密植棗園枝條粉碎還田機設計與試驗

張 杰，丁龍朋，李景彬,3，陳紹杰，坎 雜,3

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.石河子銳益達機械裝備有限公司，新疆 石河子 832000；3.新疆生產建設兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國是世界四大林果業生產基地之一，也是林果業生產大國[1]。據《中國統計年鑒2015》統計，截至2014年底，我國林果種植面積已逐年增長到13 127 270hm2[2]。新疆是林果業大省，其林果種植面積已達到950 619hm2，其中密植紅棗種植面積483 628hm2 [3]，占全疆總林果種植面積的50.9%。

兵團“十三五”規劃指出：要提升完善標準園建設，重點是紅棗和葡萄提質增效改造工程16萬hm2。在改善機械作業的同時，舊果園的更替勢必會產生大量殘枝。據調研，剪枝季節每100棵棗樹將產250～350kg殘枝。目前，果農針對剪后枝條的處理方式主要為攏堆焚燒或者堆放在田間、路邊[4]，不但影響生態環境，同時存在諸多安全隱患。而國內外現有粉碎機主要針對玉米秸稈類作物，紅棗枝條較該類作物硬度更大，對刀具要求更高；同時，考慮到棗枝多刺且修剪后的棗枝貼附于地表，人工喂入式勞動強度大且易對人體造成傷害，因此現有粉碎機對新疆密植棗園枝條的粉碎并不適用。

針對這一問題，設計了枝條粉碎還田機，可實現枝條的撿拾與粉碎。其中，撿拾部分采用上下撿拾輥與叉板相結合，提高枝條的撿凈率；粉碎裝置通過動定刀、篩板相互作用，增強粉碎功能，使果園枝條能夠滿足還田的技術要求。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

枝條粉碎還田機主要由撿拾裝置、粉碎裝置和傳動裝置組成，如圖1所示，主要參數如表1所示。

1.機架 2.叉板 3.棘爪 4.下撿拾輥 5.上撿拾輥 6.前擋板 7.傳動機構 8.后擋板 9.定刀 10.甩刀 11.刀軸 12.篩板 13.地輪

項目單位設計參數或形式結構形式牽引式配套發動機額定功率kW33.1配套發動機額定轉速r/min2250外形尺寸mm1300×1140×760作業幅寬mm1300生產率m3/h2.0～3.0粉碎物料長度mm<1300粉碎物料直徑mm<25下撿拾刀最小離地間隙mm20理論作業速度km/h1～3整機質量kg430碎料長度cm<6

其中，撿拾裝置包括叉板 、棘爪 和上下撿拾輥等部件，粉碎機構由刀軸、動定刀和篩板等部件組成。

1.2 工作原理

工作時，該機行走在棗樹行之間，底部叉板將地表枝條攏起；再由上下撿拾輥對叉板上的棗枝進行撿拾并向后拋送；在粉碎軸高速旋轉的負壓下將枝條吸入粉碎室，枝條在甩刀與定刀共同作用下被切斷，而后通過甩刀與枝條、枝條與枝條、枝條與篩片間的相互沖擊、揉搓進行粉碎；當粉碎粒度小于篩孔大小時，通過自重實現還田。

2 主要工作部件設計與分析

2.1 撿拾裝置

撿拾輥結構由叉板、下撿拾輥、棘爪、上撿拾輥和前擋板構成，如圖2所示。

1.叉板 2.下撿拾輥 3.棘爪 4.上撿拾輥 5.前擋板

作業時，底部叉板與上下撿拾輥相互作用，上撿拾輥前設有前擋板，可有效防止上撿拾輥棘爪夾帶枝條前拋，提高了撿凈率與粉碎效率；撿拾裝置上撿拾輥棘爪8把，下撿拾輥棘爪17把，棘爪焊接在刀輥上且對稱反螺旋排列。撿拾過程示意圖如圖3所示。

1.叉板 2.下撿拾輥 3.棘爪 4.上撿拾輥 5.前擋板

撿拾過程中，整機隨地輪仿形，叉板入地約10mm，棘爪刀端的絕對運動由拖拉機牽引速度Ve和回轉運動速度Vr兩種速度合成。t時刻刀片運動軌跡如圖4所示。

圖4 刀片運動軌跡

選取機組前進方向為x軸正方向，以垂直向上為y軸正方向。t時刻刀尖P點(x，y)坐標可表示為

(1)

式中r—撿拾棘爪回轉半徑(mm)；

ωt—撿拾棘爪轉角(rad)；

Ve—拖拉機前進速度(km/h)。

(2)

由方程可知：運動軌跡為擺線，該擺線隨λ的取值范圍而改變，如圖5所示。只有λ>1時，刀片才能滿足向后拋送枝條的條件，且能對枝條進行多次撿拾，但只是軌跡最大弦長以下部分才能滿足；當機組前進速度Ve為0(即λ無窮大)時，刀片端點的絕對運動軌跡為圓，此時弦長最大，為2R。拖拉機前進速度多為1.5～2km/h，回轉運動速度為60～100r/min，此時λ的取值范圍是40～67。經分析可知：λ為67時，即Vr=100r/min、Ve=1.5km/h時，擺線重疊范圍最大，撿拾效果最好。

圖5 刀片軌跡示意圖

2.2 粉碎裝置

本機的粉碎裝置由篩片、甩刀及定刀等部分組成，如圖6所示。甩刀采用改進的直角L型甩刀，該刀介于L型與錘爪型刀之間，集合了這兩種刀的優點[5]。此設計中，在刀軸前設置了擋板，可防止枝條在離心力下前拋，同時增大殼體強度，防止因剪切力過大導致的變形。

1. 篩板 2.甩刀 3.后擋板 4.刀軸 5.定刀圖6 粉碎裝置

粉碎過程中，甩刀高速旋轉，在離心力作用下甩刀近似處于徑向位置，甩刀受力情況如圖7所示。粉碎時，甩刀端部受到切割阻力，甩刀部分動能克服切割阻力產生偏角α，忽略甩刀與刀座間銷軸連接處的摩擦力，甩刀相對于O點產生重力、離心力及切割阻力。設定銷軸到甩刀端部長度為L，可得甩刀相對于O點的力矩平衡方程為

切削阻力力矩=重力力矩+離心力力矩

F2Lcosα=mgL0sina+mω2R1L0sina

其中，F2為切割阻力；ω為刀軸角速度。

整理可得

(3)

1)增大甩刀質量，偏角α減小，有利于粉碎，因此甩刀質量不宜過小，故選擇甩刀厚度10mm。甩刀質量增大，對刀軸尺寸也有影響，為防止刀軸變形，參考國內目前粉碎還田機的甩刀回轉半徑大多在80～140mm范圍內，選定刀軸的回轉外徑R=120mm、內徑r=100mm。

2)增大刀軸角速度也有利于粉碎，但動力消耗相應增大，對刀軸動平衡要求較高，因此必須選擇合適的刀軸角速度(即刀軸轉速)。

圖7 甩刀受力分析圖

通過對棗枝進行力學特性分析可知：紅棗枝條隨直徑和含水率的變化曲線增長，當直徑為15mm、含水率為35%時，其枝條的剪切強度達到最大45.07MPa。此強度下，為滿足枝條的無支撐切割粉碎，應使甩刀切割線速度Vr≥48m/s[6]。又因本設計針對密植棗園，對整機尺寸有限制，故取甩刀回轉半徑R=230mm。取機組前進速度2m/s，絕對線速度Va=46m/s，則

(4)

由式(4)可得出：粉碎軸最低轉速n≥1 992r/min。

2.3 粉碎刀軸模態分析

通過式(4)中最低轉速的確定，再此對刀軸進行模態分析，避免作業時粉碎軸發生共振現象[7]，同時驗證設計中甩刀回轉半徑的選取是否合理。采用SolidWorks 2014對粉碎軸進行三維建模，導入ANSYS Workbench 15.0軟件進行模態分析。分析粉碎軸時無需加載載荷，只需施加固定約束，對粉碎軸進行頻率分析算例和網格化分，可得模態分析結果[8-10]，如圖8所示。

圖8 粉碎軸前4階模態分析圖

通過模態分析，粉碎軸的第1階頻率為139.68Hz，而作業時粉碎軸轉速范圍是2 000～3 000r/min，粉碎軸的最大運行轉速是3 000r/min(50Hz)，自然頻率遠大于激勵頻率，不可能發生共振，故粉碎機轉速可選區域為2 000～3 000r/min。

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法

牽引式枝條粉碎還田機樣機由石河子銳益達公司制作，樣機配套拖拉機(JD 454輪式拖拉機)發動機功率為33.1kW。該樣機于2017年5月在新疆石河子五工村田間進行試驗，試驗樣本于2017年取自新疆第一師十一團棗園春剪階段，如圖9所示。由于品種的修剪工藝不同，樣本中若羌灰棗棗枝為輕剪，8～10kg/40m；若羌駿棗棗枝為重剪，25～30kg/40m。

圖9 樣機田間試驗

為模擬南疆密植棗園田間條件，試驗前將紅棗枝條平鋪在長40m、寬1.3m的地面上，根據新疆土壤條件和粉碎還田標準，對粉碎機現場作業性能進行測試，同時采用五因素二水平二次回歸正交旋轉中心組合優化試驗方法[11-13]。通過預實驗確定刀軸轉速A、刀片數量B、篩孔大小C(粗集料規格，圓孔篩)、枝條含水率D和撿拾轉速E為試驗因素(見表2)，以粉碎粒度y1、撿凈率y2為試驗指標進行試驗，共實施50組。其中，含水率的取值通過干燥箱進行控制，當含水率達到所需要求時取出，放入溫度為5℃的冰箱勻濕24h。

表2 因素水平表

Table 2 Experimental values and coded level

編碼刀軸轉速A/r·min-1刀片數量B篩孔大小C/mm含水率D/%撿拾轉速E/r·min-1-2.37816556.491.25150-1200012161560022501635(31.5)2590125002060(63)351202.37828452610050130

3.2 試驗結果與分析

利用 Design-Expert對試驗結果進行統計分析，同時進行回歸方程模型檢驗，剔除不顯著項后，可得到擬合良好、簡化后的回歸數學模型為

y1=86.69+4.43A+5.99B-2.28C-2.29D2

y2=91+17.34E-13.25E2

(3)

回歸方程偏回歸系數顯著性檢驗結果表明：各因素對粉碎粒度影響的主次關系為刀軸轉速、主刀片數量和篩孔大小；撿凈率y2只受撿拾轉速影響；含水率對其影響均不十分顯著。

3.3 粉碎粒度與各影響因素分析

各試驗因素與粉碎粒度之間的關系曲面如圖10所示。由圖10(a)可知：隨著刀軸轉速的增加，粉碎粒度逐漸升高。這表明，刀軸轉速增加，對枝條的打擊頻率和沖擊力均提高，增加了枝條粉碎粒度。當刀軸轉速固定在某一水平時，隨著刀片位置數量的不斷增加，粉碎粒度小幅度升高。這是因為刀片數量增加使枝條受到擊打的區域面積增大，粉碎刀軸整體性能提高，粉碎粒度增強。

由圖10(b)可知：隨著刀片數量的增加，粉碎粒度增大，當刀片數量保持在某一水平時，粉碎粒度隨篩孔大小曲線變化。其原因是：篩孔過小時，功耗增大，粉碎速度與物料還田速度不能較好匹配，易造成枝條堵塞在篩片中，使粉碎粒度下降；篩孔過大時，枝條未達到還田標準就從篩孔排出，粉碎率度降低。

由圖10(c)可知：隨著刀軸轉速的增加，粉碎粒度升高，當刀軸轉速保持在某一水平時，粉碎粒度隨篩孔大小曲線變化。

3.4 粉碎裝置優化參數

為得到最佳的試驗因素水平，對試驗因素進行優化[14-15]。建立參數優化數學模型，結合試驗因素的邊界條件，對得出的粉碎粒度和撿凈率的回歸數學模型進行分析，得到非線性規劃的數學模型為

maxy1或maxy2

根據已建立的粉碎粒度y1和撿凈率y2數學模型，利用MatLab軟件對其進行優化，通過優化求解得到最佳參數組合為：粉碎軸轉速2 250r/min，刀片布置數量16把，篩孔大小35mm，撿拾輥轉速90r/min，含水率25%，此條件下的粉碎粒度89.3%，撿凈率92%。

4 結論

1)基于新疆密植棗園果樹修剪量大、處理困難及配套裝備短缺等問題，設計了密植棗園枝條粉碎還田機，主要由傳動裝置、撿拾裝置和粉碎裝置等組成。對主要工作部件進行了結構與參數設計，通過力學分析確定了裝置的可行性，能夠較好地實現撿拾粉碎還田功能。

2)試驗樣機優化試驗結果表明：當粉碎還田機以2 km/h進行作業、撿拾軸轉速120r/min及枝條含水率25%(左右±3%)時，可獲得最佳撿凈率；粉碎刀軸轉速2 250r/min、粉碎刀16把、篩孔大小35mm及含水率25%(左右±3%)的情況下，可獲得最佳粉碎效果；平均粉碎效率若羌灰棗棗枝(輕剪)為 600kg/h，若羌駿棗棗枝(重剪)為1 500kg/h，平均枝條撿拾率為 92%，粉碎粒度(小于5cm)達89.3%。