旋轉鍬式玉米秸稈深埋還田機的設計

宋健鵬，林 靜，馬 鐵，呂秋立，田 陽

(沈陽農業大學 工程學院,沈陽 110161)

旋轉鍬式玉米秸稈深埋還田機的設計

宋健鵬，林 靜，馬 鐵，呂秋立，田 陽

(沈陽農業大學 工程學院,沈陽 110161)

針對目前秸稈存在隨意堆放、大面積焚燒和利用率低等問題,在研究國內外秸稈還田機的發展現狀基礎上，設計了一種旋轉鍬式還田機。利用Solid Works軟件對旋轉鍬式玉米秸稈深埋還田機進行了三維建模，運用ANSYS軟件對其關鍵部件旋轉鍬和刀軸進行了有限元分析。力學分析表明：應力主要集中在刀片背后彎曲部分，在正切刃部分變形最大。模態分析表明：工作時刀軸的振動頻率遠低于固有頻率范圍內的最小頻率，不會發生共振。研究成果可為秸稈深埋還田機的設計和改進提供參考。

秸稈深埋還田機；旋轉鍬；有限元分析；模態分析

0 引言

作物秸稈問題涉及到土壤肥力、環境保護、水土保持及再生資源有效利用等可持續發展問題。農作物秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀和微量元素成分，是我國重要的有機肥源之一[1]。大量研究表明，秸稈還田能夠有效增加土壤有機質含量，改善土壤，特別對緩解我國氮、磷、鉀肥比例失調的矛盾，彌補磷、鉀化肥不足有十分重要的意義，也可以解決我國因秸稈過剩而產生的堆集、焚燒造成的環境污染問題。

從20世紀70年代末開始，我國農機工作者在引進國外農業科研成果的基礎上，先后研發了與秸稈、根茬粉碎還田和整株還田相關的各種作業機具[2-4]。1974年，依據旋轉鍬[5]工作原理，江蘇東臺縣根據綠肥埋青的要求研究設計了一種綠肥翻青機。1979年，江蘇鹽城研制出了可以在沙質土壤并且含水率較低時作業的反轉旋耕埋青機。1981年，中國農科院鄭州果樹所依據旋轉鍬的工作原理，設計改裝了用于沙質土壤果園綠肥翻青的1GF-150型旋耕機，但在粘性土壤地作業時效果不理想[6]。熊元芳設計了一種以手扶拖拉機為動力，集埋草、切草、碎土、旋耕于一體的1GMS-69型水田埋草旋耕機，能夠將水田中的稻桿、高茬、綠肥等直接還田[7]。華中農業大學設計研發的集壓桿、旋耕、碎土、深埋、平地等功能一體的1GMC-70型船式旋耕埋草機，可將稻稈、雜草、綠肥等一次性深埋還田[8]。為了更好地實現還田作業，本文設計了一種旋轉鍬式秸稈還田機，在性能上兼有旋耕機和鏵式犁的優點，可以進行深耕、翻垡而又不堵塞且能耗低，作業后地表平整。

為保證旋轉鍬在作業中有足夠的剛度和強度，通過ANSYS對旋轉鍬進行靜力分析，分析旋轉鍬在作業時的變形和應力情況。為確定其在作業中具有良好的動態特性，對旋轉鍬刀軸進行了模態分析，得到其低階振動的固有頻率及振動模態圖。

1 整機的總體結構和工作原理

1.1 總體結構

旋轉鍬式玉米秸稈深埋還田機主要由機架、懸掛裝置、傳動裝置、清壟裝置、旋轉鍬及覆土鎮壓裝置等組成，如圖1所示。

1.地輪 2.懸掛架 3.減速器 4.清壟裝置 5.機架 6.旋轉鍬 7.覆土裝置 8.鎮壓裝置圖1 旋轉鍬式玉米秸稈深埋還田機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotating spade type maize straw buried counters-field set

該機選擇與功率大于36.75kW的輪式拖拉機配套使用，動力輸出軸轉速為540r/min，經減速器減速后刀軸轉速為65r/min，本設計取秸稈還田機的前進速度為2.34km/h，約為0.65m/s。

1.2 工作原理

秸稈還田機與拖拉機三點懸掛連接，工作時動力輸出軸經變速箱將動力傳到旋轉刀軸，刀軸帶動旋轉鍬完成翻垡作業；機組不斷前進，刀片連續不斷地對未作業耕地進行切削；覆土鎮壓裝置將作業后翻起的壟溝進行覆土鎮壓，進一步實現秸稈深埋。

2 關鍵部件設計

2.1 旋轉鍬的設計

旋轉鍬是秸稈深埋還田機的核心工作部件，主要由刀軸、刀片、刀盤和托土板等組成，如圖2所示。刀盤焊接在刀軸上，刀片通過螺栓安裝在刀盤上，每個刀盤安裝3把刀片；刀的背后裝有托土板(裝在刀盤的內側)。工作時，刀片切開土垡，托土板和刀片一起將垡片帶到后面；刀片向上提起垡片時，垡片脫離托土板而滑下。該部件工作的特點在于具有托土板。

1.刀軸 2.刀片 3.刀盤 4.托土板圖2 旋轉鍬結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotary spade

若要保證土垡能夠順利從刀片上滑下，應該使刀片下滑平面的下滑力大于土粒重力、離心力的分量，以及土粒與刀片間的外摩擦力之和，受力分析如圖3所示。

根據圖3 作用在旋轉鍬刀片上土粒M 的受力分析可得

mgsin(α-β)≥um[ω2rcosβ+

gcos(α-β)]+mω2rsinβ

(1)

若α>αc土垡將會被拋出，αc應滿足

(2)

式中m—土粒M 的質量；

g—重力加速度；

α—離心力與豎直方向上的夾角；

β—刀片安裝角，β≈ 20°～30° ；

u—摩擦因數；

ω—旋轉角速度；

αc—土粒拋出時的臨界角度。

刀軸轉速n應滿足

(3)

圖3 作用在旋轉鍬刀片上土粒M的受力分析Fig.3 Stress analysis in rotating blade shovel soil particles M

2.2 清壟裝置的設計

清茬裝置的結構如圖4所示。左右清茬裝置分別安裝在機具的左右橫梁上，并且與機器前進方向偏斜一定角度α。機器前進時，呈螺旋線形的刀刃在土壤阻力的帶動下旋轉前進，同時切斷殘茬并將其推向壟溝內。

1.清壟盤 2.清壟連桿 3.固定板圖4 清壟裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of stubble cleaning device

清壟寬度的大小取決于清茬輪半徑R與機器前進方向的夾角α。清茬輪半徑不宜過大，否則會使回轉角速度過大，不利于清壟。選取清茬輪半徑R=165mm，α=30°。為減少清茬輪動土，可將入土深度h設為20 mm。清壟寬度計算公式[9-10]為

(4)

式中L—清茬輪清壟長度。

通過計算可得到清壟寬度b=80mm，基本能夠滿足清壟要求。

2.3 覆土鎮壓裝置的設計

在鎮壓前，通過擋土板對土壤進行覆土。鎮壓裝置采用了結構簡單、通用性強的寬幅橡膠輪，地輪鎮壓幅寬為300mm，地輪直徑為300mm。

3 工作部件的有限元分析

3.1 旋轉鍬刀片三維模型的建立

旋轉鍬刀片形狀較復雜，刀片的側切刃是向外彎曲的形狀。這種形狀除了能保持適度的滑切角外，還能由遠及近的切開土垡，即工作時在刀軸中心較遠處先接觸土壤，然后逐漸向前和向深處切土。在Solid Works中建立三維模型，結構如圖5所示。

圖5 旋轉鍬刀片實體模型Fig.5 Rotary shovel blade solid model

3.2 旋轉鍬刀片的有限元分析

3.2.1 前期處理及劃分網格

將Solid Works中建立好旋轉鍬刀片的三維模型以IGS格式進行保存，導入ANSYS Workbench中，然后定義旋轉鍬刀片的材料為65Mn鋼，設置單元尺寸為3mm，設置網格尺寸，劃分網格并細化網格，共生成242 073個節點、13 994個單元。

3.2.2 邊界條件的定義

利用ANSYS對旋轉鍬刀片進行有限元分析，目的是分析刀片在工作時的變形和應力大小，校核刀片的強度，為進一步設計優化旋轉鍬刀片結構做準備。在旋轉鍬刀片安裝孔位置處施加固定約束，并分別在側切刃、過度面刃和正切刃處施加垂直于刃口方向大小為5MPa的載荷[11]。

3.2.3 分析結果

旋轉鍬刀片是秸稈還田機的主要工作部件，刀片質量的好壞和壽命的長短能夠直接影響機具工作的穩定性。旋轉鍬刀片的位移、應力和應變分布圖，如圖6～圖8所示。從圖6～圖8可以看出：在離固定約束最遠處(即正切刃部分)刀片總變形最大，表明最遠處剛度最差，在設計時應注意其剛度，刀柄處變形最小；在刀片背后彎曲部分所受應力較大，在刀柄和正切刃部分應力較小，在設計時應當注意；應變的最大處和最小處和應力的分析結果基本一致。

圖6 位移分布圖Fig.6 The displacement nephogram

圖7 應力分布圖Fig.7 Stress nephogram

圖8 應變分布圖Fig.8 Strain nephogram

3.3 刀軸的模態分析

模態分析是分析結構自然頻率和模態形狀的方法，一般應用在工程振動領域。模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。一般情況下，低階振動特性對結構的動態特性影響較為明顯，低階振型決定結構的動態特性。

對刀軸進行單元劃分，在各節點處建立平衡方程組，整理后得到運動方程為[12]

(5)

式中 [M]—質量矩陣；

[C]—阻尼矩陣；

[K]—剛度矩陣；

[F]—外載荷矩陣；

{u}—節點位移向量；

模態分析是在無阻尼狀態下且不考慮外部載荷的條件下進行的，即[C]=0，{F(t)}=0。因此，式(5)可簡化成模態向量Φi與振動頻率ωi的關系方程式為[13]

([K]-ωi2[M]){Φi}=0

(6)

式中 {ωi}—第i階自然振動頻率；

{Φi}—第i階模態形狀的特征向量。

求解式(6)，即可得出系統的固有頻率和模態向量，從而得到模態振型。

進行模態分析時，由于不考慮外部載荷的影響，只需要對刀軸的兩側施加零位移約束即可。還田機在工作時各種激振頻率相對較低，因此只需要考慮接近這些頻率的低階固有模態[14-15]。施加約束求解，得到前6階的固有頻率如表1所示，振型如圖9所示。

表1 刀軸的固有頻率

圖9 刀軸的模態振型圖Fig.9 Modal shape of the cutter shaft

由表1可以看出：前6階固有頻率的分布范圍在744～3541Hz之間，振型的彎曲程度反映了刀軸發生扭轉彎曲變形的程度。還田機作業時刀軸轉速為75r/min，轉化成頻率約是1.25Hz，遠小于固有頻率范圍內的最小頻率，因此不會發生共振，設計安全合理。

3.4 基于MatLab的刀端軌跡運動

機具工作時，刀片一面旋轉，一面隨機組前進，因此刀片的運動軌跡是機組前進和刀軸旋轉兩種運動的合成。刀端的軌跡方程為[16]

x=Rcosωt+vmt

(7)

y=Rsinωt

(8)

式中R—刀端點轉動半徑(m)；

ω—刀軸旋轉角速度(rad/s)；

t—時間(s)；

vm—機具前進速度(m/s)。

選取刀端點的轉動半徑R=0.4m，機組前進速度vm=0.8m/s，轉速n=75r/min，將刀端的軌跡運動方程經編程后輸入MatLab中得到其運動軌跡。其中，橫坐標與機具前進方向一致，縱坐標是豎直方向上的位移。刀端軌跡運動規律如圖10所示。

圖10 刀端軌跡運動圖Fig.10 Knife trajectory motion diagram

4 結論

1)通過對秸稈還田機國內外研究現狀的分析探討，結合生產實際，農機與農藝相結合，設計了一種秸稈深埋還田機，并確定了整體結構。

2)運用ANSYS軟件對旋轉鍬刀片和刀軸進行有限元分析，結果表明：在外力的作用下，應力主要集中在刀片背后彎曲部分，刀尖處的變形最大；還田機工作時刀軸轉速為75r/min，遠小于固有頻率對應的最低轉速，因此不會發生共振，結構設計合理。

3)通過MatLab對旋轉鍬刀片的運動軌跡分析可知：只有當刀軸轉速與機組前進速度的比值一定時，刀端軌跡才能保持一致。

[1] 韓永俊，尹大慶，趙艷忠.秸稈還田的研究現狀[J]. 農機化研究，2003(2)：39-40.

[2] 楊文鈺，王蘭英. 作物秸稈還田的現狀與展望[J]. 四川農業大學學報，1999(2)：211-216.

[3] 毛罕平，陳翠英. 秸稈還田機研制現狀[J].農業機械學報，1996(2)：153-155.

[4] 楊濱娟，錢海燕，黃國勤，等.秸稈還田及其研究進展[J]. 農學學報，2012(5)：1-4,28.

[5] 立農曼.旋轉鍬[J].糧油加工與食品機械，1976(10):9-19.

[6] 王福杰，舒彩霞，黃海東. 綠肥機械化翻青技術研究現狀與趨勢[J]. 農機化研究，2010，32(6)：229-232.

[7] 熊元芳.水田埋草旋耕機的試驗研究[J].農業機械學報，2003(5)：177-178.

[8] 王福杰，黃海東，舒彩霞，等.1GLF-1.8型綠肥翻青機的設計[J]. 華中農業大學學報，2011(3)：371-374.

[9] 包文育. 東北壟作免耕播種機關鍵部件研究與整機設計[D].沈陽：沈陽農業大學，2009.

[10] 林靜，劉安東，李寶筏，等.2BG-2型玉米壟作免耕播種機[J].農業機械學報，2011(6):43-46,62.

[11] 葛云，吳雪飛，王磊，等.基于ANSYS微型旋耕機旋耕彎刀的應力仿真[J].石河子大學學報：自然科學版，2007(5)：627-629.

[12] 劉延柱，陳文良.振動力學[M].北京：北京教育出版社，1998：150-174.

[13] 劉選偉，金亮，王景立.基于ANSYS Workbench的深松機機架模態分析[J].農機化研究，2015，37(5)：29-31,35.

[14] 朱瑜，鄭俊，羅洋，等.基于ANSYS Workbench的起壟刀軸模態分析[J].機械工程師,2016(2)：100-102.

[15] 趙麗萍，何新如，徐杰，等.水田整地筑埂聯合作業機變速箱的設計及其刀軸的模態分析[J].中國農機化，2016(7)：42-46.

[16] 趙華慧，李云伍，曾慶慶，等.基于MATLAB的旋耕機運動仿真分析[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2016(1):230-234.

Design and Test of Rotating Spade Type Maize Straw Returning Root Deep Machine

Song Jianpeng , Lin Jing , Ma Tie , Lv Qiuli , Tian Yang

(College of Engineering , Shenyang Agricultural University , Shenyang 110161 , China )

Facing with the problems of the straw pill up at will , straw large area burning and low utilization rate of straw after harvest ,on the basis of the research on the development status of straw returning machine at home and abroad, design a kind of rotary spade field straw chopper. Using Solid Works for three-dimensional modeling, using ANSYS software for its key components rotating spade and knife shaft for finite element analysis. Mechanics analysis shows that, the stress mainly concentrated in behind the blades bend parts, the maximum deformation in tangent blade. The modal analysis showed that the work is far lower than the natural frequency of vibration frequency range of the minimum frequency, resonance will not occur. The research results provide reference for the design and improvement of deep field straw chopper.

straw returning root deep machine; rotary spade; finite element method; static analysis

2016-12-02

公益性行業(農業)科研專項(201503116-09);國家自然科學基金項目(51275318)

宋健鵬(1991-)，男，山東蓬萊人，碩士研究生，(E-mail)990263110@qq.com。

林 靜(1967-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導師，(E-mail)synydxlj69@163.com。

S224.29

A

1003-188X(2018)02-0095-05