聯(lián)合收獲機配套秸稈收集裝置設計與研究

徐兵，盧琦，葉紹波，趙凡，鄭德聰

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈年可收集量約8億噸，居世界首位[1,2]，然而我國秸稈的綜合利用率僅為33%左右[3～7]，主要原因在于秸稈的飼料化和能源化利用都是以秸稈的收集為基礎，而聯(lián)合收獲機脫粒及清選裝置排出物(包括莖稈、穎殼和殘穗等)主要有粉碎拋撒還田和直接拋撒2種排出方式，直接拋撒出的莖稈人工收集起來工作量大，耽誤農(nóng)時。

國內(nèi)外許多學者先后開展了秸稈收儲裝備等相關方面的研究，1870年，美國研制成功了世界首臺秸稈撿拾方捆機，20世紀60年代開始出現(xiàn)圓捆機，近年來技術不斷發(fā)展和完善。John Deere公司研制的F440R型圓捆機，其撿拾器采用了凸輪軌道結構，工作效率提高50%[8]。在國內(nèi)，近年來由于秸稈處理不當帶來的環(huán)境問題日益突出，許多科研院所和高校開展了秸稈收集及處理裝備的研究。中國農(nóng)機院呼和浩特分院研制的華德9YG-1-4型卷捆機可用于秸稈的撿拾，且秸稈撿拾干凈，性能可靠。南京農(nóng)業(yè)機械化研究所金誠謙[9]、江蘇大學朱磊華等[10]相繼開展了聯(lián)合收獲打捆復式作業(yè)機的研發(fā)，不僅提高了秸稈收集效率，而且避免了機具二次進地。

現(xiàn)有秸稈打捆機雖然作業(yè)效率高，但需要聯(lián)合收獲后機具再次進地，復式作業(yè)機不易由農(nóng)民現(xiàn)有聯(lián)合收獲機改造，因此，農(nóng)民回收秸稈的積極性不高。研發(fā)成本低且能與現(xiàn)有機具配套的秸稈收集裝備、完善秸稈收儲運體系是增強農(nóng)民回收秸稈自主性，提高其綜合利用水平的關鍵所在[11～13]。為提高秸稈收集效率、降低回收成本，本文設計了一種基于重力控制的聯(lián)合收獲機配套秸稈收集裝置，以解決聯(lián)合收獲機作業(yè)后秸稈拋撒零散不利于收集的問題。

1 秸稈收集裝置的結構及原理

1.1 秸稈收集裝置的結構

秸稈收集裝置固定于聯(lián)合收獲機排草口處組成聯(lián)合收獲秸稈收集復式作業(yè)機，該機具主要用于稻麥類作物的聯(lián)合收獲、秸稈收集，其總體結構如圖1所示。工作時，稻麥作物經(jīng)輸送裝置2輸送至脫粒及清選裝置3進行脫粒及清選作業(yè)，清選后的籽粒儲存在糧箱內(nèi)，秸稈經(jīng)排草口4排到秸稈收集裝置6中儲存，當收集的秸稈重量達到設定重量后，收集裝置自動打開進行卸草作業(yè)，卸草完成后裝置自動復位。

1.撥禾輪； 2.輸送裝置； 3.脫粒及清選裝置； 4.排草口； 5.卸糧筒； 6.秸稈收集裝置1.reel， 2.conveying device， 3.threshing-cleaning device， 4.grass discharge hole， 5.grain unloading device， 6.straw collecting device圖1 聯(lián)合收獲秸稈收集復式作業(yè)機結構示意圖Fig.1 Diagram of all-in-one machine of combine harvester and straw collection

為提高秸稈收集效率，同時考慮易于配套、結構簡單、低成本的設計要求，確定了基于重力控制的聯(lián)合收獲機后置式秸稈收集裝置設計方案。該裝置主要由機架1、活動底板2、連桿3、活動擋板4、固定擋板5、配重塊6等組成，如圖2所示。

1.機架； 2.活動底板； 3.連桿； 4.活動擋板； 5.固定擋板； 6.配重塊1.frame， 2.movable bottom plate， 3.connecting rod， 4.movable baffle plate， 5.fixed baffle plate， 6.balancing weight圖2 秸稈收集裝置結構圖Fig.2 Structural diagram of straw collecting device

裝置通過機架固連于聯(lián)合收獲機排草口處，活動底板2和活動擋板4通過連桿3鉸接且二者分別可以繞各自的轉(zhuǎn)軸在一定角度范圍內(nèi)擺動，固定擋板5焊接在機架1上，機架1、活動底板2、活動擋板4及固定擋板5共同圍成集草箱。裝置的工作主要依靠秸稈、配重塊的重力作用來驅(qū)動，省去了額外的動力系統(tǒng)及傳動機構，使裝置結構大大簡化。

活動底板2用若干根與聯(lián)合收獲機前進方向平行和垂直的Φ15 mm流體焊接管焊接成柵狀結構，與機具前進方向平行的焊接管以50 mm的距離等距布置，各管長400 mm，活動底板寬度覆蓋聯(lián)合收獲機排草口寬度?；顒訐醢?焊接成與活動底板類似的結構，活動底板及活動擋板的柵狀結構可以使排草口排出的穎殼及部分短碎莖稈在風扇的作用下從活動底板或活動擋板吹出裝置外，達到直接還田的目的。

1.2 收集裝置的機構設計及原理

以久保田4LZ-2.5聯(lián)合收獲機為平臺，設計可自動收集并成堆鋪放秸稈的回收裝置，裝置采用重塊控制的反向四桿機構實現(xiàn)對對秸稈的收集和自動釋放，機構簡圖如圖3所示，具體參數(shù)如下：AB=246 mm，BC=820 mm，CD=300 mm，AD=1 044 mm，∠BAF=150°。

圖3 秸稈收集裝置機構簡圖Fig.3 Schematic diagram of mechanism

工作過程中，CD桿、AB桿分別繞鉸接點D、A作往復擺動且AB為主動桿件，CD為從動桿件，機構為雙搖桿機構。初始狀態(tài)，在配重塊、機架共同作用下，與主動搖桿AB固連的活動底板AF處于水平狀態(tài)，聯(lián)合收獲機工作時由排草口排出的秸稈不斷落在活動底板上，當落在活動底板上秸稈的重量增加到足以克服配重塊、活動擋板DCE以及連桿BC作用在主動搖桿AB上的運動阻力時，BAF順時針轉(zhuǎn)動，DCE逆時針轉(zhuǎn)動，秸稈從AF上滑落，秸稈滑落后，在配重塊及桿件自身重力作用下，秸稈收集裝置迅速恢復到初始狀態(tài)，DCE和BAF靠近、分離一次完成一個集草、卸草工作循環(huán)。

2 活動底板動作分析

2.1 極限擺角的計算

秸稈與活動底板之間的摩擦系數(shù)決定了秸稈從活動底板上開始下滑的角度，而摩擦系數(shù)不僅與作物類型和活動底板的材料有關，還受秸稈接觸部位及其接觸角等因素的影響[14]。秸稈開始下滑的角度按經(jīng)驗較大值取60°，活動底板擺動角度取決于雙搖桿機構搖桿AB的極限擺角φ。本裝置中搖桿AB的兩個極限位置分別出現(xiàn)在CD桿與BC桿兩次拉直共線時[15]，根據(jù)幾何關系有：

(1)

由式(1)可求出桿AB的極限擺角φ約為203°，AB在機架AD單側(cè)擺動角度為101.5°，能夠滿足秸稈收集裝置卸草工作的要求。

2.2 活動底板受力分析

以活動底板為研究對象，對其進行受力分析，如圖4所示。當配重塊的重力G1一定，裝置內(nèi)秸稈達到最大收集量時，活動底板滿足平衡條件：

G2×L2=G1×L1+F32×L3

(2)

式中，G2為秸稈的重力/N；F32為連桿對活動底板的作用力/N；L1、L2、L3分別為G1、G2、F32對A點的作用力臂/m。

圖4 活動底板受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of movable bottom plate

所收集秸稈的重量遠大于裝置自重，在忽略F32的情況下，式(2)可寫為：

G2×L2=G1×L1

(3)

取配重塊的質(zhì)量m1為8 kg，L1調(diào)節(jié)范圍為0.5～0.6 m，L2為0.2 m，由式(3)可求出秸稈收集量范圍為20～24 kg。當秸稈質(zhì)量達到設定的收集質(zhì)量時，活動底板處于平衡將要被打破的臨界狀態(tài)，聯(lián)合收獲機下一時刻的排草量Δm將打破原有平衡狀態(tài)，活動底板產(chǎn)生角加速度，則有：

(4)

式中，MA為作用在活動底板上的外力對A點的力矩/N·m；JA為轉(zhuǎn)動慣量/kg·m2；α為角加速度/rad·s-2。Δm可由聯(lián)合收獲機喂入量和草谷比得出，喂入量取2.0 kg·s-1，谷物類草谷比取1.0[16]，則排草量Δm為1 kg·s-1。取L1為0.5 m，由式(4)可求出α為0.70 rad·s-2。

3 機構運動學仿真

3.1 數(shù)學模型

為構建秸稈收集裝置的運動學數(shù)學模型，首先以活動底板的固定鉸接點A為坐標原點，垂直向上為y方向建立右手坐標系，然后分別用矢量表示裝置中各桿件，并定義各矢量與x軸正向的夾角，如圖5所示。

圖5 四桿機構矢量環(huán)Fig.5 The vector loop model of four-bar mechanism

根據(jù)機構位置關系有：

(5)

(6)

方程(6)兩端對時間求一階導數(shù)、二階導數(shù)得到速度和加速度矩陣方程，如式(7)、(8)所示：

(7)

(8)

3.2 Simulink仿真

在建立機構Simulink模型之前，首先利用MATLAB編寫求解機構加速度方程的M函數(shù)文件acceleration.m，同時為了驗證仿真結果的有效性，定義誤差矢量：

(9)

對式(9)分別沿x、y方向分解可得：

(10)

利用MATLAB編寫求解式(10)結果均方根的M函數(shù)文件errors.m，然后借助Simulink工具建立如圖6所示的秸稈收集裝置運動學模型[17,18]。

圖6 Simulink模型Fig.6 Simulink model

把裝置將要進行卸草動作即活動底板從水平位置開始逆時針擺動的時刻定義為t=0，把此時的機構參數(shù)作為仿真的初始條件，詳細參數(shù)如表1所示。AB桿角加速度為-0.7 rad·s-2，秸稈滑落角度取60°，則可求出秸稈滑落的時間約為1.73 s。

表1四桿機構參數(shù)

Table1 The structural parameters of the four-bar mechanism

桿件Bar桿長/cmRodlength角度/radAngle角速度/rad·s-1AngularvelocityAD104.41.27410AB24.62.61800BC82.00.78820CD30.04.91360

3.3 仿真結果及分析

3.3.1 桿件運動特性及誤差

根據(jù)表1給定的機構參數(shù)定義模型中相應積分器的初值，仿真時間設為1.73 s。運行仿真，并將仿真結果以“Array”的形式輸出到MATLAB workspace。編寫繪圖程序輸出活動底板及活動擋板的角位移時變曲線，如圖7所示。

圖7 矢量夾角時變曲線Fig.7 Curves of vector angle versus time

由圖7可知，在1.73 s時，AB桿和活動擋板的矢量角分別為1.57 rad和5.74 rad，進一步利用圖解法可得裝置開口即E1F1的距離約為1 095 mm，可滿足秸稈收集裝置排草工作的需要。

編寫程序繪制仿真結果均方根誤差的時變曲線，如圖8所示。由圖8可知，仿真結果均方根誤差穩(wěn)定在2.782 7×10-3附近，這表明任一時刻的仿真結果都在此誤差范圍內(nèi)滿足閉環(huán)矢量方程(5)，仿真效果良好。

圖8 均方根誤差時變曲線Fig.8 Curves of RMSE versus time

3.3.2 機構傳動特性分析

因秸稈收集裝置的驅(qū)動主要依靠配重塊及秸稈的重力作用，要求裝置傳動機構必須要有良好的傳力性能。在工作過程中，AB桿為主動桿件，CD桿作從動擺動，根據(jù)圖5中所示的幾何關系有：

(11)

根據(jù)傳動角的定義有：

(12)

調(diào)用Simulink模型輸出結果，編寫式(11)、(12)MATLAB計算、繪圖程序，得到傳動角隨時間變化曲線，如圖9所示。

圖9 傳動角隨時間變化曲線Fig.9 Curves of transmission angle versus time

由圖9可知，裝置在卸草過程中傳動角在56.368°～90°、90°～77.903°之間變化，最小傳動角為56.368°，最大傳動角可達90°，說明機構具有良好的傳力性能。

4 結論

(1)設計完成了與久保田4LZ-2.5聯(lián)合收獲機配套的秸稈收集裝置。裝置采用配重塊控制的反向四桿機構實現(xiàn)了秸稈的收集和成堆鋪放。當配重塊質(zhì)量為8 kg，作用力臂為0.5～0.6 m時，裝置秸稈收集量為20～24 kg。

(2)完成了機構運動學仿真，輸出了相應桿件的運動特性曲線，裝置開口約為1 095 mm，均方根誤差穩(wěn)定在2.782 7×10-3附近，仿真結果可靠。

(3)給出了機構傳動角與桿件夾角的關系式，求出了傳動角變化范圍，且最小傳動角為56.368°，機構傳力性能良好。

[1] 李海亮,汪春,孫海天,等.農(nóng)作物秸稈的綜合利用與可持續(xù)發(fā)展[J].農(nóng)機化研究,2017,39(8):256-262.

[2] 彭春艷,羅懷良,孔靜.中國作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2014,35(3):14-20.

[3] 丁麗.我國農(nóng)作物秸稈利用現(xiàn)狀及對策[J].河南農(nóng)業(yè),2017 (1):23.

[4] 肖體瓊,何春霞,凌秀軍,等.中國農(nóng)作物秸稈資源綜合利用現(xiàn)狀及對策研究[J].世界農(nóng)業(yè),2010(12):31-33.

[5] 徐萌.農(nóng)業(yè)秸稈資源化綜合利用環(huán)境經(jīng)濟效益研究[D].杭州：浙江理工大學,2017：21-33.

[6] 薛銀婷,何興兵,林永慧,等.利用曲霉sp.HS-6發(fā)酵玉米秸稈進行固體纖維素酶的制備[J].安徽農(nóng)業(yè)大學學報,2016,43(03):373-377.

[7] 李秀雙,師江瀾,王淑娟,等.長期秸稈還田對農(nóng)田土壤鉀素形態(tài)及空間分布的影響[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版),2016,44(03):109-117.

[8] 郭忠寶,溫曉鑫,葛宜元,等.秸稈打捆機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機使用與維修，2017(7):16-19.

[9] 金誠謙,唐宗義,金梅,等.聯(lián)合收獲機后不落地打捆裝置的設計與試驗[J].農(nóng)機化研究,2011，33(7):147-150.

[10] 朱磊華,李耀明,徐立章.聯(lián)合收獲打捆復式作業(yè)機的結構特點及分析[J].農(nóng)機化研究,2017，39(9):264-268.

[11] 李耀明,成鋮,徐立章.4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復式作業(yè)機設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016，32(23):29-35.

[12] 呂宸,呂建強,王國平,等.我國農(nóng)作物秸稈收集存在的問題及對策[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2012(22):203-204.

[13] 王紅彥,王飛,孫仁華,等.國外農(nóng)作物秸稈利用政策法規(guī)綜述及其經(jīng)驗啟示[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016,32(16):216-222.

[14] 盧彩云,趙春江,孟志軍,等.基于滑板壓稈旋切式防堵裝置的秸稈摩擦特性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016,32(11):83-89.

[15] 高英敏,馬璇,張麗萍.雙搖桿機構極限擺角的確定[J].機械設計,2004,21(4):51-53.

[16] 畢于運.秸稈資源評價與利用研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院,2010：75-81.

[17] 約翰·F·加德納.機構動態(tài)仿真:使用MATLAB和SIMULINK[M].西安：西安交通大學出版社,2002：25-44.

[18] 王玉順.MATLAB實踐教程[M].西安：西安電子科技大學出版社,2012：123-128.