方 梅，郁志宏，張文杰，劉偉峰，別鎮(zhèn)江，宋金寶

盤刀式鍘草機粉碎物料運動過程分析與試驗

方 梅，郁志宏※，張文杰，劉偉峰，別鎮(zhèn)江，宋金寶

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，呼和浩特 010018）

為了探究盤刀式鍘草機粉碎物料的拋送運動規(guī)律，該研究在綜合考慮拋送裝置與前端裝置的參數(shù)匹配及氣流對物料的影響下，將物料拋送運動過程分為7個階段，通過分析物料在各個階段的運動及受力情況，建立了物料從切碎到與葉片碰撞、物料沿拋送葉片運動、沿拋送直管和彎管運動以及物料被拋出出料口后的動力學模型。以動力學模型為基礎，建立了數(shù)值計算模型。根據(jù)實測的鍘草機與物料相關數(shù)據(jù)，確定了仿真模型參數(shù)，以物料的拋送距離為評價指標，分析了主軸轉速和葉片傾角對拋送性能的影響。研究結果表明，在試驗范圍內(nèi)，拋送距離隨著主軸轉速的增大而近似線性增大；隨著葉片傾角的增大，拋送距離呈先增大后減小的趨勢，且后傾葉片的拋送距離大于前傾葉片，后傾葉片更有利于物料運動。拋送距離試驗得到的結果與理論仿真結果一致，最大相對誤差為6.6%，驗證了動力學模型的合理性。動力學模型的建立為進一步優(yōu)化拋送裝置結構和運動參數(shù)及其與前端裝置的匹配提供理論指導。

農(nóng)業(yè)機械；秸稈；碎物料；動力學分析；數(shù)值仿真；運動規(guī)律

0 引 言

鍘草機拋送裝置依靠拋送葉片高速旋轉產(chǎn)生的離心力和高速氣流的共同作用拋送物料。對于拋送裝置的研究，國內(nèi)外學者做了大量相關研究。Totten等用高速攝影技術研究了物料在鼓風機拋送裝置的運動及功率消耗[1]。Dennis對牧草收獲機拋送裝置的氣流流場進行模擬以增加拋送距離，達到提高拋送效率的目標[2]。Lisowski等建立了飼料收獲機排料口內(nèi)物料運動與顆粒速度的CFD模型，分析了刀型、主軸轉速、動刀個數(shù)及秸稈喂入量等因素對拋送性能的影響[3-4]。賈洪雷等對不同拋送裝置的轉速和葉片傾角等因素進行試驗研究來優(yōu)化拋送裝置的結構和運動參數(shù)[5-8]。胡瑞謙對質(zhì)點在繞水平軸等速旋轉平面葉片上的運動進行了理論分析，得到了運動微分方程及其解，討論了各參數(shù)對物料質(zhì)點運動的影響[9]。吳峰等對秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機拋送管道的結構進行了理論分析，并通過試驗得到了最優(yōu)工作參數(shù)組合[10]。秦寬等采用理論分析和ADAMS仿真方法對秸稈粉碎還田施肥點播機秸稈粉碎拋撒裝置關鍵參數(shù)進行設計，并開展了田間優(yōu)化試驗[11]。章志強設計了一種可調(diào)節(jié)式秸稈粉碎拋撒還田機，分別對秸稈粉碎和拋撒過程進行了動力學分析，建立了秸稈拋撒特性和設計參數(shù)之間的關系[12]，劉鵬等應用CFD-DEM耦合的方法對玉米碎稈在粉碎室內(nèi)運動特性進行了分析與試驗[13]。翟之平等從氣-固兩相流的角度對拋送裝置進行研究，應用Fluent軟件對拋送裝置內(nèi)氣流運動規(guī)律進行了數(shù)值模擬，對拋送裝置結構參數(shù)進行了優(yōu)化[14-19]。張鋒偉等采用氣固耦合法對9FH-40型揉絲機排料裝置內(nèi)氣流與物料作用規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究, 對排料裝置結構改進提出了意見[20]。翟之平等還對秸稈揉碎機的拋送裝置進行了振動、噪聲以及葉片疲勞斷裂等方面的研究[21-22]。武紅劍等運用離散元法及EDEM軟件，針對青貯收獲機拋送裝置拋送葉片不同前傾角度，對玉米秸稈顆粒在拋送器中的運動進行仿真分析，得到了利于拋送的葉片傾角[23]。郭穎杰等用ADAMS軟件對粉碎拋送裝置的粉碎部件進行了動平衡和刀軸排列仿真分析，確定了刀軸排列的最佳方案，用ANSYS Workbench對該方案進行模態(tài)分析，結果表明該方案滿足實際工作需求[24-25]。

綜上所述，已有研究多偏向模擬仿真與試驗，理論研究相對較少，且將物料與葉片碰撞后沿葉片運動的徑向初速度設為0，未考慮拋送裝置與前端裝置的匹配問題，與實際情況不符。許多農(nóng)業(yè)機械工作部件的工作原理，均可歸結為質(zhì)點在繞水平軸等速旋轉平面型葉片上運動的分析[9],且秸稈物料群具有無序、混亂性，因此本文以單個物料為研究對象對9Z-6A型盤刀式鍘草機拋送裝置內(nèi)物料（切碎的秸稈）運動過程進行分析，考慮拋送裝置與前端裝置（切碎裝置和喂入裝置）的參數(shù)匹配和氣流對物料的影響，建立物料在拋送裝置中的動力學模型，揭示物料運動規(guī)律及拋送機理，以期為進一步優(yōu)化拋送裝置結構和運動參數(shù)及其與前端裝置的匹配提供理論指導。

1 拋送裝置結構與原理分析

鍘草機主要由喂入裝置、切碎裝置和拋送裝置3個部分組成。本文所研究的9Z-6A型盤刀式鍘草機拋送裝置結構及刀盤如圖1所示。

1.機架 2.喂入口 3.軸承座 4.動刀 5.拋送葉片 6.拋送筒 7.拋送直管 8.拋送彎管 9.出料口 10.加強筋

1.Frame 2.Feeding inlet 3.Bearing bracket 4.Moving blade 5.Throwing blade 6.Throwing barrel 7.Throwing straight pipe 8.Throwing elbow pipe 9.Outlet 10.Reinforcing rib

圖1 拋送裝置結構與刀盤

Fig.1 Structure of throwing device and blade dish

在機器正常工作時，秸稈由喂入裝置推動進入喂入口，由動刀進行切割，切碎后的秸稈獲得一個初速度后向下運動，經(jīng)過一段時間與拋送葉片發(fā)生碰撞，碰撞后獲得沿葉片徑向運動的初速度并沿拋送葉片徑向運動，同時葉片旋轉將物料拋離葉片，物料進入拋送直管，由于氣流作用，物料進入拋送彎管，沿彎管壁運動，最后從出料口被拋出。物料運動階段劃分如表1。

表1 物料運動階段

本文以玉米秸稈為切割對象，將切碎后的玉米秸稈作為研究物料，物料呈圓柱體顆粒狀。在研究物料運動的過程中提出如下假設：1）假設拋送過程中物料與拋送葉片的碰撞為非彈性碰撞；2）假設物料碰撞過程位移為0。由于物料與葉片之間的碰撞時間短暫，因此物料從碰撞開始到碰撞結束在葉片上的位置變化會很小，故可將物料在碰撞期間發(fā)生的位移忽略不計，只考慮碰撞前后速度的變化；3）在Ⅰ～Ⅳ階段，空氣阻力忽略不計；4）為了考慮氣流、物料、拋送葉片三者之間的相互作用關系，引入當量摩擦系數(shù)f[13]。

2 物料離開拋送葉片前的運動分析

2.1 物料與拋送葉片受力分析及參數(shù)定義

以拋送葉片后傾為例進行分析，所研究的鍘草機的喂入口與軸承座中心在同一水平面上，物料沿拋送葉片運動的受力分析如圖2所示。點為定坐標系的原點，在軸承座中心；為了保證葉片在旋轉、切割過程中平衡性和穩(wěn)定性，在軸承座與葉片之間用長度為0的加強筋連接。′位于葉片與加強筋的連接處，′隨拋送葉片旋轉，故設為動坐標系′′′原點。物料運動過程中除受自身重力外，還受到葉片旋轉產(chǎn)生的離心力F，物料沿葉片運動（相對運動）和葉片帶動物料轉動（牽連運動）相互影響而產(chǎn)生的科氏力F，科氏力方向符合右手判定法則，葉片對物料的摩擦力F和支持力。由于盤刀式鍘草機動刀與拋送葉片共用一個刀盤，故研究物料在拋送裝置中的運動時必須考慮切碎器對物料的影響。

注：、分別為喂入口的高度和長度，m；為喂入口到軸承座中心的距離，m；0為加強筋長度，m；為拋送葉片傾角，(°)；0為初相位角，(°)；0為初始動坐標，m；0為物料在葉片初始位置的旋轉半徑，m；為葉片角速度，rad×s-1；為定坐標系原點到葉片所在直線的距離，m；為物料到′的距離，m；為物料的旋轉半徑，m；為物料旋轉半徑與葉片的夾角，(°)；為物料重力與葉片的夾角，(°)；為物料與葉片碰撞后隨葉片運動的轉角，rad；為刀盤旋轉半徑，m；為葉片與旋轉半徑的夾角，(°)；F為離心力，N；F為科氏力，N；F為葉片對物料的摩擦力；為支持力，N；為重力，N。

Note:andare the height and length of feeding inlet, m;is the distance from feeding inlet to bearing seat center, m;0is the length of reinforcing rib, m;is the inclination angle of throwing blade, (°);0is the initial phase angle, (°);0is the initial dynamic coordinate, m;0is the radius of rotation of material at the initial position of blade, m;is the angular velocity of blade, rad×s-1;is the distance from the origin of the fixed coordinate system to the straight line where the blade is located, m;is the distance from the material to, m;is the radius of rotation of the material, m;is the angle between the radius of rotation of the material and the blade, (°);is the angle between the gravity of the material and the blade, (°);is the angle of rotation of the material with the blade movement after collision with the blade, rad;is the radius of rotation of the cutter, m;is the angle between the blade and the radius of rotation, (°);Fis the centrifugal force, N;Fis the Coriolis force, N;Fis the frictional force of the blade on the material;is the supporting force, N;is the gravity, N.

圖2 物料沿葉片運動的受力分析及參數(shù)定義

Fig.2 Force analysis of material moving along blade and parametric definition

2.2 物料與拋送葉片碰撞前的運動

由于刀盤結構的影響，切碎后的秸稈不會立即與拋送葉片發(fā)生碰撞，因此存在物料運動的Ⅰ～Ⅱ階段。在此階段，物料一直在運動，與葉片碰撞時，物料的速度不會為0，速度方向與葉片旋轉切線方向具有一定的夾角，故物料沿葉片運動具有一定的徑向初速度，物料與葉片碰撞后，首先會沿葉片向外運動。

玉米秸稈被切碎并獲得一個初速度，該初速度為喂入裝置提供的速度（即喂入速度）和切碎器旋轉切割產(chǎn)生的牽連速度的合速度，則

式中0為物料初速度，m/s；v0為喂入速度，m/s；v0為初始牽連速度，m/s；0為物料初始旋轉半徑，m，取值范圍為[,]；為主軸轉速，r/min。

喂入速度v0可表示為[26]：

式中l為物料切碎長度，m；為動刀片數(shù)。

玉米秸稈被切碎后，大部分落于葉片內(nèi)側，葉片內(nèi)側靠近軸承座間隙，氣流速度較小，在此階段氣流對物料的作用力較小，且與物料運動方向存在一定夾角，故在考慮玉米秸稈從切碎到與葉片碰撞過程的能量變化時忽略了氣流對物料的影響。因此，從秸稈被切碎到與葉片發(fā)生碰撞的過程，由動能定理，有：

整理得：

式中v0為碰撞瞬間物料速度，m/s；為物料質(zhì)量，kg；為重力加速度，m/s2。

2.3 物料與拋送葉片碰撞階段

物料剛與葉片碰撞時，物料的角速度為，耗能11(J)為[27]

式中為轉動慣量，kg·m2。

在Ⅲ階段時，物料從加速到，同時獲得碰撞后沿葉片方向的徑向初速度，物料開始沿葉片徑向運動，此過程耗能12(J)為

總耗能1(J)為

由動量矩定理[28]

式中v1為碰撞后的絕對速度，m/s。

將v1分解成隨葉片旋轉產(chǎn)生的牽連速度和沿葉片徑向運動的相對速度（即沿葉片方向的徑向初速度），如圖3所示?？梢缘玫?/p>

式中v1為碰撞后牽連速度，m/s；v1為碰撞后徑向初速度，m/s。

注：v1為碰撞后牽連速度，m×s-1；v1為碰撞后徑向初速度，m×s-1；v1為碰撞后的絕對速度，m×s-1。

Note:v1is implicated velocity after colliding, m×s-1;v1is radial initial velocity after colliding, m×s-1;v1is absolute velocity after colliding, m×s-1.

圖3 碰撞后物料速度分解圖

Fig.3 Decomposition of material velocity after collision

2.4 物料沿拋送葉片運動階段

與拋送葉片碰撞后，物料以徑向初速度v1沿拋送葉片運動，運動過程中物料受力分析如圖2所示。

物料沿葉片運動時，在′軸方向處于力平衡狀態(tài)，則

葉片對物料的支持力與物料對葉片的垂直正壓力大小相等，方向相反，垂直正壓力的方向沿′軸負方向，故物料對葉片的垂直正壓力為

物料相對葉片運動引起的摩擦阻力為

物料沿葉片運動的動力學方程為

將公式（15）～（18）代入公式（19）得物料沿葉片運動的微分方程為：

由圖2中幾何關系可知

式中為時間，s。

隨著葉片旋轉，物料重力與葉片之間的夾角逐漸減小，當>0時，重力沿軸的分量與科氏力方向相同，為物料提供正壓力；當0時，重力沿軸的分量與科氏力方向相反，為物料提供支持力。

將公式（21）代入公式（20）化簡得

物料運動到葉片的端點而拋出進入拋送直管時，物料的相對速度為v2（m/s），則

式中v2為葉片端點物料牽連速度，m/s；為拋送葉片長度，m。

由圖4可求出拋出時物料的絕對速度為

式中v2為葉片端點物料絕對速度，m/s。

注：v2為葉片端點處物料的相對速度，m×s-1；v2為葉片端點處物料牽連速度，m×s-1；v2為葉片端點處物料絕對速度，m×s-1；1為v2與v2的夾角，(°);2為v2與v2的夾角，(°)；為v2與水平方向的夾角，(°)。

Note:v2is the relative velocity of the material at the end of the blade, m×s-1;v2is the implicated velocity of the material at the end of the blade, m×s-1;v2is the absolute velocity of the material at the end of the blade, m×s-1;1is the angle betweenv2andv2,(°);2is the angle betweenv2andv2, (°);is the angle betweenv2and the horizontal direction, (°).

圖4 拋出葉片時物料速度分解圖

Fig.4 Material velocity decomposition diagram

同理可得v2與v2的夾角為

v2與v2的夾角為

物料拋離葉片時絕對速度與水平方向的夾角為

3 物料離開拋送葉片后的運動分析

3.1 物料沿拋送直管運動階段

物料在拋送直管中的運動與拋送直管中氣流速度有關，氣流速度主要受機器結構及運動參數(shù)的影響，當機器穩(wěn)定工作時，在氣固兩相流動的主流區(qū)即拋送直管內(nèi)，氣流速度梯度很小，因而認為單顆粒物料在直管中不發(fā)生旋轉運動，可以忽略物料旋轉對其受力的影響[29]。氣流方向與物料運動方向相同，均沿拋送直管豎直向上。由于物料體積較小，流經(jīng)物料兩側的氣流速度幾乎不變，水平方向產(chǎn)生的壓差較小，故物料在直管中因水平壓力差產(chǎn)生的位移可忽略不計。

設拋送直管中氣流速度為v，則物料在拋送直管中的運動可有以下3種情況：

1）物料在拋送直管中的速度一直大于氣流速度，氣流對物料的作用只表現(xiàn)為阻力，直到與拋送彎管管壁碰撞。

2）物料進入拋送直管時，物料速度大于氣流速度，由于物料自身重力和氣流阻力的影響，物料速度逐漸減小，當v2=v時，物料達到一定高度，但未進入拋送彎管，物料速度繼續(xù)減小，直到與拋送彎管管壁碰撞，則物料在拋送直管中的運動包括2個階段：第一階段v2>v，此時氣流對物料的作用力表現(xiàn)為阻力；第二階段v2≤v，此時氣流對物料的作用表現(xiàn)為氣動力。

3）物料進入拋送直管時，物料速度小于或等于氣流速度，氣流對物料的作用只表現(xiàn)為氣動力，協(xié)助輸送物料。

由于情況1）和3）中物料的運動狀態(tài)囊括于情況2）中，因此本文針對情況2）進行運動分析。

如圖5所示，設從物料速度大于氣流速度到物料速度等于氣流速度時，物料運動的高度為1，此過程中，物料所受作用力有氣流阻力1和物料自身重力，氣流阻力1可表示為

由于所研究的物料呈圓柱形顆粒，其形狀及大小對其在氣流中的流動特性具有一定的影響，故在計算物料的投影面積時引入了等體積當量直徑d[30]，因此有

注：1為初始弧長，m；1為彎管曲率半徑，m；0為初始高度，m；v為氣流速度，m×s-1；1為物料速度等于v時物料運動高度，m；2為物料速度等于v到與彎管碰撞時物料運動高度，m；1為氣流阻力，N；F′為摩擦力，N；F′為離心力N；v3為物料在高度1時的速度，m×s-1；v4為物料與彎管管壁發(fā)生碰撞時速度，m×s-1；v5為與彎管碰撞后的物料速度，m×s-1；v6為物料被拋出時的速度，m×s-1。

Note:1is the initial arc length, m;1is the radius of curvature of the elbow, m;0is the initial height, m;vis the air velocity, m×s-1;1is the material movement height when the material speed is equal tov, m;2is the material movement height from the material speed is equal tovto the collision with the elbow, m;1is the air resistance, N;F′is friction, N;F′is the centrifugal force, N;v3is the material speed at the height1, m×s-1;v4is the material speed when it collides with the elbow surface, m×s-1;v5is the material speed after colliding with the elbow, m×s-1;v6is the outlet speed, m×s-1.

圖5 物料沿拋送直管和彎管運動受力分析

Fig.5 Force analysis of material movement along throwing straight and elbow pipe

則物料運動的動力學方程為

物料高度達到1時，物料速度為v3（m/s）且v3=v，此后，氣流速度將大于物料速度，氣流對物料產(chǎn)生曳力，力的大小與1相同，方向相反，此時物料的動力學方程為

3.2 物料沿拋送彎管運動階段

物料與彎管管壁發(fā)生碰撞時，由于碰撞時間較短，因此碰撞過程的時間及發(fā)生的位移可忽略不計，只考慮碰撞前后的速度變化。設物料與彎管管壁發(fā)生碰撞時速度為v4（m/s），碰撞后，物料速度變?yōu)?i>v5（m/s），且物料沿管壁弧線運動。此時，物料所受的作用力有：重力，摩擦力F′，離心力F′。由于玉米秸稈是粘彈性生物物料，與管壁摩擦時動能會損失，因此設物料碰撞為非彈性碰撞，有

式中為物料運動弧長，m；為物料與彎管管壁之間的摩擦系數(shù)。

則物料沿彎管的動力學方程為

3.3 物料離開出料口后的運動

物料從鍘草機出料口拋出，設物料被拋出時的速度為v6（m/s），物料離開出料口后受力分析和運動軌跡如圖6所示，此時物料所受的力為重力和空氣阻力F。

物料拋出后的動力學方程為：

水平方向（即軸方向）

圖6 物料離開出料口后受力分析和運動軌跡

Fig.6 Force analysis and movement of material after leaving the outlet

豎直方向（即軸方向）

從而可得拋送距離為：

從物料切碎到拋落地面整個過程的動力學方程可以看出，影響物料在拋送裝置中運動的結構參數(shù)有：拋送葉片長度、動刀片數(shù)、葉片傾角、拋送直管高度及彎管曲率半徑；運動參數(shù)有：喂入速度，主軸轉速（或拋送葉片角速度）。除此之外，物料特性（即物料形狀、長度、含水率、質(zhì)量等）、物料與拋送葉片和拋送彎管壁的摩擦系數(shù)對其運動也有一定的影響。

4 試驗驗證與分析

為了對理論分析結果進行驗證，應用MATLAB軟件，采用上文建立的數(shù)學模型，根據(jù)實際樣機尺寸參數(shù)（如表2）進行數(shù)值計算與試驗驗證。拋送性能受主軸轉速、葉片傾角影響較大[10]，在不堵塞的情況下，拋送距離越大越有利于拋送。因此，為了了解拋送距離與結構及運動參數(shù)的關系，以拋送距離為指標，探究主軸轉速和葉片傾角對拋送性能的影響。

表2 樣機參數(shù)

4.1 相關參數(shù)測定

需要測定的參數(shù)包括：物料含水率、物料質(zhì)量與直徑、氣流速度、物料與管壁之間的摩擦系數(shù)。測定的參數(shù)值為后續(xù)MATLAB仿真輸入?yún)?shù)提供數(shù)據(jù)支持。

4.1.1 含水率

試驗原材料取自河北省保定市順平縣的玉米秸稈-雙色先蜜902號，株高約1 650～1750 mm。玉米秸稈放于實驗室自然風干10 d后進行含水率測定。利用高精度天平（精度：0.001 g）和鼓風干燥箱，依據(jù)GB/T 6435-2014《飼料中水分和其他揮發(fā)性物質(zhì)含量的測定》的含水率測量方法，測定玉米秸稈含水率約為69.6%。

4.1.2 物料質(zhì)量與直徑

試驗材料由鍘草機切碎后，長度約為12 mm。使用高精度天平和游標卡尺（精度：0.02 mm）進行測量。玉米秸稈橫截面可以近似為橢圓形，分別測量兩端的長、短軸徑，計算平均直徑。測定玉米秸稈的平均直徑為18.89 mm，平均質(zhì)量為0.496 g。

4.1.3 氣流速度

試驗在圖7所示的試驗臺上進行。在圖a中A、B、C三個截面處布置測試點，圖b為各截面測試點位置。測試所用儀器為TSI9565風速儀（精度：0.01m/s），圖b中4個點為風速儀探針放置的位置。每個測點重復測試3次，取平均值。

4.1.4 摩擦系數(shù)

試驗所用材料與4.1.2節(jié)相同，所用儀器為CNY-1型斜面儀。根據(jù)文獻[31]提供的方法進行摩擦系數(shù)的測定，記錄秸稈開始滾動時斜面儀指示的角度。經(jīng)多次試驗，得到秸稈物料與管壁之間的摩擦系數(shù)平均值為0.203。

4.1.5 拋送距離試驗

加工農(nóng)業(yè)纖維物料的最佳線速度為30～50 m/s[13]，根據(jù)樣機實際尺寸計算得到主軸轉速范圍為440～720 r/min，因此選擇主軸轉速450～700 r/min，間隔為50 r/min進行試驗。試驗材料為4.1.1節(jié)中的玉米秸稈。在出料口的正下方鋪上一條長8 m、寬6 m的防水布，使所有物料都落在防水布上，試驗現(xiàn)場圖如圖8。

主軸轉速通過VARISPEE-616G5變頻器進行控制，采用CYT-302旋轉型扭矩傳感器和CYT-30B扭矩轉速測量儀進行主軸轉速的測量與讀取。當主軸轉速達到設定值并穩(wěn)定工作時，開始喂入玉米秸稈，連續(xù)喂入15 min后，用卷尺測量拋送距離，每組試驗重復3次，取平均值。

4.2 結果分析

利用MATLAB R2018a對建立的數(shù)學模型進行求解。仿真時，輸入的參數(shù)如表2及4.1節(jié)中物理試驗測定值，調(diào)用ode45函數(shù)進行數(shù)值求解，得到物料的拋送距離。

4.2.1 主軸轉速對拋送性能的影響

主軸轉速分別選取450、500、550、600、650、700 r/min 6個水平進行模擬仿真試驗，對應平均氣流速度12.77、14.12、15.45、16.86、19.06、19.93 m/s此時葉片傾和切碎的物料長度為原樣機參數(shù)，分別為7°和12 mm，其他參數(shù)參考表2及4.1節(jié)中的測定值。采用拋送距離試驗相同工況，得到仿真與試驗結果如圖9所示。

由圖9可以看出，隨著主軸轉速的不斷增大，物料拋送距離也逐漸增大。這是由于主軸轉速的改變會使拋送管中氣流速度發(fā)生變化，主軸轉速越大氣流速度就越大，并且會使物料與氣流的相對速度產(chǎn)生一定的改變。由此可見，主軸轉速越大越有利于物料的拋送。但是，轉速過高還可能會引起機具共振，影響作業(yè)效率，噪聲增大。轉速過低，則會導致物料在管道中阻塞。因此，當葉片傾角為7°，物料長度為12 mm時，主軸轉速為700 r/min更有利于拋送。

從圖中可以看出，試驗值與仿真值趨勢相同，最大相對誤差為6.6%，說明本研究建立的數(shù)學模型是正確合理的。產(chǎn)生誤差的原因主要包括：首先由于建立模型時未考慮物料相互之間的碰撞與摩擦；其次，試驗中存在的測量誤差；再次，物料與地面接觸時會發(fā)生碰撞、彈跳，也會導致仿真結果與試驗結果不同。

4.2.2 葉片傾角對拋送性能的影響

葉片傾角有前傾、徑向、后傾3種，取前傾角度為負值，徑向角度為0°，后傾角度為正值。同時，主軸轉速取700 r/min，物料長度取12 mm，其他參數(shù)參考表2，分別對葉片傾角為?14°、?7°、0°、7°和14°進行模擬仿真，結果如圖10。

從圖10可以看出，前傾葉片和后傾葉片對拋送距離有相同趨勢的影響，均隨葉片傾角增大而先增大后減小，葉片傾角為7°時拋送距離最遠。但前傾比后傾減小幅度大。這是由于在轉速相同時，當量摩擦系數(shù)會隨著前傾角度增大而增大，當后傾角度增大時，當量摩擦系數(shù)則會減小，從而后傾葉片對物料的阻力減小，使物料拋離葉片的速度大于前傾葉片。同時，物料拋離葉片的速度和氣流速度會隨著葉片傾角改變，而在一定傾角范圍內(nèi)，氣流和物料的相對速度卻變化不大。

5 結論與討論

針對盤刀式鍘草機，本文以動力學理論為研究基礎，綜合考慮拋送裝置與前端裝置的匹配問題，以單個物料為研究對象，建立了動力學模型，并進行了試驗驗證。主要結論如下：

1）仿真與試驗結果基本一致，相對誤差最大值為6.6%，誤差在合理范圍之內(nèi)，說明本研究建立的動力學模型是合理的，具有一定的參考價值。

2）以拋送距離為指標，對主軸轉速和葉片傾角進行了仿真分析。結果表明：當切碎物料長度為12 mm時，采用葉片傾角為7°且主軸轉速為700 r/min時拋送距離最大，更有利于拋送。

理論和仿真相結合的方法可以快速進行性能仿真和性能預測，可以參考仿真結果快速優(yōu)化鍘草機的性能參數(shù)，為實際試驗提供重要的參考指標，降低試驗成本。鍘草機在實際作業(yè)中所加工的物料為秸稈與葉片的混合物，且秸稈直徑各異，這些因素都將導致秸稈運動是相當復雜的過程?？稍诤笃趶奈锪先旱慕嵌瘸霭l(fā)，通過氣固耦合的方法深入研究秸稈及秸稈群的運動學和動力學特性及拋送管的尺寸、形狀等對物料運動狀態(tài)的影響。

[1] Totten D S, Millier W F. Energy and particle path analysis: Forage blowers and vertical pipe[J]. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 1966, 9(5): 629-636, 640.

[2] Dennis L. Determination of the Air and Crop Flow Behavior in the Blowing Unit and Spout of A Pull-type Forage Harvester[D]. Saskatchewan: University of Saskatchewan, 2005.

[3] ?wi?tek K, Lisowski A. Two-stage motion of particles in the discharge spout of forage harvester[J]. Agricultural Engineering , 2010, 124(6): 105-111.

[4] Lisowski A, ?wi?tek K, Klonowski J, et al. Movement of chopped material in the discharge spout of forage harvester with a ?ywheel chopping unit: Measurements using maize and numerical simulation[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(4): 381-391.

[5] 賈洪雷，馬成林. 曲面直刃刀切碎與拋送變量的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33(6)：41-43.

Jia Honglei,Ma Chenglin. Study on chopping and throwing parameters of the chopping knife with curved surface and straight edge[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002, 33(6): 41-43. (in Chinese with English abstract)

[6] 賈洪雷，王增輝，馬成林，等. 玉米秸稈切碎拋送裝置的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2003，34(6)：96-99.

Jia Honglei,Wang Zenghui, Ma Chenglin, et al.Test of the chopping and throwing device for the mulching straw[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2003, 34(6): 96-99. (in Chinese with English abstract)

[7] 陳海濤，李昂，史乃煜，等. 玉米秸稈殘茬側向拋出動力學模型建立與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2018，49(5)：76-83.

Chen Haitao, Li Ang, Shi Naiyu, et al. Kinetics modeling and experiment of lateral throwing of corn straws[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 76-83. (in Chinese with English abstract)

[8] 嚴偉，吳努，顧峰瑋，等. 葉片式拋送裝置功耗試驗研究與參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2017，22(7)：99-106.

Yan Wei, Wu Nu, Gu Fengwei, et al. Parameter optimization and experiment for the power consumption of impeller-blower[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(7): 99-106. (in Chinese with English abstract)

[9] 胡瑞謙. 質(zhì)點在繞水平軸等速旋轉平面型葉片上運動的分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，1980，11(4)：62-72.

Hu Ruiqian. The motive analysis of particle which is on the blade of plane type, the blade rotate round a horizontal axle with constant angular velocity[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1980, 11(4): 62-72. (in Chinese with English abstract)

[10] 吳峰，徐弘博，顧峰瑋，等. 秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置改進[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(24)：18-26.

Wu Feng, Xu Hongbo, Gu Fengwei, et al. Improvement of straw transport device for straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 18-26. (in Chinese with English abstract)

[11] 秦寬，曹成茂，廖移山，等. 秸稈還田施肥點播機粉碎拋撒置結構設計與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(3)：1-10.

Qin Kuan, Cao Chengmao, Liao Yishan, et al. Design and optimization of crushing and throwing device for straw returning to field and fertilizing hill-seeding machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[12] 章志強. 玉米秸稈粉碎拋撒還田機的設計與秸稈運動特性研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2018.

Zhang Zhiqiang. Research on Corn Straw Chopping and Spreading Machine Design and Dynamic Characteristic of Straw[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉鵬，何進，章志強，等. 基于CFD-DEM的秸稈還田機碎稈運動特性分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2020，51(增刊1)：244-253.

Liu Peng, He Jin, Zhang Zhiqiang, et al. Kinematic characteristic analysis and field test of chopped stalk in straw retention machine based on CFD DEM coupling simulation method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(Suppl.1): 244-253. (in Chinese with English abstract)

[14] 翟之平，李建嘯，吳雅梅，等. 葉片式拋送裝置氣固兩相流仿真及優(yōu)化[J]. 機械設計與研究，2014，30(6)：154-157.

Zhai Zhiping, Li Jianxiao, Wu Yamei, et al. Simulation and optimization of solid-gas two-phase flow in an impeller blower[J]. Machine Design and Research, 2014, 30(6): 154-157. (in Chinese with English abstract)

[15] 翟之平，吳雅梅，王春光. 物料沿拋送葉片的運動仿真與高速攝像分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(2)：23-28.

Zhai Zhiping, Wu Yamei, Wang Chunguang. Dynamic simulation and high-speed camera analysis on materials moving along throwing impellers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 23-28. (in Chinese with English abstract)

[16] 翟之平，高搏，楊忠義，等. 葉片式秸稈拋送裝置功耗分析與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(10)：26-33.

Zhai Zhiping, Gao Bo, Yang Zhongyi, et al. Power consumption and parameter optimization of stalk impeller blowers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 26-33. (in Chinese with English abstract)

[17] 翟之平，楊忠義，高博，等. 基于Mixture模型的葉片式拋送裝置內(nèi)氣固兩相流模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(22)：50-58.

Zhai Zhiping, Yang Zhongyi, Gao Bo, et al. Simulation of solid-gas two-phase flow in an impeller blower based on Mixture model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[18] 翟之平，王春光. 葉片式拋送裝置氣流流場數(shù)值模擬與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2008，39(6)：84-87.

Zhai Zhiping, Wang Chunguang. Numerical simulation and optimization for air flow in an impeller blower[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(6): 84-87. (in Chinese with English abstract)

[19] 劉曉. 青飼料收獲打捆包膜一體機關鍵裝置的研制與試驗[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2018.

Liu Xiao. Design and Experiment of Key Device of Single Pass Silage Round Wrapping Machine[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[20] 張鋒偉，宋學鋒，張雪坤，等. 基于氣固耦合的排料裝置內(nèi)物料運動特性數(shù)值模擬[J/OL]. 應用基礎與工程科學學報，(2018-1-8)[2020-08-10]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/ 11.3242.tb.20181024.1319.004.html.

Zhang Fengwei, Song Xuefeng, Zhang Xuekun, et al. Numerical simulation of material movement in discharging device based on gas-solid coupling method[J/OL]. Journal of Basic Science and Engineering, (2018-1-8) [2020-08-10]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3242.tb. 20181024.1319.004.html. (in Chinese with English abstract)

[21] 翟之平，周雷，楊忠義，等. 秸稈拋送裝置拋送葉輪的振動特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(4)：17-25.

Zhai Zhiping, Zhou Lei, Yang Zhongyi, et al. Analysis on vibration characteristics of throwing impeller of stalk impeller blower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 17-25. (in Chinese with English abstract)

[22] 翟之平，張龍，劉長增，等. 秸稈拋送裝置外殼振動輻射噪聲數(shù)值模擬與試驗驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(16)：72-79.

Zhai Zhiping, Zhang Long, Liu Changzeng, et al. Numerical simulation and experimental validation of radiation noise from vibrating shell of stalk impeller blower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 72-79. (in Chinese with English abstract)

[23] 武紅劍，王德成，宮澤奇，等. 基于EDEM的青貯收獲機拋送裝置優(yōu)化設計[J]. 中國奶牛，2015(18)：44-47.

[24] 郭穎杰，操子夫，趙婉寧. 基于ADAMS和ANSYS Workbench的秸稈粉碎拋送裝置仿真分析[J]. 中國農(nóng)機化學報，2017，38(2)：1-6.

Guo Yingjie, Cao Zifu, Zhao Wanning. Simulation analysis of crushing and throwing device for straw based on ADAMS and ANSYS Workbench[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(2): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[25] 郭穎杰，操子夫，趙婉寧. 基于ADAMS的打捆機粉碎拋送裝置動平衡優(yōu)化分析[J]. 中國農(nóng)機化學報，2017，38(3)：1-4，13.

Guo Yingjie, Cao Zifu, Zhao Wanning. Optimization analysis on dynamic balance of crushing and throwing device of bundling machine based on ADAMS[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(3): 1-4, 13. (in Chinese with English abstract)

[26] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院. 農(nóng)業(yè)機械設計手冊（下冊）一[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社，2007：1194.

[27] 朱松明，吳春江. 葉片式拋送器功耗與效率的研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)大學學報，1995，21(2)：169-172.

Zhu Songming, Wu Chunjiang. Study on power-consumption and efficiency of paddle blowers[J]. Journal of Zhejiang Agricultural University, 1995, 21(2): 169-172. (in Chinese with English abstract)

[28] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 理論力學（I）[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[29] Ren B, Zhong W Q, Jin B S, et al. Study on the drag of a cylinder-shaped particle in steady upward gas flow[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(12): 7593-7600.

[30] 袁竹林，朱立平，耿凡，等. 氣固兩相流動與數(shù)值模擬[M]. 南京：東南大學出版社，2013.

[31] 張濤，劉飛，趙滿全，等. 玉米秸稈接觸物理參數(shù)測定與離散元仿真標定[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2018，23(4)：120-127.

Zhang Tao, Liu Fei, Zhao Manquan, et al. Determination of corn straw contact parameters and calibration of Discrete Element Method simulation[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(4): 120-127. (in Chinese with English abstract)

Analysis and experiments of the movement process for the shredded material of disc knife chaff cutter

Fang Mei, Yu Zhihong※, Zhang Wenjie, Liu Weifeng, Bie Zhenjiang, Song Jinbao

(,,010018,)

Throwing device is an important factor that directly affects the performance of chaff cutter. For the problem of low throwing efficiency and residue blockage of disc knife chaff cutter, scholars at home and abroad have done a lot of research, but most of the previous research is based on simulation and experimental research. For the movement of materials, theoretical analysis studies are rarely performed. Most scholars only analyze the movement of material in the throwing device separately, and ignore the influence of the front-end device and airflow on the material. Therefore, this study aims to establish a more complete theoretical analysis model to provide a theoretical basis for the design of the whole machine of the chaff cutter. A kinetic analysis method was proposed to reveal the laws of material throwing motion of the disc knife maize. Material movement process were divided into seven stages in the whole throwing process, according to the matching between the throwing device and the front-end device, and the influence of airflow on the material. The movement and force of the material were analyzed in each stage. The kinetic model of the material movement along the throwing blade, along the throwing straight and elbow, and after throwing out of the outlet was established, using the initial and final velocity of each stage to connect adjacent stages. Based on the dynamic model, the throwing distance of the material was taken as index value, and a numerical calculation model was established using MATLAB software. The parameters related to the maize straw material involved in the simulation and calculation process, including moisture content, mass and diameter, were measured by physical tests. The airflow velocities in the throwing tube at different working conditions were measured using a TSI9565 anemometer, and the average value (0.203) of the coefficient of friction between the maize straw material and the tube wall was obtained using a CNY-1 inclinometer. The parameters of simulation model were determined according to the actual structural parameters of the 9Z-6A disc knife chaff cutter and the test data related to the maize straw material, and the influence of the spindle speed and blade inclination angle on the throwing performance was analyzed. The results showed that the throwing distance increased approximately linearly with the increase of the spindle speed during the test range. The throwing distance first increased and then decreased, with the blade inclination angle increased. The maximum throwing distance was obtained when the length of the shredded material was 12 mm, the blade inclination angle is 7° and the spindle speed was 700 r/min. The results obtained from the throwing distance test were consistent with the trend of the theoretical simulation results, with a maximum relative error of 6.6%, which verified the accuracy of the dynamic model. The findings can provide a theoretical basis for the structural design, parameter optimization, and matching of the chaff cutter.

agricultural machinery; straw; shredded material; dynamic analysis; numerical simulation; movement law

2020-09-10

2021-03-24

國家自然科學基金項目（51865047）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2018MS05002）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學高層次人才引進科研啟動項目（NDYB2018-37）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金博士基金（2020BS05023）

方梅，博士生，研究方向為數(shù)字化農(nóng)牧業(yè)關鍵技術及裝備研究。Email：fangmei0305@163.com

郁志宏，博士，博士生導師，研究方向為數(shù)字化農(nóng)牧業(yè)關鍵技術及裝備研究。Email：yzhyqyzhyq@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.010

S817.12; S226.7

A

1002-6819(2021)-07-0076-09

方梅，郁志宏，張文杰，等. 盤刀式鍘草機粉碎物料運動過程分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(7)：76-84. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.010 http://www.tcsae.org

Fang Mei, Yu Zhihong, Zhang Wenjie, et al. Analysis and experiments of the movement process for the shredded material of disc knife chaff cutter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 76-84. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.010 http://www.tcsae.org