彈齒式清秸裝置防止殘茬回帶機構(gòu)設(shè)計與試驗優(yōu)化

史乃煜 陳海濤 王 星 柴譽鐸 王洪飛 侯守印

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

目前，國外免耕播種機大部分為大型牽引式聯(lián)合作業(yè)，普遍采用被動防堵技術(shù)完成作業(yè)，依靠機具質(zhì)量強行破茬入土[1]。其中，F(xiàn)ALLAHI等[2]通過試驗比較不同類型開溝圓盤性能，得出平面圓盤開溝播種深度一致性最佳。AHMAD等[3]針對雙圓盤開溝器破茬性能開展研究，得到雙圓盤開溝器直徑450 mm時破茬率最優(yōu)。對于我國地表有大量殘茬覆蓋的地區(qū)，被動防堵技術(shù)很難解決作業(yè)時殘茬堵塞問題，因此殘茬的處理必須采用動力驅(qū)動式防堵技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者對此開展大量研究。其中，趙宏波等[4]設(shè)計了一種條帶式旋切后拋防堵裝置，應(yīng)用正交試驗與有限元軟件仿真確定了旋切刀和開溝器等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，在保證防堵性能的同時降低了作業(yè)功耗。王韋韋等[5]針對玉米免耕播種機設(shè)計了一種主動式秸稈移位防堵裝置，解決了傳統(tǒng)玉米免耕播種在秸稈全覆蓋地作業(yè)過程中出現(xiàn)開溝器壅堵、架種和晾種等問題。盧彩云等[6]設(shè)計了一種浮動支撐防堵裝置，與帶狀旋耕防堵裝置相比，土壤擾動量減少約25%，油耗降低約7.04%。陳海濤等[7-8]研發(fā)的2BMFJ 系列免耕播種機，由拖拉機動力輸出軸提供動力，利用側(cè)向拋出殘茬方式，將殘茬均勻覆蓋于已播地表面，其中彈齒式清秸裝置相比于同系列剛齒式清秸裝置，具有動土量小、過載保護等優(yōu)點。但在側(cè)向拋撒殘茬時，工作部件會將部分殘茬回帶到整備后的種床，積累后易造成播種單體堵塞，影響正常播種[9-14]。因此，在原茬地免耕覆秸精量播種機彈齒式清秸裝置基礎(chǔ)上，增設(shè)一種防止殘茬回帶(以下簡稱防回帶)機構(gòu)具有重要的現(xiàn)實意義。

針對上述問題，設(shè)計一種適用于玉米原茬地彈齒式清秸防堵種床整備裝置的防回帶機構(gòu)，通過理論分析確定關(guān)鍵部件的主要參數(shù)，同時應(yīng)用正交試驗優(yōu)化得到該機構(gòu)最優(yōu)參數(shù)組合，提高2BMFJ系列彈齒式免耕播種機適用性，為精準(zhǔn)播種施肥奠定基礎(chǔ)。

1 清秸裝置防回帶機構(gòu)設(shè)計

1.1 清秸裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2BMFJ系列免耕播種機彈齒式清秸裝置主要由機架、傳動總成、清秸總成和殘茬拋撒調(diào)控裝置4部分構(gòu)成，如圖1a所示。

圖1 彈齒式清秸裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of spring-tooth stubble cleaning device 1.機架 2.傳動總成 3.清秸總成 4.殘茬拋撒調(diào)控裝置 5.彈齒軸鉸接座 6.清秸彈齒單元組 7.傳動帶 8.彈齒角度調(diào)節(jié)桿 9.彈齒 10.軸套A 11.彈齒連接軸 12.軸套B 13.彈齒固定座 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ.清秸彈齒單元組

清秸裝置作業(yè)時，由拖拉機動力輸出軸提供動力，經(jīng)由傳動總成帶動主動帶輪轉(zhuǎn)動，清秸彈齒等間距布置在傳動帶外側(cè)，隨傳動帶一同運動，對原茬地殘茬進(jìn)行側(cè)向水平輸送、拋撒至機具側(cè)面，均勻覆蓋于已播地表面，其傳動總成系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 傳動總成系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of transmission assembly system 1.彈齒 2.傳動帶 3.主動帶輪 4.傳動鏈 5.萬向節(jié)聯(lián)軸器6.拖拉機動力輸出軸 7.從動帶輪

彈齒是清秸裝置關(guān)鍵部件，彈齒與帶輪圓周外法線方向后偏角β(以下簡稱后偏角)和主動帶輪轉(zhuǎn)速n(以下簡稱轉(zhuǎn)速)直接影響殘茬回帶，回帶到種床的殘茬會堵塞施肥播種單體，影響正常播種[15-17]。

防回帶機構(gòu)如圖1b所示，它由清秸彈齒單元組、傳動帶和彈齒角度調(diào)節(jié)桿組成，清秸彈齒單元組與彈齒軸鉸接座鉸鏈并等間距固定在傳動帶外側(cè)，彈齒角度調(diào)節(jié)桿分別與相鄰兩清秸彈齒單元組Ⅱ、Ⅲ上部和中部鉸鏈，當(dāng)傳動帶帶動清秸彈齒單元組Ⅱ、Ⅲ對殘茬實施水平輸送作業(yè)時，彈齒角度調(diào)節(jié)桿、清秸彈齒單元組Ⅱ上部與兩清秸彈齒組Ⅱ、Ⅲ間傳動帶形成穩(wěn)定的“三角形”結(jié)構(gòu)，此時彈齒指向重力方向。當(dāng)清秸彈齒單元組Ⅰ隨帶輪做圓周運動，對殘茬實施側(cè)向拋撒作業(yè)時，由于傳動帶彎曲，致使相鄰兩清秸彈齒單元組Ⅰ、Ⅱ空間距離變短，在彈齒角度調(diào)節(jié)桿推動下，彈齒單元組Ⅰ繞軸旋轉(zhuǎn)，后偏角β變大，有效減少殘茬回帶，從而在原茬地上整備出良好的種床。

1.2 防回帶機構(gòu)參數(shù)確定

1.2.1側(cè)向拋撒殘茬運動分析

首先以兩組彈齒間桿組為研究對象，分析在該機構(gòu)作用下，后偏角變化情況。如圖3所示，彈齒隨傳動帶運動至位置B時，對殘茬實施側(cè)向拋撒作業(yè)，此時彈齒繞帶輪回轉(zhuǎn)中心O做勻速圓周運動，其相鄰下一組彈齒在D處由傳動帶帶動做勻速直線運動，對種床上殘茬進(jìn)行水平輸送作業(yè)。

圖3 拋撒殘茬示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of throwing straw

對桿組作模型簡化分析，建立如圖4所示平面直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點O為主動帶輪回轉(zhuǎn)中心，x軸正方向與工作彈齒運動方向相同，y軸正方向與重力方向相反。其鉸鏈點C矢量方程為

rOC=rOB+lBC=rOD+lDC

(1)

圖4 機構(gòu)矢量圖Fig.4 Drawing of institution’s vector

鉸鏈點C在x、y軸上投影，得到位置方程

(2)

其中

(3)

式中 (xB,yB)——鉸鏈點B坐標(biāo)值，mm

(xC，yC)——鉸鏈點C坐標(biāo)值，mm

(xD，yD)——鉸鏈點D坐標(biāo)值，mm

φ——BC連桿與x軸正方向夾角，(°)

α——DC連桿與x軸正方向夾角，(°)

θ——OB與y軸負(fù)方向夾角，(°)

R——帶輪回轉(zhuǎn)半徑，mm

l——彈齒組間距，mm

由式(2)得

(4)

其中

(5)

為保證機構(gòu)裝配，必須同時滿足lBDlDC-lBC。

由式(4)、(5)得到后偏角β隨OB與y軸負(fù)方向夾角θ變化關(guān)系：受防回帶連桿機構(gòu)影響，后偏角β隨θ增加而增加。

當(dāng)相鄰兩彈齒組B、C均繞回轉(zhuǎn)中心O做勻速圓周運動時，如圖5所示，彈齒組間距離lBD保持不變，后偏角β隨θ增加保持不變。

圖5 彈齒運動狀態(tài)分析圖Fig.5 Motion status analysis diagram of spring-tooth

分析得出，當(dāng)彈齒開始對殘茬進(jìn)行側(cè)向拋撒作業(yè)時，在防回帶連桿機構(gòu)作用下，后偏角β隨θ變化先增加后保持不變，該最大后偏角βmax為

(6)

1.2.2水平輸送殘茬運動分析

當(dāng)清秸彈齒單元組從圓周運動轉(zhuǎn)換為水平方向運動，開始對殘茬進(jìn)行水平輸送作業(yè)時，如圖6所示，由于彈齒單元組Ⅱ和彈齒角度調(diào)節(jié)桿Ⅲ共同作用，Ⅰ處彈齒會產(chǎn)生后偏角β，若該偏轉(zhuǎn)角過大，彈齒端部A無法及時接觸種床，致使部分區(qū)域內(nèi)殘茬無法清理，影響后續(xù)施肥播種作業(yè)。

圖6 彈齒開始輸送殘茬運動分析圖Fig.6 Motion analysis diagram of spring-tooth start conveying straw

為保證免耕播種機清秸裝置作業(yè)質(zhì)量，將后偏角β控制在一定范圍內(nèi)，有

d-dcosβ=h≤hmin

(7)

式中d——彈齒端部A與彈齒單元組回轉(zhuǎn)中心B的距離，mm

h——彈齒后偏角造成的重力方向滯后高度，mm

hmin——保證清秸質(zhì)量的理論最小入土深度，mm

通過對彈齒彈性變形分析和基礎(chǔ)試驗確定d為200 mm；為保證清秸質(zhì)量，彈齒入土深度要大于玉米根茬主根深度[18-19]，針對玉米根茬特性，設(shè)定彈齒最小入土深度hmin=50 mm，入土深度h與最大后偏角βmax關(guān)系為

(8)

彈齒對殘茬進(jìn)行水平輸送作業(yè)時，彈齒絕對速度va由拖拉機前進(jìn)方向速度ve(以下簡稱作業(yè)速度)和彈齒橫向線速度vr共同決定，由圖7可知，為確保殘茬清出種床，當(dāng)機具前進(jìn)距離為縱向?qū)挾萐時，需保證彈齒相對機架側(cè)向移動距離(k-1)L，即

(9)

(10)

式中L——壟距，mm

k——清秸裝置一次作業(yè)行數(shù)

圖7 清秸裝置整體布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of overall arrangement of straw cleaning device

清秸裝置縱向有效清秸寬度S過大會加長播種機整體長度，影響縱向穩(wěn)定性，過小不能保證清秸效果，綜合考慮選定400 mm；為保證防回帶機構(gòu)合理布置，取帶輪回轉(zhuǎn)半徑200 mm；由機械排種器特性得到免耕播種機常規(guī)作業(yè)速度為2.0 m/s。

當(dāng)清秸裝置縱向有效清秸寬度和橫向有效清秸長度一定時，清秸裝置轉(zhuǎn)速為

(11)

1.2.3切土節(jié)距分析和相關(guān)參數(shù)確定

彈齒對土壤清掃痕跡間法向距離即為切土節(jié)距，切土節(jié)距是影響清秸裝置作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)。節(jié)距過大導(dǎo)致部分殘茬無法清理出種床，過小則會增加機具能耗[20]，因此要求清秸裝置具有均勻切土節(jié)距。玉米根茬直徑在19 ～ 31 mm之間[21-22]，為保證清秸效果，設(shè)計理論切土節(jié)距為15 mm。

理論切土節(jié)距與轉(zhuǎn)速n、作業(yè)速度ve、彈齒組間距l(xiāng)和每組彈齒根數(shù)N1等有關(guān)，彈齒工作狀態(tài)如圖8所示。

圖8 清秸裝置彈齒的工作狀態(tài)Fig.8 Working state of spring-tooth

彈齒隨傳動帶運動一周，單根彈齒理論切土節(jié)距為

(12)

考慮每組N1根彈齒共同作用，每組彈齒理論最小切土節(jié)距為

(13)

不同彈齒組間彈齒理論最小切土節(jié)距為

(14)

彈齒最終切土節(jié)距由B1、B2、B3共同決定，且B1>B2>B3，當(dāng)單根彈齒理論切土節(jié)距B1大于清秸裝置縱向有效清秸寬度S時，圖8的Ⅰ區(qū)域殘茬無法被清理，此時需多組彈齒對該漏清區(qū)域進(jìn)行殘茬清理。

每組彈齒最小切土節(jié)距B2由每組彈齒根數(shù)N1決定，設(shè)計其為理論切土節(jié)距整數(shù)倍，得到清秸裝置每組彈齒理論最優(yōu)數(shù)量為均布6根，通過式(13)求得每組彈齒理論最小切土節(jié)距B2為80 mm，是最小切土節(jié)距的5倍。對應(yīng)彈齒組間距l(xiāng)計算式為

(15)

式中ξ——節(jié)距系數(shù)，根據(jù)實際需要取1、2、3、4

為保證彈齒組均布在傳動帶外側(cè)，l滿足條件

(16)

式中N2——傳動帶外側(cè)均布彈齒組個數(shù)，根據(jù)實際需要取自然數(shù)

綜合考慮式(7)～(16)，得到彈齒式清秸裝置部分結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)l=213 mm，βmax≤41.4°。

2行清秸裝置與3行清秸裝置主動帶輪最低轉(zhuǎn)速分別為97、194 r/min，當(dāng)作業(yè)行數(shù)大于3行時，采取兩側(cè)拋出方式。考慮安全系數(shù)，最終確定最低轉(zhuǎn)速為250 r/min。

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件與儀器

試驗于2017年11月9日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗田進(jìn)行，試驗地為壟距650 mm玉米地，秸稈人工收割后粉碎還田，殘茬覆蓋量1.9 kg/m2，平均土壤硬度27.6 kg/m2，平均土壤含水率19.5%，選用約翰迪爾280型拖拉機為試驗裝置提供配套動力。

試驗儀器：卷尺(量程5 m，精度1 mm)；直尺(量程20 cm，精度1 mm)；非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀(量程9 999 r/min，精度1 r/min)；電子秤(量程30 kg，精度0.01 kg)；TZS-1型土壤水分測定儀；TYD-2型土壤硬度計；數(shù)碼相機。

2.2 試驗設(shè)計與方法

應(yīng)用L9(34)正交試驗方法，選取作業(yè)速度、后偏角和轉(zhuǎn)速為試驗因素，殘茬清除率和殘茬回帶率為評價指標(biāo)，應(yīng)用Design-Expert 8.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。為簡化試驗裝置，選取βmax為彈齒后偏角，簡化后試驗裝置如圖9所示。

圖9 田間試驗Fig.9 Field test

結(jié)合清秸裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和前期預(yù)試驗，由式(8)計算得到后偏角范圍0°～41.4°；通過式(11)得到最低轉(zhuǎn)速250 r/min，根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗，轉(zhuǎn)速過快會加劇機體震動，影響作業(yè)穩(wěn)定性與可靠性，因此在保證清秸裝置作業(yè)質(zhì)量前提下，應(yīng)盡量降低轉(zhuǎn)速，試驗時，根據(jù)作業(yè)速度確定拖拉機擋位和油門后，使用轉(zhuǎn)速測量儀測量拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整鏈傳動比得到所需水平；免耕播種機作業(yè)速度過快導(dǎo)致配套排種器播種合格指數(shù)下降，過慢則降低播種機作業(yè)效率，綜合考慮選取作業(yè)速度1.5～2.5 m/s。最終確定各試驗因素水平如表1所示，試驗方案如表2所示。評價指標(biāo)包括殘茬回帶率和殘茬清除率。

清秸裝置作業(yè)后，殘茬被拋撒到機具前進(jìn)方向左側(cè)，因此在播種帶兩側(cè)，取長度相等兩段區(qū)域，分別測量清秸裝置作業(yè)后殘茬增加質(zhì)量，計算得到殘茬回帶率

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

(17)

式中 Δm1——清秸裝置作業(yè)后右側(cè)殘茬增加的質(zhì)量，kg

Δm2——清秸裝置作業(yè)后左側(cè)殘茬增加的質(zhì)量，kg

在播種完的種床上，利用五點取樣法進(jìn)行取樣，取清秸前、后單位面積殘茬質(zhì)量G1、G2，殘茬清除率為

(18)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果極差分析

試驗結(jié)果與極差分析如表2所示。A、B、C分別為作業(yè)速度、后偏角、轉(zhuǎn)速的水平值。

對于殘茬清除率，影響主次順序為C、A、B，優(yōu)化組合A1B2C3，即作業(yè)速度1.5 m/s，后偏角20°，轉(zhuǎn)速450 r/min；對于殘茬回帶率，影響主次順序為B、C、A，優(yōu)化組合A2B3C3，即作業(yè)速度2.0 m/s，后偏角30°，轉(zhuǎn)速450 r/min。

二者優(yōu)化結(jié)果并不完全相同，需要進(jìn)一步優(yōu)選，綜合比較兩優(yōu)化結(jié)果，共同確定因素C最優(yōu)水平為C3；考慮到作業(yè)速度決定作業(yè)效率，在保證作業(yè)質(zhì)量時應(yīng)提高作業(yè)速度，因素A中水平A1、A2對應(yīng)作業(yè)質(zhì)量均滿足要求，因此優(yōu)選A2為最優(yōu)水平；因素B對指標(biāo)Y1極差為7.0、對指標(biāo)Y2極差為0.7，因此由指標(biāo)Y2確定因素B最優(yōu)水平為B3。

綜上，通過極差分析得出優(yōu)化因素組合：作業(yè)速度不大于2.0 m/s，后偏角30°，轉(zhuǎn)速450 r/min。

3.2 試驗結(jié)果方差分析

對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

對于殘茬清除率，作業(yè)速度和轉(zhuǎn)速對其影響極顯著(P<0.01)，后偏角對其影響不顯著(P>0.01)，這是因為殘茬清除率主要由單位時間內(nèi)清秸裝置秸稈排出量和秸稈攝入量共同決定，秸稈攝入量與作業(yè)速度正相關(guān)，秸稈排出量與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，只有當(dāng)秸稈排出量大于秸稈攝入量時，才能保證作業(yè)效果，因此作業(yè)速度和轉(zhuǎn)速對殘茬清除率影響極顯著。

表2 試驗結(jié)果與極差分析Tab.2 Test results and range analysis

表3 方差分析結(jié)果Tab.3 Results of variance analysis

對于殘茬回帶率，后偏角對其影響顯著(P<0.05)，作業(yè)速度和轉(zhuǎn)速對其影響不顯著(P>0.05)，這是因為后偏角決定殘茬拋出方向，后偏角越大，殘茬拋出速度豎直分量越小，殘茬回帶率隨之減小。

3.3 最優(yōu)參數(shù)確定

綜合考慮各因素對殘茬清除率和殘茬回帶率兩指標(biāo)影響，以保障清秸質(zhì)量、減少殘茬回帶、提高作業(yè)效率為目標(biāo)，對試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到的兩個優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化試驗結(jié)果Tab.4 Results of optimization test

優(yōu)化結(jié)果1比優(yōu)化結(jié)果2的殘茬清除率高0.4個百分點，但考慮到作業(yè)效率，選擇方案2作為最優(yōu)參數(shù)組合，即：作業(yè)速度2.0 m/s，后偏角30°，轉(zhuǎn)速450 r/min，此時殘茬清除率96.8%，殘茬回帶率1.53%。與極差分析優(yōu)化結(jié)果相吻合。

按此優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證試驗，重復(fù)5次取平均值，結(jié)果為：殘茬清除率95.5%，殘茬回帶率1.38%。由驗證試驗結(jié)果可知，最優(yōu)參數(shù)組合下，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相符，優(yōu)化結(jié)果可信。

為確定防回帶連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Maple 18軟件對式(6)進(jìn)行數(shù)值求解，以連桿長度lBC和lCD為變量，根據(jù)試驗結(jié)果，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為后偏角30°，設(shè)定邊界條件

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計算得出連桿長度lBC和lCD分別為80、160 mm，即防回帶連桿機構(gòu)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)所設(shè)計的玉米原茬地彈齒式清秸裝置防回帶機構(gòu)，在保證作業(yè)幅內(nèi)殘茬清除質(zhì)量的同時，可有效減少殘茬回帶，為2BMFJ系列原茬地免耕播種機高質(zhì)量種床整備、提高防堵性能提供了技術(shù)支撐。

(2)加裝防止殘茬回帶機構(gòu)的2BMFJ系列免耕播種機彈齒式清秸裝置，在土壤硬度27.6 kg/cm2、土壤含水率19.5%、殘茬覆蓋量1.9 kg/m2玉米原茬地上，當(dāng)參數(shù)組合為作業(yè)速度2.0 m/s、后偏角30°、轉(zhuǎn)速450 r/min時，殘茬清除率95.5%，殘茬回帶率1.38%。