煙稈拔稈機刀輥參數優化與試驗

余朝靜，張大斌，齊永杰，劉祖國，盧 澤

(1.貴州大學 機械工程學院,貴陽 550025；2.廣西中煙工業有限責任公司,南寧 530001)

0 引言

煙草是我國重要的經濟作物，隨著煙草種植面積的增加，煙葉采摘后大量煙稈殘留在田間，每年約有260萬t煙稈被廢棄[1]，對環境造成了較大的污染，也是一種資源浪費。殘留在田間的煙稈會滋生大量病菌，對來年煙草的種植與生長產生較大影響[2]，需在煙葉采摘結束后立即拔除煙稈。由于我國煙稈的機械化回收程度較低，煙稈的拔除工作通常由人工完成，費時費力，且效率較低。因此，實現煙稈的機械化回收已成為一種迫切需要。

煙稈拔稈機用于煙葉采摘結束后煙稈的拔稈作業，按拔稈工作原理的不同主要分為齒梳式拔稈機、圓盤式拔稈機、鏈夾式拔稈機和掘蔸式拔稈機等[3-5]。其中，掘蔸式拔稈機利用旋耕原理，在執行機構根莖掘起刀輥上安裝旋耕刀，旋轉刀輥的刀片隨著機具的前進反轉入土挖掘并將煙蔸掘出。該機具有良好的適應性，能有效降低刀輥切土阻力和拔稈作業功耗。其工作部件刀輥的結構和參數對拔稈作業的工作穩定性、功率消耗和機組的平衡性等指標有較大影響。近年來，大量學者對旋耕機刀輥[6]、滅茬機刀輥[7]及秸稈還田機刀輥[8-9]的結構和參數展開了研究，并促進了相關機械的發展；而對掘蔸式煙稈拔稈機刀輥參數的研究還未見報道。本文以掘蔸式拔稈機為研究對象，對拔稈機刀輥結構參數和工作參數進行優化設計，以得到較合理的參數設計。

1 刀輥主要結構及工作原理

掘蔸式煙稈拔稈機的刀輥主要由刀軸、旋耕刀、拔稈橫刀、刀座及刀盤等組成，如圖1所示。

1.刀盤 2.刀座 3.拔稈橫刀 4.刀軸 5.旋耕刀

拔稈機作業時，動力驅動刀輥旋轉，刀輥反轉，旋耕刀由煙壟壟底開始切削土壤，對壟體進行切削以疏松煙壟土壤并將部分煙蔸掘出地面；在拔稈橫刀作用下，整顆煙稈和土塊沿機罩內部滑動，向后拋擲輸送至后部收集裝置以避免煙稈與刀輥的纏繞、堵塞，從而實現煙稈的連續拔稈作業。

2 刀輥運動參數的選取

2.1 刀輥旋耕刀運動方程和切土軌跡

拔稈機在拔稈作業過程中，刀輥的絕對運動由刀輥的圓周運動與拔稈機前進所具有的直線運動所合成。因此，以刀輥中心為坐標原點，拔稈機前進方向為x軸正向，垂直向上為y軸正向建立坐標系，得到刀輥旋耕刀刀端點的運動方程為[10]

(1)

式中vm—機組前進速度；

R—旋耕刀端點旋轉半徑；

ω—旋轉角速度。

根據我國西南地區煙草種植農藝要求，煙草采用單壟種植，壟寬700～750mm，壟間距1 050～1 150mm，壟高200～250mm，煙葉收獲結束后壟高150～200mm，煙株距550～600mm。為實現煙稈的拔稈與煙壟的耕整作業，旋耕刀端點旋轉半徑R應大于壟高。同時，在一定的機組前進速度和拔稈入土深度下，應選擇大回轉半徑、小轉速以降低拔稈機能耗[11]，但過大的半徑將相應地增大拔稈機結構尺寸。綜合各因素，取R=250mm。根據課題作業指標要求，取vm=0.37m/s，得到刀輥旋耕刀端點切土軌跡如圖2所示。

圖2 刀輥旋耕刀端點切土軌跡

定義旋耕刀端點的回轉切線速度與拔稈機的前進速度之比為旋耕速比[10]λ，得

(2)

將旋耕速比λ帶入式(1)得

(3)

上式表示λ值不同時，旋耕刀的運動軌跡各不相同，分別取λ=0.5、λ=1和λ=3時的運動軌跡如圖3所示。

圖3 不同旋耕速比的旋耕刀運動軌跡

λ值不同時，刀輥旋耕刀的運動軌跡也將不同：在λ=0時，旋耕刀運動軌跡為直線，不能完成拔稈作業；λ在0～1之間時，運動軌跡為短幅擺線，旋耕刀端點沿x方向的速度分量均有vx>0，即旋耕刀在各種位置的切削速度方向與拔稈機前進方向一致，故旋耕刀不能向后切土拋稈，不能完成拔稈作業；λ>1時，其軌跡變為長幅擺線，旋耕刀端點沿x方向的速度分量存在vx<0，即旋耕刀轉動到一定部位，其切削速度方向將與拔稈機前進的方向相反，旋耕刀能切削土壤并將煙稈拋向后方，完成拔稈作業[11]。

2.2 溝底不平度

拔稈機拔稈作業時，刀輥耕層底部會出現波浪形的凸起[10]，其高度hc主要取決于旋耕刀回轉半徑R、旋耕速比λ和刀輥同一切土小區內旋耕刀數z。為使刀輥能完成拔稈作業，需保證旋耕刀正切部能切到煙蔸底部，因此溝底不平度應小于0.25，則

(4)

式中hc—溝底不平度；

z—同一切土小區內旋耕刀數；

λ—旋耕速比；

R—旋耕刀回轉半徑。

根據式(4)，利用MatLab得出拔稈溝底不平度與旋耕速比和同一切土小區內旋耕刀數的變化曲線，如圖4所示。由圖4可知：提高旋耕速比λ和增加同一切土小區內旋耕刀數z能降低溝底不平度，提高刀輥拔稈性能。

圖4 拔稈溝底不平度與旋耕速比和同一切土小區內旋耕刀數的關系

2.3 切土節距

切土節距S指沿安裝在同一回轉平面內的旋耕刀在轉過相應的安裝角時間內機組的前進距離，也就是同一回轉平面內相鄰兩把旋耕刀切下的土垡的水平縱向厚度[10]，其計算公式為

式中R—旋耕刀回轉半徑；

λ—旋耕速比；

z—同一切土小區內旋耕刀數。

切土節距的大小將直接影響旋耕刀碎土質量、拔稈機工作質量和拔稈機的功率消耗，其大小與旋耕刀回轉半徑成正比，與旋耕速比和同一切土小區內旋耕刀數成反比。刀片數增多，刀間的空隙變小，容易纏稈、纏草、堵泥等。在同一切土小區內的刀片數z=2時，分別取λ=3和λ=6時得到不同旋耕速比下的切土節距，如圖5所示。

圖5 不同旋耕速比下的切土節距

旋耕速比λ越大，切土節距越小，溝底凸起高度也越小，刀輥拔稈性能將越好。但在旋耕刀回轉半徑R一定的條件下，通過降低拔稈機前進速度vm來提高旋耕速比λ，會使拔稈機前進速度降低，進而使生產效率降低；而通過提高刀輥轉速來提高旋耕速比λ，會使刀輥轉速過快，進而使功率消耗增加。因此，合理選擇旋耕速比λ對刀輥拔稈性能和功率消耗尤為重要。

從降低能量消耗的觀點看，在滿足拔稈作業質量要求的前提下,應選擇較大的切土節距。但切土節距加大時，溝底不平度也會加大[12]。因此，綜合各因素及西南地區煙地拔稈農藝要求，取切土節距S=100mm，旋耕速比λ=8，計算得到此時刀輥轉速為n=110r/min。

3 旋耕刀優化設計

旋耕刀是拔稈機刀輥的主要工作部件，其形狀和參數對拔桿機的作業質量和功率消耗有很大的影響。為避免使拔稈機刀輥纏草和在刀輥前方形成壅土并重復切削，從而減少功耗和避免后拋的煙稈被土壤掩埋，同時刀輥旋耕刀要求正切面(角度)拋土性能強[13]。因此，其設計應有別于其它通用旋耕刀。為滿足拔稈要求并減少刀輥纏草和提高旋耕刀正切面拋土性能，依據GB/T5669-1995標準中Ⅲ型刀主要用于淺耕滅茬，對Ⅲ型彎刀進行改進設計來作為拔稈機刀輥旋耕刀。

旋耕刀的參數主要包括側切刃、正切刃、正切部彎折半徑、工作幅寬和回轉半徑等，正切刃和側切刃較為銳利，刃口為曲線，有較好的滑切性能。按正切刃部分的折彎方向，有左彎刀和右彎刀兩種。作業時彎刀側切刃末端先切土，然后側切刃與正切刃同時切開土垡，其切土方式為由遠及近切土，其結構示意圖如圖6所示。

3.1 旋耕刀側切刃曲線設計

旋耕刀的側切刃曲線采用阿基米德螺線，其方程為

ρ=ρ0+a′θ

式中ρ0—螺線起點的極徑；

θ—螺旋線上任意點的極角；

a′—螺旋極角增加1弧度時極徑的增量。

旋耕刀側切刃極徑ρ與拔稈機刀輥回轉半徑R的大小無關，為避免無刃部分切土，側切刃起始極徑ρ0可由下式求得[10]，即

式中R—回轉半徑；

S—切土節距；

h—拔稈切土深度。

螺線終點的極角θn可由下式求得，即

其中,τn為螺線終點處的滑切角，常取50°～60°，文中取τn=60°，帶入數值計算得到θn=31.8°。

在確定ρ0、ρn和θn值后，可求得a′的值為

從0～θn之間分成若干份，順序選定若干θ值帶入螺旋線側切刃曲線，可分別計算出相應的極徑ρ值，即可作出側切刃螺線。

圖6 刀輥旋耕刀結構示意圖

3.2 側切刃靜態滑切角的設計計算

側切刃螺線上一點的極徑與該點切線的夾角為旋耕刀側切刃的靜態滑切角τ，其大小應滿足旋耕阻力小和不纏草的要求[10]，即

τ<90-φ

其中，φ為植被莖葉、秸稈根茬對旋耕刀刃口的摩擦角。

植被莖葉、秸稈根茬對旋耕刀刃口的摩擦角φ在28.8°～55.5°之間。因此，τ在34.5°～61.2°之間時，旋耕刀旋耕阻力小，且旋耕刀纏草少[14]。旋耕刀側切刃曲線上任一點的靜態滑切角τ為

3.3 正切刃曲線設計

正切刃是一空間曲線，為使耕底較為平整，旋耕刀對煙蔸根系損傷切斷較少，正切刃曲線位于刀輥的外圓柱面上，即在側視圖上其投影為圓弧。正切刃與側切刃兩段刃口間以圓弧線光滑過渡。

3.4 正切部彎折半徑與工作幅寬設計

刀輥旋耕刀正切部彎折處應選擇一個合適的折彎半徑r。彎折半徑過小時，彎折圓弧處易黏土，功率消耗較大，同時過小的折彎半徑會降低彎折處強度，減少了旋耕刀的使用壽命；而彎折半徑過大時，旋耕刀拋土性能降低，不利于煙稈和碎土的拋送，易造成堵塞。刀輥旋耕刀工作幅寬的增大可減少刀輥上旋耕刀數量，減少破茬比率，有助于煙蔸的完整掘起，但過大則容易造成煙稈的堵塞和纏草，功率消耗的較大，同時還會影響旋耕刀的剛度。試驗表明：針對不同的土壤特征，刀輥旋耕刀彎折半徑r取30～40mm，旋耕刀幅寬b取30～50mm時能滿足刀輥拔稈要求。文中取r=30mm，b=30mm。得到刀輥旋耕刀主要參數如表1所示。

表1 刀輥旋耕刀主要參數

4 刀輥旋耕刀的排列

刀輥旋耕刀的排列方式對拔稈機的拔稈作業質量、功率消耗、平衡性能和使用壽命等都有很大的影響，是決定拔稈機性能的重要因素。

4.1 排列基本原則

針對拔稈機設計的特殊性，需要解決拔稈過程中存在的漏拔、重拔、堵塞、纏草、壅土、軸向受力不均勻、振動大及能耗高等問題。拔稈機刀輥旋耕刀的合理排列應滿足以下原則[10]:①在同一回轉面內配置2把以上的旋耕刀避免漏拔；②在不產生漏拔的前提下，旋耕刀軸向間距越大越好，徑向相鄰兩旋耕刀夾角應盡量大些,以免纏草和堵塞；③旋耕刀軸向分布應均勻，徑向呈等角分布，使刀軸每轉過一個相等的角度時，均有一把旋耕刀入土，以減小扭矩波動幅度，保證拔稈機穩定性和刀軸復合均勻。

4.2 排列方法

常見的排列方式有螺旋線排列、對稱排列及交錯平衡排列3種方式[6]。為使刀輥滿足拔稈與煙壟耕整的要求，同時又使其功耗小，刀輥受力均勻，提出了旋耕刀在刀輥上的4n±2最優數列雙螺旋線排列法。該法將旋耕刀在刀輥上按雙頭螺旋線有規則排列，兩螺旋線旋向相反，升角相同，同條螺旋線上安裝同向刀片，相鄰的螺旋線上安裝反向刀片。旋耕刀通過刀盤安裝于刀軸上，同一刀盤上安裝兩把安裝反向刀片，其刀座間相位夾角為180°。在滿足雙頭螺旋線排列要求下，旋耕刀總刀數取最佳數列4n±2(n為自然數)。采用4n±2最優數列雙螺旋線排列法，左右旋耕刀按排列順序依次入土，刀輥的受力均勻，拔稈機作業平穩；同時由于兩個異性刀片入土，可以達到完全抵消軸向力的目的[15]。

根據名義工作幅寬B和截面間距L，初步計算出切削區數mQ、截面數m、總刀數N和實際工作幅寬[16]Bs為

其中，mQ取整數；N滿足4n±2的數列規律(n為自然數)；名義工作幅寬與實際工作幅寬差值ΔB小于10mm。

根據拔稈農藝要求，名義工作幅寬B應大于壟寬并小于壟間距，取700mm≤B≤1 100mm。煙蔸直徑200mm，為防止漏拔同時相鄰截面旋耕刀間不夾蔸造成堵塞，取100mm≤L≤150mm。初選名義工作幅寬B=700mm，截面間距L=100mm。將名義工作幅寬B和截面間距S值帶入式(12)計算，檢查總刀數N是否滿足4n±2的數列規律，若不滿足數列規律，選擇和計算值N接近的兩個數供選擇；然后檢查ΔB是否大于10mm，若ΔB>10mm，以步長為10mm改變截面間距S重新計算，直到滿足要求。

計算得到實際工作幅寬ΔB=700mm，截面間距L=100mm，截面數m=8、總刀數N=14，旋耕刀相繼工作的相位差為θ=25.7°，同一螺旋線上的相鄰旋耕刀的相位差U=51.4°

表2 刀輥旋耕刀最優數列雙螺旋線排列參數

按設計結果將旋耕刀在刀輥上的排列畫成展開圖，以刀輥上其中一條螺旋線的起點為坐標原點。以刀輥上的刀盤數為橫坐標X，其取值為X=1，2，3，…，7，并以拔稈機的前進方向為縱坐標正方向，刀輥上旋耕刀數量縱坐標Y，其取值為Y=0，1，2，3，…，14。根據所取橫縱坐標的值繪制網格，縱坐標的一格代表拔稈機刀輥上順序入土的兩把旋耕刀之間的夾角θ。刀輥上有2條螺旋線，其升角相同，每條螺旋線上排列的旋耕刀的數量相等，其數量與刀輥上刀盤數量相同，同一條螺旋線上安裝同向旋耕刀，而在另一條螺旋線上安裝反向旋耕刀，每一刀盤上各有1把左彎刀和1把右彎刀[6]，刀輥上刀片總數為14。λ為升角，β為螺旋角，旋耕刀總刀數取最佳數列4n±2(n為自然數)。刀輥旋耕刀最優數列雙螺旋線排列如圖7所示。

圖7 刀輥旋耕刀最優數列雙螺旋線排列

5 田間試驗

為檢驗所設計的刀輥結構及其參數是否能滿足拔稈要求，以及拔稈機的工作質量、能耗和機組振動狀況等，對刀輥進行加工，并將所加工刀輥安裝于課題組所研制的山地烤煙拔稈機上進行拔稈試驗。

5.1 試驗條件

試驗場地選為貴州大學教學試驗農場，試驗對象為煙葉收獲完成后遺留的完整煙株。其中，煙草采用單壟種植，壟寬700～750mm，壟間距1 050～1 150mm，壟高200～250mm，煙株距550～600mm；而進行試驗時壟高已降為150～200mm，煙株高800～1 300mm。壟體含水率為18%，平均土壤緊實度為875kPa。由于田間試驗影響因素較多且不易控制，為提高試驗精確性及可比性，選擇試驗條件相近的4壟煙稈進行4組拔稈試驗。對每一組試驗測量煙稈拔凈率、工作幅寬、拔稈深度，并觀察拔稈過程中是否存在纏草、堵塞等問題及拔稈機的振動情況。設定拔稈機前進速度為0.37m/s，刀輥轉速為110r/min進行試驗。

5.2 試驗結果與分析

拔稈機作業效果如圖8所示，其拔稈性能參數平均值測定結果如表3所示。

圖8 拔稈作業效果圖

試驗結果表明:工作幅寬與拔稈深度與設計值接近，拔稈機拔凈率為93.9%，其刀輥的工作幅寬、拔稈深度及其他參數均滿足煙稈拔稈農藝要求，且拔凈率較課題組第一代樣機拔稈效果有明顯提高，還對煙壟起到耕整效果；工作幅寬與拔稈深度穩定系數分別為89.45%和88.98%，表明拔稈機工作性能穩定，機組振動較小及刀輥受力均勻；在作業過程中無纏草，堵塞現象。試驗驗證了所設計的煙草拔稈機刀輥結構、刀輥旋耕刀、旋耕刀排列及所選工作參數能滿足拔稈作業要求，拔稈機工作穩定，刀輥負荷平穩，設計合理。

表3 拔稈機拔稈性能試驗結果

6 結論

1)依據刀輥拔稈原理及拔稈農藝要求，確定了刀輥半徑為R=250mm。通過對刀輥旋耕刀切土軌跡、溝底不平度、切土節距、拔稈深度和旋耕速比的分析，得到旋耕速比對旋耕刀切土軌跡、溝底不平度、切土節距，以及刀輥工作質量和功率消耗的影響，并確定了刀輥較優設計參數組合為：前進速度vm=0.37m/s，切土節距S=100mm，旋耕速比λ=5，刀輥轉速n=70r/min。

2)分析得到了旋耕刀的參數對拔桿機的工作質量與功率消耗的影響，并確定了適合于反轉拔稈的旋耕刀參數為：螺線起點的極徑ρ0=163mm，螺線終點的極徑ρn=240mm，螺線終點的極角θn=31.8°，彎折半徑r=30mm，旋耕刀幅寬b=30mm。

3)提出了旋耕刀在刀輥上的4n±2最優數列雙螺旋線排列法，有效解決了拔稈過程中存在的漏拔、重拔、堵塞、壅土、軸向受力不均勻、振動大，以及能耗高等問題。

4)按所設計的刀輥進行了拔稈田間試驗，結果表明：工作幅寬與拔稈深度滿足要求，拔凈率達到93.9%，拔稈作業質量較好，拔稈機工作穩定，振動較小，無纏草、堵塞現象。

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