中圖分類號：S225：91十2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0192-10

Abstract：Thecotton planting in Xinjiang generallyadoptedfilm mulch planting.How tohandlecottonstraw before collecting plastic filmresiduehadbecome the biggest chalenge afterautumn harvest，with respect to this problem，a back-throwing typecotton straw shreddingand throwing device was designedforfilm residue recycling device.The high-speedrotating shredding kniferolerin the shredding devicedrovetheflailknife toshred thecotton stra standngon theground.Under the action of the throwing device，theshredded coton straw wasthrown out atacertain height and distance towards therearof the machine，soas torealizetheuniformreturnofthecotton straw tothefieldand create conditions forthesubsequentresidualfilmrecoveryprocessInordertoverifythefeasiblityandactualoperational performance of thedesign of key components of thepost-throwcotton straw crushingandthrowing device，the field experimentwascarriedout withthegrindingrolerspeed，toolgroundclearanceandmachineforwardspeedas experimental factors，and thequalified rateand droprateofcoton straw shredding length as experimental indicators.The Box—Behnken Design response surface optimization analysis method was used to obtain the predicted optimization values， andthe optimization values were verified.The validation test showed thattheoptimal working parameter combinationof the device was as follows：the speed of the crushing knife roller was 2 400r/min ，the forward speed of the machine was 5km/h ，the ground clearance was 60mm ，and the qualified rate of the cotton straw crushing length was 97.56% ，the experimentalresults wereconsistentwith thepredictedoptimizationvalues，indicating thattheafter-throwingcottonstraw crushing and throwing device met the operational requirements and conformed to the relevant standards.

Keywords：cotton straw returning;residue plastic film recycling; shreddng device；throwing device； back-throwing type; response surface analysis

0 引言

新疆位于中國西北，由于干旱少雨且光熱資源充足，已成為中國棉花種植面積最大的地區(qū)。隨著棉花種植面積不斷擴(kuò)大，新疆地區(qū)產(chǎn)生大量棉秸稈資源，現(xiàn)階段應(yīng)當(dāng)合理有效地解決棉田秸稈問題[1]。新疆棉花種植采取鋪膜密植，若棉田秸稈無法及時(shí)有效處理，將影響后期地膜回收[2]。棉秸稈通常進(jìn)行離田和還田使用，新疆地區(qū)大部分棉秸稈是進(jìn)行機(jī)械化粉碎還田，可實(shí)現(xiàn)抗旱保、增加土壤肥力和優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，最終提高作物產(chǎn)量，同時(shí)還可以防止棉秸稈因就地焚燒而產(chǎn)生的環(huán)境污染[3]

國外鋪膜種植使用可回收利用的高強(qiáng)度地膜，因此，國外主要解決農(nóng)作物莖稈問題[4]。Jankauskas等[5]研制了一種適用于聯(lián)合收割機(jī)上的秸稈粉碎裝置；Ramulu等設(shè)計(jì)了一種水稻秸稈粉碎與旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)，粉碎裝置和旋耕裝置通過可調(diào)節(jié)機(jī)架連接在一起；Singh等設(shè)計(jì)了一款拖拉機(jī)懸掛式秸稈粉碎還田機(jī)，可粉碎小麥秸稈和水稻秸稈。國內(nèi)機(jī)械化秸稈粉碎還田技術(shù)發(fā)展成熟，符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的技術(shù)和工藝[8]。盧勇濤等[9]設(shè)計(jì)的雙側(cè)輸出式秸稈粉碎還田機(jī)，機(jī)架前置Y型雙螺旋棉秸稈粉碎裝置，雙側(cè)輸送裝置設(shè)置在機(jī)架中間，便于粉碎后的棉稈落入絞龍輸送槽后被有效推送至未作業(yè)壟行。王學(xué)農(nóng)等[10]研制的懸掛式棉秸稈還田及摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)采用后拋式秸稈粉碎原理，碎棉秸稈在甩刀和氣流的雙重作用下被拋送至機(jī)具后方。以上機(jī)型存在秸稈拋撒不均勻以及秸稈拋撒特性差等問題。

綜上，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單以及性能可靠的后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置，布置在殘膜回收裝置前端，碎棉秸稈在拋送裝置的作用下以一定高度和距離越過殘膜回收裝置向機(jī)具后方拋送，并均勻平鋪在地表，實(shí)現(xiàn)膜稈分離，為后續(xù)殘膜回收創(chuàng)造作業(yè)條件。

1整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 棉花種植模式

新疆棉花種植普遍采用膜下滴灌技術(shù)，種植模式為“一膜三帶六行”，棉花行間距為 660mm ，棉花株距為 100mm ，地膜寬度為 2 050mm ，鋪設(shè)后的地膜寬度為 1 800～1 900mm ，種植模式如圖1所示。

圖1棉花種植模式Fig. 1 Cotton planting patterns1.地膜2.滴灌帶3.棉花

1.2 整體結(jié)構(gòu)

后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置布置在殘膜回收裝置前端，與殘膜回收裝置組成聯(lián)合作業(yè)機(jī)，形成一個(gè)牽引整體，如圖2所示。后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置由粉碎裝置、拋送裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖2聯(lián)合作業(yè)機(jī)

1.牽引架2.變速器3.防雜板4.粉碎裝置5.帶傳動(dòng)6.仿形輥7.拋送裝置8.松土齒9.挑膜滾筒10.脫膜滾筒11.機(jī)架12.升降系統(tǒng)13.液壓油缸14.地輪15.收膜裝置16.拋送通道

圖3后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置 Fig.3Shreddingand throwingdevice

1.3工作原理及技術(shù)參數(shù)

后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置與殘膜回收裝置配套使用，形成一個(gè)牽引整體，采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接，拖拉機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)分別給粉碎裝置和拋送裝置提供動(dòng)力，機(jī)具工作時(shí)，粉碎刀輥高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉸接在刀輥上的甩刀將立于地表的棉秸稈反復(fù)切割、粉碎和揉搓直至棉秸稈成為碎段狀，碎棉秸稈在粉碎腔內(nèi)氣流和甩刀的雙重作用下被拋入拋送裝置內(nèi)，拋送軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉸接的排風(fēng)刀將碎棉秸稈拋向拋送通道，碎棉秸稈沿著拋送通道被拋向機(jī)具后方，實(shí)現(xiàn)棉秸稈均勻還田。此種作業(yè)模式讓碎棉秸稈沿著拋送通道越過殘膜回收裝置向機(jī)具后方拋出，為后續(xù)殘膜回收裝置創(chuàng)造“潔凈”膜面工作條件，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置主要技術(shù)參數(shù) Tab.1 Main technical parameters of back-throwing type cotton straw shredding and throwing device

2粉碎拋送裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 粉碎裝置設(shè)計(jì)

粉碎裝置是后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置的關(guān)鍵部件，主要由粉碎刀輥、組合式甩刀、刀座、刀肩和定刀等組成，如圖4所示。

圖4粉碎裝置

1.定刀2.機(jī)架3.變速箱4.傳動(dòng)軸5.帶傳動(dòng) 6.殼體7.粉碎刀輥8.限深輪

2.1.1 甩刀設(shè)計(jì)

為提高棉秸稈粉碎質(zhì)量，粉碎裝置采用動(dòng)、定刀支撐粉碎切割方式。粉碎機(jī)構(gòu)為組合甩刀和定刀，組合甩刀鉸接在粉碎刀輥上，定刀焊接在粉碎腔內(nèi)壁，粉碎甩刀和定刀的相互配合形成支撐粉碎，可以減少粉碎過程中棉秸稈的滑移，從而提高棉秸稈的粉碎質(zhì)量。

目前常見的秸稈粉碎甩刀主要有錘爪型、直刀型和彎刀型，其中彎刀型又可以分為Y型、L型以及L改進(jìn)型[11]。L改進(jìn)型刀片的秸稈撿拾性能較好，但粉碎性能較差；直刀有較好的粉碎性能，但撿拾性能相對較差。利用L改進(jìn)型刀片的撿拾性能和直刀的粉碎性能組成組合式甩刀，既有L改進(jìn)型甩刀的撿拾性能又有直刀的粉碎性能[12]。兩把L改進(jìn)型刀片對稱分布，直刀安裝在2把L改進(jìn)型刀片中間，3把甩刀通過刀肩與刀座進(jìn)行固定，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

刀片的厚度也是設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一，不同刀片的厚度會(huì)造成刀片不同變形量，也會(huì)間接產(chǎn)生不同的粉碎效果。當(dāng)?shù)镀穸冗^厚，其質(zhì)量相應(yīng)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大，進(jìn)一步增加機(jī)器耗能；當(dāng)?shù)镀^薄時(shí)，強(qiáng)度要求達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，刀片在工作過程中極易因碰撞而發(fā)生扭曲變形。甩刀型刀片厚度大多為 4～6mm ，因此，設(shè)計(jì)刀片厚度為 5mm 。

圖5甩刀結(jié)構(gòu)

Fig. 5 Structure of swing knife

1.L型刀片2.直刀3.螺母4.螺栓5.刀座6.刀肩

L改進(jìn)型刀片結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是彎折角，即刀片正切面與側(cè)切面之間夾角，彎折角的不同會(huì)造成組合甩刀在工作時(shí)刀片變形的不同。當(dāng)彎折角過大時(shí)，會(huì)造成組合甩刀切割阻力增大、磨損程度加劇以及易在工作過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；當(dāng)彎折角過小，刀片彎折部分與秸稈接觸，此時(shí)粉碎質(zhì)量高，但刀片彎折部分容易纏繞棉秸稈纖維，長期作業(yè)易導(dǎo)致裝置內(nèi)部堵塞。

在設(shè)計(jì)L改進(jìn)型刀片的彎折角時(shí)，確定刀片厚度為 5mm ，以刀片4種彎折角度 120^°，125^°，130^° 和 135^° 為優(yōu)化角度，對刀片施加 800N 的載荷[13]，對4種不同彎折角的L改進(jìn)型刀片分別進(jìn)行力學(xué)仿真分析，其工作過程中的變形情況如圖6所示。可以看出，隨著彎折角度增加，刀片變形量逐步減少。綜上，最終選定L改進(jìn)型刀片彎折角為 130^° 。L改進(jìn)型刀片不同彎折角度的變形量如表2所示。

表2變形量Tab.2Deformationamount

2.1.2甩刀的排列數(shù)量和排列方式

1）甩刀的排列數(shù)量。在相同的作業(yè)速度、粉碎刀輥轉(zhuǎn)速和作業(yè)幅寬等工作條件下，甩刀數(shù)量過少，棉秸稈無法充分粉碎；甩刀數(shù)量過多，則機(jī)器消耗功率過大、制造成本高，不利于棉秸稈的順利拋出，容易發(fā)生堵塞。甩刀數(shù)量 N 計(jì)算如式（1）所示[14]。

N=CL

式中： c —甩刀安裝密度，片 mm

L 機(jī)具作業(yè)幅寬， mm 。

對于Y型甩刀，排列密度為 0.02～0.04 把 ^'mm ·對于直刀，排列密度為 0.05～0.07 把/ mm 。根據(jù)棉花的種植要求，確定工作幅寬 L=2100mm 。本次設(shè)計(jì)甩刀為組合式甩刀，相對于L改進(jìn)型甩刀增加了直刀，可以適當(dāng)減少甩刀數(shù)量，最終選取組合甩刀密度 c= 0.02組/ mm^[15] ，由式（1）計(jì)算得組合甩刀共42組。

2）甩刀排列方式。甩刀合理排列方式可以有效提高粉碎質(zhì)量；減少機(jī)具振動(dòng)、動(dòng)平衡性能好；不易堵塞粉碎裝置；不會(huì)發(fā)生漏割、重割現(xiàn)象。螺旋線排列、對稱排列和交錯(cuò)平衡排列是常見甩刀排列方式[16]。在設(shè)計(jì)甩刀排列方式時(shí)，不管采用哪種排列方式都應(yīng)使粉碎刀輥滿足以下要求：粉碎刀輥軸向受力均勻、滿足動(dòng)平衡要求；兩相鄰甩刀徑向夾角要盡量大，避免發(fā)生堵塞。

綜上，設(shè)計(jì)采取雙螺旋線排列，在同一條螺旋線上的兩組甩刀之間的升角為 52^° ，靠近粉碎刀軸端面的距離為 150mm ，單條螺旋線上相鄰兩把甩刀相距105mm ，排列方式如圖7所示。

2.1.3粉碎刀輥轉(zhuǎn)速

1）有效切割棉稈所需的粉碎刀輥轉(zhuǎn)速 n₁ 。取甩刀端點(diǎn)P點(diǎn)坐標(biāo)表示為式（2）。

式中： V_r ——甩刀前進(jìn)速度， m/s t^′ 時(shí)間，s；ω 粉碎刀輥角速度， rad/s ：r 粉碎刀輥半徑， mm l? 甩刀組長度， r+l=265mm 0則P點(diǎn)軌跡方程如式（3）所示。

引入甩刀線速度和機(jī)具前進(jìn)速度之比λ，可以直觀地反映秸稈粉碎效果。

式中： V_e —甩刀線速度， m/s 。

由式（3）～式（5）可得 P 點(diǎn)的軌跡方程為余擺線。

當(dāng) V_r，ω，r，l 變化時(shí)， λ 也相應(yīng)變化。當(dāng) λ?1 時(shí)，粉碎刀片運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)具前進(jìn)速度一致，刀片只進(jìn)行一次粉碎，漏切嚴(yán)重；當(dāng) λgt;1 時(shí)，粉碎刀片運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，粉碎有重合部分[17]。

由《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知，有一定剛度的秸稈無支撐切割最小速度 V_min=48m/s ;根據(jù)速度矢量合成原理，建立如圖8所示的速度矢量合成圖[18]。

式中： V_a ——甩刀端點(diǎn)絕對速度， m/s 。

當(dāng)甩刀運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度和甩刀線速度方向一致，此時(shí)棉秸稈切割速度最大，即滿足無支撐切割要求的切割速度

V_a=V_e+V_r≥48m/s

取機(jī)具前進(jìn)速度 V_r=5km/h ，由式 （7）～ 式（9）可求得滿足有效割棉秸稈的粉碎刀輥轉(zhuǎn)速1680r/min 。

圖8速度矢量圖

Fig.8Velocityvectordiagram

2）粉碎刀輥工作轉(zhuǎn)速 n 。粉碎刀輥在工作中的實(shí)際轉(zhuǎn)速需要大于 n₁ ，考慮實(shí)際工作過程中其他因素的影響，即 n=（1.2～1.5）n₁=2016～2520r/min 0

2.2 拋送裝置設(shè)計(jì)

為給后續(xù)的殘膜回收提供空檔時(shí)間，設(shè)計(jì)的拋送裝置采用獨(dú)立排風(fēng)刀式拋送機(jī)構(gòu)來提升粉碎甩刀拋送來的碎棉秸稈越過殘膜回收裝置。拋送裝置主要由拋送刀軸、殼體、排風(fēng)刀和拋送通道等組成，如圖9所示。機(jī)器正常工作時(shí)，拋送刀軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸上安裝的排風(fēng)刀，將粉碎甩刀拋送來的碎棉秸稈拋向拋送通道，在排風(fēng)刀和氣流的雙重作用下由拋送通道均勻拋撒于已回收過地膜的地表，該裝置可以實(shí)現(xiàn)拋送和粉碎的雙重功能。

圖9拋送裝置結(jié)構(gòu)

Fig.9 Structure of throwing device 1.機(jī)殼2.排風(fēng)刀3.拋送通道4.拋送軸

當(dāng)拋送裝置的排風(fēng)刀接到粉碎甩刀拋送來的碎棉秸稈，在離心力的作用下碎棉秸稈沿著排風(fēng)刀向刀尖前端運(yùn)動(dòng)，堆積在排風(fēng)刀前端，由于排風(fēng)刀前端與殼體之間縫隙很小，碎棉秸稈被排風(fēng)刀輸送到一定位置時(shí)，沿排風(fēng)刀前端畫出的圓弧切線方向拋向拋送通道，碎棉秸稈在排風(fēng)刀速度分解如圖10所示。

圖10碎棉秸稈速度分解圖

碎棉秸稈離開排風(fēng)刀時(shí)矢量速度計(jì)算如式 （10）～ 式（13）所示。

式中： V_p —排風(fēng)刀拋出碎棉秸稈速度， m/s Vm 一 碎棉秸稈在排風(fēng)刀上移動(dòng)速度， m/s ：V_mx 、 V_my -碎棉秸稈在排風(fēng)刀 X，Y 方向速度， m/s ：ω₁Ω 拋送刀輥角速度， rad/s 5 1 排風(fēng)刀圓周速度， m/s ：r₁ 弧形出料倉半徑；l₁ 排風(fēng)刀投影長度， mm Y 排風(fēng)刀彎折部分與排風(fēng)刀徑向角， （^°） α 拋送角， （^°） 。

由式 （10）～ 式（13）可知，拋送碎棉秸稈的方向由拋送角 α 決定， α 主要取決于排風(fēng)刀片彎折角 δ 、排風(fēng)刀長度 l₁. 拋送刀輥轉(zhuǎn)速。

2.2.1 拋送裝置外殼設(shè)計(jì)

拋送裝置外殼形式對拋送軸在拋送裝置內(nèi)產(chǎn)生的氣壓、拋送效果以及工作效率產(chǎn)生重要影響。

1）外殼設(shè)計(jì)。拋送軸外殼采用蝸殼形式，排風(fēng)刀頂端與拋送裝置外殼間隙為 10mm 。當(dāng)排風(fēng)刀接到拋送來的碎棉秸稈時(shí)，由于離心力作用，碎棉秸稈在排風(fēng)刀片表面移動(dòng)而堆積在排風(fēng)刀片頂端。由于排風(fēng)刀頂端與殼體的間隙很小，碎棉秸稈被移向弧形拋送通道。

為使碎棉秸稈從空中越過“待收膜區(qū)”，并均勻地向機(jī)具后方拋撒，拋送通道出口需要有一定高度并向后下方延伸，若拋送通道向后延伸距離太短則會(huì)導(dǎo)致碎棉秸稈落在殘膜回收裝置上，若拋送通道太長則會(huì)導(dǎo)致通道堵塞。根據(jù)整機(jī)配置要求，拋送通道設(shè)計(jì)如下：拋送通道上壁面采取兩段弧，兩段弧的曲率半徑分別為 R₁=3 200mm，R₂=3 300mm ；拋送通道下端到拋送軸中心距離 L^′=2850mm 。

2）出口面積。拋送通道出口面積大小與碎棉秸稈能否順利拋出密切相關(guān)。出料口面積太小，碎棉秸稈之間摩擦損失增大，碎棉秸稈與拋送通道壁之間的摩擦損失也相應(yīng)增大，會(huì)增大堵塞的可能；出口面積太大，會(huì)造成氣流速度下降而影響拋送性能。拋送通道入口面為長方形，向排出口逐漸縮小。

采用充滿系數(shù) K 表示拋送通道內(nèi)碎棉秸稈充滿情況[19]，計(jì)算如式（14）所示。

式中： ΔV₁ ———單位拋送通道體積內(nèi)碎棉秸稈體積， m³

ΔV₂ ——單位拋送通道體積， m³ ：

Q 裝置作業(yè)效率， kg/h

Δl -碎棉秸稈在拋送通道內(nèi)位移， m ：

棉秸稈密度， g/cm³ ：

v_av 拋送通道內(nèi)碎棉秸稈平均速度， m/s

s 拋送通道進(jìn)料口面積， m²

K 一充滿系數(shù) ?_，K 為 0.017～0.09 ，一般取 0.05

該裝置作業(yè)效率為 910kg/h ，拋送通道內(nèi)碎棉秸稈平均速度為 22.5m/s ，棉秸稈密度為 0.6g/cm³ ，由式（14）計(jì)算得出弧形拋送通道進(jìn)口面積 S=1.26m² 。因拋送通道入口為長方形且向排出口逐漸縮小，結(jié)合裝置設(shè)計(jì)尺寸，確定拋送通道出口面積為 0.26m² 。

2.2.2 拋送軸設(shè)計(jì)

1）排風(fēng)刀設(shè)計(jì)。拋送裝置的拋送軸上安裝排風(fēng)刀，排風(fēng)刀鉸接于拋送軸刀座并可自由擺動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)的排風(fēng)刀與弧形出料腔壁相切。排風(fēng)刀的結(jié)構(gòu)采用可更換的J型刀片，其鏟形面作用面積大，可對碎棉秸稈進(jìn)行拋送和風(fēng)送。刀片采用 65Mn 制造，排風(fēng)刀前端與棉秸稈相接處部分開了刃口，較為鋒利，秸稈剪切能力增強(qiáng)，可對拋送來的粉碎長度不合格的棉秸稈進(jìn)行二次粉碎，使棉秸稈粉碎質(zhì)量提高，排風(fēng)刀結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11排風(fēng)刀結(jié)構(gòu)

2）排風(fēng)刀安裝方式。排風(fēng)刀采用交錯(cuò)平衡安裝方式，拋送刀軸圓周上均勻分布6把排風(fēng)刀，相鄰兩條軸向上的排風(fēng)刀呈交錯(cuò)平衡排列，共計(jì)安裝75把排風(fēng)刀，如圖12所示。

圖12拋送軸安裝圖

Fig.12Installationdiagramof throwshaft 1.拋送刀軸2.排風(fēng)刀3.直刀軸4.平墊圈5.開口銷

2.2.3拋送通道安裝高度及安裝傾角

1）拋送裝置安裝角度。碎棉秸稈離開甩刀時(shí)初速度為 v₁ ，沿 X 軸、 Y 軸的分速度分別為 v_1x，v_1y ，碎棉秸稈速度分解如圖13所示。

式中： φ 棉秸稈顆粒離開甩刀時(shí)速度方向角， （^°） 。

圖13碎棉秸稈離開甩刀到達(dá)排風(fēng)刀時(shí)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.13Schematicdiagramofthemovementofcottonstrawwhenitleavesthebladeandreachestheexhaustblade

由于棉秸稈在拋送通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程存在相互碰撞摩擦造成拋送高度降低的問題，因此，拋送裝置的最大拋送高度計(jì)算如式（16）所示。

式中： ?_m —棉秸稈顆粒質(zhì)量， kg a_x，a_y 棉秸稈分別在 X，Y 軸方向上的加速度， m/s² 。

碎棉秸稈離開甩刀到達(dá)拋送裝置排風(fēng)刀前的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示，其動(dòng)力學(xué)方程如式（17）所示。

式中： l_x ——碎棉秸稈離開甩刀到達(dá)排風(fēng)刀前在 X 軸方向上的位移， mm ：l_y -碎棉秸稈離開甩刀到達(dá)排風(fēng)刀前在 Y 軸方向上的位移， mm ·t 一碎棉秸稈離開甩刀運(yùn)動(dòng)到排風(fēng)刀的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

由式（17）可得碎棉秸稈的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，如式（18）所示。

對式（18）求導(dǎo)可得拋物線在各位置斜率 k ，如式（19）所示。

碎棉秸稈隨粉碎甩刀做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，碎棉秸稈由粉碎裝置拋送口拋送至拋送裝置，根據(jù)甩刀的實(shí)際形狀，粉碎裝置出口傾角與水平面之間的傾角一般為 10^°～40^° 。由式（19）可知，碎棉秸稈在初始拋出位置斜率最大，可得粉碎裝置拋送口傾斜角度為 40^° ，即拋送裝置安裝角度為 40^° O

2）拋送裝置安裝高度。在實(shí)際作業(yè)中，棉秸稈的拋送實(shí)際上受到甩刀高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的拋送力和甩刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)力的雙重作用。在只考慮甩刀拋送力對棉秸稈的拋送作用時(shí)，根據(jù)能量守恒定律得式（2O）。

式中： H? —一拋送裝置安裝高度，即粉碎刀輥旋轉(zhuǎn)中心到拋送軸旋轉(zhuǎn)中心的距離， m ：v₂ 1 到達(dá)排風(fēng)刀前的瞬時(shí)速度，為使其具有拋送棉秸稈的能力，一般為 10～15m/s^[19] n 拋送時(shí)棉秸稈與腔體內(nèi)的摩擦、棉秸稈直接的碰撞、空氣阻力等摩擦損失系數(shù)，常用 η=0.2～0.5 ，此處常取 η=0.22^[20] 。

假設(shè)棉秸稈在水平位置時(shí)被甩刀拋起，考慮到粉碎刀輥的圓周速度與棉秸稈初速度的不同，則

v₀=vsinφ=（1+μ）v₁

拋送裝置安裝高度

式中： v₀ ——甩刀拋送棉秸稈的理論始速， m/s 5μ T 粉碎刀輥圓周速度轉(zhuǎn)化為初速度 v₁ 的損失系數(shù)， μ=0.55^[20] U- 粉碎刀輥圓周速度， m/s 。

由式（22）可得，拋送裝置安裝高度 H=14.69m ，根據(jù)整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)實(shí)際安裝高度為 0.6m ，如圖13所示。

3）拋送過程分析。如果堆積在排風(fēng)刀頂端的碎棉秸稈直接從拋送裝置機(jī)殼外側(cè)拋出，那么碎棉秸稈將會(huì)沿著拋物線軌跡運(yùn)動(dòng)，如圖14所示。碎棉秸稈將會(huì)沿著自身的拋物線軌跡產(chǎn)生相當(dāng)大的擴(kuò)散。

圖14碎棉秸稈在拋送裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Movement trajectory ofcrushed cotton straw

此時(shí)碎棉秸稈在拋送通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡方程如式（23）所示。

式中： X₁，Y₁ —碎棉秸稈在 X，Y 方向位移， m ：v₃ 中 碎棉秸稈離開排風(fēng)刀時(shí)速度， m/s 5（204號 ? ——速度與地面間角度， （^°） ;t₁ 一 -碎棉秸稈做斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

由式（24）可得碎棉秸稈做斜拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

將式（24）代入式（23）可得碎棉秸稈運(yùn)動(dòng)最大位移

當(dāng)碎棉秸稈從排風(fēng)道拋送到彎曲程度不同的弧形拋送通道時(shí)，弧形拋送通道限制了碎棉秸稈原有的飛行軌跡，理論上最終拋送距離會(huì)減少 AA₁ 。

拋送裝置理論拋送高度計(jì)算如式（26）所示。

由于棉秸稈在拋送通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程存在相互碰撞摩擦造成拋送高度降低的問題，因此，拋送裝置的最大拋送高度計(jì)算如式（27）所示。

H₂=ηH₁

由能量守恒定律可知

式中： H_i —拋送裝置理論計(jì)算拋送高度， m 5H₂ —拋送裝置實(shí)際真實(shí)拋送高度， m （204 v₄ —碎棉秸稈離開拋送通道出口瞬時(shí)速度，m/s。

排風(fēng)刀的圓周速度計(jì)算如式（33）所示。

式中： 一 拋送裝置拋送軸轉(zhuǎn)速， r/min 。

由式（28）計(jì)算得最大拋送高度 H₂=7.2m ；由式（29）計(jì)算得拋送軸轉(zhuǎn)速 n_τ=2 295.83r/min 。

由風(fēng)速儀多次測量可知，機(jī)具正常工作，裝置內(nèi)部不發(fā)生堵塞時(shí)， v₄=20～25m/s ；聯(lián)立式 （26）～ 式（29）可得，排風(fēng)刀的圓周速度 V_τ=56.47m/s 。

經(jīng)過多次田間試驗(yàn)，再結(jié)合殘膜回收裝置的設(shè)計(jì)要求，且拋送裝置的拋送能力須大于粉碎裝置的粉碎能力，最終設(shè)計(jì)拋送軸轉(zhuǎn)速為 2600r/min ；拋送通道安裝高度比拋送裝置安裝高度 H 略高 10～20cm ，即可讓碎棉秸稈越過殘膜回收裝置，最終確定拋送通道安裝高度 H₃ 為 0.8m 。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置傳動(dòng)系統(tǒng)與殘膜回收裝置分別獨(dú)立設(shè)置，整機(jī)由拖拉機(jī)牽引。機(jī)器工作時(shí)，由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸出至變速器，變速器將動(dòng)力傳遞至機(jī)具前進(jìn)方向的左右兩側(cè)，左側(cè)為后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置的動(dòng)力系統(tǒng)，左側(cè)輸出軸上安裝帶輪，再通過皮帶分別將動(dòng)力傳遞給粉碎裝置和拋送裝置，帶動(dòng)粉碎刀輥和拋送軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)棉秸稈的粉碎和拋送還田作業(yè)，如圖15所示。

該帶傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，傳動(dòng)效率高、功耗低，可以滿足棉秸稈粉碎和拋送所需轉(zhuǎn)速。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

2021年10月29日在新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市某農(nóng)場試驗(yàn)地開展試驗(yàn)。試驗(yàn)棉花品種為中棉所60，棉稈平均含水率為 22.5% ，根部平均直徑為 15.6mm ，試驗(yàn)地土壤含水率為13.95% ，土壤硬度為 3.6～6.4kg/cm² ，拉拔阻力為235～705N ，棉花種植模式為 660mm+100mm 。

試驗(yàn)設(shè)備：后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置、盤尺、轉(zhuǎn)速表、秒表、直尺、三爪拉馬、油漆和電子天平。

3.2 試驗(yàn)方法

經(jīng)過多次試驗(yàn)可知，影響試驗(yàn)的因素主要是粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙和前進(jìn)速度等。粉碎刀輥轉(zhuǎn)速太快，機(jī)器功耗大，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速太慢，棉秸稈粉碎效果不理想；離地間隙太高，粉碎后留茬高度不符合標(biāo)準(zhǔn)，離地間隙太低，甩刀容易碰到硬物造成損壞；機(jī)具前進(jìn)速度太快，棉秸稈無法得到充分粉碎，機(jī)具前進(jìn)速度太慢，工作效率太低。根據(jù)前文設(shè)計(jì)以及前期試驗(yàn)，確定粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為 2 200～2 600r/min ，離地間隙為 60～ 100mm ，前進(jìn)速度為 4～6km/h. 。本試驗(yàn)采用響應(yīng)面優(yōu)化分析，采用Box—BenhnkenDesign試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以棉秸稈粉碎長度合格率為評價(jià)指標(biāo)，對后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置的粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙以及前進(jìn)速度進(jìn)行研究[21]，試驗(yàn)因素和水平如表3所示。

表3試驗(yàn)因素和水平Tab.3Test factorsand levels

試驗(yàn)前需規(guī)劃好機(jī)具行進(jìn)路線和作業(yè)距離。在機(jī)具作業(yè)前面設(shè)置 20m 緩沖區(qū)，最終確定機(jī)具作業(yè)距離為 90m 。根據(jù)試驗(yàn)因素和水平、國家標(biāo)準(zhǔn)中秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)方法對后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)內(nèi)容為測定棉秸稈粉碎長度合格率。在機(jī)具的每個(gè)行進(jìn)方向的測量區(qū)等間距選定3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)測定 1m×1m 的面積，撿拾 1m×1m 面積內(nèi)所有棉秸稈稱重，從中挑選出粉碎長度不合格（長度 gt;200mm 的棉秸稈稱重。

式中： F_ni —i測點(diǎn)棉秸稈粉碎長度合格率， % M_zi 1 i 測點(diǎn)棉秸稈總質(zhì)量， kg M_bi —i測點(diǎn)不合格棉秸稈質(zhì)量， kg Y₁ —棉秸稈粉碎長度合格率， % 。

3.3 結(jié)果與分析

利用Box—BenhnkenDesign進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，共進(jìn)行17組，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表4試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Tab.4 Test design scheme and response value

根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design—Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立棉秸稈粉碎長度合格率的響應(yīng)方程式，如式（32）所示。

Y₁=97.67+2.60X₁-1.29X₂-1.99X₃+ 0.0775X₁X₂+1.03X₁X₃-0.09X₂X₃- 7.11X₁²-2.02X₂²-0.1855X₃² （：

為研究棉秸稈粉碎長度合格率與粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、離地間隙之間關(guān)系，利用Design—Expert將結(jié)果生成三維曲面響應(yīng)圖，更直觀地觀察試驗(yàn)因素對棉秸稈粉碎長度合格率的影響。

回歸方程方差分析如表5所示，模型 Y₁ 的 P 值小于0.01，表明回歸模型高度顯著；失擬項(xiàng)大于0.05，無失擬項(xiàng)存在，表明這回歸方程擬合度高，此模型可以優(yōu)化分析棉秸稈粉碎拋送裝置的工作參數(shù)。

刀輥轉(zhuǎn)速 X_1? 機(jī)具前進(jìn)速度 X₂ 離地間隙 X₃ 對響應(yīng)值 Y₁ 影響的響應(yīng)面曲面圖如圖16所示。圖16（a）為機(jī)具前進(jìn)速度 X₂ 在0水平時(shí)，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速 X₁ 和離地間隙X₃ 對棉秸稈粉碎長度合格率 Y₁ 交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出，隨著粉碎刀輥轉(zhuǎn)速的增加，棉秸稈粉碎長度合格率先上升后降低；隨著離地間隙的增加，棉秸稈粉碎長度合格率逐漸降低，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速對棉秸稈粉碎長度合格率的影響更加顯著。圖16（b）為機(jī)具離地間隙在0水平時(shí)，粉碎刀輥轉(zhuǎn)速 X₁ 和機(jī)具前進(jìn)速度 X₂ 對棉秸稈粉碎長度合格率 Y₁ 交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出，隨著粉碎刀輥轉(zhuǎn)速的增加，棉秸稈粉碎長度合格率先上升后降低；隨著前進(jìn)速度的增加，棉秸稈粉碎長度合格率先緩慢上升后緩慢降低。圖16（c）為粉碎刀輥轉(zhuǎn)速在0水平時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度 X₂ 和離地間隙 X₃ 對棉秸稈粉碎長度合格率Y₁ 交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出，隨著前進(jìn)速度的增加，棉秸稈粉碎長度合格率先緩慢上升后緩慢降低；隨著離地間隙的增加，棉秸稈粉碎長度合格率逐漸緩慢降低。

表5回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of regression equation

圖16交互因素對棉秸稈粉碎長度合格率的影響 Fig.16 Influence of interaction factors on qualified rate of the length of cotton stalks after crushing 從試驗(yàn)因素對棉秸稈粉碎長度合格率的響應(yīng)值變

化幅度可知，各試驗(yàn)因素對棉秸稈粉碎長度合格率影響的比重：粉碎刀輥轉(zhuǎn)速最高、前進(jìn)速度次之、離地間隙最低；且總體影響因素趨勢為粉碎刀輥轉(zhuǎn)速偏高，前進(jìn)速度適中，離地間隙偏高。綜上，隨著粉碎刀輥轉(zhuǎn)速增加，在單位面積內(nèi)棉秸稈受打擊的次數(shù)越多，棉秸稈越碎。

3.4參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為使后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置的試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值，即棉秸稈粉碎長度合格率要高，根據(jù)交互因素對棉秸稈粉碎長度合格率的影響可知，要獲得較高的棉秸稈粉碎長度合格率，需要粉碎刀輥轉(zhuǎn)速偏高、前進(jìn)速度適中以及離地間隙偏高。根據(jù)實(shí)際大田作業(yè)條件及響應(yīng)面分析，利用Design—Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，試驗(yàn)因素約束：粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為 2 200～2 600r/min ，前進(jìn)速度為 4～6km/h ，離地間隙為 60～100mm ；評價(jià)指標(biāo)：棉秸稈粉碎長度合格率為 100% 。優(yōu)化的最優(yōu)工作參數(shù)組合：粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為 2 458.90r/min ，前進(jìn)速度為4.55km/h ，離地間隙為 60mm ，綜合響應(yīng)面最大，棉秸稈粉碎長度合格率為 99.44% 。

為驗(yàn)證軟件優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性以及后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置的作業(yè)性能，按照預(yù)測的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)定最佳作業(yè)參數(shù)組合：粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為2400r/min ，前進(jìn)速度為 5km/h ，離地間隙為 60mm ，試驗(yàn)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。如表6所示，棉秸稈粉碎長度合格率為 97.56% ，與預(yù)測的優(yōu)化值誤差為 1.9% 。該預(yù)測模型具有準(zhǔn)確性，后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置設(shè)計(jì)符合要求。

表6驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 Tab.6Measured resultsfor verification

4結(jié)論

為解決棉秸稈粉碎還田裝置拋撒不均且容易發(fā)生堵塞的問題，研制出一種棉秸稈粉碎拋送裝置，該裝置可一次性完成棉桿粉碎、拋送。

1）粉碎裝置采用動(dòng)定刀支撐切割，甩刀采用2把L改進(jìn)型刀片和1把直刀構(gòu)成的組合式甩刀，共計(jì)42組組合式甩刀。采用雙螺旋線排列在粉碎刀輥上，粉碎刀輥設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速為 2 016～2 520r/min 拋送裝置設(shè)計(jì)，外殼采用蝸殼形式，拋送通道出口面積為 0.26m² ，拋送機(jī)構(gòu)采用獨(dú)立排風(fēng)刀機(jī)構(gòu)，采用75把J型排風(fēng)刀，采用交錯(cuò)平衡安裝方式，拋送裝置的安裝高度為 0.6m ，拋送軸轉(zhuǎn)速為 2600r/min ，最大拋送高度為 0.8m 。

2）利用Box—BenhnkenDesign試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以棉秸稈粉碎長度合格率為評價(jià)指標(biāo)，對后拋式棉秸稈粉碎拋送裝置的粉碎刀輥轉(zhuǎn)速、離地間隙、前進(jìn)速度進(jìn)行研究。應(yīng)用Design—Expert軟件預(yù)測優(yōu)化值，通過驗(yàn)證試驗(yàn)得到機(jī)具最佳工作參數(shù)組合：碎刀輥轉(zhuǎn)速為 2400r/min ，機(jī)具前進(jìn)速度為 5km/h ，離地間隙為60mm ，棉桿粉碎長度合格率為 97.56% ，提高棉桿粉碎長度合格率。

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