木薯種植機(jī)種莖切斷裝置的設(shè)計(jì)

崔振德，鄧干然，李國(guó)杰，劉智強(qiáng)，鄭 爽，李 玲

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

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木薯種植機(jī)種莖切斷裝置的設(shè)計(jì)

崔振德，鄧干然，李國(guó)杰，劉智強(qiáng)，鄭 爽，李 玲

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

機(jī)械化種植技術(shù)能夠大大提高木薯種植效率，降低種植成本，是木薯田間生產(chǎn)大勢(shì)所趨，而國(guó)內(nèi)木薯種植設(shè)備研究起步晚，尚存在諸多問題。為此，結(jié)合木薯種植農(nóng)藝要求及木薯種莖特性，針對(duì)木薯種植機(jī)種莖切斷裝置設(shè)計(jì)中存在的問題，進(jìn)行了有關(guān)切稈裝置設(shè)計(jì)的理論研究，分別對(duì)外形尺寸、整體結(jié)構(gòu)、切稈刀輥、刀片及護(hù)蓋等進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的木薯種莖切斷裝置能夠穩(wěn)定切斷木薯稈，拖拉機(jī)行駛速度約1.2m/s時(shí)，作業(yè)穩(wěn)定性高，無故障作業(yè)面積可達(dá)40hm2以上。

木薯；種植機(jī)；種莖切斷裝置

0 引言

木薯是世界三大薯類作物(馬鈴薯、甘薯、木薯)之一，在近90個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有種植，2014年種植面積約2 400多萬hm2，產(chǎn)量2.7億t。木薯也是我國(guó)第六大熱帶作物，種植面積40萬hm2多[1-2]。木薯是非洲部分國(guó)家和地區(qū)最重要的糧食作物，也是十分重要的工業(yè)原料，被廣泛應(yīng)用于加工淀粉、酒精及飼料等[3]。尤其是近年來，隨著生物質(zhì)能源的飛速發(fā)展，木薯在我國(guó)熱作地區(qū)的經(jīng)濟(jì)地位與社會(huì)地位愈顯重要[4]。

在傳統(tǒng)木薯種植模式下，木薯莖稈先在地頭被砍切成長(zhǎng)度大致相同的小段后，再由工人用籃、筐、桶等容器攜帶至田間進(jìn)行種植。進(jìn)行砍種操作時(shí)，工人將木薯莖稈平放在砧木上，一手握住木薯莖稈的一端，一手持刀將種稈砍斷成所需長(zhǎng)度。這種操作模式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下、切斷長(zhǎng)度不均，整個(gè)種植過程漫長(zhǎng)，成本高。

而機(jī)械化種植模式能夠從根本上改善目前木薯種植的窘境。機(jī)械化種植技術(shù)是以拖拉機(jī)為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)木薯種植機(jī)作業(yè)，在操作工人的輔助下，完成開溝、切稈、下種、施肥、覆土及壓實(shí)等一系列工作，作業(yè)高效，費(fèi)用低廉[5-7]。

種莖切斷裝置是木薯種植設(shè)備的核心部件，對(duì)整機(jī)性能起決定性作用，直接影響到木薯機(jī)械化種植效果。例如，種莖切斷裝置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，會(huì)導(dǎo)致木薯種莖夾持、輸送、切斷作業(yè)故障，甚至無法進(jìn)行種植作業(yè)[8-9]。

1 木薯莖稈的物理特性

目前，成熟的木薯莖稈是木薯種最重要的來源。外觀上看，木薯莖稈呈細(xì)長(zhǎng)圓棒狀，表面呈多頭螺旋線規(guī)整的分布著許多突起，其主體直徑為10～35mm，一般為20mm左右，軸向相鄰腋芽距離為15～40mm，如圖1所示。

圖1 木薯種莖軸測(cè)圖

木薯莖稈由3部分組成，由外到內(nèi)，依次是皮層、木質(zhì)層、髓部，如圖2所示。皮層是決定生根發(fā)芽的關(guān)鍵部分，極為脆弱，一旦受到損傷，就會(huì)影響到木薯種莖的正常生長(zhǎng)。這也對(duì)夾持切斷設(shè)備提出了很高的要求。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)木薯種莖的力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究，其中廣西大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)于2010-2011年對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量[10]。木薯莖稈平均軸向拉伸強(qiáng)度為10.23MPa、平均軸向壓縮強(qiáng)度為6.26MPa、平均徑向壓縮強(qiáng)度為1.43MPa、平均軸向剪切強(qiáng)度為1.86MPa、平均徑向剪切強(qiáng)度為2.53MPa、平均抗彎強(qiáng)度為10.80MPa、平均軸向彈性模量為5.24MPa、平均徑向彈性模量為35.36MPa。

圖2 木薯種莖斷面

2 種莖切斷裝置的結(jié)構(gòu)

2.1 種莖切斷裝置主體結(jié)構(gòu)的確定

木薯種植機(jī)種莖切斷裝置由切稈座、切稈刀輥及切稈護(hù)蓋等組成，如圖3所示。

1.切稈長(zhǎng)軸 2.鏈輪 3.帶立式座軸承 4.切稈短軸

其中，切稈座作為基座，用于安裝固定其他零部件，一對(duì)切稈刀輥用于切斷喂入的木薯稈，切稈護(hù)蓋主要是避免木薯稈在切斷過程出現(xiàn)傾斜，影響切斷效果，也避免裝置對(duì)操作人員造成傷害。工作時(shí)，木薯稈由切稈護(hù)蓋喂料斗喂入，在一對(duì)刀輥的擠切作用下被切斷成適宜種植的小段，而后在自重作用下向下滑落。

由于種莖切斷裝置既需要橫向調(diào)整位置，又要求整體配合精度較高，且切稈刀片及彈性膠筒容易損壞，需要經(jīng)常維修更換，且將基座設(shè)計(jì)成整體可側(cè)向移動(dòng)，使其在需要改變種植規(guī)格時(shí)，能夠快速調(diào)整行距。其整體結(jié)構(gòu)尺寸為高度360mm，長(zhǎng)度920mm，寬度375mm。

2.2 種莖切斷裝置傳動(dòng)設(shè)計(jì)

切稈裝置的驅(qū)動(dòng)力由木薯種植機(jī)地輪提供，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)種莖切斷裝置一同運(yùn)轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)無需控制裝置調(diào)節(jié)木薯種莖切斷裝置轉(zhuǎn)速與啟停時(shí)間，既能降低設(shè)備成本及設(shè)備操作難度，也能夠確保種莖切斷裝置作業(yè)精準(zhǔn)度。

切稈裝置包含兩級(jí)傳動(dòng)：一級(jí)傳動(dòng)是從動(dòng)力源到主動(dòng)切稈刀輥的傳動(dòng)，二級(jí)傳動(dòng)是主動(dòng)切稈刀輥到從動(dòng)切稈刀輥的傳動(dòng)，如圖4所示。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)裝置的應(yīng)用上，一般常用傳動(dòng)方式有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣力傳動(dòng)及電力傳動(dòng)等幾種形式。結(jié)合木薯機(jī)械化種植作業(yè)環(huán)境、設(shè)備成本、設(shè)備使用可靠性及設(shè)備維護(hù)成本等方面因素，種莖切斷裝置的一級(jí)傳動(dòng)方式采用鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)[11]。鏈傳動(dòng)具有傳動(dòng)功率高，傳動(dòng)距離長(zhǎng)，傳動(dòng)比精準(zhǔn)等特點(diǎn)，在惡劣的作業(yè)環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，非常適合沙塵影響較為嚴(yán)重的田間作業(yè)。

圖4 傳動(dòng)示意圖

而對(duì)于二級(jí)傳動(dòng)，由于傳動(dòng)距離短，兩刀輥運(yùn)轉(zhuǎn)方向不可變，故采用齒輪傳動(dòng)，齒輪公稱直徑與兩刀輥中心距一致。

作業(yè)時(shí)，在地輪驅(qū)動(dòng)下，主動(dòng)切稈刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過一對(duì)嚙合齒輪帶動(dòng)從動(dòng)切稈刀輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)木薯種莖喂入時(shí)，即被切斷成固定長(zhǎng)度的小段，如圖5所示。

圖5 木薯種莖切斷示意圖

2.3 切稈刀輥的設(shè)計(jì)

2.3.1 切稈刀輥的總體設(shè)計(jì)

切稈刀輥共有1對(duì)，分別由切稈軸、刀座、刀片、擋板及膠筒等組成。其中，切稈軸、擋板與刀座焊合作為切稈刀輥的基體，刀片通過螺栓緊固于刀座上；膠筒用于彈性夾持，未進(jìn)行固定，僅用螺栓穿過，防止刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)松脫。

刀輥的設(shè)計(jì)是種莖切斷裝置的核心。由于機(jī)械化種植時(shí)，對(duì)木薯種莖長(zhǎng)度有一定要求，一般為150～200mm，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。由于木薯莖稈在切稈裝置里，切稈長(zhǎng)度、切稈刀片、刀輥中徑存在的關(guān)系為

L=πD/n

式中 L—木薯種莖切斷長(zhǎng)度(mm)；

D—刀輥中徑(mm)；

n—刀片數(shù)量(個(gè))。

依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，木薯種莖切斷設(shè)定為160mm，每個(gè)刀輥刀片數(shù)量為4片，則刀輥直徑為204mm。

2.3.2 切稈刀片的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)種植模式下，人工砍斷木薯種莖時(shí)，由于揮刀線速度一般可達(dá)3m/s，厚度約2mm的砍刀基本可以一刀斬?cái)嗄臼矸N莖，如圖6所示。

圖6 一刀切斷的木薯莖稈

對(duì)于厚度在3mm以上的砍刀，則難以一刀將木薯種莖斬?cái)啵话愕拇胧┮皇治站o木薯稈，使其直立，一手持刀，在木薯種莖相對(duì)面砍切，形成V型口斷面，如圖7所示。

機(jī)械化切斷木薯種莖時(shí)，由于是兩片相配合的刀片相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)從而切斷木薯種莖，在此過程中切稈刀片受力大小與方向不斷變化。因此，刀片的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，是切斷木薯莖稈的零件，直接與木薯稈接觸，并對(duì)其施加作用力，其使用性能直接影響種莖切斷效果。木薯等株距種植的農(nóng)藝決定了刀片間歇性工作，且在工作時(shí)承受較大沖擊載荷及扭矩。這對(duì)刀片的形狀、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、配合都有較高的要求，以滿足長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。刀片寬度設(shè)計(jì)與取決于木薯種莖大小，如圖8所示。

圖7 兩刀切斷的木薯莖稈

圖8 木薯莖稈與刀片示意圖

刀片寬度與木薯種莖存在如下關(guān)系，即

L≥d+2h

式中 L—刀片寬度；

d—木薯種莖主體直徑；

h—木薯種莖突起高度。

木薯主體直徑一般為20～35mm，較為粗壯的也可達(dá)到40mm，d取值為45mm。凸起高度一般為5～8mm，h取值10mm。因此，L≥65mm?？紤]木薯種莖應(yīng)避免與切稈輥兩側(cè)圓板接觸，L取值70mm。

對(duì)于刀片材質(zhì)，應(yīng)具備必要的硬度、耐磨性，以及足夠的強(qiáng)度和韌性，這與木工刀具的作業(yè)要求具有很大的相似性。木工刀具的硬度一般在HRC44以上，同時(shí)具備較高的耐磨性[12]，此處參考木工刀具選材。一般木工刀具常用材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼(HSS)及硬質(zhì)合金，考慮到木薯種植機(jī)實(shí)際使用環(huán)境及生產(chǎn)成本，選用碳素工具鋼作為木薯種植機(jī)刀片材料。

對(duì)于刀片的結(jié)構(gòu)形式，考慮的因素主要包括刃口角度、刃口長(zhǎng)度、刀片厚度及安裝方式等?？紤]木薯種莖的長(zhǎng)度范圍及木薯種莖輸送情況，刀片的刃口長(zhǎng)短設(shè)為70mm，而刃口角度為了提高刀片的強(qiáng)度，確保刀片的使用壽命，取值25°，厚度為4mm，通過螺栓固定在刀座上，具體參數(shù)如圖9所示。

圖9 切稈刀片參數(shù)

2.4 切稈護(hù)蓋的設(shè)計(jì)

種莖切斷裝置的護(hù)蓋作為覆蓋件，遮蓋在切稈裝置活動(dòng)部件上方，能夠避免工人在操作時(shí)受到傷害，起到保護(hù)工人安全的作用。同時(shí)，護(hù)蓋還能夠在種莖輸送過程中對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)向定位，避免木薯種莖在切斷過程中出現(xiàn)傾斜，影響種莖切斷裝置正常作業(yè)。

由于切稈刀片厚度大，切斷過程中兩片刀片對(duì)木薯種莖施加作用力不平衡會(huì)導(dǎo)致木薯種莖出現(xiàn)偏斜，如圖10所示。另外，木薯種莖通過喂料斗時(shí)，會(huì)與其形成刮擦，若設(shè)計(jì)不合理，極易造成木薯種莖表皮與腋芽的損傷，影響出苗率，還會(huì)因種莖切斷不順利導(dǎo)致株距不均，甚至缺苗現(xiàn)象。根據(jù)前述要求，設(shè)計(jì)了種莖切斷裝置護(hù)蓋，其結(jié)構(gòu)與具體尺寸如圖11所示。

圖10 未裝護(hù)蓋時(shí)切斷木薯稈示意圖

3 試驗(yàn)測(cè)定

3.1 樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)文中提出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了新的木薯種植機(jī)切稈裝置，完成了新樣機(jī)的試制，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖11 切稈護(hù)蓋參數(shù)

項(xiàng)目單位參數(shù)外型尺寸mm920×375×355質(zhì)量kg62.68刀輥直徑mm200刀組數(shù)量對(duì)4切稈長(zhǎng)度mm160長(zhǎng)度合格率%≥95%種莖破損率%≤4%

3.2 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)在位于廣東省湛江市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)材料為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所木薯試驗(yàn)地種植華南5號(hào)木薯莖稈，所選木薯莖稈生長(zhǎng)周期為9個(gè)月，自土表15cm以上截取種莖，長(zhǎng)度為150cm，莖稈主體直徑為3.5cm，平均含水率為71.42%。

試驗(yàn)方法：將試制好的木薯種植機(jī)種莖切斷裝置安裝于木薯莖稈切斷試驗(yàn)臺(tái)上，確保各處連接可靠、穩(wěn)定后，調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)，觀測(cè)其運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，同時(shí)觀察試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置是否穩(wěn)定。確保試驗(yàn)裝置及切種裝置軟硬件均運(yùn)行正常、工作穩(wěn)定后，對(duì)切稈裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)預(yù)熱10min，而后調(diào)整無極變速器轉(zhuǎn)速至40r/min。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員將木薯種莖從喂料斗放入，將切斷的種莖按照頭尾順序還原，重復(fù)10次，同時(shí)用連接在變速器與切稈器之間測(cè)量裝置采集數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

筆者以新鮮木薯種莖為原料，進(jìn)行了種莖切斷試驗(yàn)，運(yùn)行測(cè)試參數(shù)如表2所示。

表2 切稈裝置測(cè)試性能結(jié)果

試驗(yàn)表明：木薯種莖切斷時(shí)，所需扭矩較小，一般在15N·m以下；而當(dāng)切斷木薯根部種莖時(shí)，所受扭矩劇增，每根木薯稈切斷過程中均在尾部出現(xiàn)的最大扭矩。試驗(yàn)過程中，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，無異常。

4 結(jié)論

1)研制的木薯種莖切斷裝置作為木薯機(jī)械化種植技術(shù)的核心部件，不僅解決了人工切斷效率低的問題，同時(shí)能夠保證切斷長(zhǎng)度的一致性，顯著提高了生產(chǎn)效率。

2)設(shè)計(jì)了以地輪為驅(qū)動(dòng)力、鏈輪傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)方式，能夠適應(yīng)田間惡劣多變的作業(yè)環(huán)境；設(shè)計(jì)了種莖切斷裝置的刀片，解決了切稈過程中出現(xiàn)的漏切、堵塞等問題。

3)室內(nèi)試驗(yàn)及田間試驗(yàn)表明：該裝置性能穩(wěn)定，作業(yè)可靠，種莖切斷長(zhǎng)度160mm，長(zhǎng)度均勻度≥85%，種莖破損率≤4%，均達(dá)到或超過該機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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Design of Cassava Stalk Cutter for Cassava Planting Machine

Cui Zhende, Deng Ganran, Li Guojie, Liu Zhiqiang, Zheng Shuang, Li Ling

(Agricultural Machinery Research Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091,China)

Mechanized planting techniques can greatly improve the efficiency of cassava planting, reduce the cost, it's development trend of cassava field production. However, domestic research on cassava planting machine is not enough, there are still many problems. Firstly, studied the problems of cassava stalk cutter occurred when planting machines had worked in fields. Then theoretical studies on designing of cassava stalk cutter was did. At last the overall structure of cutter, cutter roller, blade and cover were analyzed and designed respectively referencing agronomy planting requirements and cassava stalk biological and physical characteristics. Tests shows that this type cassava stalk cutting device worked stably. When a cassava planting machine with designed cutter driven by a tractor moving about 1.2m/s, it has the best performance. It worked 600 acres with trouble-free operation.

cassava; planting machine; cassava stalk cutter

2016-05-16

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(514214)；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020209006)

崔振德(1984-)，男，河南鄲城人，助理研究員，(E-mail)czd2004@qq.com。

鄧干然(1972-)，男，廣西扶綏人，研究員，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)dengganran@163.com。

S223.2+6；S565.9

A

1003-188X(2017)04-0144-05