秸稈還田機(jī)拋撒裝置設(shè)計與試驗*

徐禮超，趙沭為，吳永海，陳勇，朱靜，張銳

(淮陰工學(xué)院，江蘇淮安，223003)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，糧食產(chǎn)量位居世界前列的同時，秸稈產(chǎn)量也十分巨大，據(jù)統(tǒng)計，我國秸稈年均產(chǎn)量約為8億t，多以水稻、小麥和玉米等作物秸稈為主[1-2]。農(nóng)作物秸稈中富含有機(jī)碳和氮、磷等礦質(zhì)營養(yǎng)元素以及大量微量元素[3]，秸稈還田可有效改良土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力，促進(jìn)作物生長，既是一項重要的地力提升技術(shù)[4-6]，也是農(nóng)田保護(hù)性耕作的重要組成部分[7-8]。

秸稈還田機(jī)是將農(nóng)作物秸稈切碎拋撒還田的重要機(jī)械，目前國內(nèi)秸稈還田機(jī)拋撒裝置大部分采用撒布板裝置，由于該裝置調(diào)節(jié)功能單一、操作繁瑣、可調(diào)節(jié)角度較小，通常會出現(xiàn)秸稈拋撒不均勻且作業(yè)效率低等問題[10-11]，針對這些問題，本文設(shè)計了一種秸稈還田機(jī)拋撒裝置，通過左右與上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)秸稈不同幅寬、不同距離的拋撒還田。

1 秸稈還田機(jī)拋撒裝置結(jié)構(gòu)與原理

設(shè)計的秸稈還田機(jī)拋撒裝置主要由導(dǎo)向葉片左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)流板上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示，前者包括推桿、回位彈簧、導(dǎo)向葉片、橢圓形凸輪，凸輪與步進(jìn)電機(jī)輸出軸經(jīng)花鍵相連，后者包括調(diào)節(jié)軸與調(diào)節(jié)套、導(dǎo)流板、活動鉚釘、鉸鏈，調(diào)節(jié)軸、調(diào)節(jié)套分別與切碎室、拋撒室側(cè)面殼體相連，切碎室殼體出口端鉸接一塊與其殼體等長的導(dǎo)流板，導(dǎo)向葉片安裝在導(dǎo)流板下方。

圖1 秸稈拋撒裝置結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)向葉片左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用電動調(diào)節(jié)方式，將導(dǎo)向葉片用活動鉚釘鉚接在導(dǎo)流板與推桿上，在連接導(dǎo)向葉片的推桿兩端加裝回位彈簧，采用步進(jìn)電機(jī)帶動安裝在導(dǎo)流板下方的橢圓形凸輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪沿推桿方向的向徑由小變大時，凸輪推動其兩側(cè)推桿向外移動，進(jìn)而帶動導(dǎo)向葉片同步向外擺動，當(dāng)凸輪沿推桿方向的向徑由大變小時，在左右推桿兩端回位彈簧作用下帶動導(dǎo)向葉片向內(nèi)擺動。導(dǎo)流板上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用手動調(diào)節(jié)方式，通過改變調(diào)節(jié)軸與調(diào)節(jié)套的相對長度來實現(xiàn)導(dǎo)流板上下擺動，進(jìn)而帶動導(dǎo)向葉片上下擺動來調(diào)節(jié)秸稈的拋撒距離。秸稈還田機(jī)作業(yè)時，切碎室刀具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流，將秸稈吸入并切碎，在導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用下，切碎后的秸稈被均勻地拋撒于地面[11-13]。

2 秸稈還田機(jī)拋撒裝置設(shè)計

2.1 左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

借鑒王昕、章志強等人采用的拋撒裝置設(shè)計方法[13]，考慮到導(dǎo)流板總長度為2 200 mm的實際需要，將導(dǎo)向葉片后端設(shè)計成弧形，內(nèi)、外弧半徑分別為300 mm、330 mm，葉片寬度、厚度分別為30 mm、2 mm，材料選用Q235普通鋼板，設(shè)置導(dǎo)向葉片與鉚釘鉸接孔徑為8 mm，相鄰孔距為100 mm，設(shè)計的導(dǎo)向葉片如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向葉片

為對應(yīng)導(dǎo)流板與導(dǎo)向葉片上開設(shè)的孔位，實現(xiàn)兩側(cè)導(dǎo)向葉片的平行布置，推桿相鄰孔間距設(shè)為194.5 mm。考慮推桿兩端要與凸輪接觸，移動過程中不得與導(dǎo)向葉片、回位彈簧產(chǎn)生運動干涉，所以在其兩端分別預(yù)留32.5 mm、52.5 mm空間，其上的孔徑設(shè)為8 mm，采用厚度為2 mm的Q235普通鋼板，設(shè)計的推桿如圖3所示。

圖3 推桿

推桿及導(dǎo)向葉片左右擺動是通過凸輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，根據(jù)導(dǎo)向葉片同步向內(nèi)、向外擺動的極限位置可求出凸輪長、短半軸長度

l1=(l2-2l3)/2

(1)

l4=l1+l5

(2)

l5=2l6sinα

(3)

式中：l1——短半軸長度，mm；

l2——導(dǎo)流板中間兩弧形槽內(nèi)端間距，設(shè)計l2為155 mm；

l3——推桿的內(nèi)端面與內(nèi)側(cè)孔間距，mm；

l4——長半軸長度，mm；

l5——導(dǎo)向葉片擺動距離，mm；

l6——導(dǎo)向葉片上兩孔間距，mm；

α——導(dǎo)向葉片由中間位置向一側(cè)擺動的最大角度，α=30°。

經(jīng)計算得l1=45 mm，l4=145 mm。凸輪中心孔徑設(shè)為8 mm，材料采用厚度為2 mm的Q235普通鋼板。

2.2 上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際作業(yè)需要，設(shè)計導(dǎo)流板長×寬×厚為2 200 mm×320 mm×2 mm，材料為Q235普通鋼板。由于需要在導(dǎo)流板下方加裝10片導(dǎo)向葉片并且要求擺動角度為60°，考慮到導(dǎo)向葉片運動過程中的位置干涉問題，在導(dǎo)流板上開設(shè)10個大小、形狀相同的弧形槽，弧度為60°，槽孔直徑為8 mm。為了與步進(jìn)電機(jī)輸出軸相配合，在中間兩個弧形槽之間開設(shè)一直徑為8 mm 的通孔，設(shè)計的導(dǎo)流板如圖4所示。

上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖如圖5所示，圖中C為導(dǎo)流板與切碎室殼體鉸接點，A、B為調(diào)節(jié)套、調(diào)節(jié)軸與拋撒室、切碎室側(cè)面殼體的兩個鉚接點，A1、A2為導(dǎo)流板向上、向下擺動極限點，lAB為調(diào)節(jié)軸與調(diào)節(jié)套間初始長度，調(diào)節(jié)軸、套相對調(diào)節(jié)長度為ΔlAB。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板上、下擺動幅度控制在30°較為合適[15]，則ΔlAB求解式(4)～式(7)所示。

(4)

(5)

(6)

ΔlAB=lA1B-lA2B

(7)

圖4 導(dǎo)流板

圖5 上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖

3 基于Solidworks的秸稈還田機(jī)拋撒裝置建模與仿真

3.1 拋撒裝置建模

本文以導(dǎo)向葉片為例說明零件建模過程。在Solidworks中新建零件圖，取前視圖為基準(zhǔn)面。根據(jù)導(dǎo)向葉片設(shè)計參數(shù)，使用草圖繪制工具繪制二維圖。使用特征選項中的凸臺拉伸命令對二維草圖拉伸30 mm，使用抽殼命令對拉伸后的三維圖向內(nèi)抽取壁厚2 mm。使用特征選項中的拉伸切除命令對導(dǎo)向葉片上的開孔進(jìn)行完全貫穿切除。經(jīng)上述步驟后建立的導(dǎo)向葉片模型如圖6所示，導(dǎo)流板等零件建模過程與此相似。

圖6 導(dǎo)向葉片模型

經(jīng)拋撒裝置零件建模后，可以根據(jù)零件之間的對應(yīng)關(guān)系從而進(jìn)行虛擬裝配，其裝配內(nèi)容主要包括導(dǎo)流板與殼體裝配、橢圓形凸輪和推桿裝配、推桿與彈簧裝配、導(dǎo)流板與導(dǎo)向葉片裝配、調(diào)節(jié)軸與調(diào)節(jié)套裝配等，經(jīng)上述零件裝配后得到的拋撒裝置模型如圖7所示。

圖7 拋撒裝置模型

拋撒裝置中承載切碎秸稈作用力的部件主要為導(dǎo)向葉片，為保證其正常工作，需進(jìn)行強度校核。還田機(jī)切碎秸稈時，秸稈隨切茬甩刀做圓周運動，切碎的秸稈拋撒初速應(yīng)與甩刀外圍線速度一致，考慮到設(shè)計的切茬甩刀旋轉(zhuǎn)半徑為130 mm、切碎刀軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，可計算出秸稈拋撒初速為40.82 m/s，結(jié)合文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果，取秸稈離開導(dǎo)向葉片時的速度為1.15 m/s，秸稈進(jìn)入拋撒裝置的流量為0.49 kg/s，根據(jù)沖量動量守恒定律可估算切碎秸稈作用于導(dǎo)向葉片的作用力為19.44 N，考慮受載極限情況，校核時在導(dǎo)向葉片中間邊沿處集中垂直施加作用力20 N，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖8所示，由圖可知，導(dǎo)向葉片所受的最大應(yīng)力為0.692 MPa，遠(yuǎn)小于Q235材料的屈服強度。

圖8 導(dǎo)向葉片應(yīng)力云圖

3.2 拋撒裝置運動仿真

3.2.1 左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運動仿真

左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運動仿真圖如圖9所示。

(a) 導(dǎo)向葉片內(nèi)端左擺

為實現(xiàn)拋撒裝置左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的仿真運動，通過添加的導(dǎo)向葉片繞導(dǎo)流板槽口描邊擺動路徑，在步進(jìn)電機(jī)輸出軸添加虛擬馬達(dá)作為自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使凸輪自動旋轉(zhuǎn)，凸輪與左、右推桿端部添加接觸面，使推桿繞凸輪輪廓面接觸擺動以驅(qū)動導(dǎo)向葉片。通過模擬彈簧壓縮變形擠壓左、右推桿，完成凸輪擠壓推桿使彈簧形變壓縮、被壓縮的彈簧推動推桿的聯(lián)動過程。再設(shè)定鍵碼點，在凸輪轉(zhuǎn)動時規(guī)定推桿位置，推桿運動時設(shè)定鍵碼時間點以此來規(guī)定彈簧變形時間點，彈簧恢復(fù)形變設(shè)置鍵碼點以驅(qū)動推桿回位。點擊啟動按鈕可完成左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的仿真動作。

仿真結(jié)果表明，拋撒裝置左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的推桿、凸輪、回位彈簧、導(dǎo)向葉片之間無運動干涉，可以達(dá)到導(dǎo)向葉片左、右連續(xù)擺動的作業(yè)要求，導(dǎo)向葉片內(nèi)端由最內(nèi)側(cè)→最外側(cè)→最內(nèi)側(cè)的運動周期為10.2 s，凸輪以35.3°/s勻速轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)向葉片擺角呈拋物線周期性變化趨勢，每個周期中分別有2次最大值、最小值，這是由凸輪結(jié)構(gòu)所決定的，當(dāng)凸輪基圓與推桿接觸時，葉片外端向外擺角最大，為30°，凸輪頂圓與推桿接觸時，葉片外端向內(nèi)擺角最大，為-30°，這與設(shè)計的左右調(diào)節(jié)角度相吻合。

3.2.2 上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運動仿真

導(dǎo)流板與切碎室殼體采用鉸鏈鉸接，使其能繞鉸接點擺動，調(diào)節(jié)軸與調(diào)節(jié)套采用同心裝配，調(diào)節(jié)軸外螺紋與調(diào)節(jié)套內(nèi)螺紋進(jìn)行接觸裝配，在調(diào)節(jié)套上施加旋轉(zhuǎn)力以模擬手動旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)套。在旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)套時設(shè)置鍵碼點，調(diào)節(jié)套旋轉(zhuǎn)時與調(diào)節(jié)軸產(chǎn)生相對位移，旋轉(zhuǎn)到極限位置時設(shè)置鍵碼點，不再產(chǎn)生相對位移，最后點擊啟動按鈕可仿真導(dǎo)流板繞殼體上、下擺動的運動過程，結(jié)果如圖10所示。

(a) 導(dǎo)流板向上擺動

仿真結(jié)果表明，拋撒裝置上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的調(diào)節(jié)軸、調(diào)節(jié)套以及導(dǎo)流板之間無運動干涉，可以實現(xiàn)導(dǎo)流板繞鉸鏈上、下連續(xù)擺動的作業(yè)目標(biāo)，導(dǎo)流板由最下端→最上端→最下端的擺動周期為9.9 s，調(diào)節(jié)軸、套相對長度的調(diào)節(jié)速率為9.4 mm/s，導(dǎo)流板相應(yīng)的擺動速率為6.1°/s，調(diào)節(jié)長度為0、46.3 mm時對應(yīng)的導(dǎo)流板擺角分別為-15°、+15°，這與設(shè)計的上下調(diào)節(jié)角度相一致。

4 田間試驗

影響秸稈拋撒特性的因素主要有還田機(jī)導(dǎo)向葉片左右擺角、導(dǎo)流板上下擺角、前進(jìn)速度及刀軸轉(zhuǎn)速等，文中主要研究前兩個因素對秸稈拋撒特性的影響，故在保證秸稈切碎條件盡可能一致情況下采用2因素3水平的正交試驗，以導(dǎo)向葉片左右擺角與導(dǎo)流板上下擺角為試驗因素，設(shè)定導(dǎo)向葉片擺角為-30°、0°、30°三個水平，導(dǎo)流板擺角為-15°、0°、15°三個水平，來研究導(dǎo)向葉片與導(dǎo)流板的擺角對秸稈拋撒的幅寬、距離及不均勻度的影響。

將制作的秸稈拋撒裝置裝于久保田半喂式收割機(jī)，按照GB/T 24675.6—2009《保護(hù)性耕作機(jī)械 秸稈粉碎還田機(jī)》試驗要求于2020年10月25日在江蘇黎城鎮(zhèn)一稻田內(nèi)開展了試驗(見圖11)，試驗水稻品種為南粳9108#，平均株高為96.3 cm，設(shè)定收割機(jī)運行速度為1.5 m/s，切碎刀軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，測試往返9個行程中間18個區(qū)域(3 m×2 m)的秸稈拋撒幅寬、拋撒距離，同時在每個區(qū)域內(nèi)沿還田機(jī)作業(yè)幅寬方向等距選取3個子塊，每個子塊面積為0.6 m×0.3 m，撿拾各子塊內(nèi)所有秸稈稱重。試驗得到的每個往返行程秸稈平均拋撒幅寬與拋撒距離見表1所列，拾取并稱重各單個往返行程相同子塊秸稈得到的平均質(zhì)量如表2所示。根據(jù)式(8)和式(9)可計算得到秸稈拋撒不均勻度(見表2)，式中n=3。

(8)

(9)

式中：mi1——單個往、返行程第i子塊秸稈質(zhì)量，g；

B——秸稈拋撒不均勻度，%。

從表1中的單個往返行程秸稈平均拋撒幅寬與拋撒距離可以看出，在上下調(diào)節(jié)角度一定時，隨著推桿逐漸外移(即導(dǎo)向葉片左右方向由+30°逐漸擺動到-30°)，秸稈拋撒幅寬呈逐漸減小、拋撒距離呈逐漸增大趨勢，但變化幅度較小，在秸稈分散拋撒時，拋撒距離較近，秸稈集中拋撒時，拋撒距離較遠(yuǎn)。在左右調(diào)節(jié)角度一定時，隨著調(diào)節(jié)軸、套相對位移逐漸增大(即導(dǎo)向葉片上下方向由-15°逐漸擺動到+15°)，秸稈拋撒幅寬、拋撒距離均呈逐漸增大趨勢，且其變化幅度高于推桿逐漸外移時拋撒幅寬、距離的變化幅度，秸稈上拋角度越大，拋撒幅寬、拋撒距離越大。相比向下、向右極限調(diào)節(jié)角度，向上、向左極限調(diào)節(jié)角度時的秸稈拋撒幅寬、距離分別增加了0.69 m、0.18 m，這表明設(shè)計的秸稈拋撒裝置能夠根據(jù)作業(yè)需要適時調(diào)整秸稈拋撒幅寬與距離。

圖11 田間試驗

表1 單個往返行程秸稈平均拋撒幅寬與拋撒距離Tab. 1 Average straw scattering width and distance of each round trip

由表2中單個往返行程相同子塊秸稈平均質(zhì)量與拋撒不均勻度可知，單個往返行程中子塊Ⅱ的秸稈質(zhì)量均高于子塊Ⅰ、Ⅲ的秸稈質(zhì)量，而子塊Ⅰ、Ⅲ的秸稈質(zhì)量相差比較小，表明在每個行程中間區(qū)域的秸稈拋撒密度相對比較大；導(dǎo)流板調(diào)節(jié)角度對相同子塊秸稈拋撒質(zhì)量影響較小，其相同子塊秸稈拋撒質(zhì)量相差均值為6.36 g，而導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)角度對相同子塊秸稈拋撒質(zhì)量影響則相對較大，相同子塊秸稈拋撒質(zhì)量相差均值為9.48 g；隨著推桿逐漸外移(即導(dǎo)向葉片由+30°逐漸擺動到-30°)，導(dǎo)流板三個調(diào)節(jié)角度的秸稈拋撒不均勻度均值呈現(xiàn)微幅增大的趨勢，而隨著調(diào)節(jié)軸、套相對位移逐漸增大(即導(dǎo)向葉片由-15°逐漸擺動到+15°)，導(dǎo)向葉片三個調(diào)節(jié)角度的秸稈拋撒不均勻度均值呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢，但在所有2因素3水平下的秸稈拋撒不均勻度均滿足國標(biāo)中拋撒不均勻度小于等于30%的規(guī)定要求，試驗得到的秸稈拋撒不均勻度均值為19%，比規(guī)定值提高了11%，從而表明設(shè)計的秸稈還田機(jī)拋撒裝置合理、可行。

表2 單個往返行程相同子塊秸稈平均質(zhì)量與拋撒不均勻度Tab. 2 Average straw mass of the same sub-block and scattering unevenness of each round trip

5 結(jié)論

1) 秸稈還田機(jī)拋撒裝置零件結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理、可行，裝配較為方便，零件間無運動干涉現(xiàn)象。

2) 拋撒裝置左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可根據(jù)實際需要實現(xiàn)電動、實時聯(lián)動調(diào)節(jié)，提高了秸稈拋撒幅寬調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性與工作效率，上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則可實現(xiàn)秸稈拋撒距離的連續(xù)調(diào)節(jié)。通過左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)電動調(diào)節(jié)與上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)手動調(diào)節(jié)的共同作用，在一定程度上改善了秸稈拋撒還田的均勻度。

3) 當(dāng)拋撒裝置左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的橢圓形凸輪短、長半軸長度為45 mm、145 mm，以及上下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中調(diào)節(jié)軸、調(diào)節(jié)套相對位移為46.3 mm時，可滿足導(dǎo)向葉片左右擺動角度為60°、導(dǎo)流板上下擺動角度為30°的設(shè)計要求。

4) 田間試驗結(jié)果表明，導(dǎo)流板處于調(diào)節(jié)上限、導(dǎo)向葉片內(nèi)端處于最內(nèi)側(cè)時的秸稈拋撒幅寬、距離分別比導(dǎo)流板處于調(diào)節(jié)下限、導(dǎo)向葉片內(nèi)端處于最外側(cè)時的拋撒幅寬、距離增加了29%、14%，實現(xiàn)了秸稈拋撒幅寬與拋撒距離適時可調(diào)目標(biāo)；每個行程中間區(qū)域的秸稈拋撒密度相對兩側(cè)區(qū)域較大，導(dǎo)流板調(diào)節(jié)角度對相同子塊秸稈拋撒質(zhì)量影響較小，而導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)角度對相同子塊秸稈拋撒質(zhì)量影響則相對較大，2因素3水平下的秸稈拋撒不均勻度均值為19%，比規(guī)定值提高了11%。由此可見，設(shè)計的秸稈還田機(jī)拋撒裝置能改善秸稈還田效果、提高作業(yè)效率。