定時,刀輥中心到壟側(cè)刀重心之間的距離ρ也可以減小偏轉(zhuǎn)角β;當(dāng)甩刀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及安裝尺寸一定時,提高刀輥的轉(zhuǎn)速ω可以減小甩刀在工作時產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角β。甩刀采用鑄鋼材料鑄造而成,甩刀整體質(zhì)量重心位置向下偏移,加之刀刃角的設(shè)計很大程度上減小了甩刀砍切薯秧時的偏轉(zhuǎn)角,提高了甩刀的砍切性能,進(jìn)而提高了殺秧質(zhì)量[9-11]。
2017年9月中旬,在黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地(作業(yè)面積5hm2)進(jìn)行了田間殺秧試驗。試驗地播種方式為旱地壟播。試驗區(qū)的壟長大于200m,壟距為800mm,壟高250mm,莖秧高度約為800mm,且田間伴有少量雜草。馬鈴薯殺秧機配套動力為88 kW輪式拖拉機,田間殺秧效果如圖5所示。
圖5 田間殺秧效果
3.2.1 試驗方案及結(jié)果
根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]《評價馬鈴薯打秧機作業(yè)質(zhì)量的指標(biāo)和檢測方法》規(guī)定的試驗方法進(jìn)行馬鈴薯田間殺秧試驗。采用正交試驗設(shè)計方法安排試驗[13-14],考察各參數(shù)下殺秧機的工作性能。
以打碎長度合格率為試驗指標(biāo),設(shè)置各因素的水平范圍為:刀輥轉(zhuǎn)速1 200~1 500r/min,作業(yè)速度4~7km/h,壟上刀距離壟臺高度35~120mm。通過田間試驗對3個試驗指標(biāo)進(jìn)行顯著性分析,根據(jù)實際作業(yè)要求對各參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化,以獲得較合適的因素組合。試驗因素水平編碼表如表2所示,試驗方案及試驗結(jié)果如表3所示。
由表3可知:①刀輥轉(zhuǎn)速對打碎長度合格率的極差R最大,故刀輥轉(zhuǎn)速對打碎長度合格率影響最大,打碎長度合格率隨著刀輥轉(zhuǎn)速的增加而增加; 但是受殺秧機結(jié)構(gòu)內(nèi)在限制,刀輥轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)合理。②作業(yè)速度對打碎長度合格率的影響最小,殺秧機作業(yè)速度越大,打碎長度合格率越大但影響效果不明顯。③隨著壟上刀距壟臺高度的增加,打碎長度合格率持續(xù)增大,在壟上刀距壟臺高度為95~110mm時,打碎長度合格率急劇增加;壟上刀距壟臺高度大于110mm時,打碎長度合格率開始降低。④因此各因素的影響順序為:刀輥轉(zhuǎn)速>壟上刀距壟臺高度>作業(yè)速度。
表2 試驗因素水平及其編碼表
表3 試驗方案與結(jié)果
續(xù)表3
打碎長度合格率為打碎長度合格的秧桿與總打碎秧桿質(zhì)量之比(%)。
3.2.2 方差分析
打碎長度合格率方差分析如表4所示。由表4數(shù)據(jù)查p值表可知:刀輥轉(zhuǎn)速數(shù)對打碎長度合格率的影響極顯著,壟上刀距壟臺高度對打碎長度合格率影響顯著,作業(yè)速度對打碎長度合格率影響較顯著。各因素對打碎長度合格率影響大小的順序為:刀輥轉(zhuǎn)速>壟上刀距壟臺高度>作業(yè)速度,與極差分析相吻合。
3.2.3 打碎長度合格率的建立
為得到最佳的試驗因素水平,結(jié)合試驗因素邊界條件建立參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為
(10)
其中,Y(X)為打碎長度合格率的目標(biāo)函數(shù),在Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析,得出
Y1=94.20+1.03x1+0.41x2-0.67x3-
0.45x1x2-0.43x12-0.84x22
(11)
利用Design-Expert軟件求解,并保證殺秧機作業(yè)的穩(wěn)定性及殺秧機的作業(yè)質(zhì)量。根據(jù)殺秧機的農(nóng)藝要求,確定最佳參數(shù)組合為:在刀輥轉(zhuǎn)速為1350r/min、殺秧機作業(yè)速度為4.7km/h、壟上刀距壟臺距離為51mm時,相對應(yīng)的試驗指標(biāo)打碎長度合格率為92.7%。
表4 打碎長度合格率方差分析表
續(xù)表4
“***”表示極顯著(P<0.01);“**” 表示顯著(0.01
1)設(shè)計的四行馬鈴薯殺秧機提高了殺秧的工作效率,降低了能耗,解決了馬鈴薯機械化收獲時莖秧纏繞的問題,能夠更好地適應(yīng)馬鈴薯收獲前的殺秧作業(yè)。
2)甩刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了殺秧質(zhì)量和效率。殺秧機上安裝了壟上刀、壟側(cè)刀和壟溝刀,提高了仿壟形效果,減少殺秧作業(yè)中馬鈴薯的損傷。
3)驗證試驗表明:當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速1 350r/min、殺秧機前進(jìn)速度4.7km/h、壟上刀距壟臺距離51mm時,相對應(yīng)的試驗指標(biāo)打碎長度合格率為92.7%,滿足馬鈴薯殺秧機的殺秧作業(yè)要求。