9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機的設計與仿真

姜 偉，卜令昕，周 進，張 華，邸志峰

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

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9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機的設計與仿真

姜 偉，卜令昕，周 進，張 華，邸志峰

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

為解決玉米秸稈還田量過大、常年累積的問題，研發一種玉米秸稈打捆滅茬一體機。9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機主要由機架、動力傳動裝置、秸稈切碎裝置、壓捆室、喂入攪龍、打捆機構、滅茬裝置和行走機構組成，能夠實現秸稈切碎、攪龍輸送、撥叉喂入、活塞推壓、穿針打結和滅茬還田等一系列功能。通過ADAMS和ABAQUS軟件對各關鍵部件進行仿真分析確定關鍵參數，為機器設計和樣機試制提供了依據。

玉米秸稈；打捆；滅茬；仿真

0 引言

我國每年可生成7億t多玉米秸稈，秸稈隨意拋棄和焚燒不僅造成大氣環境污染及資源浪費，還破壞了土壤結構，危及農業的可持續發展?，F階段我國大部分玉米秸稈通過玉米收獲機還田，秸稈還田量較大且常年累積，造成土壤表層懸松，影響種子出苗。因此，根據實際需要，應用打捆機一次性完成玉米秸稈打捆和根茬還田，是解決玉米秸稈適量還田的有效途徑。根據調研反饋，玉米收獲機的還田裝置動力消耗大且切碎效果不佳，往往需要專用還田機再處理一遍，造成人力物力的不必要損失。目前大方捆打捆機技術日趨成熟，因此基于方型打捆機的結構特點，設計了9YFM-1900型玉米秸稈打捆滅茬一體機。

1 設計原理及機構

1.1 結構

9YFM-1900型玉米秸稈打捆一體機主要由機架、動力傳動裝置、秸稈切碎裝置、壓捆室、喂入攪龍、打捆機構、滅茬裝置和行走機構組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

作業時，切碎裝置將玉米秸稈切碎并拋送到切碎裝置后方兩側的喂入攪龍，切碎的秸稈由攪龍強制輸送到進料口，由送料撥叉連續不斷喂入壓捆室，同時活塞進行推送壓縮；壓縮活塞不斷往復運動，隨著喂入量的增加，秸稈捆長度不斷增加，當達到預定捆長時，打捆機構進行穿針打結，前捆被推出壓縮室，完成一個秸稈捆；玉米莖稈經過切碎裝置作業留下的根茬，由滅茬裝置切碎拋送還田。

1．機架 2.動力傳動裝置 3.莖稈切碎裝置 4.壓捆室 5.喂入攪龍 6.打捆機構 7.滅茬機構 8.行走機構

2 關鍵部件的設計與仿真

2.1 送料撥叉

送料撥叉的作用是將攪龍輸送過來的玉米秸稈撥送到壓捆室，由活塞推送壓縮。送料撥叉主要由傳動鏈輪、撥叉軸、撥叉組合和拐臂組成，如圖2所示。為研究其運動規律，將送料撥叉模型導入ADAMS軟件中并進行前處理，如圖3所示，得到撥叉端點的運動速度和運動軌跡。

如圖4、圖5所示：在一個運動周期內，送料撥叉依次完成摟草和急回的動作。將圖5的軌跡進行坐標變換導入壓捆室和送料撥叉結構圖進行驗證，如圖6所示。在向上摟草的過程中， 即B-A段， 撥叉速度比較平緩，避免秸稈拋送脫離撥叉的情況，有助于秸稈均勻成型、密度一致。撥叉端點到達頂點A時，時序上活塞應在此時將撥叉撥送上來的秸稈進行推送壓縮。A點之后，撥叉急回，到達B點之后進行下一次摟草動作。從圖6中可以看到：撥叉端點的軌跡完全覆蓋了進料口，不會出現漏拾現象；撥叉端點軌跡與弧形板和清料門幾乎平行并留有間隙，避免干涉。

1.傳動鏈輪 2.撥叉軸 3撥叉組合 4拐臂

圖3 ADAMS中的撥叉模型

圖4 撥叉端點速度圖

圖5 撥叉端點軌跡圖

1.壓捆室 2.撥叉 3.撥叉格柵 4.攪龍 5.撥叉端點軌跡 6.清料門圓弧板

2.2 壓縮機構

曲柄滑塊機構分為對心式和偏置式兩種。在相同結構參數的情況下,偏置式曲柄滑塊結構較對心式結構滑塊行程小,并且具有急回特性,效率較高。所以，本設計采用偏置式曲柄滑塊機構，偏置距離e=35mm，設計行程550mm，曲柄半徑r=275，連桿長度L=577mm。

楊明韶等人對開式壓縮理論的分析表明：當活塞壓力從零到最大時,草捆密度也從最小值達到最大值;當活塞回行時,壓縮物料由于物料特性先保持此密度一段時間,然后由于物料的應力松弛開始膨脹。若壓縮活塞在物料還未進行膨脹時,進行第2次壓縮則物料可能得到更高的密度，所以提高壓縮頻率可以提高效率。增加曲柄的轉速可以提高壓縮頻率并得到較大的壓縮力，但也導致了慣性力的增大使設備失穩，所以曲柄轉速不能過高。參考國內外大方捆打捆機頻率設置，曲柄轉速為100r/min。受壓捆室尺寸影響，活塞截面面積為440mm×355mm；為減少活塞運動阻力，活塞設置有上下輥輪，與壓捆室中的導軌配合；活塞前端設置有切刀，與壓捆室中的定刀配合切斷秸稈避免堵塞，活塞三維模型如圖7所示。

圖7 活塞三維模型

為驗證活塞曲柄連桿機構的運動特性，用ADAMS軟件進行仿真，將活塞三維模型導入Adams中，如圖8所示。

圖8 ADAMS中的活塞曲柄連桿模型

通過圖9可以看出：活塞運動的1個周期內，活塞行程s=551.4mm，當活塞運行到最遠端時加速度最大，達到4.5×104mm/s2，因此壓捆室上設置4個彈簧阻尼體平衡此時的慣性力。

圖9 活塞的位移和加速度

活塞與撥叉的運動應滿足一定的時序關系，即撥叉端點達到頂點時活塞應出現在相應位置，將秸稈推送壓縮，如圖10所示。此時，曲柄與水平面夾角為85°，撥叉連桿搖臂與水平面夾角為135°。

2.3 切碎裝置與滅茬裝置

切碎裝置與滅茬裝置均采用刀輥上加裝L型直刀的形式。

切碎裝置采用動定刀切割秸稈的方式以提高切碎效果，刀座在刀輥上螺旋線分布(見圖11)，回轉半徑r=253mm，刀輥軸線與地面距離355mm。根據吳鴻欣等人的研究，切割轉速越高，切斷效果越好；一般有支撐切割的線速度為6～10m/s，無支撐切割的線速度為20～30m/s時可以達到切斷效果。本設計要求較高的秸稈切碎質量，故切斷刀輥轉速n1=2 100r/min。

圖10 活塞撥叉位置圖

根據JB/T8401.3-2001根茬粉碎還田機的機械行業標準中滅茬深度≥70mm的要求，并考慮機器的合理布局，滅茬刀采用L型小滅茬刀，刀輥回轉半徑R=167mm,入土深度80mm，如圖12所示。

1.中間傳動組合 2.切碎刀輥 3殼體 4定刀

1.滅茬刀輥 2.L型小滅茬刀

2.3.1 滅茬刀軌跡分析

機器前進時，刀片的絕對運動是由機器的前進運動和刀軸的回轉運動所合成。為使刀片在切土過程中不產生推土現象，要求其絕對運動的軌跡為余擺線，如圖13所示。

圖13 滅茬刀軌跡

在滅茬刀軌跡上任一點M的絕對速度為

(1)

式中R—滅茬刀輥回轉半徑(m)；

ω—滅茬刀輥角速度(rad/s)；

vm—機器前進速度(m/s)；

t—滅茬刀輥運動時間(s)。

為確保莖稈粉碎，則在切土點A的位置上，vx必須有足夠的向前分量，使其絕對速度大小不低于除茬速度vc，即

(2)

此時，幾何上滿足

cosωt=(R-H)/R

(3)

聯立式(1)～式(3)可得到轉速條件為

(4)

取vm=1.5m/s,H=0.08m,R=0.167m；參考農業機械手冊整地機械的相關內容，取vc=5.5m/s，則n≥439r/min。取滅茬刀輥轉速n=500r/min，頻率f=8.3Hz。

2.3.2 基于ABAQUS的滅茬刀輥模態分析

將滅茬刀輥模型經Hypermesh前處理導入ABAQUS進行模態分析，分析結果如表1所示。滅茬刀輥工作頻率遠小于其固有頻率，不會出現共振現象。

表1 切碎刀輥約束模態計算結果

3 結論

通過ADAMS對滅茬打捆一體機的壓捆裝置和送料撥叉仿真分析驗證了其運動規律，確定了關鍵參數；通過理論分析得到切碎刀輥與滅茬刀輥轉速，并ABAQUS對滅茬刀輥進行模態分析驗證其可行性，為滅茬打捆一體機的設計與試制提供了依據。

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Abstract： To solve problem of large amount of returning corn stalks and yearly accumulation, a kind of stalk binding and stubble machine was designed. 9YFM-1900 type stalk binding and stubble machine included frame, driving device, stalk chopper, baling chamber, screw conveyor, bundling mechanism, stubbing machine and walking mechanism. This machine can complete a series of function of stalk cutting, conveying compression, tying and stubbing. Key parameters were determined by simulating in ADAMS and ABAQUS, and were used to prototype’s design and manufacture.

ID:1003-188X(2017)05-0140-EA

Analysis and Simulation of 9YFM-1900 Type Stalk Bundling and Stubbing Machine

Jiang Wei, Bu Lingxin, Zhou Jin, Zhang Hua, Di Zhifeng

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute，Jinan 250100，China)

corn stalk; bundling; stubbing; simulation

2016-04-05

山東省科技發展計劃項目(2014GNC113003)

姜 偉(1986-)，男，濟南人，工程師，(E-mail)jiangwei1986@163.com。

S224.29

A

1003-188X(2017)05-0140-04