秸稈反應(yīng)堆縱向可調(diào)開溝裝置的研制

王 永，王澤河，楊淑華，王 偉，袁永偉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

秸稈反應(yīng)堆縱向可調(diào)開溝裝置的研制

王 永，王澤河，楊淑華，王 偉，袁永偉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

開溝是秸稈生物反應(yīng)堆種植作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，目前其開溝主要是人工勞動或微耕機(jī)作業(yè)，人工挖掘填埋勞動強(qiáng)度大、工作效率低，微耕機(jī)開溝淺，需要多次作業(yè)，不能滿足開溝工藝要求。為提高開溝效率，完成秸稈生物反應(yīng)堆開溝農(nóng)藝要求，設(shè)計制造了一種縱向可調(diào)旋轉(zhuǎn)式開溝裝置。該裝置的開溝刀縱向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行開溝，拋出的土由擋土板引導(dǎo)落在溝的兩旁，調(diào)節(jié)伸縮桿長度控制開溝刀軸傾角，其具有開溝深度可調(diào)、開溝效果好、工作效率高及結(jié)構(gòu)簡單等特點。

秸稈反應(yīng)堆；開溝裝置；深度可調(diào)；模態(tài)分析

0 引言

秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)是集生態(tài)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等效益于一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，不僅能夠解決農(nóng)村大量剩余秸稈的再利用問題，而且能使設(shè)施蔬菜土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)得到改善[1]。但是，在秸稈生物反應(yīng)堆制作過程中，存在人工開溝及覆土環(huán)節(jié)勞動強(qiáng)度過大、生產(chǎn)率低等問題[2]。為此，設(shè)計出一種適合在溫室內(nèi)作業(yè)且滿足農(nóng)藝要求的開溝裝置，以解決秸稈生物反應(yīng)堆開溝問題?，F(xiàn)有開溝機(jī)主要有鏵式、螺旋式、圓盤式及鏈?zhǔn)?種開溝[3]方式。鏵式犁開溝機(jī)結(jié)構(gòu)笨重、功耗大，主要用于土壤堅實度低、開溝深度要求不高的果園[4]；螺旋式開溝機(jī)運(yùn)動緩慢、掉頭難，主要用于山藥開溝；圓盤式開溝機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝要求高、效率低；鏈?zhǔn)介_溝機(jī)刀片易磨損、體積大、功耗大，可以用于自來水管及地下電纜鋪設(shè)等項工作的開溝作業(yè)，也可以用于植樹造林[5]。從所查文獻(xiàn)看來，開溝機(jī)大多為專用型(即針對性強(qiáng)),且現(xiàn)有的開溝機(jī)存在功耗大、笨重、轉(zhuǎn)彎掉頭不靈活及低矮環(huán)境操縱不方便等問題[6]。為滿足葡萄園農(nóng)藝要求，又要使裝置小巧靈活，筆者設(shè)計了一種秸稈生物反應(yīng)堆縱向可調(diào)旋轉(zhuǎn)式開溝裝置。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 開溝裝置結(jié)構(gòu)

秸稈生物反應(yīng)堆深度可調(diào)縱向旋轉(zhuǎn)式開溝裝置主要由機(jī)架、中間軸、開溝部件、伸縮桿及擋土托板等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.六方管 2.開溝刀 3.刀套 4.刀軸 5.軸承座 6.中間軸 7.機(jī)架 8.球鉸頭 9.萬向節(jié)頭 10.伸縮桿 11托板 12.擋土板圖1 秸稈反應(yīng)堆縱向可調(diào)旋轉(zhuǎn)式開溝裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of straw reactor’s portrait ditching

device adjusted and rotating

其中，機(jī)架前端是三點懸掛點，與外部拖拉機(jī)連接；中間軸前端是花鍵，與萬向節(jié)傳動軸的接頭通過花鍵連接，后端的萬向節(jié)頭與刀軸連接，中間軸與外部拖拉機(jī)后輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸連接；伸縮桿由球鉸頭、中間螺紋筒及螺母組成，旋轉(zhuǎn)螺母調(diào)節(jié)伸縮桿長度；刀軸部件包括開溝刀、刀套、六方管及刀軸，刀軸方軸部分套有六方管，六方管上焊接刀套，刀套通過螺栓固定開溝刀；擋土托板由擋土板、托板、軸承座及連接桿等組成，擋土板有導(dǎo)向引流作用，托板起到固定的作用，通過調(diào)節(jié)伸縮板長度改變托板傾角，從而改變刀軸與中間軸夾角，實現(xiàn)深度可調(diào)。

1.2 開溝原理

開溝裝置開溝作業(yè)時，拖拉機(jī)通過自帶的后三點懸掛系統(tǒng)支撐開溝裝置機(jī)架，拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸連接開溝裝置中間軸。從前進(jìn)方向看，由于拖拉機(jī)動力輸出軸順時針轉(zhuǎn)動，整個開溝裝置傳動軸均為順時針旋轉(zhuǎn)，開溝刀軸縱向順時針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)切土，左側(cè)拋土，拋出來的土由擋土板導(dǎo)向落在溝的兩邊[7]；調(diào)節(jié)伸縮桿的長度改變刀軸傾角，不僅可以實現(xiàn)開溝深度可調(diào)而且達(dá)到不同開溝拋土效果?？紤]到萬向節(jié)傳動效率，萬向節(jié)傳動角度控制在15°以內(nèi)，開溝裝置機(jī)架水平放置時，中間軸與水平面夾角為30°。

1.3 技術(shù)參數(shù)

秸稈生物反應(yīng)堆是開槽、菌種及有機(jī)肥均勻拋撒、填埋覆土及覆膜一體化的一項技術(shù)，其中開槽是消耗勞動力最大的部分。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和調(diào)研，確定了秸稈生物反應(yīng)堆開溝的農(nóng)藝要求，開溝深度和寬度各為400mm,溝與溝之間的中心距為800mm。針對秸稈生物反應(yīng)堆的特點，結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計確定的開溝裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 傳動軸

該開溝裝置依靠拖拉機(jī)三點懸掛支撐，后輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸傳遞扭矩，萬向節(jié)傳遞扭矩給中間軸,中間軸帶動開溝刀軸旋轉(zhuǎn)；考慮到傳動效率，十字萬向節(jié)傳動角度控制在15°范圍內(nèi)。傳動路線設(shè)計如圖2所示。

圖2 傳動路線簡圖Fig.2 Design of transmission route

圖2中：H為拖拉機(jī)后輸出軸離地高度；G為開溝離地實際深度；G1為開溝農(nóng)藝要求深度，為400mm；D為開溝刀旋轉(zhuǎn)直徑；L為刀軸總長；L1為刀軸尾部軸長；L2為刀軸工作軸長；L3為刀軸支撐軸長；L4為中間軸長度；L5為萬向節(jié)傳動軸軸長，長度可調(diào)；η、ε、θ為萬向節(jié)頭夾角；γ為開溝刀軸與水平面夾角，大小為η、ε、θ總和。

總體尺寸滿足

H+G=L5sinη+L4sin(η+ε)+

(L3+L2)sinγ+0.5Dcosγ

(1)

2.2 開溝部件

該開溝部件主要由開溝刀、刀套、六方管及刀軸組成。

由總體結(jié)構(gòu)可知：三段萬向接頭，η、ε、θ控制在15°范圍內(nèi)，工作時三者均取最大值，即η=ε=θ=15°。秸稈生物反應(yīng)堆開溝農(nóng)藝要求開溝寬度為400mm，開溝寬度靠開溝旋轉(zhuǎn)直徑保證，可知開溝刀安裝旋轉(zhuǎn)直徑D=400mm，則安裝刀軸的六方管與水平面角度為

γmax=η+ε+θ=45°

(2)

(3)

考慮極值問題，六方管L2取整為600mm。 刀軸支撐部分越長，開溝刀整體變形越嚴(yán)重；但支撐軸越短，伸縮桿承施加的拉壓力越大。考慮裝置整體布局，L3設(shè)計為300mm,刀軸尾部支撐部分L1設(shè)計為100mm，可知刀軸總長L為1 000mm。

開溝刀片通過螺母安裝在六方管的刀套上，考慮到刀軸因受力不均勻而引起的刀軸擺動，刀套對稱焊接在六方管上，采用每圓周方向旋轉(zhuǎn)60°、軸向增加90mm方式焊接在六方管上，共7組軸向?qū)ΨQ刀套，14把開溝刀，具體布局如圖3所示。

1.六方管 2.開溝刀 3.刀軸 4.刀套圖3 開溝部件結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of trenching part

2.3 擋土托板

擋土托板主要由擋土板、托板、軸承座及連接桿等組成，如圖4所示。托板支撐著刀軸，拋出來的土由擋土板導(dǎo)向落在溝的兩邊。圖4中K為托板兩對稱支撐部分夾角，K越大，托板左右擺動越劇烈，伸縮桿強(qiáng)度要求越高；K越小，調(diào)節(jié)傾角對應(yīng)的伸縮桿長度變化越大。綜上所述，K設(shè)計為120°；擋土托板整體長度尺寸近似等于刀軸長度，即1 000mm。

1.擋土板 2.連接架 3.托板 4.前軸承座 4.后軸承座圖4 擋土托板結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of retaining and supporting plate

2.4 伸縮桿

伸縮桿主要由球鉸頭、中間螺紋筒及螺母組成，如圖5所示。通過旋動螺紋調(diào)節(jié)螺母相對球鉸頭的位置，從而改變伸縮桿的長度；伸縮桿長度改變引起刀軸傾角發(fā)生改變，傾角的變化不僅能改變開溝深度，而且能夠改變開溝拋土方向，從而實現(xiàn)不同開溝效果。

伸縮桿的尺寸對調(diào)節(jié)角度有很大的影響。工作狀態(tài)時，取θ=15°時, 為使得伸縮桿施加給托板的有效壓力更大，伸縮桿通過已知托板上的球鉸點的垂線，與已知機(jī)架面的相交點就是伸縮桿另一球鉸點，兩端球鉸點位置確定；當(dāng)θ=15°時，計算得兩球鉸點距離為502mm；當(dāng)θ=-15°時，兩端點距離為346mm，即伸縮桿調(diào)節(jié)范圍約為350～500mm。

1.球鉸頭 2.螺母 3.中間螺紋筒 4.工藝孔圖5 伸縮桿結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of telescopic lever

3 開溝裝置受力分析

刀軸和擋土托板是開溝裝置的重要部分，易損壞，因此對刀軸和擋土板進(jìn)行受力分析很有必要。取刀軸和托板為一整體，進(jìn)行受力分析。已知中間軸通過萬向接頭花鍵連接刀軸前端傳遞扭矩，刀軸旋轉(zhuǎn)完成切土、拋土；土壤對開溝刀施加阻力同時左右伸縮桿對托板進(jìn)行壓緊支撐，完成開溝作業(yè)。開溝裝置主要是通過刀軸的扭矩進(jìn)行開溝作業(yè)，取刀軸截面為XY平面并進(jìn)行受力分析，刀軸和擋土托板整體受力情況如圖6和圖7所示。開溝裝置工作時(即在xy平面上穩(wěn)定工作)的受力平衡條件為

Qsinγcosα+Psinγcosα-Gcosω-Fcosζ=0

(4)

Qsinγsinα-Psinγsinα-Fsinζ=0

(5)

M+QL1sinλcosβ-PL1sinλcosβ-FL2=0

(6)

其中，M為中間軸施加給刀軸的扭矩；P為右伸縮桿施加給托板的壓力；Pxy為右伸縮桿在刀軸截面施加的分力,且Pxy=Psinγ；Q為左伸縮桿施加給托板的壓力；Qxy為伸縮桿在刀軸截面施加的投影力，且Qxy=Qsinγ；F為完成開溝作業(yè)土壤等效阻力；ζ為F與Y軸等效夾角；L2為刀軸軸心到F的等效距離，且F、ζ、L2已知，與開溝土壤的土質(zhì)疏松程度、開溝深度及接觸面積等有關(guān)；G為擋土托板和刀軸部件的整體重力；Gy為重力G在Y軸方向的分力，且Gy=Gcosω；λ為伸縮桿與刀軸夾角；α為XY平面內(nèi)伸縮桿與Y軸夾角；β為XY平面內(nèi)伸縮桿托板垂直面夾角；δ為托板左右支撐面夾角，且α+β+δ=90°。

圖6 xy 平面上受力圖Fig.6 Force diagram on xy plane

圖7 空間上受力圖Fig.7 Force diagram on space

經(jīng)過簡化計算得

(7)

(8)

(9)

由式(7)、式(8)知：伸縮桿所施加的壓力P、Q與sinλ成反比。已知，伸縮桿施加壓力越小，承受能力越強(qiáng)，使得P、Q最小時，λ=90°，即伸縮桿與托板支撐板垂直，在整個施加壓力過程中，應(yīng)滿足Q≤Qmax、P≤Pmax。其中，Qmax、Pmax是左右伸縮桿的施加最大壓力，與伸縮桿本身材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)；當(dāng)Q>Qmax或P>Pmax時，伸縮桿發(fā)生壓潰。

萬向節(jié)施加給刀軸的扭矩為M，其大小與拖拉機(jī)動力輸出功率有關(guān)，實驗用的拖拉機(jī)動力輸出功率P為22kW，動力輸出轉(zhuǎn)速N為500/720(r/min)，可知

(10)

當(dāng)開溝土壤的土質(zhì)疏松程度、開溝深度及拋土角度等確定后，等效F、ζ、L2均為已知，經(jīng)過公式(10)可計算得出M。當(dāng)M大于Mmax時，超出拖拉機(jī)動力允許最大功率，開溝不能完成，易引起開溝裝置損壞。秸稈生物反應(yīng)堆開溝是在經(jīng)過了一次旋耕作業(yè)后的基礎(chǔ)上進(jìn)行作業(yè)，上層土壤進(jìn)行旋耕后土質(zhì)疏松，所以等效的F、ζ、L2相比硬質(zhì)土壤較小，由式(7)～式(9)可知Q、P、M變小，安全系數(shù)變大，伸縮桿和拖拉機(jī)功率的可靠性增加。

4 模態(tài)分析

運(yùn)用 ANSYS Workbench 軟件對開溝裝置進(jìn)行模態(tài)分析，可有效避免共振或諧振。由于開溝裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以首先通過SolidWorks軟件建立開溝裝置的三維模型，保存為 .SAT 格式；然后直接通過SolidWorks與ANSYS Workbench 的接口導(dǎo)入 ANSYS Workbench 平臺中，進(jìn)行開溝裝置的模態(tài)分析[8]。

首先該裝置整體SolidWorks建模。建模過程中，為降低對計算機(jī)硬件的配置要求，減少計算量和求解時間，對開溝裝置的部分倒角圓角等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，保存模型為 .SAT 格式，通過SolidWorks與ANSYS Workbench 的接口導(dǎo)入 ANSYS Workbench平臺中[9]。

在ANSYS Workbench中，首先對材料進(jìn)行定義，該開溝裝置的材料定義為普通碳鋼；接下來就是網(wǎng)格劃分，其步驟主要分為定義單元屬性、定義網(wǎng)格密度控制和網(wǎng)格劃分[10],結(jié)果如圖8所示。

圖8 開溝裝置網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Meshed ditching device

在該分析中，選擇的單元類型是 Solid20node186，并且采用的是智能劃分網(wǎng)格。最后，進(jìn)行運(yùn)行結(jié)果，得到6階振型和共振頻率。一階振型圖如圖9所示，其他陣型不再贅述。

圖9 1階模態(tài)陣型Fig.9 First modal shape

根據(jù)頻率與轉(zhuǎn)速的公式，則

n=60f

其中，f表示頻率(Hz)；n表示轉(zhuǎn)速(r/min)[11]。

開溝裝置的臨界轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 開溝裝置臨階轉(zhuǎn)速

表2表明：1階固有頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1 448r/min，即開溝裝置的臨界轉(zhuǎn)速；而此開溝裝置的工作轉(zhuǎn)速最大為720r/min，1階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于最大工作轉(zhuǎn)速。所以，該開溝裝置的工作轉(zhuǎn)速是安全的，不會有共振現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)論

通過調(diào)研與查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，為滿足國內(nèi)的大多數(shù)地區(qū)的秸稈生物反應(yīng)堆開溝農(nóng)藝，設(shè)計了秸稈反應(yīng)堆縱向可調(diào)開溝裝置，并確定使用已有的拖拉機(jī)動力輸出軸作為動力，拖拉機(jī)通過后三點懸掛進(jìn)行

固定支撐，以刀軸部件、擋土托板及伸縮桿作為主要部件對秸稈反應(yīng)堆進(jìn)行開溝。開溝部件滿足開溝農(nóng)藝要求，且具有很高的通用性。通過對伸縮桿的理論計算，確定出與開溝深度相匹配的伸縮桿調(diào)節(jié)范圍，并對開溝裝置進(jìn)行模態(tài)分析，有效地避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

相比于已有的開溝裝置，本文所設(shè)計的秸稈反應(yīng)堆縱向可調(diào)開溝裝置通過調(diào)節(jié)伸縮桿，開溝深度及拋土方向可調(diào)；漸進(jìn)式拋土開溝深，動力需求?。粺o齒輪等磨損件的加入，裝置壽命長；結(jié)構(gòu)簡單，成本低。因此，秸稈反應(yīng)堆開溝裝置具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，但在整個裝置中個別零部件處需進(jìn)一步的改進(jìn)，整機(jī)需要進(jìn)一步的試驗分析。

[1] 王晶,李春豐,孟憲國.蔬菜大棚外置式秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)應(yīng)用[J].吉林農(nóng)業(yè):學(xué)術(shù)版，2012(9):122.

[2] 樊禹銘,張旭.棚室開溝機(jī)的推廣應(yīng)用與效益分析[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012(12):72-73.

[3] 朝海,段潔利,閆國琦,等.果園開溝機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2013(2):64-68.

[4] 一機(jī)部機(jī)械院農(nóng)機(jī)所耕作組.國外開溝機(jī)的發(fā)展情況[J].糧食加工與食品機(jī)械，1973(4):4-12.

[5] 覃國良.鏈?zhǔn)介_溝機(jī)刀具設(shè)計及其切削過程的數(shù)值模擬[D].武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[6] 張琦,王偉,廖結(jié)安.國內(nèi)外果園施肥開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(5):264-266.

[7] 郜寧.縱向旋轉(zhuǎn)式果樹開溝機(jī)的研制[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2014，37(3):24-25.

[8 ] 呂中界，李屹，尹健，等.閉式脫粒滾筒的靜動態(tài)性能分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015,37(4):44-47.

[9] 肖星星，李驊，齊新丹，等.基于ANSYS Workbench脫粒滾筒的模態(tài)和瞬態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016,38(8)：46-50.

[10] 邢靜中，李軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(yùn):學(xué)術(shù)版，2006(9):116-118.

[11] 劉向暉，劉俊峰，李建平，等.圓盤式果園開溝機(jī)刀盤作業(yè)模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016,38(6):102-115.

ID:1003-188X(2018)02-0136-EA

Development of a Straw Reactor’s Portrait Ditching Device Adjusted and Rotating

Wang Yong, Wang Zehe,Yang Shuhua,Wang Wei, Yuan Yongwei

(Mechanic and Electronics College, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract： Ditching is an important part of the straw biological reactor for planting. Currently ,the straw biological reactor for planting is completed by manual operations or tillers. Manual operations result in low efficiency and labor intensity. Tillers result in not only shallow ditch but also more operations for completing the task. To improve efficiency and complete the task. I designed a straw reactor’s portrait ditching device adjusted and rotating .Whose ditching knife is rotating and throwing soil which fall to ground on both sides by retaining plate. The angle of ditching knife axle is changed by adjusting the size of telescopic lever. This device not only complete different deep ditches, but also work well, simple construction and high efficiency.

straw biological reactor; ditching device; adjusted depth; modal analysis

2016-12-13

河北省科技支撐計劃項目(15227209D)

王 永(1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)15236283359@163.com。

王澤河(1969-)，男，山東臨清人，教授，(E-mail)wzhcau@163.com。

S222.5+2

A

1003-188X(2018)02-0136-05