煙稈拔除機的設計仿真與試驗研究

于建軍，狄恩倉，李保謙，魏富德

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州　450002；2.中州大學 機電與汽車工程學院，鄭州　450044；3.云南農業大學 機電工程學院，昆明　650201)

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煙稈拔除機的設計仿真與試驗研究

于建軍1，狄恩倉2，李保謙1，魏富德3

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州450002；2.中州大學 機電與汽車工程學院，鄭州450044；3.云南農業大學 機電工程學院，昆明650201)

摘要：針對煙田中煙稈的拔除難度大、拔除效率低等問題，采用三維建模軟件SolidWorks設計了一種新型煙稈拔除機，拔稈裝置由一對不同旋向的籠狀鼓形旋刀組成，可一次性完成拔稈、除土、平壟及覆蓋雜草等作業；同時，利用機械系統動力學分析軟件ADAMS對拔稈裝置進行運動學仿真。仿真結果表明：機具作業軌跡曲線穩定，1個時間周期內沿X軸方向(機具前進方向)的位移變化量為400.5mm，驗證了機具結構設計的合理性，且符合實際作業情況。田間性能試驗表明：機具的通過性良好，作業效率為0.42hm2/h，煙稈斷蔸率為10.2%，附土率為15.6%，效果遠遠優于人工拔除作業。

關鍵詞：煙稈拔除機；旋刀；仿真；ADAMS；田間試驗

0引言

煙草是世界上最廣泛種植的商業性非食物應用的經濟作物，其高經濟價值歷來舉世公認[1]。煙稈作為煙草收獲之后的副產物，殘留在田間，很容易滋生病菌影響下一年的作物生長；將其焚燒，不僅破壞了生態環境，又造成了再生資源的浪費。研究表明：實現對煙稈的有效拔除和綜合利用，將會對農民產生巨大的經濟效益。傳統的煙稈收集方法主要是采用人力，不僅勞動強度大，而且清除效果差[2-3]。為了解決這一問題，本文采用SolidWorks軟件設計了一種新型旋刀式煙稈拔除機，并利用ADAMS軟件對其主要部件進行運動學仿真和分析。樣機初步田間試驗表明：該機通過性好，對煙稈的拔除效率高，符合煙草農藝上的要求，為該物理樣機的進一步生產及優化改進提供了技術支持。

1煙稈拔除機的設計

1.1結構和工作原理

本文設計的煙稈拔除機主要由機架、減速器、三點懸掛機構、刀盤、旋刀、護板及傳動機構等部件組成，如圖1所示。該煙稈拔除機通過三點懸掛裝置與配套的拖拉機相聯接，右下方安裝了一對圓形刀盤，在拖拉機的牽引作用下運動；在機器的左下方有一對不同旋向的籠狀鼓形旋刀，與水平方向成一定角度與減速器連接，其動力由拖拉機的動力輸出軸通過減速器提供。工作時，圓形刀盤在拖拉機牽引作用下，能夠實現對壟上雜草鏟除及對壟溝雜草覆蓋的目的；旋刀則做旋轉運動和機具前進下的復合運動，實現對壟上煙稈的拔除作業。該煙稈拔除機可以一次性完成拔稈、除土、平壟及覆蓋雜草等作業。

1.減速器　2.三點懸掛裝置　3.動力輸入軸　4.刀盤　5.旋刀

1.2旋刀的設計

旋刀作為煙稈拔除機的主要部件，對煙稈拔除效果起著決定性的作用。旋刀共有一對，反向旋轉運動，共同作用下可入土一定深度，切斷煙稈根系，將煙稈從田間土壤拔出,結構如圖2所示。旋刀的右上方有幅盤，其與動力軸通過鍵配合，隨著軸的旋轉而旋轉；左下方由一個Y字型旋刀，通過3條立體彎曲的幅邊與幅盤相連，三維立體彎曲的幅邊可以最大限度地減輕旋刀所受的正向力，以達到改善刀組受力狀況、延長使用壽命的作用。在幅邊的作用下，將根系切斷后的煙稈拔除并輸送出來，同時將煙稈上的附土擊打抖落。

1.3工作參數

煙稈拔除機的主要工作參數如下：

拖拉機動力輸出軸的功率/kW：18.4

轉速/r·min-1：540

旋耕刀的轉速為/r·min-1：270

作業速度/km·h-1：2～5

作業幅寬/mm：700

作業深度/mm：300

1.軸　2.套筒　3.幅盤　4.幅邊　5.Y字型旋刀

1.4傳動軸的設計

機具動力來源于拖拉機的動力輸出，經兩級傳動帶動旋刀刀軸轉動，拖拉機輸出功率為18.4kW，動力輸出軸轉速為540r/min，旋刀軸轉速為270r/min，傳動比為2。為保證動力的有效輸入，則機具動力輸入軸的軸徑確定為[4]

式中P1—拖拉機動力輸出功率(kW)；

d1—機具動力輸入直徑(mm)；

μ—動力傳遞效率(%)；

n1—拖拉機動力輸出轉速(r/min)。

軸材質選用45鋼，經查表A0取108。計算得，d1≥33.8 mm。

2基于ADAMS軟件的仿真與分析

2.1模型的建立與導入

MSC.Software公司的ADAMS軟件是虛擬樣機領域內廣泛使用的軟件，可以使工程師、設計人員能夠在物理樣機構造前，建立機械系統的“模擬樣機”，預估出機器的工作性能[5-6]。由于旋刀對煙稈拔除機的拔稈效果起著決定性的作用，本文取單個旋刀作為研究對象，進行ADAMS軟件下的虛擬仿真。

在對旋刀進行仿真之前，利用SolidWorks建模軟件建立旋刀的三維實體模型，并進行部件間的干涉檢測；之后，將完成的虛擬模型導入到ADAMS軟件中[7-8]。由于ADAMS軟件的建模工具是基于Parasolid為核心的，所以當ADAMS軟件與同樣采用Parasolid核心建模的SolidWorks進行數據交換時，非常方便和容易[9]。其步驟如下：將建好的旋刀三維模型另存為Parasolid格式文件；打開ADAMS軟件，Creat a new model-File-Import,選擇旋刀的Parasolid格式文件，即可將模型導入到ADAMS軟件中；設置好仿真工作環境，如重力加速度、工作網格等，注意將系統的單位設置為MMKs。

2.2添加約束

模型文件導入后，根據仿真要求，設置合適的重力加速度、模型的質量及材料等屬性，調整旋刀三維模型與ADAMS環境中坐標系的關系，使坐標系的XOY平面與模型的水平前進方向平行。在各零部件之間依此準確添加一系列的約束關系，如固定副(Fixed Joint)、旋轉副(Rotational Joint)、滑移副(Translation motion)及旋轉驅動(Rotational Joint Motion)等，具體約束添加如表1所示。添加好約束和驅動的三維模型如圖3所示。

表1　主要部件間約束添加

圖3　添加好約束和驅動的旋刀三維模型

driving force in ADAMS

2.3仿真分析

為得到旋刀在仿真環境下的運動軌跡，基于旋刀模型結構，在Y字型旋刀的尖點上標記一個可代表旋刀運動的marker點，記為marker30。根據旋刀的實際作業環境，設置Simulation環境中的相關仿真參數，移動驅動為1 388mm/s，旋轉驅動設置為1 620d/s，仿真終止時間為0.22s(1個運動周期)，步長為100，觀察仿真環境下模型的運動情況。仿真過程完成后，在ADAMS/Post Processor后處理模塊環境中，依次輸出Y字型旋刀刀尖marker30標記點關于X軸、Y軸和Z軸方向運動的位移、速度、加速度曲線圖，如圖4～圖6所示。

—表示X方向曲線　--表示Y方向曲線　---表示Z方向曲線

通過ADAMS環境仿真出旋刀模型在旋轉運動和沿著X軸方向的牽引運動作用下的作業情況。圖4為Y字形刀在1個周期0.22s內關于X、Y、Z軸3個方向的位移-時間曲線。由圖4可看出：X軸方向上為一條螺旋呈上升趨勢的周期性平滑曲線，即是機具在仿真環境下作業過程中的作業軌跡；在坐標系環境下，1個周期內的位移從初始值-511.2mm變化到-110.7mm，變化量為400.5mm，負值表示方向，符合實際作業狀態下沿X軸方向的水平運動。平滑呈上升趨勢曲線說明旋刀在拖拉機牽引下沿X軸方向進行煙稈拔除作業時位移不斷平穩增加，機具在對煙稈的拔除作業中所受阻力穩定，利于提高作業效率。其中，沿Y、Z軸運動方向對應的是兩條均符合正(余)弦規律變化的周期曲線，Y軸對應的最大值和最小值分別為-352.8、-522.8mm，位移變化量為170mm，負值表示方向；Z軸對應的最大值和最小值分別為-68.5、-308.7mm，位移變化量為240.5mm，負值表示方向。由此說明機具在結構上設計合理，在Y、Z軸兩方向上作業狀態穩定，沒有發生不正常的振動、擺動等干涉現象。

圖5和圖6分別為1個作業周期0.22s內旋刀關于X、Y、Z軸3個方向的速度-時間曲線與加速度-時間曲線。由此可看出：圖中分別對應的曲線組均是符合正(余)弦曲線規律變化，這說明仿真環境下機具在煙稈拔除作業過程速度和加速度的變化穩定。通過運動學分析，機具水平運動速度和旋轉速度的復合下，會出現余擺線運動軌跡，為水平速度和旋轉速度的合適選取提供了參考。

3田間試驗與結果

3.1試驗基本條件

在物理樣機設計的基礎上，2014年8月，在河南農業大學科教園區毛莊實驗區關于該機進行了田間性能試驗。試驗地土質為壤土，土壤堅實度為21kg/cm2，土壤含水率為16.4%(0～5cm)，20.6%(5～10cm)；品種為豫煙11，行距為1 200mm。試驗匹配動力為東方紅SG400拖拉機，動力為29.4kW。

—表示X方向曲線　--表示Y方向曲線　---表示Z方向曲線

—表示X方向曲線　--表示Y方向曲線　---表示Z方向曲線

3.2試驗方法

主要依據Q/YSJX002-2009煙稈清理機(拔稈機)的檢測指標和方法，結合煙稈清理農藝上的要求，在相同土質狀況、雜草狀況等條件下進行了人工拔稈和機器拔稈的對比試驗，煙稈拔除面積均取0.14hm2。試驗中的主要測試指標有作業效率、煙稈斷蔸率、附土率和作業成本等，并對機器的油耗情況進行統計記錄。作業效率如表2所示。

表2　兩種拔稈方式的作業效果

3.3試驗結果分析

基于試驗地對煙稈拔除機的性能試驗，進行了人工拔除和機器拔除作業的試驗對比。結果表明：煙稈拔稈作業中，機具的田間通過良好。從表2中可看出：機器拔稈和人工拔稈的的效率分別為0.42hm2/h和0.03hm2/h，機器拔稈效率非常高為人工拔稈的14倍，大大降低了煙農的勞動強度；煙稈拔除中機器拔稈斷蔸率低于人工拔除的斷蔸率，機器旋刀入土約300mm，能夠將煙稈根系在土中切斷并將煙稈從根部拔除。人工拔稈時，由于煙稈根系深扎在土中，勞動強度大，不易拔除，在拔除中常常從根部折斷，導致煙稈的根蔸不能及時從田間清理，從而滋生病菌，增大了煙草病蟲害。機器拔稈的附土率15.6%，遠低于人工拔稈的43%。機器拔稈中，旋刀從土中切斷根蔸，同時籠形幅邊結構在將煙稈輸送出來的過程中，又將附土擊打抖落，拔除干凈。煙稈拔除作業過程中，機器作業成本低于人工，動力消耗小，平均作業油耗約0.9L/hm2。

4結論

1) 借助Solid Works三維建模軟件設計了帶有一對不同旋向籠狀鼓形旋刀的煙稈拔除機，旋刀在旋轉運動和機具前進下作復合運動，可實現一次性完成拔稈、除土、平壟、覆蓋雜草的作業，煙稈拔除效率高、能耗低。

2)ADAMS仿真環境中處理輸出的1個時間周期內沿著X、Y、Z軸方向的位移、速度、加速度的仿真曲線表明：機器前進速度為1.38m/s、轉速為270r/min時，沿X軸方向的位移為周期性螺旋上升曲線，變化量為400.5mm，沿Y、Z方向位移是兩條符合正(余)弦規律變化的周期曲線，驗證了建模的合理性，在仿真環境下的作業軌跡符合實際作業情況。

3)仿真環境下的煙稈拔除作業中，沿各軸線方向上不發生異常振動和擺動，通過性好，能很好地克服土壤及各種雜草阻力，作業運動穩定。

4)田間性能試驗表明：機具的通過性良好，作業效率為0.42hm2/h，斷蔸率為10.2%，附土率為15.6%，拔除效果遠遠好于人工拔除作業，且作業成本低、耗油量小。

5)通過對虛擬樣機在仿真環境下的運動學分析及初步的田間性能試驗，為物理樣機的進一步生產及機具主要作業部件的優化設計提供了一定的技術支持。

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The Simulation Research and Design on a Tobacco Stalk Pulling Machine

Yu Jianjun1, Di Encang2, Li Baoqian1, Wei Fude3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2.College of Electromechanical and Automotive Engineering, Zhongzhou University, Zhengzhou 450044, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Abstract：Based on the extraction of tobacco stalk in tobacco field and low efficiency of removal, a new stalk pulling machine with two sets of rotary blade with opposite direction is designed, realizing pulling stalk, removing the soil, flattening the furrow, as well as covering the weeds in one operation. With the powerful 3D modeling software of solid works and virtual prototyping simulation software of ADAMS, a prototype model is built up and analyzed in simulation environment. Simulation results show that within a time period machine operation trajectory curve is stability, the displacement variation along the X axis is 400.5mm and the rationality of the virtual prototype structure model is verified, meeting the actual conditions.Field performance experiments show that, the field through is good, the operating efficiency is 0.42hm2/h, cut stump rate 10.2%, soil rate 15.6%, and the effect is far better than manual operation . Technical support is provided for physical prototype in further production optimization.

Key words：tobacco stalk pulling machine; rotary blade; simulation; ADAMS; field performance experiments

文章編號：1003-188X(2016)07-0192-05

中圖分類號：S225.91+2；S220.2

文獻標識碼：A

作者簡介：于建軍(1987-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)yujj228@163.com。通訊作者：李保謙(1961-)，男，河南許昌人，教授，碩士生導師。

基金項目：云南省教育廳項目(2014J56)

收稿日期：2015-09-07