玉米收獲機(jī)苞葉粉碎裝置的設(shè)計(jì)與仿真

解福祥，宋 健，蔣昊俁,2

(1.濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261061; 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

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玉米收獲機(jī)苞葉粉碎裝置的設(shè)計(jì)與仿真

解福祥1，宋 健1，蔣昊俁1,2

(1.濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261061; 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為了研究玉米收獲機(jī)苞葉粉碎機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種苞葉粉碎裝置。該裝置主要由卷入滾筒、粉碎橫向動(dòng)刀、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定刀、粉碎縱向動(dòng)刀、縱向動(dòng)刀安裝座、動(dòng)刀動(dòng)力傳送機(jī)構(gòu)、粉碎滾筒傳動(dòng)軸和粉碎箱體等組成。運(yùn)用Pro/E和ADAMS軟件對(duì)玉米苞葉粉碎裝置進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明：苞葉卷入過程中，在苞葉開始與卷入滾筒接觸時(shí)受力逐漸增大，在卷入的過程中自身產(chǎn)生了滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和滑移的現(xiàn)象；苞葉粉碎過程中，在苞葉開始與粉碎滾筒接觸時(shí)先被橫向刀片進(jìn)行切斷，然后繼續(xù)被縱向動(dòng)刀進(jìn)行縱向切碎；在粉碎的過程中自身產(chǎn)生了翻轉(zhuǎn)、滑移和跳動(dòng)的現(xiàn)象。

玉米收獲機(jī)；苞葉粉碎；設(shè)計(jì)；仿真

0 引言

我國(guó)傳統(tǒng)的玉米收獲方式是用人力進(jìn)行手工掰取作業(yè)，近幾年開始部分實(shí)行玉米收獲機(jī)收獲。我國(guó)大多數(shù)玉米收獲機(jī)僅僅具有玉米的掰取功能，一般玉米秸稈及苞葉直接排出，秸稈及苞葉的最終處理方式基本上選擇焚燒[1-2]。隨著大氣污染及全球變暖日趨嚴(yán)重，秸稈焚燒又對(duì)環(huán)境的污染很嚴(yán)重，焚燒產(chǎn)生的煙塵影響能見度，容易誘發(fā)呼吸道疾病，同時(shí)這種現(xiàn)象也是一種資源浪費(fèi)。因此，苞葉粉碎還田這一關(guān)鍵技術(shù)成為玉米收獲機(jī)亟需解決的問題[3-8]。

玉米聯(lián)合收獲機(jī)可以對(duì)玉米的掰取、秸稈及苞葉的粉碎還田一次性完成，不僅減少人工作業(yè)，且高效利用資源，補(bǔ)充土壤中的養(yǎng)分，可以減少化肥的使用，保護(hù)環(huán)境[9-13]。為此，進(jìn)行了玉米聯(lián)合收獲機(jī)苞葉粉碎裝置的設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)

玉米苞葉粉碎裝置主要由卷入滾筒、粉碎橫向動(dòng)刀、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定刀、粉碎縱向動(dòng)刀、縱向動(dòng)刀安裝座、動(dòng)刀動(dòng)力傳送機(jī)構(gòu)、粉碎滾筒傳動(dòng)軸和粉碎箱體等組成，如圖1所示。玉米聯(lián)合收獲機(jī)安裝有總的液壓泵，由液壓泵為整車的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。苞葉粉碎裝置的動(dòng)力由液壓馬達(dá)提供，液壓馬達(dá)通過聯(lián)軸器與玉米苞葉粉碎裝置的主軸相連帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)刀安裝在主軸上，動(dòng)刀分為橫向動(dòng)刀和縱向動(dòng)刀，動(dòng)刀同主軸一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)。苞葉卷入裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩由主軸通過齒輪嚙合來提供，玉米苞葉由苞葉卷入裝置卷入并將其送到苞葉切割平臺(tái)，在動(dòng)刀與定刀的配合下完成苞葉的粉碎切割，碎屑由碎屑排出通道排出還田。

1.卷入滾筒 2.粉碎橫向動(dòng)刀 3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.定刀 5.粉碎縱向動(dòng)刀 6.縱向動(dòng)刀安裝座 7.動(dòng)刀動(dòng)力傳送機(jī)構(gòu) 8.粉碎滾筒傳動(dòng)軸 9.粉碎箱體圖1 苞葉粉碎裝置結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 工作原理

苞葉粉碎裝置安裝有橫向和縱向動(dòng)刀。苞葉在被苞葉卷入裝置送到切割平臺(tái)處，首先橫動(dòng)刀與定刀咬合將苞葉一次切割，切落的苞葉又將被高速旋轉(zhuǎn)的縱向動(dòng)刀切割，這樣苞葉經(jīng)過橫動(dòng)刀與縱動(dòng)刀的兩次切割后粉碎完成。又因?yàn)榭v動(dòng)刀在高速旋轉(zhuǎn)下可對(duì)切割過的苞葉碎屑反復(fù)切割，所以粉碎的程度很高。動(dòng)刀和定刀片均使用低合金刃具鋼加工而成。動(dòng)刀軸總成采用對(duì)稱分布設(shè)計(jì)，滿足平衡設(shè)計(jì)需求。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使苞葉粉碎裝置整體占用更小的體積。

工作時(shí)，苞葉粉碎裝置轉(zhuǎn)動(dòng)力矩由液壓馬達(dá)提供，經(jīng)過聯(lián)軸器將力矩輸入到苞葉粉碎裝置中；在苞葉粉碎時(shí)縱動(dòng)刀和橫動(dòng)刀一起高速旋轉(zhuǎn)，卷入齒輪將玉米苞葉卷入到切割平臺(tái)后，在定刀與縱橫動(dòng)刀的配合下完成苞葉的粉碎；粉碎后的苞葉碎屑由苞葉碎屑排出口排出。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 刀片材料的選擇

由于刀片經(jīng)常與玉米苞葉摩擦，且苞葉的大小、濕度等因素都會(huì)使刀片有沖擊載荷，所以要求刀片的耐磨性要好，且抗沖擊性能也要優(yōu)良。該裝置采用的材料為8MnSi，屬于低合金刃具鋼，硬度為229HBS。

2.2 刀片排列方式

苞葉粉碎裝置的刀片分為定刀和動(dòng)刀，動(dòng)刀又分為縱向動(dòng)刀和橫向動(dòng)刀，橫向動(dòng)刀安裝在刀盤上，刀盤通過與主軸相連接。橫向動(dòng)刀一共4把，沿主軸軸線成90°對(duì)稱布置，以保證在刀盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下離心力很小，從而減小整個(gè)裝置的振動(dòng)，提升整個(gè)裝置的穩(wěn)定性與壽命。 縱向動(dòng)刀有3把， 在主軸上兩個(gè)

刀盤之間等距離分布排列。定刀使用1把，安裝在切割平臺(tái)上，定刀刀刃在橫動(dòng)刀刀刃回轉(zhuǎn)的圓周上。刀片的排列方式如圖2所示。

圖2 刀片的排列方式

2.3 刀片的結(jié)構(gòu)

固定刀片使用5個(gè)沉頭螺栓固定在機(jī)架上，既能保證有足夠的固定強(qiáng)度，又能保證動(dòng)刀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)碰到定刀的固定螺栓。橫向動(dòng)刀有5把刀片，采用兩端固定，其外圈直徑為350mm,橫向刀片長(zhǎng)度為490mm，橫向刀片厚度為6mm[14]。縱向動(dòng)刀主要由3把刀片組成，每把刀片有4個(gè)刀刃，刀片用4個(gè)螺栓固定在縱向刀片固定套，每把刀片均勻分布在苞葉粉碎主軸上?？v向動(dòng)刀的刀片直徑為310mm，刀片厚度為8mm，苞葉粉碎裝置刀片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a) 定刀刀片 (b) 橫向動(dòng)刀刀片 (c) 縱向動(dòng)刀刀片圖3 刀片結(jié)構(gòu)圖

2.4 卷入裝置的結(jié)構(gòu)

卷入裝置主要由1對(duì)齒形嚙合的橡膠滾筒和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其作用是將玉米收獲機(jī)苞葉剝離后的苞葉喂入到苞葉粉碎裝置中，便于苞葉的順利粉碎。齒形橡膠滾筒嚙合角為30°，長(zhǎng)度為490mm，直徑為100mm。卷入滾筒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

苞葉粉碎裝置安裝在玉米聯(lián)合收獲機(jī)的中后部，因此粉碎裝置的空間不是很大，根據(jù)本設(shè)計(jì)的玉米聯(lián)合收獲機(jī)的尺寸，確定本設(shè)計(jì)的具體參數(shù)，如表1所示。

圖4 卷入滾筒結(jié)構(gòu)圖表1 玉米聯(lián)合收獲機(jī)苞葉粉碎裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目單位設(shè)計(jì)數(shù)值裝置外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm630×500×500裝置工作幅寬mm490粉碎刀安裝總數(shù)個(gè)9粉碎轉(zhuǎn)速r/min1300刀盤回轉(zhuǎn)直徑mm350液壓馬達(dá)動(dòng)力kW5

2.5 主要工作部件的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.5.1 主軸轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比

根據(jù)文獻(xiàn)[15-19]和苞葉粉碎的要求，主軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 300r/min;液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為n1=n0=1 300r/min;主軸的工作轉(zhuǎn)速為1 300r/min,卷入裝置的轉(zhuǎn)速n2=360r/min；總轉(zhuǎn)動(dòng)比i=n1/n2=3.6。

2.5.2 各軸功率分配

根據(jù)《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：齒輪的傳動(dòng)效率λ1=0.96，聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率λ2=0.98，軸承的傳動(dòng)效率λ3=0.98。本文設(shè)計(jì)的苞葉粉碎裝置中液壓馬達(dá)的輸出功率為p0=5kW。

Ⅰ軸輸出的功率為

p1=p0×λ2×λ3=4.80kW

(1)

Ⅰ軸大約有80%的輸出功由動(dòng)刀消耗，剩余的20%的功傳遞給Ⅱ軸。Ⅱ軸輸出的功率為

p2=p1×λ1×λ3×20%=0.90kW

(2)

Ⅱ軸輸出的功率約有50%消耗在Ⅱ軸的卷入齒輪上，另外的50%傳遞給Ⅲ軸。Ⅲ軸輸出功率為

p3=p2×50%×λ1=0.43kW

(3)

2.5.3 粉碎裝置轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為

(4)

Ⅰ軸的輸出轉(zhuǎn)矩為

(5)

Ⅱ軸的輸出轉(zhuǎn)矩為

(6)

Ⅲ軸的輸出轉(zhuǎn)矩為

(7)

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 仿真參數(shù)

在ADAMS/VIEW中建立玉米苞葉模型,按照在山東省濰坊市進(jìn)行田間測(cè)量得到的玉米苞葉生長(zhǎng)數(shù)據(jù),建立玉米苞葉模型為:最大直徑70mm,長(zhǎng)度200mm,密度438×10-7kg /mm3[20-21]。

3.2 仿真方法

1)為了研究玉米苞葉的粉碎過程,進(jìn)行如下假設(shè):玉米苞葉為剛性體,在粉碎過程中,不考慮玉米苞葉的變形帶來的影響。

2)在ADAMS中通過仿真分析,研究玉米苞葉粉碎的整個(gè)過程,主要研究苞葉卷入和苞葉粉碎兩個(gè)過程。

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1 苞葉卷入

玉米苞葉卷入過程的仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為苞葉卷入時(shí)運(yùn)動(dòng)變化情況,圖5(b)為苞葉與卷入滾筒接觸受力曲線圖，圖5(c)為苞葉卷入速度變化曲線圖。

(a) 苞葉卷入仿真圖 (b) 苞葉卷入受力變化圖 (c) 苞葉卷入速度變化圖圖5 苞葉卷入仿真結(jié)果

由圖5(b)受力變化曲線圖可知：苞葉受力規(guī)律呈波浪線型遞增，主要是受卷入滾筒設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響；受力呈遞增趨勢(shì)主要是苞葉開始與卷入滾筒接觸時(shí)，由于苞葉前端直徑和厚度比較小，苞葉后端直徑和厚度比較大，因此在5(c)受力變化曲線圖中觀察出，接觸力呈逐漸增大趨勢(shì)。由圖5(b)速度變化曲線圖可知：玉米苞葉在x、y、z3個(gè)方向上都有運(yùn)動(dòng)，說明苞葉在卷入的過程中發(fā)生了滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和滑移的現(xiàn)象；在z方向上運(yùn)動(dòng)不明顯，說明苞葉在卷入過程中沒有發(fā)生彈跳現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明：在苞葉開始與卷入滾筒接觸時(shí)受力逐漸增大，在卷入的過程中自身產(chǎn)生了滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和滑移的現(xiàn)象。

3.3.2 苞葉粉碎

玉米苞葉粉碎過程的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為苞葉粉碎時(shí)運(yùn)動(dòng)變化情況, 圖6(b)為苞葉與粉碎刀滾筒接觸受力曲線圖，圖6(c)為苞葉粉碎速度變化曲線圖。由圖6(b)受力變化曲線圖可知：苞葉與粉碎刀滾筒接觸時(shí)，粉碎刀開始切斷苞葉；受力曲線圖中出現(xiàn)了3個(gè)峰值，由此可知苞葉在粉碎的過程中被橫向動(dòng)刀的3把刀片進(jìn)行了橫向切斷，然后繼續(xù)被縱向動(dòng)刀進(jìn)行縱向切碎。由圖6(c)速度變化曲線圖可知：玉米苞葉在x、y、z3個(gè)方向上都有運(yùn)動(dòng)，說明苞葉粉碎的過程中自身產(chǎn)生了翻轉(zhuǎn)、滑移和跳動(dòng)的現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明：在苞葉開始與粉碎滾筒接觸時(shí)先被橫向刀片進(jìn)行切斷，然后繼續(xù)被縱向動(dòng)刀進(jìn)行縱向切碎。在粉碎的過程中自身產(chǎn)生了翻轉(zhuǎn)、滑移和跳動(dòng)的現(xiàn)象。

(a) 苞葉粉碎仿真圖 (b) 苞葉粉碎受力變化圖 (c) 苞葉粉碎速度變化圖圖6 苞葉粉碎仿真結(jié)果

4 結(jié)論與討論

1)設(shè)計(jì)了一種玉米苞葉粉碎裝置。該裝置主要由卷入滾筒、粉碎橫向動(dòng)刀、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定刀、粉碎縱向動(dòng)刀、縱向動(dòng)刀安裝座、動(dòng)刀動(dòng)力傳送機(jī)構(gòu)、粉碎滾筒傳動(dòng)軸和粉碎箱體等組成，并建立了該裝置的虛擬樣機(jī)模型。

2)苞葉卷入仿真結(jié)果表明：在苞葉開始與卷入滾筒接觸時(shí)受力逐漸增大，在卷入的過程中自身產(chǎn)生了滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和滑移等現(xiàn)象。

3)苞葉粉碎仿真結(jié)果表明：在苞葉開始與粉碎滾筒接觸時(shí)先被橫向刀片進(jìn)行切斷，然后繼續(xù)被縱向動(dòng)刀進(jìn)行縱向切碎；在粉碎的過程中自身產(chǎn)生了翻轉(zhuǎn)、滑移和跳動(dòng)的現(xiàn)象。

進(jìn)行苞葉粉碎運(yùn)動(dòng)仿真過程中，僅將苞葉作為剛性體進(jìn)行了仿真分析，觀察苞葉在苞葉粉碎中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況。由于苞葉是剛性體，當(dāng)前文獻(xiàn)中有關(guān)苞葉物理力學(xué)性能參數(shù)還不多，因此對(duì)于苞葉粉碎的動(dòng)力學(xué)仿真中，其受力的變化規(guī)律趨勢(shì)是一致的，但是受力的數(shù)值還不準(zhǔn)確，需要進(jìn)一步的完善苞葉參數(shù)后再進(jìn)行研究。

[1] 陳志,郝付平,王鋒德，等.中國(guó)玉米收獲技術(shù)與裝備發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012(12): 44-50.

[2] Thomas Burnell ，Colbert.Iowa farmers and mechanical corn pickers,1900-1952[J].Agricultural History,2000,74(2):530-544.

[3] 黃宏偉,張超凡,陳松濤，等.麥草秸稈粉碎特性的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2007(7): 143-147.

[4] 姚燕,師清翔,劉師多，等.小麥秸稈粉碎裝置的粉碎性能試驗(yàn)分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2005(4): 74-76.

[5] 陳松濤,周學(xué)建,師清翔，等.小麥秸稈還田機(jī)粉碎裝置性能影響因素試驗(yàn)與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007(9): 67-70.

[6] 李明,王金麗,鄧怡國(guó)，等.1GYF-120型甘蔗葉粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008(2): 121-126.

[7] 史建新,陳發(fā),郭俊先，等.拋送式棉稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006(3): 68-72.

[8] 董勤各,馮浩,杜健.秸稈粉碎還田與化肥配施對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010(S2): 156-162.

[9] Hobbs P R,Sayre K,Gupta R.The role of conservation agriculture in sustainable agriculture[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences,2008, 363(1491): 543-555.

[10] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climatechange and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623-1627.

[11] 楊星釗,張俊才,楊富營(yíng).4FMJB-180型玉米秸稈粉碎免耕精播機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010，32(1): 134-136.

[12] 張軍昌,閆小麗,薛少平，等.秸稈粉碎覆蓋玉米免耕施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012(12): 51-55.

[13] 程改青,許艷華.4SFYK-150型生物質(zhì)秸稈粉碎壓捆機(jī)研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2012，34(6): 211-214.

[14] 賈洪雷,姜鑫銘,郭明卓，等.V-L型秸稈粉碎還田刀片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015(1): 28-33.

[15] 劉偉峰,劉文廣,馬彥華.錘片粉碎機(jī)異型粉碎室的理論分析及試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2010，32(2): 63-65.

[16] 張喜瑞,甘聲豹,鄭侃，等.滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015(4): 33-41.

[17] 甘聲豹,李粵,張喜瑞，等.喂入式立軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014(13): 10-19.

[18] 姚燕,姬裕江.基于錘爪式動(dòng)刀的小麥秸稈粉碎裝置試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2010，32(1): 156-158.

[19] 張佳喜,劉旋峰,牛長(zhǎng)河，等.新型滾刀式棉秸稈粉碎回收機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2012，34(1): 95-98.

[20] Xie Fuxiang, Ou Yinggang, Liu Qingting， et al. Virtual experiment on material flow simulation for whole stalk sugarcane harvester[C]//2011 International Conference on New Technology of Agricultural Engineering, 2011:185-188.

[21] 解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭，等.甘蔗收割機(jī)物流虛擬試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(S1)：90-94.

Design and Simulation on Bract Smash Device of Corn Harvester

Xie Fuxiang1， Song Jian1， Jiang Haoyu1,2

(1.School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China;2.College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Bract smash device was designed in order to study the mechanism on bract smash of corn harvester, which is mainly composed of the involvement of the drum, transverse knife of crushing, transmission, fixed knife, longitudinal the knife of smashing, vertical knife mount, knife power transmission mechanism, transmission axis of crushing and grinding box and other components. Bract smash device was simulated by the use of Pro/E and ADAMS software, simulation results show that in the bract involved process, when the bract comes into contact with the drum, the force involved is gradually increase, which produces a roll, flip and slip phenomenon in the involved process. In bract smashing process, when the bract comes into contact with the first smashing roller blades which cut transversely and longitudinally, and continue to be longitudinally movable knife chopped. In the grinding process itself produces a flip, sliding and jumping phenomenon.

corn harvester; bract smash; design; simulation

2016-01-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505337)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014EEP013)；濰坊學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2013BS07)

解福祥(1982-)，男，山東臨沂人，講師，博士，(E-mail)xfx608@126.com。

S225.5+1；S220.3

A

1003-188X(2017)03-0111-05