香蕉秸稈粉碎還田刀輥參數研究

宋雅婷，李　粵，唐寧寧，吳思浩

(海南大學 機電工程學院，海口　570228)

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香蕉秸稈粉碎還田刀輥參數研究

宋雅婷，李粵，唐寧寧，吳思浩

(海南大學 機電工程學院，海口570228)

摘要：香蕉秸稈粉碎秸稈還田作為南方農業保護性耕作中不可或缺的一部分，尚缺乏粉碎效果良好的秸稈粉碎裝備。針對該問題，對香蕉秸稈粉碎還田機核心部件粉碎刀的數量、排列、運動和受力進行了理論分析，得到了其計算通式，確定了其工作參數范圍。同時，應用 SoildWorks2013 / Simulation插件進行刀軸的模態分析，為以后香蕉秸稈粉碎還田機的設計和關鍵部件的選型提供理論依據。

關鍵詞：香蕉秸稈；粉碎還田；刀輥

0引言

秸稈粉碎還田作為保護性耕作的關鍵技術之一，可以提高土壤的蓄水保墑能力，有效減少土壤風蝕、水蝕，進而提高農作物產量，促進農業的可持續發展。香蕉作為我國南方地區重要的經濟作物，其秸稈還田也成為了熱帶農業研究中的重要內容。香蕉秸稈的直接粉碎還田不僅避免了人工處理香蕉秸稈所造成的資源浪費和環境污染，還能增加土壤有機質、改善蕉園土壤結構。另外，粉碎后的香蕉秸稈碎片覆蓋于地面，可緩沖雨水對土壤的侵蝕，減少地表徑流的產生，減緩地面水分的蒸發，增強土壤的蓄水能力，從而有利于實現香蕉種植業的可持續發展[1-3]。

粉碎刀輥是香蕉秸稈粉碎還田機的關鍵部件，也是粉碎作業的執行部件，其工作參數和運動學規律對刀輥的設計和優化有重要參考意義[4-6]。為了進一步研究香蕉秸稈粉碎還田機的工作原理，為以后的設計提供資料，以香蕉秸稈粉碎刀輥為研究對象，對香蕉秸稈粉碎刀的結構參數和受力分別進行了理論分析，研究探討了香蕉秸稈粉碎刀運動軌跡及其計算通式，并應用 SoildWorks2011/ Simulation插件進行刀軸的模態分析，為香蕉秸稈粉碎還田機的設計和粉碎還田機關鍵部件的選型提供理論依據。

1粉碎刀輥結構和運動參數分析

1.1粉碎刀片的數量

粉碎刀片數量對于香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎率和功耗有著決定性的影響[7-8]。粉碎刀片數量過多，一方面將增加安裝成本、啟動轉矩和空載功耗，另一方面過密集的粉碎刀容易導致刀輥發生堵塞和纏繞；而刀片過少，將導致對秸稈的漏切和粉碎不完全。刀片數量的合理數值一般可根據粉碎刀密度來計算得到

C=N/L

式中C—粉碎刀密度(片/m)；

N—刀片個數(當錘爪為n，n/3是錘爪的個數)(片)；

L—作業幅寬(m)。

幾種常見的粉碎刀都具有各自的優缺點和適用場合，而由于不同類型粉碎刀特性不同，粉碎刀密度范圍也會有所區別。表1中對常用粉碎刀參數和應用特點進行了對比分析。

1.2粉碎刀排列

粉碎刀輥在高速旋轉時會產生很大的離心力，刀輥稍有不平衡就會導致粉碎刀輥相對機具的大幅振動。因此，在刀軸上對粉碎刀片進行合理的排列，不僅能在保證機具粉碎質量的情況下減少功率的消耗，而且還能夠通過保障粉碎刀輥的動平衡性能以減少振動[9-10]。

在進行動平衡分析時，刀輥被理想化為刀輥質量均勻分布、沒有制造和安裝誤差的回轉模型，因此僅在粉碎刀排列方面進行動平衡的計算。每把粉碎刀單獨來看都是一個不平衡的轉子；但將粉碎刀輥視作整體時，所有由粉碎刀單獨引起的不平衡量最終能在刀輥軸端相互抵消掉，也就是說對整體而言刀輥是平衡的。本文將粉碎刀輥上每把粉碎刀在x和y軸上所產生的不平衡力分別平移到兩個刀輥端面，若在A和B兩個校正面上的主矩、主矢均最后抵消為零，則意味著整個刀輥處于動平衡狀態[11]。刀輥受力分析如圖1所示。

表1　幾種常用粉碎刀參數和應用特點對比

圖1　刀輥受力分析示意圖

將圖1左邊第1把刀所在的平面設為A面，最右邊第1把刀所在的平面設為B面。將刀輥上所有的力平移到A平面和B平面分別沿xy方向分解，可得到的兩個平衡方程式為

式中θi—第i把刀的刀軸周向角；

F—每組粉碎刀產生的離心力；

S—A面與B面間的距離；

Si—第i把刀離B面的距離；

N—粉碎刀總數。

將刀輥上甩刀排列的數值代入上面兩式中，若FAX=FAY=FBX=FBY=0，則刀輥符合動平衡要求，機具工作時穩定性較好。

1.3粉碎刀的運動分析

在香蕉秸稈粉碎還田機作業時，粉碎刀有兩種運動：一邊繞著粉碎刀輥軸心進行回轉運動，一邊跟隨機具前進做直線運動[12]，兩種簡單運動合成即得到粉碎刀的絕對運動。圖2為粉碎刀輥反轉的情況(即粉碎刀輥的旋轉方向從左向右看為順時針的情形)。

圖2　反轉粉碎刀的運動

以刀輥中心為原點建立坐標系，刀輥前進方向與x軸正向保持一致，y軸正方向豎直向上。假定機具為勻速直線運動，粉碎刀由粉碎刀輥帶動做勻速旋轉運動，刀片端點初始位置與x軸正向成一定夾角，處于水平位置下方。粉碎刀刀端處的運動軌跡方程為

式中x、y—粉碎刀刀端在任意時刻的位置坐標;

v—機具前進速度(m/s)；

R—粉碎刀輥的回轉半徑(m)；

ω—刀軸角速度(rad/s)；

t—工作時間(s)。

粉碎刀刀端在x軸和y軸方向上的分速度表達式可由上式對時間t求導得到

式中vx—粉碎刀端點在x軸方向分速度(m/s)；

vy—粉碎刀端點在y軸方向分速度(m/s)。

根據x軸和y軸上的分速度可得粉碎刀端點的絕對速度vz為

上式為反轉粉碎刀刀端的絕對運動表達式。根據表達式可知：粉碎刀運動軌跡特性受到了粉碎刀輥回轉半徑R、刀軸角速度ω和機具前進速度v幾個因素的共同影響。圖3為粉碎刀輥正轉(即從左向右看粉碎刀輥為逆時針旋轉)的情形。

圖3　正轉粉碎刀的運動

以刀輥中心為原點建立坐標系(同圖2)，刀輥前進方向與x軸正向保持一致，y軸正向朝上。通過正轉粉碎刀的運動示意圖發現：正轉粉碎刀刀端可與反轉粉碎刀刀端的運動軌跡方程和速度方程共用來表達[13]。

當vzmin=v0-v(即其圓周線速度與水平速度反向)時，刀片絕對速度達到最小值；當vzmax=v0+v(即其圓周速度與水平速度同向)時，刀片絕對速度達到最大值。其中，v為機具前進速度(m/s)；v0為刀片刀尖的相對速度ωt(m/s)。

在粉碎裝置結構一定的情況下，粉碎刀轉速直接影響秸稈粉碎的效果，所以確定粉碎刀的轉速是粉碎還田機設計的關鍵之一[14]。

粉碎刀刀端的絕對速度取值如果太小，將不能有效地將香蕉秸稈切斷，且易造成纖維纏繞，機具效率低；如果取值過大，將使粉碎刀對香蕉秸稈撿拾和拋送能力下降，加速軸承和刀具的磨損，同時增加動力的消耗。

李明[15]等人通過試驗得出粉碎機具的粉碎效果和撿拾效果在刀端線速度為48m/s 時最好。毛罕平[16]等人根據試驗證明：在無支撐情況下，能粉碎香蕉秸稈的粉碎刀刀端的最小速度為34m/s[17]，即

vzmin=v0min-vmax≥34m/s

v0min=Rw=vzmin+vmax

式中n—粉碎刀輥轉速(r/min)；

R—粉碎刀回轉半徑(m)；

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

vz—粉碎刀端點的絕對速度(m/s)；

v0min—粉碎刀端點的最小相對速度(m/s);

vzmin—粉碎刀端點的最小絕對速度(m/s)；

vmax—機具前進最大速度(m/s)；

vmin—機具前進最小速度(m/s)。

根據上式可求出無支撐情況下粉碎刀輥所必須要達到的最小轉速。

1.4粉碎刀的受力分析

粉碎刀是香蕉秸稈粉碎刀輥的粉碎執行部件，也是香蕉秸稈還田機最關鍵的部件，其受力是影響香蕉秸稈粉碎質量和還田機工作穩定性的重要因素。本文以最常用的粉碎直刀為例進行受力分析，如圖4所示。其中，粉碎直刀與粉碎刀座之間利用銷軸進行鉸接，粉碎刀座焊接在粉碎滾筒上。

以粉碎刀輥的軸心為原點建立坐標系，刀輥前進方向與x軸正方向保持一致，y軸正方向垂直向下。其中，ο為粉碎刀輥軸心；ο1為銷軸軸心；οg為粉碎刀質心。粉碎刀輥高速旋轉所產生的離心力F使每把粉碎刀在作業時保持在圓徑向射線位置上；但當碰到粗大的香蕉秸稈時，粉碎刀的刀端受到來自于香蕉秸稈的瞬間阻力T，迫使粉碎刀繞銷軸發生偏轉，偏轉角為α；而粉碎刀輥和刀座仍以保持原來的轉速旋轉，在完成香蕉秸稈粉碎后，粉碎刀將會在離心力的作用下恢復到原來的徑向射線位置上。粉碎刀刀端相對銷軸中心ο1點產生力矩的力有重力G、切割阻力T及銷軸作用于粉碎刀的銷軸孔內表面的正壓力F1，銷軸半徑為r。若將銷軸對粉碎刀的摩擦力矩忽略不計，由圖4中幾何關系得到

式中α—偏轉角；

β—線ο2ο1與線ο1οο的夾角；

R1—粉碎刀質心οg的旋轉半徑；

R2—粉碎刀質心οο的旋轉半徑；

h1—銷軸中心ο1到切割阻力T作用點ο2的垂直距離；

h2—銷軸軸心ο1到線οοg的距離；

S—銷軸軸心ο1到οg的連線的距離；

L—銷軸中心ο1到切割阻力T作用點ο2的距離。

由于銷軸作用于粉碎刀的銷軸孔內表面的正壓力T通過粉碎刀銷軸孔中心，因此對粉碎刀的力矩為0，即∑Mo1=0，則

式中M—粉碎阻力力矩(N·m)；

M1—重力力矩(N·m)；

M2—離心力矩(N·m)；

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

m—粉碎刀質量(kg)。

因此，作用在粉碎刀上的力矩相對于銷軸中心ο1的平衡方程式為

TLcos(α-β)=Gh2sinα+mw2R1h2sinα

由上式可以求得

圖4　粉碎刀受力分析圖

2粉碎節距Sf

粉碎節距是指相鄰兩把粉碎刀在同一徑向平面內相繼沖擊打切香蕉秸稈的長度，即在前一把粉碎刀接觸到香蕉秸稈到同徑向相鄰粉碎刀接觸到香蕉秸稈的時間內機具的前進距離，如圖5所示。

圖5　粉碎節距示意圖

當粉碎刀輥的1個徑向平面內有Z把粉碎刀片，刀輥每轉過1個刀片所需時間為2π/Z。在2π/Z時間內機具前進的距離即粉碎節距Sf，即

式中v—機具的前進速度(m/s)；

t—刀輥上每轉過一個刀片所需的時間(s)；

ω—粉碎刀輥的角速度(rad/s)；

Z—同一徑向平面上安裝的刀片數量；

Sf—粉碎節距(m)。

粉碎節距大小直接影響香蕉秸稈粉碎效果的優劣。由上式可知：粉碎節距的大小是粉碎裝置的機具前進速度、粉碎刀軸轉速、同徑向平面上安裝粉碎刀數等運動參數和結構參數共同控制的。根據國標JB/T 6678—2001，農藝生產中不影響下一季播種的香蕉秸稈粉碎長度應小于0.1m。因此，綜合考慮粉碎效果和功耗，粉碎節距S合理取值范圍為0.05～0.08m。

3粉碎輥筒的模態分析

在進行香蕉秸稈粉碎作業時，粉碎刀輥高速旋轉, 且易受到動力載荷的影響，刀輥分布相對于軸線稍有不均便會產生振動；而當輥筒固有頻率和高速旋轉時受激勵工作頻率接近時，將對機具的損害很大。因此，對輥筒進行模態分析，以避免輥筒轉速因接近其固有頻率的臨界轉速導致的共振和噪聲，從而確定粉碎刀輥的合理轉速，并為改進該粉碎刀輥的優化設計提供參考[18]。采用SoildWorks 2011軟件創建粉碎刀輥輥筒的立體模型，再利用Simulation 插件對輥筒新建頻率分析算例并進行網格劃分，可得4階模態分析結果，如表2、圖6所示。

表2　滾筒的前4階固有頻率

圖6　滾筒前4階模態分析示意圖

由表2數據可知：滾筒的前 4階固有頻率f的變化范圍為292.81～750. 73Hz。粉碎作業中刀輥轉速的范圍n=1 000～2 100rad/min 時，旋轉激勵頻率范圍為fx=16.7～35Hz。由于f>>fx，該刀輥轉速范圍避開了粉碎滾筒固有頻率的危險區域，防止了共振的產生，所以刀輥轉速的選擇在合理范圍內。

4結論與展望

粉碎刀輥的參數與粉碎還田機的粉碎效果和作業可靠性密切相關。因此，本文對香蕉秸稈還田機粉碎刀的數量、排列、運動和受力進行了理論分析，并通過對粉碎滾筒的模態分析，獲得合理的結構參數和轉速范圍。在以后的香蕉秸稈粉碎還田機具設計中，著重突破的技術重難點和優化方向的定位為：

1)刀輥轉向。無論粉碎刀輥反轉還是正轉，粉碎刀的運動可用同樣的方程式來表達，這使得對粉碎刀輥正反轉問題的研究得以簡化；但由于其切割方式和切割范圍不同，有必要在實際作業中進行試驗研究。

2)粉碎刀結構的優化。通過對粉碎刀的受力分析可知：粉碎刀結構和參數進行適當的優化可減小粉碎刀工作偏角及增大粉碎率。這些都對后續工作中粉碎刀的結構設計和參數選擇有重大的指導價值。另外，可應用仿生學原理對刀具和機具結構進行更進一步優化，加強研究仿生學在刀具設計上的應用。

3)刀輥結構的優化。粉碎刀輥的轉子的質量分布的不均衡是產生機具產生振動的根本原因。粉碎刀排列方式的優劣決定著能否最大限度地降低排列引起的不平衡和避免振動對還田機的影響。盡量減小制造和安裝誤差，保證甩刀外形尺寸和質量統一也是很重要的一方面。另外，研制針對性強的粉碎刀和尋求合理的粉碎刀排列方式，以滿足粉碎香蕉秸稈的特性要求將成為研究的重要內容。

4)突破制約瓶頸，開發復合作業機型。由于香蕉秸稈粗大、含水率高的特性，目前所研究的香蕉秸稈粉碎還田機成本和功耗過高，作業功能單一。在保證粉碎質量前提下盡可能降低生產成本、作業成本，已成為突破香蕉秸稈還田推廣制約的關鍵點。另外，研究開發能夠同步完成香蕉秸稈粉碎和根茬破壞的復合作業機，并解決高割茬香蕉秸稈的技術難題，還有待進一步開發研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0078-EA

The Parameters Study on Cutter Roller of Banana Straw Chopper Machine

Song Yating, Li Yue, Tang Ningning, Wu Sihao

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：Banana straw crushing and returning technology as an integral part of conservation tillage in the South agriculture. There is a lack for crushing equipment with good effect.To solve this problem, this paper take theoretical analysis for number, arrangement, motion and the force of flail knife, which are the core components of banana crushing and returning machine, and determine the range of working parameters. Modal analysis of knife shaft by Soildworks 2013/Simulation has provided the basis for design. Theoretical foundation has been provided for designing horizontal banana pseudostem crushing and returning machine about selecting key components.

Key words：banana straw; crushing and returning to field; cutter roller

文章編號：1003-188X(2016)06-0078-06

中圖分類號：S226.9

文獻標識碼：A

作者簡介：宋雅婷(1991-)，女，湖南瀏陽人，碩士研究生，(E-mail)syt_907235963@163.com。通訊作者：李粵(1965-)，男，廣西北流人，教授，碩士生導師， (E-mail)ly-888888@sohu.com。

基金項目：國家公益性行業(農業)科研專項(201503136)

收稿日期：2015-05-27