甘蔗葉圓捆打捆機撿拾粉碎機構設計與試驗*

劉信鵬，杜嵇華，李尊香，焦靜，黃小紅，牛釗君

(1.中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所,廣東湛江,524091;2.湛江市熱帶作物秸稈高效循環利用工程技術中心,廣東湛江,524091;3.中國熱帶農業科學院農業機械研究所,廣東湛江,524088)

0 引言

甘蔗是我國熱帶和亞熱帶地區的主要農作物之一,2021年榨季全國甘蔗產量大約8 200萬噸左右,產生甘蔗葉秸稈大約1 200萬噸左右,一般每公頃可產生6 000～10 500 kg(以15%蔗莖重計算)的甘蔗葉秸稈,然而大部分都被堆積漚爛、就地焚燒處理,造成資源浪費、環境污染、火災隱患,成為生活環境保護的瓶頸問題[1-2]。目前按秸稈捆的形狀,打捆機可分為方、圓捆兩種類型,美國、巴西、德國等國家早在19世紀初期對農作物秸稈機械化結捆技術進行研究,如紐荷蘭BB9080大方捆打捆機和約翰迪爾F441R圓捆機,已在市場上應用,由于體積龐大、成本高、農作物行距株距等農藝要求不同,不適用于我國廣東、海南、廣西等南方熱帶地區中小型農田精耕細作的甘蔗農藝模式。我國對秸稈打捆技術研究起步較晚,目前主要針對小麥、水稻、玉米等旱作物秸稈進行結捆研究,多為鏈式、鋼輯外卷式、固定式等[3-5],然而對于甘蔗葉打捆作業時仍存在粉碎不勻、纏繞、阻塞等問題。

綜上所述,國外秸稈打捆機結構復雜,甘蔗種植農藝要求與國內差異較大,直接引進應用會損傷甘蔗宿根,影響來年蔗芽率;國內甘蔗葉離田打捆機作業時仍存在傷宿根、粉碎不徹底、纏繞、堵塞打捆機、結捆出捆難等問題[6],呈現出甘蔗葉秸稈機械化撿拾結捆程度低,導致甘蔗葉收集打捆作業效率低、秸稈資源浪費嚴重。以新臺糖ROC22號甘蔗的蔗葉、蔗鞘為試驗對象,根據甘蔗每節生一葉、葉鞘緊抱蔗莖呈管狀等特點,結合甘蔗葉寬窄、長短、厚薄、維管束分布、毛群分布及葉緣鋸齒等物理特性,設計中對稱垂斜切式撿拾粉碎機構[7],以提高粉碎機構對甘蔗葉的粉碎率,促進甘蔗葉秸稈粉碎結捆離田應用,加快甘蔗葉資源化利用。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

甘蔗葉圓捆打捆機主要由下懸掛架、動力輸入軸、撿拾粉碎機構、螺旋絞龍喂料機構、繩捆放置箱、固定端鋼輥輸入鏈輪、導繩機構、纏繩機構、張開端鋼輥輸入鏈輪、結捆室、出捆升降油缸、報警閃光燈等組成,如圖1所示。

圖1 圓捆打捆整體模型Fig.1 Overall model of round baling

1.2 工作原理

通過60 kW以上的拖拉機進行動力輸出,將動力輸送到連接打捆機變速箱的萬向節傳動軸,經變速箱輸入到機器的帶輪輸出軸,由右側皮帶帶動撿拾粉碎軸旋轉,對甘蔗葉進行撿拾粉碎,左側粉碎軸的帶輪通過皮帶帶動螺旋絞龍喂入機構的帶輪輸入軸,帶動螺旋絞龍旋轉,將撿拾粉碎機構拋送的甘蔗葉輸送到鏈條帶動旋轉的鋼輥喂入端,經成捆室鏈條帶動旋轉的張開端鋼輥和固定端鋼輥,將甘蔗葉進行結捆成型繞動旋轉,甘蔗葉在成捆室鋼輥旋轉的作用下旋轉滾動,連續不斷的甘蔗葉喂入,使成捆室旋轉的甘蔗葉不斷地被收縮壓緊成型,當甘蔗葉圓捆成型后,會觸動成捆室固定鋼輥后端的微動觸發開關,駕駛室內警報蜂鳴,報警燈閃爍,按下結繩按鈕,將結捆繩纏繞在成型的圓捆甘蔗葉上,纏繞2～4導繩行程后,按下出倉按鈕,將結繩緊固的甘蔗葉圓捆從成捆室倒出,完成一次甘蔗葉撿拾、粉碎、輸送、成捆、出捆作業。

2 關鍵部件設計

2.1 撿拾粉碎機構

結合甘蔗葉含水率、寬窄、長短、厚薄、維管束分布、毛群分布及葉緣鋸齒等物理特性,采用秸稈粉碎還田機類比設計方法,在刀輥軸上按螺旋線排列14組中對稱垂斜切式甩刀,甩刀類型采用結構參數可調的中垂刀和4把傾斜45°對稱斜切刀組成的中對稱垂斜切式撿拾粉碎機構,該撿拾粉碎機構主要由刀輥軸、固定銷、限位墊圈、開刃斜切刀、開刃垂直刀、粉碎刀固定架、刀片連接銷軸、刀架固定輥、固定螺栓、螺紋孔、防護罩等零件組成,如圖2所示,設計的中對稱垂斜切式粉碎機構,作業時刀輥軸高速旋轉,開刃垂直刀與斜切刀在離心力的作用下,更有利于將甘蔗葉粉碎拋送到螺旋絞龍機構,通過張開端鋼輥將絞龍機構中的甘蔗葉旋轉喂入成捆室內部,提高結捆效率,完成撿拾、粉碎、物料喂入、結捆過程[8]。

圖2 中對稱垂斜切撿拾粉碎機構Fig.2 Symmetrical vertical oblique cutting of picking up and crushing mechanism1.固定銷 2.刀輥軸 3.刀架固定輥 4.刀片連接銷軸 5.粉碎刀固定架 6.固定螺栓 7.螺紋孔 8.帶刀牙垂直刀 9.帶刀牙斜切刀 10.限位墊圈

中對稱垂斜切式粉碎機構的撿拾粉碎刀固定架由螺栓固定在刀輥軸上,通過連接銷軸與限位墊圈將粉碎垂直刀和斜切刀串聯固定在刀架上,并在銷軸的兩端用固定銷限位固定,如圖3所示。其結構特點是針對甘蔗葉厚度、含水率的不同,通過調節刀片限位墊圈個數來調節各粉碎刀在連接銷軸上的限位位置及粉碎刀個數,獲得粉碎物料的切碎效果,并利用驅地輪和拖拉機升降臂調節最低限位位置,使布置的撿拾粉碎刀能將緊貼地面雜亂無章的甘蔗葉撿拾、粉碎、拋送。

圖3 中對稱垂斜切式甩刀Fig.3 Middle symmetrical vertical bevel slinger

2.2 撿拾粉碎刀受力分析

撿拾粉碎刀實際作業過程中作高速圓周旋轉,在離心力作用下,近似處于圓周徑向狀態,更容易克服撿拾粉碎甘蔗葉的阻力[9-10],其受力分析與旋轉方向,如圖4、圖5所示。

圖4 工作時甩刀的受力分析Fig.4 Force analysis of knife swing at work

圖5 粉碎刀旋轉方向Fig.5 Rotation direction of grinding knife

其中刀長為L的粉碎刀自身重力mg與旋轉運動過程中產生的離心力F1,在克服撿拾粉碎甘蔗葉阻力F2時,形成偏轉角α。在不考慮撿拾粉碎刀、限位墊圈、銷軸的摩擦力矩的前提下,撿拾粉碎刀相對于O點的力主要有粉碎刀自身重力mg、旋轉離心力F1、阻力F2,力臂分別是L0sinα、l1、l2、l3,存在如下關系。

L2=Lcosα

(1)

(2)

l1=F2L2=F2Lcosα

(3)

l2=mgL0sinα

(4)

l3=mω2R2L1=mω2R1L0sinα

(5)

式中：ω——刀輥的角速度,rad/s;

l1——切削阻力力臂,mm;

l2——重力力臂,mm;

l3——離心力臂,mm;

L——刀長,mm;

L0——甩刀質量中心到甩刀旋轉中心直線距離,mm;

L1——刀輥中心到甩刀旋轉中心水平距離,mm;

L2——甩刀邊界端點到甩刀旋轉中心垂直距離,mm。

則相對于撿拾粉碎刀固定銷中點O1的作用力矩平衡方程式為

F2Lcosα=mgL0sinα+mω2R1L0sinα

(6)

(7)

式中：R1——刀輥中心到切刀旋轉中心距離,mm;

R2——刀輥中心到甩刀質量中心距離,mm;

F1——旋轉離心力,N;

F2——甘蔗葉粉碎切割阻力,N。

當甩刀幾何尺寸、質量一定時,隨著甩刀質量、L0/L、刀輥角速度的增大,偏轉角α變小,甩刀質量中心點慢慢向旋轉刀端移動,利于甘蔗葉的粉碎。

2.3 刀輥轉速分析

目前,國內已有秸稈粉碎還田機的甩刀回轉半徑在240～300 mm范圍內,為保證在不太高的甩刀線速度下能粉碎甘蔗葉,參考已有甘蔗葉粉碎還田機,選取粉碎刀輥回轉半徑為250 mm。

在刀輥轉速一定的情況下,撿拾粉碎刀輥旋轉半徑大小將直接影響甘蔗葉撿拾粉碎機構的刀輥平衡、粉碎機構振動、打捆作業效率,當增大撿拾粉碎機構刀輥旋轉半徑時,能提高撿拾粉碎刀端的絕對速度,有利于撿拾粉碎;但撿拾粉碎刀回轉半徑增大,會增大打捆機的整體尺寸,導致刀輥不平衡因素增大,振動激增[11-12]。

為滿足撿拾粉碎條件,根據速度合成原理,結合撿拾粉碎機構的刀輥轉向與拖拉機帶動打捆機前進方向,得到撿拾粉碎刀刃的絕對速度、相對速度、牽連速度如下。

(8)

(9)

(10)

n——刀輥轉速,r/min;

R——刀輥旋轉半徑,mm。

2.4 前擋板離地高度確定

前置撿拾粉碎機構的保護擋板與地面間距的大小決定甘蔗葉撿拾粉碎的狀態與粉碎效果。為避免甘蔗葉粉碎不徹底,纏繞刀輥,堵塞刀輥與保護擋板之間的間隙,粉碎刀漏撿拾粉碎,保護擋板與地面間距h要大于甘蔗葉的最大厚度,由于糖廠軋糖工藝要求,大部分甘蔗還需人工采收,砍收過程產生的甘蔗葉厚度也是參差不齊,結合拖拉機三點懸掛左右對稱牽引臂升降的特點,測量撿拾粉碎刀作業時的最低離地高度,h可取值為30～50 cm之間。甘蔗葉撿拾粉碎示意圖,如圖6所示,其中h為前保護擋板離地高度,h1為撿拾粉碎刀作業時下端離地高度,S1為撿拾粉碎刀與機體前保護擋板的側隙,S2為撿拾粉碎刀與機體后保護擋板的側隙[14]。

圖6 甘蔗葉切割粉碎示意圖Fig.6 Schematic diagram of cutting and crushing sugarcane leaves

3 粉碎刀有限元分析

為了驗證撿拾粉碎機構設計的有效性,運用SolidWorks對中對稱垂斜切式粉碎刀進行三維建模,導入Ansys中進行刀片仿真分析,其中刀具選用含有金屬錳、硅等元素的65Mn彈簧鋼,提高刀具的強度和硬度,結合刀具與銷軸的安裝特點,定義模型單元類型,進行網格細化劃分[15],提高仿真分析的準確性,通過對刀具進行仿真分析,得到斜切刀應力與位移云圖如圖7所示,在位移云圖中刀具主要變形發生在最下開刃部。

(a) 刀具網格劃分

(11)

式中：τT——扭轉切應力,MPa;

T——刀具受到的扭矩,N·mm;

WT——刀具抗扭截面系數,mm3;

n——轉速,r/min;

P——傳遞功率,kW;

d——計算刀具端截面處直徑,mm;

[τT]——許用扭轉切應力,MPa。

經過對刀具進行強度校核,得到刀具的強度為24.3 MPa,小于許用扭轉切應力(25～45 MPa),滿足刀具的工作性能要求。

4 田間試驗結果與分析

以含水率為17.2%～32.3%的甘蔗葉為試驗對象,在甘蔗種植行距為120 cm,壟高為14 cm,壟寬為80 cm的廣東省湛江市中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所甘蔗種植基地進行甘蔗葉圓捆打捆機田間撿拾粉碎打捆試驗,試驗前設定試驗區面積為1.33 hm2,并隨機劃定5塊100 m×10 m的小試驗區進行甘蔗葉覆蓋厚度及覆蓋率的測算,每塊試驗區隨機選取4個1 m×1 m的測試區域,進行甘蔗葉覆蓋厚度及覆蓋率的測算,5塊試驗區的平均測算結果見表1。

完成對試驗區甘蔗葉覆蓋厚度及覆蓋率的測算后,通過配套動力為雷沃904型拖拉機的后置懸掛系統將甘蔗葉圓捆打捆機進行牽引連接,作業前通過調節拖拉機后置懸掛液壓系統,確保前置撿拾粉碎機構田間作業時的最佳離地間隙。

在田間作業試驗時設定拖拉機速度為慢1擋1 m/s,如圖8所示,對5塊小試驗區內選取的20個1 m×1 m測量區內的所有粉碎甘蔗葉,用天平稱出其質量,隨后撿出長度≤15 cm的甘蔗葉秤出其質量,進行3次重復試驗,并通過式(12)和式(13)計算出5塊試驗區內所有測試區內甘蔗葉的平均撿拾率η與粉碎合格率θ分別為86.22%和85.43%[16-17]。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

(12)

(13)

通過運用秒表記錄田間作業過程中,完成每一個取樣試驗的單位時間,并將記錄到的5塊試驗區內20組數值通過式(14)計算其平均值,測定甘蔗葉打捆機中對稱垂斜切式粉碎機構工作效率w,通過計算得到中對稱垂斜切式粉碎機構工作效率為0.16 hm2/h[18-19]。

(14)

式中：L——取樣單位長度,m;

B——作業幅寬,mm;

q——作業一個取樣試驗單位所花費時間,s。

經過對20組測試區內的撿拾秸稈重量、≤15 cm秸稈重量、剩余秸稈質量進行數據分析,如圖9所示,并結合試驗性能指標的分析計算公式測算得到甘蔗葉撿拾率為86.22%,粉碎合格率為85.43%,工作效率為0.16 hm2/h,表明蔗葉打捆機的中對稱垂斜切式粉碎機構田間作業效果良好,且甘蔗葉撿拾率與粉碎合格率及機具性能都較為穩定,其田間試驗效果如圖10所示。

圖9 試驗測試區內三種秸稈重量數據分析Fig.9 Analysis of weight data of three kinds of straw in test area

5 結論

1) 針對甘蔗葉打捆作業時仍存在粉碎不勻、纏繞、阻塞等問題,結合甘蔗葉的物理特性,設計甩刀回轉半徑為250 mm,并在刀輥軸上按螺旋線排列14組中對稱垂斜切式甩刀,甩刀類型采用結構參數可調的中垂刀+4把傾斜45°對稱斜切刀,在撿拾粉碎刀作業時的最低離地高度h為30～50 cm之間,當刀輥軸最小轉速≥1 830 r/min時,撿拾粉碎刀切割線速度≥48 m/s,達到粉碎甘蔗葉的目的。

2) 運用Solidworks對撿拾粉碎機構進行三維建模設計,運用有限元軟件對粉碎刀進行模態應力分析,確定中對稱垂斜切式撿拾粉碎機構,進行樣機制作。

3) 通過田間試驗與數據分析計算得到：中對稱垂斜切式粉碎機構在不影響宿根生長的基礎上,可實現甘蔗葉粉碎長度在≤15 cm的范圍內,甘蔗葉撿拾率為86.22%,粉碎合格率為85.43%,工作效率為0.16 hm2/h。

4) 在實際的成捆作業過程中仍遇到甘蔗葉堆積堵塞結輥間隙,導致成捆室結捆緊實度差、成捆難等問題,因此甘蔗葉圓捆打捆機的撿拾粉碎與成捆機構還需要進一步優化改進。