田間煙稈清理機械設(shè)計與試驗

郭天水， 張 權(quán)， 王 祥， 楊博凱， 殷梓程， 劉海旭， 羅開平， 時 玲

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650201； 2.云南省煙草公司玉溪市公司，云南 玉溪 652700）

0 引言

煙稈作為廢棄的污染物，卻內(nèi)含豐富的營養(yǎng)元素，研究發(fā)現(xiàn)，煙稈中含有大量的纖維素、氨基酸、有機碳，以及豐富的Zn、Mg、Na、Fe、Cu、B、Mn、Ca、K、P 等礦質(zhì)元素[1-2]。若可以將煙稈回收，對其中豐富的營養(yǎng)成分加以利用，則既可以解決廢棄煙稈污染環(huán)境問題，又可以變廢為寶提高資源的利用率，從而降低煙草種植成本，實現(xiàn)煙農(nóng)增收[3-4]。近年來，我國煙草的種植面積達到100 萬hm2，在煙葉采摘后的煙地1 hm2就有2 250～3 000 kg 煙稈，我國每年需要清理煙稈150 萬t，主要通過人工清理煙稈，費時費力[5-6]。因此，煙稈清理作業(yè)機械為減輕煙農(nóng)勞動強度起到了至關(guān)重要的作用。目前煙稈清理機型普遍存在效率低、適應(yīng)性差等問題[7]?；谝陨媳尘埃_展一種新型田間煙稈清理機械的設(shè)計與試驗。

1 總體設(shè)計

在對云南省通?？h前期的實地調(diào)研中得知，當?shù)氐臒熖飰琶鎸?40 mm、壟寬880 mm、壟高200 mm 及壟溝寬320 mm。試驗煙稈品種為烤煙K326，經(jīng)測量，煙稈高度950～1 390 mm、直徑15～35 mm，煙稈根須高度200～270 mm、幅寬360～670 mm，煙稈之間的行距1 200 mm、株距500 mm，如圖1 所示[8]。

圖1 煙稈農(nóng)藝及形態(tài)Fig.1 Agronomy and morphology of tobacco straw

1.1 總體結(jié)構(gòu)

田間煙稈清理機械整體主要由仿形扶禾器、夾持拔稈裝置、松土鏟、限深輪、收集箱、駕駛室、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機及底盤等結(jié)構(gòu)組成，如圖2 所示，可以一次完成雙壟的松土、拔稈和收集等一系列清理作業(yè)。

圖2 田間煙稈清理機械結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of field tobacco straw cleaning machine

1.2 工作原理

作業(yè)時，發(fā)動機將一部分動力傳遞給清理機械底盤驅(qū)動輪，驅(qū)動清理機械向前產(chǎn)生位移，另一部分動力傳遞給液壓系統(tǒng)中的液壓泵。液壓泵將動力分成兩部分，分別驅(qū)動液壓缸與液壓馬達，一方面，液壓缸帶動夾持拔稈裝置向下移動，與夾持拔稈裝置相連的松土鏟也隨之下降，當松土鏟下降到指定作業(yè)深度后，切換液壓缸至浮動狀態(tài)；同時，限深輪已接觸地面，防止松土鏟向下運動；當遭遇上下起伏的地面時，松土鏟在浮動狀態(tài)下可隨地面高低波動進行調(diào)整，保證了松土鏟作業(yè)的穩(wěn)定。另一方面，液壓馬達驅(qū)動夾持拔稈裝置主動帶輪運轉(zhuǎn)，使夾持帶朝清理機械前進反方向發(fā)生位移；隨著清理機械不斷前進，松土鏟接觸并鏟松煙稈根部的周圍土壤，在松土鏟的作用下，煙稈根部逐漸與土壤發(fā)生分離；同時在仿形扶禾器的作用下煙稈被喂入夾持拔稈裝置入口并被夾持帶夾緊，在松土鏟與夾持帶的相互影響下，煙稈被成功從土壤中拔出，并被平穩(wěn)傳輸至收集箱，最后待作業(yè)完成或收集箱裝滿后運輸?shù)街付ǖ攸c卸料。

1.3 技術(shù)參數(shù)

田間煙稈清理機械主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 田間煙稈清理機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of field tobacco straw cleaning machine

1.4 傳動方案

由于清理機械的發(fā)動機要傳遞機械傳動與液壓傳動兩種不同的傳動方式，所以將傳動路線并分兩路[9]。利用分動器將發(fā)動機動力分為兩條路線，一條路線是將動力傳遞給液壓泵，為液壓傳動提供動力；另一條路線將動力提供給行駛系統(tǒng)，其傳動路線如圖3 所示。

圖3 清理機械傳動方案Fig.3 Cleaning mechanical transmission plan

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 夾持拔稈裝置

2.1.1 夾持拔稈裝置結(jié)構(gòu)

夾持拔稈裝置主要由被動帶輪、內(nèi)張緊輪、外張緊輪、U 型架、支架、夾持帶、軸承架、主動帶輪和液壓馬達等部件組成，如圖4 所示。

圖4 夾持拔稈裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of gripper straw pulling device

結(jié)構(gòu)中，內(nèi)張緊輪呈等距交錯式排列，其目的是為了保證夾持帶具有足夠大又均勻的張緊力；外張緊輪的作用是防止夾持帶過長導(dǎo)致脫軌；U 型架焊接在兩側(cè)支架上端，作用是為了將同一幅裝置完全固定；軸承架與U 型架作用類似，區(qū)別是軸承架上端兩側(cè)分別安裝了軸承，其原因是為了方便清理機械在不同作業(yè)環(huán)境中可能需要調(diào)換不同夾持高度進行作業(yè)，因此軸承架的作用是為了配合液壓缸對夾持拔稈裝置的夾持高度進行調(diào)節(jié)；安裝液壓馬達目的是為夾持拔稈裝置提供足夠動力。夾持帶選擇橡膠材料制成的異型帶，工作面部位設(shè)計防滑花紋，確保裝置在夾持煙稈過程中具有較大的摩擦力且又不易將煙稈表皮組織破壞[10]。

2.1.2 夾持拔稈裝置參數(shù)

（1）被動帶輪與主動帶輪中心距a。夾持拔稈裝置共設(shè)置兩幅，分別安裝在駕駛室左右兩側(cè)，因煙稈之間的行距1.2 m，因此兩對夾持拔稈裝置的入口平面直線距離也應(yīng)1.2 m；根據(jù)夾持拔稈裝置與粉碎裝置的位置關(guān)系，以及與清理機械整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，設(shè)定被動帶輪與主動帶輪中心距a=4.2 m。

（2）主動帶輪與被動帶輪直徑。被動帶輪對煙稈夾持部位的初始抓取角，與被動帶輪直徑、夾持間隙和煙稈夾持部位直徑有關(guān)，通過參考文獻[11]，取夾持間隙12 mm，被動帶輪與主動帶輪的直徑128 mm。

（3）夾持帶安裝傾角[12]。根據(jù)速度關(guān)系可推出以下公式。

式中Vm——清理機械作業(yè)速度，m/s

Vt——夾持拔稈裝置運動速度，m/s

α——夾持拔稈裝置運動速度方向與水平方向之間夾角，（°）

由于清理機械作業(yè)速度為0.4～0.6 m/s，經(jīng)反復(fù)試驗測得夾持拔稈裝置運動速度在0.57～0.68 m/s 范圍最為合適，則通過式（1）求得夾角α為8°～29°，但若夾角過小會導(dǎo)致夾持拔稈裝置整體過長，因此在這個范圍內(nèi)選擇角度越大結(jié)構(gòu)就越緊湊，因此設(shè)定夾持拔稈裝置運動速度方向與水平方向之間夾角，即夾持帶安裝傾角29°。

（4）夾持高度。根據(jù)煙稈形態(tài)情況，經(jīng)反復(fù)試驗得到煙稈夾持高度距地面220～500 mm 較為合適。

2.2 松土鏟

2.2.1 松土鏟結(jié)構(gòu)

松土鏟主要由鏟頭與鏟柄兩部分組成，如圖5 所示[13]。可以使土壤鏟至疏松但并不翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過松土后的煙稈垂直起拔力會大幅縮減，實現(xiàn)根須與底部土壤分離，為煙稈的拔取提供方便[14-15]。

圖5 松土鏟結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of loose soil shovel

2.2.2 鏟頭參數(shù)

松土鏟鏟頭的主要評價指標為擾動效果和耕作阻力。通過參考文獻[16]可知，影響松土鏟耕作阻力的重要因素包括入土角、張角和松土鏟作業(yè)深度等因素，如圖6 所示。對以上3 個因素通過EDEM 仿真軟件進行L9（33）正交試驗，以分析擾動效果與耕作阻力情況，最終確定鏟頭的最佳參數(shù)，仿真正交試驗因素水平如表2 所示，方法見文獻[17]。通過參考文獻[18]，確定鏟頭作業(yè)幅寬300 mm、垂直高度80 mm。

表2 仿真正交試驗因素水平Tab.2 Simulation orthogonal test factor and level

圖6 鏟頭參數(shù)Fig.6 Shovel head parameters

（1）試驗前處理。本試驗定義4 種材料，分別為松土鏟、0～10 cm 耕作層土壤、11～20 cm 耕作層土壤及21～40 cm 耕作層土壤，松土鏟采用65Mn 材質(zhì)，其EDEM 試驗?zāi)Ｐ突緦傩詤?shù)由文獻[19-20]確定，如表3 所示。

表3 EDEM 試驗?zāi)Ｐ椭饕獏?shù)Tab.3 Main parameters of EDEM test model

（2）試驗結(jié)果及分析。通過9 組EDEM 仿真正交試驗，得到松土鏟在穩(wěn)定階段的擾動效果與耕作阻力情況，如圖7、表4 和表5 所示。

表4 松土鏟耕作阻力結(jié)果與極差分析Tab.4 Results and range analysis of tillage resistance of soil shovel

表5 松土鏟耕作阻力結(jié)果方差分析Tab.5 Variance analysis of soil shovel tillage resistance results

圖7 松土鏟土壤擾動效果Fig.7 Soil disturbance effect of loose soil shovels

由圖7 可知，松土鏟的土壤擾動效果與松土鏟的作業(yè)深度存在顯著影響，但與松土鏟的入土角與張角因素影響不明顯?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)作業(yè)深度增加松土鏟的擾動面積，擴大松土鏟將根須與底部土壤分離的范圍，促進根須與土壤的進一步分離。

由表4 可知，對于松土鏟耕作阻力試驗指標而言，影響因素A極差>B極差>C極差，說明作業(yè)深度對松土鏟耕作阻力的影響因素最大，入土角次之，張角對試驗影響最小。通過對比分析，正交試驗最優(yōu)組合為A1B3C1。

由表5 可知，對于松土鏟耕作阻力指標而言，作業(yè)深度與入土角兩個因素均影響極顯著，張角因素影響顯著。通過對松土鏟土壤擾動效果與耕作阻力的綜合分析，最終確定松土鏟入土深度20 mm、鏟頭入土角24°和鏟翼張角60°。對此參數(shù)進行驗證試驗，測得松土鏟最優(yōu)組合的耕作阻力320.47 N。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件及指標

試驗地點選在云南省玉溪市通?？h煙草試驗田。經(jīng)試驗前現(xiàn)場測量，土壤體積含水率： 深度0～10 cm為15.7%、深度10～20 cm 為33.7%；堅實度：深度10 cm 處為843.2 kPa、深度20 cm 處為2301.7 kPa；煙田壟高200 mm、壟面寬640 mm、壟寬880 mm 和壟溝寬320 mm。試驗煙稈品種為烤煙K326，經(jīng)測量，煙稈平均高度1 236.1 mm、平均直徑25.5 mm，煙稈之間的行距1 200 mm、株距500 mm。試驗時及試驗前一周天氣晴朗、無降水，符合試驗的作業(yè)要求。

煙稈拔凈率計算方法為煙稈拔凈數(shù)與試驗煙稈總數(shù)之比，要求煙稈拔凈率≥85%。以煙稈拔凈率作為試驗指標，若煙稈拔凈率≥85%，則認為田間煙稈清理機械作業(yè)性能良好，若煙稈拔凈率<85%，則認為作業(yè)性能差，其樣機如圖8 所示。

圖8 樣機Fig.8 Prototype physical drawing

3.2 單因素試驗

對樣機初期田間調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)田間煙稈清理機械作業(yè)速度、夾持拔稈裝置夾持帶傳輸速度及夾持拔稈裝置夾持高度對煙稈拔凈率具有一定的影響。因此設(shè)計試驗因素分別為清理機械作業(yè)速度、夾持帶傳輸速度和煙稈夾持高度。每次試驗煙稈壟數(shù)2 壟、煙稈總數(shù)40 根，即每壟煙稈20 根，試驗完成后分別記錄每次煙稈的拔凈數(shù)，再根據(jù)相關(guān)公式換算成煙稈拔凈率進行統(tǒng)計。

3.2.1 清理機械作業(yè)速度對煙稈拔凈率的影響

固定夾持帶傳輸速度0.58 m/s、夾持高度0.43 m，依次將清理機械作業(yè)速度設(shè)為0.4、0.5、0.6、0.7 和0.8 m/s 進行試驗，其試驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 清理機械前進速度與煙稈拔凈率關(guān)系Fig.9 Relationship between forward speed of cleaning machine and removal rate of tobacco straw

由圖9 可知，當清理機械作業(yè)速度在0.4～0.8 m/s范圍內(nèi)，清理機械作業(yè)速度與煙稈拔凈率成反比關(guān)系，清理機械作業(yè)速度越快，煙稈拔凈率越低。其中，當清理機械作業(yè)速度為0.4～0.6 m/s 時，煙稈拔凈率隨清理機械作業(yè)速度的增加而緩慢減小，但當清理機械作業(yè)速度為0.6～0.8 m/s 時，煙稈的拔凈率隨清理機械作業(yè)速度的增加而急劇減小。出現(xiàn)這種情況主要是因為清理機械作業(yè)速度比夾持拔稈裝置夾持帶的水平分速度大，在拔稈過程中煙稈發(fā)生歪倒，造成夾持拔稈裝置入口發(fā)生堵塞或斷稈，導(dǎo)致煙稈拔凈率的降低，應(yīng)盡量保持清理機械作業(yè)速度與夾持拔稈裝置夾持帶水平分速度相等，才可避免煙稈在拔稈過程中發(fā)生歪倒、堵塞和斷稈現(xiàn)象[20]。通過對以上情況比較分析，清理機械作業(yè)速度取0.4～0.6 m/s 較合適。

3.2.2 夾持帶傳輸速度對煙稈拔凈率的影響

固定清理機械作業(yè)速度0.5 m/s、夾持高度0.43 m，依次將夾持拔稈裝置夾持帶傳輸速度調(diào)至0.53、0.58、0.63、0.68 和0.73 m/s 進行試驗，其試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 夾持帶傳輸速度與煙稈拔凈率關(guān)系Fig.10 Relationship between transmission speed of gripper belt and removal rate of tobacco straw

由圖10 可知，當夾持帶傳輸速度0.53～0.63 m/s時，煙稈拔凈率隨著夾持帶傳輸速度的增加而呈上升趨勢；當夾持帶傳輸速度為0.63～0.73 m/s 時，煙稈拔凈率隨著夾持帶傳輸速度的增加而呈下降趨勢，但當夾持帶傳輸速度為0.63～0.68 m/s 時下降的相對較為緩慢，當夾持帶傳輸速度超過0.68 m/s 時，煙稈拔凈率下降的明顯變快。造成上述現(xiàn)象的主要原因與清理機械作業(yè)速度試驗原因相同。通過對以上情況比較分析，夾持帶傳輸速度取0.58～0.68 m/s 比較合適。

3.2.3 夾持高度對煙稈拔凈率的影響

固定清理機械作業(yè)速度0.5 m/s、夾持帶傳輸速度0.58 m/s，依次將夾持高度調(diào)至0.22、0.29、0.36、0.43和0.50 m 進行試驗，其試驗結(jié)果如圖11 所示。

圖11 夾持高度與煙稈拔凈率關(guān)系Fig.11 Relationship between gripping height and removal rate of tobacco straw

由圖11 可知，當夾持高度為0.22～0.43 m 時，煙稈拔凈率與夾持高度呈正比，煙稈拔凈率隨著夾持帶傳輸速度的增加而上升；當夾持高度為0.43～0.50 m 時，煙稈拔凈率與夾持高度呈反比，煙稈拔凈率隨著夾持高度的增加而下降。試驗中發(fā)現(xiàn)，若夾持高度設(shè)置過低，夾持拔稈裝置在夾持煙稈時容易發(fā)生后傾歪倒，使煙稈脫離夾持帶，同時仿形扶禾器容易扎進土壤造成損壞；若夾持高度設(shè)置過高，則煙稈不易被拔起，造成斷稈或漏拔。通過對以上情況比較分析，夾持高度取0.36～0.50 m 比較合適。

3.3 多因素試驗

3.3.1 多因素試驗方案

通過單因素試驗結(jié)果得知，煙稈拔凈率與田間煙稈清理機械的工作參數(shù)有關(guān)，即與清理機械作業(yè)速度、夾持帶傳輸速度和夾持高度3 個因素有關(guān)，為了分析各因素之間的交叉影響，將3 個因素設(shè)為多因素試驗方案因素，再根據(jù)單因素試驗分析出的合適范圍中各取3 個合理參數(shù)作為水平。根據(jù)田間單因素試驗結(jié)果，確定正交試驗各因素水平如表6 所示。

表6 田間正交試驗因素水平Tab.6 Factor and levels in field orthogonal experiments

3.3.2 多因素試驗結(jié)果及分析

通過9 組田間正交試驗，得到試驗結(jié)果如表7 所示。

由表7 極差分析可知，對于煙稈拔凈率的試驗指標而言，影響因素A極差>B極差>C極差，說明清理機械作業(yè)速度對煙稈拔凈率的影響最大，夾持帶傳輸速度次之，夾持高度對試驗的影響最小。通過對比分析，可得出其正交試驗的最優(yōu)組合為A1B1C2，即當清理機械作業(yè)速度0.4 m/s、夾持帶傳輸速度0.58 m/s 和夾持高度0.43 m 時，煙稈拔凈率最高。

由表8 可知，對于煙稈拔凈率指標而言，清理機械作業(yè)速度與夾持帶傳輸速度兩個因素均影響極顯著，夾持高度因素影響顯著。

表8 田間正交試驗結(jié)果方差分析Tab.8 Variance analysis of field orthogonal experiment results

通過對煙稈拔凈率的綜合分析，確定清理機械作業(yè)速度0.4 m/s、夾持帶傳輸速度0.58 m/s 和夾持高度0.43 m。通過對正交試驗擇出的最優(yōu)組合A1B1C2進行田間驗證試驗，測得田間煙稈拔凈率為93%，大于課題要求指標85%，符合作業(yè)性能要求。

4 結(jié)束語

（1）對總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)進行設(shè)計，總體采用自走式機型，主要結(jié)構(gòu)由仿形扶禾器、夾持拔稈裝置、松土鏟、限深輪、收集箱、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機及底盤等組成。通過發(fā)動機提供總動力，液壓系統(tǒng)帶動工作部件作業(yè)，先由松土鏟鏟松土壤，同時夾持拔稈裝置拔取并運輸煙稈，實現(xiàn)一次完成雙壟的松土、拔稈和收集等一系列清理作業(yè)。

（2）經(jīng)過對關(guān)鍵部件進行設(shè)計并分析，確定了夾持拔稈裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用正交試驗方案通過EDEM 仿真軟件分析松土鏟的擾動效果與耕作阻力，通過方差分析，得知作業(yè)深度與入土角兩個因素對耕作阻力產(chǎn)生極顯著影響，張角因素對耕作阻力影響顯著，綜合分析后確定出最終松土鏟參數(shù)：入土深度20 mm、鏟頭入土角24°、鏟翼張角60°。

（3）田間單因素試驗表明，影響煙稈拔凈率的因素為清理機械作業(yè)速度、夾持帶傳輸速度和夾持高度；田間多因素試驗確定清理機械的最佳工作參數(shù)為清理機械作業(yè)速度0.4 m/s、夾持帶傳輸速度0.58 m/s 和夾持高度0.43 m；方差分析可知，清理機械作業(yè)速度與夾持帶傳輸速度兩個因素均對煙稈拔凈率產(chǎn)生極顯著影響，夾持高度因素產(chǎn)生顯著影響。

（4）清理機械對農(nóng)藝有一定要求，若農(nóng)藝未達到規(guī)定標準則作業(yè)性能會大幅下降。作為第1 代樣機，在設(shè)計與結(jié)構(gòu)上還有待進一步改進，如可添加粉碎裝置，增加作業(yè)功能，方便煙稈的下一步處理，后續(xù)也可將作業(yè)效率作為研究重點，對機械進行升級。