農(nóng)作物秸稈還田機的設(shè)計

張皖哲　鄭鐵　王潤濤　徐之欣　張文涵

摘 要：該文研究設(shè)計了一款動力消耗低、切割大小滿足生活要求的農(nóng)作物秸稈還田機系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理并詳細介紹了系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)與運動仿真。系統(tǒng)主要由進料結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、揉搓結(jié)構(gòu)、切碎結(jié)構(gòu)組成，通過運動仿真確定關(guān)鍵參數(shù)，使系統(tǒng)在實際應(yīng)用中更有操作性與安全性。

關(guān)鍵詞：切碎 揉搓 運動仿真 傳動

中圖分類號：S224 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0094-02

我國有產(chǎn)量巨大、類型繁多、分布廣泛的農(nóng)作物秸稈。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)作物秸稈大量剩余，通常直接焚燒或作為燃料使用，這不僅造成了資源浪費，還污染了環(huán)境。通過機械式秸稈還田技術(shù)不僅可以緩解農(nóng)忙時勞動力缺少的問題，秸稈還田還具有增長土壤微生物數(shù)量和提高酶的活性、增高土壤養(yǎng)分含量、提高糧食產(chǎn)量等作用，有效地緩解了因秸稈燃燒而造成的環(huán)境污染情況[1]。該設(shè)計以生物質(zhì)秸稈為原料，研究制備高效生物質(zhì)秸稈粉碎還田設(shè)備。經(jīng)過對切碎和揉搓機構(gòu)的優(yōu)化，傳動機構(gòu)的設(shè)計及運動仿真，確定系統(tǒng)的參數(shù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要由進料結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、揉搓結(jié)構(gòu)、切碎結(jié)構(gòu)組成。其中定刀組和動刀組等構(gòu)成了切碎結(jié)構(gòu)；揉搓板、轉(zhuǎn)子、錘片和篩片等構(gòu)成了秸稈揉搓結(jié)構(gòu)。進料口處的物料通過進料結(jié)構(gòu)和切碎機后方風(fēng)機的作用下不斷進入切碎室。動力經(jīng)過電動機傳送給皮帶輪，再傳送到主軸上，錘片和動刀在主軸的帶動下一起高速運轉(zhuǎn)。秸稈在切碎室中被切碎、經(jīng)過錘片作用使其粉碎，篩片一直進行篩選，粉碎徹底的秸稈離開運動軌道經(jīng)過篩片到達出料口，而粉碎不徹底的秸稈則在切碎室內(nèi)重新被切碎。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主體設(shè)計

2.1 切碎結(jié)構(gòu)與揉搓結(jié)構(gòu)設(shè)計

切碎結(jié)構(gòu)主要依照現(xiàn)有的鍘草機破碎雜草的方式進行設(shè)計，選用直刃刀切割，刀片數(shù)為4。為使機器的功率不會過大，主軸轉(zhuǎn)動速度也不能過大，因此該設(shè)計選擇的主軸轉(zhuǎn)速為n=1 300 r/min。定刀與動刀的間隔通常關(guān)乎切割順利與否，工作效率是否高，切割質(zhì)量是否好。過大的間隔可能切得不徹底或切不斷，過小的間隔可能會增加刀具的磨損，因此間隔選擇2～3 mm[2-3]。

由于切碎室內(nèi)的秸稈是與錘片同向運轉(zhuǎn)，且差速較小，錘片與秸稈間的大部分作用只能使秸稈產(chǎn)生形變，而要想完全粉碎需要經(jīng)過多次碰撞作用。為了在切碎室內(nèi)能讓秸稈更徹底地被粉碎，該文使用矩形錘片。錘片的直徑和動刀的直徑相同，同為0.68 m，錘片尾部的線速度為35 m/s，轉(zhuǎn)速n=1 215 r/min。

2.2 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動結(jié)構(gòu)是整機設(shè)計研發(fā)中的一項重要工作。它是將動力傳送給執(zhí)行結(jié)構(gòu)或執(zhí)行構(gòu)件的中間結(jié)構(gòu)。該機的傳動結(jié)構(gòu)采用機械與液壓相結(jié)合的方法。

秸稈撿拾喂入切碎傳動系統(tǒng)包含1組帶傳動、1組齒輪傳動、3組鏈傳動和2組組式齒輪傳動，整機的動力由柴油機提供，動力由齒輪一級一級向后傳送。

秸稈深施傳動系統(tǒng)的動力由液壓馬達供給。液壓馬達同時給3組結(jié)稈深施裝置提供動力，該裝置的旋轉(zhuǎn)軸和輸出軸垂直，采用鍋桿傳動方式，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且工作聲音低[4]。傳動方案如圖2所示。

3 運動仿真分析

該文使用美國PTC開發(fā)的Pro/E5.0軟件來實現(xiàn)機械的運動仿真分析，該軟件可以實現(xiàn)實體化建模功能，本身帶有結(jié)構(gòu)運動仿真工具，建模與仿真二者可直接轉(zhuǎn)換，便于設(shè)計中的仿真分析，且無需兩次修改[5]。秸稈還田機的仿真過程設(shè)計如圖3。

機械仿真建模過程釆用自底向上的思想。先設(shè)定單個零件實際模型，再通過零件之間的真實工作位置來安排每個零件在仿真過程中的位置，并設(shè)定各零件之間的銜接關(guān)系，最后建立整機模型。

在把整機模型從Pro/E標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境轉(zhuǎn)換到機構(gòu)環(huán)境前需要對其進行簡化處理，用視圖管理器屏蔽與運動結(jié)構(gòu)無關(guān)的部件，這些部件在之后的分析中將不占用計算機的內(nèi)存，由此減小電腦的計算量，提高運行速度。將簡化后的模型轉(zhuǎn)到仿真環(huán)境中，根據(jù)動力傳動方向，設(shè)置各個齒輪運轉(zhuǎn)方式。設(shè)置有關(guān)電機運動的參數(shù)，選擇運動學(xué)仿真，點擊運行，機具即按照設(shè)定的參數(shù)開始模擬粉碎秸稈工作的運動。

通過虛擬樣機的設(shè)計，完成整機的設(shè)計和各零部件模型的裝配，然后對核心機構(gòu)進行運動學(xué)仿真，模擬實際工作時，保證設(shè)計參數(shù)能實際加工運行，防止該設(shè)計在制作中出現(xiàn)問題。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)通過對農(nóng)作物秸稈的性質(zhì)進行分析，確定粉碎原理與方式，進而設(shè)計出一款動力功耗低、切割大小滿足生活要求的農(nóng)作物秸稈還田機。通過仿真測試，確保設(shè)計可安全地在實際中被制作。

但是系統(tǒng)還存在一些需要改進的地方，該文在研究過程中，因缺少實驗部分，使用類比法確定了一些關(guān)鍵參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速等，這將影響設(shè)計的最終結(jié)果能否達到最優(yōu)化。

參考文獻

[1] 馬學(xué)良，方憲法，陳開化.我國農(nóng)作物秸稈高效利用技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，1995，16（6）：399-400.

[2] 汪莉萍.復(fù)合式秸稈粉碎機設(shè)計方法理論研究[D].黑龍江：東北林業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 張儒.多功能秸稈還田機設(shè)計及其秸稈深施裝置性能的實驗研究[D].黑龍江：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 余水生.水田高茬秸稈還田耕整機的研制[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 肖體瓊.基于Pro/E和ANSYS的水稻直播機設(shè)計及有限元分析[C]//水稻生產(chǎn)機械化技術(shù)交流會論文集.2006： 125-128.