張 杰，丁龍朋，李景彬,3，陳紹杰，坎 雜,3

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子銳益達(dá)機(jī)械裝備有限公司，新疆 石河子 832000；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國(guó)是世界四大林果業(yè)生產(chǎn)基地之一，也是林果業(yè)生產(chǎn)大國(guó)[1]。據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015》統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，我國(guó)林果種植面積已逐年增長(zhǎng)到13 127 270hm2[2]。新疆是林果業(yè)大省，其林果種植面積已達(dá)到950 619hm2，其中密植紅棗種植面積483 628hm2 [3]，占全疆總林果種植面積的50.9%。

兵團(tuán)“十三五”規(guī)劃指出：要提升完善標(biāo)準(zhǔn)園建設(shè)，重點(diǎn)是紅棗和葡萄提質(zhì)增效改造工程16萬hm2。在改善機(jī)械作業(yè)的同時(shí)，舊果園的更替勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量殘枝。據(jù)調(diào)研，剪枝季節(jié)每100棵棗樹將產(chǎn)250～350kg殘枝。目前，果農(nóng)針對(duì)剪后枝條的處理方式主要為攏堆焚燒或者堆放在田間、路邊[4]，不但影響生態(tài)環(huán)境，同時(shí)存在諸多安全隱患。而國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有粉碎機(jī)主要針對(duì)玉米秸稈類作物，紅棗枝條較該類作物硬度更大，對(duì)刀具要求更高；同時(shí)，考慮到棗枝多刺且修剪后的棗枝貼附于地表，人工喂入式勞動(dòng)強(qiáng)度大且易對(duì)人體造成傷害，因此現(xiàn)有粉碎機(jī)對(duì)新疆密植棗園枝條的粉碎并不適用。

針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了枝條粉碎還田機(jī)，可實(shí)現(xiàn)枝條的撿拾與粉碎。其中，撿拾部分采用上下?lián)焓拜伵c叉板相結(jié)合，提高枝條的撿凈率；粉碎裝置通過動(dòng)定刀、篩板相互作用，增強(qiáng)粉碎功能，使果園枝條能夠滿足還田的技術(shù)要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

枝條粉碎還田機(jī)主要由撿拾裝置、粉碎裝置和傳動(dòng)裝置組成，如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.叉板 3.棘爪 4.下?lián)焓拜?5.上撿拾輥 6.前擋板 7.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.后擋板 9.定刀 10.甩刀 11.刀軸 12.篩板 13.地輪

項(xiàng)目單位設(shè)計(jì)參數(shù)或形式結(jié)構(gòu)形式牽引式配套發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率kW33.1配套發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min2250外形尺寸mm1300×1140×760作業(yè)幅寬mm1300生產(chǎn)率m3/h2.0～3.0粉碎物料長(zhǎng)度mm<1300粉碎物料直徑mm<25下?lián)焓暗蹲钚‰x地間隙mm20理論作業(yè)速度km/h1～3整機(jī)質(zhì)量kg430碎料長(zhǎng)度cm<6

其中，撿拾裝置包括叉板 、棘爪 和上下?lián)焓拜伒炔考?，粉碎機(jī)構(gòu)由刀軸、動(dòng)定刀和篩板等部件組成。

1.2 工作原理

工作時(shí)，該機(jī)行走在棗樹行之間，底部叉板將地表枝條攏起；再由上下?lián)焓拜亴?duì)叉板上的棗枝進(jìn)行撿拾并向后拋送；在粉碎軸高速旋轉(zhuǎn)的負(fù)壓下將枝條吸入粉碎室，枝條在甩刀與定刀共同作用下被切斷，而后通過甩刀與枝條、枝條與枝條、枝條與篩片間的相互沖擊、揉搓進(jìn)行粉碎；當(dāng)粉碎粒度小于篩孔大小時(shí)，通過自重實(shí)現(xiàn)還田。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 撿拾裝置

撿拾輥結(jié)構(gòu)由叉板、下?lián)焓拜?、棘爪、上撿拾輥和前擋板?gòu)成，如圖2所示。

1.叉板 2.下?lián)焓拜?3.棘爪 4.上撿拾輥 5.前擋板

作業(yè)時(shí)，底部叉板與上下?lián)焓拜佅嗷プ饔茫蠐焓拜伹霸O(shè)有前擋板，可有效防止上撿拾輥棘爪夾帶枝條前拋，提高了撿凈率與粉碎效率；撿拾裝置上撿拾輥棘爪8把，下?lián)焓拜伡?7把，棘爪焊接在刀輥上且對(duì)稱反螺旋排列。撿拾過程示意圖如圖3所示。

1.叉板 2.下?lián)焓拜?3.棘爪 4.上撿拾輥 5.前擋板

撿拾過程中，整機(jī)隨地輪仿形，叉板入地約10mm，棘爪刀端的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)由拖拉機(jī)牽引速度Ve和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度Vr兩種速度合成。t時(shí)刻刀片運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 刀片運(yùn)動(dòng)軌跡

選取機(jī)組前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，以垂直向上為y軸正方向。t時(shí)刻刀尖P點(diǎn)(x，y)坐標(biāo)可表示為

(1)

式中r—撿拾棘爪回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

ωt—撿拾棘爪轉(zhuǎn)角(rad)；

Ve—拖拉機(jī)前進(jìn)速度(km/h)。

(2)

由方程可知：運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，該擺線隨λ的取值范圍而改變，如圖5所示。只有λ>1時(shí)，刀片才能滿足向后拋送枝條的條件，且能對(duì)枝條進(jìn)行多次撿拾，但只是軌跡最大弦長(zhǎng)以下部分才能滿足；當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度Ve為0(即λ無窮大)時(shí)，刀片端點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為圓，此時(shí)弦長(zhǎng)最大，為2R。拖拉機(jī)前進(jìn)速度多為1.5～2km/h，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度為60～100r/min，此時(shí)λ的取值范圍是40～67。經(jīng)分析可知：λ為67時(shí)，即Vr=100r/min、Ve=1.5km/h時(shí)，擺線重疊范圍最大，撿拾效果最好。

圖5 刀片軌跡示意圖

2.2 粉碎裝置

本機(jī)的粉碎裝置由篩片、甩刀及定刀等部分組成，如圖6所示。甩刀采用改進(jìn)的直角L型甩刀，該刀介于L型與錘爪型刀之間，集合了這兩種刀的優(yōu)點(diǎn)[5]。此設(shè)計(jì)中，在刀軸前設(shè)置了擋板，可防止枝條在離心力下前拋，同時(shí)增大殼體強(qiáng)度，防止因剪切力過大導(dǎo)致的變形。

1. 篩板 2.甩刀 3.后擋板 4.刀軸 5.定刀圖6 粉碎裝置

粉碎過程中，甩刀高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下甩刀近似處于徑向位置，甩刀受力情況如圖7所示。粉碎時(shí)，甩刀端部受到切割阻力，甩刀部分動(dòng)能克服切割阻力產(chǎn)生偏角α，忽略甩刀與刀座間銷軸連接處的摩擦力，甩刀相對(duì)于O點(diǎn)產(chǎn)生重力、離心力及切割阻力。設(shè)定銷軸到甩刀端部長(zhǎng)度為L(zhǎng)，可得甩刀相對(duì)于O點(diǎn)的力矩平衡方程為

切削阻力力矩=重力力矩+離心力力矩

F2Lcosα=mgL0sina+mω2R1L0sina

其中，F(xiàn)2為切割阻力；ω為刀軸角速度。

整理可得

(3)

1)增大甩刀質(zhì)量，偏角α減小，有利于粉碎，因此甩刀質(zhì)量不宜過小，故選擇甩刀厚度10mm。甩刀質(zhì)量增大，對(duì)刀軸尺寸也有影響，為防止刀軸變形，參考國(guó)內(nèi)目前粉碎還田機(jī)的甩刀回轉(zhuǎn)半徑大多在80～140mm范圍內(nèi)，選定刀軸的回轉(zhuǎn)外徑R=120mm、內(nèi)徑r=100mm。

2)增大刀軸角速度也有利于粉碎，但動(dòng)力消耗相應(yīng)增大，對(duì)刀軸動(dòng)平衡要求較高，因此必須選擇合適的刀軸角速度(即刀軸轉(zhuǎn)速)。

圖7 甩刀受力分析圖

通過對(duì)棗枝進(jìn)行力學(xué)特性分析可知：紅棗枝條隨直徑和含水率的變化曲線增長(zhǎng)，當(dāng)直徑為15mm、含水率為35%時(shí)，其枝條的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大45.07MPa。此強(qiáng)度下，為滿足枝條的無支撐切割粉碎，應(yīng)使甩刀切割線速度Vr≥48m/s[6]。又因本設(shè)計(jì)針對(duì)密植棗園，對(duì)整機(jī)尺寸有限制，故取甩刀回轉(zhuǎn)半徑R=230mm。取機(jī)組前進(jìn)速度2m/s，絕對(duì)線速度Va=46m/s，則

(4)

由式(4)可得出：粉碎軸最低轉(zhuǎn)速n≥1 992r/min。

2.3 粉碎刀軸模態(tài)分析

通過式(4)中最低轉(zhuǎn)速的確定，再此對(duì)刀軸進(jìn)行模態(tài)分析，避免作業(yè)時(shí)粉碎軸發(fā)生共振現(xiàn)象[7]，同時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)中甩刀回轉(zhuǎn)半徑的選取是否合理。采用SolidWorks 2014對(duì)粉碎軸進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench 15.0軟件進(jìn)行模態(tài)分析。分析粉碎軸時(shí)無需加載載荷，只需施加固定約束，對(duì)粉碎軸進(jìn)行頻率分析算例和網(wǎng)格化分，可得模態(tài)分析結(jié)果[8-10]，如圖8所示。

圖8 粉碎軸前4階模態(tài)分析圖

通過模態(tài)分析，粉碎軸的第1階頻率為139.68Hz，而作業(yè)時(shí)粉碎軸轉(zhuǎn)速范圍是2 000～3 000r/min，粉碎軸的最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速是3 000r/min(50Hz)，自然頻率遠(yuǎn)大于激勵(lì)頻率，不可能發(fā)生共振，故粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速可選區(qū)域?yàn)? 000～3 000r/min。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

牽引式枝條粉碎還田機(jī)樣機(jī)由石河子銳益達(dá)公司制作，樣機(jī)配套拖拉機(jī)(JD 454輪式拖拉機(jī))發(fā)動(dòng)機(jī)功率為33.1kW。該樣機(jī)于2017年5月在新疆石河子五工村田間進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)樣本于2017年取自新疆第一師十一團(tuán)棗園春剪階段，如圖9所示。由于品種的修剪工藝不同，樣本中若羌灰棗棗枝為輕剪，8～10kg/40m；若羌駿棗棗枝為重剪，25～30kg/40m。

圖9 樣機(jī)田間試驗(yàn)

為模擬南疆密植棗園田間條件，試驗(yàn)前將紅棗枝條平鋪在長(zhǎng)40m、寬1.3m的地面上，根據(jù)新疆土壤條件和粉碎還田標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)粉碎機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用五因素二水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法[11-13]。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定刀軸轉(zhuǎn)速A、刀片數(shù)量B、篩孔大小C(粗集料規(guī)格，圓孔篩)、枝條含水率D和撿拾轉(zhuǎn)速E為試驗(yàn)因素(見表2)，以粉碎粒度y1、撿凈率y2為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，共實(shí)施50組。其中，含水率的取值通過干燥箱進(jìn)行控制，當(dāng)含水率達(dá)到所需要求時(shí)取出，放入溫度為5℃的冰箱勻濕24h。

表2 因素水平表

Table 2 Experimental values and coded level

編碼刀軸轉(zhuǎn)速A/r·min-1刀片數(shù)量B篩孔大小C/mm含水率D/%撿拾轉(zhuǎn)速E/r·min-1-2.37816556.491.25150-1200012161560022501635(31.5)2590125002060(63)351202.37828452610050130

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用 Design-Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)進(jìn)行回歸方程模型檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)后，可得到擬合良好、簡(jiǎn)化后的回歸數(shù)學(xué)模型為

y1=86.69+4.43A+5.99B-2.28C-2.29D2

y2=91+17.34E-13.25E2

(3)

回歸方程偏回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明：各因素對(duì)粉碎粒度影響的主次關(guān)系為刀軸轉(zhuǎn)速、主刀片數(shù)量和篩孔大??；撿凈率y2只受撿拾轉(zhuǎn)速影響；含水率對(duì)其影響均不十分顯著。

3.3 粉碎粒度與各影響因素分析

各試驗(yàn)因素與粉碎粒度之間的關(guān)系曲面如圖10所示。由圖10(a)可知：隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加，粉碎粒度逐漸升高。這表明，刀軸轉(zhuǎn)速增加，對(duì)枝條的打擊頻率和沖擊力均提高，增加了枝條粉碎粒度。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速固定在某一水平時(shí)，隨著刀片位置數(shù)量的不斷增加，粉碎粒度小幅度升高。這是因?yàn)榈镀瑪?shù)量增加使枝條受到擊打的區(qū)域面積增大，粉碎刀軸整體性能提高，粉碎粒度增強(qiáng)。

由圖10(b)可知：隨著刀片數(shù)量的增加，粉碎粒度增大，當(dāng)?shù)镀瑪?shù)量保持在某一水平時(shí)，粉碎粒度隨篩孔大小曲線變化。其原因是：篩孔過小時(shí)，功耗增大，粉碎速度與物料還田速度不能較好匹配，易造成枝條堵塞在篩片中，使粉碎粒度下降；篩孔過大時(shí)，枝條未達(dá)到還田標(biāo)準(zhǔn)就從篩孔排出，粉碎率度降低。

由圖10(c)可知：隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加，粉碎粒度升高，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速保持在某一水平時(shí)，粉碎粒度隨篩孔大小曲線變化。

3.4 粉碎裝置優(yōu)化參數(shù)

為得到最佳的試驗(yàn)因素水平，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化[14-15]。建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，對(duì)得出的粉碎粒度和撿凈率的回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，得到非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型為

maxy1或maxy2

根據(jù)已建立的粉碎粒度y1和撿凈率y2數(shù)學(xué)模型，利用MatLab軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化求解得到最佳參數(shù)組合為：粉碎軸轉(zhuǎn)速2 250r/min，刀片布置數(shù)量16把，篩孔大小35mm，撿拾輥轉(zhuǎn)速90r/min，含水率25%，此條件下的粉碎粒度89.3%，撿凈率92%。

4 結(jié)論

1)基于新疆密植棗園果樹修剪量大、處理困難及配套裝備短缺等問題，設(shè)計(jì)了密植棗園枝條粉碎還田機(jī)，主要由傳動(dòng)裝置、撿拾裝置和粉碎裝置等組成。對(duì)主要工作部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)，通過力學(xué)分析確定了裝置的可行性，能夠較好地實(shí)現(xiàn)撿拾粉碎還田功能。

2)試驗(yàn)樣機(jī)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)粉碎還田機(jī)以2 km/h進(jìn)行作業(yè)、撿拾軸轉(zhuǎn)速120r/min及枝條含水率25%(左右±3%)時(shí)，可獲得最佳撿凈率；粉碎刀軸轉(zhuǎn)速2 250r/min、粉碎刀16把、篩孔大小35mm及含水率25%(左右±3%)的情況下，可獲得最佳粉碎效果；平均粉碎效率若羌灰棗棗枝(輕剪)為 600kg/h，若羌駿棗棗枝(重剪)為1 500kg/h，平均枝條撿拾率為 92%，粉碎粒度(小于5cm)達(dá)89.3%。