砍切喂入雙輥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

魏思林，李 粵，張喜瑞，梁 棟，王自強(qiáng)，陳 實(shí)，李志強(qiáng)

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

0 引言

我國(guó)每年農(nóng)作物收獲后的秸稈產(chǎn)出量都相當(dāng)巨大，大量的廢棄秸稈資源在風(fēng)干后被焚燒掉，不但造成了有機(jī)質(zhì)資源的白白浪費(fèi)，還帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，秸稈中的有機(jī)質(zhì)含量約占到了其總量的15%，以目前我國(guó)60 000萬t/年的秸稈生產(chǎn)量來計(jì)算，僅秸稈中含有的氮、磷、鉀總量之和就達(dá)到了1 070多萬t/年，超過了我國(guó)現(xiàn)有化肥施用總量的1/4[1-3]。

國(guó)外早在1個(gè)多世紀(jì)以前就開展了對(duì)秸稈還田技術(shù)的研究，其秸稈還田機(jī)具也較完備和完善[4]。我國(guó)的秸稈粉碎還田技術(shù)受到傳統(tǒng)思維、技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面的制約，沒有得到足夠的重視，且發(fā)展緩慢[5]，針對(duì)香蕉秸稈粉碎處理的研究只有華南地區(qū)的一些高校及科研院所開展。例如，王自強(qiáng)[6]等研制了一種溝齒式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，兩根對(duì)滾的粉碎輥不僅能增加粉碎效果，而且能減輕粉碎過程中易纏繞的問題。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)器的粉碎率達(dá)到了96.98%，但存在甩刀易磨損及機(jī)器震動(dòng)過大等問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)。公菲[7]等研制了一種液壓式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，由變量泵的輸出量來控制定量液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，提高了能源的利用率，降低了作業(yè)成本；但是該機(jī)器需要人工將香蕉假莖砍斷喂入，增加了工作量。吳學(xué)尚[8]等研制了的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，利用立軸甩刀與機(jī)架內(nèi)壁上的定刀對(duì)香蕉秸稈撕裂粉碎，試驗(yàn)表明：該機(jī)器粉碎效果好、功耗低，但工作時(shí)甩刀容易磨損、變形斷裂。

針對(duì)上述問題，結(jié)合香蕉莖稈粗大、含水量多、富含纖維素及木質(zhì)素等物質(zhì)的特性，設(shè)計(jì)了一種在香蕉收獲后能直接對(duì)香蕉整株假莖進(jìn)行粉碎的砍切喂入雙輥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，并通過理論建模確立了機(jī)具關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，采用仿真分析對(duì)秸稈粉碎刀輥進(jìn)行了模態(tài)分析，最終對(duì)研制出的樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

1 機(jī)器結(jié)構(gòu)與參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

砍切喂入雙輥式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)主要包括鏟斷喂入裝置、粉碎裝置、皮帶傳動(dòng)裝置、行走輪，變速箱及機(jī)殼，如圖1所示。

1.2 工作原理及機(jī)器參數(shù)

機(jī)器工作時(shí)，由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連；拖拉機(jī)在前行的過程中會(huì)將香蕉秸稈往前推倒，隨后位于香蕉秸稈粉碎還田機(jī)前端的鏟斷裝置會(huì)將香蕉假莖根部鏟斷；被鏟斷的香蕉秸稈會(huì)在擠壓輥擠壓輸送作用下送入秸稈粉碎裝置；粉碎裝置由兩個(gè)粉碎刀輥組成，進(jìn)入秸稈粉碎裝置的香蕉秸稈先由第1個(gè)粉碎輥進(jìn)行初步粉碎并被拋向后端，由二級(jí)粉碎刀輥進(jìn)行二次粉碎。機(jī)器的整機(jī)參數(shù)如表1所示。

1.鏟斷裝置 2.鋸齒式壓輥 3.動(dòng)力輸入傳動(dòng)軸 4.變速箱

表1 機(jī)器的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 鏟斷裝置

香蕉秸稈在進(jìn)入粉碎裝置之前，先由鏟斷裝置將其鏟斷。鏟斷裝置位于機(jī)具前方，工作時(shí)需要承載足夠大的鏟斷力，所以將其兩端的支架設(shè)計(jì)為三角形，如圖2所示。

設(shè)鏟斷刀刃口斜面與地面之間的夾角為α，其大小影響著鏟斷的香蕉秸稈能否被成功地鏟起來由喂入輥?zhàn)ト∥谷敕鬯槭?。如果夾角取值過大，被鏟斷的香蕉秸稈可能會(huì)堆積在鏟斷裝置前部，造成機(jī)具不能正常工作；如果夾角過小，刀刃的強(qiáng)度不夠，刀刃容易變形。研究表明[9-11]：鏟斷角α在 0°～20°之間時(shí)，鏟斷的阻力會(huì)逐漸減??；當(dāng)α≥20°時(shí)，鏟斷阻力隨著α的增大而增大；當(dāng)α為 18°～22°時(shí),鏟斷阻力比α在 45°～ 60°之間時(shí)要降低 35%～50%。本裝置取刃口傾斜角α為 20°，尺寸如圖 3(a)所示。支撐鋼板焊接在鏟齒刀刃的后端，結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3(b) 所示。支撐鋼板一方面起支撐作用，另一發(fā)面可去除泥土、石塊等雜物。

1.鏟刀 2.銷軸圖2 鏟斷裝置Fig.2 Cut ting device

圖3 鏟刀尺寸示意圖

2.2 喂入裝置

喂入裝置的喂入輥位于鏟斷裝置的上方，主要作用是抓取香蕉秸稈喂入粉碎室[12]。為了使香蕉秸稈能平穩(wěn)地喂入粉碎室，在喂入輥上設(shè)計(jì)了鋸齒，如圖4所示。

喂入裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：鋸齒喂入輥的長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng),直徑為D，與地面的距離為H。喂入輥直徑的大小直接影響到喂入輥?zhàn)ト∠憬督斩挼哪芰Γ何谷胼伒闹睆皆酱?，?duì)香蕉秸稈的抓取能力越強(qiáng)，同時(shí)也會(huì)增加功率消耗；喂入輥的直徑過小，對(duì)香蕉假莖的抓取面積過小，無法平穩(wěn)地將香蕉假莖送入粉碎室。

1.鋸齒式喂入輥 2.傳動(dòng)軸 3.皮帶輪 4.皮帶

香蕉假莖的外徑D可以根據(jù)公式(1)計(jì)算求得[13]，即

(1)

其中，Dmin為鋸齒式喂入輥的最小外徑(m)；Q為壓延比，取Q=0.6；φ為香蕉秸稈被擠壓前截面直徑，取φ=250～350mm；θ為香蕉假莖對(duì)溝齒式喂入輥的摩擦角(°)，取θ=40°～50°。

將上述選擇數(shù)據(jù)代入式(1)，得到Dmin為127～253mm；外徑D取值在100～250mm范圍內(nèi)比較合適，本文取喂入輥外徑D=250mm。

要保證喂入輥能夠有效喂入香蕉假莖，喂入輥軸線到地面的距離不能大于最小的香蕉假莖直徑與喂入輥半徑之和，故本設(shè)計(jì)取h=300mm。

喂入輥轉(zhuǎn)直接影響著香蕉假莖的進(jìn)給速度，間接影響到秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎效果，秸稈粉碎效果是設(shè)計(jì)一臺(tái)合格的還田機(jī)重要參數(shù)之一。香蕉假莖經(jīng)鏟斷后在被喂入輥?zhàn)ト≈?，假莖與地面相對(duì)于拖拉機(jī)的前進(jìn)速度在數(shù)值上是相等的；在假莖被喂入輥?zhàn)ト≈?，喂入輥上的鋸齒會(huì)對(duì)假莖切削、打擊。若鋸齒式喂入輥轉(zhuǎn)速過大，增加機(jī)器的消耗，浪費(fèi)能源；若鋸齒式喂入輥轉(zhuǎn)速過小，香蕉假莖無法被平穩(wěn)地抓取，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器推著香蕉假莖前行，堵塞喂入口；若鋸齒式喂入輥的線速度和香蕉假莖的相對(duì)速度相同時(shí)，假莖不僅能被平穩(wěn)地送入粉碎室，而且整機(jī)消耗的功率也最小。因此，取鋸齒式喂入輥的線速度和假莖的相對(duì)速度、機(jī)器的前行速度相同，即0.5～0.8m/s。

鋸齒式喂入輥的轉(zhuǎn)速與線速度滿足公式(2)，即

(2)

其中，n1為鋸齒式喂入輥的轉(zhuǎn)速(r/min)；V線為鋸齒式喂入輥的線速度(m/s)。

由式(2)可知：喂入輥轉(zhuǎn)速在66.88～95.54r/min之間，當(dāng)機(jī)具的前進(jìn)速度大于秸稈喂入速度時(shí)，香蕉秸稈易堆積在機(jī)具前方，故取n1=200r/min。

2.3 粉碎裝置

粉碎裝置是整個(gè)機(jī)具的核心部件，包括刀輥、刀座、粉碎刀及螺絲螺栓等，如圖5所示。粉碎刀座徑向等距離排列在粉碎刀軸上，一級(jí)粉碎刀軸軸向等距離配置7對(duì)，二級(jí)粉碎刀軸軸向等距離配置8對(duì)，兩個(gè)粉碎刀輥在空間上呈現(xiàn)階梯式布置。

1.皮帶 2.粉碎輥 3.甩刀圖5 粉碎裝置

設(shè)計(jì)每組甩刀的工作寬度為95mm，考慮到香蕉假莖纖維含量高，刀片切割香蕉莖稈時(shí)容易被纖維纏繞，兩個(gè)甩刀之間留有20mm的間距，甩刀排列計(jì)算公式為

(3)

若采用單頭螺旋線方式排列甩刀，每組甩刀間會(huì)有20mm的間隙，而秸稈的直徑在10～40mm之間，會(huì)有部分直徑小的秸稈漏切，故采用雙螺旋的方式排列甩刀，每條螺旋線上14把甩刀。第1條螺旋線上相鄰的甩刀關(guān)于軸線的夾角為60°；第2條螺旋線與第1條螺旋線關(guān)于軸線對(duì)稱，且在軸線方向向右偏移50mm來彌補(bǔ)兩相近甩刀間的間隙空缺，保證秸稈不會(huì)被漏切。甩刀在刀輥上的排列如圖6所示。其中，空心圓表示第1條螺旋線上的甩刀，實(shí)心圓表示第2條的螺旋線上的甩刀排列。

圖6 刀片在刀輥上的排列

2.4 刀輥的模態(tài)分析

秸稈粉碎還田機(jī)具田間粉碎作業(yè)時(shí)，粉碎刀輥高速旋轉(zhuǎn)與香蕉假莖接觸以剪切香蕉假莖。粉碎刀輥在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)雖受到兩端軸承的約束，但因作業(yè)幅寬較大，中間部分會(huì)受到動(dòng)力載荷的驅(qū)動(dòng)。尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)所激發(fā)出來的工作頻率接近粉碎刀軸自身固有頻率時(shí)，機(jī)具將產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，進(jìn)而對(duì)機(jī)具造成很大危害[14]。采用Soildworks 2016自帶的Simulation模塊對(duì)粉碎刀輥進(jìn)行模態(tài)分析，得出粉碎刀輥前5階頻率。為確定粉碎刀輥的合理轉(zhuǎn)速，本文提取前5階固有頻率和振型進(jìn)行分析。固有頻率結(jié)果如表2所示，振型結(jié)果如圖7所示。

表2 粉碎刀輥各階固有頻率

由圖7可知：在2階模態(tài)振型中，刀輥彎曲變形最?。坏?、4階模態(tài)振型中，刀輥呈S形狀變形；第5階模態(tài)振型中，刀輥呈M形狀變形，粉碎刀輥的前5階值固有頻率f的變動(dòng)區(qū)域?yàn)? 221.5～6 429.8Hz。根據(jù)秸稈粉碎作業(yè)過程中刀輥轉(zhuǎn)速需要達(dá)到的范圍n=900～1 100r/min，得到刀軸激勵(lì)頻率范圍為 12.5～18.3Hz，顯然遠(yuǎn)小于最低階數(shù)的固有頻率(1 221.5Hz)，即粉碎刀輥工作轉(zhuǎn)速避開了粉碎刀軸固有頻率的臨界值域，防止了共振的產(chǎn)生，所以刀輥轉(zhuǎn)速的選擇范圍合理。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)選擇海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)墩茶村的香蕉種植基地，蕉園品種為巴西蕉，香蕉假莖高度2.2～2.7m。為保證還田機(jī)的連續(xù)作業(yè)和結(jié)果穩(wěn)定性，試驗(yàn)地應(yīng)盡量選取田間平緩地段，作業(yè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 作業(yè)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《保護(hù)性耕作機(jī)械秸稈粉碎還田機(jī)》(GB/T 24675.6-2009)的測(cè)試要求,并根據(jù)田間實(shí)際情況，取樣單元選取以機(jī)具行進(jìn)同一方向上長(zhǎng)度50m且寬度不小于本機(jī)作業(yè)幅寬的區(qū)域。在試驗(yàn)田中隨機(jī)劃分了5個(gè)取樣單元，在地表秸稈覆蓋狀況下各測(cè)試5次，分別測(cè)得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2.1 還田機(jī)工作效率

香蕉假莖粉碎還田機(jī)的工作效率即還田機(jī)每工作1h的作業(yè)面積。用秒表測(cè)定機(jī)具從點(diǎn)1到點(diǎn)2所花費(fèi)的時(shí)間t0(點(diǎn)1到點(diǎn)2的直線段距離需大于50m)，在機(jī)具前進(jìn)的方向測(cè)量點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的距離H0，田間工作效率可以通過公式(4)計(jì)算出。將記錄到的5組數(shù)值取平均值即為香蕉假莖還田機(jī)工作效率，則

(4)

式中Q—工作效率(hm2/h)；

H0—測(cè)量點(diǎn)之間的距離(m)；

t0—機(jī)具從測(cè)量點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)到測(cè)量點(diǎn)2點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間(s)；

B—機(jī)具的作業(yè)幅寬(m)。

3.2.2 香蕉秸稈粉碎合格率

機(jī)具工作的每個(gè)行程中隨機(jī)選取5個(gè)1m×1m的測(cè)量區(qū)，撿拾測(cè)量區(qū)中的所有碎秸稈，秤量得其質(zhì)量m1，并挑揀出長(zhǎng)度大于10cm的秸稈秤其質(zhì)量m2，按公式(5)計(jì)算出每個(gè)測(cè)量區(qū)秸稈的粉碎合格率，即

(5)

式中p—每個(gè)測(cè)量區(qū)的秸稈粉碎合格率；

m1—每個(gè)測(cè)量區(qū)的秸稈總質(zhì)量(g)；

m2—每個(gè)測(cè)量區(qū)的不合格秸稈總質(zhì)量(g)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

還田機(jī)田間試驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 主要性能測(cè)試結(jié)果

續(xù)表3

樣機(jī)田間試驗(yàn)表明：工作效率平均值為0.43，香蕉秸稈平均粉碎合格率為96.46%，已達(dá)到了秸稈粉碎還田機(jī)的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)砍切喂入雙輥式粉碎香蕉秸稈粉碎還田機(jī)可以完成對(duì)香蕉秸稈的推倒鏟斷、抓取喂入粉碎的連續(xù)工作。

2)鏟斷裝置和喂入裝置可以將整株香蕉假莖鏟斷送入粉碎室，并將香蕉假莖全面粉碎，解決了因地面不平整而產(chǎn)生的粉碎不全面問題。

3)雙粉碎刀輥采用空間階梯布局，實(shí)現(xiàn)了前置刀輥對(duì)香蕉假莖初次粉碎后后置粉碎刀輥再次對(duì)香蕉莖稈碎片粉碎的功能，提高了粉碎率。