機采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機的設(shè)計與有限元分析

賀小偉 劉金秀 李傳峰 李平 王旭峰 弋曉康

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300）

新疆是我國重要的商品棉基地，棉稈資源豐富、產(chǎn)量巨大。2018年，新疆棉花播種面積為2.491 3×106hm2，占全國的74.3%，棉花總產(chǎn)量為5.111×106t[1]，若按皮棉草谷比平均值5.02計算[2]，則新疆棉稈總產(chǎn)量達到2.565 7×107t，棉稈產(chǎn)量占全國的83.84%。棉花秸稈富含木質(zhì)素、纖維素、粗蛋白、氮和磷等，自然適宜性綜合評價高，開發(fā)利用潛力可觀，是一種重要的農(nóng)業(yè)可再生資源，目前在農(nóng)畜業(yè)、工業(yè)和能源領(lǐng)域有著十分廣泛的用途[3]，經(jīng)轉(zhuǎn)化后可用作飼料、肥料、燃料、生物炭、復(fù)合材料、木糖和菌類培養(yǎng)基質(zhì)等[4]。

隨著棉稈高效轉(zhuǎn)化技術(shù)的快速發(fā)展，棉稈的需求量不斷提高，亟需加強棉稈機械化收獲技術(shù)研究。棉稈對行收獲方法具有作業(yè)功耗低、實現(xiàn)整稈收獲等優(yōu)點，符合綠色發(fā)展的需求，國內(nèi)外學(xué)者在棉稈對行收獲技術(shù)研究方面已取得了較大的進展[5-10]。但現(xiàn)有齒盤式、鏈夾式、對輥式、圓盤式對行收獲方法主要適用于種植行距較寬的等行距棉稈收獲，存在拔斷率高、作業(yè)效率低等缺點[5-8]；現(xiàn)有對行鏟切式棉稈收獲機多采用單翼鏟或雙翼鏟對棉稈完成單一的鏟切作業(yè)，生產(chǎn)效率低，且存在鏟切后的棉稈纏膜嚴(yán)重、根茬攜帶泥土多等問題[9-10]?？梢姡F(xiàn)有對行收獲方法并不適用于新疆機采棉密植棉稈的收獲，亟待開發(fā)與密植栽培工藝相配套的對行收獲方法及機構(gòu)。

本文借鑒薯類作物挖掘收獲方法，并結(jié)合機采棉種植農(nóng)藝，設(shè)計了一種機采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機，能夠一次性實現(xiàn)整株棉稈對行鏟切、拔、鋪條等多項作業(yè)，同時具有分離泥土和整理棉稈的功能；針對外部激勵可能引起機架振幅大的問題，進行機架有限元模態(tài)分析，求解自由模態(tài)下機架的模態(tài)頻率和振型，并與外激頻率比較分析，達到避免共振、改善整機動態(tài)性能的目的。該研究對實現(xiàn)棉稈資源化高效利用、促進新疆經(jīng)濟發(fā)展具有積極意義。

1 機采棉種植模式

結(jié)合新疆棉區(qū)自然條件，為適應(yīng)機械化采收，機采棉種植新農(nóng)藝以行距超窄配置為特點，在不降低棉花產(chǎn)量的前提下，廣泛采用試驗成功的（66+10）cm寬窄行密植種植模式[11]，如圖1所示。新疆棉區(qū)目前大面積播種的機采棉棉花品種有新陸中82、新陸中37和新陸中88等，如圖2所示為采棉機作業(yè)后的田間棉稈，該棉稈品種為新陸中82。

圖1 機采棉（66+10）cm密植種植模式行距

圖2 新陸中82密植棉稈田間分布

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

機采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括機架、三點懸掛架、動力傳動系統(tǒng)、棉稈推壓裝置、切土裝置、限深輪、鏟切裝置、鏟切調(diào)節(jié)裝置、撥稈鋪條輥和擋脫板。

圖3 整機結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

如圖4所示，該機具與輪式拖拉機連接在一起構(gòu)成作業(yè)機組，通過機具上的三點懸掛架正懸掛在輪式拖拉機的懸掛機構(gòu)上，懸掛機構(gòu)不僅起傳遞牽引力的作用，還可以通過調(diào)節(jié)其高度達到控制鏟切深度的目的；動力由拖拉機的動力輸出軸通過萬向節(jié)傳遞給機具錐齒輪變速箱的動力輸入軸。

圖4 棉稈對行鏟拔鋪條作業(yè)機組

棉稈推壓裝置、切土裝置、限深輪、鏟切裝置、拔稈鋪條輥、擋脫板按作業(yè)順序依次布置在機架上，每個單元的作業(yè)高度或深度均可調(diào)。如圖5所示，作業(yè)機組前行時，首先由位于前端的棉稈推壓裝置對棉稈進行推壓使其聚攏、伏臥，接著切土裝置在分別距離2行窄行距棉稈根茬40～50 mm處將土切開并向外側(cè)翻動，之后鏟切裝置以一定角度入土鏟切棉茬，并將整株棉稈提升、導(dǎo)流至土壤表層，后置的拔稈鋪條輥與鏟切裝置協(xié)同作業(yè)，及時將整株棉稈沿切線方向拋撥于田間并鋪條，最后擋脫板將滯留在拔稈鋪條輥上的棉稈、殘枝及殘膜脫離掉，使拔稈鋪條輥逆時針旋轉(zhuǎn)重新進入下一次的拔稈作業(yè)。

圖5 工作原理圖

作業(yè)時，棉稈推壓裝置距離地面一定高度作業(yè)，適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)高度可避免棉稈在推壓過程中被折斷，且經(jīng)過棉稈推壓裝置推壓后的棉稈不再蓬松，方便后續(xù)作業(yè)中從鏟切裝置中順利通過。圓盤式切土裝置提前在棉稈根側(cè)進行切土作業(yè)，再通過鏟切調(diào)節(jié)裝置對鏟切深度和入土角度進行調(diào)節(jié)，有利于減小鏟切裝置的鏟切阻力。該機組作業(yè)緊湊有序，一次作業(yè)便可完成多項工序，實現(xiàn)了棉稈的整稈收獲。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

以1膜6行棉花精量播種機的作業(yè)幅寬為參照，該機具的工作幅寬確定為2.16 m；作業(yè)深度依據(jù)棉茬根系生長特性確定為80～150 mm，對該機具的作業(yè)生產(chǎn)率和功耗進行估算，得出主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 棉稈對行鏟拔鋪條機主要技術(shù)參數(shù)

2.3.1 機具作業(yè)生產(chǎn)率

移動式機組的理論生產(chǎn)率[12]：

式中：W-移動式機組的理論生產(chǎn)率，hm2/h

B-機組的構(gòu)造幅寬，m

v-機組的理論速度，km/h

該機具工作幅寬B=2.16 m，機組理論前進速度v=2.5～3.6 km/h，根據(jù)式（1）計算理論生產(chǎn)率W為0.54～0.78 hm2/h。

2.3.2 機具所需功耗估算

該機具所需功耗主要消耗在機組前進、克服鏟切裝置的工作土壤阻力和驅(qū)動拔稈鋪條輪的工作上，參照農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[13]，即：

式中：N—作業(yè)機組所需的總功率，kW

N1—機器滾動消耗的功率，kW

N2—鏟切裝置消耗的功率，kW

N3—傳動消耗的功率，kW

用于克服作業(yè)機組滾動阻力和鏟切裝置工作阻力的功率之和，稱為作業(yè)機組的牽引功率Np,即：

式中：F1—作業(yè)機組滾動阻力，N

F2—鏟切裝置工作阻力，N

V—作業(yè)機組工作速度，m/s

作業(yè)機組滾動阻力按下式估算：

式中：f—作業(yè)機組滾動摩擦系數(shù)

G—作業(yè)機組質(zhì)量，kg

根據(jù)設(shè)計模型分析結(jié)果、類比估算方法以及農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[15]，取f為=0.15，G=567 kg，F(xiàn)2=9 000～11 000 N（類比雙行固定式挖掘鏟的工作阻力F′2=3 430～4 900 N），v=1.0 m/s，N3=0.585·N，代入公式（4）、（3）、（2），估算得Np=9.83～11.83 kW，N=23.69～28.51 kW。

3 主要工作部件設(shè)計與分析

3.1 鏟切裝置

如圖6所示，鏟切裝置包括鏟切掛接架、鏟切框架、鏟切板和導(dǎo)流柵條。鏟切裝置通過鏟切掛接架與機架鏈接，鏟切框架通過螺栓、螺母固結(jié)在鏟切掛接架上，鏟切板鉚接在鏟切框架下端的安裝板上；導(dǎo)流柵條焊接在鏟切板的后端，整體為S狀，靠近鏟切裝置處的形狀為拱形，起提升棉茬作用，后段為凹狀，起篩土作用；相鄰柵條間距為10 mm，導(dǎo)流提升根茬的過程中，細碎的土塊可從柵條間通過，達到分離泥土的目的。鏟切裝置針對（66+10）cm機采棉寬窄行種植模式中2行窄行距棉稈進行鏟切作業(yè)，該機具一共安裝了3個鏟切裝置，實現(xiàn)對1膜6行機采棉寬窄行種植農(nóng)藝的棉稈對行鏟切。

如圖7所示，鏟切框架包括鏟切安裝板和2個鏟切側(cè)板，其相互對稱地固接在鏟切安裝板兩端。2個鏟切側(cè)板的前端開有刃口，鏟切側(cè)板與地面夾角β為45°，鏟切側(cè)板刃口邊線與機組前進方向所成夾角傾角α為50°，使得鏟切側(cè)板以連續(xù)滑切的方式切開兩側(cè)土壤，有效降低側(cè)切阻力，減小側(cè)切過程中鏟切裝置受到的沖擊力。鏟切裝置的核心部件—鏟切板采用仿生原理設(shè)計，鏟切板上均勻布置多個橢圓形凸起，其形狀如螻蛄前胸背板，使得鏟切板在土壤中進行作業(yè)時，如同螻蛄潛行土中，形成隧道且不粘土，良好的脫土性能有利于減小鏟切阻力、提高鏟切效率。每個鏟切板都設(shè)置有2個鏟尖（間距為100 mm），每個鏟尖正對2行窄行距棉稈。

圖6 鏟切裝置

圖7 鏟切框架和鏟切板

3.2 鏟切調(diào)節(jié)裝置

如圖8所示，鏟切調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)拉桿、調(diào)節(jié)螺栓對鏟切裝置的入土角度進行調(diào)節(jié)。鏟切裝置通過掛接臂鏈接到前橫梁的縱向鏈接耳處，鏟切調(diào)節(jié)裝置上的調(diào)節(jié)拉桿一端與掛接稈鏈接，另一端通過寬槽口鏈接耳與機架中橫梁鏈接。鏟切調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)入土角度時，通過改變調(diào)節(jié)螺栓和螺母的螺旋位置使得掛接臂傾斜角度發(fā)生變化，當(dāng)調(diào)整到合適的入土角度后，調(diào)節(jié)拉桿在寬槽口鏈接耳處的鏈接位置確定，將該處鏈接緊固，從而達到調(diào)節(jié)鏟切裝置入土角度的目的。

圖8 鏟切調(diào)節(jié)裝置、鏟切裝置與機架的連接關(guān)系

4 機架的有限元模態(tài)分析

機采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機的機架是承載和支撐鏟切裝置、動力傳動系統(tǒng)、棉稈推壓裝置、拔稈鋪條輥等的關(guān)鍵部件。工作時，若外激振頻率接近機架的某一階固有頻率時，會引發(fā)機架共振；強烈振動易使關(guān)鍵零部件疲勞破壞，影響整機的作業(yè)可靠性，因而對鏟拔鋪條機機架進行有限元模態(tài)分析，驗證機架設(shè)計的合理性。

4.1 模型的建立

該機具機架的三維模型如圖9所示，由等距分布的3根橫梁、2根錐齒輪變速箱縱向支撐梁及2個側(cè)板組成。梁結(jié)構(gòu)均采用方鋼管，側(cè)板厚度為10 mm，機架模型其他相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖9 機架三維模型

表2 機架模型參數(shù)

將機架簡化為剛性連接模型，保存文件為STEP格式，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench18.2中，進行屬性定義和網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為5 mm，網(wǎng)格劃分后共有節(jié)點數(shù)714 896，單元數(shù)299 743，建立的機架有限元模型如圖10所示。

圖10 有限元模型

4.2 模態(tài)分析

在機架前橫梁三點懸掛架連接處施加全約束。一般地，機具工作穩(wěn)定性主要取決低階模態(tài)特性[14-15]，因此在仿真時提取前6階模態(tài)頻率和振型分析，得到前6階的模態(tài)振型云圖（圖11），得到固有頻率和振型變化如表3所示。

表3 機架前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖11 機架前6階模態(tài)和振型

由機架前6階振型云圖分析可知，后橫梁和側(cè)板是機架主要變形部位；因前橫梁和中橫梁中間有2根支撐梁，使得機架前端整體剛度大，而后橫梁無支撐結(jié)構(gòu)且跨度大，剛度小且易變形；兩邊側(cè)板前、后伸出端下延較多，撓度大使其易變形。在后橫梁和中橫梁處添加連接縱梁，增加側(cè)板的厚度可以進一步提高機架的整體剛體。

機采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機在工作過程中受到的外界激勵源主要為：田間路面不平整度、鏟切裝置、拔稈鋪條輥、傳動系統(tǒng)以及拖拉機輸出軸等產(chǎn)生的振動。鏟切裝置在耕作深度穩(wěn)定時激振力較小，而且機采棉棉田平整度較高，田間路面不平整度和鏟切裝置的激振可忽略。拔稈鋪條輥轉(zhuǎn)速為276.9 r/min，最大激振頻率為4.62 Hz，動力匹配的拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速為720 r/min，最大激振頻率為12 Hz，可見拖拉機輸出軸的振動是該機架的主要激勵源，但其激振頻率不在機架固有頻率范圍17.221～60.003 Hz內(nèi)，作業(yè)時不會引起機架共振。

5 結(jié)語

1）針對目前廣泛推行的機采棉種植模式，設(shè)計了一種機采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機，能夠一次性完成棉稈對行鏟切、沿切線方向拋拔、鋪條等多項作業(yè)，同時具有分離泥土和整理棉稈的功能。該機具作業(yè)緊湊有序，每個單元的作業(yè)高度或深度均可調(diào)，實現(xiàn)了棉稈的整稈收獲。

2）該機一次作業(yè)6行，經(jīng)計算得理論生產(chǎn)率為0.54～0.78 hm2/h，作業(yè)總功率為23.69～28.51 kW，作業(yè)效率高、功率消耗低，符合綠色發(fā)展的需求。

3)通過有限元模態(tài)分析得出該機具機架的前6階固有頻率范圍為17.221～60.003 Hz，而外激振動頻率范圍為0～12 Hz，固有頻率與外激振動頻率無重疊，故機架在作業(yè)時不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，驗證了機架設(shè)計的合理性。