秸稈還田機拋撒裝置設計與試驗*

徐禮超，趙沭為，吳永海，陳勇，朱靜，張銳

(淮陰工學院，江蘇淮安，223003)

0 引言

我國是農業生產大國，糧食產量位居世界前列的同時，秸稈產量也十分巨大，據統計，我國秸稈年均產量約為8億t，多以水稻、小麥和玉米等作物秸稈為主[1-2]。農作物秸稈中富含有機碳和氮、磷等礦質營養元素以及大量微量元素[3]，秸稈還田可有效改良土壤結構，提升土壤肥力，促進作物生長，既是一項重要的地力提升技術[4-6]，也是農田保護性耕作的重要組成部分[7-8]。

秸稈還田機是將農作物秸稈切碎拋撒還田的重要機械，目前國內秸稈還田機拋撒裝置大部分采用撒布板裝置，由于該裝置調節功能單一、操作繁瑣、可調節角度較小，通常會出現秸稈拋撒不均勻且作業效率低等問題[10-11]，針對這些問題，本文設計了一種秸稈還田機拋撒裝置，通過左右與上下調節機構來實現秸稈不同幅寬、不同距離的拋撒還田。

1 秸稈還田機拋撒裝置結構與原理

設計的秸稈還田機拋撒裝置主要由導向葉片左右調節機構和導流板上下調節機構組成，如圖1所示，前者包括推桿、回位彈簧、導向葉片、橢圓形凸輪，凸輪與步進電機輸出軸經花鍵相連，后者包括調節軸與調節套、導流板、活動鉚釘、鉸鏈，調節軸、調節套分別與切碎室、拋撒室側面殼體相連，切碎室殼體出口端鉸接一塊與其殼體等長的導流板，導向葉片安裝在導流板下方。

圖1 秸稈拋撒裝置結構示意圖

導向葉片左右調節機構采用電動調節方式，將導向葉片用活動鉚釘鉚接在導流板與推桿上，在連接導向葉片的推桿兩端加裝回位彈簧，采用步進電機帶動安裝在導流板下方的橢圓形凸輪旋轉，當凸輪沿推桿方向的向徑由小變大時，凸輪推動其兩側推桿向外移動，進而帶動導向葉片同步向外擺動，當凸輪沿推桿方向的向徑由大變小時，在左右推桿兩端回位彈簧作用下帶動導向葉片向內擺動。導流板上下調節機構采用手動調節方式，通過改變調節軸與調節套的相對長度來實現導流板上下擺動，進而帶動導向葉片上下擺動來調節秸稈的拋撒距離。秸稈還田機作業時，切碎室刀具旋轉產生氣流，將秸稈吸入并切碎，在導向葉片的導流作用下，切碎后的秸稈被均勻地拋撒于地面[11-13]。

2 秸稈還田機拋撒裝置設計

2.1 左右調節機構設計

借鑒王昕、章志強等人采用的拋撒裝置設計方法[13]，考慮到導流板總長度為2 200 mm的實際需要，將導向葉片后端設計成弧形，內、外弧半徑分別為300 mm、330 mm，葉片寬度、厚度分別為30 mm、2 mm，材料選用Q235普通鋼板，設置導向葉片與鉚釘鉸接孔徑為8 mm，相鄰孔距為100 mm，設計的導向葉片如圖2所示。

圖2 導向葉片

為對應導流板與導向葉片上開設的孔位，實現兩側導向葉片的平行布置，推桿相鄰孔間距設為194.5 mm。考慮推桿兩端要與凸輪接觸，移動過程中不得與導向葉片、回位彈簧產生運動干涉，所以在其兩端分別預留32.5 mm、52.5 mm空間，其上的孔徑設為8 mm，采用厚度為2 mm的Q235普通鋼板，設計的推桿如圖3所示。

圖3 推桿

推桿及導向葉片左右擺動是通過凸輪轉動實現的，根據導向葉片同步向內、向外擺動的極限位置可求出凸輪長、短半軸長度

l1=(l2-2l3)/2

(1)

l4=l1+l5

(2)

l5=2l6sinα

(3)

式中：l1——短半軸長度，mm；

l2——導流板中間兩弧形槽內端間距，設計l2為155 mm；

l3——推桿的內端面與內側孔間距，mm；

l4——長半軸長度，mm；

l5——導向葉片擺動距離，mm；

l6——導向葉片上兩孔間距，mm；

α——導向葉片由中間位置向一側擺動的最大角度，α=30°。

經計算得l1=45 mm，l4=145 mm。凸輪中心孔徑設為8 mm，材料采用厚度為2 mm的Q235普通鋼板。

2.2 上下調節機構設計

根據實際作業需要，設計導流板長×寬×厚為2 200 mm×320 mm×2 mm，材料為Q235普通鋼板。由于需要在導流板下方加裝10片導向葉片并且要求擺動角度為60°，考慮到導向葉片運動過程中的位置干涉問題，在導流板上開設10個大小、形狀相同的弧形槽，弧度為60°，槽孔直徑為8 mm。為了與步進電機輸出軸相配合，在中間兩個弧形槽之間開設一直徑為8 mm 的通孔，設計的導流板如圖4所示。

上下調節機構原理圖如圖5所示，圖中C為導流板與切碎室殼體鉸接點，A、B為調節套、調節軸與拋撒室、切碎室側面殼體的兩個鉚接點，A1、A2為導流板向上、向下擺動極限點，lAB為調節軸與調節套間初始長度，調節軸、套相對調節長度為ΔlAB。研究發現，導流板上、下擺動幅度控制在30°較為合適[15]，則ΔlAB求解式(4)～式(7)所示。

(4)

(5)

(6)

ΔlAB=lA1B-lA2B

(7)

圖4 導流板

圖5 上下調節機構原理圖

3 基于Solidworks的秸稈還田機拋撒裝置建模與仿真

3.1 拋撒裝置建模

本文以導向葉片為例說明零件建模過程。在Solidworks中新建零件圖，取前視圖為基準面。根據導向葉片設計參數，使用草圖繪制工具繪制二維圖。使用特征選項中的凸臺拉伸命令對二維草圖拉伸30 mm，使用抽殼命令對拉伸后的三維圖向內抽取壁厚2 mm。使用特征選項中的拉伸切除命令對導向葉片上的開孔進行完全貫穿切除。經上述步驟后建立的導向葉片模型如圖6所示，導流板等零件建模過程與此相似。

圖6 導向葉片模型

經拋撒裝置零件建模后，可以根據零件之間的對應關系從而進行虛擬裝配，其裝配內容主要包括導流板與殼體裝配、橢圓形凸輪和推桿裝配、推桿與彈簧裝配、導流板與導向葉片裝配、調節軸與調節套裝配等，經上述零件裝配后得到的拋撒裝置模型如圖7所示。

圖7 拋撒裝置模型

拋撒裝置中承載切碎秸稈作用力的部件主要為導向葉片，為保證其正常工作，需進行強度校核。還田機切碎秸稈時，秸稈隨切茬甩刀做圓周運動，切碎的秸稈拋撒初速應與甩刀外圍線速度一致，考慮到設計的切茬甩刀旋轉半徑為130 mm、切碎刀軸轉速為3 000 r/min，可計算出秸稈拋撒初速為40.82 m/s，結合文獻[2]研究結果，取秸稈離開導向葉片時的速度為1.15 m/s，秸稈進入拋撒裝置的流量為0.49 kg/s，根據沖量動量守恒定律可估算切碎秸稈作用于導向葉片的作用力為19.44 N，考慮受載極限情況，校核時在導向葉片中間邊沿處集中垂直施加作用力20 N，應用ANSYS進行應力分析，結果如圖8所示，由圖可知，導向葉片所受的最大應力為0.692 MPa，遠小于Q235材料的屈服強度。

圖8 導向葉片應力云圖

3.2 拋撒裝置運動仿真

3.2.1 左右調節機構運動仿真

左右調節機構運動仿真圖如圖9所示。

(a) 導向葉片內端左擺

為實現拋撒裝置左右調節機構的仿真運動，通過添加的導向葉片繞導流板槽口描邊擺動路徑，在步進電機輸出軸添加虛擬馬達作為自動調節機構使凸輪自動旋轉，凸輪與左、右推桿端部添加接觸面，使推桿繞凸輪輪廓面接觸擺動以驅動導向葉片。通過模擬彈簧壓縮變形擠壓左、右推桿，完成凸輪擠壓推桿使彈簧形變壓縮、被壓縮的彈簧推動推桿的聯動過程。再設定鍵碼點，在凸輪轉動時規定推桿位置，推桿運動時設定鍵碼時間點以此來規定彈簧變形時間點，彈簧恢復形變設置鍵碼點以驅動推桿回位。點擊啟動按鈕可完成左右調節機構的仿真動作。

仿真結果表明，拋撒裝置左右調節機構中的推桿、凸輪、回位彈簧、導向葉片之間無運動干涉，可以達到導向葉片左、右連續擺動的作業要求，導向葉片內端由最內側→最外側→最內側的運動周期為10.2 s，凸輪以35.3°/s勻速轉動時，導向葉片擺角呈拋物線周期性變化趨勢，每個周期中分別有2次最大值、最小值，這是由凸輪結構所決定的，當凸輪基圓與推桿接觸時，葉片外端向外擺角最大，為30°，凸輪頂圓與推桿接觸時，葉片外端向內擺角最大，為-30°，這與設計的左右調節角度相吻合。

3.2.2 上下調節機構運動仿真

導流板與切碎室殼體采用鉸鏈鉸接，使其能繞鉸接點擺動，調節軸與調節套采用同心裝配，調節軸外螺紋與調節套內螺紋進行接觸裝配，在調節套上施加旋轉力以模擬手動旋轉調節套。在旋轉調節套時設置鍵碼點，調節套旋轉時與調節軸產生相對位移，旋轉到極限位置時設置鍵碼點，不再產生相對位移，最后點擊啟動按鈕可仿真導流板繞殼體上、下擺動的運動過程，結果如圖10所示。

(a) 導流板向上擺動

仿真結果表明，拋撒裝置上下調節機構中的調節軸、調節套以及導流板之間無運動干涉，可以實現導流板繞鉸鏈上、下連續擺動的作業目標，導流板由最下端→最上端→最下端的擺動周期為9.9 s，調節軸、套相對長度的調節速率為9.4 mm/s，導流板相應的擺動速率為6.1°/s，調節長度為0、46.3 mm時對應的導流板擺角分別為-15°、+15°，這與設計的上下調節角度相一致。

4 田間試驗

影響秸稈拋撒特性的因素主要有還田機導向葉片左右擺角、導流板上下擺角、前進速度及刀軸轉速等，文中主要研究前兩個因素對秸稈拋撒特性的影響，故在保證秸稈切碎條件盡可能一致情況下采用2因素3水平的正交試驗，以導向葉片左右擺角與導流板上下擺角為試驗因素，設定導向葉片擺角為-30°、0°、30°三個水平，導流板擺角為-15°、0°、15°三個水平，來研究導向葉片與導流板的擺角對秸稈拋撒的幅寬、距離及不均勻度的影響。

將制作的秸稈拋撒裝置裝于久保田半喂式收割機，按照GB/T 24675.6—2009《保護性耕作機械 秸稈粉碎還田機》試驗要求于2020年10月25日在江蘇黎城鎮一稻田內開展了試驗(見圖11)，試驗水稻品種為南粳9108#，平均株高為96.3 cm，設定收割機運行速度為1.5 m/s，切碎刀軸轉速為3 000 r/min，測試往返9個行程中間18個區域(3 m×2 m)的秸稈拋撒幅寬、拋撒距離，同時在每個區域內沿還田機作業幅寬方向等距選取3個子塊，每個子塊面積為0.6 m×0.3 m，撿拾各子塊內所有秸稈稱重。試驗得到的每個往返行程秸稈平均拋撒幅寬與拋撒距離見表1所列，拾取并稱重各單個往返行程相同子塊秸稈得到的平均質量如表2所示。根據式(8)和式(9)可計算得到秸稈拋撒不均勻度(見表2)，式中n=3。

(8)

(9)

式中：mi1——單個往、返行程第i子塊秸稈質量，g；

B——秸稈拋撒不均勻度，%。

從表1中的單個往返行程秸稈平均拋撒幅寬與拋撒距離可以看出，在上下調節角度一定時，隨著推桿逐漸外移(即導向葉片左右方向由+30°逐漸擺動到-30°)，秸稈拋撒幅寬呈逐漸減小、拋撒距離呈逐漸增大趨勢，但變化幅度較小，在秸稈分散拋撒時，拋撒距離較近，秸稈集中拋撒時，拋撒距離較遠。在左右調節角度一定時，隨著調節軸、套相對位移逐漸增大(即導向葉片上下方向由-15°逐漸擺動到+15°)，秸稈拋撒幅寬、拋撒距離均呈逐漸增大趨勢，且其變化幅度高于推桿逐漸外移時拋撒幅寬、距離的變化幅度，秸稈上拋角度越大，拋撒幅寬、拋撒距離越大。相比向下、向右極限調節角度，向上、向左極限調節角度時的秸稈拋撒幅寬、距離分別增加了0.69 m、0.18 m，這表明設計的秸稈拋撒裝置能夠根據作業需要適時調整秸稈拋撒幅寬與距離。

圖11 田間試驗

表1 單個往返行程秸稈平均拋撒幅寬與拋撒距離Tab. 1 Average straw scattering width and distance of each round trip

由表2中單個往返行程相同子塊秸稈平均質量與拋撒不均勻度可知，單個往返行程中子塊Ⅱ的秸稈質量均高于子塊Ⅰ、Ⅲ的秸稈質量，而子塊Ⅰ、Ⅲ的秸稈質量相差比較小，表明在每個行程中間區域的秸稈拋撒密度相對比較大；導流板調節角度對相同子塊秸稈拋撒質量影響較小，其相同子塊秸稈拋撒質量相差均值為6.36 g，而導向葉片調節角度對相同子塊秸稈拋撒質量影響則相對較大，相同子塊秸稈拋撒質量相差均值為9.48 g；隨著推桿逐漸外移(即導向葉片由+30°逐漸擺動到-30°)，導流板三個調節角度的秸稈拋撒不均勻度均值呈現微幅增大的趨勢，而隨著調節軸、套相對位移逐漸增大(即導向葉片由-15°逐漸擺動到+15°)，導向葉片三個調節角度的秸稈拋撒不均勻度均值呈現先增長后減小的趨勢，但在所有2因素3水平下的秸稈拋撒不均勻度均滿足國標中拋撒不均勻度小于等于30%的規定要求，試驗得到的秸稈拋撒不均勻度均值為19%，比規定值提高了11%，從而表明設計的秸稈還田機拋撒裝置合理、可行。

表2 單個往返行程相同子塊秸稈平均質量與拋撒不均勻度Tab. 2 Average straw mass of the same sub-block and scattering unevenness of each round trip

5 結論

1) 秸稈還田機拋撒裝置零件結構設計比較合理、可行，裝配較為方便，零件間無運動干涉現象。

2) 拋撒裝置左右調節機構可根據實際需要實現電動、實時聯動調節，提高了秸稈拋撒幅寬調節的準確性與工作效率，上下調節機構則可實現秸稈拋撒距離的連續調節。通過左右調節機構電動調節與上下調節機構手動調節的共同作用，在一定程度上改善了秸稈拋撒還田的均勻度。

3) 當拋撒裝置左右調節機構中的橢圓形凸輪短、長半軸長度為45 mm、145 mm，以及上下調節機構中調節軸、調節套相對位移為46.3 mm時，可滿足導向葉片左右擺動角度為60°、導流板上下擺動角度為30°的設計要求。

4) 田間試驗結果表明，導流板處于調節上限、導向葉片內端處于最內側時的秸稈拋撒幅寬、距離分別比導流板處于調節下限、導向葉片內端處于最外側時的拋撒幅寬、距離增加了29%、14%，實現了秸稈拋撒幅寬與拋撒距離適時可調目標；每個行程中間區域的秸稈拋撒密度相對兩側區域較大，導流板調節角度對相同子塊秸稈拋撒質量影響較小，而導向葉片調節角度對相同子塊秸稈拋撒質量影響則相對較大，2因素3水平下的秸稈拋撒不均勻度均值為19%，比規定值提高了11%。由此可見，設計的秸稈還田機拋撒裝置能改善秸稈還田效果、提高作業效率。