機(jī)采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析

賀小偉 劉金秀 李傳峰 李平 王旭峰 弋曉康

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300）

新疆是我國重要的商品棉基地，棉稈資源豐富、產(chǎn)量巨大。2018年，新疆棉花播種面積為2.491 3×106hm2，占全國的74.3%，棉花總產(chǎn)量為5.111×106t[1]，若按皮棉草谷比平均值5.02計(jì)算[2]，則新疆棉稈總產(chǎn)量達(dá)到2.565 7×107t，棉稈產(chǎn)量占全國的83.84%。棉花秸稈富含木質(zhì)素、纖維素、粗蛋白、氮和磷等，自然適宜性綜合評價(jià)高，開發(fā)利用潛力可觀，是一種重要的農(nóng)業(yè)可再生資源，目前在農(nóng)畜業(yè)、工業(yè)和能源領(lǐng)域有著十分廣泛的用途[3]，經(jīng)轉(zhuǎn)化后可用作飼料、肥料、燃料、生物炭、復(fù)合材料、木糖和菌類培養(yǎng)基質(zhì)等[4]。

隨著棉稈高效轉(zhuǎn)化技術(shù)的快速發(fā)展，棉稈的需求量不斷提高，亟需加強(qiáng)棉稈機(jī)械化收獲技術(shù)研究。棉稈對行收獲方法具有作業(yè)功耗低、實(shí)現(xiàn)整稈收獲等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色發(fā)展的需求，國內(nèi)外學(xué)者在棉稈對行收獲技術(shù)研究方面已取得了較大的進(jìn)展[5-10]。但現(xiàn)有齒盤式、鏈夾式、對輥式、圓盤式對行收獲方法主要適用于種植行距較寬的等行距棉稈收獲，存在拔斷率高、作業(yè)效率低等缺點(diǎn)[5-8]；現(xiàn)有對行鏟切式棉稈收獲機(jī)多采用單翼鏟或雙翼鏟對棉稈完成單一的鏟切作業(yè)，生產(chǎn)效率低，且存在鏟切后的棉稈纏膜嚴(yán)重、根茬攜帶泥土多等問題[9-10]?？梢?，現(xiàn)有對行收獲方法并不適用于新疆機(jī)采棉密植棉稈的收獲，亟待開發(fā)與密植栽培工藝相配套的對行收獲方法及機(jī)構(gòu)。

本文借鑒薯類作物挖掘收獲方法，并結(jié)合機(jī)采棉種植農(nóng)藝，設(shè)計(jì)了一種機(jī)采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)，能夠一次性實(shí)現(xiàn)整株棉稈對行鏟切、拔、鋪條等多項(xiàng)作業(yè)，同時(shí)具有分離泥土和整理棉稈的功能；針對外部激勵(lì)可能引起機(jī)架振幅大的問題，進(jìn)行機(jī)架有限元模態(tài)分析，求解自由模態(tài)下機(jī)架的模態(tài)頻率和振型，并與外激頻率比較分析，達(dá)到避免共振、改善整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的目的。該研究對實(shí)現(xiàn)棉稈資源化高效利用、促進(jìn)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。

1 機(jī)采棉種植模式

結(jié)合新疆棉區(qū)自然條件，為適應(yīng)機(jī)械化采收，機(jī)采棉種植新農(nóng)藝以行距超窄配置為特點(diǎn)，在不降低棉花產(chǎn)量的前提下，廣泛采用試驗(yàn)成功的（66+10）cm寬窄行密植種植模式[11]，如圖1所示。新疆棉區(qū)目前大面積播種的機(jī)采棉棉花品種有新陸中82、新陸中37和新陸中88等，如圖2所示為采棉機(jī)作業(yè)后的田間棉稈，該棉稈品種為新陸中82。

圖1 機(jī)采棉（66+10）cm密植種植模式行距

圖2 新陸中82密植棉稈田間分布

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

機(jī)采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括機(jī)架、三點(diǎn)懸掛架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、棉稈推壓裝置、切土裝置、限深輪、鏟切裝置、鏟切調(diào)節(jié)裝置、撥稈鋪條輥和擋脫板。

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

如圖4所示，該機(jī)具與輪式拖拉機(jī)連接在一起構(gòu)成作業(yè)機(jī)組，通過機(jī)具上的三點(diǎn)懸掛架正懸掛在輪式拖拉機(jī)的懸掛機(jī)構(gòu)上，懸掛機(jī)構(gòu)不僅起傳遞牽引力的作用，還可以通過調(diào)節(jié)其高度達(dá)到控制鏟切深度的目的；動(dòng)力由拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)傳遞給機(jī)具錐齒輪變速箱的動(dòng)力輸入軸。

圖4 棉稈對行鏟拔鋪條作業(yè)機(jī)組

棉稈推壓裝置、切土裝置、限深輪、鏟切裝置、拔稈鋪條輥、擋脫板按作業(yè)順序依次布置在機(jī)架上，每個(gè)單元的作業(yè)高度或深度均可調(diào)。如圖5所示，作業(yè)機(jī)組前行時(shí)，首先由位于前端的棉稈推壓裝置對棉稈進(jìn)行推壓使其聚攏、伏臥，接著切土裝置在分別距離2行窄行距棉稈根茬40～50 mm處將土切開并向外側(cè)翻動(dòng)，之后鏟切裝置以一定角度入土鏟切棉茬，并將整株棉稈提升、導(dǎo)流至土壤表層，后置的拔稈鋪條輥與鏟切裝置協(xié)同作業(yè)，及時(shí)將整株棉稈沿切線方向拋撥于田間并鋪條，最后擋脫板將滯留在拔稈鋪條輥上的棉稈、殘枝及殘膜脫離掉，使拔稈鋪條輥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)重新進(jìn)入下一次的拔稈作業(yè)。

圖5 工作原理圖

作業(yè)時(shí)，棉稈推壓裝置距離地面一定高度作業(yè)，適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)高度可避免棉稈在推壓過程中被折斷，且經(jīng)過棉稈推壓裝置推壓后的棉稈不再蓬松，方便后續(xù)作業(yè)中從鏟切裝置中順利通過。圓盤式切土裝置提前在棉稈根側(cè)進(jìn)行切土作業(yè)，再通過鏟切調(diào)節(jié)裝置對鏟切深度和入土角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于減小鏟切裝置的鏟切阻力。該機(jī)組作業(yè)緊湊有序，一次作業(yè)便可完成多項(xiàng)工序，實(shí)現(xiàn)了棉稈的整稈收獲。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

以1膜6行棉花精量播種機(jī)的作業(yè)幅寬為參照，該機(jī)具的工作幅寬確定為2.16 m；作業(yè)深度依據(jù)棉茬根系生長特性確定為80～150 mm，對該機(jī)具的作業(yè)生產(chǎn)率和功耗進(jìn)行估算，得出主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3.1 機(jī)具作業(yè)生產(chǎn)率

移動(dòng)式機(jī)組的理論生產(chǎn)率[12]：

式中：W-移動(dòng)式機(jī)組的理論生產(chǎn)率，hm2/h

B-機(jī)組的構(gòu)造幅寬，m

v-機(jī)組的理論速度，km/h

該機(jī)具工作幅寬B=2.16 m，機(jī)組理論前進(jìn)速度v=2.5～3.6 km/h，根據(jù)式（1）計(jì)算理論生產(chǎn)率W為0.54～0.78 hm2/h。

2.3.2 機(jī)具所需功耗估算

該機(jī)具所需功耗主要消耗在機(jī)組前進(jìn)、克服鏟切裝置的工作土壤阻力和驅(qū)動(dòng)拔稈鋪條輪的工作上，參照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[13]，即：

式中：N—作業(yè)機(jī)組所需的總功率，kW

N1—機(jī)器滾動(dòng)消耗的功率，kW

N2—鏟切裝置消耗的功率，kW

N3—傳動(dòng)消耗的功率，kW

用于克服作業(yè)機(jī)組滾動(dòng)阻力和鏟切裝置工作阻力的功率之和，稱為作業(yè)機(jī)組的牽引功率Np,即：

式中：F1—作業(yè)機(jī)組滾動(dòng)阻力，N

F2—鏟切裝置工作阻力，N

V—作業(yè)機(jī)組工作速度，m/s

作業(yè)機(jī)組滾動(dòng)阻力按下式估算：

式中：f—作業(yè)機(jī)組滾動(dòng)摩擦系數(shù)

G—作業(yè)機(jī)組質(zhì)量，kg

根據(jù)設(shè)計(jì)模型分析結(jié)果、類比估算方法以及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[15]，取f為=0.15，G=567 kg，F(xiàn)2=9 000～11 000 N（類比雙行固定式挖掘鏟的工作阻力F′2=3 430～4 900 N），v=1.0 m/s，N3=0.585·N，代入公式（4）、（3）、（2），估算得Np=9.83～11.83 kW，N=23.69～28.51 kW。

3 主要工作部件設(shè)計(jì)與分析

3.1 鏟切裝置

如圖6所示，鏟切裝置包括鏟切掛接架、鏟切框架、鏟切板和導(dǎo)流柵條。鏟切裝置通過鏟切掛接架與機(jī)架鏈接，鏟切框架通過螺栓、螺母固結(jié)在鏟切掛接架上，鏟切板鉚接在鏟切框架下端的安裝板上；導(dǎo)流柵條焊接在鏟切板的后端，整體為S狀，靠近鏟切裝置處的形狀為拱形，起提升棉茬作用，后段為凹狀，起篩土作用；相鄰柵條間距為10 mm，導(dǎo)流提升根茬的過程中，細(xì)碎的土塊可從柵條間通過，達(dá)到分離泥土的目的。鏟切裝置針對（66+10）cm機(jī)采棉寬窄行種植模式中2行窄行距棉稈進(jìn)行鏟切作業(yè)，該機(jī)具一共安裝了3個(gè)鏟切裝置，實(shí)現(xiàn)對1膜6行機(jī)采棉寬窄行種植農(nóng)藝的棉稈對行鏟切。

如圖7所示，鏟切框架包括鏟切安裝板和2個(gè)鏟切側(cè)板，其相互對稱地固接在鏟切安裝板兩端。2個(gè)鏟切側(cè)板的前端開有刃口，鏟切側(cè)板與地面夾角β為45°，鏟切側(cè)板刃口邊線與機(jī)組前進(jìn)方向所成夾角傾角α為50°，使得鏟切側(cè)板以連續(xù)滑切的方式切開兩側(cè)土壤，有效降低側(cè)切阻力，減小側(cè)切過程中鏟切裝置受到的沖擊力。鏟切裝置的核心部件—鏟切板采用仿生原理設(shè)計(jì)，鏟切板上均勻布置多個(gè)橢圓形凸起，其形狀如螻蛄前胸背板，使得鏟切板在土壤中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，如同螻蛄潛行土中，形成隧道且不粘土，良好的脫土性能有利于減小鏟切阻力、提高鏟切效率。每個(gè)鏟切板都設(shè)置有2個(gè)鏟尖（間距為100 mm），每個(gè)鏟尖正對2行窄行距棉稈。

圖6 鏟切裝置

圖7 鏟切框架和鏟切板

3.2 鏟切調(diào)節(jié)裝置

如圖8所示，鏟切調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)拉桿、調(diào)節(jié)螺栓對鏟切裝置的入土角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。鏟切裝置通過掛接臂鏈接到前橫梁的縱向鏈接耳處，鏟切調(diào)節(jié)裝置上的調(diào)節(jié)拉桿一端與掛接稈鏈接，另一端通過寬槽口鏈接耳與機(jī)架中橫梁鏈接。鏟切調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)入土角度時(shí)，通過改變調(diào)節(jié)螺栓和螺母的螺旋位置使得掛接臂傾斜角度發(fā)生變化，當(dāng)調(diào)整到合適的入土角度后，調(diào)節(jié)拉桿在寬槽口鏈接耳處的鏈接位置確定，將該處鏈接緊固，從而達(dá)到調(diào)節(jié)鏟切裝置入土角度的目的。

圖8 鏟切調(diào)節(jié)裝置、鏟切裝置與機(jī)架的連接關(guān)系

4 機(jī)架的有限元模態(tài)分析

機(jī)采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)的機(jī)架是承載和支撐鏟切裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、棉稈推壓裝置、拔稈鋪條輥等的關(guān)鍵部件。工作時(shí)，若外激振頻率接近機(jī)架的某一階固有頻率時(shí)，會(huì)引發(fā)機(jī)架共振；強(qiáng)烈振動(dòng)易使關(guān)鍵零部件疲勞破壞，影響整機(jī)的作業(yè)可靠性，因而對鏟拔鋪條機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，驗(yàn)證機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 模型的建立

該機(jī)具機(jī)架的三維模型如圖9所示，由等距分布的3根橫梁、2根錐齒輪變速箱縱向支撐梁及2個(gè)側(cè)板組成。梁結(jié)構(gòu)均采用方鋼管，側(cè)板厚度為10 mm，機(jī)架模型其他相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖9 機(jī)架三維模型

表2 機(jī)架模型參數(shù)

將機(jī)架簡化為剛性連接模型，保存文件為STEP格式，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench18.2中，進(jìn)行屬性定義和網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為5 mm，網(wǎng)格劃分后共有節(jié)點(diǎn)數(shù)714 896，單元數(shù)299 743，建立的機(jī)架有限元模型如圖10所示。

圖10 有限元模型

4.2 模態(tài)分析

在機(jī)架前橫梁三點(diǎn)懸掛架連接處施加全約束。一般地，機(jī)具工作穩(wěn)定性主要取決低階模態(tài)特性[14-15]，因此在仿真時(shí)提取前6階模態(tài)頻率和振型分析，得到前6階的模態(tài)振型云圖（圖11），得到固有頻率和振型變化如表3所示。

表3 機(jī)架前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖11 機(jī)架前6階模態(tài)和振型

由機(jī)架前6階振型云圖分析可知，后橫梁和側(cè)板是機(jī)架主要變形部位；因前橫梁和中橫梁中間有2根支撐梁，使得機(jī)架前端整體剛度大，而后橫梁無支撐結(jié)構(gòu)且跨度大，剛度小且易變形；兩邊側(cè)板前、后伸出端下延較多，撓度大使其易變形。在后橫梁和中橫梁處添加連接縱梁，增加側(cè)板的厚度可以進(jìn)一步提高機(jī)架的整體剛體。

機(jī)采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)在工作過程中受到的外界激勵(lì)源主要為：田間路面不平整度、鏟切裝置、拔稈鋪條輥、傳動(dòng)系統(tǒng)以及拖拉機(jī)輸出軸等產(chǎn)生的振動(dòng)。鏟切裝置在耕作深度穩(wěn)定時(shí)激振力較小，而且機(jī)采棉棉田平整度較高，田間路面不平整度和鏟切裝置的激振可忽略。拔稈鋪條輥轉(zhuǎn)速為276.9 r/min，最大激振頻率為4.62 Hz，動(dòng)力匹配的拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為720 r/min，最大激振頻率為12 Hz，可見拖拉機(jī)輸出軸的振動(dòng)是該機(jī)架的主要激勵(lì)源，但其激振頻率不在機(jī)架固有頻率范圍17.221～60.003 Hz內(nèi)，作業(yè)時(shí)不會(huì)引起機(jī)架共振。

5 結(jié)語

1）針對目前廣泛推行的機(jī)采棉種植模式，設(shè)計(jì)了一種機(jī)采棉密植棉稈對行鏟拔鋪條機(jī)，能夠一次性完成棉稈對行鏟切、沿切線方向拋拔、鋪條等多項(xiàng)作業(yè)，同時(shí)具有分離泥土和整理棉稈的功能。該機(jī)具作業(yè)緊湊有序，每個(gè)單元的作業(yè)高度或深度均可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了棉稈的整稈收獲。

2）該機(jī)一次作業(yè)6行，經(jīng)計(jì)算得理論生產(chǎn)率為0.54～0.78 hm2/h，作業(yè)總功率為23.69～28.51 kW，作業(yè)效率高、功率消耗低，符合綠色發(fā)展的需求。

3)通過有限元模態(tài)分析得出該機(jī)具機(jī)架的前6階固有頻率范圍為17.221～60.003 Hz，而外激振動(dòng)頻率范圍為0～12 Hz，固有頻率與外激振動(dòng)頻率無重疊，故機(jī)架在作業(yè)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，驗(yàn)證了機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。