趙勁飛，席琳喬，廖結(jié)安，李琨，馬雪亭，譚占明

(1. 塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾，843300； 2. 塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾，843300； 3. 塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾，843300；4. 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾，843300)

0 引言

果園行間種植綠肥是現(xiàn)代化果園管理和種植的一種先進方式，這種管理模式不僅是現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、現(xiàn)代生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，也是現(xiàn)代果園種植模式的主要特征之一[1]。綠肥對土壤有較大的改良效果，國內(nèi)外對此均有相關(guān)研究[2-4]。果樹行間種植綠肥不僅可以改善果園土層的物理化學(xué)性質(zhì)、提供營養(yǎng)物質(zhì)、保水保肥，還可減少蟲害危害、抑制雜草生長、促進果園生態(tài)環(huán)境的良性改良，為果樹成長提供良好的生存條件[5-9]。但在果園行間綠肥種植及管理模式中，由于受到不同地形以及種植模式的限制，導(dǎo)致綠肥配套機械化方面發(fā)展較為遲緩。隨著現(xiàn)代林果業(yè)生產(chǎn)機械化技術(shù)發(fā)展和對機械裝備的需要，果園管理機械化模式是現(xiàn)代化果園產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求。

綠肥技術(shù)在19世紀中葉由美國率先提出，到20世紀40年代快速推廣到世界范圍內(nèi)[10-11]。與之相匹配的機械管理機具及技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。CLASS及約翰迪爾等機械在此方面相對較為成熟，機具能夠一次性完成收獲、切碎、拋送和裝車等多項工作內(nèi)容[12]。相較于國外，國內(nèi)綠肥發(fā)展較為遲緩。20世紀80年代初，才在沿海地區(qū)果園引進該技術(shù)進行應(yīng)用。與此同時，符合我國林果種植模式的配套綠肥管理機械發(fā)展更顯滯后。

近年來，在國家政策引導(dǎo)和國內(nèi)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，取得了一定成果。王興波等[13]設(shè)計的PDG-910手扶式割草機，在機械作業(yè)工作時仍需要人工操作，作業(yè)勞動強度大且費時費力，遠不能滿足目前現(xiàn)代標準化果園的綠肥管理種植要求。王鵬飛等針對果園復(fù)雜的地形和草量過多的問題研究設(shè)計了一款適合果園自走式的割草機。該割草機械可以有效地提高效率、減少勞動成本，但適用性差、通過性差滿足不了種植需求。王志強等[14]針對果樹行間設(shè)計一種碎草機，該機械碎草效果良好，碎草均勻性強，但工作幅寬較小，限制了機具的工作效率，以及未考慮農(nóng)機農(nóng)藝的要求，且無法適應(yīng)于新疆果園綠肥種植模式下使用。

針對目前現(xiàn)狀，以上機具在一定程度上可滿足果樹行間綠肥碎草的基本需求，但針對新疆果園行間綠肥粉碎的農(nóng)藝需求和長遠發(fā)展，尚有較大的發(fā)展空間。因此，基于新疆果樹行間綠肥種植模式的需求，解決果園行間碎草的諸多要求及發(fā)展，降低果農(nóng)勞動強度，提高果園碎草質(zhì)量，研究設(shè)計了一種適用于果園行間的綠肥碎草機，并對整機結(jié)構(gòu)與工作原理進行了介紹以及對關(guān)鍵零部件仿真優(yōu)化，最后進行了田間試驗測試。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

綠肥碎草機主要由懸掛架、碎草盤、碎草刀、機架、限高輪等組成[15]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中：殼體和下護板為焊接件，焊接于機架下端，擋草鏈位于該機具前部，動力由萬向聯(lián)軸器將拖拉機尾部的動力輸入到碎草機的變速箱內(nèi)，通過傳動機構(gòu)將動力最終傳遞至碎草盤上，兩碎草盤一個順時針旋轉(zhuǎn)、一個逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動其上間隔排列的碎草刀進行有效的碎草作業(yè)，碎后的綠肥作物均勻拋撒至地面，機具由拖拉機液壓系統(tǒng)和后部的限高輪共同決定綠肥作物粉碎后的留茬高度。

圖1 綠肥碎草機整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall structure diagram of green manure grass crusher1.下護板 2.限高輪 3.限高板 4.變速箱 5.懸掛架 6.輸入軸7.機架 8.擋草鏈 9.碎草刀 10.碎草盤

1.2 工作原理

該碎草機作業(yè)時通過拖拉機帶動機具向前進行碎草作業(yè)，其動力傳動路線如圖2所示。

圖2 動力傳遞線路圖Fig. 2 Sketch of power transfer routing1.箱體 2.碎草軸 3.碎草錐齒輪 4.傳動軸 5.換向齒輪6.輸入齒輪 7.變速箱 8.萬向伸縮傳動軸

碎草機的動力由萬向聯(lián)軸器將拖拉機的動力傳遞至碎草機上，碎草機將動力由輸入軸經(jīng)變速箱內(nèi)的輸入齒輪和換向齒輪實現(xiàn)動力換向和增速，換向齒輪帶動傳動軸再將動力由碎草錐齒輪傳遞至碎草軸上，同時實現(xiàn)二次增速，進而實現(xiàn)碎草盤的高速轉(zhuǎn)動，最終通過碎草盤上下排列的碎草刀片將綠肥作物進行切斷。機具內(nèi)部在壓力的作用下，將切斷的綠肥作物，在機具內(nèi)部經(jīng)過碎草刀多次沖擊、打斷、粉碎，最后粉碎成段的綠肥作物均勻平鋪在果樹行間，并通過限高輪碾壓使其和土壤充分接觸，加快粉碎后的綠肥莖稈腐解速度。

1.3 技術(shù)參數(shù)

在充分結(jié)合新疆果園種植模式和實際作業(yè)需求后，研究設(shè)計了果園碎草機。該機具具備良好的通過性、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小、操作維護簡便等特點，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 樣機技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of prototype

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 懸掛架設(shè)計

為提高碎草機的通用性和利用率，果園作業(yè)機械通常以懸掛式連接方式與拖拉機配套使用。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化事業(yè)迅速發(fā)展，碎草機在林果業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。懸掛架是碎草機的重要部件之一，其性能直接影響碎草機的性能和壽命，碎草機通過懸掛架與拖拉機配套使用，懸掛架是碎草機的固定基礎(chǔ)、承載著碎草機變速箱及機架等附件的重量[16]。懸掛架結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由上、下懸掛點以及懸掛支架等組成；工作時，懸掛架上懸掛點和拖拉機中央拉桿連接，下懸掛點和拖拉機三點懸掛下擺臂連接使用。

圖3 懸掛架結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Suspension frame structure diagram1.上懸掛點 2.懸掛支架 3.下懸掛點 4.機架

2.2 碎草圓盤機構(gòu)設(shè)計

碎草圓盤機構(gòu)在本機中的作用主要是實現(xiàn)碎草作業(yè)，在拖拉機動力帶動下實現(xiàn)碎草盤和碎草刀的高速旋轉(zhuǎn)，進而利用碎草刀刃口和高速旋轉(zhuǎn)帶來的動能對綠肥作物進行“砍劈”式粉碎，最終得到較好的粉碎質(zhì)量，促進綠肥莖稈的分解和利用。碎草圓盤機構(gòu)主要由碎草盤、碎草刀、間隔套等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。工作時，碎草盤通過拖拉機三點懸掛和限高輪的共同作用實現(xiàn)定高，正常工作時碎草盤距離地面5～20 cm，留茬高度不低于5 cm是為了更好地保護綠肥作物的根莖，使其能夠再次生長，進而實現(xiàn)一次播種多次粉碎利用的效果。工作過程中，通過萬向聯(lián)軸器將動力由拖拉機后輸出軸傳遞至碎草機，再由碎草機動力機構(gòu)通過齒輪傳動將動力傳遞至碎草盤，進而帶動碎草刀實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)綠肥作物的莖稈粉碎工作。

圖4 碎草圓盤機構(gòu)示意圖Fig. 4 Diagram of grass disc mechanism1.碎草盤 2.安裝孔 3.連接孔 4.間隔套 5.碎草刀6.槽型螺母 7.碎草螺栓 8.開口銷

2.2.1 碎草圓盤結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過二、三維繪圖軟件對碎草圓盤機構(gòu)進行繪制，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。

圖5 碎草圓盤結(jié)構(gòu)剖視圖Fig. 5 Sectional view of crushed grass disc structure

其中碎草螺栓總長107 mm，頂部通過槽型螺母和開口銷配合防止松動造成碎草刀掉落等問題，4片碎草刀尺寸(長×寬×高)均為90 mm×40 mm×5 mm，碎草刀刃口角度為30°，4片碎草刀間隔均為22 mm。工作時利用高速旋轉(zhuǎn)使碎草刀具有較大的動能和線速度，進而對處于不同生長時期的綠肥作物莖稈進行“砍劈”式粉碎，結(jié)合綠肥作物莖稈鮮嫩多汁的特性，采用較小的間隔排列，已達到較好的粉碎效果，粉碎后莖稈裸露面積大，使其能夠充分和空氣及土壤接觸，加速莖稈分解和肥效轉(zhuǎn)化利用。

2.2.2 碎草圓盤機構(gòu)運動分析

1) 碎草刀運動方程。機具作業(yè)時碎草刀的絕對運動為圓周運動(碎草刀通過碎草螺栓和碎草盤鏈接，進而由碎草軸轉(zhuǎn)動形成圓周運動)和直線運動(機具向前作業(yè)時形成的直線運動)的合成，即刀片上任意點的運動軌跡為一條有規(guī)律的曲線(擺線)[17-19]。以碎草軸初始旋轉(zhuǎn)中心為坐標系原點，機具前進方向為x軸，水平面與x軸垂直為y軸；當碎草刀轉(zhuǎn)動半徑為R，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，機具前進速度為vm；建立碎草刀運動圖，如圖6所示。

圖6 碎草刀的運動Fig. 6 Movement of the grass cutter

開始時碎草刀與x軸重合，t時刻碎草刀端點的坐標方程

(1)

碎草刀端點在x軸與y軸方向的分速度

(2)

碎草刀端點絕對運動速度

(3)

2) 機具不漏割條件。通過研究碎草方面相關(guān)資料顯示，機具在旋轉(zhuǎn)式無支承切割時刀片刃口最小極限速度為30 m/s，機具切割速度應(yīng)大于最小極限速度，一般情況下刀片端點速度為50～90 m/s[20]，機具圓盤轉(zhuǎn)速

(4)

其中:

式中：D——碎草刀盤直徑，m；

h——碎草刀刃口長度，m；

m——碎草刀片數(shù)，m=2。

不漏割條件

(5)

3 仿真分析

3.1 懸掛架有限元仿真分析

3.1.1 懸掛架模型的導(dǎo)入

通過三維繪圖軟件Solidworks將建好的懸掛架的三維模型保存為.x_t格式，然后導(dǎo)入ANSYS15版本進行仿真分析。

3.1.2 屬性的定義

在Workbench材料庫中，會提供許多經(jīng)常使用的工程材料，同時也可以根據(jù)自己的材料屬性自行設(shè)計所需要的材料屬性，常用的材料屬性的定義主要包括彈性模量、泊松比、屈服強度、及密度等，本文選用材料的屬性如表2所示。

表2 材料的屬性Tab. 2 Properties of materials

3.1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是在有限元仿真分析過程不可缺少的部分，網(wǎng)格劃分的精確程度可以決定仿真分析結(jié)果的精度。在本文軟件仿真分析過程中，對網(wǎng)格劃分控制網(wǎng)格大小為10 mm，懸掛架的網(wǎng)格劃分圖如圖7所示。

圖7 懸掛架網(wǎng)格劃分圖Fig. 7 Grid division of suspension frame

3.1.4 施加約束和荷載

對懸掛架進行有限元靜力學(xué)分析是為了減少在機具作業(yè)時，懸掛架因受力產(chǎn)生斷裂和變形，從而影響機具穩(wěn)定性，懸掛架的荷載劃分已確定主要受3個荷載力，約束部分在懸掛點所受到的荷載力主要包括鎮(zhèn)壓輥的質(zhì)量及拉力、齒輪箱動力部件及切割裝置等部件的重力。

3.1.5 仿真分析結(jié)果

通過圖8所示的懸掛架位移變形云圖可知，懸掛架的最大位移變形量為0.192 mm，且最大位移變形發(fā)生端主要是下端的兩個懸掛點。這是因為主懸掛點有固定支撐從而增加受力減少了位移變形，而下端兩個懸掛點無固定支撐從而容易變形且兩個懸掛點向內(nèi)位移變形，因為在實際的樣機工作中此位移變形量很小可以忽略對樣機的危害。

圖8 懸掛架位移變形云圖Fig. 8 Displacement and deformation cloud map ofsuspension frame

通過圖9的懸掛架彈性變形云圖可知，懸掛架的最大等效彈性變形量為4.37×10-5且最大變形量主要發(fā)生在第一懸掛點的橫梁端，并且懸掛架等效彈性變形范圍為1.05×10-7～4.37×10-5。

圖9 懸掛架等效彈性變形云圖Fig. 9 Cloud diagram of equivalent elastic deformation ofsuspension frame

通過圖10所示的懸掛架應(yīng)力變形云圖可知，懸掛架最大應(yīng)力變形主要發(fā)生在第一懸掛點的橫梁端點且最大應(yīng)力變形值為8.718 2 MPa，其值遠小于Q235鋼材的許用應(yīng)力值(235 MPa)。因此，基于上述分析結(jié)果可知，本設(shè)計選材合理，滿足應(yīng)力強度要求，可達到使用需求。

圖10 懸掛架應(yīng)力變形云圖Fig. 10 Stress deformation nephogram of suspension frame

3.2 碎草圓盤機構(gòu)模態(tài)分析

3.2.1 模型的建立及材料屬性確定

按照懸掛架的保存形式對圓盤刀具進行ANSYS軟件識別格式保存，使用的材料的屬性同為Q235鋼，因此材料屬性定義同表2所示的材料屬性。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

將上述的格式，打開Workbench，選擇Modal進行導(dǎo)入，同時進行網(wǎng)格劃分，碎草圓盤機構(gòu)有限元模態(tài)分析網(wǎng)格劃分模型圖如圖11所示，其中總共含有13 261個單元格，6 597個節(jié)點。

圖11 碎草圓盤機構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig. 11 Grid division of grass disc mechanism

3.2.3 模態(tài)仿真結(jié)果分析

通過碎草圓盤機構(gòu)的模態(tài)分析云圖(圖12)可知，在第一階模態(tài)時，主要變形端在刀片周圍，并且變形量最大的刀片是碎草盤最遠端的第三和第六片碎草刀，因為最遠端的刀片固定支撐少，受力相同的情況下容易變形，同時刀片會沿著固定軸端向內(nèi)發(fā)生小變形；在第二階模態(tài)時，第三刀片和第六刀片沿著碎草盤半徑方向向外有明顯的變形；在第三階模態(tài)時，碎草盤和碎草刀發(fā)生上下方向的扭曲變形，且第六刀片變形突出；第四階模態(tài)時，第六刀片沿著軸向里向外發(fā)生大幅度變形；在第五階模態(tài)時，第三刀片沿著固定軸向里向外大幅度的變形，而第六刀片小幅度變形。

(a) 第一階模態(tài)

(b) 第二階模態(tài)

(c) 第三階模態(tài)

(d) 第四階模態(tài)

(e) 第五階模態(tài)

(f) 第六階模態(tài)圖12 碎草圓盤機構(gòu)的模態(tài)分析云圖Fig. 12 Modal analysis cloud diagram of grass disc mechanism

在第六階模態(tài)時，第三刀片和第六刀片及碎草盤發(fā)生大幅度的上下方向扭曲變形。由表3可得出碎草圓盤機構(gòu)的固有頻率的范圍在172.72～344.90 Hz，碎草圓盤機構(gòu)在工作中最大轉(zhuǎn)速小于4 000 r/min，小于圓盤刀具的第一階的固有頻率，因此可知不會產(chǎn)生共振[21-22]。

表3 碎草圓盤前6階模態(tài)的固有頻率及變化量Tab. 3 Natural frequencies and variations of thefirst six modes of the grass disc mechanism

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件

田間試驗主要考核綠肥碎草機的作業(yè)質(zhì)量，為標定最優(yōu)作業(yè)參數(shù)和后期優(yōu)化改進提供依據(jù)，機具于2020年6月10日在新疆阿拉爾市九團二營現(xiàn)代有機蘋果園技術(shù)集成與示范基地內(nèi)進行，碎草對象為生長60d左右的綠肥作物(油菜、燕麥)，配套動力為東風(fēng)DF404-15拖拉機，其標定功率為29.4 kW，作業(yè)速度為4～8 km/h，田間試驗如圖13所示。

圖13 田間試驗Fig. 13 Field experiment

3.2 試驗方法

試驗主要參照《GB/T 24675.6—2009保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》《NY/T 500—2015秸稈粉碎還田機 作業(yè)質(zhì)量》和《DB13/T 1045—2009機械化秸稈粉碎還田技術(shù)規(guī)程》等標準方法進行田間性能試驗[23]。試驗對象油菜、燕麥平均株高55 cm、43 cm；油菜、燕麥莖稈平均含水率為87%、79%。碎草作業(yè)完成后，按照《NY/T 500—2015秸稈粉碎還田機 作業(yè)質(zhì)量》標準對碎草機作業(yè)性能進行測定，計算機具作業(yè)后的粉碎長度合格率、殘茬高度、拋撒不均勻率等指標。同時使用游標卡尺、卷尺、土壤堅實度測定儀等測量試驗地塊的試驗條件，測量試驗所需儀器如表4所示。

表4 試驗檢測儀器Tab. 4 Test instruments

3.3 試驗測定

試驗以機具一個作業(yè)幅寬和果園長度(1.5 m×150 m)為一個作業(yè)區(qū)，共進行了16個測區(qū)的驗證試驗。每個測區(qū)采用五點法選擇5個測點，每個測點(測點為1 m×1 m的正方形)撿拾所有秸稈稱重，從中挑出粉碎長度不合格的秸稈(秸稈的切碎長度不包括其兩端的韌皮纖維)稱其質(zhì)量。粉碎長度合格率按式(6)計算。

(6)

式中：Fh——粉碎長度合格率，%；

mz——每個測點秸稈質(zhì)量，g；

mb——每個測點中粉碎長度不符合規(guī)定要求的秸稈質(zhì)量，g。

每個測點在一個機具作業(yè)幅寬左、中、右上隨機各測取3株(叢)根卷，其平均值為該測點的殘茬高度，求5個測點的平均值為該測區(qū)的殘茬高度。拋撒不均勻率的測定和秸稈粉碎長度合格率的測定同時進行，每個測區(qū)內(nèi)按幅寬方向等間距三等分，分別稱其秸稈質(zhì)量。按式(7)、式(8)計算。

(7)

(8)

Fb——拋撒不均勻率，%；

mmax——測區(qū)內(nèi)測點秸稈質(zhì)量最大值，g；

mmin——測區(qū)內(nèi)測點秸稈質(zhì)量最小值，g。

3.4 試驗結(jié)果及分析

利用上述測試計算方法，分別以每個測區(qū)的5個測點平均值為測試結(jié)果，按照國家標準和相關(guān)技術(shù)要求對機具進行實地性能測試，試驗測試結(jié)果如表5所示。由表5可知，粉碎長度以100 mm為標準時，綠肥莖稈粉碎長度合格率平均值為93.56%；粉碎長度以150 mm為標準時，綠肥莖稈粉碎長度合格率平均值為97.23%。以上試驗統(tǒng)計結(jié)果均高于國家標準關(guān)于秸稈粉碎長度合格率≥85%的要求。該機具各項技術(shù)性能指標均達到設(shè)計要求和有關(guān)標準要求，機具在果園行間試驗整體作業(yè)效果良好，完成了各項預(yù)期工作內(nèi)容，且該機具操作方便，作業(yè)性能穩(wěn)定。

表5 果園行間綠肥碎草機試驗結(jié)果Tab. 5 Test results of green fertilizer rotary tillage mixed planter

通過觀察試驗過程，可發(fā)現(xiàn)碎草機在果園具有較好的適應(yīng)性，可通過拖拉機行進速度、碎草機輸入轉(zhuǎn)速以及留茬高度等參數(shù)控制試驗結(jié)果。在果園綠肥粉碎過程中，綠肥作物粉碎長度一致、粉碎后分布均勻，果園行間綠肥碎草機能夠滿足果園行間綠肥粉碎的作業(yè)需求。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計的果園行間碎草機，詳細介紹了整機結(jié)構(gòu)與工作原理以及關(guān)鍵部件的設(shè)計與仿真。機具通過變速箱、碎草刀及限高輪等部件，能夠一次性完成碎草、拋撒及鎮(zhèn)壓還田等多項作業(yè)功能，為綠肥作物有效分解提供了良好條件，從而促進了綠肥作物對果園果樹所需養(yǎng)分的有效補充。

2) 通過ANSYS仿真軟件對關(guān)鍵部件進行仿真分析得出懸掛架的最大位移變形量為0.192 mm，對于農(nóng)用機械可忽略；懸掛架等效彈性變形范圍為1.05×10-7～4.37×10-5，最大應(yīng)力變形值為8.718 MPa遠小于選材屈服強度；圓盤刀具的固有頻率的范圍在172.72～344.90 Hz，而圓盤刀具的最大轉(zhuǎn)速不在其范圍內(nèi)，因此不會產(chǎn)生共振，可知選材和設(shè)計合理。

3) 通過田間試驗可知機具對綠肥莖稈粉碎長度合格率達到93.56%(以合格粉碎長度<100 mm為標準)、97.23%(以合格粉碎長度<150 mm為標準)，拋撒不均勻率為8%；樣機各項作業(yè)指標均達到了設(shè)計和相關(guān)農(nóng)業(yè)行業(yè)標準要求，作業(yè)性能良好。

4) 果園行間碎草機適用于新疆旱地果園行間機械化粉碎綠肥作物，為北方果園行間機械化粉碎綠肥作物的技術(shù)和應(yīng)用推廣提供了機具保障，也為果園土壤增加養(yǎng)分、果品提質(zhì)增效、減輕果農(nóng)勞動強度提供了技術(shù)支撐。