4JSM-2000B型殘膜回收機(jī)棉稈粉碎裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙 巖,嚴(yán)昌榮,田辛亮,劉 勤

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)膜污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

0 引言

地膜覆蓋種植技術(shù)具有顯著的增溫保墑增產(chǎn)的作用,在新疆乃至全國(guó)得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。隨著農(nóng)田殘膜含量增加,越來(lái)越多的殘膜在田間滯留,污染加劇,殘膜回收問題受到高度重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),新疆地區(qū)棉田鋪膜率已達(dá)100%,新地膜使用量每年在10萬(wàn)t以上[5-7],棉田是殘膜污染治理的重點(diǎn)區(qū)域。覆膜種植技術(shù)在國(guó)外已有300年多的應(yīng)用歷史,西方國(guó)家均采用厚地膜,利用卷膜機(jī)具完成收膜作業(yè),回收率高[8-9]。

新疆棉田地區(qū)在棉花機(jī)采收后,先對(duì)棉田進(jìn)行摟膜處理,再對(duì)棉稈進(jìn)行粉碎還田。由于摟膜處理殘膜回收率低,殘膜污染問題日益突出,近年來(lái)也研發(fā)出部分殘膜回收機(jī)具,如新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制的4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收機(jī)聯(lián)合作業(yè)機(jī)。由于該機(jī)型棉稈粉碎裝置采用螺旋雙側(cè)輸出,有一側(cè)秸稈鋪放在未作業(yè)的地膜上,造成回收的殘膜中含雜率過高,未有效推廣;再如新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的4JSM-2100秸稈粉碎還田殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī),將粉碎后的棉稈拋送至膜箱后側(cè),粉塵較大,未得到有效推廣。

為解決殘膜回收過程中含雜率高的問題,設(shè)計(jì)了一種新型的棉稈粉碎裝置。該機(jī)重點(diǎn)研究以下幾個(gè)方面：將側(cè)拋式棉稈粉碎還田裝置與摟膜機(jī)構(gòu)結(jié)合,機(jī)具一次作業(yè)可以完成棉稈粉碎及殘膜回收兩道工序;為保證良好的粉碎效果,棉稈粉碎裝置動(dòng)刀采用交錯(cuò)平衡排列;粉碎后的棉稈采用螺旋單側(cè)輸出,利于膜稈分離。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由棉稈粉碎裝置、螺旋輸送機(jī)構(gòu)及機(jī)架等部分組成,如圖1所示。

1.棉稈粉碎裝置 2.攪龍軸 3.螺旋葉片 4.地輪 5.卸膜機(jī)構(gòu) 6.彈齒 7.浮動(dòng)摟膜機(jī)構(gòu) 8.后擋板 9.前擋板 10.三點(diǎn)懸掛裝置圖1 棉稈粉碎與摟膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)Fig.1 Cotton stalk comminution and film encircling machine

其中,棉稈粉碎裝置主要包括刀軸、刀片、地輪和前后擋板等組成;螺旋輸送機(jī)構(gòu)包括螺旋葉片、攪龍軸和攪龍軸固定板等組成。

1.2 工作原理

機(jī)具通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)后輸出軸連接,拖拉機(jī)后輸出軸將動(dòng)力傳遞給齒箱,齒箱將動(dòng)力由三角帶傳遞給刀輥,帶動(dòng)刀輥高速旋轉(zhuǎn)。刀片隨著刀輥?zhàn)龈咚龠\(yùn)動(dòng),棉稈在高速刀片作用下被粉碎,粉碎后的棉稈在離心力作用下后拋至螺旋輸送機(jī)構(gòu);刀輥高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)通過三角帶將動(dòng)力傳遞給攪龍軸,攪龍做單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將粉碎后的棉稈輸送至棉田一側(cè),降低殘膜回收率。

1.3 機(jī)具主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)新疆棉花主要種植模式,本文機(jī)具主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)具主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main Technical Indexes of machinery and equipment

2 關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)

2.1 棉稈粉碎部件設(shè)計(jì)

棉稈粉碎裝置主要由刀片、刀輥及地輪等部分組成。其中,刀片是進(jìn)行棉稈粉碎的主要部件。刀片一般有3種類型[10-11]：一種是直刀型,此種類型刀片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便,主要以砍切為主;第二三種是L型或Y型刀片。與直刀型刀片相比,此類型刀片強(qiáng)度高、耐磨損,由高強(qiáng)度的錳鋼板加工制成,用來(lái)粉碎秸稈效果較好,為保證良好的棉稈粉碎效果,本文機(jī)具采用Y型刀片。

刀片在刀輥上的排列對(duì)機(jī)具的平衡有著重要影響。刀片排列方式合理,高速旋轉(zhuǎn)的刀輥會(huì)快速回到平衡位置。動(dòng)刀在刀輥上的排列方式有交錯(cuò)平衡排列、螺旋線排列及對(duì)稱排列3種[12]。為保證機(jī)具的平衡性,降低振動(dòng)對(duì)機(jī)具的損壞,延長(zhǎng)機(jī)具使用壽命,使得棉稈粉碎后有一個(gè)較高的拋送高度,減小棉稈粉碎時(shí)的切割阻力,刀片排列方式為交錯(cuò)平衡排列,如圖2所示。

1.軸頭 2.刀座 3.刀輥圖2 刀輥裝配體Fig.2 Tool roller assembly

2.2 刀片受力分析及線速度的確定

棉稈粉碎裝置作業(yè)時(shí),刀片在刀軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn),棉稈被高速旋轉(zhuǎn)的刀片擊打粉碎,在離心力作用下拋送至螺旋輸送機(jī)構(gòu)。刀片的受力分析如圖3所示。

圖3 刀片受力分析圖Fig.3 Force analysis diagram of blade

由圖3可知,刀片滿足的力學(xué)平衡方程為

L4=L3cosθ

(1)

(2)

G=mg

(3)

FL3cosθ=GL2sinθ+mω2L0L2sinθ

(4)

聯(lián)立式(1)～式(4)得

(5)

其中,L0為刀軸中心到刀片中心的距離(mm),L1為刀軸的半徑(mm),L2為固定孔到刀片中心的距離(mm),L3為固定孔到刀片末端的距離(mm),L4為固定孔到刀片端點(diǎn)的距離(mm),θ為刀片作業(yè)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角(°),ω為刀軸轉(zhuǎn)速(rad),F為刀片作業(yè)時(shí)的阻力(N),m為刀片質(zhì)量(kg)。

本機(jī)具主要應(yīng)用于棉稈粉碎,棉稈相比于小麥、玉米等作物的秸稈,具有硬度大等特點(diǎn)。因此,如刀片的線轉(zhuǎn)速過低,棉稈粉碎不徹底,達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。由平行四邊形定則可知,刀片末端的絕對(duì)速度為

(6)

其中,V為刀片末端絕對(duì)速度(m/s),Vx為刀片末端水平方向的分速度(m/s),Vy為刀片末端豎直方向的分速度(m/s)。

通常情況下,對(duì)一定剛度的棉稈進(jìn)行無(wú)支撐切割的過程中,最小速度為48 m/s[13-14]。為保證良好的棉稈粉碎質(zhì)量,刀片末端絕對(duì)速度選取50～56 m/s。

2.3 刀輥旋轉(zhuǎn)半徑的確定

不同的植物秸稈性質(zhì)也是不同的,刀輥的旋轉(zhuǎn)半徑R需要根據(jù)植物種類確定。本文設(shè)計(jì)的粉碎裝置主要用途是對(duì)秋后棉稈進(jìn)行粉碎,秋后棉稈含水量大,故刀輥的旋轉(zhuǎn)半徑不宜過小。旋轉(zhuǎn)半徑過大,棉稈粉碎效果好,但機(jī)具的穩(wěn)定性變差,消耗功率增大。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)分析,本文選取刀輥旋轉(zhuǎn)半徑R為262 mm。

2.4 刀輥轉(zhuǎn)速的確定

刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)棉稈的粉碎效果至關(guān)重要：刀輥轉(zhuǎn)速過低,棉稈粉碎效果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn);刀輥轉(zhuǎn)速過高,棉稈粉碎效果好,但機(jī)具的噪音及振動(dòng)也隨之增大,嚴(yán)重影響機(jī)具工作效率及使用壽命。

刀輥轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

(7)

其中,n為刀輥轉(zhuǎn)速(r/min),R為刀輥旋轉(zhuǎn)半徑(mm),v為刀片末端絕對(duì)速度(m/s)。將R=246mm,刀片末端絕對(duì)速度v=(50～58)m/s代入式(7)得：n=(1942～2252)r/min。

2.5 螺旋輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋輸送機(jī)構(gòu)是將粉碎后的棉稈輸送至地面的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)的棉稈粉碎機(jī)構(gòu)主要是在棉稈粉碎后,通過動(dòng)刀片對(duì)棉稈的離心作用將棉稈拋送至地面,不利于殘膜回收,回收后的地膜含雜率高;另一種棉稈粉碎機(jī)構(gòu)是將粉碎后的棉稈通過螺旋輸送攪龍輸送至地膜兩側(cè)的小溝壑中,此種棉稈輸送在殘膜回收過程中膜面含雜率低,但膜邊含雜率高。本機(jī)具一次作業(yè)需完成棉稈粉碎與摟膜兩道工序,棉稈粉碎合格率與殘膜回收率越高越好,故采用螺旋單側(cè)輸出攪龍。此攪龍將粉碎后的棉稈全部輸?shù)阶髠?cè),有效降低了回收殘膜中的含雜率,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.螺旋葉片 2.攪龍軸圖4 攪龍示意圖Fig.4 Stirring dragon diagram

螺旋攪龍?jiān)O(shè)計(jì)參數(shù)較多,主要針對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過田間作業(yè)分析及理論計(jì)算,選定螺旋攪龍的外徑D=360mm。

軸徑的計(jì)算公式為

d0=(0.2～0.35)D

(8)

螺距的計(jì)算公式為

s=(0.5～2.2)D

(9)

將D=360mm分別代入式(8)、式(9),經(jīng)計(jì)算,軸徑d0的取值范圍為72～126mm。為保證軸徑的強(qiáng)度,避免螺旋攪龍發(fā)生棉稈堵塞現(xiàn)象,取軸徑d0為110mm;螺距s的取值范圍為180～792mm,為快速將粉碎后的棉稈輸送至地表,取螺距s為400mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藱z驗(yàn)殘膜回收機(jī)棉稈粉碎裝置的性能是否穩(wěn)定,以及刀輥轉(zhuǎn)速、刀片離地距離、機(jī)具作業(yè)速度對(duì)棉稈粉碎合格率存在影響[15]。通過試驗(yàn)分析,確定3個(gè)因素的最佳參數(shù)組合,提高棉稈粉碎合格率。

3.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間為2017年9月,地點(diǎn)在五家渠芳草湖農(nóng)場(chǎng)三分場(chǎng)四連,試驗(yàn)地塊東西長(zhǎng)1000 m,試驗(yàn)面積為4.5hm2。試驗(yàn)地種植作物為棉花,棉花種植模式為：寬行行距為66cm,窄行行距為10cm。試驗(yàn)時(shí),棉花已機(jī)采完,棉田地面相對(duì)平整,地面有少量碎石,棉稈上有少量棉花殘留,棉稈含水率為19.85% 。試驗(yàn)時(shí),機(jī)具動(dòng)力由約翰迪爾1204型拖拉機(jī)提供,作業(yè)速度為5～6km/h。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)指標(biāo)為4JSM-2000B型殘膜回收機(jī)棉稈粉碎裝置對(duì)棉稈粉碎后的合格率,棉稈粉碎后長(zhǎng)度小于等于150mm視為合格。試驗(yàn)原理為三因素三水平正交試驗(yàn),因素設(shè)置依次為：刀片離地高度T1、刀輥轉(zhuǎn)速T2、機(jī)具作業(yè)速度T3。

刀片離地高度對(duì)棉稈粉碎合格率有較大影響：刀片離地高度過高,棉稈粉碎后留茬高度就會(huì)高,達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn);刀片離地高度過低,留茬高度雖達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但刀片高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流,會(huì)將地膜吸入粉碎裝置,地膜會(huì)產(chǎn)生不同程度的破損,不利于殘膜回收。在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)置刀片離地間隙分別為40、50、60mm。

刀輥轉(zhuǎn)速也是影響棉稈粉碎效果的重要因素：刀輥轉(zhuǎn)速高,棉稈粉碎效果好,但機(jī)具穩(wěn)定性差,功率消耗大;刀輥轉(zhuǎn)速低,棉稈粉碎效果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。刀輥轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1800、2000、2200r/min。

機(jī)具作業(yè)速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著：作業(yè)速度快,棉稈粉碎效果差,因?yàn)椴糠置薅捨捶鬯?作業(yè)速度慢,機(jī)具工作效率低。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn),機(jī)具作業(yè)速度分別設(shè)置為1、1.5、2m/s。表2為試驗(yàn)因素水平。

表2 試驗(yàn)因素及水平Table 2 Test factors and levels

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

作業(yè)后,選取9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),將試驗(yàn)結(jié)果分別填入L9(33)正交表中,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

表3中：Li為各因素對(duì)應(yīng)的3個(gè)數(shù)值之和,li為3個(gè)數(shù)值之和的平均值,R值為極差。R值越大,該因素對(duì)棉稈粉碎合格率的影響越大;R值越小,該因素對(duì)棉稈粉碎合格率的影響越小[16]。由表3可知：棉稈粉碎合格率最優(yōu)組合參數(shù)為T13T23T32。

4.2 試驗(yàn)分析

對(duì)表3中的棉稈粉碎合格率的數(shù)值進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。由方差分析可知：對(duì)棉稈粉碎合格率的影響因素主次為刀輥轉(zhuǎn)速>刀片離地高度>機(jī)具作業(yè)速度,最優(yōu)組合參數(shù)為刀輥轉(zhuǎn)速2200 r/min,刀片離地高度60 mm,機(jī)具作業(yè)速度1.5 m/s。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 4 Analysis of variance of orthogonal test results

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證刀輥轉(zhuǎn)速2200r/min、刀片離地高度60mm、機(jī)具作業(yè)速度1.5m/s時(shí)的準(zhǔn)確性,再次對(duì)機(jī)具進(jìn)行棉稈粉碎試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。在試驗(yàn)地塊進(jìn)行3次試驗(yàn),對(duì)3次試驗(yàn)棉稈粉碎合格率取平均值,機(jī)具平均棉稈粉碎合格率為90.2%。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Verification of test results %

5 結(jié)論

1)針對(duì)新疆棉區(qū)殘膜回收作業(yè)中含雜率高的問題,研制了一種新型棉稈粉碎裝置,分析了刀片排列方式、刀片受力,確定了刀片線速度。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn),確定了刀輥旋轉(zhuǎn)半徑及轉(zhuǎn)速進(jìn)行,同時(shí)對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)相應(yīng)尺寸進(jìn)行確定。

2)選取刀輥轉(zhuǎn)速、刀片離地高度、機(jī)具作業(yè)速度3個(gè)因素進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),結(jié)果表明：當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速2200r/min、刀片離地高度60mm、機(jī)具作業(yè)速度1.5m/s時(shí),棉稈粉碎合格率為90.2%。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具性能穩(wěn)定,達(dá)到了棉稈粉碎作業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)要求。