絞籠式煙稈拔除機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

燕亞民，孔會(huì)東，楚宜民，楊富營(yíng)

(1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南許昌 461000；2.許昌同興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司，河南許昌 461000；3.許昌市建安區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局，河南許昌 461000)

煙草生產(chǎn)屬于勞動(dòng)密集產(chǎn)業(yè)。為防止煙草病蟲害的發(fā)生，煙草收獲時(shí)須將含須根的煙稈從田地里清除干凈。傳統(tǒng)煙稈拔除靠人力完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且人工拔除煙稈根系容易殘留在土壤中，引發(fā)霉變、滋生病菌，影響來年煙草種植。因此，研制煙稈拔除機(jī)非常必要。煙稈拔除機(jī)是實(shí)現(xiàn)煙草種植機(jī)械化的關(guān)鍵設(shè)備之一，使用煙稈拔除機(jī)可以有效減輕煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本文在吸收國(guó)內(nèi)外不同類型秸稈拔除機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)煙草種植農(nóng)藝特點(diǎn)，并考慮煙稈在田間的生長(zhǎng)情況、植株倒伏傾斜情況、離散分布情況、根系在土壤中分布情況、土壤情況，設(shè)計(jì)一種絞籠式煙稈拔除機(jī)。絞籠式煙稈拔除機(jī)由減速傳動(dòng)箱、板狀撥桿裝置、三葉螺旋狀絞籠、深度調(diào)節(jié)裝置、懸掛牽引裝置及防護(hù)罩等組成，可一次性完成煙稈拔除、根部土壤清除、煙壟平整等工作，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，移動(dòng)、操作及維護(hù)方便，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

絞籠式煙稈拔除機(jī)主要組成如圖1所示，減速傳動(dòng)箱包括1個(gè)主動(dòng)錐齒輪軸、1個(gè)橫向中間軸和2個(gè)縱向輸出軸。輸出軸外端通過法蘭連接三葉螺旋狀絞籠，橫向中間軸在箱體伸出端安裝有鏈輪，可通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝于絞籠上方的板狀撥桿裝置。深度調(diào)節(jié)裝置安裝在減速傳動(dòng)箱前支架下方，懸掛牽引裝置安裝在減速傳動(dòng)箱前支架上方。煙稈拔除機(jī)通過懸掛牽引裝置掛在輪式拖拉機(jī)上，減速傳動(dòng)箱主動(dòng)錐齒輪軸通過萬(wàn)向傳動(dòng)裝置與拖拉機(jī)輸出軸聯(lián)接。

工作時(shí)，拖拉機(jī)懸掛煙稈拔除機(jī)在煙壟上，通過液壓升降裝置降下煙稈拔除機(jī)后，拖拉機(jī)輸出軸接通減速傳動(dòng)箱主動(dòng)錐齒輪軸，牽引煙稈拔除機(jī)行走，帶動(dòng)左右三葉螺旋狀絞籠相向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)板狀撥桿裝置旋轉(zhuǎn)。左右三葉螺旋狀絞籠的旋轉(zhuǎn)將煙壟土壤推到煙稈兩側(cè)，煙稈被挖出并推向后方，板狀撥桿裝置則進(jìn)一步向后方撥動(dòng)煙稈(二次撥桿)，使煙稈從防護(hù)罩后方排出。二次撥桿既可除掉煙稈根部的土壤，又能防止煙稈聚集在防護(hù)罩內(nèi)。左右三葉螺旋狀絞籠的入土深度通過深度調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)，確保煙稈根系的拔凈率，并減少動(dòng)力消耗。

1.主動(dòng)錐齒輪軸；2.懸掛牽引裝置；3.減速傳動(dòng)箱；4.防護(hù)罩；5.板狀撥桿裝置；6.三葉螺旋狀絞籠；7.深度調(diào)節(jié)裝置。圖1 絞籠式煙稈拔除機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of winch-cage tobacco stalk extractor

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)煙稈拔除有關(guān)要求，結(jié)合機(jī)具結(jié)構(gòu)布局、動(dòng)力傳輸情況，確定煙稈拔除機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)(表1)。

表1 絞籠式煙稈拔除機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of winch-cage tobacco stalk extractor

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 減速傳動(dòng)箱的設(shè)計(jì)

減速傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由箱體、主動(dòng)錐齒輪軸、從動(dòng)錐齒輪、中間軸、撥桿裝置驅(qū)動(dòng)鏈輪、輸出錐齒輪等組成。箱體是減速傳動(dòng)箱的關(guān)鍵部件，為整體式結(jié)構(gòu)，可以減少箱體零件數(shù)量，簡(jiǎn)化減速傳動(dòng)箱加工、裝配及調(diào)整工藝，使箱體安裝簡(jiǎn)單，便于檢查調(diào)整，裝配質(zhì)量有保證。采用整體式結(jié)構(gòu)容易確保主動(dòng)錐齒輪軸與左右2個(gè)輸出錐齒輪軸之間的夾角一致，這是確保2個(gè)絞籠入土深度一致、受力一致的關(guān)鍵。中間軸是減速傳動(dòng)箱的主要傳力部件，該軸上加工花鍵和臺(tái)肩，通過定位套筒和調(diào)整墊確保3組錐齒輪的正確嚙合。主動(dòng)錐齒輪軸通過2個(gè)圓錐滾子軸承裝在法蘭套上，法蘭套通過法蘭止口與箱體連為一體，主動(dòng)錐齒輪軸由軸上的定位套筒和調(diào)整墊調(diào)節(jié)位置。輸出錐齒輪通過花鍵與絞籠軸聯(lián)接。工作時(shí)，主動(dòng)錐齒輪軸通過從動(dòng)錐齒輪將動(dòng)力傳遞至中間軸上，安裝在中間軸上的4個(gè)輸出錐齒輪帶動(dòng)絞籠，實(shí)現(xiàn)2個(gè)絞籠相向旋轉(zhuǎn)。

1.箱體；2.主動(dòng)錐齒輪軸；3.從動(dòng)錐齒輪；4.中間軸；5.撥桿裝置驅(qū)動(dòng)鏈輪；6.右輸出錐齒輪。圖2 減速傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of reduction gear box

2.2 三葉螺旋狀絞籠的設(shè)計(jì)

三葉螺旋狀絞籠是煙稈拔除機(jī)的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)如圖3所示。拔煙稈時(shí)，煙稈根系和土壤作用在絞籠上，容易使絞籠與箱體聯(lián)接部位疲勞并斷裂。因此，使用通軸聯(lián)接絞籠與輸出錐齒輪。通軸端加工花鍵，直接與輸出錐齒輪內(nèi)孔花鍵聯(lián)接，并通過2個(gè)圓錐滾子軸承、定位套筒、調(diào)整墊安裝在箱體上。絞籠另一端焊接3個(gè)螺旋形葉片。3個(gè)螺旋形葉片均勻分布，形成整體式三葉螺旋狀絞籠。葉片由合金鋼成型后焊接，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在河南省煙草公司許昌市公司全程機(jī)械化煙田示范園區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)場(chǎng)地為剛采收后的煙田(圖4)，土壤為褐土質(zhì)，含水率約30%；煙稈高度約1.4 m，有輕度倒伏和傾斜；煙壟高度大于15 cm，煙壟上雜草多為莖長(zhǎng)約25 cm的野草。

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)地照片F(xiàn)ig.4 Test site photo

3.2 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素為機(jī)具工作速度、絞籠旋轉(zhuǎn)速度、絞籠入土深度。評(píng)價(jià)指標(biāo)為煙稈拔除率和須根殘留率。煙稈拔除率為實(shí)際拔除煙稈數(shù)量與計(jì)劃拔除煙稈數(shù)量之比；須根殘留率為拔除煙稈過程中煙稈根系被拔斷的煙稈數(shù)量與計(jì)劃拔除煙稈數(shù)量之比。依據(jù)煙稈拔除機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)(表1)，煙稈拔除率≥98%時(shí)，須根殘留率≤5%。

3.2.1 單因素試驗(yàn)

固定絞籠入土深度為20 cm，絞籠旋轉(zhuǎn)速度為315 r/min，設(shè)定機(jī)具工作速度分別為12 m/s、13 m/s、14 m/s、15 m/s、16 m/s，考察機(jī)具工作速度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響。

固定絞籠入土深度為20 cm，機(jī)具工作速度為14 m/s，設(shè)定絞籠旋轉(zhuǎn)速度分別為255 r/min、285 r/min、315 r/min、345 r/min、375 r/min，考察絞籠旋轉(zhuǎn)速度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響。

固定機(jī)具工作速度為14 m/s，絞籠旋轉(zhuǎn)速度為315 r/min，設(shè)定絞籠入土深度分別為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm，考察絞籠入土深度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響。

3.2.2 正交試驗(yàn)

對(duì)機(jī)具工作速度(A)、絞籠旋轉(zhuǎn)速度(B)、絞籠入土深度(C)進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1.1 機(jī)具工作速度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響

由圖5可知：當(dāng)機(jī)具工作速度為12～14 m/s時(shí)，煙稈拔除率隨機(jī)具工作速度的提高而升高；當(dāng)機(jī)具工作速度為14～16 m/s時(shí)，煙稈拔除率隨機(jī)具工作速度的提高而降低。須根殘留率隨機(jī)具工作速度的提高而不斷升高。這說明機(jī)具工作速度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響是明顯的。綜合考慮煙稈拔除率和須根殘留率，選擇機(jī)具工作速度為14 m/s較為合適。

3.3.1.2 絞籠旋轉(zhuǎn)速度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響

由圖6可知：當(dāng)絞籠旋轉(zhuǎn)速度為255～315 r/min時(shí)，煙稈拔除率隨絞籠旋轉(zhuǎn)速度的提高而升高；當(dāng)絞籠旋轉(zhuǎn)速度為315～375 r/min時(shí)，煙稈拔除率隨絞籠旋轉(zhuǎn)速度的提高而緩慢降低。另外，當(dāng)絞籠旋轉(zhuǎn)速度在255～285 r/min時(shí)，須根殘留率隨絞籠旋轉(zhuǎn)速度的提高而降低；當(dāng)絞籠旋轉(zhuǎn)速度為285～375 r/min時(shí)，須根殘留率隨絞籠旋轉(zhuǎn)速度的提高而升高。這說明絞籠旋轉(zhuǎn)速度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響是明顯的。綜合考慮煙稈拔除率和須根殘留率，絞籠旋轉(zhuǎn)速度為285～315 r/min比較合適。

圖6 不同絞籠旋轉(zhuǎn)速度下的煙稈拔除率和須根殘留率Fig.6 The removal rate of tobacco talk and residual rate of fibrous root under different rotation speeds of winch-cage

3.3.1.3 絞籠入土深度對(duì)煙稈拔除率和須根殘留率的影響

由圖7可知，煙稈拔除率隨絞籠入土深度增大而升高，須根殘留率隨絞籠入土深度增大而降低。但絞籠入土深度越大，機(jī)具的動(dòng)力消耗就越大，因此選擇絞籠入土深度20 cm較為合適。

圖7 不同絞籠入土深度的煙稈拔除率和須根殘留率Fig.7 The removal rate of tobacco stalk and residual rate of fibrous root under different depths of winch-cage into soil

3.3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可以看出：影響煙稈拔除率的因素主次順序是絞籠入土深度、絞籠旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)具工作速度；影響須根殘留率的因素主次順序是絞籠入土深度、機(jī)具工作速度和絞籠旋轉(zhuǎn)速度。煙稈拔除率高、須根殘留率低的最優(yōu)組合為A2B2C3，即機(jī)具工作速度為14 m/s，絞籠旋轉(zhuǎn)速度為315 r/min，絞籠入土深度為30 cm。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal test

因正交試驗(yàn)與單因素試驗(yàn)結(jié)果不完全相同，進(jìn)一步選取單因素試驗(yàn)較優(yōu)組合A2B2C2與正交試驗(yàn)最優(yōu)組合A2B2C3比較試驗(yàn)。結(jié)果顯示，與20 cm相比，絞籠入土深度為30 cm時(shí)，煙稈拔除率和須根殘留率變化較小，但動(dòng)力消耗增加明顯，即選擇絞籠入土深度為20 cm時(shí)，機(jī)具性能最佳。因此試驗(yàn)優(yōu)化組合確定為A2B2C2，即機(jī)具工作速度為14 m/s，絞籠旋轉(zhuǎn)速度為315 r/min，絞籠入土深度為20 cm時(shí)，煙稈拔除率≥98%，須根殘留率≤5%。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的絞籠式煙稈拔除機(jī)，減速傳動(dòng)箱的箱體采用整體式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了減速傳動(dòng)箱的加工、裝配及調(diào)整工藝，減少了箱體零件數(shù)量，便于檢查調(diào)整，裝配質(zhì)量有保證。所設(shè)計(jì)的三葉螺旋狀絞籠，均勻分布的3個(gè)螺旋形葉片焊接在絞籠的一端，形成一個(gè)高強(qiáng)度的整體；葉片由合金鋼成型后焊接，強(qiáng)度高，絞籠使用壽命長(zhǎng)。單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，影響煙稈拔除率的因素主次順序是絞籠入土深度、絞籠旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)具工作速度；影響須根殘留率的因素主次順序是絞籠入土深度、機(jī)具工作速度和絞籠旋轉(zhuǎn)速度。考慮機(jī)具工作的經(jīng)濟(jì)性，滿足煙稈拔除率和須根殘留率要求的最優(yōu)組合為機(jī)具工作速度14 m/s、絞籠旋轉(zhuǎn)速度315 r/min、絞籠入土深度20 cm。所設(shè)計(jì)的絞籠式煙稈拔除機(jī)能夠滿足煙田的拔稈需求，作業(yè)質(zhì)量好，效率高，功耗少，操作方便，可以作為實(shí)現(xiàn)煙草種植全程機(jī)械化的關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用。