煙稈拔除機(jī)的設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)研究

于建軍，狄恩倉，李保謙，魏富德

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州　450002；2.中州大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，鄭州　450044；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明　650201)

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煙稈拔除機(jī)的設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)研究

于建軍1，狄恩倉2，李保謙1，魏富德3

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002；2.中州大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，鄭州450044；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明650201)

摘要：針對(duì)煙田中煙稈的拔除難度大、拔除效率低等問題，采用三維建模軟件SolidWorks設(shè)計(jì)了一種新型煙稈拔除機(jī)，拔稈裝置由一對(duì)不同旋向的籠狀鼓形旋刀組成，可一次性完成拔稈、除土、平壟及覆蓋雜草等作業(yè)；同時(shí)，利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)拔稈裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明：機(jī)具作業(yè)軌跡曲線穩(wěn)定，1個(gè)時(shí)間周期內(nèi)沿X軸方向(機(jī)具前進(jìn)方向)的位移變化量為400.5mm，驗(yàn)證了機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，且符合實(shí)際作業(yè)情況。田間性能試驗(yàn)表明：機(jī)具的通過性良好，作業(yè)效率為0.42hm2/h，煙稈斷蔸率為10.2%，附土率為15.6%，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工拔除作業(yè)。

關(guān)鍵詞：煙稈拔除機(jī)；旋刀；仿真；ADAMS；田間試驗(yàn)

0引言

煙草是世界上最廣泛種植的商業(yè)性非食物應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)作物，其高經(jīng)濟(jì)價(jià)值歷來舉世公認(rèn)[1]。煙稈作為煙草收獲之后的副產(chǎn)物，殘留在田間，很容易滋生病菌影響下一年的作物生長；將其焚燒，不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，又造成了再生資源的浪費(fèi)。研究表明：實(shí)現(xiàn)對(duì)煙稈的有效拔除和綜合利用，將會(huì)對(duì)農(nóng)民產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的煙稈收集方法主要是采用人力，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且清除效果差[2-3]。為了解決這一問題，本文采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種新型旋刀式煙稈拔除機(jī)，并利用ADAMS軟件對(duì)其主要部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析。樣機(jī)初步田間試驗(yàn)表明：該機(jī)通過性好，對(duì)煙稈的拔除效率高，符合煙草農(nóng)藝上的要求，為該物理樣機(jī)的進(jìn)一步生產(chǎn)及優(yōu)化改進(jìn)提供了技術(shù)支持。

1煙稈拔除機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)和工作原理

本文設(shè)計(jì)的煙稈拔除機(jī)主要由機(jī)架、減速器、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、刀盤、旋刀、護(hù)板及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成，如圖1所示。該煙稈拔除機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置與配套的拖拉機(jī)相聯(lián)接，右下方安裝了一對(duì)圓形刀盤，在拖拉機(jī)的牽引作用下運(yùn)動(dòng)；在機(jī)器的左下方有一對(duì)不同旋向的籠狀鼓形旋刀，與水平方向成一定角度與減速器連接，其動(dòng)力由拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過減速器提供。工作時(shí)，圓形刀盤在拖拉機(jī)牽引作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壟上雜草鏟除及對(duì)壟溝雜草覆蓋的目的；旋刀則做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)具前進(jìn)下的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壟上煙稈的拔除作業(yè)。該煙稈拔除機(jī)可以一次性完成拔稈、除土、平壟及覆蓋雜草等作業(yè)。

1.減速器　2.三點(diǎn)懸掛裝置　3.動(dòng)力輸入軸　4.刀盤　5.旋刀

1.2旋刀的設(shè)計(jì)

旋刀作為煙稈拔除機(jī)的主要部件，對(duì)煙稈拔除效果起著決定性的作用。旋刀共有一對(duì)，反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，共同作用下可入土一定深度，切斷煙稈根系，將煙稈從田間土壤拔出,結(jié)構(gòu)如圖2所示。旋刀的右上方有幅盤，其與動(dòng)力軸通過鍵配合，隨著軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；左下方由一個(gè)Y字型旋刀，通過3條立體彎曲的幅邊與幅盤相連，三維立體彎曲的幅邊可以最大限度地減輕旋刀所受的正向力，以達(dá)到改善刀組受力狀況、延長使用壽命的作用。在幅邊的作用下，將根系切斷后的煙稈拔除并輸送出來，同時(shí)將煙稈上的附土擊打抖落。

1.3工作參數(shù)

煙稈拔除機(jī)的主要工作參數(shù)如下：

拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的功率/kW：18.4

轉(zhuǎn)速/r·min-1：540

旋耕刀的轉(zhuǎn)速為/r·min-1：270

作業(yè)速度/km·h-1：2～5

作業(yè)幅寬/mm：700

作業(yè)深度/mm：300

1.軸　2.套筒　3.幅盤　4.幅邊　5.Y字型旋刀

1.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

機(jī)具動(dòng)力來源于拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出，經(jīng)兩級(jí)傳動(dòng)帶動(dòng)旋刀刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，拖拉機(jī)輸出功率為18.4kW，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min，旋刀軸轉(zhuǎn)速為270r/min，傳動(dòng)比為2。為保證動(dòng)力的有效輸入，則機(jī)具動(dòng)力輸入軸的軸徑確定為[4]

式中P1—拖拉機(jī)動(dòng)力輸出功率(kW)；

d1—機(jī)具動(dòng)力輸入直徑(mm)；

μ—?jiǎng)恿鬟f效率(%)；

n1—拖拉機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速(r/min)。

軸材質(zhì)選用45鋼，經(jīng)查表A0取108。計(jì)算得，d1≥33.8 mm。

2基于ADAMS軟件的仿真與分析

2.1模型的建立與導(dǎo)入

MSC.Software公司的ADAMS軟件是虛擬樣機(jī)領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的軟件，可以使工程師、設(shè)計(jì)人員能夠在物理樣機(jī)構(gòu)造前，建立機(jī)械系統(tǒng)的“模擬樣機(jī)”，預(yù)估出機(jī)器的工作性能[5-6]。由于旋刀對(duì)煙稈拔除機(jī)的拔稈效果起著決定性的作用，本文取單個(gè)旋刀作為研究對(duì)象，進(jìn)行ADAMS軟件下的虛擬仿真。

在對(duì)旋刀進(jìn)行仿真之前，利用SolidWorks建模軟件建立旋刀的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行部件間的干涉檢測(cè)；之后，將完成的虛擬模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中[7-8]。由于ADAMS軟件的建模工具是基于Parasolid為核心的，所以當(dāng)ADAMS軟件與同樣采用Parasolid核心建模的SolidWorks進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，非常方便和容易[9]。其步驟如下：將建好的旋刀三維模型另存為Parasolid格式文件；打開ADAMS軟件，Creat a new model-File-Import,選擇旋刀的Parasolid格式文件，即可將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中；設(shè)置好仿真工作環(huán)境，如重力加速度、工作網(wǎng)格等，注意將系統(tǒng)的單位設(shè)置為MMKs。

2.2添加約束

模型文件導(dǎo)入后，根據(jù)仿真要求，設(shè)置合適的重力加速度、模型的質(zhì)量及材料等屬性，調(diào)整旋刀三維模型與ADAMS環(huán)境中坐標(biāo)系的關(guān)系，使坐標(biāo)系的XOY平面與模型的水平前進(jìn)方向平行。在各零部件之間依此準(zhǔn)確添加一系列的約束關(guān)系，如固定副(Fixed Joint)、旋轉(zhuǎn)副(Rotational Joint)、滑移副(Translation motion)及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)(Rotational Joint Motion)等，具體約束添加如表1所示。添加好約束和驅(qū)動(dòng)的三維模型如圖3所示。

表1　主要部件間約束添加

圖3　添加好約束和驅(qū)動(dòng)的旋刀三維模型

driving force in ADAMS

2.3仿真分析

為得到旋刀在仿真環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)軌跡，基于旋刀模型結(jié)構(gòu)，在Y字型旋刀的尖點(diǎn)上標(biāo)記一個(gè)可代表旋刀運(yùn)動(dòng)的marker點(diǎn)，記為marker30。根據(jù)旋刀的實(shí)際作業(yè)環(huán)境，設(shè)置Simulation環(huán)境中的相關(guān)仿真參數(shù)，移動(dòng)驅(qū)動(dòng)為1 388mm/s，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為1 620d/s，仿真終止時(shí)間為0.22s(1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期)，步長為100，觀察仿真環(huán)境下模型的運(yùn)動(dòng)情況。仿真過程完成后，在ADAMS/Post Processor后處理模塊環(huán)境中，依次輸出Y字型旋刀刀尖marker30標(biāo)記點(diǎn)關(guān)于X軸、Y軸和Z軸方向運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度曲線圖，如圖4～圖6所示。

—表示X方向曲線　--表示Y方向曲線　---表示Z方向曲線

通過ADAMS環(huán)境仿真出旋刀模型在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿著X軸方向的牽引運(yùn)動(dòng)作用下的作業(yè)情況。圖4為Y字形刀在1個(gè)周期0.22s內(nèi)關(guān)于X、Y、Z軸3個(gè)方向的位移-時(shí)間曲線。由圖4可看出：X軸方向上為一條螺旋呈上升趨勢(shì)的周期性平滑曲線，即是機(jī)具在仿真環(huán)境下作業(yè)過程中的作業(yè)軌跡；在坐標(biāo)系環(huán)境下，1個(gè)周期內(nèi)的位移從初始值-511.2mm變化到-110.7mm，變化量為400.5mm，負(fù)值表示方向，符合實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下沿X軸方向的水平運(yùn)動(dòng)。平滑呈上升趨勢(shì)曲線說明旋刀在拖拉機(jī)牽引下沿X軸方向進(jìn)行煙稈拔除作業(yè)時(shí)位移不斷平穩(wěn)增加，機(jī)具在對(duì)煙稈的拔除作業(yè)中所受阻力穩(wěn)定，利于提高作業(yè)效率。其中，沿Y、Z軸運(yùn)動(dòng)方向?qū)?yīng)的是兩條均符合正(余)弦規(guī)律變化的周期曲線，Y軸對(duì)應(yīng)的最大值和最小值分別為-352.8、-522.8mm，位移變化量為170mm，負(fù)值表示方向；Z軸對(duì)應(yīng)的最大值和最小值分別為-68.5、-308.7mm，位移變化量為240.5mm，負(fù)值表示方向。由此說明機(jī)具在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)合理，在Y、Z軸兩方向上作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)定，沒有發(fā)生不正常的振動(dòng)、擺動(dòng)等干涉現(xiàn)象。

圖5和圖6分別為1個(gè)作業(yè)周期0.22s內(nèi)旋刀關(guān)于X、Y、Z軸3個(gè)方向的速度-時(shí)間曲線與加速度-時(shí)間曲線。由此可看出：圖中分別對(duì)應(yīng)的曲線組均是符合正(余)弦曲線規(guī)律變化，這說明仿真環(huán)境下機(jī)具在煙稈拔除作業(yè)過程速度和加速度的變化穩(wěn)定。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，機(jī)具水平運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)速度的復(fù)合下，會(huì)出現(xiàn)余擺線運(yùn)動(dòng)軌跡，為水平速度和旋轉(zhuǎn)速度的合適選取提供了參考。

3田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1試驗(yàn)基本條件

在物理樣機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，2014年8月，在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)毛莊實(shí)驗(yàn)區(qū)關(guān)于該機(jī)進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)地土質(zhì)為壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度為21kg/cm2，土壤含水率為16.4%(0～5cm)，20.6%(5～10cm)；品種為豫煙11，行距為1 200mm。試驗(yàn)匹配動(dòng)力為東方紅SG400拖拉機(jī)，動(dòng)力為29.4kW。

—表示X方向曲線　--表示Y方向曲線　---表示Z方向曲線

—表示X方向曲線　--表示Y方向曲線　---表示Z方向曲線

3.2試驗(yàn)方法

主要依據(jù)Q/YSJX002-2009煙稈清理機(jī)(拔稈機(jī))的檢測(cè)指標(biāo)和方法，結(jié)合煙稈清理農(nóng)藝上的要求，在相同土質(zhì)狀況、雜草狀況等條件下進(jìn)行了人工拔稈和機(jī)器拔稈的對(duì)比試驗(yàn)，煙稈拔除面積均取0.14hm2。試驗(yàn)中的主要測(cè)試指標(biāo)有作業(yè)效率、煙稈斷蔸率、附土率和作業(yè)成本等，并對(duì)機(jī)器的油耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。作業(yè)效率如表2所示。

表2　兩種拔稈方式的作業(yè)效果

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

基于試驗(yàn)地對(duì)煙稈拔除機(jī)的性能試驗(yàn)，進(jìn)行了人工拔除和機(jī)器拔除作業(yè)的試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明：煙稈拔稈作業(yè)中，機(jī)具的田間通過良好。從表2中可看出：機(jī)器拔稈和人工拔稈的的效率分別為0.42hm2/h和0.03hm2/h，機(jī)器拔稈效率非常高為人工拔稈的14倍，大大降低了煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度；煙稈拔除中機(jī)器拔稈斷蔸率低于人工拔除的斷蔸率，機(jī)器旋刀入土約300mm，能夠?qū)煻捀翟谕林星袛嗖煻拸母堪纬?。人工拔稈時(shí)，由于煙稈根系深扎在土中，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不易拔除，在拔除中常常從根部折斷，導(dǎo)致煙稈的根蔸不能及時(shí)從田間清理，從而滋生病菌，增大了煙草病蟲害。機(jī)器拔稈的附土率15.6%，遠(yuǎn)低于人工拔稈的43%。機(jī)器拔稈中，旋刀從土中切斷根蔸，同時(shí)籠形幅邊結(jié)構(gòu)在將煙稈輸送出來的過程中，又將附土擊打抖落，拔除干凈。煙稈拔除作業(yè)過程中，機(jī)器作業(yè)成本低于人工，動(dòng)力消耗小，平均作業(yè)油耗約0.9L/hm2。

4結(jié)論

1) 借助Solid Works三維建模軟件設(shè)計(jì)了帶有一對(duì)不同旋向籠狀鼓形旋刀的煙稈拔除機(jī)，旋刀在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)具前進(jìn)下作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)一次性完成拔稈、除土、平壟、覆蓋雜草的作業(yè)，煙稈拔除效率高、能耗低。

2)ADAMS仿真環(huán)境中處理輸出的1個(gè)時(shí)間周期內(nèi)沿著X、Y、Z軸方向的位移、速度、加速度的仿真曲線表明：機(jī)器前進(jìn)速度為1.38m/s、轉(zhuǎn)速為270r/min時(shí)，沿X軸方向的位移為周期性螺旋上升曲線，變化量為400.5mm，沿Y、Z方向位移是兩條符合正(余)弦規(guī)律變化的周期曲線，驗(yàn)證了建模的合理性，在仿真環(huán)境下的作業(yè)軌跡符合實(shí)際作業(yè)情況。

3)仿真環(huán)境下的煙稈拔除作業(yè)中，沿各軸線方向上不發(fā)生異常振動(dòng)和擺動(dòng)，通過性好，能很好地克服土壤及各種雜草阻力，作業(yè)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。

4)田間性能試驗(yàn)表明：機(jī)具的通過性良好，作業(yè)效率為0.42hm2/h，斷蔸率為10.2%，附土率為15.6%，拔除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于人工拔除作業(yè)，且作業(yè)成本低、耗油量小。

5)通過對(duì)虛擬樣機(jī)在仿真環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及初步的田間性能試驗(yàn)，為物理樣機(jī)的進(jìn)一步生產(chǎn)及機(jī)具主要作業(yè)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)支持。

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The Simulation Research and Design on a Tobacco Stalk Pulling Machine

Yu Jianjun1, Di Encang2, Li Baoqian1, Wei Fude3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2.College of Electromechanical and Automotive Engineering, Zhongzhou University, Zhengzhou 450044, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Abstract：Based on the extraction of tobacco stalk in tobacco field and low efficiency of removal, a new stalk pulling machine with two sets of rotary blade with opposite direction is designed, realizing pulling stalk, removing the soil, flattening the furrow, as well as covering the weeds in one operation. With the powerful 3D modeling software of solid works and virtual prototyping simulation software of ADAMS, a prototype model is built up and analyzed in simulation environment. Simulation results show that within a time period machine operation trajectory curve is stability, the displacement variation along the X axis is 400.5mm and the rationality of the virtual prototype structure model is verified, meeting the actual conditions.Field performance experiments show that, the field through is good, the operating efficiency is 0.42hm2/h, cut stump rate 10.2%, soil rate 15.6%, and the effect is far better than manual operation . Technical support is provided for physical prototype in further production optimization.

Key words：tobacco stalk pulling machine; rotary blade; simulation; ADAMS; field performance experiments

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0192-05

中圖分類號(hào)：S225.91+2；S220.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：于建軍(1987-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)yujj228@163.com。通訊作者：李保謙(1961-)，男，河南許昌人，教授，碩士生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：云南省教育廳項(xiàng)目(2014J56)

收稿日期：2015-09-07