玉米秸稈還田機的設計與參數研究

薄鴻明，林　靜

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽　110866)

?

玉米秸稈還田機的設計與參數研究

薄鴻明，林靜

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽110866)

摘要：針對我國大部分地區現階段仍存在的秸稈隨意堆放、焚燒秸稈污染環境和秸稈后期處理利用率低等問題，通過分析國內外現有秸稈還田機的優缺點，利用計算機SolidWorks軟件優化設計適合東北地區玉米秸稈還田機，并利用ANSYS軟件對其關鍵部件刀輥進行校核和模態分析。在理論分析基礎上，對該機進行結構參數優化，確定其臨界轉速為8 616.6r/min。通過MatLab來模擬分析刀片在實際工作中的運動軌跡，進而為秸稈還田機的優化設計提供參考。

關鍵詞：秸稈還田機；虛擬設計；有限元分析；動力學分析

0引言

秸稈還田技術是把不宜直接作飼料的秸稈(麥秸、玉米秸稈和水稻秸稈等)直接或堆積腐熟后施入土壤中的一種方法。秸稈還田能夠改善土壤質量，提高土壤肥力同時還能增加土壤中有機質的含量，提高農作物產量。我國現階段的秸稈仍然存在著堆放、焚燒等粗放型處理技術，利用率較低。

以美國為例，由美國農業部門統計可知：美國每年可產出農作物秸稈所有有機殘余物生產量的70.4%，用于秸稈還田的占總量的68%，領跑于世界前列。美國不僅將玉米、小麥等作物秸稈進行還田處理，同時也研究出了大豆、番茄等復雜秸稈的還田機具并進行還田處理，為保證美國土壤肥力及土壤有機質含量做出了巨大的貢獻。而在英國，秸稈還田量的總秸稈產量超越了美國。日本的島本覺也先生作為一名微生物學家，成功研發出了酵素菌技術，并且廣泛應用于日本的養殖業、種植業及生態保護等各行業，同時也利用此技術將秸稈制作成秸稈肥料，間接的達到秸稈還田的目的，具有較高的生態效益、經濟效益。

農業機械化是綜合利用作物秸稈資源的一種有效的方法，主要的方式是用秸稈粉碎機械將成熟后的農作物秸稈粉碎后直接埋到土壤中去。秸稈還田既增加了土壤有機質，形成有機質覆蓋，還能抗旱、保持土壤的含水量，降低作物的病蟲害發生率，改善了土壤環境。同時，秸稈還田可充分地利用秸稈中的有機質，避免長期以來農民大量焚燒秸稈而造成的環境污染。我國的秸稈還田機技術起始于20世紀90年代初，在參考了國外同類機具的基礎上，針對國內的土地和播種情況積極研發了玉米秸稈粉碎還田機具和碎茬聯合整地機具，經過多年的改進和優化，已經形成了許多系統的秸稈還田配套機具。例如，在聯合收割機后添加立式還田機，缺點是易引起碎秸稈亂飛；普通秸稈還田機和雙軸秸稈根茬粉碎聯合作業機，缺點是機身較為笨重、刀具排列密度大，增加了農民的投資成本[1]。

通過分析和比較現有秸稈還田機的優缺點，本文設計了適合東北地區一種較其他同類型秸稈還田機更加經濟且作業效率高的還田機，旨在增加秸稈還田面積的同時減少農民的投入資金。

1總體結構與工作機理

1.1　總體結構

本文機具由機架、懸掛系統、傳動系統和粉碎裝置等組成，如圖1所示。

1.懸掛機構　2.齒輪箱　3.機罩　4.定刀　5.動刀

1.2　工作機理

機器與拖拉機間通過三點懸掛裝置相連接。當機器開始還田作業時，動力由拖拉機后側的動力輸出軸傳出，因秸稈還田機的減速箱軸與拖拉機動力輸出軸不能始終保持在同一直線上，所以拖拉機與機器之間需通過萬向軸聯接，經過單級變速器進行增速、變向后，將動力傳送給刀軸高速旋轉。通過刀具的旋轉對玉米秸稈進行拾撿和切割，實現對秸稈的粉碎、拋灑，通過鎮壓輥對碎秸稈的鎮壓可以有效防止秸稈亂飛。本設計的玉米秸稈還田機將采用逆轉的方式，能夠對地面的秸稈產生更好的撿拾效果，并加以粉碎。

2主要技術規格

玉米秸稈還田機主要技術參數如表1所示。

表1　主要技術參數

3關鍵部件設計

3.1　動力系統的設計

采用東方紅LX-604作為動力，為了防止刀具在作業過程中入土或砍切石塊對刀具產生較大的損害，決定采用單邊帶傳動方式輸出。有研究證明：刀具切割速度為13.6m/s時就可完全將兩根玉米秸稈切斷。甩刀的切削速度對秸稈還田機的粉碎效果有最直接的影響：切削速度太小造成粉碎工作倉內的負壓低，從而降低拾撿率，影響了秸稈的粉碎效果；速度過大造成功率的浪費，所以甩刀的切削速度以16.5~17m/s為宜[2]。

該拖拉機額定功率為45kW。經計算刀軸的最大理論功率為31.84kW，輸出扭矩164.405N·m，取大齒輪齒數為60，小齒輪齒數為27，C型V帶根數為5。

3.2　切割粉碎裝置的設計

切削刀具主要有3種：錘爪式刀、L型刀和直刀。刀片采用改進的L型刀片，將兩把L型刀片組合為一把Y型刀，增加切入角和動刀的轉動慣量。由于動刀刀片工作時處于高速旋轉狀態，頻繁與秸稈發生摩擦，所以動刀極易磨損。為保證刀片在田間作業的耐磨性和足夠的剛度，選擇刀片的材料為65Mn鋼。刀片與刀座之間用鐵銷連接，并用安全銷鎖緊，方便維修及更換，減少農民對機具維修的花銷。

L型刀片的數量為[3]

N=CL

(1)

式中N—甩刀數量(片)；

C—甩刀密度(片/mm)；

L—甩刀在主軸上的分布的長度(mm)。

Y型刀片的排列密度C=0.02~0.04片/mm。取C=0.02片/mm，L=1 600mm,帶入式(1)得，N=32片。

甩刀軸設計成直徑為100mm、壁厚10mm的空心管軸，在增大了甩刀刀軸旋轉動力性能的同時提高了臨界轉速、降低了振動及整機的質量且防止纏草。作業中，當秸稈呈一定前傾角喂入時，粉碎性能較高，在喂入口必須有足夠厚的秸稈，否則直立的玉米秸稈被甩刀切斷后，在沒有約束狀態下，會由于慣性的作用甩向機具前方，可能會造成一定程度的漏切。同時，層厚太大起不到支撐壓緊作用。本設計中喂入口高度為180mm。機罩喂入口高度h1的范圍應予以控制，有

(1)

式中R—甩刀回轉半徑(mm)；

h—地面離最近甩刀刀端高度(mm)。

罩殼是切碎裝置的重要組成部分。減小罩殼工作腔的入口可以增強對秸稈的粉碎效果，且入口與甩刀的距離太大不利于粉碎。秸稈拋出口的間隙大利于粉碎后秸稈的拋出，間隙太大會造成碎秸稈飛揚。所以，將從入口到出口的罩殼曲線設為一偏心圓，前后間隙角設為可調，因具體作業情況而定。

實際生產中，秸稈初次粉碎的長度小于100mm才可滿足生產要求。為了加強對秸稈的粉碎效果，在與入口處添加1~2排定刀，秸稈一旦被甩刀切斷，被甩刀加速帶入工作腔處后，將隨甩刀同時旋轉。秸稈與定刀發生碰撞，可以增加刀具對秸稈的撕扯力度[4]。

定刀垂直位置H的確定，有

(2)

式中h2—秸稈層的厚度(m)；

R—動刀的回轉半徑(m)；

va—動刀的線速度(m/s)；

vm—機具前進速度(m/s)。

普通定刀條有一處破損就得整條更換，浪費人力物力。本文采取對每個Y型刀單獨配置1把定刀，方便更換，粉碎效果好。根據動刀的軸向距離，此處定刀水平間距定為100mm。

3.3　甩刀在刀軸的排列

秸稈碎還田機刀具排列應滿足以下條件

1)刀具在刀軸的排列中，不漏割是首要目的。相繼打擊秸稈的刀具軸向距離應較大，軸向相鄰兩把切削刀的夾角應盡量大，防止阻塞機具和重復切削。

2)甩刀的排列方式能有效降低有關零件的磨損，并使刀軸保持穩定。作業時，刀具在軸向分力的合力為零。在機具空載旋轉時刀軸負荷均勻，所有刀具在刀軸產生的離心合力為零。

3)提高經濟性能降低操作難度，結構簡單，加工制造方便，經濟實用。

現有還田機具的排列形式主要有螺旋排列、對稱排列、交錯排列及對稱交錯排列等，雖能有效保證刀輥的平衡性，但其刀軸排列的刀具較密集，增加了成本。涂建平等人提出了“均力免震”排列，本文決定采用該種排列方式，在保證作業質量和平衡性的同時，可以有效地減少刀具的數量。具體排列如圖2所示[5]。

其工作順序為：1-12-15-9-3-11-4-16-6-2-14-8-10-7-13-5。

圖2　刀具排列圖

3.4　刀軸平衡方程的建立及刀軸平衡校核

刀具排列對機具工作性能影響極大。一般刀軸為均質回轉軸，其上離心合力可以近似為零。機具工作時，容易由甩刀及其附件產生的離心力引起機身振動，故對圖2中所示的甩刀建立動平衡方程并驗證其平衡性。

在此，只驗證機具空轉時，刀軸的受力是否平衡。力學分析坐標如圖3所示，對于軸上的刀，每一把工作時都會對刀軸產生不同方向的離心力。

圖3　刀具在刀軸上的離心力分解示意圖

將刀軸和甩刀理想化，都作為無制造誤差和安裝誤差的均勻質體，且刀軸和刀座視為對刀軸距離為回轉半徑的質點。若所有刀具對軸的力在X、Y面分力的合力分別為零，則排列方式合理刀軸平衡。則有

Fx=F1cosθ1+F2cosθ2+…+Ficosθi

(3)

Fy=F1sinθ1+F2sinθ2+…+Fisinθi

(4)

式中θ—甩刀與X軸的夾角(°)；

Fi—甩刀i及刀座i產生的離心力(N)。

將刀軸上甩刀i排列的數值帶入式(3)、式(4)中校核計算，得到X、Y方向上合力為零，理論上刀軸平衡。刀輥的三維結構如圖4所示。

圖4　刀輥三維造型圖

4工作部件的分析

4.1　基于ANSYS的切削刀具有限元分析

刀具的性能直接影響機具的作業性能與農民的經濟效益。通過SolidWorks建立刀具實體模型，導入ANSYS中對其進行有限元分析。對刀具施加約束條件并在刀側刃上添加載荷并進行求解運算，結果如圖5所示。

圖5　刀具有限元分析結果

由圖5可知：刀身所受的最大載荷為2 722.3MPa，遠小于材料的許應力21 600MPa，刀具具有足夠的強度支撐對秸稈的切削。此外，在實際工作中可根據圖中分析確定的危險部位，定期進行檢查，確保機具的安全作業。

4.2　基于ANSYS刀軸的模態分析

在刀具的合理排列下，可以從理論上實現刀輥的動平衡。但事實上，由于刀具材料的不均勻或制造誤差、安裝誤差等等，都會使刀具的合質心不通過轉軸，刀軸轉動時，便會發生振動。當轉速達到某一特定值時，振動異常，此時的轉速即為臨界轉速[6]。用ANSYS對刀軸進行模態分析，如圖6所示。分析所得到的刀軸的固有頻率為143.61Hz，計算可得刀軸臨界轉速n=143.61×60=8 616.6(r/min)。

圖6　刀軸的模態分析

由于在臨界轉速下運轉有可能會影響正常工作，工作產生共振，對機具造成損壞，導致事故發生。必須在設計時，避免刀軸的轉速大于或等于臨界轉速。

本文樣機的選擇切割轉速為1 800r/min,遠小于刀軸的臨界轉速，因此該機的轉速選擇是符合要求的。

4.3　基于MatLab的刀端軌跡分析

秸稈還田機刀端的運動是沿著機具前進方向的直線運動和以刀軸中心為圓心的勻速圓周運動。其運動軌跡方程為

x=R×cos(ω×t)+vm×t

(7)

y=R×sin(ω×t)

(8)

式中t—機具作業時間(s)

ω—刀端角速度(r/s)；

vm—機具前進速度(m/s)；

R—刀具回轉半徑(m)。

將軌跡方程適當變形后輸入MatLab中輸出軌跡，橫坐標為機具前進方向，縱坐標為甩刀的圓周運動。由于刀軸實際轉速較大，曲線密度較大。所以，選取較低轉速輸出圖形，方便觀察，如圖7所示。

圖7　刀端軌跡分析結果

秸稈還田在實際工作中，由于駕駛員的技術和地表不平度的影響，實際運動狀況與理論分析有差異。如果實際工作條件較差，建議在機具左右兩側增加平衡限深裝置，防止刀端入土。

5結論

1)利用SolidWorks和理論分析對玉米秸稈粉碎還田機進行了整機的設計，并對甩刀的排列進行平衡校核，結果與理論分析基本相符。

2)用ANSYS分別對甩刀和刀軸進行有限元分析和模態分析，可知設計刀軸的強度及甩刀的切削刀具的轉速均符合技術要求。

3)利用MatLab對甩刀的運動軌跡進行模擬。當前機具的前進速度與刀軸的轉速值成比例時，甩刀的刀端軌跡一致；同時，可以調節前進速度與主軸轉速，粉碎執行機構能適應不同地況和株距的秸稈粉碎。

參考文獻：

[1]郝付平，陳志.國內外玉米收獲機械研究現狀及思考[J].農機化研究,2009,31(8):102-103.

[2]吳子岳,高煥文,張晉國.玉米棉稈切斷速度和切斷功耗的試驗研究[J].農業機械學報,2001,32(2): 38-41.

[3]毛罕平，陳翠英.秸稈還田機的研制現狀[J].農業機械學報，1996(2)：152-155.

[4]毛罕平，陳翠英.棉稈粉碎還田機工作機理與參數分析[J].農業工程學報，1995，11(4):62-66.

[5]涂建平,徐雪紅,夏忠義,棉稈粉碎還田機甩刀優化排列的研究[J].農機化研究，2007(2):102-104.

[6]李娜,李春勝,譚宏杰.秸稈還田機整機及主要參數設計[J].價值工程,2011(34):20-30.

[7]丁艷，彭卓敏，夏建林.國內典型秸稈還田技術及機具的比較與分析[J].中國農機化，2010(3):43-46.

[8]李寶筏.農業機械學[M].北京:中國農業出版社，2003.

[9]陳翠英,毛罕平,熊大勇.秸稈還田機刀軸系統的臨界轉速[J].農業工程學報,1994(9):93-96.

[10]呂小蓮.基于虛擬技術的秸稈粉碎還田機的開發研制[J].江西農業大學學報,2010,32(2):388-393.

[11]陳聲顯.玉米秸稈力學模型及壓縮成型設備研究[D].長春：吉林大學，2011.

[12]河北省農機化所.秸稈還田機設計組,論秸稈還田機刀片的設計[J].農牧與食品機械,1992(1):18-22.

[13]姬江濤，李慶軍，蔡葦.甩刀布置對莖桿切碎還田機振動得影響分析[J].農機化研究,2007(2):63-64.

[14]賈洪雷,黃東巖,劉曉亮,等.耕作刀片在刀輥上的多頭螺旋線對稱排列法[J].農業工程學報,2011(4):111-116.

[15]中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊(上冊)[K].北京:中國農業科學技術出版社,2007.

The Design and Simulation Analysis of Maize Field Straw Chopper

Bao Hongming, Lin Jing

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)

Abstract：For most parts of China at the Present Stage random stacking straw ,straw burning pollution of the environment and low utilization problem of post-processing, by analyzing the advantages and disadvantages of the field straw chopper equipment, via the Solid Works software to optimize the design for the northeastern region of maize straw chopper. Through ANSYS software checked and modal analysis its key components knife axis .Based on theoretical analysis parameters to optimize the structure, determine the critical rotation rate is 8616.6r/min.Through MATLAB software to analysis the trajectory of the blade in the actual work, and then provide a reference for the design and optimization of the straw returning machine.

Key words：field straw chopper; virtual design; finite element analysis; dynamic analysis

中圖分類號：S224.29

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0099-05

作者簡介：薄鴻明(1991-)，男，山西應縣人，碩士研究生，(E-mail)15702431026@163.com。通訊作者：林靜(1967-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導師，(E-mail)synydxlj69@163.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201503116);國家自然科學基金項目(51275318)

收稿日期：2015-10-13