穗莖兼收型玉米收獲機(jī)莖稈粉碎刀的設(shè)計(jì)

陳丹陽(yáng)，馬躍進(jìn)，郝建軍，趙建國(guó)，楊 欣，李建昌，閆 棠

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

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),玉米是主要的糧食作物之一，玉米年產(chǎn)量呈逐年上升趨勢(shì)。2016年，我國(guó)玉米年產(chǎn)量高達(dá)21 955.4萬(wàn)t[1]，按產(chǎn)糧和莖稈比為 1∶1.2[2]計(jì)算，每年約產(chǎn)出26 346.5萬(wàn)t的玉米莖稈。由于目前同時(shí)收獲果穗和莖稈的玉米收獲機(jī)并未進(jìn)入市場(chǎng)，使得收獲果穗后大量莖稈留置田中，農(nóng)民為搶時(shí)播種將莖稈焚燒。據(jù)統(tǒng)計(jì)，莖稈焚燒會(huì)導(dǎo)致區(qū)域PM2.5、CO、NO2日均濃度分別上升4.2、2.9、4.4倍[3]，不僅對(duì)環(huán)境造成污染而且安全隱患嚴(yán)重。

然而，玉米莖稈具有多功能性，可用作飼料、肥料、工業(yè)原料及新型能源等[4]，與人民生活息息相關(guān)。目前，大部分自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)只收獲果穗，將莖稈還田，少量的玉米收獲機(jī)配有莖稈回收裝置，由于粉碎后的玉米莖稈比較疏松，容積密度小，給運(yùn)輸造成困難，且未打捆的玉米莖稈一般采用堆放等方式存放，結(jié)構(gòu)疏松、占用空間很大。由此可見，穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機(jī)的研制是制約莖稈有效利用的主要問(wèn)題。

本課題在現(xiàn)有玉米聯(lián)合收獲機(jī)上增設(shè)了粉碎和打捆裝置，研制了可以集摘穗與莖稈粉碎、壓塊功能于一身的多功能玉米聯(lián)合收獲機(jī)，大大提高了作業(yè)效率。該技術(shù)既有利于種植業(yè)，又有利于促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，提高了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用和意義，是一機(jī)投入多方受益、值得推廣的新機(jī)型。

莖稈粉碎裝置是穗莖兼收型玉米收獲機(jī)的核心工作部件，它將摘穗后的莖稈粉碎，才能將其打成高密度的草捆后再儲(chǔ)存、運(yùn)輸，其設(shè)計(jì)成功與否關(guān)系到整機(jī)性能。為此，根據(jù)整機(jī)布置要求及文獻(xiàn)資料調(diào)研，對(duì)粉碎刀進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)三維軟件的應(yīng)力分析功能對(duì)其進(jìn)行分析，得到了應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性，為以后的設(shè)計(jì)提供參考。

1 穗莖兼收型玉米收獲機(jī)整機(jī)布置方案

整機(jī)布置方案如圖1所示。

1. 駕駛室 2.割臺(tái) 3.莖稈粉碎機(jī) 4. 驅(qū)動(dòng)前輪 5.果穗箱 6. 液壓油箱總成 7.壓塊機(jī)圖1 穗莖兼收型玉米收獲機(jī)整機(jī)布置Fig.1 Arrangement of corn harvester for reaping corn and stalk

由于增加了壓塊裝置，整機(jī)的底盤需要進(jìn)行全新的配置，將發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱等工作部件置于駕駛室之后、果穗收集箱之下，以節(jié)省底盤空間，果穗輸送采用中間輸送方式。莖稈壓塊機(jī)安裝在底盤最后位置，莖稈輸送筒將碎莖稈直接輸送到壓塊機(jī)的入料口處，壓塊后的莖稈以方捆形式落入田中，以便于后期的運(yùn)輸和存放。在壓塊機(jī)布置完成后，確定果穗收集箱的最終尺寸參數(shù)，安裝布置果穗收集倉(cāng)，完成果穗的收集工作。

莖稈粉碎裝置在驅(qū)動(dòng)前輪之前，在玉米莖稈倒伏之前就對(duì)莖稈進(jìn)行粉碎且避免了驅(qū)動(dòng)前輪的碾壓，解決了玉米莖稈粉碎后含土量高及莖稈倒伏后難以回收等難題。

2 莖稈粉碎機(jī)方案設(shè)計(jì)

莖稈粉碎機(jī)作為穗莖兼收型玉米收獲機(jī)的核心工作部件，其設(shè)計(jì)是否合理是決定穗莖兼收型玉米收獲機(jī)性能好壞的關(guān)鍵因素之一，只有合理的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，才能保證莖稈切碎質(zhì)量并降低功耗。

2.1 莖稈粉碎機(jī)的組成與工作原理

莖稈粉碎機(jī)包括碎莖稈輸送器、碎莖稈輸送筒、刀輥及甩刀等，如圖2所示。莖稈粉碎機(jī)以前置懸掛安裝連接方式安裝在玉米收獲機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪與果穗割臺(tái)之間，碎莖稈通過(guò)莖稈粉碎機(jī)的輸送筒將莖稈輸送到打捆機(jī)的入料口處。莖稈粉碎機(jī)下方設(shè)有頂出油缸負(fù)責(zé)莖稈粉碎機(jī)做升降往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出輪傳遞來(lái)的動(dòng)力完成莖稈粉碎、輸送工作。

1.輸送筒 2.莖稈粉碎機(jī)殼 3.減速箱 4.張緊輪 5.懸掛支臂 6.皮帶輪 7.懸掛臂 8.固定懸掛臂的軸套 9.甩刀 10.油缸 11.固定油缸的軸圖2 莖稈粉碎機(jī)及連接件Fig.2 Stalk pulverizes and fittings

由于割臺(tái)的限制，莖稈粉碎機(jī)的活動(dòng)空間有限。根據(jù)此活動(dòng)空間，設(shè)計(jì)莖稈粉碎機(jī)的外殼尺寸。莖稈粉碎機(jī)的外殼尺寸確定后，莖稈粉碎裝置的運(yùn)動(dòng)范圍就確定了?；谝陨弦蛩叵拗萍皣?guó)際無(wú)縫鋼管的規(guī)格制定，最終確定刀輥的回轉(zhuǎn)外徑為140mm。莖稈粉碎裝置包括粉碎刀和刀輥，之后設(shè)計(jì)粉碎刀的結(jié)構(gòu)尺寸，使其達(dá)到粉碎效果好且消耗功率低的效果。

2.2 莖稈收獲生產(chǎn)率

華北地區(qū)玉米單產(chǎn)平均為5 500kg/hm2[1]，玉米莖稈干產(chǎn)量與玉米籽粒產(chǎn)量之比為1.2∶1，故莖稈產(chǎn)量為6 600kg/hm2。在收獲時(shí)，玉米莖稈不能完全收獲，以80%玉米莖稈回收，20%玉米莖稈殘茬還田[5]來(lái)計(jì)算，收集的莖稈質(zhì)量為6 600×0.8=5 280kg/hm2。

玉米收獲時(shí)莖稈含水率平均為64.98%[6]，根據(jù)本機(jī)設(shè)計(jì)方案，莖稈收獲時(shí)含水率較高，取含水率為70%，于是得到莖稈產(chǎn)量為qi=5 280/0.7 =7 542.86kg/hm2。

莖稈收獲生產(chǎn)率的計(jì)算公式為[7]

Qj=0.1qjBjvj

(1)

式中Bj—工作幅寬(m)；

qj—莖稈產(chǎn)量(kg/hm2)；

vj—整機(jī)行進(jìn)速度(km/h)。

計(jì)算得Qj=9 051.43kg/h。

3 粉碎刀的設(shè)計(jì)及分析

莖稈粉碎機(jī)的粉碎刀片是粉碎裝置的重要工作部件，經(jīng)常與泥土、石塊及其它田間雜質(zhì)接觸摩擦，工作條件極為惡劣，且由于其轉(zhuǎn)速一般較高，需要承受很大的沖擊力才能達(dá)到粉碎莖稈的目的。因此，粉碎刀的質(zhì)量直接影響莖稈粉碎機(jī)的粉碎質(zhì)量和可靠性。

3.1 粉碎刀類型的選擇

粉碎刀按結(jié)構(gòu)形式可分為直刀型、錘爪型及甩刀型。其中，甩刀型又包括L型及其改進(jìn)型刀、T型刀、Y型甩刀型及鞭式[8]，如圖3所示。

直刀型 錘爪型 Y型刀

T型刀 L型及其改進(jìn)型刀 鞭式刀圖3 各種粉碎刀類型Fig.3 Various types of grinding blade

直刀型粉碎性能較好、質(zhì)量小、消耗功率較小，由于需要組合使用且排列較密，成本較高；錘爪式粉碎性能好，但其質(zhì)量大、消耗功率大、成本高；Y型刀粉碎性能較好、質(zhì)量小、消耗功率小、撿拾性能好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；T型刀粉碎效果好、質(zhì)量較小，但成本較高；L及其改進(jìn)型粉碎效果較好、質(zhì)量小、功率小、成本較低，且以打擊為主；鞭式粉碎質(zhì)量較好、工作效率高，但其消耗功率高、成本高。

莖稈粉碎多以打擊粉碎為主，切割為輔，其工作原理是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的刀片打擊莖稈，從而達(dá)到粉碎目的。綜合成本與效率多方面因素，Y型刀與L型及其改進(jìn)型刀滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選擇L型及其改進(jìn)型刀，并將兩片刀組合成Y型。這樣設(shè)計(jì)既吸取了Y型刀撿拾效果好的優(yōu)勢(shì)，又改善了Y型刀的不足，當(dāng)?shù)镀龅缴笆容^硬沖擊時(shí)還可以通過(guò)兩片刀的擺動(dòng)來(lái)減小刀座及刀輥的沖擊力。

L改進(jìn)型刀片切割莖稈時(shí)用斜切的方式，即刀片與莖稈纖維成一定斜角，而L型刀片切割莖稈是橫斷切，即刀片垂直莖稈纖維。理論上，L改進(jìn)型刀片比L型刀片粉碎莖稈所需的功耗小30%～40%[9]。因而，本設(shè)計(jì)選用L改進(jìn)型刀片。

3.2 粉碎刀受力分析

當(dāng)粉碎刀高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下處于徑向射線的位置，與刀輥形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)整體。粉碎刀切割莖稈時(shí)，切割阻力使粉碎刀產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，切割過(guò)后，甩刀在離心力的作用下恢復(fù)到原位。粉碎刀的受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 粉碎刀受力分析Fig.4 Force analysis for grinding blade

由圖4可知

T×b=m×g×a×sinβ+

m×ω2×R1×a×sinβ+f×m×ω2×ρ×r

刀輥上的正壓力時(shí)最大值產(chǎn)生于β=0時(shí)，此時(shí)，摩擦力矩=f×m×ω2×ρ×r作用在粉碎刀上相對(duì)于粉碎刀銷軸的力矩方程式可寫成

(2)

式中β—刀具工作偏轉(zhuǎn)角(°)；

ω—刀軸回轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

ρ—刀具質(zhì)心離刀軸回轉(zhuǎn)中心距離(mm)；

T—作用在刀具端部的切割阻力(N)；

b—刀具所受切割阻力的力臂；

m—刀具質(zhì)量(g)；

f—摩擦因數(shù)，f=0.15；

R1—刀片回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

a—刀具質(zhì)心離銷軸中心的距離(mm)；

g—重力加速度(m/s2)；

L—銷軸中心離刀軸中心的距離(mm)。

莖稈粉碎機(jī)工作時(shí)，偏轉(zhuǎn)角過(guò)大，不利于粉碎，也將造成莖稈的割茬高度增加，由式(2)可知:

1)當(dāng)粉碎刀幾何尺寸及安裝尺寸一定時(shí)，增大質(zhì)量m，β將減小，因此粉碎刀的m值不宜過(guò)小。

2)由粉碎刀結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)m值一定，增大ρ值時(shí)，a值也將增大，那么β將減小。所以，在粉碎刀質(zhì)量一定的情況下，把粉碎刀的質(zhì)量重心向刀端移動(dòng)，同樣可以獲得減小甩刀偏轉(zhuǎn)角的效果。

3.3 粉碎刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)

粉碎刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有彎折角φ、正切面刃角i、滑切角β、彎曲半徑r、切削寬度L、刃厚b、刀輥半徑R[9]，如圖5所示。

圖5 粉碎刀結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 Structural parameters of grinding blade

1)彎折角φ，即粉碎刀正切面與側(cè)切面夾角。彎折角過(guò)大，會(huì)使刀尖容易接觸到土壤或根茬，粉碎刀受力增加，加速其磨損，降低刀具使用壽命；彎折角過(guò)小，粉碎刀切割莖稈時(shí)首先在彎折處接觸莖稈，之后滑向側(cè)切刃，使刀輥易阻塞，切割阻力增大。

2)正切面刃角i。i減小，粉碎刀鋒利，功耗小，但i過(guò)小會(huì)使刀具壽命降低。

3)滑切角β?；薪菫檎禃r(shí)，滑切角過(guò)大，切割阻力增大，粉碎作用減??；滑切角為負(fù)值時(shí)，粉碎刀易纏草，刀輥易阻塞。

4)彎曲半徑r。粉碎刀彎曲處要有合適的彎曲半徑，這主要從制造工藝及刀具強(qiáng)度來(lái)考慮，過(guò)小的r會(huì)使粉碎刀彎曲處強(qiáng)度降低，降低刀具使用壽命。

5)切削寬度L。應(yīng)從粉碎質(zhì)量出發(fā)，綜合機(jī)具結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度和功耗等方面綜合考慮L值。切削寬度大可減少粉碎刀的排數(shù)，但單刀阻力增大，沿彎曲處易打斷；切削寬度小，粉碎效率低，漏茬現(xiàn)象嚴(yán)重，需增加粉碎刀組數(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

6)刃厚b。當(dāng)正切面刃角i與刀片厚度確定后，刃厚就確定了。

7)刀輥半徑R。該半徑已確定為140mm。

3.4 粉碎刀結(jié)構(gòu)尺寸的確定

由以上兩節(jié)分析可知，粉碎刀的結(jié)構(gòu)尺寸與諸多因素相關(guān)，以下逐一對(duì)各個(gè)尺寸進(jìn)行確定：

1)由式(2)可知：提高甩刀質(zhì)量可以減小甩刀偏轉(zhuǎn)角。刀片質(zhì)心的位置基本不受刀片厚度的影響，甩刀厚度一般為6～8mm[10]。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，甩刀更換非常復(fù)雜，而且更換后的甩刀與之前使用過(guò)的甩刀在質(zhì)量及性能方面存在較大差異，容易造成刀輥的不平衡。另外，由于對(duì)甩刀進(jìn)行大開刃，因此本文設(shè)計(jì)采用8mm，防止刀片變形，保證較高的安全系數(shù)，提高甩刀的使用壽命。

2)刀片寬度?？紤]刀對(duì)切碎莖稈的氣流輸送，防止刀片在工作過(guò)程中產(chǎn)生變形，通常刀片寬度為30～100mm[11]，為了提高撿拾率，刀片寬度取70mm。

3)彎折角。江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院劉永華老師對(duì)L形刀折彎角170°、160°、150°、135°作過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，135°L形刀片的采集率最大，但對(duì)折彎角為135°～90°沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)[12]。

根據(jù)式(2)可知：應(yīng)將刀片的重心位置向刀端移動(dòng)，以保證刀輥的平衡。利用軟件的分析功能來(lái)檢驗(yàn)刀片的重心位置，以銷孔處為原點(diǎn)，彎折角為135°時(shí)重心坐標(biāo)為(9.975，-93.920，35.000)，彎折角為120°時(shí)重心坐標(biāo)為(8.740，-95.317，35.000)。由此可見，彎折角越大，重心離刀端越近，因此選取彎折角為135°。

4)刃角。在沖擊式無(wú)支撐情況下，在設(shè)計(jì)刀片結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，刀片刃角不易過(guò)小。刃角建議選擇在20°～40°。參考旋耕機(jī)刀片和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇傾斜線與水平方向之間的夾角為20°[13]。

5)材料選擇。選用65Mn材料制造刀片，采用熱處理工藝方案為:淬火(加熱溫度830～840℃,時(shí)間為10min)，等溫淬火(溫度250～260℃,時(shí)間大于或等于30分鐘)，回火(溫度250～260℃,時(shí)間2h)[14]。 根據(jù)以上設(shè)計(jì)計(jì)算以及結(jié)合現(xiàn)有粉碎刀的模型結(jié)構(gòu)，確定粉碎刀的最終尺寸:彎折角φ為135°，正切面刃角i為20°，切削寬度L為37.5mm，刃厚b為8mm，彎曲半徑r為30mm，如圖6所示。

圖6 粉碎刀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Fig.6 Structural parameters of grinding blade

3.5 粉碎刀應(yīng)力分析

3.5.1 定義材料及網(wǎng)格劃分

應(yīng)力分析前首先對(duì)粉碎刀的材料進(jìn)行設(shè)置，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性表

之后設(shè)置網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)量直接影響計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分越多，計(jì)算精度越高，但求解越慢。本文采用h—收斂，優(yōu)化最大數(shù)設(shè)置為0，網(wǎng)格平均元素大小為0.1，最小元素大小為0.1，分級(jí)系數(shù)為1.5，最大轉(zhuǎn)角為60°。由于粉碎刀的主要工作部位為刀刃部分，因此對(duì)該部分進(jìn)行局部網(wǎng)格控制，設(shè)置元素大小為2mm，如圖7所示。共得到9 106個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 423個(gè)元素，由圖7可以看出刀刃部分的網(wǎng)格劃分明顯比其他部分要細(xì)。

圖7 粉碎刀網(wǎng)格劃分Fig.7 Divide the grid for grinding blade

3.5.2 添加載荷和約束

Burmistrova測(cè)得莖稈切碎力為7.0～18.4N/mm[15]，由于要分析粉碎刀的最大受力情況，故本文在有限元分析中將作用在動(dòng)刀刃上的垂直均布載荷q取最大值18.4N/mm，即對(duì)粉碎刀的刀刃上添加2 400N的力。設(shè)定重力的方向，所添加力在圖7中以箭頭形式標(biāo)出，添加孔銷約束，全部準(zhǔn)備工作完成后對(duì)粉碎刀進(jìn)行有限元分析。

3.5.3 分析結(jié)果

通過(guò)三維軟件的應(yīng)力分析功能，得到粉碎刀的等效應(yīng)力、位移及安全系數(shù)分布云圖，如圖8所示。

圖8 粉碎刀應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution of grinding blade

從等效應(yīng)力分布云圖中可以看出：應(yīng)力最大值在銷孔處，為475MPa。粉碎刀采用的材料為65Mn，該材料的屈服強(qiáng)度為785MPa。因最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度，故該設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。從位移分布云圖可以看到：變形最大部位為粉碎刀刀端，變形從刀端向銷孔方向依次減小。粉碎刀的總長(zhǎng)度為1 650mm，而位移最大值為0.848mm，變形量對(duì)于粉碎刀長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)是個(gè)非常小的值，因此粉碎刀的設(shè)計(jì)滿足剛度要求。

從安全系數(shù)分布云圖可以發(fā)現(xiàn)：粉碎刀整體安全性能較好，安全系數(shù)最小值在銷孔附近。這是因?yàn)殇N孔處是粉碎刀的固定處，粉碎刀所承受的力最終大部分由該部位承擔(dān)，該處的安全系數(shù)值為1.7。在一般的設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)的值一般大于1.5[16]，可見粉碎刀的設(shè)計(jì)滿足安全條件。

4 樣機(jī)試制

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，委托玉龍農(nóng)機(jī)對(duì)粉碎刀進(jìn)行了試制，并完成莖稈粉碎機(jī)的試制，將其裝配刀山東奧泰機(jī)械廠生產(chǎn)的玉米聯(lián)合收獲機(jī)底盤上，如圖9所示。該樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，配套拖拉機(jī)動(dòng)力為92kW，工作時(shí)刀片離地面約5cm(在設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi))，保證留茬高度在9～12cm，工作幅寬為16.5cm。試驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)能夠滿足莖稈收獲要求，且粉碎刀未發(fā)生明顯的變形，莖稈未發(fā)生阻塞現(xiàn)象，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 樣機(jī)試制Fig.9 Manufacturing prototype

5 結(jié)論

1)通過(guò)理論計(jì)算、文獻(xiàn)調(diào)研及三維軟件的輔助設(shè)計(jì)功能,在滿足整機(jī)布置以及莖稈粉碎、輸送作業(yè)要求的前提下，對(duì)粉碎刀進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

2) 通過(guò)應(yīng)力分析，對(duì)粉碎刀的強(qiáng)度、剛度及安全系數(shù)進(jìn)行校核，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

3) 通過(guò)樣機(jī)試制和田間試驗(yàn)，再次驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

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