一體式煙稈拔稈粉碎機設(shè)計與仿真

張大斌，余朝靜，舒成松，劉維崗，黃德云，曹 陽，張紀利

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院， 貴陽 550025；2.貴州科爾達客機電設(shè)備有限公司，貴陽 550003；3.廣西中煙工業(yè)有限責任公司，南寧 530001)

0 引言

煙草是我國最重要的經(jīng)濟作物之一，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，在我國國民經(jīng)濟當中有著舉足輕重的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計，2012年我國煙草種植面積達到141.2萬hm2，其副產(chǎn)物煙稈的產(chǎn)量為2 330萬t[2]。隨著煙草種植面積的增加，大量的煙稈殘留田間，為了避免煙稈及其根部腐爛在土壤中成為病蟲害和病毒的傳染源，影響來年煙草的種植與生長，需要在煙葉收獲后立即拔除煙稈[3-4]。由于我國在煙稈收獲方面的機械化程度低，煙葉采摘結(jié)束后通常由人工進行煙稈的清理工作，費時費力，且拔出后的煙稈通常被隨意棄在煙田中或者就地焚燒，廢棄煙稈資源沒有得到有效利用，反而嚴重地污染了環(huán)境[5]。因此，開展煙稈的機械化回收和綜合利用成為現(xiàn)代化煙草農(nóng)業(yè)不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

作為煙葉收獲后的重要副產(chǎn)品, 煙稈的資源化利用較廣，如可以用來制備活性炭[6]，也可以從中提取果膠[7]、低聚木糖[8]等化學(xué)原料，還可以用于造板[9]、造紙[5,10]、生產(chǎn)肥料[11]及生物質(zhì)燃料[7]等。不言而喻，開展煙稈的資源化利用具有顯著的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。目前，煙稈的綜合利用大都需要將煙稈送至車間進行二次加工(烘干、粉碎、壓縮成型等)，費時費工，而且煙稈密度小，空間大，運輸不便。另外，現(xiàn)有拔稈機械或是效率不高，或是操作不便，或是需要輔助收集、清理工序，整體體現(xiàn)出適應(yīng)性差的特點，而具有煙稈拔起、收集、清理和粉碎的一體化設(shè)備能夠解決煙稈回收利用運輸不便等問題，以及綜合利用預(yù)處理環(huán)節(jié)存在的主要問題，促進煙稈的高效綜合利用。目前煙稈拔稈機構(gòu)的研究還不夠成熟，拔稈機構(gòu)存在功率消耗大、受力不均、振動較大等問題?；谝陨媳尘埃_展了一體式拔稈粉碎機拔稈機構(gòu)的研究。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

一體式煙稈拔稈粉碎機能一次完成煙稈的拔起、抓取、輸送、清理和粉碎拋送等工作，主要由拔稈刀輥、輸送對輥、粉碎機構(gòu)、液壓傳動系統(tǒng)及機架等組成，如圖1所示。其中，拔稈刀輥采用掘蔸式刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計，輸送對輥主要由齒梳、輸送對輥Ⅰ、輸送對輥Ⅱ、輸送對輥Ⅲ和浮動對輥Ⅳ組成，粉碎機構(gòu)采用秸稈揉絲機，液壓傳動系統(tǒng)主要由齒輪泵、管路、閥件、油箱、PLC、壓力傳感器和3個液壓馬達組成。

1.2 工作原理

移動式煙稈拔稈粉碎機配套動力為四輪拖拉機，由拖拉機三點懸掛裝置為拔稈粉碎機提供行進動力和調(diào)節(jié)拔稈入土深度。拖拉機通過輸出主軸帶動齒輪泵為液壓系統(tǒng)提供動力，由齒輪泵帶動3個液壓馬達分別為拔稈刀輥、輸送對輥和粉碎機構(gòu)提供動力，并實現(xiàn)各功能部件的單獨調(diào)速。

作業(yè)時，刀輥液壓馬達驅(qū)動刀輥旋轉(zhuǎn)，刀輥反轉(zhuǎn)，刀輥彎刀由煙壟壟底開始切削土壤，以疏松煙壟土壤，并將煙蔸掘出地面；在拔稈橫刀作用下將整棵煙稈和土塊向后拋擲至后部輸送對輥，以避免煙稈與刀輥的纏繞、堵塞；進入輸送對輥的煙稈在多級對輥的旋轉(zhuǎn)推送和拋擲作用下，實現(xiàn)煙稈的輸送、煙蔸去土等工序；對輥液壓馬達通過鏈傳動帶動輸送對輥Ⅲ轉(zhuǎn)動，并由輸送對輥Ⅲ通過鏈傳動帶動各級輸送對輥，在浮動輸送對輥Ⅳ作用下被強制喂入到粉碎機構(gòu)，完成煙稈的均勻粉碎并拋送至收集車，實現(xiàn)煙稈的連續(xù)拔稈粉碎作業(yè)。

1.刀輥 2.齒梳 3.輸送對輥Ⅰ 4.三點懸掛 5.刀輥液壓馬達 6.刀輥傳動減速箱 7.輸送對輥液壓馬達 8.輸送對輥Ⅲ9.擺臂 10.輸送對輥Ⅳ 11.煙稈粉碎機 12.粉碎機液壓馬達 13.機架 14.殼體 15.輸送對輥Ⅱ 16.拔稈耕深調(diào)節(jié)輪

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 拔稈刀輥設(shè)計

2.1.1 拔稈刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

拔稈是煙稈收獲的工藝難點，既要求不漏拔、拔稈功耗低，又要求保持煙蔸完整性、適應(yīng)性好。拔稈刀輥作為拔稈粉碎機的核心工作部件，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)對拔稈作業(yè)的拔稈質(zhì)量、工作穩(wěn)定性、功率消耗和機組的平衡性等指標有較大影響。本文采用掘蔸式拔稈刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計，其主要由刀軸、左旋彎刀、右旋彎刀 、拔稈橫刀、刀座及刀盤等組成，如圖2所示。

1.刀盤 2.左旋彎刀 3.右旋彎刀 4.拔稈橫刀 5.刀軸

該結(jié)構(gòu)的特點是：掘蔸式拔稈刀輥利用旋耕原理，在執(zhí)行機構(gòu)根莖掘起刀輥上安裝彎刀和拔稈橫刀，工作時旋轉(zhuǎn)刀輥的刀片隨著機具的前進反轉(zhuǎn)入土挖掘，并將煙蔸掘出。該機對不同煙壟具有良好的適應(yīng)性，能有效解決煙稈的漏拔和拔斷問題，并能有效降低刀輥切土阻力和拔稈作業(yè)功耗[12]；同時，刀輥式結(jié)構(gòu)還能對煙壟起到耕整作用，減少了第2年煙田耕整工作量。

2.1.2 彎刀主要參數(shù)確定

彎刀作為拔稈刀輥的主要工作部件，主要作用是對煙壟進行切削，以疏松煙壟土壤并將煙蔸掘出地面，并對煙稈向后拋擲輸送，以完成連續(xù)拔稈作業(yè)。因此，為滿足拔稈要求并減少刀輥纏草和提高彎刀正切面拋土性能，對Ⅲ型彎刀進行改進設(shè)計來作為拔稈機刀輥彎刀。其主要參數(shù)有：回轉(zhuǎn)半徑、側(cè)切刃、正切刃、正切部彎折半徑和工作幅寬等[13]，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1)回轉(zhuǎn)半徑。為滿足煙稈的拔稈農(nóng)藝要求和實現(xiàn)煙壟的耕整作業(yè)，彎刀回轉(zhuǎn)半徑R應(yīng)大于壟高。同時，在一定的拔稈入土深度和作業(yè)速度下，應(yīng)選擇大回轉(zhuǎn)半徑、小轉(zhuǎn)速以降低機組功耗[14]，但過大的回轉(zhuǎn)半徑會增大機組外形尺寸。因此，綜合各因素，取R=250mm。

2)彎刀刀刃設(shè)計。彎刀刀刃的設(shè)計包括正切刃和側(cè)切刃兩部分。本文彎刀的側(cè)切刃曲線采用等進螺旋線(阿基米德螺線)，為保證彎刀對煙蔸根系切斷較少，耕底較為平整，正切刃曲線位于刀輥的外圓柱面上，即在側(cè)視圖上其投影為圓弧。正切刃與側(cè)切刃兩段刃口間以圓弧線光滑過渡[13]。

3)正切部彎折半徑。彎刀正切部彎折半徑r是彎刀的一個重要參數(shù)。r過大時，彎刀拋土性能較低，不利于煙稈和土塊的拋送，易造成堵塞；而r過小時，功率消耗較大，彎折圓弧處易黏土，并且會降低彎刀彎折處強度，影響使用壽命[13]。試驗表明：針對不同的煙壟條件和土壤特征，取r=30～40mm時能較好滿足刀輥拔稈要求，文中取r=30mm。

4)工作幅寬。增大彎刀的工作幅寬可減少刀輥上彎刀數(shù)量，以及彎刀對煙蔸根須的損傷和切斷，有助于煙蔸的完整掘起；而工作幅寬過大會增加刀輥的功率消耗，易造成刀輥的纏草和堵塞，還將影響彎刀的剛度。試驗表明：針對不同的煙壟條件和土壤特征，彎刀幅寬取b=30～50mm時能較好滿足刀輥拔稈要求，文中取b=30mm。

圖3 刀輥彎刀結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 彎刀排列設(shè)計

彎刀的排列方式是決定拔稈粉碎機性能的重要因素，對刀輥的拔稈作業(yè)質(zhì)量、功率消耗、平衡性能及使用壽命等都有很大的影響。刀輥常見的排列方式有螺旋線排列、對稱排列、交錯平衡排列3種方式[15]。為使刀輥拔稈作業(yè)質(zhì)量較好、工作阻力小、受力均勻和拔稈效率高，本文提出了彎刀在刀輥上的4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列法。該法將彎刀在刀輥上按雙頭螺旋線排列，兩螺旋線旋向相反、升角相同，同條螺旋線上安裝同向刀片，相鄰的螺旋線上安裝反向刀片。彎刀安裝于刀輥軸的刀座上，同一截面上安裝兩把反向彎刀，其刀座間相位夾角為180°。

根據(jù)名義工作幅寬B和截面間距L，初步計算出切削區(qū)數(shù)mQ、截面數(shù)m、總刀數(shù)N和實際工作幅寬Bs。

其中，mQ取整數(shù)，N滿足4n±2的數(shù)列規(guī)律(n為自然數(shù))，名義工作幅寬與實際工作幅寬差值ΔB小于10mm。

依據(jù)煙稈拔稈農(nóng)藝要求，取700mm≤B≤1 100mm，100mm≤L≤150mm，初選名義工作幅寬B=700mm，截面間距L=100mm。計算得到實際工作幅寬ΔB=700mm，截面間距L=100mm，截面數(shù)m=8，總刀數(shù)N=14，彎刀相繼工作的相位差為θ=25.7°，同一螺旋線上的相鄰彎刀的相位差U=51.4°。

2.2 輸送對輥設(shè)計

2.2.1 輸送對輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的輸送對輥由齒梳、對輥Ⅰ、對輥Ⅱ、對輥Ⅲ、對輥Ⅳ和鏈傳動系統(tǒng)等組成，主要完成煙稈、土塊等混合物的有效分離和煙稈的穩(wěn)定輸送，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸送對輥由對輥液壓馬達提供動力，并通過鏈傳動使各輥均有動力，增強了輸送能力。齒梳和對輥Ⅰ下輥設(shè)置成齒釘結(jié)構(gòu)，增強了煙稈抓取能力，并具有很強的去土效果。對輥Ⅰ上輥、對輥Ⅱ和對輥Ⅲ設(shè)置成鋸齒式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸送過程中煙稈的順序調(diào)直、穩(wěn)定輸送和煙蔸附土的清理，并能保證煙蔸根須的完整性。由于1棵完整煙稈的煙蔸部分與莖稈部分尺寸相差較大，為保證輸送對輥對喂入粉碎機構(gòu)的煙稈有壓緊夾持作用，對輥Ⅳ設(shè)置成齒板式結(jié)構(gòu)并且上輥設(shè)置為浮動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了煙稈的均勻喂入，保證了煙稈的粉碎質(zhì)量。

1.刀輥 2.齒梳 3.對輥Ⅰ下輥 4.對輥Ⅰ上輥 5.對輥Ⅱ下輥 6.對輥Ⅱ上輥 7.對輥Ⅲ下輥 8.對輥Ⅲ上輥 9.對輥Ⅳ下輥 10.對輥Ⅳ上輥 11.對輥Ⅳ上輥限位稈 12.對輥鏈傳動

2.2.2 輸送對輥參數(shù)確定

1)輸送對輥直徑。輸送輥的直徑是影響煙稈的抓取、輸送、清理、喂入及粉碎質(zhì)量的一個重要參數(shù)。輸送輥直徑越小，機組的結(jié)構(gòu)尺寸也就越緊湊；但直徑過小時，易引起打滑、纏繞，甚至不能輸送煙稈；輸送輥直徑相對較大時，與煙稈的接觸面積會增大，輸送穩(wěn)定性也會越好。因此，輸送輥的最小直徑應(yīng)以能穩(wěn)定輸送煙稈為前提[16]。機組工作時，煙稈通常是一棵棵順序拔起并進入輸送輥中，對煙稈輸送過程及其受力進行分析如圖5所示。

圖5 輸送輥工作過程分析

輸送對輥工作時，對煙稈產(chǎn)生的作用力為F,上下輸送輥對煙稈的摩擦力為f·F。因此，輸送輥能完成煙稈輸送的必要條件為[16]

2F·fcosα≥2Fsinα

故f=tgφ≥tgα，即φ≥α。

式中α——F與上下輸送輥軸心線夾角;

φ——煙稈對輸送輥表面摩擦角。

1.1 資料來源 選擇本院收治的卵巢腫瘤患者126例，根據(jù)組織病理學(xué)檢查結(jié)果分為卵巢癌組67例，年齡29～65歲，中位年齡52歲；卵巢良性腫瘤組59例，年齡29～68歲，中位年齡49歲。卵巢癌組中上皮性卵巢癌34例，漿液性卵巢腺癌26例，透明細胞性卵巢癌7例。卵巢良性腫瘤組中卵巢囊腫37例，卵巢纖維瘤12例，卵巢畸胎瘤5例，卵巢炎性包塊5例。另選擇在本院體檢的健康女性59例列為健康對照組，年齡26～67歲，中位年齡53歲。所有研究對象均無心、肝、肺及胃等重要臟器疾患。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準，患者知情同意。

由輸送輥工作過程分析可知，若輸送煙稈直徑為d,經(jīng)輸送對輥壓緊后變?yōu)閍，輸送輥半徑為r，則

O1O2=2r+a=2rcos2α+d

因φ≥α，所以得

秸稈對輸送輥表面摩擦角φ為17°～27°，文中取煙稈對輸送輥摩擦角為φ=20°，取d=40mm，a=30mm，計算得到輸送輥直徑為D≥43mm。

2)輸送輥轉(zhuǎn)速。本課題煙稈粉碎顆粒主要用于生物質(zhì)燃料的壓縮成型，目前適用于煙稈粉碎長度的準確公式還沒有，借鑒喂入機構(gòu)及粉碎原理相似的青飼料收獲機的粉碎長度計算公式[17]，則

lp=60000Vw/nz

式中l(wèi)p——秸稈切碎長度(mm)；

Vw——喂入輥的喂入速度(m/s)；

n——切碎器的轉(zhuǎn)速(r/min)；

z——為切碎器上的動刀片數(shù)。

已知lp≤40mm，n=1 500r/min，z=3，計算得到Vw=2.8m/s。

為滿足煙稈粉碎粒徑要求，輸送輥喂入速度需小于Vw。同時，依據(jù)課題作業(yè)指標和拔稈作業(yè)工藝要求，刀輥設(shè)計回轉(zhuǎn)半徑為R=250mm，設(shè)計轉(zhuǎn)速為n2=110r/min，為避免煙稈的堵塞，輸送對輥線速度需大于刀輥線速度，可得27.5≤n1r1≤28.66。其中，n1為輸送輥轉(zhuǎn)速(r/min)；r1為輸送輥半徑(mm)。轉(zhuǎn)速n1和r1越小，粉碎粒徑越小。然而，n1、r1過小會影響拔稈作業(yè)效率，同時為實現(xiàn)煙稈的順序調(diào)直和穩(wěn)定輸送，各級對輥速度逐級增加[18]。結(jié)合式(5)、式(7)及以上分析，最終確定各對輥直徑為D=100mm，對輥Ⅰ、對輥Ⅱ、對輥Ⅲ和對輥Ⅳ轉(zhuǎn)速分別分別為：nⅠ=551r/min，nⅡ=551r/min，nⅢ=570r/min，nⅣ=570r/min.

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

目前，在集拔稈、輸送、清理、粉碎的一體式煙稈拔稈粉碎機及其工作參數(shù)和功率分配的研究還未見報道。因此，為實現(xiàn)拔稈粉碎機工作過程中拔稈刀輥、輸送對輥和粉碎機構(gòu)的單獨調(diào)速，較好完成煙稈的拔稈、輸送和粉碎作業(yè)，并得到拔稈刀輥、輸送對輥和粉碎機構(gòu)的最優(yōu)工作參數(shù)組合和功率消耗，機組傳動系統(tǒng)采用液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計，同時采用液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計還能簡化傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng)原理圖如圖6所示。系統(tǒng)通過拖拉機輸出主軸驅(qū)動齒輪泵提供液壓油源，去驅(qū)動拔稈刀輥馬達后再串聯(lián)驅(qū)動輸送對輥馬達和粉碎機馬達。觸摸屏通過PLC控制比例流量閥，對刀輥馬達、輸送對輥馬達和粉碎機馬達的轉(zhuǎn)速進行控制調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)中設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器，能實時顯示各馬達的轉(zhuǎn)速和壓力變化，并得到各拔稈刀輥、輸送對輥和粉碎機構(gòu)的功率消耗，從而為拔稈粉碎機功率分配提供了依據(jù)。

1.油箱 2.球閥 3.液位計 4.溫度計 5.空氣濾清器 6.吸油油濾 7.吸油軟管 8.液壓泵 9.高壓軟管 10.壓力傳感器 11.溢流閥 12.高壓油濾 13.比例流量閥 14.單向閥 15.拔稈刀馬達 16.轉(zhuǎn)速傳感器 17.比例流量閥 18.比例流量閥 19.喂入輥馬達 20.粉碎機馬達 21.PLC 22.觸摸屏 23.散熱器 24.回油油濾

3 刀輥仿真分析

拔稈粉碎機作業(yè)時，刀輥上彎刀一邊隨機組的前進而前進，一邊隨刀輥的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，其絕對運動是由拔稈粉碎機的前進所具有的直線運動和彎刀的圓周運動所合成的。因此，刀輥上彎刀端點的運動方程為[13]

式中vm——機組前進速度；

R——彎刀端點旋轉(zhuǎn)半徑；

w——刀輥旋轉(zhuǎn)角速度。

在刀輥單元切削小區(qū)內(nèi)設(shè)置的彎刀數(shù)Z=2時，同一切削小區(qū)內(nèi)的第2把彎刀的運動方程為

彎刀端點位移方程兩邊對時間求導(dǎo)得到彎刀端點速度方程，其表達式為

式中vx——彎刀端點沿x方向的速度分量；

vy——彎刀端點沿y方向的速度分量。

依據(jù)課題作業(yè)指標要求和拔稈粉碎機拔稈作業(yè)對切土節(jié)距的要求及功率消耗最小原則，取拔稈機前進速度vm=0.37m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為n=110r/min。通過對彎刀的運動分析及在所選取的拔稈粉碎機前進速度和拔稈刀輥轉(zhuǎn)速下，利用MatLab對彎刀的運動進行仿真，以進一步驗證所選參數(shù)的合理性。圖7為彎刀拔稈切土軌跡，圖8為彎刀位移隨時間的變化曲線。由圖7、圖8可知：在所選參數(shù)下，彎刀運動軌跡為余擺線，彎刀端點沿x方向的速度分量存在與拔稈機前進方向相反的情況。也就是說，vx<0時，彎刀能向后拋擲煙稈，能滿足拔稈作業(yè)要求[19]。

圖7 彎刀拔稈切土軌跡

圖8 彎刀端點沿x、y方向速度分量變化曲線

4 結(jié)論

1)設(shè)計了具有煙稈拔起、抓取、輸送、清理及粉碎拋送的一體化設(shè)備，實現(xiàn)了煙稈的機械化回收，并對其關(guān)鍵部件拔稈刀輥、輸送對輥和液壓傳動系統(tǒng)分別進行了設(shè)計。

2)通過設(shè)計與分析，確定了拔稈刀輥彎刀參數(shù)和彎刀的4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線排列。彎刀參數(shù)為：回轉(zhuǎn)半徑R=250mm，正切部彎折半徑r=30mm，工作幅寬b=30mm。另外，得到了輸送對輥的結(jié)構(gòu)和參數(shù)：其結(jié)構(gòu)主要由齒梳、對輥Ⅰ、對輥Ⅱ、對輥Ⅲ、對輥Ⅳ和鏈傳動系統(tǒng)等組成，輸送輥直徑為D=100mm；各輸送輥轉(zhuǎn)速分別為：nⅠ=551r/min，nⅡ=551r/min，nⅢ=570r/min，nⅣ=570r/min，并完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計和各液壓元件的選型。

3)利用MatLab對彎刀的運動進行仿真分析，結(jié)果表明：在所選參數(shù)下彎刀運動軌跡為余擺線，彎刀端點沿x方向的速度分量存在vx<0，彎刀能向后拋擲煙稈，滿足拔稈作業(yè)要求，驗證了所選參數(shù)的合理性。