Y 型甩刀式秸稈粉碎還田機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

潘佛雛，康建明，顏利民

（新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司，新疆 石河子832011）

棉花秸稈是棉花收獲后的作物殘?bào)w，為避免秸稈焚燒造成環(huán)境污染，現(xiàn)大力提倡秸稈粉碎還田，以提升土壤的有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)。棉花秸稈粉碎還田的方式主要有人工清理和機(jī)械清理兩種方式。人工清理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低[1-2]。機(jī)械化清理主要是采用秸稈粉碎還田機(jī)對(duì)棉花秸稈直接粉碎并還田，按工作部件的運(yùn)動(dòng)方式可分為臥式和立式秸稈粉碎還田機(jī)[3-4]。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在20 世紀(jì)60 年代就開始對(duì)秸稈機(jī)械化還田進(jìn)行研究[5]。美國(guó)萬(wàn)國(guó)公司于60 年代首次在聯(lián)合收割機(jī)上安裝切碎機(jī)對(duì)秸稈粉碎還田[6]。德國(guó)肯勃公司研制的玉米莖稈作物切碎機(jī)能完成秸稈的回收、切碎、性能可靠，但整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]。意大利的OMARV 公司開發(fā)了能滿足不同作物殘留秸稈粉碎還田的機(jī)械，工作幅寬1.2-6 m，價(jià)格昂貴[8-9]。綜觀國(guó)外機(jī)械化秸稈還田技術(shù)，機(jī)具品種多，性能可靠，但價(jià)格昂貴[10-12]。

我國(guó)從上世紀(jì)80 年代開始對(duì)秸稈還田機(jī)械進(jìn)行研究[13]。河北省農(nóng)機(jī)化所對(duì)秸稈還田機(jī)刀片的設(shè)計(jì)、選材及刀片形狀進(jìn)行了分析比較，探討了最佳刀片密度及最佳排列方式[14]。毛罕平和陳翠英[15]建立了秸稈還田機(jī)刀軸系統(tǒng)的離散化模型及臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算式，確定了刀軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。張晉國(guó)和高煥文[16]通過(guò)試驗(yàn)研究，得出了刀片在不同切割速度下，對(duì)短稈、長(zhǎng)稈、秸稈不同含水率、不同刀刃厚度、有定刀和無(wú)定刀等情況下的切斷率曲線。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于秸稈粉碎機(jī)械的研究報(bào)道較多，但主要是玉米、牧草及麥秸稈的應(yīng)用，而對(duì)于棉花秸稈切割粉碎方面的研究報(bào)道較少。因此，研制一種高效實(shí)用的棉花秸稈粉碎還田機(jī)，對(duì)實(shí)現(xiàn)棉花秸稈的資源化和商品化，以及促進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)民增收均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 Y型秸稈粉碎還田機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 Y型秸稈粉碎還田機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

Y 型秸稈粉碎還田機(jī)主要有機(jī)架、變速箱、側(cè)傳動(dòng)軸、限深輥、支架、刀軸、懸掛架等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 Y 型秸稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of Y type cutting device of smashed straw machine

表1 主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 The table of main technical parameter

1.2 工作原理

本機(jī)是利用拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的粉碎部件，對(duì)棉桿進(jìn)行直接粉碎并還田。工作原理是高速旋轉(zhuǎn)的Y 型甩刀對(duì)地上的棉桿進(jìn)行砍切，并在喂入口處負(fù)壓的作用下將其吸入機(jī)殼內(nèi)，使秸稈在多次砍切、打擊、撕裂揉搓作用下成碎斷狀，均勻的拋灑在田間。

2 Y型秸稈粉碎還田機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 Y型甩刀的材料選擇及加工工藝

考慮刀片經(jīng)常與秸稈、土塊等摩擦，工作條件極其惡劣，所以要求選材具有較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊韌性。本機(jī)刀片材料選用65 Mn。熱處理工藝：將刀片加熱到880-900 ℃，保溫10 min 后淬火，然后在180-200 ℃回火2 h，表面硬度達(dá)到HRC48-56，芯部硬度達(dá)到HRC33-40。

2.2 Y型甩刀的排列密度和排列方式

2.2.1 Y型甩刀的排列密度 在作業(yè)幅寬、 刀軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度相同的條件下，Y 型甩刀數(shù)量過(guò)少，達(dá)不到秸稈粉碎的要求；反之，消耗功率過(guò)大，制造成本提高并且妨礙碎秸稈的排出，造成堵塞并影響粉碎質(zhì)量。Y 型甩刀的排列密度（C）計(jì)算為：

式中：N 為甩刀數(shù)量；L 為作業(yè)幅寬（m）。對(duì)于Y 型甩刀，刀片的排列密度一般為0.23-0.4 片/cm。

本機(jī)刀片數(shù)量N=90， 作業(yè)幅寬L=230 cm，則C=0.39 片/cm。

2.2.2 Y型甩刀的排列方式 合理的排列方式不僅能提高粉碎質(zhì)量，還可使機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。常見的排列方式有螺旋線排列、對(duì)稱排列和交錯(cuò)平衡排列等方式。本機(jī)采用均勻免震法，沿刀軸圓周方向均勻排列甩刀，并根據(jù)秸稈粉碎的要求，對(duì)稱安裝兩把甩刀。Y 型甩刀結(jié)構(gòu)示意見圖2，安裝排列方式見圖3。2.3刀軸轉(zhuǎn)速及動(dòng)平衡校核

2.3.1 刀軸轉(zhuǎn)速的確定 在機(jī)具前進(jìn)時(shí)，刀片的絕對(duì)速度是由機(jī)組的前進(jìn)速度和刀軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所合成。為使刀片在整個(gè)切割過(guò)程中對(duì)秸稈不產(chǎn)生推搓現(xiàn)象，因此要求其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為余擺線（圖4）。

設(shè)Y 型甩刀運(yùn)動(dòng)軌跡上任意點(diǎn)坐標(biāo)M（x,y），則其在時(shí)間t 內(nèi)的位置如下式：

圖2 Y 型甩刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of Y type cutting device

圖3 刀具排列示意圖Fig.3 Arrangement diagram of Y type cutting device

圖4 Y 型甩刀運(yùn)動(dòng)軌跡分析Fig.4 Trajectory analysis of Y type cutting device

式中：R 為甩刀回轉(zhuǎn)半徑（m），ω 為刀軸角速度（r/s），t 為刀軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s），vm為機(jī)組前進(jìn)速度（m/s）。

由上式微分得：

式中：水平速度vx是個(gè)變量，其大小影響切茬作業(yè)質(zhì)量。當(dāng)vx＞0 時(shí)，甩刀將產(chǎn)生推搓秸稈的作用，切茬作用減小，為確保把莖稈粉碎，vx必須有足夠的向后分量，即vx≤0，vm≤Rsinωt，

上式表示了刀軸轉(zhuǎn)速（n）與甩刀回轉(zhuǎn)半徑（R），機(jī)組前進(jìn)速度（vm）之間的關(guān)系。

2.3.2 刀軸動(dòng)平衡的校核Y 型甩刀與刀軸構(gòu)成一個(gè)多剛體的轉(zhuǎn)子，嚴(yán)格的講，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是常數(shù)。但轉(zhuǎn)速較高，甩刀質(zhì)量大，受到的離心慣性力也較大。作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的偏擺很小且很快恢復(fù)到動(dòng)平衡位置。刀片排列、切割力及振動(dòng)都有隨機(jī)性。因此，把Y 型甩刀和刀軸看成一個(gè)剛體后，要使刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，則A，B 兩校正面上的N 個(gè)分力的合力必須分別為零，而這兩個(gè)面上的分力都是大小相等且方向各不相同（圖5）。取分力F1a的方向?yàn)閄 軸正向，由F1a逆時(shí)針轉(zhuǎn)90 度的方向?yàn)閅 軸正向，將各個(gè)分力向X、Y 軸分解，得到A 面上兩個(gè)合力Fax，F(xiàn)bx，由圖5 可寫出兩個(gè)平面上的平衡方程式：

式中：α 為刀片周向間距角度（°），β 為刀片的周向角度（°），F(xiàn)1，F(xiàn)2為刀片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力（N）。當(dāng)時(shí)，刀軸即可達(dá)到動(dòng)平衡。

圖5 刀軸離心力分解示意圖Fig.5 Force decomposition diagram of knife shaft centrifugal

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

2014 年10 月在新疆第八師145 團(tuán)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為棉花秸稈，膜下滴灌種植，行距配置為66+10 cm， 秸稈含水率12.85%， 莖稈直徑11.52 mm，試驗(yàn)地情況滿足機(jī)具作業(yè)要求。

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用L16(45)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3 次，取平均值[17-18]。在其它因素不變的條件下，考察機(jī)具前進(jìn)速度（v）、刀軸轉(zhuǎn)速（n）和刀片離地間隙（h）對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率（L1）、留茬高度（L2）的影響，試驗(yàn)因素和水平見表2，因素對(duì)性能指標(biāo)的影響結(jié)果見表3，試驗(yàn)結(jié)果分析見表4。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test scheme and results

表4 正交試驗(yàn)極差分析Table 4 Results of range analysis

3.3 結(jié)果分析

由表3 結(jié)果表明，影響因素對(duì)棉花秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率的主次因素為：n3＞h2＞v3，即刀軸轉(zhuǎn)速2 400 r/min,刀片離地間隙8 cm，機(jī)具前進(jìn)速度9 km/h；影響因素對(duì)秸稈留茬高度的主次因素為：n1＞v2＞h3，即刀軸轉(zhuǎn)速2 200 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度8 km/h,刀片離地間隙10 cm。機(jī)具前進(jìn)速度越慢，刀軸轉(zhuǎn)速越高，Y 型甩刀對(duì)秸稈打擊次數(shù)越多，秸稈粉碎長(zhǎng)度越短，留茬高度越低。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速增加時(shí)，整機(jī)的功耗也會(huì)相應(yīng)增加，振動(dòng)加劇，軸承等部件的使用壽命降低。綜合考慮各影響因素，選取機(jī)具前進(jìn)速度9 km/h，滾刀轉(zhuǎn)速2 400 r/min，刀片離地間隙10 cm。以此參數(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)具經(jīng)田間檢測(cè)， 秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率87.5%，留茬平均高度9.5 cm，完全滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

針對(duì)目前水平旋轉(zhuǎn)式秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)后秸稈粉碎長(zhǎng)度不均勻，留茬高度不均勻的問題，通過(guò)對(duì)Y 型甩刀材料、排列方式，刀軸轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研制了一種Y 型甩刀式秸稈粉碎還田機(jī)。通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析與田間試驗(yàn)相結(jié)合，得出秸稈粉碎還田回收機(jī)在機(jī)具前進(jìn)速度9 km/h，滾刀轉(zhuǎn)速2 400 r/min，刀片離地間隙10 cm 時(shí)，秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率87.5%，留茬平均高度9.5 cm，機(jī)具有較優(yōu)的作業(yè)性能。

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