自走式密植棉稈整株收獲機的設(shè)計與仿真分析

趙鵬飛，周衛(wèi)國，王旭峰，劉金秀，邢劍飛，賀小偉※

（1.塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室）

0 引言

棉花產(chǎn)業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。據(jù)2019 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國棉花種植面積已達3.339×106hm2，作為棉花種植副產(chǎn)品的棉稈資源產(chǎn)量巨大[1]。棉稈富含纖維素與多種礦物質(zhì)，具有可觀的開發(fā)利用價值[2]。隨著國家對環(huán)境保護的重視與可再生資源提質(zhì)增效利用政策的發(fā)布，各類秸稈資源得到不同程度的重視與利用，衍生出形式多樣的利用方式。目前對棉稈主要進行回收轉(zhuǎn)化再利用，即在棉稈收獲后利用現(xiàn)代加工工藝改變棉稈理化性質(zhì)，以轉(zhuǎn)化為微飼料、瓦楞紙、培養(yǎng)基質(zhì)、發(fā)電原料等[3-6]。

隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，區(qū)域化集中種植成為棉花種植的主要方式，新疆棉區(qū)機采棉種植分布相對集中且廣泛采用1 膜6 行的密植種植農(nóng)藝。由于對環(huán)境保護的重視，焚燒處理方式正在逐漸消失，目前新疆棉區(qū)對棉稈的處理方式以翻埋為主[7]，但木質(zhì)化程度高的棉稈在翻埋后僅依靠冬休無法完全降解，且還田棉稈往往附帶有地表殘膜、多種病原菌，對下一年農(nóng)作物的種植、生長會產(chǎn)生嚴重影響[8]。現(xiàn)有棉花秸稈收獲機械主要以剪切式為主，將棉稈地表以上部分剪切后回收或粉碎還田，但由于棉稈木質(zhì)化程度相比大多數(shù)作物秸稈較高，致使棉稈剪切收獲方式存在作業(yè)功耗高及根茬留地的問題[9]。

新疆棉區(qū)棉田多采用膜下滴灌技術(shù)，結(jié)合實際棉田測量發(fā)現(xiàn)，棉稈根系大多集中在土壤0～15 cm 深處，呈現(xiàn)如圖1 的特征，僅需對種植區(qū)土壤淺翻即可實現(xiàn)整株鏟拔。現(xiàn)有棉稈收獲機械多為懸掛式，以拖拉機為動力實現(xiàn)棉稈分段式收獲，而自走式棉稈整稈聯(lián)合收獲機械相對較少，隨著棉花生產(chǎn)全程機械化水平的不斷推進，集切土減阻、鏟拔、撿拾輸送、集箱于一體的自走式棉稈整株收獲機將是未來棉稈收獲機械發(fā)展趨勢之一。

圖1 棉花秸稈根部

為提高新疆棉區(qū)密植棉稈的收獲效率和資源利用率，設(shè)計了一種自走式密植棉稈整株收獲機，利用柴油機與液壓馬達為各作業(yè)部件的運轉(zhuǎn)提供動力，并配備多個變速箱實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)配，實現(xiàn)棉稈對行切土減阻、不對行根部鏟拔、撿拾輸送及收集作業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

自走式密植棉稈整株收獲機如圖2，主要包括駕駛室、機架、減阻裝置、行走輪、鏟拔裝置、撿拾裝置、輸送裝置、柴油機、回收箱和變速箱。該收獲機采用對行切土減阻、不對行鏟撥的集成式收獲方法，可針對基于密植農(nóng)藝種植的棉稈開展一體化收獲作業(yè)（機采棉密植種植農(nóng)藝如圖3），總體結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全。

圖2 整機結(jié)構(gòu)示意

圖3 機采棉(66+10)cm 密植種植模式

1.2 工作原理

本文設(shè)計的自走式密植棉稈整株收獲機以柴油機及液壓馬達為動力源，經(jīng)調(diào)速箱調(diào)速后為機具行走與作業(yè)提供動力。作業(yè)前，將減阻裝置固定位調(diào)整至較佳位置，確保各切土圓盤入土深度和切土位置合適，作業(yè)時，首先由切土圓盤對棉稈根側(cè)土壤進行切土減阻，以減小后續(xù)鏟拔裝置對棉稈鏟拔時的作業(yè)功耗，隨后鏟拔裝置以順時針方向切入土壤，在淺翻土壤的同時將棉稈連根鏟出，并向后方拋送、鋪放在地表，接著撿拾裝置逆時針旋轉(zhuǎn)，其上密布排列的釘齒將地表棉稈拾起后拋向輸送裝置，棉稈則隨即與釘齒輸送帶碰撞，根部附帶土壤被拍碎、脫落，最后棉稈被釘齒輸送帶掛接著向上運動，遇到擋板后與輸送帶分離，進入回收箱收集，如此連續(xù)完成棉稈整稈收獲作業(yè)，該機工作原理如圖4。

圖4 工作原理1.行走裝置2..減阻裝置3.鏟拔裝置4.撿拾裝置5.輸送裝置6.柴油機7.回收箱

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

移動式機組的理論生產(chǎn)率：

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=2.00 m，機組理論前進速度v為3～5 km/h，根據(jù)式（1）計算理論生產(chǎn)率為0.6～1.0 hm2/h。整機主要技術(shù)參數(shù)如下：

機具尺寸（長×寬×高，m）3.70×2.10×1.52

工作幅寬（m）2

機具作業(yè)前進速度（km/h）3～5

柴油機額定轉(zhuǎn)速（r/min）2 200

液壓馬達轉(zhuǎn)速（r/min）850

生產(chǎn)率（hm2/h）0.6～1.0

2 主要工作部件的設(shè)計與分析

2.1 鏟拔裝置設(shè)計

鏟拔裝置基于逆向旋耕原理設(shè)計[11]，是該收獲機的核心工作部件，主要包括鏟拔刀、鏟拔輪和刀軸。橫向配置3組同規(guī)格鏟拔裝置，單組鏟拔裝置如圖5。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拔作業(yè)。鏟拔刀固定在鏟拔輪上，圍繞鏟拔輪周向均勻布置（夾角α 為120°），如圖6，鏟拔刀隨刀軸旋轉(zhuǎn)鏟入土壤，對淺層土壤鏟拔的同時將棉稈提起，完成棉稈的整稈起拔、拋送及鋪放作業(yè)；該鏟拔裝置作業(yè)時不需要對行，可適用于多種密植模式。

圖5 鏟拔裝置結(jié)構(gòu)

圖6 鏟拔裝置側(cè)視圖

2.2 撿拾裝置設(shè)計

本文參考殘膜撿拾裝置設(shè)計了棉稈撿拾裝置[12]，主要包括釘齒、調(diào)節(jié)桿、輥軸和支撐板，如圖7。釘齒安裝在調(diào)節(jié)桿上，調(diào)節(jié)桿與支撐板固定且隨輥軸一起旋轉(zhuǎn)，棉稈經(jīng)鏟拔裝置作業(yè)后鋪放于地表，密集排布的釘齒將平鋪于地表的棉稈勾起并拋至輸送裝置上。

圖7 棉稈撿拾裝置結(jié)構(gòu)

2.3 輸送裝置設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有帶式輸送機設(shè)計了輸送裝置[13]，如圖8。主要包括傳動軸、擋板、輸送帶機架和釘齒輸送帶。當(dāng)撿拾裝置將棉稈拋到輸送裝置時，棉稈根部與釘齒輸送帶碰撞并產(chǎn)生一定的沖擊力，該沖擊力使棉稈根部的土壤脫離，同時勾掛在釘齒輸送帶上的棉稈隨之向回收箱輸送，當(dāng)棉稈被擋板阻擋后與釘齒輸送帶分離，隨即翻滾進入回收箱，土壤則灑落地表，如此循環(huán)往復(fù)即可將棉稈源源不斷地送到回收箱完成收集作業(yè)。

圖8 輸送裝置結(jié)構(gòu)

3 鏟拔裝置運動分析

如圖9，鏟拔裝置工作時對棉稈鏟拔的速度由自身旋轉(zhuǎn)角速度ω和機具的前進速度vm復(fù)合而成，在實際作業(yè)中，鏟拔點的運動軌跡為余擺線[14]，其運動方程為：

式中vm—機具的前進速度，m/s；R—鏟拔裝置半徑，mm；ω—鏟拔刀角速度，rad/s；t—時間，s。

圖9 鏟拔運動示意

則鏟拔點在x 軸與y 軸方向的分速度為：

在鏟拔刀只有鉛垂速度而無水平分速度時，為鏟拔刀切削土壤的有利條件，根據(jù)極值原理[15]，即在公式（4）條件下切土最佳：

鏟拔刀在N 點垂直切入土壤直至切削完成，為避免刀具背部推土，刀具的水平分速度需保持傾向后方，由公式（5）：

假設(shè)N 點坐標(biāo)為（x,y），則：

式中a—鏟拔刀耕深，mm。

將式（6）與式（2）整合代入式（5）得：

又由于：

式中n—鏟拔裝置轉(zhuǎn)速，r/min。

結(jié)合密植棉稈根系實際分布深度，鏟拔刀耕深a取為100 mm，設(shè)計時R為300 mm，機具前進速度為3～5 km/h,計算得轉(zhuǎn)速最小為88 r/min，而本裝置采用的液壓馬達驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速范圍為0～850 r/min，能夠滿足作業(yè)需求。

4 關(guān)鍵零部件有限元分析

該自走式密植棉稈整株收獲機在經(jīng)減阻裝置對棉稈根部土壤松翻后，由鏟拔裝置對地表0～8 cm 土壤進行淺翻，鏟拔刀為主要作業(yè)部件，為此對該部件進行靜力學(xué)仿真分析。利用Solidworks 完成鏟拔刀三維建模，隨后將其另存為中性文件.x_t 格式并導(dǎo)入ANSYS workbench 2020 R2 中進行有限元分析[16]。

4.1 材料屬性的定義

在實際作業(yè)時，鏟拔裝置上的鏟拔刀要完成入土鏟拔作業(yè)，是完成棉稈連根拔起的關(guān)鍵作業(yè)部件，其主要承受土壤的反作用力，由于鏟拔刀不對行作業(yè)，使得單個鏟拔刀整體尺寸較大，在保證其剛度與耐久度的同時材料選用成本較低的Q275，屈服強度為275 MPa。

4.2 網(wǎng)格劃分

為提高鏟拔刀分析的準確性，盡可能地提高網(wǎng)格劃分密度，最終網(wǎng)格劃分結(jié)果為單元數(shù)10128，節(jié)點數(shù)52706，網(wǎng)格數(shù)目能夠較好滿足分析條件，網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖10。

圖10 鏟拔刀的網(wǎng)格劃分

4.3 施加載荷及約束

單組鏟拔裝置針對1 膜6 行種植農(nóng)藝中2 行窄行距棉稈進行鏟拔作業(yè)，其上的鏟拔刀通過螺栓連接在鏟拔輪上。查閱相關(guān)文獻可知，土壤淺翻阻力約為400～1 000 N[17]，而棉稈拔起所需力約為1 010 N[18]，棉稈鏟拔阻力大于淺翻阻力，故主要分析棉稈鏟拔阻力。當(dāng)鏟拔刀同時鏟拔2 株棉稈，且作用力垂直于切削刃面處時鏟拔刀受力最大，約為2 020 N，為對鏟拔刀進行更加可靠的分析，綜合考慮對其受力選擇為2 500 N，方向垂直于切削刃，在螺栓固定位施加約束，最終施加結(jié)果如圖11。

圖11 鏟拔刀約束受力圖

4.4 結(jié)果與分析

使用workbench 軟件中的Static Structural 對鏟拔刀進行相應(yīng)模擬分析，得出鏟拔刀在模擬外載荷作用下的等效應(yīng)力和總變形，結(jié)果如圖12、13。

由圖12 可知，鏟拔刀等效應(yīng)力主要集中在螺栓固定孔位處，最大應(yīng)力為158.94 MPa，小于所選材料的應(yīng)力極限，因此鏟拔刀的材料選用合理。

由圖13 可知，鏟拔刀最大總變形為0.093 mm，變形量可忽略不計，即所選用材料Q275 符合作業(yè)要求。

圖12 鏟拔刀等效應(yīng)力圖

圖13 鏟拔刀總變形圖

5 結(jié)論

（1）為提高新疆棉區(qū)密植棉稈的收獲效率和資源利用率，設(shè)計了一種自走式密植棉稈整株收獲機，一次性作業(yè)即可實現(xiàn)根側(cè)切土減阻、鏟拔、撿拾輸送及棉稈收集等多項功能；該機總體結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，針對基于密植農(nóng)藝種植的棉稈開展一體化整稈收獲作業(yè)。

（2）進行了各主要工作部件設(shè)計，并對核心工作部件—鏟拔裝置進行了運動學(xué)分析，結(jié)合密植棉稈根系實際分布深度0～15cm，當(dāng)取鏟拔刀耕深a 為100 mm、鏟拔裝置半徑R 為300 mm，得出拔稈裝置最小轉(zhuǎn)速88 r/min。

（3）對鏟拔裝置的鏟拔刀進行了有限元靜力分析，靜力學(xué)分析結(jié)果表明：鏟拔刀的最大等效應(yīng)力為158.94 MPa，最大總變形為0.093 mm，其等效應(yīng)力與總變形均低于所選材料的承受極限，材料選用安全可靠，符合設(shè)計要求。