秸稈深施機(jī)單體設(shè)計(jì)及深施裝置的試驗(yàn)研究

孔德剛 ，張 超 ，張 帥，趙 剛

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司壓路機(jī)研究所，江蘇 徐州 221004）

農(nóng)業(yè)部近年已經(jīng)將秸稈還田列為“豐收計(jì)劃”和“沃土計(jì)劃”的主要內(nèi)容[1]。秸稈還田不僅可以調(diào)節(jié)、穩(wěn)定土壤溫度，還能提高土壤肥力、蓄水保墑、提高水分利用率[2]、減少病蟲(chóng)害、提高作物產(chǎn)量[3]。當(dāng)前秸稈還田的主要方式有翻壓還田和覆蓋還田，秸稈深施還田（將粉碎秸稈深施于土壤深層）作為一種新型還田方式，相比其它方式，除可改良土壤結(jié)構(gòu)[4-6]、增加有機(jī)質(zhì)含量[7]，還可提升春播期土壤溫度，對(duì)防治耕地水土流失具有良好效果,近年來(lái)已引起學(xué)者的關(guān)注并開(kāi)展研究。東北、華北、西南玉米產(chǎn)區(qū)秸稈還田的作物產(chǎn)量分別平均增加632.0、371.6和290.4 kg·hm-2[8]。秸稈深施還田的深度在15～20 cm時(shí)可以明顯提高土壤溫度和蓄水性能[9-10]。

實(shí)施和推廣秸稈深施還田技術(shù)，需要配套機(jī)械裝備作為支持。本文根據(jù)秸稈深施還田的技術(shù)要求、結(jié)合中耕機(jī)、螺旋輸送器原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺旋輸送式秸稈深施機(jī)，對(duì)其深施裝置和輸送螺旋進(jìn)行受力分析與有限元分析，并通過(guò)正交試驗(yàn)研究各考查因素對(duì)深施裝置行進(jìn)阻力的影響，旨在為秸稈深施還田技術(shù)及其裝備的研究與開(kāi)發(fā)提供相關(guān)依據(jù)。

1 秸稈深施機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

組成見(jiàn)圖1。深施裝置設(shè)置于機(jī)架橫梁中間；限深裝置位于機(jī)架兩側(cè)；秸稈輸送裝置采用水平布置的螺旋輸送器，上端連接料箱，輸出端與深施裝置相連。

圖1 秸稈深施機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Gross structure of straw deep application machine

1.2 工作原理

秸稈深施機(jī)通過(guò)懸掛架與拖拉機(jī)連接，液壓馬達(dá)靠油管連接到拖拉機(jī)液壓輸出接口，為秸稈輸送裝置提供動(dòng)力，秸稈輸送裝置通過(guò)聯(lián)軸器與液壓馬達(dá)輸出軸連接。秸稈深施作業(yè)時(shí)，深施裝置隨機(jī)架移動(dòng)，其下部與深施鏟切開(kāi)土壤，同時(shí)液壓馬達(dá)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輸送螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將料箱里的粉碎秸稈輸送到深施裝置中，秸稈在自身重力和輸送螺旋推力作用下經(jīng)深施裝置下端出口進(jìn)入土壤。

1.3 主要裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 深施裝置

如圖2-a，深施裝置由連接板1、鏟柄2、導(dǎo)料管3、護(hù)板4、深施鏟5等組成。深施裝置的作業(yè)環(huán)境要求其應(yīng)具有較高強(qiáng)度、剛度和耐磨性。深施裝置的鏟柱由鏟柄（斷面50 mm×25 mm，材料為65Mn）2和導(dǎo)料管（內(nèi)徑80 mm，材料為Q235）3組合而成；深施鏟參照鑿形深松鏟的相關(guān)技術(shù)要求設(shè)計(jì)，焊接在鏟柄下端。深施鏟上側(cè)與鏟柱的入土部分前側(cè)設(shè)置V型護(hù)板，有利于碎土并能減小阻力；導(dǎo)料管固定在鏟柄后側(cè)，上端與輸送螺旋連接。

圖2 深施裝置和秸稈輸送裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structureof deep application and straw transport device

1.3.2 秸稈輸送裝置

秸稈輸送裝置如圖2-b所示，主要由連接板1、外殼2、輸送螺旋3、卡簧4、軸承5、軸承套6、軸承座7、支撐板8等組成。輸送螺旋葉片直接焊在軸上，葉片的螺旋角α設(shè)計(jì)為20°。螺旋葉片外徑76 mm，內(nèi)徑26 mm，葉片螺距50 mm，葉片厚度2 mm。輸送螺旋轉(zhuǎn)速范圍設(shè)計(jì)為100～170 r·min-1，輸送螺旋軸部對(duì)置安裝一對(duì)推力軸承以改善懸臂受力狀態(tài)。軸承座設(shè)計(jì)成法蘭形式，通過(guò)螺栓與支撐板連接。外殼上方開(kāi)設(shè)秸稈進(jìn)料口，與料箱出口連接。秸稈輸送裝置的生產(chǎn)率(深施量)Q可依據(jù)下式計(jì)算：

式中，Q為螺旋輸送器的生產(chǎn)率；D為葉片外徑；d為葉片內(nèi)徑；t為葉片螺距；λ為葉片與外殼間隙；n為輸送器轉(zhuǎn)速；ψ為輸送秸稈的充滿(mǎn)系數(shù)，一般取0.3～0.4；γ為秸稈單位容積質(zhì)量；C為輸送器輸送系數(shù)。

本設(shè)計(jì)中，D=76 mm，d=26 mm，t=50 mm，λ=2 mm，n=100～170 r·min-1，ψ=0.3，秸稈單位體積質(zhì)量（秸稈長(zhǎng)度為20 mm時(shí)）γ=35 kg·m-3，C=1，將上面數(shù)據(jù)代入式（1），得出秸稈深施機(jī)單機(jī)深施量Q為0.19～0.32 kg·min-1，即為本機(jī)的設(shè)計(jì)深施量。

2 深施裝置與輸送螺旋受力分析

2.1 深施裝置受力分析

深施鏟與鏟柱是深施裝置的關(guān)鍵部件，秸稈深施機(jī)作業(yè)時(shí)深施鏟和鏟柱的刃口都切削土壤，土壤受到擠壓后變形，土壤內(nèi)部之間以及土壤與深施鏟和鏟柱的摩擦作用也有助于破碎土壤。由松土機(jī)理知深施作業(yè)總工作阻力F主要包括深施鏟的受力F1和鏟柱的受力F2。

2.1.1 深施鏟

如圖3-a所示。對(duì)深施鏟受力分析，作用在深施鏟上的力包括牽引力F0、法向壓力N0、摩擦阻力μ1·N0(μ1為鏟面與土壤的摩擦系數(shù))以及切削阻力kb（k為單位幅寬土壤的純切削阻力，b為深施鏟寬度），δ為深施鏟碎土角，可建立平衡方程如下。

經(jīng)驗(yàn)證土壤純切削阻力kb很小，只有阻力急劇增大或鏟刃口變鈍等情況下方予考慮，通常可以忽略不計(jì)[11]，所以牽引力F0主要受法向壓力、摩擦阻力和深施鏟幾何參數(shù)的影響。深施鏟所受阻力F1和牽引力F0大小相等，方向相反。

2.1.2 鏟柱

圖3-b為鏟柱受力分析圖，α為鏟柱V型護(hù)板的夾角。根據(jù)垂直耕作切削部件的力學(xué)模型理論,作用在鏟柱上的力主要有法向壓力N2和摩擦阻力μ1·N2(μ1為鏟柱與土壤的摩擦系數(shù))，將其合成可以得出鏟柱受到的總阻力F2。

圖3 深施鏟與鏟柱受力Fig.3 Force of deep application shovel and shovel column

式（3）表明，鏟柱受力F2主要與法向壓力、摩擦阻力和V型護(hù)板的夾角有關(guān)。

2.2 輸送螺旋受力分析

輸送螺旋直接影響秸稈深施機(jī)作業(yè)效率和功耗，其實(shí)際受力較為復(fù)雜，為方便分析，假設(shè)秸稈對(duì)螺旋葉片的作用力位于葉片中徑處，選取中徑處任一質(zhì)點(diǎn)，則該點(diǎn)處的受力如圖4所示。

圖4 輸送螺旋受力Fig.4 Force of transport helix

由圖4可得X方向平衡方程。

式中，N1為輸送秸稈對(duì)葉片的法向壓力；N2為葉片外緣處?kù)o止秸稈對(duì)輸送秸稈的徑向壓力；f1為秸稈與葉片的摩擦系數(shù)；f2為秸稈之間的摩擦系數(shù)；α為螺旋角。

根據(jù)側(cè)壓系數(shù)與谷物腔原理可以求出徑向壓力N2和輸送螺旋向前總推力F。

式中：A=（sinα+f1cosα）/（cosα-f1sinα）；ρ0為秸稈密度；L1為輸送螺旋工作長(zhǎng)度；R為輸送螺旋的半徑；d1為輸送螺旋的內(nèi)徑；λ為側(cè)壓系數(shù)；H0為葉片邊緣與外殼內(nèi)壁的距離。

由（5）式計(jì)算出徑向壓力N2，將其帶入（4）式可得到法向壓力N1和摩擦阻力，進(jìn)而進(jìn)行輸送螺旋的強(qiáng)度計(jì)算。利用輸送螺旋向前總推力F則可以計(jì)算輸送螺旋的功率等參數(shù)。

3 深施裝置與輸送螺旋有限元分析

3.1 深施裝置有限元分析

利用CATIA軟件的有限元模塊對(duì)深施裝置進(jìn)行分析。在深施深度為20 cm條件下，設(shè)定碎土角δ分別為10°、15°、20°、25°、30°和35°，設(shè)定深施裝置頂端為完全約束，對(duì)鏟和鏟柱施加阻力F1和F2，得到深施裝置變形和應(yīng)力的分析結(jié)果，如圖5-a、5-b所示（此圖彩版見(jiàn)封二）。

圖5 深施裝置有限元分析結(jié)果Fig.5 FEA results of deep application device

由圖5-a知，深施裝置的最大變形發(fā)生在深施鏟處，并且最大變形量隨著δ的增大而增大，例如在δ＝10°時(shí)為0.783 mm，在δ＝20°時(shí)則增至0.806 mm；由圖5-b知，深施裝置最大應(yīng)力集中在頂端連接板處，隨δ增大，應(yīng)力集中范圍逐漸增大，而最大應(yīng)力值卻逐漸減小，例如最大應(yīng)力在δ=10°時(shí) 為246 MPa，在δ=25°時(shí) 為177 MPa，在δ=35°時(shí)為156 MPa，其最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

為保證秸稈深施深度穩(wěn)定性，深施鏟碎土角δ一般不小于20°，δ過(guò)大會(huì)使應(yīng)力集中范圍擴(kuò)大，故將深施鏟碎土角δ設(shè)計(jì)為25°。分析結(jié)果表明δ取25°時(shí)深施裝置滿(mǎn)足要求。

3.2 輸送螺旋有限元分析

利用CATIA軟件，對(duì)輸送裝置中的輸送螺旋進(jìn)行有限元分析。由于工作中螺旋繞軸旋轉(zhuǎn)，故需約束其余五個(gè)自由度。外力以分布載荷的形式施加于輸送螺旋葉片上，以輸送螺旋轉(zhuǎn)速150 r·min-1為例，其分析結(jié)果如圖6所示（此圖彩版見(jiàn)封二）。

圖6 輸送螺旋有限元分析結(jié)果Fig.6 FEA results of transport helix

由圖6-a可知，輸送螺旋的變形量自螺旋軸向螺旋葉片外緣逐漸增大，葉片外緣最大變形量為4.07×10-5mm；由圖6-b可知，輸送螺旋的應(yīng)力主要集中在葉片的根部，最大應(yīng)力值為0.11 MPa，小于其許用應(yīng)力。同樣條件下，對(duì)轉(zhuǎn)速為100～170 r·min-1的輸送螺旋進(jìn)行有限元分析，其變形量與150 r·min-1時(shí)相近，其最大應(yīng)力均小于許用值，滿(mǎn)足要求。

4 深施裝置行進(jìn)阻力正交試驗(yàn)

秸稈深施機(jī)深施裝置的行進(jìn)阻力直接影響整機(jī)工作性能，在第2節(jié)中已對(duì)其受力情況進(jìn)行理論分析與計(jì)算，本節(jié)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步研究深施裝置行進(jìn)阻力與影響其變化的各因素之間關(guān)系。影響深施裝置行進(jìn)阻力的因素很多，主要有深施深度（A）、土壤密度(B)、行進(jìn)速度(C)等。為此，以A、B、C為考查因素、以行進(jìn)阻力為試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，選用L9(34)標(biāo)準(zhǔn)正交表。深施深度選取15、20、25 cm三個(gè)水平；土壤密度（土壤密度由人工控制得到）選取1.1、1.6、2.1 g·cm-3三個(gè)水平；行進(jìn)速度選取0.5、1.0、1.5 km·h-1三個(gè)水平，試驗(yàn)方案詳見(jiàn)表1。

試驗(yàn)指標(biāo)行進(jìn)阻力要求其數(shù)值越小越好，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過(guò)求解各因素的水平均值可以明顯得出：最佳因素水平組合為A3B3C3,即最佳深施深度為15 cm、最佳土壤密度為1.1 g·cm-3、最佳行進(jìn)速度為0.5 km·h-1。各因素三個(gè)水平的均值都滿(mǎn)足關(guān)系：均值1＞均值2＞均值3，說(shuō)明隨深施深度、土壤密度和行進(jìn)速度的增大，行進(jìn)阻力也增大。由極差分析可直觀得出各因素影響試驗(yàn)指標(biāo)的主次順序?yàn)椋築、A、C，即土壤密度對(duì)行進(jìn)阻力的影響較大，深施深度的影響程度次之，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)其影響較小。由于行進(jìn)速度對(duì)行進(jìn)阻力影響較小，故實(shí)際工作時(shí)機(jī)具行進(jìn)速度可以根據(jù)拖拉機(jī)功率適當(dāng)增減。

表1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Programme and result of the orthogonal experiment

5 結(jié) 論

a.秸稈深施機(jī)可將粉碎秸稈深施于耕地深層15～25 cm處，單機(jī)設(shè)計(jì)深施量為0.19～0.32 kg·min-1。實(shí)際作業(yè)中可根據(jù)需要增加單機(jī)數(shù)量以匹配不同功率的拖拉機(jī)。

b.有限元分析表明深施裝置的深施鏟前端變形最大，并隨碎土角增大而增大；鏟柄與連接板相接處的應(yīng)力最大并隨碎土角增大而減?。惠斔吐菪淖畲笞冃纬霈F(xiàn)在葉片外緣，最大應(yīng)力位置為葉片根部。本機(jī)設(shè)計(jì)深施鏟碎土角為25°，輸送螺旋轉(zhuǎn)速為100～170 r·min-1。

c.試驗(yàn)結(jié)果表明，影響深施裝置行進(jìn)阻力的因素的主次順序依次為：土壤密度、深施深度、行進(jìn)速度，且行進(jìn)阻力隨著深施深度、土壤密度、行進(jìn)速度的增大而增大。

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