香蕉秸稈粉碎還田刀輥參數(shù)研究

宋雅婷，李　粵，唐寧寧，吳思浩

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？凇?70228)

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香蕉秸稈粉碎還田刀輥參數(shù)研究

宋雅婷，李粵，唐寧寧，吳思浩

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口570228)

摘要：香蕉秸稈粉碎秸稈還田作為南方農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作中不可或缺的一部分，尚缺乏粉碎效果良好的秸稈粉碎裝備。針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)核心部件粉碎刀的數(shù)量、排列、運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行了理論分析，得到了其計(jì)算通式，確定了其工作參數(shù)范圍。同時(shí)，應(yīng)用 SoildWorks2013 / Simulation插件進(jìn)行刀軸的模態(tài)分析，為以后香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的選型提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：香蕉秸稈；粉碎還田；刀輥

0引言

秸稈粉碎還田作為保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以提高土壤的蓄水保墑能力，有效減少土壤風(fēng)蝕、水蝕，進(jìn)而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。香蕉作為我國(guó)南方地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，其秸稈還田也成為了熱帶農(nóng)業(yè)研究中的重要內(nèi)容。香蕉秸稈的直接粉碎還田不僅避免了人工處理香蕉秸稈所造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還能增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善蕉園土壤結(jié)構(gòu)。另外，粉碎后的香蕉秸稈碎片覆蓋于地面，可緩沖雨水對(duì)土壤的侵蝕，減少地表徑流的產(chǎn)生，減緩地面水分的蒸發(fā)，增強(qiáng)土壤的蓄水能力，從而有利于實(shí)現(xiàn)香蕉種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

粉碎刀輥是香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的關(guān)鍵部件，也是粉碎作業(yè)的執(zhí)行部件，其工作參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律對(duì)刀輥的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要參考意義[4-6]。為了進(jìn)一步研究香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的工作原理，為以后的設(shè)計(jì)提供資料，以香蕉秸稈粉碎刀輥為研究對(duì)象，對(duì)香蕉秸稈粉碎刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力分別進(jìn)行了理論分析，研究探討了香蕉秸稈粉碎刀運(yùn)動(dòng)軌跡及其計(jì)算通式，并應(yīng)用 SoildWorks2011/ Simulation插件進(jìn)行刀軸的模態(tài)分析，為香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)和粉碎還田機(jī)關(guān)鍵部件的選型提供理論依據(jù)。

1粉碎刀輥結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析

1.1粉碎刀片的數(shù)量

粉碎刀片數(shù)量對(duì)于香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎率和功耗有著決定性的影響[7-8]。粉碎刀片數(shù)量過(guò)多，一方面將增加安裝成本、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和空載功耗，另一方面過(guò)密集的粉碎刀容易導(dǎo)致刀輥發(fā)生堵塞和纏繞；而刀片過(guò)少，將導(dǎo)致對(duì)秸稈的漏切和粉碎不完全。刀片數(shù)量的合理數(shù)值一般可根據(jù)粉碎刀密度來(lái)計(jì)算得到

C=N/L

式中C—粉碎刀密度(片/m)；

N—刀片個(gè)數(shù)(當(dāng)錘爪為n，n/3是錘爪的個(gè)數(shù))(片)；

L—作業(yè)幅寬(m)。

幾種常見(jiàn)的粉碎刀都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，而由于不同類(lèi)型粉碎刀特性不同，粉碎刀密度范圍也會(huì)有所區(qū)別。表1中對(duì)常用粉碎刀參數(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.2粉碎刀排列

粉碎刀輥在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，刀輥稍有不平衡就會(huì)導(dǎo)致粉碎刀輥相對(duì)機(jī)具的大幅振動(dòng)。因此，在刀軸上對(duì)粉碎刀片進(jìn)行合理的排列，不僅能在保證機(jī)具粉碎質(zhì)量的情況下減少功率的消耗，而且還能夠通過(guò)保障粉碎刀輥的動(dòng)平衡性能以減少振動(dòng)[9-10]。

在進(jìn)行動(dòng)平衡分析時(shí)，刀輥被理想化為刀輥質(zhì)量均勻分布、沒(méi)有制造和安裝誤差的回轉(zhuǎn)模型，因此僅在粉碎刀排列方面進(jìn)行動(dòng)平衡的計(jì)算。每把粉碎刀單獨(dú)來(lái)看都是一個(gè)不平衡的轉(zhuǎn)子；但將粉碎刀輥視作整體時(shí)，所有由粉碎刀單獨(dú)引起的不平衡量最終能在刀輥軸端相互抵消掉，也就是說(shuō)對(duì)整體而言刀輥是平衡的。本文將粉碎刀輥上每把粉碎刀在x和y軸上所產(chǎn)生的不平衡力分別平移到兩個(gè)刀輥端面，若在A和B兩個(gè)校正面上的主矩、主矢均最后抵消為零，則意味著整個(gè)刀輥處于動(dòng)平衡狀態(tài)[11]。刀輥受力分析如圖1所示。

表1　幾種常用粉碎刀參數(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)比

圖1　刀輥受力分析示意圖

將圖1左邊第1把刀所在的平面設(shè)為A面，最右邊第1把刀所在的平面設(shè)為B面。將刀輥上所有的力平移到A平面和B平面分別沿xy方向分解，可得到的兩個(gè)平衡方程式為

式中θi—第i把刀的刀軸周向角；

F—每組粉碎刀產(chǎn)生的離心力；

S—A面與B面間的距離；

Si—第i把刀離B面的距離；

N—粉碎刀總數(shù)。

將刀輥上甩刀排列的數(shù)值代入上面兩式中，若FAX=FAY=FBX=FBY=0，則刀輥符合動(dòng)平衡要求，機(jī)具工作時(shí)穩(wěn)定性較好。

1.3粉碎刀的運(yùn)動(dòng)分析

在香蕉秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)時(shí)，粉碎刀有兩種運(yùn)動(dòng)：一邊繞著粉碎刀輥軸心進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一邊跟隨機(jī)具前進(jìn)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)[12]，兩種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)合成即得到粉碎刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖2為粉碎刀輥反轉(zhuǎn)的情況(即粉碎刀輥的旋轉(zhuǎn)方向從左向右看為順時(shí)針的情形)。

圖2　反轉(zhuǎn)粉碎刀的運(yùn)動(dòng)

以刀輥中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，刀輥前進(jìn)方向與x軸正向保持一致，y軸正方向豎直向上。假定機(jī)具為勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，粉碎刀由粉碎刀輥帶動(dòng)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀片端點(diǎn)初始位置與x軸正向成一定夾角，處于水平位置下方。粉碎刀刀端處的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

式中x、y—粉碎刀刀端在任意時(shí)刻的位置坐標(biāo);

v—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；

R—粉碎刀輥的回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—刀軸角速度(rad/s)；

t—工作時(shí)間(s)。

粉碎刀刀端在x軸和y軸方向上的分速度表達(dá)式可由上式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得到

式中vx—粉碎刀端點(diǎn)在x軸方向分速度(m/s)；

vy—粉碎刀端點(diǎn)在y軸方向分速度(m/s)。

根據(jù)x軸和y軸上的分速度可得粉碎刀端點(diǎn)的絕對(duì)速度vz為

上式為反轉(zhuǎn)粉碎刀刀端的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)表達(dá)式。根據(jù)表達(dá)式可知：粉碎刀運(yùn)動(dòng)軌跡特性受到了粉碎刀輥回轉(zhuǎn)半徑R、刀軸角速度ω和機(jī)具前進(jìn)速度v幾個(gè)因素的共同影響。圖3為粉碎刀輥正轉(zhuǎn)(即從左向右看粉碎刀輥為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))的情形。

圖3　正轉(zhuǎn)粉碎刀的運(yùn)動(dòng)

以刀輥中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系(同圖2)，刀輥前進(jìn)方向與x軸正向保持一致，y軸正向朝上。通過(guò)正轉(zhuǎn)粉碎刀的運(yùn)動(dòng)示意圖發(fā)現(xiàn)：正轉(zhuǎn)粉碎刀刀端可與反轉(zhuǎn)粉碎刀刀端的運(yùn)動(dòng)軌跡方程和速度方程共用來(lái)表達(dá)[13]。

當(dāng)vzmin=v0-v(即其圓周線(xiàn)速度與水平速度反向)時(shí)，刀片絕對(duì)速度達(dá)到最小值；當(dāng)vzmax=v0+v(即其圓周速度與水平速度同向)時(shí)，刀片絕對(duì)速度達(dá)到最大值。其中，v為機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；v0為刀片刀尖的相對(duì)速度ωt(m/s)。

在粉碎裝置結(jié)構(gòu)一定的情況下，粉碎刀轉(zhuǎn)速直接影響秸稈粉碎的效果，所以確定粉碎刀的轉(zhuǎn)速是粉碎還田機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一[14]。

粉碎刀刀端的絕對(duì)速度取值如果太小，將不能有效地將香蕉秸稈切斷，且易造成纖維纏繞，機(jī)具效率低；如果取值過(guò)大，將使粉碎刀對(duì)香蕉秸稈撿拾和拋送能力下降，加速軸承和刀具的磨損，同時(shí)增加動(dòng)力的消耗。

李明[15]等人通過(guò)試驗(yàn)得出粉碎機(jī)具的粉碎效果和撿拾效果在刀端線(xiàn)速度為48m/s 時(shí)最好。毛罕平[16]等人根據(jù)試驗(yàn)證明：在無(wú)支撐情況下，能粉碎香蕉秸稈的粉碎刀刀端的最小速度為34m/s[17]，即

vzmin=v0min-vmax≥34m/s

v0min=Rw=vzmin+vmax

式中n—粉碎刀輥轉(zhuǎn)速(r/min)；

R—粉碎刀回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

vz—粉碎刀端點(diǎn)的絕對(duì)速度(m/s)；

v0min—粉碎刀端點(diǎn)的最小相對(duì)速度(m/s);

vzmin—粉碎刀端點(diǎn)的最小絕對(duì)速度(m/s)；

vmax—機(jī)具前進(jìn)最大速度(m/s)；

vmin—機(jī)具前進(jìn)最小速度(m/s)。

根據(jù)上式可求出無(wú)支撐情況下粉碎刀輥所必須要達(dá)到的最小轉(zhuǎn)速。

1.4粉碎刀的受力分析

粉碎刀是香蕉秸稈粉碎刀輥的粉碎執(zhí)行部件，也是香蕉秸稈還田機(jī)最關(guān)鍵的部件，其受力是影響香蕉秸稈粉碎質(zhì)量和還田機(jī)工作穩(wěn)定性的重要因素。本文以最常用的粉碎直刀為例進(jìn)行受力分析，如圖4所示。其中，粉碎直刀與粉碎刀座之間利用銷(xiāo)軸進(jìn)行鉸接，粉碎刀座焊接在粉碎滾筒上。

以粉碎刀輥的軸心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，刀輥前進(jìn)方向與x軸正方向保持一致，y軸正方向垂直向下。其中，ο為粉碎刀輥軸心；ο1為銷(xiāo)軸軸心；οg為粉碎刀質(zhì)心。粉碎刀輥高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力F使每把粉碎刀在作業(yè)時(shí)保持在圓徑向射線(xiàn)位置上；但當(dāng)碰到粗大的香蕉秸稈時(shí)，粉碎刀的刀端受到來(lái)自于香蕉秸稈的瞬間阻力T，迫使粉碎刀繞銷(xiāo)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為α；而粉碎刀輥和刀座仍以保持原來(lái)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在完成香蕉秸稈粉碎后，粉碎刀將會(huì)在離心力的作用下恢復(fù)到原來(lái)的徑向射線(xiàn)位置上。粉碎刀刀端相對(duì)銷(xiāo)軸中心ο1點(diǎn)產(chǎn)生力矩的力有重力G、切割阻力T及銷(xiāo)軸作用于粉碎刀的銷(xiāo)軸孔內(nèi)表面的正壓力F1，銷(xiāo)軸半徑為r。若將銷(xiāo)軸對(duì)粉碎刀的摩擦力矩忽略不計(jì)，由圖4中幾何關(guān)系得到

式中α—偏轉(zhuǎn)角；

β—線(xiàn)ο2ο1與線(xiàn)ο1οο的夾角；

R1—粉碎刀質(zhì)心οg的旋轉(zhuǎn)半徑；

R2—粉碎刀質(zhì)心οο的旋轉(zhuǎn)半徑；

h1—銷(xiāo)軸中心ο1到切割阻力T作用點(diǎn)ο2的垂直距離；

h2—銷(xiāo)軸軸心ο1到線(xiàn)οοg的距離；

S—銷(xiāo)軸軸心ο1到οg的連線(xiàn)的距離；

L—銷(xiāo)軸中心ο1到切割阻力T作用點(diǎn)ο2的距離。

由于銷(xiāo)軸作用于粉碎刀的銷(xiāo)軸孔內(nèi)表面的正壓力T通過(guò)粉碎刀銷(xiāo)軸孔中心，因此對(duì)粉碎刀的力矩為0，即∑Mo1=0，則

式中M—粉碎阻力力矩(N·m)；

M1—重力力矩(N·m)；

M2—離心力矩(N·m)；

ω—粉碎刀角速度(rad/s)；

m—粉碎刀質(zhì)量(kg)。

因此，作用在粉碎刀上的力矩相對(duì)于銷(xiāo)軸中心ο1的平衡方程式為

TLcos(α-β)=Gh2sinα+mw2R1h2sinα

由上式可以求得

圖4　粉碎刀受力分析圖

2粉碎節(jié)距Sf

粉碎節(jié)距是指相鄰兩把粉碎刀在同一徑向平面內(nèi)相繼沖擊打切香蕉秸稈的長(zhǎng)度，即在前一把粉碎刀接觸到香蕉秸稈到同徑向相鄰粉碎刀接觸到香蕉秸稈的時(shí)間內(nèi)機(jī)具的前進(jìn)距離，如圖5所示。

圖5　粉碎節(jié)距示意圖

當(dāng)粉碎刀輥的1個(gè)徑向平面內(nèi)有Z把粉碎刀片，刀輥每轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)刀片所需時(shí)間為2π/Z。在2π/Z時(shí)間內(nèi)機(jī)具前進(jìn)的距離即粉碎節(jié)距Sf，即

式中v—機(jī)具的前進(jìn)速度(m/s)；

t—刀輥上每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀片所需的時(shí)間(s)；

ω—粉碎刀輥的角速度(rad/s)；

Z—同一徑向平面上安裝的刀片數(shù)量；

Sf—粉碎節(jié)距(m)。

粉碎節(jié)距大小直接影響香蕉秸稈粉碎效果的優(yōu)劣。由上式可知：粉碎節(jié)距的大小是粉碎裝置的機(jī)具前進(jìn)速度、粉碎刀軸轉(zhuǎn)速、同徑向平面上安裝粉碎刀數(shù)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)共同控制的。根據(jù)國(guó)標(biāo)JB/T 6678—2001，農(nóng)藝生產(chǎn)中不影響下一季播種的香蕉秸稈粉碎長(zhǎng)度應(yīng)小于0.1m。因此，綜合考慮粉碎效果和功耗，粉碎節(jié)距S合理取值范圍為0.05～0.08m。

3粉碎輥筒的模態(tài)分析

在進(jìn)行香蕉秸稈粉碎作業(yè)時(shí)，粉碎刀輥高速旋轉(zhuǎn), 且易受到動(dòng)力載荷的影響，刀輥分布相對(duì)于軸線(xiàn)稍有不均便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；而當(dāng)輥筒固有頻率和高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受激勵(lì)工作頻率接近時(shí)，將對(duì)機(jī)具的損害很大。因此，對(duì)輥筒進(jìn)行模態(tài)分析，以避免輥筒轉(zhuǎn)速因接近其固有頻率的臨界轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的共振和噪聲，從而確定粉碎刀輥的合理轉(zhuǎn)速，并為改進(jìn)該粉碎刀輥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考[18]。采用SoildWorks 2011軟件創(chuàng)建粉碎刀輥輥筒的立體模型，再利用Simulation 插件對(duì)輥筒新建頻率分析算例并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可得4階模態(tài)分析結(jié)果，如表2、圖6所示。

表2　滾筒的前4階固有頻率

圖6　滾筒前4階模態(tài)分析示意圖

由表2數(shù)據(jù)可知：滾筒的前 4階固有頻率f的變化范圍為292.81～750. 73Hz。粉碎作業(yè)中刀輥轉(zhuǎn)速的范圍n=1 000～2 100rad/min 時(shí)，旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率范圍為fx=16.7～35Hz。由于f>>fx，該刀輥轉(zhuǎn)速范圍避開(kāi)了粉碎滾筒固有頻率的危險(xiǎn)區(qū)域，防止了共振的產(chǎn)生，所以刀輥轉(zhuǎn)速的選擇在合理范圍內(nèi)。

4結(jié)論與展望

粉碎刀輥的參數(shù)與粉碎還田機(jī)的粉碎效果和作業(yè)可靠性密切相關(guān)。因此，本文對(duì)香蕉秸稈還田機(jī)粉碎刀的數(shù)量、排列、運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)對(duì)粉碎滾筒的模態(tài)分析，獲得合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速范圍。在以后的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)具設(shè)計(jì)中，著重突破的技術(shù)重難點(diǎn)和優(yōu)化方向的定位為：

1)刀輥轉(zhuǎn)向。無(wú)論粉碎刀輥反轉(zhuǎn)還是正轉(zhuǎn)，粉碎刀的運(yùn)動(dòng)可用同樣的方程式來(lái)表達(dá)，這使得對(duì)粉碎刀輥正反轉(zhuǎn)問(wèn)題的研究得以簡(jiǎn)化；但由于其切割方式和切割范圍不同，有必要在實(shí)際作業(yè)中進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2)粉碎刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)粉碎刀的受力分析可知：粉碎刀結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化可減小粉碎刀工作偏角及增大粉碎率。這些都對(duì)后續(xù)工作中粉碎刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇有重大的指導(dǎo)價(jià)值。另外，可應(yīng)用仿生學(xué)原理對(duì)刀具和機(jī)具結(jié)構(gòu)進(jìn)行更進(jìn)一步優(yōu)化，加強(qiáng)研究仿生學(xué)在刀具設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

3)刀輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。粉碎刀輥的轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布的不均衡是產(chǎn)生機(jī)具產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因。粉碎刀排列方式的優(yōu)劣決定著能否最大限度地降低排列引起的不平衡和避免振動(dòng)對(duì)還田機(jī)的影響。盡量減小制造和安裝誤差，保證甩刀外形尺寸和質(zhì)量統(tǒng)一也是很重要的一方面。另外，研制針對(duì)性強(qiáng)的粉碎刀和尋求合理的粉碎刀排列方式，以滿(mǎn)足粉碎香蕉秸稈的特性要求將成為研究的重要內(nèi)容。

4)突破制約瓶頸，開(kāi)發(fā)復(fù)合作業(yè)機(jī)型。由于香蕉秸稈粗大、含水率高的特性，目前所研究的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)成本和功耗過(guò)高，作業(yè)功能單一。在保證粉碎質(zhì)量前提下盡可能降低生產(chǎn)成本、作業(yè)成本，已成為突破香蕉秸稈還田推廣制約的關(guān)鍵點(diǎn)。另外，研究開(kāi)發(fā)能夠同步完成香蕉秸稈粉碎和根茬破壞的復(fù)合作業(yè)機(jī)，并解決高割茬香蕉秸稈的技術(shù)難題，還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0078-EA

The Parameters Study on Cutter Roller of Banana Straw Chopper Machine

Song Yating, Li Yue, Tang Ningning, Wu Sihao

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：Banana straw crushing and returning technology as an integral part of conservation tillage in the South agriculture. There is a lack for crushing equipment with good effect.To solve this problem, this paper take theoretical analysis for number, arrangement, motion and the force of flail knife, which are the core components of banana crushing and returning machine, and determine the range of working parameters. Modal analysis of knife shaft by Soildworks 2013/Simulation has provided the basis for design. Theoretical foundation has been provided for designing horizontal banana pseudostem crushing and returning machine about selecting key components.

Key words：banana straw; crushing and returning to field; cutter roller

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0078-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S226.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：宋雅婷(1991-)，女，湖南瀏陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)syt_907235963@163.com。通訊作者：李粵(1965-)，男，廣西北流人，教授，碩士生導(dǎo)師， (E-mail)ly-888888@sohu.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503136)

收稿日期：2015-05-27