對輥式秸稈切碎裝置的設計與試驗

于泳濤，張吉旺，耿愛軍，張智龍，楊啟勇,2，張 姬,2

(1.山東農業大學 a.機械與電子工程學院；b.農學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

對輥切碎裝置由機架、YVP-132M-4變頻電機、帶刀片輥子、帶槽孔輥子、傳動箱、鏈傳動機構，以及變頻器等控制系統組成，如圖1所示。

0 引言

玉米秸稈直接還田具有操作簡單、成本低及綜合效益高等特點，已成為當前秸稈主要的利用方式，玉米秸稈還田機使用的刀具主要有錘爪式和甩刀式，安裝位置分前置和后置兩種。但是，由于還田機為近地面作業，刀片不可避免地接觸土壤，刀刃易磨損變鈍，不能有效切斷秸稈纖維，而是將秸稈撕拉擊打成絲狀，粉碎后呈團絮狀難以與土壤均勻混合。之后研究中，有的將秸稈切碎裝置安裝在割臺下方，常見的有滾刀式、立軸甩刀式和拉莖輥式，前兩者由于采用無支撐切割，往往需要較高的轉速，后者由于兩個拉莖輥上相對應的刀片之間存在間隙，仍無法將秸稈完全切斷，切碎效果都不甚理想[1-8]。為此，設計了一種對輥式秸稈切碎裝置，能夠有效地解決上述問題，更好地發揮玉米秸稈還田對小麥增產的促進作用。

1 整體結構和工作原理

1.1 整體結構

1.機架 2.YVP-132M-4變頻電機 3.帶槽孔輥子 4.帶刀片輥子 5.傳動箱 6.鏈傳動機構 7.變頻器

其核心部件是帶刀片輥子與帶槽孔輥子所組成的對輥，帶刀片輥子上均布安裝6把U型刀片，與帶槽孔輥子上的槽孔一一對應，兩者相互配合，切碎玉米秸稈，如圖2所示。

1.2 工作原理

玉米收獲時，秸稈被喂入一對相向轉動的帶刀片輥子與帶槽孔輥子中，玉米秸稈被夾持住并向下拉動，兩輥子配合一邊拉莖一邊切斷秸稈。由圖3 (a)可以看出：在對輥相向轉動過程中，U型刀片轉動到一定位置，刀刃恰好可以伸入帶槽孔輥子上的槽孔中，類似于人工鍘草刀的工作原理，在槽孔寬度適當的情況下，秸稈能夠完全被切斷。圖3(b)所示位置，U型刀片的刀刃還未將下方的秸稈切斷時，后端的凸棱已經與上方的秸稈接觸，與帶槽孔的輥子配合將秸稈夾持住，能夠繼續拉莖喂入，保證了秸稈能夠被連續切斷。

1.帶槽孔輥子 2.槽孔 3.帶刀片輥子 4.U型刀片 5.刀片固定螺栓 6.導錐

(a) (b)

2 關鍵部件的設計

秸稈切碎裝置設計考慮的關鍵因素有：刀片結構、刀片間隙、刀片數、刀片旋轉半徑及轉速等。為保證連續拉莖和良好的切碎效果，需要對帶刀片拉莖輥的結構進行改進優化[9-20]。為此，設計了安裝在圓輥上的U型刀片，U型刀片兩端分別為用于切碎秸稈的直線刀刃和用于拉莖的未開刃刀棱。根據設計要求，對切碎過程的運動與受力進行了理論分析，以獲得較理想的設計參數。

2.1 刀片輥子的設計

2.1.1 刀輥的結構

切碎刀輥每轉一圈秸稈被切成N段，秸稈理論切段長度為

(1)

式中R—拉莖刀刀刃旋轉半徑(mm)；

N—拉莖刀數；

α—玉米秸稈與拉莖輥軸線之間的夾角(°)。

當玉米秸稈與切碎刀輥軸線垂直(α=90°)時，理論切段長度最短[21-22]。通過添加扶禾裝置以及調整刀輥軸線與水平面傾角，保證切碎時盡可能接近理論最短切段長度，滿足秸稈還田作業標準(≤100mm)。將切段設計標準定為50mm，則刀輥半徑為47.5mm，刀片數為6把。

2.1.2 拉莖刀刃長度

作業時，玉米秸稈相對于切碎裝置的運動如圖4所示。其運動為機具前進方向相反的運動與拉莖切碎刀向下拉莖運動的合成。

圖4 運動分析

拉莖刀片長度應當保證秸稈完全被切斷。因此，沿機具運動方向有

Lcosβ=v0t

(2)

垂直于對輥軸線運動方向有

H=vtt

(3)

可求得拉莖刀片長度L為

(4)

式中H—切割秸稈高度(mm)；

R—刀刃旋轉半徑(mm)；

n—對輥轉速(r/min)；

β—刀輥軸線與地平面的夾角(°)；

v0—玉米收獲機作業速度(km/h)。

取H=700mm，R=47.5mm，β=20°，v=4.5km/h，可得刀片的長度約為312mm，為保證秸稈能夠被充分切割，取刀片長度為350mm。

2.1.3 刀片的厚度

刀片切入秸稈時的臨界受力如圖5所示。其中，γ為切割后角，θ為刀刃傾角，β為切割前角，三者滿足γ+θ+β=90°。

刀片切斷秸稈時，受到秸稈的物理機械特性、切入速度等因素的影響。為了便于分析，假定刀片各點受力是均勻的，秸稈對刀刃的作用力均布在刀刃線上，則刀刃切入秸稈受到秸稈的反作用力為

Pc=Δlσc

(5)

刀面受到秸稈的反作用力N為

N=Nvsinβ+Ndcosβ

(6)

刀片切入秸稈所需徑向力必須滿足

Pd≥F2=μN=μ(Nvsinβ+Ndcosβ)

(7)

刀片切入秸稈所需切向力必須滿足

P≥(Pc+N)cosβ+F1sinθ

(8)

式中l—刀刃長度(mm)；

Δ—刀片厚度(mm)；

μ—秸稈與刀面的摩擦因數;

σc—秸稈臨界壓應力(N/mm2)；

Nv—秸稈對刀面壓縮的軸向反作用力(N)；

Nd—秸稈對刀刃壓縮的徑向反作用力(N)。

通過玉米秸稈壓縮試驗可知：秸稈的臨界壓應力約為4.32N/mm2，刀片厚度Δ取5mm，刀刃線上單位長度所受應力為20.29N/mm2。

圖5 刀片切入秸稈瞬間受力分析

設計刀輥半徑為47.5mm，刀片數為6把，刀刃長度為350mm，刀刃角度為25°，刀片厚度為5mm，刀棱高度為11mm，U型刀片結構如圖6所示。

(a) (b)

為了驗證刀片的可靠性，通過Pro/E建立U型刀片的三維模型，在其自帶的Mechanica(M)Structural模塊下，進行靜力分析，試驗結果如圖7所示。

由圖7U型刀片受力分析結果圖可知：在刀刃、刀尖折彎處以及刀片固定處應力較大，刀刃處最大應力6.17×10-2MPa，小于最大許用應力，刀片的設計滿足切碎性能強度要求。刀片的最大應變為3.477×10-7mm，最大位移為9.65×10-6mm，刀片變形量最大的地方為兩個螺栓孔之間的刀刃處，因此應當合理選擇螺栓孔個數及間距以保證變形量最小。

(a)應力云圖 (b)應變云圖 (c)位移云圖

2.2 帶槽孔輥子的設計

帶槽孔輥子采用有支撐切割原理，為避免秸稈切碎過程中產生的碎屑和其他雜物堵塞槽孔，帶槽孔輥子采用中空結構，使碎屑能夠落入中間，旋轉過程中能從其他槽孔排出，結構如圖8所示。

圖8 帶槽孔輥子

由于在對輥切碎過程中刀刃需要伸入到槽孔中(見圖9)，設計的槽孔寬度應避免在對輥轉動過程中與刀片發生干涉。取刀尖與槽孔壁之間的最小距離d為2.5mm，則槽孔最小寬度設計為10mm。

圖9 刀尖與槽孔壁之間的距離

按照轉動方向，測量對輥開始配合切割秸稈，刀片刀刃伸入槽孔內時，對輥每轉過1°，刀尖與槽孔壁之間的距離。使用EXCEL對不同位置刀尖與槽孔壁之間的距離進行統計整理，如圖10所示。轉動過程中，刀刃距上表面的距離先減小后增大，最小距離為4.913mm(相對轉過23°時)；刀刃距下表面的距離一直減小，最小距離為2.692mm>2.5mm，符合設計要求。

3 試驗與結果分析

3.1 對輥切碎試驗條件

于2016年9月在山東農業大學試驗基地進行了試驗，如圖11所示。試驗中的玉米選用山東省主要種植品種之一，鄭單958。試驗之前，采用恒溫干燥箱(上海第二五金廠，202-2型)進行秸稈樣品的含水率檢測，測得玉米秸稈的平均含水率為 77.13%。

圖10 刀尖與槽孔壁之間的距離分析

圖11 對輥切碎試驗臺

選用自地表以上700mm長的玉米秸稈為試驗材料，以切碎長度合格率為試驗指標。試驗后撿拾所有秸稈稱重，從中挑出切碎長度不合格(切碎長度>50 mm)的秸稈稱其質量，按式(9)計算切碎長度合格率，即

(9)

式中Qh—秸稈切碎長度合格率(%)；

mhz—試驗秸稈總質量(g)；

mhb—切碎長度不合格的秸稈質量(g)。

3.2 試驗目的及方案

為了得到研究的對輥切碎裝置最佳運動參數配合，考察了切碎輥轉速、槽孔寬度兩個主要參數對切碎合格率的影響，確定最優的生產條件，即獲得各運動參數的最佳配合，為整個割臺的設計提供依據。試驗因素水平如表1所示。按表1中的因素水平AiBj(i、j=1,2,3)進行9組試驗，每次取10株玉米秸稈進行試驗，每組處理重復試驗6次，取平均值作為指標估計值。

表1 試驗因素水平

3.3 試驗結果與分析

依照正交試驗設計方法進行了試驗，試驗結果如圖12所示，完成試驗結果的統計如表2 所示。對試驗結果進行了極差直觀圖分析及方差分析，確定了各因素的最優組合以及各因素對切碎合格率的影響顯著性。

圖12 試驗結果

表2 對輥切碎試驗結果

1)極差趨勢圖直觀分析。將試驗指標隨著各因素水平變化情況繪制成折線圖，各試驗指標隨因素水平的變化趨勢圖如圖13所示。

(a) 切碎輥轉速對切碎合格率的影響

(b) 槽孔寬度對切碎合格率的影響

由圖13(a)、(b)可以看出：切碎長度合格率隨著切碎輥轉速增加呈現先增大后減小的趨勢，在切碎輥轉速為600r/min 時最高；隨著槽孔寬度的增加呈現減小的趨勢，槽孔寬度在10mm時達到最高。根據極差綜合分析可知：對切碎長度合格率來說最優水平組合是A2B1,即切碎輥轉速為600r/min和槽孔寬度為10mm時切碎長度合格率達到最優。

2)方差分析。方差分析計算結果如表3所示。通過MatLab繪制方差分析直觀圖，便于更直觀的進行分析。

通過方差分析表3以及圖14可以看出：因素A(切碎輥轉速)對指標值(切碎長度合格率)的影響不顯著但有影響，切碎輥轉速適當提高可提高單位時間內的切碎量；但從能耗角度考慮，轉速也不宜太高，轉速為600r/min左右時即可達到理想的切碎效果。因素B(槽孔寬度)對指標值(切碎長度合格率)的影響高度顯著，通過因素B在不同水平下的指標平均值可以看出，槽孔寬度越大，切碎長度合格率越低。因此，在機械設備、加工精度等能夠滿足的條件下，應盡可能地減小槽孔寬度。此外，因素A和B的交互作用對指標值的影響較弱，可忽略各因素之間的交互作用。

表3 方差分析表

圖14 方差分析直觀圖

玉米秸稈能夠被切碎成50mm的小段，遠小于秸稈粉碎還田機作業標準的100mm，秸稈切碎長度合格率為86.80%，高于秸稈粉碎還田機作業標準的85%；玉米秸稈纖維能夠被完全切斷，避免長的纖維聚集成團，影響后續小麥的播種、出苗及越冬。

4 結論

1)研制的對輥式秸稈切碎裝置能夠對秸稈實現離地粉碎，并且能夠有效切斷秸稈纖維，結構簡單，實用性強。

2)進行了對輥切碎試驗，結果表明：當對輥轉速為600r/min、槽孔寬度為10mm時，效果最好，玉米秸稈能夠被切碎成50mm的小段，秸稈切碎長度合格率為86.80%，滿足農業行業標準《秸稈粉碎還田機 作業質量》(NY/T 500-2015)中的標準。

3)試驗結果分析表明：對輥轉速在600～800r/min范圍內對切碎效果的影響不顯著，在滿足性能要求的前提下可降低轉速，減少功耗。槽孔寬度對切碎長度合格率的影響高度顯著，槽孔寬度越小，切碎長度合格率越高。